Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法技术

本发明专利技术属于热电转换技术领域，具体公开了一种Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法。将柔性PCB板设计成Kirigami结构，使得柔性PCB板具有柔性和可拉伸性，并在每个像素单元中间隔焊接P型和N型半导体热电颗粒，形成独立的像素单元。每个像素单元中P型和N型半导体热电颗粒交替布置，通过上、下电极形成电串联、热并联结构。本发明专利技术采用柔性PCB板、Kirigami结构和热电颗粒的有效结合，实现柔性、可拉伸的热电器件，并通过热电器件的帕尔贴效应，可以使热电器件制冷或制热，以此达到对人体的冷热刺激，进一步增加人们在VR应用中的体验。进一步增加人们在VR应用中的体验。进一步增加人们在VR应用中的体验。

【技术实现步骤摘要】
Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热电转换
，尤其涉及一种基于Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]虚拟现实（VR）的传统技术通过视觉和听觉刺激创造人类体验，复制与物理世界相关的感觉。VR的一个重要未来在于开发一种完整的沉浸式体验，不仅包括交互式图像和声音，还包括触觉（冷热的刺激和感知）。这种具有多感官能力的技术的影响将影响到社交媒体、通信、游戏和娱乐、临床医学、康复等各个领域。
[0003]目前，现有的VR设备均是通过视觉和听觉来给人类创造体验，但是，很少有设备可以给人类带来冷热的感官刺激，这大大降低了人们在VR设备使用中的体验感。同时，也很少有能够穿戴在人体上的柔性VR设备。因此，急需开发一种柔性VR设备，为人体提供冷热感知，增加人类在VR设备上的使用体验。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术中存在的不足，本专利技术的专利技术目的是提供一种Kirigami结构的柔性热电器件及其制备方法和在VR设备中的应用，该热电器件通过Kirigami结构的构建，具有柔性和可拉伸性，可穿戴在人体上；同时，通过热电材料的帕尔贴效应，使得该热电器件具有制冷、制热的功能，使人感受到冷热。包含该热电器件的VR设备增加了人的体验感，在社交媒体互动、假肢反馈和视频游戏等领域具有广阔的应用前景。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种Kirigami结构的柔性热电器件，所述柔性热电器件包括P型半导体热电颗粒、N型半导体热电颗粒、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板、作为上电极的独立的柔性PCB板，其特征在于，以N型/P型无机半导体热电材料为原料制得N型/P型半导体热电颗粒；将柔性PCB板构建为Kirigami结构，并在所述柔性PCB板上形成独立的模块电路，作为所述热电器件的下电极，通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的一端焊接在所述柔性PCB板的所述模块电路上；通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的另一端与作为上电极的独立的柔性PCB板焊接，使得每个所述模块电路中的N型半导体热电颗粒和P型半导体热电颗粒构成热并联和电串联结构；其中，Kirigami结构的柔性PCB板中每个几何单元包括至少一个独立的模块电路，一个所述几何单元及其上焊接的N型和P型半导体热电颗粒、与N型和P型半导体热电颗粒焊接的作为上电极的独立的柔性PCB板构成一个独立的热电模块。
[0006]进一步地，所述P型半导体热电颗粒和N型半导体热电颗粒均由Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe或SiGe材料制成。所述N型/P型半导体热电颗粒的尺寸通过仿真软件计算得出，具体为：长为1
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2mm，宽为1
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2mm，高为0.8
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5mm。
[0007]进一步地，P型和N型半导体热电颗粒通过锡浆、银浆等低温导电粘结剂连接在上电极和下电极之间，形成热并联和电串联结构。
[0008]进一步地，所述P型和/或N型半导体热电颗粒之间的间距通过仿真软件计算得出，所述间距为1
‑
3mm。
[0009]进一步地，P型和N型半导体热电颗粒的尺寸为1.4mm
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1.4mm
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2.5mm且各热电颗粒的间距为1mm。
[0010]如图1所示，每个像素单元（即热电模块单元）的尺寸为10mm
×
10mm，相邻的像素单元的间距为1
‑
5mm，四个像素单元构成一个kirigami几何结构，可根据实际所需以一个kirigami几何结构为单位进行无限扩展。每个像素单元的3D放大图如图2所示。Kirigami结构的柔性热电器件如图3所示，以作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板包括的8
×
8个几何单元计算，所示柔性热电器件包括8
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8个像素单元，其中，一个几何单元对应图1中的一个像素单元，每个像素单元包括至少一个P型
‑
N型半导体热电颗粒对、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元、作为上电极的独立的柔性PCB板。
[0011]如图4所示，本专利技术的Kirigami结构的柔性热电器件具有优异的拉伸性，其包括8
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8个像素单元；如图5所示，本专利技术的Kirigami结构的柔性热电器件可以适配地与半球体的球形外表面相贴合；如图6所示，本专利技术的Kirigami结构的柔性热电器件被穿戴后，完好地与人体皮肤相贴合，体现出本专利技术可应用于可穿戴设备。
