改进方案：优化液态金属直写式热电发生器性能

以上采用直写方法研制的热电发生器，其薄膜厚度一般为10 μm左右。而膜厚通常直接影响到热电偶的电阻，从而决定了回路电流的高低，继而限制了可输出功率的大小。为澄清此问题，以下考察了镓薄膜厚度对输出功率的影响。

相应热电发生器制作步骤如下［16］：（1）首先用0.8 mm厚的硅胶板根据所需形状制作掩膜，并使用704胶将其黏接在3 mm厚的硅胶基底上，形成20个深度为0.8 mm的槽道；（2）用笔刷将液态镓涂覆填充槽道，即镓膜层厚度为0.8 mm；（3）将康铜丝搭接在每两个充满镓的槽道之间，保证康铜丝两端与液态镓两端相接；（4）使用705硅橡胶封装镓部分，完成装置制作。

鉴于镓薄膜厚度相比上节的原型机已增大80倍，为保证掩膜结构的稳定性，将镓膜宽度从10 mm减至5 mm，而将两镓膜间距离从5 mm增至10 mm。这时镓热电极尺寸为100 mm×5 mm×800 μm，康铜热电极尺寸100 mm×φ1.5 mm。

图13.7所示为由此改进后的热电发生器的热电势温差关系曲线。从中可以看到，当温差为140℃时，20对同样尺寸的热电偶串联可得到输出电压约为123 mV，已远高于20对镓热电极尺寸为100 mm×10mm×10μm的热电偶的输出电压的叠加，从而为驱动功能器件提供了更为可靠的保障。

图13.7　热电发生器热电势-温差关系曲线［15］

仍然采用LED灯作为负载，实验中，使热电发生器冷端保持30℃，热端持续升温至190℃，逐渐达到稳态后，可输出110～120 mV的电量，将热电发生器输出端接到升压芯片输入端后，发现升压芯片输出电压可达到2.38 V，可以驱动LED灯，如图13.8所示。

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图13.8　热电发生器工作情况［15］

a.给LED灯供电；b.热电发生器升压芯片输入及输出电压随时间变化情况。

与前述情况类似，当热电发生器的输出电压（即升压芯片输入电压）达到稳态后一段时间，又开始降低。但同时也可以看出，在26 min的较长时间内，虽然热电发生器的输出电压从111 mV逐渐降低到95 mV，但升压后的输出电压稳定在2.38 V，可以保证LED灯稳定正常工作，可见热电发生器是可靠的。实际应用过程中，此时间段后的热电发生器驱动电压可达到稳定工作状态。当然，若为确保自起始开始的任意时段该发生器均能输出同一大小的电压，还可通过在输出电路上引入稳压芯片来实现，具体细节此处不再赘述。

另外，当升压电路输入电压为115 mV时，测得LED灯和10Ω取样电阻端电压分别为1.70V和4.37 mV，比上节开发的热电发生器分别提升6.92%和886%。这时LED灯的功率为：

可见，性能提升后的热电发生器可稳定供给LED灯742.9 μW的电量，比之前提升955%，说明提高镓膜层厚度对输出功率的影响较大，可作为一种改进热电发生器的方法。比较图13.5和13.8可发现，本节阐述的热电发生器驱动的LED灯明显具有更高亮度，也证明了这一点。

另外，通过观察液态镓康铜热电偶以及镓镓铟合金热电偶的功率输入曲线，可以发现输出功率与温差的关系呈指数变化趋势。当温差小时，发电功率很小，而随着温差的增大，发电功率急速增加，所以镓基热电偶构成的热电发生器更适合于100℃以上场合的应用。但由于受聚合物降解温度限制，聚合物基底印刷热电偶只限于200℃以下低品位热量的回收。更高的温度可考虑采用其他耐热柔性基底，如玻璃丝布等。但对于类似玻璃丝布的多孔基底，为防止基底正反面发生电连接，在印刷液态金属前，还可预先在基底两面各涂覆一层耐高温涂料。热电极材料亦可印刷在基底同一面或两面，以适应不同场合的需要。