手機體溫充電系統(tǒng)的設(shè)計

描述半導(dǎo)體溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換性能的主要參數(shù)有發(fā)電效率和輸出功率。當(dāng)負載電阻RL和溫差電池本身的電阻R相匹配時，負載能夠從半導(dǎo)體溫差電池中獲得最大的輸出功率，材料的優(yōu)值系數(shù)Z對于半導(dǎo)體溫差電池的發(fā)電效率和輸出功率都很重要，而Z主要與半導(dǎo)體電偶臂的性質(zhì)有關(guān)，對于材料溫差電特性一定的溫差電偶，優(yōu)值并不是一個常數(shù)，而是與溫差電偶的幾何尺寸有關(guān)。電偶臂的長度小于1 mm時，輸出功率和發(fā)電效率均隨電偶臂長度的增加而提高；而當(dāng)其長度超過5 mm后，輸出功率和發(fā)電效率均趨于定值。用多晶硅形成熱電偶，串聯(lián)組成熱電堆，采用0．8 V低啟動電壓的升壓器件，可計算出人體體溫經(jīng)該升壓器件給手機充電需要約809個熱電偶，將這些熱電偶陣列串聯(lián)組成熱電堆。假設(shè)環(huán)境與人體的溫差為9℃，轉(zhuǎn)化效率為15％，只需要面積約為0．012 721 m2的人體皮膚，即只用到人體皮膚總面積的1／158。為了滿足手機鋰離子電池的充電要求，還需進一步提高溫差產(chǎn)生的電壓和電流，可將半導(dǎo)體溫差電池進行串聯(lián)和并聯(lián)形成溫差電池組，將半導(dǎo)體溫差電池作為電源，其串并聯(lián)的情況與其他電源的串并聯(lián)并無本質(zhì)區(qū)別。
在1片長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形成熱電堆(溫差電池)，再將若干個熱電堆串并聯(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，輸出電壓也會不穩(wěn)定。因為很難將環(huán)境溫度(冷端的溫度)控制在一個固定值，所以輸出電壓需經(jīng)過穩(wěn)壓后才能送入手機。根據(jù)手機充電要求，選擇升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器件PT1301實現(xiàn)升壓穩(wěn)壓電路，如圖4所示。輸出電壓由兩個外部電阻設(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 手機體溫充電系統(tǒng)的工藝
手機體溫充電系統(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)盡可能小；具有較高的可靠性和較強的機械承受力；容易實現(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法制備的。由于這類材料具有極易解理和各向異性的特點，在將晶錠切割成設(shè)計所需面長比的條狀溫差電偶臂時，必須注意選擇材料的切割方向，使溫差電偶的長度方向沿材料的生長方向，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)墓に嚒：附忧?，最好對各焊接表面進行化學(xué)清洗(腐蝕法)，焊接時則需要選擇適當(dāng)?shù)暮附訙囟群蜁r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。