利用溫差電技術(shù)設(shè)計(jì)手機(jī)體溫充電系統(tǒng)

在1片長(zhǎng)方形絕緣基片上采用熱電堆的生產(chǎn)工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體材料鍍到基板上，制成1片包含有數(shù)百只熱電偶的單元，在其兩端鍍上連接點(diǎn)形成熱電堆(溫差電池)，再將若干個(gè)熱電堆串并聯(lián)組成溫差電池組，兩邊焊好引線接到升壓穩(wěn)壓電路模塊。

半導(dǎo)體溫差電池組的熱電堆之間留有一定間隙，該間隙是為使配備者舒適而設(shè)置的排汗孔道，把溫差電池組縫到特制的馬夾上或帽子里邊，穿戴在身上，讓熱電偶的熱端面緊貼皮膚，冷端面暴露在空氣中，此時(shí)直流電產(chǎn)生模塊就開始輸m電壓。

3．2 升壓穩(wěn)壓模塊

體溫與外界環(huán)境之間的溫差較小，熱電偶產(chǎn)生的電壓也較小，而為手機(jī)充電需要4．2 V電壓，如果全部由熱電偶轉(zhuǎn)換，則需要很多熱電偶。采用升壓器件可解決這個(gè)問題。

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，直流電產(chǎn)生模塊兩邊的溫差不穩(wěn)定，輸出電壓也會(huì)不穩(wěn)定。因?yàn)楹茈y將環(huán)境溫度(冷端的溫度)控制在一個(gè)固定值，所以輸出電壓需經(jīng)過穩(wěn)壓后才能送入手機(jī)。根據(jù)手機(jī)充電要求，選擇升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器件PT1301實(shí)現(xiàn)升壓穩(wěn)壓電路，如圖4所示。輸出電壓由兩個(gè)外部電阻設(shè)定，即

調(diào)整R1、R2的阻值，使輸出電壓U0穩(wěn)定在4．2 V，輸出電流為160 mA。

4 手機(jī)體溫充電系統(tǒng)的工藝

手機(jī)體溫充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是直流電產(chǎn)生模塊，該模塊主要是由809個(gè)半導(dǎo)體熱電偶形成的熱電堆。熱電堆的制造工藝主要涉及材料的切割成形和預(yù)處理，以及組件的整體焊接組裝等過程。根據(jù)前面的分析，熱電堆的制造工藝有下列要求：接觸電阻和接觸熱阻應(yīng)盡可能??；具有較高的可靠性和較強(qiáng)的機(jī)械承受力；容易實(shí)現(xiàn)與散熱器和人體表面的良好熱接觸；盡可能低的生產(chǎn)成本。

(1)材料的切割及預(yù)處理 目前最常用的溫差電材料Bi2Te3及其合金材料是采用熔體生長(zhǎng)法制備的。由于這類材料具有極易解理和各向異性的特點(diǎn)，在將晶錠切割成設(shè)計(jì)所需面長(zhǎng)比的條狀溫差電偶臂時(shí)，必須注意選擇材料的切割方向，使溫差電偶的長(zhǎng)度方向沿材料的生長(zhǎng)方向，從而保證溫差電偶處于優(yōu)值最大的方向。對(duì)于尺寸較小的溫差電偶臂，采用線切割或電火花切割可在很大程度上減小材料的損傷和切割損耗。然而這種方式切割速率較慢。

Bi2Te3及其合金具有斜方晶體結(jié)構(gòu)，通常難以與常用的幾種錫類焊料具有較好的可焊性，因而難于實(shí)現(xiàn)溫差電偶與導(dǎo)流片的直接焊接。常用的解決方法是在溫差電偶臂的端面上掛一層過渡焊料，通常采用Bi95Sb5，除了盡可能選擇接觸性能較好的焊料外，還需要適當(dāng)?shù)墓に?。焊接前，最好?duì)各焊接表面進(jìn)行化學(xué)清洗(腐蝕法)，焊接時(shí)則需要選擇適當(dāng)?shù)暮附訙囟群蜁r(shí)間，都可以在一定程度上提高熱電堆的接頭導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性。

(2)器件的組裝焊接 陶瓷金屬化技術(shù)是目前最常用的熱電堆制造技術(shù)。該技術(shù)采用熱導(dǎo)率較高和電絕緣較好的陶瓷片作為基片，根據(jù)熱電堆導(dǎo)流片設(shè)計(jì)圖，采用篩網(wǎng)印制和高溫?zé)Y(jié)的方法在陶瓷片上形成局部金屬化區(qū)域，然后在該區(qū)域形成銅導(dǎo)流片，之后就可將溫差電偶臂焊接在兩陶瓷片之間構(gòu)成熱電堆。常用的陶瓷片有氧化鋁(Al2O3)和氧化鈹(BeO)，普通的應(yīng)用要求多采用氧化鋁材料。

5 試驗(yàn)結(jié)果

直流電產(chǎn)生模塊利用半導(dǎo)體溫差電池組將冷面和熱面之間的溫差轉(zhuǎn)化為電壓，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

在半導(dǎo)體溫差電池組的熱面加熱水，冷面加冷水，使其兩邊形成溫差，為把熱水的熱量很好的傳給半導(dǎo)體溫差電池組，半導(dǎo)體溫差電池組和金屬隔板之間的接觸面涂上一層薄導(dǎo)熱硅膠，排走接觸面的空氣，讓溫差電池組表面與金屬導(dǎo)熱隔板充分接觸。實(shí)驗(yàn)測(cè)得可調(diào)直流電源經(jīng)升壓器件給手機(jī)充電時(shí)其電壓約0．911 V，電流約70 mA，則等效輸入內(nèi)阻為13．01Ω。因此．試驗(yàn)采用由127對(duì)N-P半導(dǎo)體熱電偶組成1片溫差電池．其外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，測(cè)得內(nèi)阻約為3．8 Ω，采用4片做不同的串并聯(lián)試驗(yàn)，外接負(fù)載為15 Ω電阻，使其等效為經(jīng)過升壓器件給手機(jī)充電。圖6為在不同溫差下的試驗(yàn)結(jié)果，表2列出了溫差為9 K時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)了手機(jī)體溫充電系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，4片半導(dǎo)體溫差電池串聯(lián)時(shí)等效內(nèi)阻和負(fù)載電阻達(dá)到匹配，輸出功率最大，在相同溫差下利用半導(dǎo)體溫差電池的串聯(lián)可以提高電壓和電流，以滿足升壓穩(wěn)壓電路模塊的啟動(dòng)條件，從而滿足手機(jī)充電要求。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均證明利用體溫為手機(jī)充電是可行的，只要進(jìn)一步提高熱電偶的轉(zhuǎn)化效率，將實(shí)現(xiàn)手機(jī)真正意義上的永不斷電。