热电系统、尤其是热电传感器系统以及对应的制造方法与流程

本发明涉及一种热电系统、尤其是热电传感器系统，以及一种对应的制造方法。

背景技术：

“物联网”（internetofthings，iot）被称为在信息技术方面最重要的未来的发展之一。iot指的是，不仅人们能够访问互联网并且通过这个互联网而联网，而且设备也能够通过互联网而联网。“物联网”的范围尤其瞄准生产自动化和房屋自动化方向，例如借助于传感器进行温度测量。现在正在努力进一步开发下述传感器，所述传感器同时基于“能量采集（energyharvesting）”而例如从环境中获取所需要的电能。

de19845104a1公开了一种用于制造热电变流器的方法，该热电变流器具有多个串联的热元件单元，所述热元件单元尤其借助于多个第一导线而相互串连。

技术实现要素：

本发明实现了具有独立权利要求特征的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法。

优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。

本发明所基于的构思在于，通过将具有热电结构元件的电路板布置或者集成在壳体内而进一步开发热电系统，从而能够高效地运行所述热电结构元件。此外，能够通过在这里说明的热电系统来保护所述热电结构元件免受外部影响，例如空气湿度或者振动。

在这里，所述热电系统、尤其是热电传感器系统包括至少一个电路板、至少一个热电结构元件（所述热电结构元件具有冷侧和暖侧），其中，所述至少一个热电结构元件与所述至少一个电路板电接触。所述至少一个热电结构元件能够例如利用所述暖侧布置在所述至少一个电路板上。此外，所述热电系统包括具有盖罩的壳体，其中，所述电路板和所述至少一个热电结构元件布置在所述壳体中或者说在该壳体内。这就是说，所述电路板和所述至少一个热电结构元件能够完全布置在所述壳体中。在这种情况下，所述至少一个热电结构元件借助于热导体装置在所述冷侧处与散热结构连接，并且在所述暖侧处与所述壳体的背离所述盖罩的侧连接，并且所述至少一个电路板通过所述热导体装置很大程度上自支承式地布置在所述壳体中。

“很大程度上”这个术语在本文中指的是，该电路板的布置能够尤其仅通过所述热导体装置来实施。

“自支承式”这个术语在本文中指的是，所述壳体能够包括其他组件，所述组件能够支撑所述电路板。这种组件被理解为所述热电系统的一种扩展方案。该电路板在所述壳体中自支撑的位置或者状态能够通过所述热导体装置来实现。

“散热结构”在本文中指的是能够保障更好、更高效和/或更快速地导出热量或者说高温的结构。尤其是，在这种情况下能够指的是用于提高散热的结构。

此外，本发明还涉及一种用于制造热电系统、尤其是热电传感器系统的方法。所述制造方法在这种情况下包括提供所述至少一个电路板、提供所述至少一个热电结构元件，所述至少一个热电结构元件具有冷侧和暖侧，其中，所述至少一个热电结构元件与所述至少一个电路板电接触。此外，提供具有盖罩的壳体。所述至少一个电路板和所述至少一个热电结构元件布置在所述壳体中，并且所述至少一个热电结构元件借助于所述热导体装置在所述冷侧处与所述散热结构连接，并且在所述暖侧处与所述壳体的背离所述盖罩的侧连接，其中，所述至少一个电路板通过所述热导体装置很大程度上自支承式地布置在所述壳体中。

在本发明中，所述热电结构元件是热电发电机（teg），该热电发电机在温度梯度的作用下根据塞贝克效应产生电能。在本发明中，尤其通过所述热导体装置和该具有所述盖罩的壳体的尺寸和/或材料特性来改善对所述温度梯度的调节。所述热导体装置尤其能够将所述至少一个电路板与所述至少一个热电结构元件连接，该热导体装置从该壳体的底面延伸至所述散热结构，或者从该壳体的底面延伸到所述盖罩，或者以从该壳体的底面延伸穿过所述盖罩。因此，例如当所述壳体具有对应的高度时，能够借助于所述热导体装置特别高效地运行所述至少一个热电结构元件，因为尤其容易出现在所述冷侧以及所述暖侧处的温度差别。例如，该壳体的高度能够是17mm至25mm、尤其是20mm。

因此，在热电结构元件的基础上，能够建立自主的热电传感器系统或者传感器机构，所述传感器系统或者传感器机构例如能够安装在工业设备的热表面处，并且例如通过在所述至少一个热电结构元件处出现的温度梯度给传感器供应能量。在这种情况下，所述传感器、例如mems能够布置在所述至少一个电路板的上侧或者下侧。

