本發明涉及一種手表帶，具體涉及一種基于多段熱電模組構成的柔性供電表帶及其制作方法。

背景技術：

穿戴式設備在健康監測、運動數據采集、物聯網通信等方面有廣泛的使用，這些設備的長期正常工作需要可靠、穩定、持久的電源。現有的穿戴式供電方式主要包括鋰電池、太陽能電池、壓電發電器和溫差發電器等。傳統的鋰電池續航時間有限，且廢舊電池回收容易對環境造成污染；太陽能電池工作需要光照，在暗處或衣物等覆蓋面下無法應用；壓電發電器需要收集人體運動或振動的能量并轉化為電能，但在人體靜止狀態下無法收集能量，不適用于行動不便或臥床病患的使用。溫差發電器基于塞貝克效應，可以收集熱量并轉換為電能，由于人體與周圍環境存在持續的熱量交換，因此，溫差發電器可以利用人體與環境存在的溫度差進行發電，為穿戴式電子器件持續供能。

目前，穿戴式溫差發電結構多集中在穿戴的區域，且大多采用剛性結構，存在發電功率密度低、不適合變化的曲面等問題。

技術實現要素：

為了克服傳統穿戴式設備采用表帶等結構僅提供固定的功能，本發明的目的在于提供一種基于多段熱電模組構成的柔性供電表帶及其制作方法，是在溫差發電基礎上，在柔性表帶孔中嵌入多段熱電模組，使表帶了擁有供電功能，提高了表帶結構本身的功能性；多段不同間距熱電模組排布方式，可以針對手腕手臂輪廓線曲率半徑的變化良好貼合，且表帶結構極大的增加了熱電器件的熱電對對數，從而增加發電功率。

本發明采用的技術方案如下：

一、一種基于多段熱電模組構成的柔性供電表帶：

所述柔性供電表帶中間至少由一段密度大且等距排布熱電模組的供電表帶，其兩側至少各由一段相同的密度小且等距排布熱電模組的供電表帶連接而成；密度大且等距排布熱電模組的供電表帶和密度小且等距排布熱電模組的供電表帶，從手腕穿戴面向外都具有依次為導熱層，裝有熱電模組的柔性印刷電路板和多個散熱層；柔性印刷電路板的上表面裝有熱電模組，熱電模組中的每個熱電對分別裝在各自表帶主體的長方形通孔中，每個熱電對分別通過冷端銅導電片與各自的散熱層連接，散熱層均位于表帶主體外。

所述柔性印刷電路板，沿該板長度方向的前部和后部上表面分別等距設有一排多個銅電極，頭尾相接且等距排列的多個銅電極都與該板長度方向平行，該板中部上表面等距設有一排多個銅電極，該板中部上表面一排多個銅電極位于該板前部和后部上表面一排多個銅電極之間，中部上表面一排并列的多個銅電極與該板長度方向垂直；

柔性印刷電路板右側開始的后部上表面的銅電極向柔性印刷電路板左側后部上表面的銅電極上依次間隔設有p型和n型熱電臂，與柔性印刷電路板后部上表面相鄰的右側開始的中部上表面的銅電極的一端向柔性印刷電路板左側的中部上表面銅電極上依次間隔設有n型和p型熱電臂；

柔性印刷電路板右側開始的前部上表面的銅電極向柔性印刷電路板左側前部上表面的銅電極上依次間隔設有n型和p型熱電臂，與柔性印刷電路板前部上表面相鄰的右側開始的中部上表面的銅電極的另一端向柔性印刷電路板左側的中部上表面銅電極上依次間隔設有p型和n型熱電臂；

每個熱電對均包含有一個p型熱電臂和一個n型熱電臂，p型和n型熱電臂通過冷端銅導電片組成串聯或串并聯結構。

由于手腕穿戴面的不同曲率，供電表帶內部填充的熱電模組分為奇數段n，且n為3～7，密度大且等距排布熱電模組中的熱電對的排布密度是密度小且等距排布熱電模組中的排布密度的k倍，且k為1.2～2。

二、一種基于多段熱電模組構成的柔性供電表帶的制作方法，包括以下步驟：

1)制作熱電模組并串聯連接

制作中間至少由一段密度大且等距排布熱電模組，其兩側各由一段相同的密度小且等距排布熱電模組串聯連接成多段熱電模組；

2)制作具有多個長方形通孔的表帶主體

制作具有多個長方形通孔的表帶主體澆注模具，所述模具的多個凸起結構與表帶主體多個長方形通孔的結構形狀相反，配置聚二甲基硅氧烷混合物在模具中澆注熱固，揭下后得到具有多個長方形通孔的表帶主體；

3)熱電模組裝配散熱層后嵌入表帶主體

將熱電模組固定在定位元件上，在冷端面銅導電片上涂覆絕緣導熱膠水，加裝散熱層結構；將熱電模組中的熱電對嵌入表帶主體的多個長方形通孔中，熱電對與表帶主體的長方形通孔一一對應；

