CN105406769A - 具有可延展导线的穿戴式柔性温差发电结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可延展导线的穿戴式柔性温差发电结构。从穿戴面向外，依次包括柔性导热硅胶垫、温差发电层、导热贴片和金属散热片；温差发电层冷端面和热端面分别与导热贴片底面和柔性导热硅胶垫上面相连接，导热贴片上面与金属散热片底面相连接。其穿戴面贴合非平面的人体表皮时，可延展金属导线和聚二甲基硅氧烷封装吸收变形应力，避免机械性能差的碲化铋基热电臂断裂和电极连接的失效；温差发电层的热端一侧封装柔性导热硅胶垫，保证与穿戴者皮肤接触的紧密型，提高了传热效率；各个刚性温差发电模组的冷端具有独立的导热贴片和金属散热片，降低了结构厚度和质量，增大了冷热端温度差。它可对穿戴式医疗装置供能，具有推广应用价值。

Description

具有可延展导线的穿戴式柔性温差发电结构

技术领域

本发明涉及一种温差发电结构，尤其涉及一种具有可延展导线的穿戴式柔性温差发电结构。

背景技术

穿戴式医疗装置的应用越来越广泛，例如脉搏血氧仪、脑电监测仪、心电监护仪、毒素检测仪和血糖测试仪等，可以实时检测人体的健康指标或辅助治疗疾病。为穿戴式医疗装置提供持久稳定的供能是当今世界一个研究热点和难题。现有供能方式主要依靠锂电池供电，其有效工作时间为一般为几个小时至几天，需要经常取下设备进行充电，限制了患者的行动范围，给患者带来很多不便；且对于自理能力差的患者，经常更换电池会增加了看护的人力成本。

此外还有一些新型的供能方式，例如核电池、外界电磁耦合供能、压电发电和温差发电等。核电池工作寿命可以超过十年，但一般体积较大，而且对人体具有毒性和辐射危险；通过体外电磁感应的方式供电在体外需要携带额外的装置，将会增加患者行动的负担；压电发电是将人体运动的能量转化为电能，但人在运动频率低或静态情况下输出功率无法达到器件工作所需功耗。

温差发电是利用热电半导体材料的塞贝克效应，将热能转化为电能。温差发电器件无移动部件、无噪音、无污染、结构简单；同时，由于人体的体温恒定且体表与外界环境间具有一定的温差，而温差发电对温差的下限没有要求，因此，可以直接利这部分热量进行发电，实现持续供能。

现有的微型柔性温差发电构件通常是在柔性的基底上直接加工微型热电臂，再通过溅射、化学气相沉积等MEMS工艺或银膏涂覆等方法进行导线连接，这类温差发电构件的厚度较小，在人体表皮作为热源时不能产生较大的温差；还有研究者将薄膜类的热电阵列封装为立体结构，增大温度梯度，但由于薄膜热电材料电阻较大，且MEMS工艺加工厚度有限，发电的功率无法达到常用穿戴式医疗装置的供能需求。由于室温下碲化铋材料的热电优值较高，因此，采用碲化铋基的热电材料制作热电臂，可以提高温差发电装置的发电功率。但是，人体表存在许多曲面而且人体活动具有灵活性，就需要穿戴式温差发电构件具有更小的尺寸和更好的柔性；碲化铋基材料机械性能较差，受力易导致断裂变形，这样直接加工在柔性基底上的碲化铋基材料容易断裂，使温差发电单元失效。因此，开发一种能够减小冲击，柔性较好的温差发电微单元结构是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供能够适应曲面、工艺简单、热电转换效率高、可靠性好的一种具有可延展导线的穿戴式柔性温差发电结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明从穿戴面向外，依次包括柔性导热硅胶垫、温差发电层、导热贴片和金属散热片；温差发电层冷端面和热端面分别与导热贴片底面和柔性导热硅胶垫上面相连接，导热贴片上面与金属散热片底面相连接。

所述温差发电层，具有至少有一行、每行含有两个及以上结构相同的刚性温差发电模组，每个刚性温差发电模组均由多个N型热电臂、与N型热电臂相同个数P型热电臂用金属导电片串联，再通过柔性可延展金属导线与相邻的刚性温差发电模组连接，每个刚性温差发电模组的多个N型热电臂和多个P型热电臂之间及可延展金属导线均用聚二甲基硅氧烷封装而成温差发电层。

