可拉伸柔性热电器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了可拉伸柔性热电器件及其制作方法，可拉伸柔性热电器件的热端或冷端可拉伸电极阵列，包括阵列排布的多个热端或冷端可拉伸电极，每个热端或冷端可拉伸电极为片状结构的柔性覆铜板，每个热端或冷端可拉伸电极分为三个部分，两端为与P型热电块体或N型热电块体的热端或冷端底面形状相同的结构，中间为交错排列的缝隙结构。本发明专利技术可拉伸柔性热电器件及其制作方法通过在柔性热电器件的热端和冷端电极阵列上设计制作交替切缝结构，使热电器件具有良好的拉伸性；同时可拉伸柔性热电器件制作方法创新性地实现了电极阵列的大面积一体化制造和定位焊接，降低了可拉伸柔性热电器件的制造成本，提高了柔性热电器件的加工效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
可拉伸柔性热电器件及其制作方法


[0001]本专利技术属于热电转换
，涉及可拉伸柔性热电器件及其制作方法。

技术介绍

[0002]基于塞贝克效应的热电器件能够收集人体体表热能并转换为电能，为可穿戴电子设备提供持续供能，具有绿色环保、无噪声、无运动部件等优势，具有广阔的应用前景。由于人体体表为曲面热源，采用柔性热电器件可以减小外部冲击振动对热电器件的损坏，且提高穿戴舒适性。现有技术通过结构设计或制作方法的改进，可使柔性热电器件具有良好的弯曲特性。
[0003]然而，由于人体皮肤具有延展性，且存在关节等处的非结构化曲面，因此仅具有弯曲性的柔性热电器件无法在皮肤延展时或关节活动时与人体皮肤表面紧密贴合，容易造成脱离或损坏，限制了该类柔性热电器件的应用场合。例如，中国专利CN107046092A公布了具有镂空结构基底的穿戴式温差发电器制作方法，但由于其采用的柔性印刷电路板制作一体化热端电极，使柔性热电器件无法延展拉伸；同时，单独加工的冷端铜导电片需要采用三维打印进行二次定位，增加了加工难度，易引入新的加工误差，也降低了加工效率。
[0004]因此，面向柔性热电器件的可拉伸性应用需求，有必要改进柔性热电器件的结构设计和制作方法，提高柔性热电器件与曲面热源的贴合程度，减少热量传递损耗，进而提高器件发电效率与输出性能。
[0005]目前现有公开的可拉伸柔性热电器件组件及其制作方法，存在加工效率低、器件输出性能偏低等问题。例如，中国专利CN108649116A公布了一种可拉伸可穿戴弹簧状无机热电器件，采用模板法在弹簧模板上依次涂覆聚合物基底、热电活性材料后剥离，制备弹簧状的可拉伸热电器件；弹簧状的可拉伸结构采用商用螺丝作为聚合物基底的模板，不利于器件的大面积制造与阵列化；且由于其采用聚合物粘液与热电材料混合进行涂覆，器件输出功率仅为nW级。中国专利CN106206923A公布了一种柔性穿戴式温差发电装置，采用铜箔与连接铜箔之间的柔性导线组成铜箔导线层，其中用于焊接的铜箔与半导体粒子表面形状一致，柔性正弦形式导线提供伸缩延展性；但由于铜箔导线层需要进行分别单独加工后再组装，加工难度大、效率低，不利于器件的集成小型化。中国专利CN108649114A、CN105406769A、CN111584706A公布的柔性热电器件中均采用锡焊连接可延展电极与热电材料，但可延展电极需要单独加工后再与热电材料进行连接，降低了加工效率；且未公开柔性金属导线的定位方法，难以确保其与热电臂的定位精度，易引入加工误差。
[0006]综上所述，亟需一种高效低成本的可拉伸柔性热电器件及其制作方法，能够解决目前可拉伸柔性热电器件制作过程中存在的大面积制造及阵列化难、各器件定位过程易引入误差且各器件连接效率低下、坏品率高的问题，提高器件可靠性与输出功率密度。

