【正文】 器件連接數(shù)萬個熱電偶，以在低溫差下獲得伏特級的高電壓，此微熱電發(fā)電器件的另一特點是，其制造工藝結合了電化學淀積和集成電路的刻蝕工藝。實驗結果表明，以上方法完全可以用于 MEMS 微系統(tǒng)，為其提供微型電源。 JPL 的 CrossPlane 微熱電發(fā)生器件雖然能達到很高的功率密度值，但是某些應用場合卻需要更低的微瓦級功率，如小型傳感器和放大器線路的供電。 當然發(fā)電器的結構還有很多，如自停止多晶硅金屬結構微熱電發(fā)電器等等，但是就 我們目前的選取的幾種經(jīng)過上述分析比較得出的結果是：微卷式熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難；同時由于熱電材料沿溫度梯度方向線性串聯(lián)排列，每一部分熱電材料的溫差事實上不大，使其產(chǎn)生的功率也受到了限制。 我們在這里選擇熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的核心部件來設計。微小型熱電發(fā)電器的輸出功率和效率受到接觸內(nèi)阻、湯姆孫效應和溫度變化的影響以及導熱覆蓋片、導流片和焊料層對導熱系數(shù)的影響（該設計中由于體積較大，故可忽略焊料層對導熱系數(shù)的影響）。 設計這個模塊的整體形狀要以熱量的最大利用為目標。微卷式（ SwissRoll）熱電轉(zhuǎn)換器熱損失比較小，對熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難所以沒有采用。而熱電堆的 PN結相對于溫度場是并聯(lián)結構，每一對 PN 結均有相同的溫差，故每一對 PN結串聯(lián)后，產(chǎn)生的功率相對較大，最終選擇了熱電堆式 熱電發(fā)電器作為熱電電源的核心部件來設計。 下面 我以簡圖的形式 來介紹一下方形熱電發(fā)電器 電偶臂 的具體組成： 圖 36 方形熱電發(fā)電器電偶臂 下面的是 余熱 發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡圖： 29 圖 37 發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡圖 通氣管道的結構設計 圖 3－ 11 通水管道（ 2） 余熱 發(fā)電器的設計 發(fā)電電偶臂 主要包括導熱覆蓋基板、導流層和電偶臂三部分。 30 圖 3－ 12 電偶臂的理論圖形 位于通氣管道和通水管道的中間是 PN 電偶臂熱電發(fā)電器，一對PN 電偶臂熱電發(fā)電器主要包括電絕緣導熱覆蓋片、導流銅片和 PN 電偶臂，導熱覆蓋層采用 95％的氧化鋁陶瓷，導流層為導 銅片，焊料層為 75％和 95％的鉛錫合金 以及導電銀膠和耐高溫銀膠。 由前面的理論分析知道，選用的熱電材料賽貝克系數(shù)越高越好，同時，也希望該材料能耐高溫（溫差越大，熱電材料的賽貝克電壓就越大）。 小型熱電電源的結構包括陶瓷基板、銅導流層、焊料層、熱電偶電偶臂以及引出導線等幾部分。 下面來介紹熱電發(fā)電器制作工藝 ： （ 1） 陶瓷基板的選用與制作 34 陶瓷基板上的導流層則主要采取覆蓋鋁層工藝，也有部分廠家采用滲銅工藝形成。根據(jù) 基板導流層陣列，這里用 SU8 膠制作出焊料層掩模，見圖 3－ 19，掩模的通孔和基板導流層重合并壓合緊固。 （ 2） 熱電材料的選用與電偶臂的制作 和普通熱電發(fā)電器熱電材料制作工藝一樣，將碲化鉍材料以及一些添加劑按照一定比例配方，在 920K 以上的高溫下融化，再進行晶棒的拉制，切片，晶粒的切割等工藝，從而得到我們所需要的 PN 熱電電偶臂顆粒。 35 圖 3－ 17 小 型熱電發(fā)電器加工工藝框圖 圖 3－ 18 發(fā)電器覆蓋基板導流層結構 36 圖 3－ 19 焊料層掩模 圖 3－20 小型電偶臂陣列模具 （ 3） 發(fā)電器的裝配與封裝 將 P、 N 型電偶臂顆粒依次間隔排列在專用模具中后，再將模具對準氧化鋁陶瓷下覆蓋基板，讓 P、 N 電偶臂對牢導流層，通過焊料層將電偶臂與覆蓋層粘接在一起。采取同樣方式將上覆蓋基板與電偶臂顆粒粘接。高溫爐溫度保持在 450K～ 550K 的范圍。此時用高溫硅膠把發(fā)電器四周封合固化，以起到保護作用。該工藝與杭州建華半導體致冷器有限公合作，初步試制獲得成功。將 PN 結電偶臂置于專用的模具中進行陣列 ，一般可采用手工方法，總的加工相對容易。 現(xiàn)具體闡述如下： 在加工好帶導流層的陶瓷基板后，接下來就是電偶臂的制作。 具體硅模工藝如下：根據(jù)設計的熱電發(fā)電器，制作出掩模膠片，用于光刻膠曝光。先清洗硅片，用氫氟酸緩沖劑作為腐蝕液去除表面的二氧化硅。光刻膠厚度達到 50 微米左右。