專利名稱：一種熱電－壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種體內(nèi)植入式發(fā)電裝置，尤其涉及一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
可植入式醫(yī)療裝置(MDs)種類繁多，用途廣泛，在現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，常見的包括:心臟起搏器、除顫器、藥物泵、監(jiān)護器等。體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置的長期正常工作一般需要可靠、穩(wěn)定、持久、充足的電源提供保證，當前主要采用鋰電池作為其電源。然而，在體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置整體空間有限的情況下，微小型鋰電池有限的電量往往不能滿足醫(yī)療裝置所需要的持久供電十年甚至以上的要求。由于電能衰竭而更換植入式醫(yī)療裝置，則需要進行外科手術(shù)，給病人帶來了再次的痛苦和經(jīng)濟負擔?？梢姡_發(fā)能夠達到體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置長期服役要求的供電技術(shù)，具有重要意義。當前，除鋰電池外，用于植入式醫(yī)療裝置的新型供電方法主要有:(a)核電池，(b)生物燃料電池，(C)無線能量傳輸方法，Cd)能量收集與發(fā)電方法。采用核電池供電具有能量密度高的優(yōu)勢，但其在體內(nèi)工作的安全性及其昂貴的價格限制了其在植入式醫(yī)療裝置中的應(yīng)用。生物燃料電池利用生物體內(nèi)的葡萄糖等物質(zhì)作為燃料，在酶或催化劑的作用下進行化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電壓；但由于催化劑壽命有限，以及生物燃料電池長期工作帶來的反應(yīng)產(chǎn)物引起的安全性憂慮，目前生物燃料電池難以滿足植入式醫(yī)療裝置的長期要求。無線能量傳輸技術(shù)通過電磁波、電磁稱合、超聲波、光波等無線傳輸方式對體內(nèi)植入式電源進行充電或直接供電，采用該方法往往需要病人長期配戴外部附加機構(gòu)，給病人的日常生活和活動帶來不便，而且電磁波等長期輻射對植入式醫(yī)療裝置的工作以及人體組織是否有影響也有待研究。而生物體內(nèi)植入式能量收集與發(fā)電方法，則不需要任何外部裝置，直接收集體內(nèi)的熱能或機械能進行發(fā)電，具有明顯優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。生物體內(nèi)的溫差以及呼吸、肌肉伸展、血液流動、心臟跳動等過程都蘊含著豐富持久的熱能或機械能，收集生物體內(nèi)熱能和機械能進行發(fā)電，理論上可以為植入式醫(yī)療裝置提供永久電源，從而根本上解決植入式醫(yī)療裝置的長期服役問題。采用熱電材料可直接將體內(nèi)溫差轉(zhuǎn)化為電能，具有可靠、持久、集成度高以及無運動部件等特點，適合于植入式醫(yī)療裝置供電；而利用壓電材料可將生物體的運動機械能轉(zhuǎn)化為電能。一些研究嘗試利用熱電材料或壓電材料開發(fā)微小型能量收集器并用于植入式醫(yī)療裝置供電，但至今仍未發(fā)現(xiàn)將能量收集器廣泛應(yīng)用于植入式醫(yī)療裝置供電的相關(guān)報道。從已有微小型能量收集器的研究報道中可以發(fā)現(xiàn)，目前微小型能量收集器仍不能很好地滿足植入式醫(yī)療裝置的供電需求。主要存在的問題有:(I)當前微發(fā)電構(gòu)件的發(fā)電功率不甚理想，往往不能滿足植入式醫(yī)療裝置的供電需求；(2)鑒于植入式生物環(huán)境，微發(fā)電構(gòu)件宜采用柔性結(jié)構(gòu)，一般為柔性薄膜結(jié)構(gòu)，但考慮到熱電轉(zhuǎn)換的溫差需要，現(xiàn)有柔性薄膜結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)與周圍生物環(huán)境的有效熱交換并保證一定的溫差。為了發(fā)展一種結(jié)構(gòu)緊湊、能長期服役的復(fù)合型微發(fā)電構(gòu)件，能夠有效地同時收集體內(nèi)生物環(huán)境中的熱能與機械能，進而促進和拓展植入式醫(yī)療裝置的發(fā)展與應(yīng)用，對于現(xiàn)有的微小型能量收集技術(shù)進行改進是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容為了克服微發(fā)電構(gòu)件的發(fā)電功率較低的不足，本實用新型的目的在于提供一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置。將熱電功能結(jié)構(gòu)設(shè)計為波紋狀，增大了整體厚度及溫差，并保持了結(jié)構(gòu)柔性；在熱端和冷端柔性薄片的內(nèi)表面粘附相互平行的帶狀壓電模塊，帶狀壓電模塊粘附于波紋形柔性熱電功能結(jié)構(gòu)與熱端或冷端柔性薄片形成的間隔處，提高了空間利用率。