技术实现思路

[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供可拉伸柔性热电器件及其制作方法，通过在柔性
热电器件的热端和冷端电极阵列上设计制作交替切缝结构，使得电极阵列在未受到拉伸应力的情况下具有良好的紧凑性，在受到拉伸应力时交替切缝结构发生变形，使热电器件具有良好的拉伸性；同时，可拉伸柔性热电器件制作方法创新性地实现了电极阵列的大面积一体化制造和定位焊接，降低了可拉伸柔性热电器件的制造成本，提高了柔性热电器件的加工效率，解决了现有技术中存在的可拉伸柔性热电器件制作过程中存在的大面积制造及阵列化难、各器件定位过程易引入误差且各器件连接效率低下、坏品率高的问题。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是，可拉伸柔性热电器件，包括：热端可拉伸电极阵列、热电块体阵列、冷端可拉伸电极阵列、超弹性体；热电块体阵列，包括阵列排布的多个热电块体对，每个热电块体对由一个P型热电块体和一个N型热电块体组成；P型热电块体和N型热电块体的形状和尺寸均相同；热电块体阵列通过热端可拉伸电极阵列与冷端可拉伸电极阵列组成串联或串并联结构；热端可拉伸电极阵列，包括阵列排布的多个热端可拉伸电极；冷端可拉伸电极阵列，包括阵列排布的多个冷端可拉伸电极；热端可拉伸电极阵列和冷端可拉伸电极阵列中的可拉伸电极为相同片状结构的柔性覆铜板；每个可拉伸电极分为三个部分，两端为与P型热电块体或N型热电块体的热端或冷端底面形状相同的结构，中间为交错排列的缝隙结构；超弹性体，用于热电块体阵列的侧面封装。
[0009]进一步地，P型热电块体或N型热电块体的两端底面一端为热端底面，另一端为冷端底面，两端底面均依次镀一层镍层和一层锡层，P型热电块体的材料成分为Bi
0.5
Sb
1.5
Te3，N型热电块体的材料成分为Bi2Se
0.5
Te
2.5
。
[0010]进一步地，热电块体阵列包括阵列排布的50个热电块体对，P型热电块体或N型热电块体的形状为长方体，底面为边长为1.2mm的正方形，高为2mm。
[0011]进一步地，柔性覆铜板由柔性聚合物绝缘基底与铜导电层贴合组成，柔性聚合物绝缘基底贴合穿戴面，铜导电层用于连接热电块体对的热端底面，柔性聚合物绝缘基底与铜导电层的厚度相同。
[0012]本专利技术的另一专利技术目的，在于提供一种上述可拉伸柔性热电器件的制作方法，包括以下步骤：步骤S1、热电块体制作：将区熔法成形的P型热电材料和N型热电材料分别通过线切割加工为多个规则形状的P型热电块体和N型热电块体；步骤S2、热端可拉伸电极阵列的制作与焊膏涂覆：采用水溶性胶带与柔性覆铜板的柔性聚合物绝缘基底贴合，再采用双面粘贴材料将已采用水溶性胶带粘贴的柔性覆铜板粘贴在金属平板上，采用冷光切割设备在柔性覆铜板的铜导电层一面上按阵列排布方式切割加工多个热端可拉伸电极，形成热端可拉伸电极阵列；将热端焊膏涂覆网版覆盖在热端可拉伸电极阵列的上端，然后用金属刮刀将热端焊膏涂覆在热端可拉伸电极阵列上；步骤S3、热电块体定位以及与热端可拉伸电极阵列焊接：将涂覆有焊膏的热端可拉伸电极阵列的金属平板固定在周边具有螺孔的底板上，加装定位螺柱与垫圈，制作热电块体定位板，热电块体定位板的开孔对应热电块体和定位螺柱的位置，并将多个N型热电块