然后在去除掉硅片上的光刻膠。兩面的方形槽呈間隔排列。在高溫爐中，分別將 P 型和 N 型半導體電偶臂材料置于石英容器中進行高溫加熱，直至熔化（熔化溫度在 650℃左右）。待硅模冷卻， P 型材料固化后，翻 38 轉(zhuǎn)硅模，將 N 型熱電材料注入到硅模另外一面的方形槽中。最后對硅模兩面進行研磨，直至露出熱電電偶臂，并根據(jù)需要的熱電電偶臂高度，確定研磨量和研磨后硅模的厚度。 通過圖形表示。 39 圖 3－ 21 微型熱發(fā)電器制作工藝流程 余 熱發(fā)電器 模塊的固定 框架 設計 發(fā)電器模塊的固定框架 的材料是：硬度較高的不銹鋼材料。頂端留下一定的間隙是為了將該發(fā)電機構 40 連接固定到車體上 。 41 圖 322 固定框架 余 熱發(fā)電器 模塊和 固定 框架 裝配 圖 323 余熱 發(fā)電器模塊 裝配的主要要求是：確保每一個部分緊密的結合在一起 ，避免產(chǎn)生過多間隙使得電阻增大 。 在該公司購買的金屬軟管的長度可以根據(jù)自己的需求設定，在這里軟管的長度盡量可以選的短一點以節(jié)約空間，另外在汽車排放尾氣管道上加工一定量的螺紋以連接該金屬軟管 。 圖 324 金屬軟管選購表 43 第 4 章 總 結 在進行發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計的開始我首先了解了有關于熱電的一些基礎理論和國內(nèi)外有關于這一領域的相關論文，認識到了這一設計對以后能源的利用有著很大的意義，同時也了解了熱電發(fā)電的原理和主要計算過程，在此基礎上我開始動手設計我的 發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)的設計，首先是考慮如何將余熱利用最大化，于是 最開始 聯(lián)想到了 美國普林斯頓大學研究方案的形狀，但是意識到后期制作和維修方面的問題，所以沒有再想下去，于是第二種方案應運而生 方形 包圍余熱發(fā)電器，這種想法在后期的制作方面比較簡單而且熱利用率也比較好，不足的是比較笨重，難看，存在一點熱散失 。通過這次的畢業(yè)設計使我有幸接觸到了很多新的領域的知識，不僅開闊了自己的眼界，而且也考驗了我活用知識的能力。 44 參考文獻 [1] 全套圖紙及更多設計請聯(lián)系 ： 360702501童志義 , 趙曉東 . 國外 MEMS 器件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 . 電子工業(yè)專用設備 , 2020,31(4):200206. [2]張威 , 張大成 , 王陽元 . MEMS 概況及發(fā)展趨勢 . 微納電子技術 ,2020,1:2227. [3]李德勝 , 王東紅 , 孫金瑋 , 金鵬 . MEMS 技術及其應用 . 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學出版社 . . [4]朱智富，汽車廢熱利用的有效途徑 [J],黑龍江工程學院學報（自然科學版） 2020， 19（ 2）： 51－ 59. [5]倪久建， 陳江平，覃峰等，汽車尾氣余熱驅(qū)動的金屬氧化物制冷循環(huán) [J]，能源技術， 2020， 25（ 6）： 231－ 234. [6]陳煥新，譚顯光，燃料電池汽車余熱利用的可行性探討 [J]，建筑熱能通風空調(diào)， 2020， 23（ 5）： 81－ 84. [7]張征，曾美琴，司廣樹，溫差發(fā)電技術及其在汽車發(fā)動機排解余熱利用中的應用 [J]，能源技術 2020， 23（ 5）： 120－ 123. [8]龐振江，“熱電制冷”替代“蒸氣壓縮制冷”的汽車空調(diào)改良方案 [J],甘肅科技， 2020， 20（ 4）： 46－ 47. [9]董桂田，汽車發(fā)動機排氣廢熱的溫差發(fā)電 [J]，北京節(jié)能， 1997（ 4）： 7－ 9. [10] 崔淑琴，回收汽車發(fā)動機中溫余熱的節(jié)能新裝置 [J],節(jié)能， 45 1995（ 8）： 20－ 21. [11] 于俊鵬，張建中，康洪波，商用溫差電致冷組件用于發(fā)電的研究 [J].電源技術， 2020， 27（ 6）： 532－ 544. [12] 吉田佑作，用排氣渦輪發(fā)動機回收汽車發(fā)動機的廢熱 [A],自動車技術論文集， 1987（ 34） :157161. [13] 東方電機廠網(wǎng)站 , 2020 年 10 月 15 日 , 東方電機廠三峽機座完工發(fā)運 . [14] 中國航天信息中心， 2020 年 4 月 21 日，給電子士兵供電的袖珍動力 統(tǒng) . [15] 鄒政耀，陳茹雯，吳曉東，一種新型的發(fā)動機排氣余熱利用裝