根据一种优选的扩展方案，所述热导体装置尤其能够包括金属，例如铜、铝或者不锈钢。也能够想到的是由导热良好的金属材料制成的合金。

根据另一种优选的扩展方案，所述至少一个热电结构元件机械地安装在所述至少一个电路板上。因此，尤其能够实现该热电系统的简单结构。

根据另一种优选的扩展方案，所述至少一个热电结构元件直接与所述热导体装置机械接触。因此，在所述至少一个热电结构元件中能够特别高效地出现温度梯度。

根据另一种优选的扩展方案，所述至少一个电路板包括热接触部，所述热接触部竖直地伸展穿过所述至少一个电路板，其中，所述至少一个热电结构元件布置在所述热接触部上，并且所述热接触部与所述至少一个热电结构元件和所述热导体装置一起形成上下相叠地布置的堆。在本文中，“竖直”指的是横向于该电路板的主扩张方向的方向。因此，在该至少一个热电结构元件内能够特别高效地出现所述温度梯度。此外，能够实现节省空间的结构方式。

根据另一种优选的扩展方案，所述热接触部布置在所述电路板的沿对角线对置的侧处。因此，在所述电路板上的热结构元件之间相互的热影响能够被最小化。

根据另一种优选的扩展方案，所述散热结构是冷却体的部件，所述冷却体覆盖所述盖罩，并且其中，所述热导体装置能够穿过所述盖罩的开口。因此，在工业使用方面，能够以简单的方式使所述热电系统匹配。

根据另一种优选的扩展方案，所述盖罩通过至少一个密封元件与所述壳体或者与所述热导体装置热解耦。因此，热量能够经由该至少一个热电结构元件的冷侧高效地导出。

根据另一种优选的扩展方案，所述散热结构是该盖罩的部件，所述盖罩覆盖所述壳体。因此，所述热电系统能够以简单的方式小型化。

根据另一种优选的扩展方案，在所述壳体中布置有灌封材料，并且所述灌封材料机械地稳定所述电路板。因此，在这里说明的热电系统能够受到保护尤其免受外部振动的影响。所述灌封材料尤其能够补偿或者说吸收这样的振动。此外，所述灌封材料能够提高所述热电系统相对于振动的鲁棒性。

根据另一种优选的扩展方案，所述壳体和/或所述盖罩包括导热材料。因此，借助于所述热导体装置能够附加地优化供热或者散热。

在这里说明的用于所述热电系统的扩展方案或者特征同样公开了对于用于制造所述热电系统的方法的扩展方案或者特征，反之亦然。

附图说明

在下文中，根据参照附图的实施方式阐述本发明的其他特征和优点。

附图示出：

图1根据本发明的一种实施方式的传感器系统的示意图；

图2用于阐述根据本发明的第一实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图3用于阐述根据本发明的第二实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图4用于阐述根据本发明的第三实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图5用于阐述根据本发明的第四实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图6用于阐述根据本发明的第五实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图7用于阐述根据本发明的第六实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图8用于阐述根据本发明的第七实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图9用于阐述根据本发明的第八实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图10用于阐述根据本发明的第九实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图11用于阐述根据本发明的第十实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图12用于阐述根据本发明的第十一实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图13用于阐述根据本发明的第十二实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；

图14用于阐述根据本发明的第十三实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图；和

图15用于阐述根据图1至14的在这里说明的替代的实施方式的制造方法的流程图。

具体实施方式

附图中，相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件或者组件。

图1是根据本发明的一种实施方式的传感器系统的示意图。

在图1中，附图标记101表示热电系统100、尤其是热电传感器系统101，该热电系统、尤其是热电传感器系统具有壳体15和冷却体35。图1示出示例性的、自主的传感器系统101。对于热电系统100的、尤其是热电传感器系统101的替代实施方式的详细结构，参见附图2至14。

图2是用于阐述根据本发明的第一实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

在图2中，附图标记100表示热电系统100，或者，附图标记101表示热电传感器系统101。热电传感器系统101包括电路板10、两个热电结构元件20，所述两个热电结构元件相互之间具有间距a1，并且具有冷侧k1和暖侧w1。两个热电结构元件20与电路板10电接触。此外，热电传感器系统101包括壳体15，该壳体具有盖罩30，其中，电路板10和所述至少一个热电结构元件20布置在壳体15中，并且其中，两个热电结构元件20借助于热导体装置21、22、23、24在冷侧k1处与散热结构31连接并且在暖侧w1处与壳体15的背离盖罩30的侧连接。在这种情况下，如图1所示，电路板10通过热导体装置21、22、23、24很大程度上自支承式地布置在所述壳体中。

