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用于火灾报警温度传感的热电发电机
WENCHANG WU，\郑良杜\JIAOLIN CUI，\\
ZHONGTAO SHI，\和YUAN DE NG\\
1.-宁波理工大学材料学院电子与信息工程学院，宁波315016.china.2.-北京航空航天大学物理科学与工程学院，北京100191，china.3. -e -mail：cuijiaolin @ 163.com.4.-e -ma il：dengyuan @ buaa.edu.cn
这里我们介绍一种用于火灾报警温度传感的热电（TE）发生器。 作为该发生器的核心部件的TE模块具有由Cu / Sn\Ag\/涂覆的Ni /喷涂的Ni / TE /喷涂的Ni /涂覆的Ni / Sn\Ag组成的夹层状结构\/ Cu多层膜，在室温（RT）下呈现5.5 Q至5.9 Q的低内阻和0.51 Q至0.91 Q的接触电阻，可使TE发生器获得开路电压（V0 p ）为1.50 V，在#39;#39;90°C时为2.97 V，此外，对于9.3°C的温差（11T），其最大输出功率（p max）估计分别为11.6 mW和428.7 mW，这些值与Thermonamic公司开发的TE发电机的值相当，根据这些数据，我们得到了相应的功率密度“-#39;7.25times;10\nW / mm\和2.68times;10（ TF22）nW / mm\。 尽管当电源温度升高到90°C以上时仍有很大空间来改善发电机的性能，但在当前测试条件下达到的输出电压和最大输出功率足够大，以驱动小型电子设备，例如火灾报警系统等等。因此，相信发电机的制造技术和设计结构适合于这样的应用。
关键词：热电发电机，夹层结构，最大输出功率，开路电压，接触电阻
介绍
热电（TE）器件作为有前途的电力替代品之一引起了高度的关注，因为它们可以直接将热能转化为电力。 TE材料可以用作温度传感器的关键材料，因为它们与通常用作制造传统温度传感器的替代品的金属或金属合金相比具有相对高的转换效率。 为了改善TE发电机的性能，不仅必须提高由无量纲数字表征的材料性能。其中C1，a，K和T是塞贝克系数，电导率，导热率和绝对温度，但是也必须优化内置核心部件的结构，即， TE模块。 与TE模块相关的一个重要问题是接触电阻，通过复杂的技术可以通过使用新型金属作为桥接层来降低接触电阻; 例如，Snyder等人\使用电化学沉积（ECD）3mu;m厚的金和镍作为TE微器件中的buf fer层，获得低于0.05Omega;的低接触电阻.Silva等人\使用Cr /通过电子束蒸发在热结处生长的20mu;m/200mu;m/20mu;m/20mu;m厚的Au / Ti / Pt多桥接层和冷接点处的Cr / Au桥接层，并且证实Pt可用于它对TE的良好附着力
Au的扩散和防止。 当他们在热连接器上使用Ti / Cu和Cu作为桥接层时，他们发现Ti / Cu和Cu层随着时间推移导致器件总电阻的大幅度增加，推断这可能是由于通过氧化Cu。 虽然在参考文献中的设备。
2具有这种分段结构有50 n的低电阻，它不适合大规模应用，因为使用贵金属如Au和Pt不具有成本效益。另一方面，用于制造用于火灾报警温度传感的发生器的TE材料也应该开发，因为大多数TE材料的工作温度范围不同。 传统的基于碲化铋的材料通常应用在RT或以下。
因此更适合用于冷却装置项比于TE发电机。 对于TE发电机中使用的TE材料（例如火灾报警系统），要求在低中温（rv15°C）条件下具有良好的TE性能。 因此，既不是常规的室温Bi2Te\基TE材料也不是skutterudite-（在850K时ZT = 1.34）或Mg2Si基合金或复合材料（在773K时ZT = 1.1）中等温度材料）适用于这种应用。因此，最大限度地发展材料需要约150°C的ZT值。
在这个项目中，我们设计和制造了一种TE发生器，可以有效地用于基于n型和p型的火灾报警温度感测。
过去几年发展起来的材料，前者在144℃时的最大ZT为0.98。而后者在200°C时为1.26。然而，鉴于在目前的测试条件下，我们只评估了发电机在温度控制炉中10°C至90°C温度范围内的性能。
TE发电机的结构，制造和电阻。为了提高TE发电机的效率和性能，我们需要设计内置的TE模块结构。通常，这种发生器中的TE模块由一系列pn TE耦合器组成，
其中每对都有一个TE材料夹在其中的分段结构。
