利用溫差電技術(shù)設計手機體溫充電系統

在1片長(cháng)方形絕緣基片上采用熱電堆的生產(chǎn)工藝，將P型半導體和N型半導體材料鍍到基板上，制成1片包含有數百只熱電偶的單元，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(xiàn)接到升壓穩壓電路模塊。

半導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(kāi)始輸m電壓。

3．2 升壓穩壓模塊

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，而為手機充電需要4．2 V電壓，如果全部由熱電偶轉換，則需要很多熱電偶。采用升壓器件可解決這個(gè)問(wèn)題。

根據塞貝克效應，直流電產(chǎn)生模塊兩邊的溫差不穩定，輸出電壓也會(huì )不穩定。因為很難將環(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(guò)穩壓后才能送入手機。根據手機充電要求，選擇升壓DC／DC轉換器件PT1301實(shí)現升壓穩壓電路，如圖4所示。輸出電壓由兩個(gè)外部電阻設定，即

調整R1、R2的阻值，使輸出電壓U0穩定在4．2 V，輸出電流為160 mA。

4 手機體溫充電系統的工藝

手機體溫充電系統的關(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處理，以及組件的整體焊接組裝等過(guò)程。根據前面的分析，熱電堆的制造工藝有下列要求：接觸電阻和接觸熱阻應盡可能??；具有較高的可靠性和較強的機械承受力；容易實(shí)現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(cháng)法制備的。由于這類(lèi)材料具有極易解理和各向異性的特點(diǎn)，在將晶錠切割成設計所需面長(cháng)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(cháng)度方向沿材料的生長(cháng)方向，從而保證溫差電偶處于優(yōu)值最大的方向。對于尺寸較小的溫差電偶臂，采用線(xiàn)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構，通常難以與常用的幾種錫類(lèi)焊料具有較好的可焊性，因而難于實(shí)現溫差電偶與導流片的直接焊接。常用的解決方法是在溫差電偶臂的端面上掛一層過(guò)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，還需要適當的工藝。焊接前，最好對各焊接表面進(jìn)行化學(xué)清洗(腐蝕法)，焊接時(shí)則需要選擇適當的焊接溫度和時(shí)間，都可以在一定程度上提高熱電堆的接頭導電和導熱特性。

(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)采用熱導率較高和電絕緣較好的陶瓷片作為基片，根據熱電堆導流片設計圖，采用篩網(wǎng)印制和高溫燒結的方法在陶瓷片上形成局部金屬化區域，然后在該區域形成銅導流片，之后就可將溫差電偶臂焊接在兩陶瓷片之間構成熱電堆。常用的陶瓷片有氧化鋁(Al2O3)和氧化鈹(BeO)，普通的應用要求多采用氧化鋁材料。

5 試驗結果

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

在半導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體溫差電池組，半導體溫差電池組和金屬隔板之間的接觸面涂上一層薄導熱硅膠，排走接觸面的空氣，讓溫差電池組表面與金屬導熱隔板充分接觸。實(shí)驗測得可調直流電源經(jīng)升壓器件給手機充電時(shí)其電壓約0．911 V，電流約70 mA，則等效輸入內阻為13．01Ω。因此．試驗采用由127對N-P半導體熱電偶組成1片溫差電池．其外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，測得內阻約為3．8 Ω，采用4片做不同的串并聯(lián)試驗，外接負載為15 Ω電阻，使其等效為經(jīng)過(guò)升壓器件給手機充電。圖6為在不同溫差下的試驗結果，表2列出了溫差為9 K時(shí)的實(shí)驗數據。

6 結論

根據理論分析設計了手機體溫充電系統，試驗結果表明，4片半導體溫差電池串聯(lián)時(shí)等效內阻和負載電阻達到匹配，輸出功率最大，在相同溫差下利用半導體溫差電池的串聯(lián)可以提高電壓和電流，以滿(mǎn)足升壓穩壓電路模塊的啟動(dòng)條件，從而滿(mǎn)足手機充電要求。理論分析和試驗結果均證明利用體溫為手機充電是可行的，只要進(jìn)一步提高熱電偶的轉化效率，將實(shí)現手機真正意義上的永不斷電。