[實用新型]一種具有可延展導線的穿戴式柔性溫差發電結構

有效

• 申請號: 201521027087.8
• 申請日: 2015-12-11
• 公開（公告）號: CN205356191U
• 公開（公告）日: 2016-06-29
• 發明（設計）人: 史堯光;梅德慶;汪延成;劉海燕;姚喆赫;陳子辰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02N11/00
• 分類號: H02N11/00;H01L35/10;H01L35/16
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本實用新型涉及一種溫差發電結構，尤其涉及一種具有可延展導線的穿戴式柔性溫差發電結構。

背景技術

穿戴式醫療裝置的應用越來越廣泛，例如脈搏血氧儀、腦電監測儀、心電監護儀、毒素檢測儀和血糖測試儀等，可以實時檢測人體的健康指標或輔助治療疾病。為穿戴式醫療裝置提供持久穩定的供能是當今世界一個研究熱點和難題。現有供能方式主要依靠鋰電池供電，其有效工作時間為一般為幾個小時至幾天，需要經常取下設備進行充電，限制了患者的行動范圍，給患者帶來很多不便；且對于自理能力差的患者，經常更換電池會增加了看護的人力成本。

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、壓電發電和溫差發電等。核電池工作壽命可以超過十年，但一般體積較大，而且對人體具有毒性和輻射危險；通過體外電磁感應的方式供電在體外需要攜帶額外的裝置，將會增加患者行動的負擔；壓電發電是將人體運動的能量轉化為電能，但人在運動頻率低或靜態情況下輸出功率無法達到器件工作所需功耗。

溫差發電是利用熱電半導體材料的塞貝克效應，將熱能轉化為電能。溫差發電器件無移動部件、無噪音、無污染、結構簡單；同時，由于人體的體溫恒定且體表與外界環境間具有一定的溫差，而溫差發電對溫差的下限沒有要求，因此，可以直接利這部分熱量進行發電，實現持續供能。

現有的微型柔性溫差發電構件通常是在柔性的基底上直接加工微型熱電臂，再通過濺射、化學氣相沉積等MEMS工藝或銀膏涂覆等方法進行導線連接，這類溫差發電構件的厚度較小，在人體表皮作為熱源時不能產生較大的溫差；還有研究者將薄膜類的熱電陣列封裝為立體結構，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，發電的功率無法達到常用穿戴式醫療裝置的供能需求。由于室溫下碲化鉍材料的熱電優值較高，因此，采用碲化鉍基的熱電材料制作熱電臂，可以提高溫差發電裝置的發電功率。但是，人體表存在許多曲面而且人體活動具有靈活性，就需要穿戴式溫差發電構件具有更小的尺寸和更好的柔性；碲化鉍基材料機械性能較差，受力易導致斷裂變形，這樣直接加工在柔性基底上的碲化鉍基材料容易斷裂，使溫差發電單元失效。因此，開發一種能夠減小沖擊，柔性較好的溫差發電微單元結構是十分必要的。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供能夠適應曲面、工藝簡單、熱電轉換效率高、可靠性好的一種具有可延展導線的穿戴式柔性溫差發電結構。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：

本實用新型從穿戴面向外，依次包括柔性導熱硅膠墊、溫差發電層、導熱貼片和金屬散熱片；溫差發電層冷端面和熱端面分別與導熱貼片底面和柔性導熱硅膠墊上面相連接，導熱貼片上面與金屬散熱片底面相連接。

所述溫差發電層，具有至少有一行、每行含有兩個及以上結構相同的剛性溫差發電模組，每個剛性溫差發電模組均由多個N型熱電臂、與N型熱電臂相同個數P型熱電臂用金屬導電片串聯，再通過柔性可延展金屬導線與相鄰的剛性溫差發電模組連接，每個剛性溫差發電模組的多個N型熱電臂和多個P型熱電臂之間及可延展金屬導線均用聚二甲基硅氧烷封裝而成溫差發電層。

所述柔性導熱硅膠墊的導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。

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，金屬導電片材料為純銅。

本實用新型具有的有益效果是：

采用具有間隙的聚二甲基硅氧烷封裝和可延展金屬導線使溫差發電結構具有柔性，可在多個方向變形。當柔性溫差發電結構的穿戴面貼合非平面的人體表皮時，可延展金屬導線和聚二甲基硅氧烷封裝可以吸收變形應力，避免機械性能差的碲化鉍基熱電臂斷裂和電極連接的失效。溫差發電層的熱端一側封裝柔性導熱硅膠墊，替代常用的陶瓷板導熱板，保證了與穿戴者皮膚接觸的緊密型，提高了傳熱效率；各個剛性溫差發電模組的冷端具有獨立的導熱貼片和金屬散熱片，降低了結構厚度和質量，增大了冷熱端溫度差。

該發明主要針對穿戴式醫療裝置的供能，具有推廣應用價值。

附圖說明

圖1是彎曲的穿戴式柔性溫差發電結構示意圖。

圖2是彎曲的穿戴式柔性溫差發電結構剖面示意圖。

圖3是穿戴式柔性溫差發電結構的爆炸示意圖。

圖4穿戴式柔性溫差發電結構的工藝流程圖。