具有可延展導(dǎo)線(xiàn)的穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
本發(fā)明涉及一種溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種具有可延展導(dǎo)線(xiàn)的穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]穿戴式醫(yī)療裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如脈搏血氧儀、腦電監(jiān)測(cè)儀、心電監(jiān)護(hù)儀、毒素檢測(cè)儀和血糖測(cè)試儀等，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)人體的健康指標(biāo)或輔助治療疾病。為穿戴式醫(yī)療裝置提供持久穩(wěn)定的供能是當(dāng)今世界一個(gè)研究熱點(diǎn)和難題。現(xiàn)有供能方式主要依靠鋰電池供電，其有效工作時(shí)間為一般為幾個(gè)小時(shí)至幾天，需要經(jīng)常取下設(shè)備進(jìn)行充電，限制了患者的行動(dòng)范圍，給患者帶來(lái)很多不便；且對(duì)于自理能力差的患者，經(jīng)常更換電池會(huì)增加了看護(hù)的人力成本。
[0003]此外還有一些新型的供能方式，例如核電池、外界電磁耦合供能、壓電發(fā)電和溫差發(fā)電等。核電池工作壽命可以超過(guò)十年，但一般體積較大，而且對(duì)人體具有毒性和輻射危險(xiǎn)；通過(guò)體外電磁感應(yīng)的方式供電在體外需要攜帶額外的裝置，將會(huì)增加患者行動(dòng)的負(fù)擔(dān)；壓電發(fā)電是將人體運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能，但人在運(yùn)動(dòng)頻率低或靜態(tài)情況下輸出功率無(wú)法達(dá)到器件工作所需功耗。
[0004]溫差發(fā)電是利用熱電半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。溫差發(fā)電器件無(wú)移動(dòng)部件、無(wú)噪音、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于人體的體溫恒定且體表與外界環(huán)境間具有一定的溫差，而溫差發(fā)電對(duì)溫差的下限沒(méi)有要求，因此，可以直接利這部分熱量進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)持續(xù)供能。
[0005]現(xiàn)有的微型柔性溫差發(fā)電構(gòu)件通常是在柔性的基底上直接加工微型熱電臂，再通過(guò)濺射、化學(xué)氣相沉積等MEMS工藝或銀膏涂覆等方法進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)連接，這類(lèi)溫差發(fā)電構(gòu)件的厚度較小，在人體表皮作為熱源時(shí)不能產(chǎn)生較大的溫差；還有研究者將薄膜類(lèi)的熱電陣列封裝為立體結(jié)構(gòu)，增大溫度梯度，但由于薄膜熱電材料電阻較大，且MEMS工藝加工厚度有限，發(fā)電的功率無(wú)法達(dá)到常用穿戴式醫(yī)療裝置的供能需求。由于室溫下碲化鉍材料的熱電優(yōu)值較高，因此，采用碲化鉍基的熱電材料制作熱電臂，可以提高溫差發(fā)電裝置的發(fā)電功率。但是，人體表存在許多曲面而且人體活動(dòng)具有靈活性，就需要穿戴式溫差發(fā)電構(gòu)件具有更小的尺寸和更好的柔性；碲化鉍基材料機(jī)械性能較差，受力易導(dǎo)致斷裂變形，這樣直接加工在柔性基底上的碲化鉍基材料容易斷裂，使溫差發(fā)電單元失效。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠減小沖擊，柔性較好的溫差發(fā)電微單元結(jié)構(gòu)是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供能夠適應(yīng)曲面、工藝簡(jiǎn)單、熱電轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好的一種具有可延展導(dǎo)線(xiàn)的穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是: 本發(fā)明從穿戴面向外，依次包括柔性導(dǎo)熱硅膠墊、溫差發(fā)電層、導(dǎo)熱貼片和金屬散熱片；溫差發(fā)電層冷端面和熱端面分別與導(dǎo)熱貼片底面和柔性導(dǎo)熱硅膠墊上面相連接，導(dǎo)熱貼片上面與金屬散熱片底面相連接。