在这项工作中，我们选择相对较少的贵金属或它们的合金（Ni和Sn\Ag5）作为桥接层，并且在TE模块中获得了低接触电阻。 每个分段结构中桥接层的布置如下：Cu / Sn95AgJ涂覆的Ni /喷涂的Ni / TE /喷涂的Ni /涂覆的Ni / Sn\Ag\Cu，每个桥接层的厚度受到控制和保持在rv0.2mu;m左右（图1）。 在200℃下，n型（Bi 2 Te 3）0.9（Bi 1.9 Cu 1.1 Se 3）0.1（在144℃下ZT = 0.98）和p型（Cu 4 Te 3）0.025-（Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3）0.975（ZT = 1.26） °C）TE mate
里亚尔被夹在这个结构中，有127个
成对的pn TE支脚串联排列，每个支脚尺寸为1.4 mm x 1.4 mm x 2.2 mm。 模块结构的示意图如图2所示，其格式为rv40mmtimes;40mmtimes;4.6mm，
类似于由Rowe\和DTS\开发的那些，
在将高度纯化的Ni喷射到TE腿的两个端面上之前，首先使用杭州友邦焊料有限公司提供的特殊水溶性YW-201焊剂来去除氧化物。同样，Ni层表面上的氧化物为在使用磁控溅射技术涂覆镍之前也将其去除。 桥梁的一层
熔点为245℃的Sn\Ag\通过在溶胶化过程中在温度控制在270℃的熔池中通过浸涂直接制备。 每层准备好后，抽真空
退火在55℃下进行10小时以提高粘合性并降低层间的热应力。 然后使用Sn\Ag\作为焊料将TE腿焊接到Cu连接器的热和冷侧上，然后Cu连接器是
胶粘在氧化铝对偶片上。 通过这种方式，
该结构对于单个模块达到rv4.6mm的高度（图2）。
在RT处使用直流（DC）电力系统（12V，4A）测量四个经处理的TE模块的总内部电阻CRin。 Rin值分别为5.48 n，5.88 0，5.54 n和每个5.76 n，以及相应的联系人
电阻分别为0.510,0.910,0.57n和0.79n（表I）。
接触电阻通过从总内阻中减去RT处的TE电阻率。 与Bottner（在三种不同类型的装置中报告内部电阻小于0.5Omega;）相比，R; n值仍然较高，但与报道的微热电的51Q值相比较低冷却器60对，每条腿的横截面积为40微米times;40微米。 另一方面，如果TE模块中不使用桥接层，器件将具有更高的内部和接触电阻; 例如，由Tan制造的器件\具有24个串联的有序（无序）引脚型对，其值为7200Omega;（8100Omega;）。 另一个例子是由Tak ashiri生产的装置\，其具有七对腿的7600Q的R; n值。 这些器件都是用取向的纳米结构或薄膜制备而没有使用任何桥接层，这就是为什么所得到的触点电阻值高达2000Omega;（表I）。 在参考文献中报告模块的结构。13，14与我们的差不多
横截面面积，TE腿长度以及排列的TE耦合器的数量，使得难以直接比较它们的接触电阻。 从来没有没有，接触电阻高报告在参考文献。 13,14表明使用桥接层是必不可少的。 比较Thermo Mona mic开发的TEPl-1994-3.5型装置\在截面积和形式上具有相似几何参数的阻力，发现匹配阻力几乎相同（5.7 Q ）
（P-type指p型 n-type指n型 cold：冷 heat：热 power output; 输出功率
Couple alumina sheets for heat source and sink:将氧化铝片用于治疗源头和水槽）
图2. TE模块的示意结构。
（表一），尽管不同的TE材料可能用于其发电机。 在这方面，我们认为我们TE生产商使用的制造技术和桥梁材料都是合适的。 另一方面，如果模块在高于90°C的温度下进行测试，则TE发电机的性能会更好，因为根据参考文献中的结果，TE材料的最佳性能在150°C左右。
TE发电机的设计和结构
TE发生器由四个主要部分组成：（1）电源系统;（2）温度测量和控制系统;（3）显示系统;以及
（4）数据输出系统。 该发生器的示意图如图3所示，其中用于热侧的温度测量单元（探针）被插入到导电的Al箔和氧化铝片中，而用于冷侧的温度测量单元（探针）被放置在铝粉和冷却之间单位（体系）。 发生器中的温度测量和控制系统负责使用编码程序测量三个参数（热端温度HT，冷端温度CT和开路电压V\p）。 在该系统中，每个热源温度（T）收集每个参数的十个值，然后自动计算平均值。 每当热源温度达到某一点时，测量这三个参数。 此后，我们开始在下一个热源温度T下测量三个参数。与中央处理单元（CPU，STMS）直接相连的显示和输出系统控制测量系统的显示和数据输出。 在测量过程中，只有在显示系统显示的热端和冷端温度相对稳定之前，才能收集数据。 在此步骤之后，每个热源温度的测量可以在1.5秒内完成，并且总测量周期保持在约2分钟至2.5分钟内。