体和P型热电块体通过热电块体定位板交替放置在涂覆有焊膏的热端可拉伸电极阵列上，N型热电块体和P型热电块体放置完成后，在热电块体上端加装盖板，将盖板与底板压紧，将装配压紧后的组件放入加热炉中并抽真空，在180℃的温度条件下焊接3分钟，待加热炉冷却后，将装配压紧的组件取出，拆下盖板、底板和热电块体定位板，完成可拉伸柔性热电器件的热端焊接；步骤S4、冷端可拉伸电极阵列制作与焊膏涂覆：采用水溶性胶带与柔性覆铜板的柔性聚合物绝缘基底贴合，再采用双面粘贴材料将已采用水溶性胶带粘贴的柔性覆铜板粘贴在金属平板上，采用冷光切割设备在柔性覆铜板的铜导电层一面上按阵列排布方式切割加工多个冷端可拉伸电极，形成冷端可拉伸电极阵列；将冷端焊膏涂覆网版覆盖在冷端可拉伸电极阵列的上端，用金属刮刀将冷端焊膏涂覆在冷端可拉伸电极阵列上；步骤S5、冷端可拉伸电极阵列焊接：将粘贴在金属平板上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可拉伸柔性热电器件，其特征在于，包括：热端可拉伸电极阵列（1）、热电块体阵列（2）、冷端可拉伸电极阵列（3）、超弹性体（4）；热电块体阵列（2），包括阵列排布的多个热电块体对，每个热电块体对由一个P型热电块体和一个N型热电块体组成；P型热电块体和N型热电块体的形状和尺寸均相同；热电块体阵列（2）通过热端可拉伸电极阵列（1）与冷端可拉伸电极阵列（3）组成串联或串并联结构；热端可拉伸电极阵列（1），包括阵列排布的多个热端可拉伸电极；冷端可拉伸电极阵列（3），包括阵列排布的多个冷端可拉伸电极；热端可拉伸电极阵列（1）和冷端可拉伸电极阵列（3）中的可拉伸电极为相同片状结构的柔性覆铜板（5）；每个可拉伸电极分为三个部分，两端为与P型热电块体或N型热电块体的热端或冷端底面形状相同的结构，中间为交错排列的缝隙结构；超弹性体（4），用于热电块体阵列（2）的侧面封装。2.根据权利要求1所述的可拉伸柔性热电器件，其特征在于，所述P型热电块体或N型热电块体的两端底面一端为热端底面，另一端为冷端底面，两端底面均依次镀一层镍层和一层锡层， P型热电块体的材料成分为Bi
0.5
Sb
1.5
Te3，N型热电块体的材料成分为Bi2Se
0.5
Te
2.5
。3.根据权利要求1所述的可拉伸柔性热电器件，其特征在于，所述热电块体阵列（2）包括阵列排布的50个热电块体对，P型热电块体或N型热电块体的形状为长方体，底面为边长为1.2mm的正方形，高为2mm。4.根据权利要求1所述的可拉伸柔性热电器件，其特征在于，所述柔性覆铜板（5）由柔性聚合物绝缘基底与铜导电层贴合组成，柔性聚合物绝缘基底贴合穿戴面，铜导电层用于连接热电块体对的热端底面，柔性聚合物绝缘基底与铜导电层的厚度相同。5.根据权利要求1~4中任一项所述的可拉伸柔性热电器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、热电块体制作：将区熔法成形的P型热电材料和N型热电材料分别通过线切割加工为多个规则形状的P型热电块体和N型热电块体；步骤S2、热端可拉伸电极阵列（1）的制作与焊膏涂覆：采用水溶性胶带（6）与柔性覆铜板（5）的柔性聚合物绝缘基底贴合，再采用双面粘贴材料（7）将已采用水溶性胶带（6）粘贴的柔性覆铜板（5）粘贴在金属平板（8）上，采用冷光切割设备在柔性覆铜板（5）的铜导电层一面上按阵列排布方式切割加工多个热端可拉伸电极，形成热端可拉伸电极阵列（1）；将热端焊膏涂覆网版覆盖在热端可拉伸电极阵列（1）的上端，然后用金属刮刀将热端焊膏涂覆在热端可拉伸电极阵列（1）上；步骤S3、热电块体定位以及与热端可拉伸电极阵列（1）焊接：将涂覆有焊膏的热端可拉伸电极阵列（1）的金属平板（8）固定在周边具有螺孔的底板上，加装定位螺柱与垫圈，制作热电块体定位板，热电块体定位板的开孔对应热电块体和定位螺柱的位置，并将多个N型热电块体和P型热电块体通过热电块体定位板交替放置在涂覆有焊膏的热端可拉伸电极阵列（1）上，N...

【专利技术属性】
技术研发人员：史尧光，吕晓洲，张维强，姚斌，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：