[0012]本专利技术还提供所述Kirigami结构的柔性热电器件的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的制备：先通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、形状和Kirigami结构的形状，然后以聚酰亚胺薄膜为基底，采用激光切割，制备出符合所设计条件的Kirigami结构，其中，每个几何单元的尺寸为10mm
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10mm，相邻的几何单元的间距为1
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5mm，所述柔性PCB板的电极如图9所示，每个几何单元的电极电路是独立的；步骤（2）、作为上电极的独立的柔性PCB板的制备：以步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的电极尺寸为基准，通过软件KiCAD设计确定所述柔性PCB板的尺寸、电极电路，使得上电极与下电极相适配，所述作为上电极的独立的柔性PCB板的尺寸与作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相匹配，所述作为上电极的独立的柔性PCB板的电极如图10所示；步骤（3）、将P型和N型半导体热电颗粒交替放置在步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板上，以低温导电粘结剂作为焊接剂，在200℃的加热板上焊接；步骤（4）、将低温导电粘结剂涂覆在步骤（3）完成后的P型和N型半导体热电颗粒的顶端上，接着将步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板放置其上，在200℃的加热板上焊接，焊接完成后，N型和P型半导体热电颗粒形成热并联、电串联结构；其中，一个步骤（2）的作为上电极的独立的柔性PCB板与步骤（1）的作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元相对布置；所制备得到的所述Kirigami结构的柔性热电器件中的热电模块单元是相互独立的，每个热电模块单元可以单独控制，每个热电模块单元包括作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板的一个几何单元、至少一个P型
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N型半导体热电颗粒对、作为上电极的独立的柔性PCB板的制备。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果和优点：1、本专利技术的Kirigami结构的柔性热电器件以一个独立的热电模块单元作为一个
像素单元，每个像素单元都由底部电极、P型半导体热电颗粒、N型半导体热电颗粒以及顶部电极组成，每个像素单元都是通过单独的导线与控制电源相连接，相邻的像素单元是相互独立的，互不干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Kirigami结构的柔性热电器件，所述柔性热电器件包括P型半导体热电颗粒、N型半导体热电颗粒、作为下电极的Kirigami结构的柔性PCB板、作为上电极的独立的柔性PCB板，其特征在于，以N型/P型无机半导体热电材料为原料制得N型/P型半导体热电颗粒；将作为所述柔性热电器件的基底的柔性PCB板构建为Kirigami结构，并在所述柔性PCB板上形成独立的模块电路，作为所述热电器件的下电极，通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的一端焊接在所述柔性PCB板的所述模块电路上；通过低温导电粘结剂将所述N型/P型半导体热电颗粒的另一端与作为上电极的独立的柔性PCB板焊接，使得每个所述模块电路中的N型半导体热电颗粒和P型半导体热电颗粒构成热并联、电串联结构；其中，Kirigami结构的柔性PCB板包括若干个几何单元，每个几何单元包括至少一个独立的模块电路，一个所述几何单元及其上焊接的N型和P型半导体热电颗粒、与N型和P型半导体热电颗粒焊接的作为上电极的独立的柔性PCB板构成一个独立的热电模块单元。2.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述P型半导体热电颗粒和或N型半导体热电颗粒采用Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe或SiGe材料制成。3.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述P型和N型半导体热电颗粒的尺寸：长为1
‑
2mm，宽为1
‑
2mm，高为0.8
‑
5mm，优选长为1.4mm、宽为1.4mm、高为2.5mm；所述P型和N型半导体热电颗粒之间的间距为1
‑
3mm，优选为1mm。4.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，每个热电模块单元的尺寸为10mm
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10mm，相邻的热电模块单元的间距为1
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5mm、优选为3mm。5.根据权利要求1所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述的P型和N型热电颗粒通过低温导电粘结剂焊接在Kirigami结构的柔性PCB板、独立的柔性PCB板之间，低温导电粘结剂优选为锡浆、银浆。6.根据权利要求5所述的Kirigami结构的柔性热电器件，其特征在于，所述的热电模块单元是独立的，每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雍，孙晓龙，王自昱，梁小洒，金骏锋，李畅，熊锐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：