所述柔性导热硅胶垫的导热填充颗粒为氧化铝颗粒，或者是氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒。

所述N型热电臂材料为掺杂碲化铋基热电材料，P型热电臂材料为掺杂碲化铋基热电材料，金属导电片材料为纯铜。

本发明具有的有益效果是：

采用具有间隙的聚二甲基硅氧烷封装和可延展金属导线使温差发电结构具有柔性，可在多个方向变形。当柔性温差发电结构的穿戴面贴合非平面的人体表皮时，可延展金属导线和聚二甲基硅氧烷封装可以吸收变形应力，避免机械性能差的碲化铋基热电臂断裂和电极连接的失效。温差发电层的热端一侧封装柔性导热硅胶垫，替代常用的陶瓷板导热板，保证了与穿戴者皮肤接触的紧密型，提高了传热效率；各个刚性温差发电模组的冷端具有独立的导热贴片和金属散热片，降低了结构厚度和质量，增大了冷热端温度差。

该发明主要针对穿戴式医疗装置的供能，具有推广应用价值。

附图说明

图1是弯曲的穿戴式柔性温差发电结构示意图。

图2是弯曲的穿戴式柔性温差发电结构剖面示意图。

图3是穿戴式柔性温差发电结构的***示意图。

图4穿戴式柔性温差发电结构的工艺流程图。

图中：1.柔性导热硅胶垫，2.温差发电层，3.导热贴片，4.金属散热片，5.N型热电臂，6.P型热电臂，7.金属导电片，8.可延展金属导线，9.聚二甲基硅氧烷。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的基本原理是：

根据塞贝克效应，P型热电臂和N型热电臂两端的温度差会产生电压差。由于单个热电偶产生的电压很低，可采用“热路并联，电路串联”的方式，将P型和N型热电臂组成热电阵列，从而提高输出电压值。

常温下碲化铋材料的热电优值最高，采用碲化铋及其合金可以提高温差发电装置的发电功率。但是，由于碲化铋材料机械性能较差，受力易导致断裂变形。通过可延展金属导线连接将单排或多排阵列型的刚性热电模块连接，在器件变形时，可延展金属导线可以吸收变形应力，保持热电臂的原有形状结构，从而避免热电材料断裂引起温差发电单元失效。

如图1、图2、图3所示，本发明从穿戴面向外，依次包括柔性导热硅胶垫1、温差发电层2、导热贴片3和金属散热片4；温差发电层2两面分别与导热贴片3底面和柔性导热硅胶垫1上面相连接，导热贴片3上面与金属散热片4底面相连接。

所述温差发电层2，具有至少一行、每行含有两个及以上结构相同的刚性温差发电模组，每个刚性温差发电模组均由多个N型热电臂5、与N型热电臂5相同个数P型热电臂6用金属导电片7串联，再通过柔性的可延展金属导线8与相邻的刚性温差发电模组连接，每个刚性温差发电模组的多个N型热电臂5和多个P型热电臂6之间及可延展金属导线8均用聚二甲基硅氧烷9封装而成温差发电层2。

所述柔性导热硅胶垫1的导热填充颗粒为氧化铝颗粒，或者是氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒，具有良好的导热性能，同时能够防穿刺，起到绝缘的作用。

所述N型热电臂5材料为掺杂碲化铋基热电材料，P型热电臂6材料为掺杂碲化铋基热电材料，金属导电片7材料为纯铜。

本发明通过粉末半固态压制P型和N型的碲化铋基块体，通过线切割工艺将压制的块体切割成毫米级的立方体热电臂。对线切割后的热电臂表面抛光，除去杂质，再在冷热两端采用蒸镀工艺加工一层微米级的镍，制备好刚性温差发电模组所需的热电臂。

如图4所示，采用表面喷锡或化学沉锡的方法对金属导电片7的一面涂覆微米级的锡层。通过相应的定位夹紧装置将相等数量的N型热电臂5、P型热电臂6间隔排布成热电阵列。利用与热电阵列对应的掩模板，在N型热电臂5和P型热电臂6的冷热两端涂覆无铅焊料。按照电路串联的结构，在热电臂的冷热端分别与金属导电片7覆锡的表面相接，但在刚性热电模组两端需要连接柔性可延展金属导线8的热电臂热端面上不进行涂覆焊料和覆盖金属导电片7。在整个模组的外部采用平面夹具整体夹紧，将夹紧后的装置放入真空加热炉中进行焊接。