該裝置可同時收集體內(nèi)的溫差熱能和機械能，增大了微發(fā)電構(gòu)件的單位體積能量產(chǎn)出，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、能長期服役的復(fù)合型微發(fā)電構(gòu)件。本實用新型的基本原理是:熱電材料可利用塞貝克(Seebeck)效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成為電能,通過在熱源和冷端之間合理選用和布置N型及P型熱電臂，可在熱電偶兩端產(chǎn)生電壓。由于單個熱電偶發(fā)電量過低，一般采用“熱路并聯(lián)，電路串聯(lián)”的方式將一組熱電偶設(shè)計并布置形成單排或多排陣列型的熱電模塊，基于熱電材料制作的熱電器件具有運行平穩(wěn)、安靜無噪聲、安全可靠、壽命長等優(yōu)點。由于生物體內(nèi)存在溫差，利用微小型熱電裝置可將體內(nèi)溫差熱能轉(zhuǎn)化為電能，進而用于植入式醫(yī)療供電。壓電材料在受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓，因而可實現(xiàn)機械能和電能的互相轉(zhuǎn)換。采用壓電材料可制作傳感器元件、聲波換能器及致動器。由于生物體內(nèi)廣泛存在著壓力和振動，利用微小型壓電裝置可將體內(nèi)機械能轉(zhuǎn)化為電能，進而用于植入式醫(yī)療供電。本實用新型綜合利用了熱電材料和壓電材料的特性，面向體內(nèi)植入式工作環(huán)境，設(shè)計了一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置，可同時吸收生物體內(nèi)的溫差熱能和機械能，并轉(zhuǎn)化為電能，而且保證了結(jié)構(gòu)柔性。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:本實用新型包括熱端柔性薄片、冷端柔性薄片、柔性熱電波紋片和兩倍于柔性熱電波紋片波紋個數(shù)的帶狀壓電模塊；整片柔性熱電波紋片夾在熱端柔性薄片和冷端柔性薄片之間并粘接成一體；熱端柔性薄片和冷端柔性薄片面積相等并相互平行；熱端柔性薄片的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊，帶狀壓電模塊粘附于柔性熱電波紋片與熱端柔性薄片形成的波紋間隔處；冷端柔性薄片的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊，帶狀壓電模塊粘附于柔性熱電波紋片與冷端柔性薄片形成的波紋間隔處。所述柔性熱電波紋片其波紋形柔性載體上表面沿著波紋方向覆有多條波紋帶形熱電薄膜；多條波紋帶形熱電薄膜之間相互平行并等距間隙排列；每條波紋帶形熱電薄膜均由臺階形的P型熱電薄膜和臺階形的N型熱電薄膜交替連接組成；P型熱電薄膜和N型熱電薄膜交界于柔性熱電波紋片與熱端柔性薄片或冷端柔性薄片的粘接處；相鄰波紋帶形熱電薄膜中的P型熱電薄膜和N型熱電薄膜交替排列。[0017]所述每條帶狀壓電模塊均由矩形壓電模塊支撐和多個微懸臂梁壓電單元組成；矩形壓電模塊支撐為粘附于熱端柔性薄片或冷端柔性薄片內(nèi)側(cè)的矩形框，矩形壓電模塊支撐的內(nèi)側(cè)制作有相互平行的微懸臂梁壓電單元；微懸臂梁壓電單元由壓電功能薄膜和金屬懸臂梁組成，金屬懸臂梁的上端面和下端面均制作有一層壓電功能薄膜。所述熱端柔性薄片和冷端柔性薄片均由導(dǎo)熱柔性薄片制成，厚度為0.2 0.5mm。所述波紋形柔性載體由絕熱絕緣材料制成，厚度為0.1 0.2_。本實用新型具有的有益效果是:本實用新型綜合利用了熱電材料和壓電材料的優(yōu)良特性，設(shè)計了基于熱電效應(yīng)和壓電效應(yīng)的復(fù)合型微發(fā)電裝置。本實用新型采用波紋形的熱電功能結(jié)構(gòu)，既實現(xiàn)了冷熱端存在較大溫差，又保證了結(jié)構(gòu)柔性。本實用新型發(fā)展了一種可同時收集環(huán)境中熱能和機械能的耦合發(fā)電技術(shù)，增大了微發(fā)電構(gòu)件的單位體積能量產(chǎn)出，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、能長期服役的復(fù)合型微發(fā)電構(gòu)件。該技術(shù)主要針對體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置的長期服役供電需求，在體內(nèi)植入式醫(yī)療技術(shù)中具有重要的應(yīng)用價值。