此外，图2所示的电路板10包括热接触部13，所述热接触部竖直地伸展穿过电路板10，其中，所述至少一个热电结构元件20布置在热接触部13上，并且热接触部13与热电结构元件20以及热导体装置21、22、23、24分别一起形成上下相叠地布置的堆s1。另外，电路板10包括组件40，所述组件能够起到例如传感器或者mems的作用。组件40能够在电路板10的下侧11和/或上侧12上经由尤其是另外的电路电连接成热电结构元件20。换言之，在这里说明的热电结构元件20能够起到用于组件40的能量源的作用。

如图2所示，盖罩30通过至少一个密封元件m1、d1与壳体15或者与热导体装置21、22、23、24热解耦。密封元件m1、d1包括隔热材料，从而使得盖罩30与壳体15或者与热导体装置21、22、23、24热解耦。这表示，尤其是盖罩30能够仅借助于密封元件d1与壳体15接触。因此，能够高效地出现冷侧k1和暖侧w1，从而能够尽可能快速地出现温度梯度。此外，因此能够尤其实现密封功能，以便尤其满足对于ip防护等级的要求。ip防护等级规定，电气构件能够承受何种范围的环境影响，而不受损或者不构成安全风险。因此，能够高效地出现在冷侧与暖侧之间形成的温度梯度。

另外，带有热接触部13的电路板10仅或者直接借助于热导体装置21、22、23、24布置在壳体15内，在所述电路板上能够尤其机械地安装有热电结构元件20。

如图2所示，散热结构31是冷却体35的部件，所述冷却体覆盖盖罩30。在这种情况下，热导体装置21、22、23、24能够穿过盖罩30的开口32。这表示，图2所示的导体装置21、22至少局部位于壳体15之外。冷却体35和盖罩30具有竖直间距。因此，能够通过所述至少一个热电结构元件的冷侧高效地导出热量。

图2的冷却体35具有层状的结构，该层状的结构布置在与壳体15相反的方向上。尤其是，热接触部13能够布置在电路板10的沿对角线对置的侧处。因此，在两个热电结构元件20之间能够出现大的间距。

图3是用于阐述根据本发明的第二实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

在图3中示出了如图2所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图2的区别在于，冷却体35构造为封闭的冷却体。这表示，图2中的冷却体35的层状突出的结构现在具有覆盖冷却体35或者散热结构31的面。通过这样封闭的冷却体35可能的是，例如给冷却体35的背离所述壳体的上侧贴上标签。此外，这样的冷却体35或者散热结构31在自然对流时和在竖直安装位置中具有比不带有盖子的冷却体更高的热性能，因为这样的冷却体的有效表面更大。

图4是用于阐述根据本发明的第三实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图4示出如图3所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图3的区别在于，热电传感器系统101包括另外的、在竖直方向上间隔开的电路板10’，该另外的电路板具有另外的组件40。另外的电路板10’例如能够通过插塞触点插接或者焊接在电路板10的上方。因此，通过简单的方式能够实施附加的功能集成。另外的电路板10’能够这样来实施，使得不与热导体装置21、22产生直接的机械接触。

图5是用于阐述根据本发明的第四实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图5基于图4所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图4的区别在于，壳体15的底面b1包括导热材料，并且因此，底面b1起到热导体的作用。优选地，壳体15的底面b1与配属于暖侧w1的热导体装置23、24构成直接接触。因此，能够改善在壳体15的底面b1处的热量分布（wärmespreizung）。由此，在运行热电系统100、尤其是热电传感器系统101时造成较大的温度梯度。

图6是用于阐述根据本发明的第五实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图6基于图5所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图5的区别在于，在壳体15中布置有灌封材料v1，灌封材料v1机械地稳定电路板10。灌封材料v1在横向方向上例如与电路板10的上侧12齐平。此外，通过灌封材料v1能够机械地稳定壳体15，由此，能够确保附加的防潮保护。