4)裝配導熱層

表帶主體及各個熱電模組熱端面涂覆絕緣導熱膠水后，貼裝導熱層，熱固后完成內部結構封裝，得到柔性供電表帶。

本發明具有的有益效果是：

本發明在表帶中集成了供電裝置，提高了表帶的功能性，提高了傳統智能手環的空間利用率，并為其提供了一種環保連續的供電方式。本發明具有的非均布結構設計，在保證供電表帶貼合手腕輪廓的前提下提高了熱電模組中熱電對的對數，提高了供電表帶的輸出電壓和功率，通過引出電極可以連接驅動低功耗傳感器等電子元件。表帶結構采用聚二甲基硅氧烷材料，柔性較好，可以實現多次彎曲，適合于不同手臂表面。本發明的柔性供電表帶可穿戴在人體表面，回收人體體表散發的余熱并轉換為電能，為穿戴式電子設備提供可靠、穩定、持久的電源，可廣泛應用于人體健康監測、運動數據采集、物聯網通信等方面。

附圖說明

圖1是柔性供電表帶結構爆炸示意圖。

圖2是柔性供電表帶剖面示意圖。

圖3是柔性印刷電路板示意圖。

圖4是密度大且等距排布熱電模組結構示意圖。

圖5是密度小且等距排布熱電模組結構示意圖。

圖6是串聯連接后的多段熱電模組結構示意圖。

圖7是密度大且等距排布熱電模組對應的表帶主體示意圖。

圖8是裝配散熱層后的串聯連接的多段熱電模組結構示意圖。

圖9是嵌入串聯連接的熱電模組的表帶外部結構示意圖。

圖10是裝配導熱層后的柔性供電表帶整體外觀示意圖。

圖中：1、散熱層，2、表帶主體，3、密度大且等距排布熱電模組，4、導熱層，5、冷端銅導電片，6、p型熱電臂，7、柔性印刷電路板，8、銅電極，9、孔，10、密度小且等距排布熱電模組。11、n型熱電臂。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

如圖10所示，本發明所述柔性供電表帶中間至少由一段密度大且等距排布熱電模組3的供電表帶，其兩側至少各由一段相同的密度小且等距排布熱電模組10的供電表帶連接而成；如圖1～2所示，密度大且等距排布熱電模組3的供電表帶和密度小且等距排布熱電模組10的供電表帶(兩者結構相同，僅密度大小和熱電模組的熱電對數不同)，從手腕穿戴面向外都具有依次為導熱層4，裝有熱電模組的柔性印刷電路板7和多個散熱層1；柔性印刷電路板7的上表面裝有熱電模組，熱電模組中的每個熱電對分別裝在各自表帶主體2的長方形通孔中，每個熱電對分別通過冷端銅導電片5與各自的散熱層1連接，散熱層1均位于表帶主體2外。

如圖3所示，所述柔性印刷電路板7，沿該板長度方向的前部和后部上表面分別等距設有一排多個銅電極8，頭尾相接且等距排列的多個銅電極8都與該板長度方向平行，該板中部上表面等距設有一排多個銅電極8，該板中部上表面一排多個銅電極8位于該板前部和后部上表面一排多個銅電極8之間，中部上表面一排并列的多個銅電極8與該板長度方向垂直。

如圖4～圖5所示，柔性印刷電路板7右側開始的后部上表面的銅電極8向柔性印刷電路板7左側后部上表面的銅電極8上依次間隔設有p型熱電臂6和n型熱電臂11，與柔性印刷電路板7后部上表面相鄰的右側開始的中部上表面的銅電極8的一端向柔性印刷電路板7左側的中部上表面銅電極8上依次間隔設有n型熱電臂11和p型熱電臂6。

如圖4～圖5所示，柔性印刷電路板7右側開始的前部上表面的銅電極8向柔性印刷電路板7左側前部上表面的銅電極8上依次間隔設有n型熱電臂11和p型熱電臂6，與柔性印刷電路板7前部上表面相鄰的右側開始的中部上表面的銅電極8的另一端向柔性印刷電路板7左側的中部上表面銅電極8上依次間隔設有p型熱電臂6和n型熱電臂11。

如圖4～圖5所示，每個熱電對均包含有一個p型熱電臂6和一個n型熱電臂11，p型熱電臂6和n型熱電臂11通過冷端銅導電片5組成串聯或串并聯結構。

由于手腕穿戴面的不同曲率，供電表帶內部填充的熱電模組分為奇數段n，且n為3～7，密度大且等距排布熱電模組中的熱電對的排布密度是密度小且等距排布熱電模組中的排布密度的k倍，且k為1.2～2。