圖1是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)三維示意圖。圖2是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)二維示意圖。圖3是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置中的熱端柔性薄片及粘附其內(nèi)側(cè)的帶狀壓電模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置中的冷端柔性薄片及粘附其內(nèi)側(cè)的帶狀壓電模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置中的微懸臂梁壓電單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置中的柔性熱電波紋片結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置的輸出電路示意圖。圖中:1.熱端柔性薄片，2.冷端柔性薄片，3.柔性熱電波紋片，4.帶狀壓電模塊，5.矩形壓電模塊支撐，6.微懸臂梁壓電單元，7.壓電功能薄膜，8.金屬懸臂梁，9.波紋形柔性載體，10.P型熱電薄膜，11.N型熱電薄膜。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1、圖2所示，本實用新型所述的熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置包括熱端柔性薄片1、冷端柔性薄片2、柔性熱電波紋片3和兩倍于柔性熱電波紋片3波紋個數(shù)的帶狀壓電模塊4組成；整片柔性熱電波紋片3夾在熱端柔性薄片I和冷端柔性薄片2之間并采用導(dǎo)熱絕緣的方式粘接成一體；熱端柔性薄片I和冷端柔性薄片2面積相等并相互平行；熱端柔性薄片I的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊4，帶狀壓電模塊4粘附于柔性熱電波紋片3與熱端柔性薄片I形成的波紋間隔處，充分利用了該間隔空間，粘附在熱端柔性薄片I內(nèi)表面的帶狀壓電模塊4的個數(shù)與柔性熱電波紋片3波紋個數(shù)一致；冷端柔性薄片2的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊4，帶狀壓電模塊4粘附于柔性熱電波紋片3與冷端柔性薄片2形成的波紋間隔處，充分利用了該間隔空間，粘附在冷端柔性薄片2內(nèi)表面的帶狀壓電模塊4的個數(shù)與柔性熱電波紋片3波紋個數(shù)一致。如圖6所示，柔性熱電波紋片3其波紋形柔性載體9上表面沿著波紋方向覆有多條波紋帶形熱電薄膜；多條波紋帶形熱電薄膜之間相互平行并等距間隙排列；每條波紋帶形熱電薄膜均由臺階形的P型熱電薄膜10和臺階形的N型熱電薄膜11交替連接組成屮型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11交界于柔性熱電波紋片3與熱端柔性薄片I或冷端柔性薄片2的粘接處；相鄰波紋帶形熱電薄膜中的P型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11交替排列。每條波紋帶形熱電薄膜中的P型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11在電路上為串聯(lián)；波紋帶形熱電薄膜的兩端部分別為P型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11，將一端的P型熱電薄膜10與相鄰波紋帶形熱電薄膜端部的N型熱電薄膜11采用導(dǎo)線連接，而將另一端的N型熱電薄膜11與另一側(cè)相鄰波紋帶形熱電薄膜端部的P型熱電薄膜10采用導(dǎo)線連接，通過這種連接方式將全部波紋帶形熱電薄膜在電路上串聯(lián)，整個串聯(lián)電路的兩端接導(dǎo)線弓丨出。P型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11與熱端柔性薄片I通過導(dǎo)熱粘接傳熱，P型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11與冷端柔性薄片2通過導(dǎo)熱粘接以及鍍銅膜傳熱。每條P型熱電薄膜10和與其相連的N型熱電薄膜11組成一個熱電單元，并且一端與熱端柔性薄片I導(dǎo)熱連接，另一端與冷端柔性薄片2導(dǎo)熱連接，熱電單元在兩端溫度差的作用下產(chǎn)生電壓。柔性熱電波紋片3中的P型熱電薄膜10和N型熱電薄膜11形成多個熱電單元，并形成“熱路并聯(lián)，電路串聯(lián)”的熱電單元陣列。熱端柔性薄片1、冷端柔性薄片2與柔性熱電波紋片3 —起組成了熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置中的熱電模塊。如圖2、圖3、圖4、圖5所示，每條帶狀壓電模塊4均由矩形壓電模塊支撐5和多個微懸臂梁壓電單元6組成；矩形壓電模塊支撐5為粘附于熱端柔性薄片I或冷端柔性薄片2內(nèi)側(cè)的矩形框，矩形壓電模塊支撐5的內(nèi)側(cè)制作有多個相互平行的微懸臂梁壓電單元6 ;微懸臂梁壓電單元6由壓電功能薄膜和金屬懸臂梁8組成，金屬懸臂梁8的上端面和下端面均制作有一層壓電功能薄膜7。金屬懸臂梁8在外界環(huán)境的振動和交變壓力的作用下發(fā)生振動，進而，壓電功能薄膜7在應(yīng)變作用下產(chǎn)生交流電壓。每個壓電功能薄膜7均連接整流器，將交流轉(zhuǎn)為直流后再進行電路串聯(lián)。多條粘附于熱端柔性薄片和冷端柔性薄片內(nèi)表面的帶狀壓電模塊4組成了熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置中的壓電模塊。如圖1、圖2、圖3、圖4所示，熱端柔性薄片I和冷端柔性薄片2均由導(dǎo)熱柔性薄片制成，厚度為0.2 0.5mm。如圖6所示，波紋形柔性載體9由絕熱絕緣材料制成，厚度為