图7是用于阐述根据本发明的第六实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图7基于图6所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图6的区别在于，壳体15完全填充以灌封材料v1。在这种情况下，灌封材料v1具有特别低的导热性，尤其用以避免短路并且有利于热电构件的功能性。尤其能够考虑的是，在用灌封材料v1填充之前热电结构元件20利用底部填充物（underfill）加以保护。因此，能够阻止灌封材料v1不受限定地侵入到热电结构元件20之间的间隔中。

图8是用于阐述根据本发明的第七实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图8基于图7所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图7的区别在于，热电结构元件20在灌封材料v1内位于空腔h1中。换言之，图8的热电结构元件20与灌封材料v1的材料不接触。这能够例如通过下述方式实现：在用灌封材料v1填充壳体15之前，热电结构元件20至少局部被能够热分解的材料包围。所述能够热分解的材料能够在引入灌封材料v1之后通过热步骤被分解。同样能够考虑能够以别的方式事后移除的材料来替代能够热分解的材料。

图9是用于阐述根据本发明的第八实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图9示出了图2所示的热电传感器系统101或者热电系统100，但与图2的区别在于，散热结构31是盖罩30的部件，该盖罩覆盖壳体15。这表示，散热结构31具有两个功能，即盖罩30的功能和冷却体35的功能（例如参见图2）。换言之，散热结构31不具有开口32，并且一方面能够覆盖壳体15，同时能够起到冷却体35的作用。散热结构31能够借助于导热良好的粘合材料、导热良好的垫片或者也能够借助于膏或者焊接膏与热导体装置21、22接触。例如，垫片和膏包括导热的补偿材料，从而使得能够实现材料锁合的和补偿公差的触点。此外，导体装置21、22也能够是散热结构31的固定的组成部分。因此，尤其能够使得接触电阻最小化。

图10是用于阐述根据本发明的第九实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图10基于图9所示的热电传感器系统101或者热电系统100，但与图9的区别在于，散热结构31直接与两个热电结构元件20的冷侧k1连接。因此，能够提供节省空间的并且紧凑的热电传感器系统101或者热电系统100。

图11是用于阐述根据本发明的第十实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图11基于图2所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图2的区别在于，盖罩30至少局部地与热导体装置21、22平行地伸展，并且与散热结构31或者盖罩30连接。

图12是用于阐述根据本发明的第十一实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图12基于图2所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图2的区别在于，盖罩30包括与热导体装置21、22、23、24基本上相同的材料。因此，能够附加地扩大散热面，其中，盖罩30借助于密封元件d1与壳体15热解耦。

图13是用于阐述根据本发明的第十二实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图13基于图2所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图2的区别在于，壳体15以及盖罩30包括导热良好的材料。在这种实施方式中，密封元件d1必须确保壳体15与盖罩30之间的隔热，以便有利于在热电结构元件20处构成温度梯度。

图14是用于阐述根据本发明的第十三实施方式的热电系统、尤其是热电传感器系统和对应的制造方法的示意性横截面视图。

图14基于图2所示的热电系统100、尤其是热电传感器系统101，但与图2的区别在于，原电池51或者能够再充电的蓄电池52布置在散热结构31或者冷却体35与盖罩30之间。原电池51或者能够再充电的蓄电池52能够例如布置在盖罩30上。同样能够考虑的是，原电池51或者能够再充电的蓄电池52集成到冷却体35或者散热结构31中。因此，原电池51或者能够再充电的蓄电池52能够布置在具有基本上较低温度的区域中，因为借助于冷却体35或者散热结构31能够快速地导出在运行时产生的热量。

图15是用于阐述根据图1至14的、在这里说明的替代的实施方式的制造方法的流程图。

用于制造热电系统100、尤其是热电传感器系统101的方法包括步骤a至c。在步骤a中，提供电路板10。在步骤b中，至少提供至少一个热电结构元件20，该热电结构元件具有冷侧k1和暖侧w1。在这种情况下，热电结构元件20与电路板10电接触。在步骤c中，提供具有盖罩30的壳体15，其中，电路板10和热电结构元件20布置在壳体15中，并且其中，热电结构元件20借助于热导体装置21、22、23、24在冷侧k1处与散热结构31连接并且在暖侧w1处与壳体15的背离盖罩30的侧连接，并且电路板10借助于热导体装置21、22、23、24很大程度上自支承式地布置在壳体15中。

虽然根据优选的实施例对本发明进行了说明，但本发明不局限于所述优选的实施例。尤其是，所提到的材料和布置仅是示例性的，并不局限于所阐述的例子。