本發明的工作原理：

本發明的柔性供電表帶穿戴在人體手腕時，可與手腕緊密貼合。柔性供電表帶的導熱層與皮膚接觸，人體體表產生的熱量通過導熱層傳遞到熱電模組的熱端面，即柔性印刷電路板；散熱層暴露在空氣中并與空氣進行對流換熱，溫度低于熱電模組的熱端面。因此，熱電模組中的熱電臂的冷端面和熱端面之間存在溫差，基于熱電臂材料的塞貝克效應將溫差轉換為直流電壓，產生的電壓通過引出電極連接傳感器等電子元件，并驅動其工作。

本發明的制作方法，包括以下幾個步驟：

一、制作熱電模組并串聯連接

p型和n型熱電臂材料為摻雜碲化鉍基熱電材料，p型熱電臂6材料成分為bi0.5sb1.5te3，n型熱電臂11材料成分為bi2se0.5te2.5。根據密度大且等距排布熱電模組3及密度小且等距排布熱電模組10設計，在表帶手腕上面布置14對熱電臂，表帶手腕兩側處分別布置24對熱電臂。熱電臂為底面邊長為1.5mm、高為1.6mm長方體。密度大且等距排布熱電模組3及密度小且等距排布熱電模組10的熱電對間距分別為1.5mm和3mm。

以制作密度大且等距排布熱電模組3為例：首先制作柔性印刷電路板7，聚酰亞胺基底的厚度選擇25μm，基底表面加工孔9以提高柔性，銅電極8的厚度為17.5μm，如圖3所示。制作厚度為0.3mm的冷端銅導電片5，與熱電臂位置對應的定位后用50μm厚的聚酰亞胺膠帶固定。制作0.12mm厚的焊料涂覆網版，焊料涂覆網版的開孔與柔性印刷電路板7的銅電極8位置以及冷端銅導電片5的位置對應。對無鉛的中溫焊料充分攪拌后，用金屬刮刀將焊料通過網版涂覆在柔性印刷電路板7和冷端銅導電片5上。

將涂覆有焊料的柔性印刷電路板7固定在具有螺孔的底板上，并將14個n型熱電臂11和14個p型熱電臂6交替放置在柔性印刷電路板7上。熱電臂放置完成后，將涂覆有焊料的冷端銅導電片5對應熱電臂放置。在冷端銅導電片5上端加裝蓋板，用螺帽將蓋板與底板壓緊。將裝配壓緊后的結構放入真空加熱爐中在260℃焊接3分鐘。冷卻至常溫后，拆卸蓋板與底板，將焊接好的部分在乙醇溶液中浸泡10分鐘，揭下聚酰亞胺膠帶，得到所需的密度大且等距排布熱電模組3，如圖4所示。采用相同的加工工藝制作密度小且等距排布熱電模組10，如圖5所示，并通過底部柔性印刷電路板7左、右兩側引出電極串聯連接成多段熱電模組，如圖6所示。

二、制作具有多個長方形通孔的表帶主體

根據熱電模組的排布密度分別采用三維打印制作表帶主體的澆注模具，模具對應熱電模組中熱電對的位置，加工對應的凸起塊體，凸起為長寬高均為熱電對的1.05倍。

將預聚體及固化劑配比為10:1的聚二甲基硅氧烷，在真空干燥箱中脫氣后澆注到模具上。50℃下加熱固化聚二甲基硅氧烷后，從模具上取下，得到具有具有多個長方形通孔的表帶主體2，密度大且等距排布熱電模組3對應的表帶主體部分如圖7所示。

三、熱電模組裝配散熱層后嵌入表帶主體

在冷端銅導電片5上涂覆導熱硅膠，將散熱層1和熱電模組冷端粘結，完成散熱層裝配，如圖8所示。

裝配熱電模組及具有多個長方形通孔的表帶主體2。使用聚酰亞胺膠帶固定表帶主體2，將熱電模組中熱電對嵌入表帶主體2的長方形通孔。在具有多個長方形通孔的表帶主體2與密度大且等距排布熱電模組3和密度小且等距排布熱電模組10的接縫處涂覆配比為10:1的聚二甲基硅氧烷后熱固封裝，封裝完畢后揭下聚酰亞胺膠帶，嵌入串聯連接的熱電模組的表帶外部結構如圖9所示。

四、裝配導熱層

導熱層4由硅膠和填充導熱材料組成。將導熱層4與熱電模組熱端面即柔性印刷電路板7底面粘結，并在導熱層4與具有多個長方形通孔的表帶主體2連接處涂覆絕緣導熱膠水封裝，加熱固化后完成表帶的整體裝配，得到柔性供電表帶，如圖10所示。

本發明通過提出一種基于多段熱電模組構成的柔性供電表帶及其制作方法，通過采用具有多個長方形通孔的表帶主體及多個熱電模組為表帶提供了熱電供電功能。在加工表帶主體上的長方形通孔結構為1.05倍熱電對單元大小，保證了熱電模組結構一定的裝配和彎曲裕度。根據手腕輪廓不同曲率處采用非均布設計，保證了柔性供電表帶和手腕手臂的良好貼合。