将柔性的可延展金属导线8分别通过锡焊连接多个刚性温差发电模组两端裸露的热电臂热端面，可延展金属导线8的材料为纯铜。刚性温差发电模组连接的形式可以是单排或多排。可延展金属导线8与热电臂焊接的部分尺寸与热电臂端面面积相等，中间连接处尺寸小于两端面积尺寸，且有一定的弯曲，具有延展性。在贴合柔性曲面时，由柔性可延展金属导线8连接的刚性温差发电模组阵列的变形主要集中在的可延展金属导线8的中部，减少了刚性温差发电模组的受力变形，避免了热电臂的断裂，从而避免了柔性温差发电结构的失效。

通过三维打印技术加工出带有间隔排布凸起的聚二甲基硅氧烷模具，使加工出的聚二甲基硅氧烷9封装结构在各个刚性温差发电模组之间具有间隙，并且使金属导电片7露出，提高温差发电层的传热性能。首先，将连接好的热电模组放入模具中。然后，配制树脂与固化剂比例适当的聚二甲基硅氧烷材料，倒入模具，在真空干燥箱中加热固化聚二甲基硅氧烷。最后，将固化后的聚二甲基硅氧烷包裹的热电模组阵列从模具中剥离出，形成温差发电层2。由于聚二甲基硅氧烷的导热率低，聚二甲基硅氧烷9封装将N型热电臂5和P型热电臂6包裹起来，裸露出热端和冷端的金属导电片7，不会减少刚性热电模组冷热两端的温差，但可以减少刚性温差发电模组内部和各个刚性温差发电模组之间的辐射和对流，提高传热效率的作用。而且固化后的聚二甲基硅氧烷具有一定的柔性，在柔性温差发电结构弯曲时可以吸收形变，使刚性温差发电模组与人体皮肤紧密接触。

在温差发电层2的热端面贴上柔性导热硅胶垫1，柔性导热硅胶垫1的面积与温差发电层2底面积相等，导热硅胶垫的导热填充颗粒一般为氧化铝颗粒或者是氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒，具有良好的导热性能，同时能够防穿刺，起到绝缘的作用。柔性导热硅胶垫1在温差发电结构弯曲时可以吸收形变，使刚性温差发电模组与人体皮肤紧密接触。

在温差发电层2的冷端面依次贴上导热贴片3和散热片4。各个刚性温差发电模组的冷端具有独立的导热贴片3和金属散热片4。金属散热片4的材料是金属铝和金属铜。

Claims (4)

1.一种具有可延展导线的穿戴式柔性温差发电结构，其特征在于：从穿戴面向外，依次包括柔性导热硅胶垫(1)、温差发电层(2)、导热贴片(3)和金属散热片(4)；温差发电层(2)冷端面和热端面分别与导热贴片(3)底面和柔性导热硅胶垫(1)上面相连接，导热贴片(3)上面与金属散热片(4)底面相连接。

2.根据权利要求1所述的穿戴式柔性温差发电结构，其特征在于：所述温差发电层(2)，具有至少一行、每行含有两个及以上结构相同的刚性温差发电模组，每个刚性温差发电模组均由多个N型热电臂(5)、与N型热电臂(5)相同个数P型热电臂(6)用金属导电片(7)串联，再通过柔性的可延展金属导线(8)与相邻的刚性温差发电模组连接，每个刚性温差发电模组的多个N型热电臂(5)和多个P型热电臂(6)之间及可延展金属导线(8)均用聚二甲基硅氧烷(9)封装而成温差发电层(2)。

3.根据权利要求1所述的穿戴式柔性温差发电结构，其特征在于：所述柔性导热硅胶垫(1)的导热填充颗粒为氧化铝颗粒，或者是氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒。

4.根据权利要求1所述的穿戴式柔性温差发电结构，其特征在于：所述N型热电臂(5)材料为掺杂碲化铋基热电材料，P型热电臂(6)材料为掺杂碲化铋基热电材料，金属导电片(7)材料为纯铜。