图4a-c显示了TE发生器的图像，图4a显示了一个内部视图，其中由白线包围的右上部分是TE模块以及冷却系统。 除了直接用于响应热源的热侧氧化铝片上附着的导电铝箔之外，整个系统被绝缘橡胶包裹（见图4b中的放大图）以增加其热和电绝缘。 图4c显示了前面板，数字显示屏与白色虚线圈出的铝箔一起显示。
在该发生器中，连接到散热器的冷却系统的控制非常重要。 通常，传统的冷却系统，如小型电风扇，不能有效地分散风扇。
表I.室温下各种热电发电机的总内部电阻和接触电阻（RT）
TE模块由绝缘橡
积蓄的热量。 因此，我们将散热片表面与珀尔贴片结合在一起，以高效分散热量。 珀耳帖板根据特定程序运行，并且也由CPU控制。
TE发电机的性能
涉及热（HT）和冷端温度（CT）的性能评估是在可控制温度的炉子（GZ-ESPEC）中以60°C / min的程序升温速率进行的。 考虑到实际的测试条件，在评估期间将热源温度（T）控制在15℃至90℃的范围内，随着T增加。 为了确定事件的可逆性，从90℃至10℃进行另一个评估周期。 测量发电机的HT和CT值如图5a和b所示为T的函数。从图5a和b的数据可以看出，对于测量方法而言，HT和Tremain的CT几乎与T的升降相同。
从图5a和b中可以看出，主要由珀耳帖片的操作引起的实际热端温度与指定热源之间的温差（最高3°C至4°C）温度。
但是，仔细看冷门温度，人们观察到CT增加更多。与HT相比缓慢，在T = 70°C至75°C时达到最高点（36.5°C），然后稍微下降。 当热源温度被控制在18°C，CT是8.0°C.比HT低约10°C（图5a）。 获得的HT和CT值之间的差值可为发生器提供足够的开路电压，但如上所述，珀耳帖片的操作可同时降低热端和冷端温度（图5a和b）。 HT和CT之间的最大温差（T）表明性能的发电机仍然很高，而且可能发电提供足够的电力来驱动火警或其他电子设备，如下面的讨论中所述。
图6显示了开路电压（V0mu;）和最大输出功率Pmax（mW）
热源温度（T）。 在T = 18°C（T），T = 9.3°C时，V0 P值从0.48V增加到
在T = 90℃（T）下为2.97V，T = 52.9℃。 当R，n与负载电阻RL匹配时，可以根据关系式P max =（V 0mu;）2！4R; n估算最大输出功率。 这里R，n是发电机的总内阻，它主要由TE支路的电阻和不同层的总电接触电阻组成。有鉴于此，最大功率输出实际上是负载电阻RL的函数，这表明实际的最大输出功率.
如果RL大于或小于这个关键值，可能会小于最大值。 \\根据上述估计，我们观察到随着热源温度T上升，Pmax值迅速增加，达到Pmax = 11.6 mW，
在T = 18℃（T），T = 9.3℃和T = 90℃（T），T = 52.9℃下分别为428.7mW。 当我们改变测量方向，即测量从高到低T时，测得的V0P值几乎与T测量值相
同（图7），最大输出功率CPmax也是如此（图7中未示出）。
Open circuit voltage：开路电压 output power;输出功率
图6.当热源温度（7）升高时测量的开路电压（V0 p）和最大输出功率（Pmax）。
Heat source temperature意思是热源温度。 Measured temperature意思是测量温度。
总结上述开路电压（Vop）和最大输出功率（Pmax）值，我们的发电机的开路电压为1.50 V至2.97 Vanda最大输出功率为11.6 mW至428.7mW，温差（AT）为9.3°C至52.9°C。 尽管在许多应用中使用薄膜或微型TE发生器很有意思，但是所产生的输出功率太小而不能驱动需要相对较大功率的设备; 例如，在AT = 5.0°时，由MicroPelt开发的微型TE器件（DTS，TF248）和精工的最大输出功率（p ax）分别仅为0.67mu;W，1.0mu;W和45.0mu;W C，而Tan和Takashiri报道的仅为3.4mu;W和0.21mu;W。在AT = 102℃和AT = 30℃（表II）。进一步更多的是，这些TE发电机的性能在不同的温差（AT），TE耦合和几何条件下进行评估。根据每对功率和功率密度评估性能，我们发现发电机的输出功率为rv9
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