[0008]所述溫差發(fā)電層，具有至少有一行、每行含有兩個(gè)及以上結(jié)構(gòu)相同的剛性溫差發(fā)電模組，每個(gè)剛性溫差發(fā)電模組均由多個(gè)N型熱電臂、與N型熱電臂相同個(gè)數(shù)P型熱電臂用金屬導(dǎo)電片串聯(lián)，再通過(guò)柔性可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)與相鄰的剛性溫差發(fā)電模組連接，每個(gè)剛性溫差發(fā)電模組的多個(gè)N型熱電臂和多個(gè)P型熱電臂之間及可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)均用聚二甲基硅氧烷封裝而成溫差發(fā)電層。
[0009]所述柔性導(dǎo)熱硅膠墊的導(dǎo)熱填充顆粒為氧化鋁顆粒，或者是氧化鋁、氧化鎂及氮化硼的混合顆粒。
[0010]所述N型熱電臂材料為摻雜碲化鉍基熱電材料，P型熱電臂材料為摻雜碲化鉍基熱電材料，金屬導(dǎo)電片材料為純銅。
[0011]本發(fā)明具有的有益效果是:
采用具有間隙的聚二甲基硅氧烷封裝和可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)使溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)具有柔性，可在多個(gè)方向變形。當(dāng)柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的穿戴面貼合非平面的人體表皮時(shí)，可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)和聚二甲基硅氧烷封裝可以吸收變形應(yīng)力，避免機(jī)械性能差的碲化鉍基熱電臂斷裂和電極連接的失效。溫差發(fā)電層的熱端一側(cè)封裝柔性導(dǎo)熱硅膠墊，替代常用的陶瓷板導(dǎo)熱板，保證了與穿戴者皮膚接觸的緊密型，提高了傳熱效率；各個(gè)剛性溫差發(fā)電模組的冷端具有獨(dú)立的導(dǎo)熱貼片和金屬散熱片，降低了結(jié)構(gòu)厚度和質(zhì)量，增大了冷熱端溫度差。
[0012]該發(fā)明主要針對(duì)穿戴式醫(yī)療裝置的供能，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是彎曲的穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是彎曲的穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0015]圖3是穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的爆炸示意圖。
[0016]圖4穿戴式柔性溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的工藝流程圖。
[0017]圖中:1.柔性導(dǎo)熱硅膠墊，2.溫差發(fā)電層，3.導(dǎo)熱貼片，4.金屬散熱片，5.N型熱電臂，6.P型熱電臂，7.金屬導(dǎo)電片，8.可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)，9.聚二甲基娃氧燒。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明的基本原理是:
根據(jù)塞貝克效應(yīng)，P型熱電臂和N型熱電臂兩端的溫度差會(huì)產(chǎn)生電壓差。由于單個(gè)熱電偶產(chǎn)生的電壓很低，可采用“熱路并聯(lián)，電路串聯(lián)”的方式，將P型和N型熱電臂組成熱電陣列，從而提高輸出電壓值。
[0020]常溫下碲化鉍材料的熱電優(yōu)值最高，采用碲化鉍及其合金可以提高溫差發(fā)電裝置的發(fā)電功率。但是，由于碲化鉍材料機(jī)械性能較差，受力易導(dǎo)致斷裂變形。通過(guò)可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)連接將單排或多排陣列型的剛性熱電模塊連接，在器件變形時(shí)，可延展金屬導(dǎo)線(xiàn)可以吸收變形應(yīng)力，保持熱電臂的原有形狀結(jié)構(gòu)，從而避免熱電材料斷裂引起溫差發(fā)電單元失效。
[0021]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明從穿戴面向外，依次包括柔性導(dǎo)熱硅膠墊1、溫差發(fā)電層2、導(dǎo)熱貼片3和金屬散熱片4 ;溫差發(fā)電層2兩面分別與導(dǎo)熱貼片3底面和柔性導(dǎo)熱硅膠墊1上面相連接，導(dǎo)熱貼片3上面與金屬散熱片4底面相連接。
[0022]所述溫差發(fā)電層2，具有至少一行、每行含有兩個(gè)及以上結(jié)構(gòu)相同的剛性溫差發(fā)電模組，每個(gè)剛性溫差發(fā)電模組均由多個(gè)N型熱電臂5、與N型熱電