0.1 0.2mm。熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置需要布置在具有較大溫度梯度的位置，并保證溫度梯度方向與微發(fā)電裝置垂直，且熱端柔性薄片I接觸的位置比冷端柔性薄片2接觸的位置溫度高，進而在柔性熱電波紋片3的兩端形成溫度差。由于環(huán)境溫差及振動的不穩(wěn)定性，熱電單元及壓電單元產(chǎn)生的電壓不宜直接用于供電。如圖7所示，熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能經(jīng)過輸出電路的調(diào)理和控制后，再向負載供電。熱電模塊的輸出需要DC — DC變換，而壓電模塊的輸出需要整流AC - DC變換，兩個模塊經(jīng)變換后的輸出再通過電源存儲及控制電路后，向負載供電。
權(quán)利要求1.一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置，其特征在于:包括熱端柔性薄片(I)、冷端柔性薄片(2 )、柔性熱電波紋片(3 )和兩倍于柔性熱電波紋片(3 )波紋個數(shù)的帶狀壓電模塊(4);整片柔性熱電波紋片(3)夾在熱端柔性薄片(I)和冷端柔性薄片(2)之間并粘接成一體；熱端柔性薄片(I)和冷端柔性薄片(2)面積相等并相互平行；熱端柔性薄片(I)的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊(4)，帶狀壓電模塊(4)粘附于柔性熱電波紋片(3)與熱端柔性薄片(I)形成的波紋間隔處；冷端柔性薄片(2)的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊(4)，帶狀壓電模塊(4)粘附于柔性熱電波紋片(3)與冷端柔性薄片(2)形成的波紋間隔處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置，其特征在于:所述柔性熱電波紋片(3)其波紋形柔性載體(9)上表面沿著波紋方向覆有多條波紋帶形熱電薄膜；多條波紋帶形熱電薄膜之間相互平行并等距間隙排列；每條波紋帶形熱電薄膜均由臺階形的P型熱電薄膜(10)和臺階形的N型熱電薄膜(11)交替連接組成；P型熱電薄膜(10)和N型熱電薄膜(11)交界于柔性熱電波紋片(3 )與熱端柔性薄片(I)或冷端柔性薄片(2 )的粘接處；相鄰波紋帶形熱電薄膜中的P型熱電薄膜(10 )和N型熱電薄膜(11)交替排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置，其特征在于:所述每條帶狀壓電模塊(4 )均由矩形壓電模塊支撐(5 )和多個微懸臂梁壓電單元(6 )組成；矩形壓電模塊支撐(5)為粘附于熱端柔性薄片(I)或冷端柔性薄片(2)內(nèi)側(cè)的矩形框，矩形壓電模塊支撐(5)的內(nèi)側(cè)制作有相互平行的微懸臂梁壓電單元(6);微懸臂梁壓電單元(6)由壓電功能薄膜和金屬懸臂梁(8)組成，金屬懸臂梁(8)的上端面和下端面均制作有一層壓電功能薄膜(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置，其特征在于:所述熱端柔性薄片(I)和冷端柔性薄片(2)均由導(dǎo)熱柔性薄片制成，厚度為0.2 0.5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電一壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置，其特征在于:所述波紋形柔性載體(9)由絕熱絕緣材料制成，厚度為0.1 0.2mm。
專利摘要本實用新型公開了一種熱電－壓電復(fù)合型柔性微發(fā)電裝置。包括熱端柔性薄片、冷端柔性薄片、柔性熱電波紋片和兩倍于柔性熱電波紋片波紋個數(shù)的帶狀壓電模塊；整片柔性熱電波紋片夾在熱端柔性薄片和冷端柔性薄片之間并粘接成一體；熱端柔性薄片和冷端柔性薄片的內(nèi)表面粘附有多條相互平行并等距排列的帶狀壓電模塊，帶狀壓電模塊粘附于柔性熱電波紋片與熱端柔性薄片或冷端柔性薄片形成的波紋間隔處。本實用新型發(fā)展了一種可同時收集環(huán)境中熱能和機械能的耦合發(fā)電技術(shù)，增大了微發(fā)電構(gòu)件的單位體積能量產(chǎn)出，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、能長期服役的復(fù)合型微發(fā)電構(gòu)件。本實用新型針對體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置的長期服役供電需求。
文檔編號H02N2/18GK202978757SQ20122064471
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者姚喆赫, 梅德慶, 錢淼, 史堯光, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)