熱電器件可以將人體產生的熱量轉化為電能,為可穿戴的健康檢測設備提供電能支持。然而現(xiàn)有的技術方案在單位面積的輸出功率和柔性方面仍有很多不足,本文旨在通過電極設計,協(xié)同提升可穿戴熱電器件的輸出功率和力學柔性。本論文針對人體表皮代謝熱能回收場景,綜合考慮器件的穿戴舒適性和輸出功率,設計了兩類柔性可穿戴器件。第一類柔性熱電器件主要解決柔性技術需求,引入平面內島-橋電極結構布局。該結構保障電極能夠承受拉伸和彎曲變形,提升熱電器件力學可靠性。第二類柔性熱電器件著手提高器件輸出功率密度,引入具有面外拓撲結構的蘑菇形電極設計。設計過程中基于熱電器件內部熱阻網絡分布,充分分析了影響熱電臂冷熱兩端溫差的關鍵因素。本文還基于COMSOL多物理場對蘑菇型器件進行模擬分析,預測了面外拓撲結構的鉚釘形電極對熱電發(fā)電輸出功率的增益效果,并獲得優(yōu)化電極結構。本論文以商用的塊體Bi2Te3基熱電臂,結合優(yōu)化的面內剛柔結合電極設計和面外拓撲結構的蘑菇形電極設計,完成了上述兩類柔性熱電器件的制備。為了進一步提升器件的穿戴舒適性,研究了PDMS、多孔PDMS、紡織面料的封裝工藝。本論文還設計了相應的模具輔助焊接工具和一套可以... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

市場上常見的可穿戴設備以及醫(yī)療介入設備

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-2-脫對電網或者電池的約束，降低維護成本，實現(xiàn)能源自給。新興的物聯(lián)網和人體健康監(jiān)測領域的急速發(fā)展，也為熱電材料與器件帶來了新的機會與挑戰(zhàn)。圖1-1b)是我們所調查的部分傳感器獨立工作需要的能量，比如最為常見的溫度傳感器所功耗僅為0.05mW。成年人身體的新陳代謝大約產生50-60W的廢熱[11]。如果我們僅將人體廢熱的20%以0.5%的效率轉換，將獲得約55mW的電能，這將足以支撐很多的可穿戴設備的獨立工作。早在1998年日本精工（SEIKO）發(fā)布首款基于熱電器件發(fā)電供能的石英手表（如圖1-3a)和1-3b)所示）[12]3。一年后日本西鐵城公司（Citizen）研發(fā)出一款熱電和太陽能共同驅動的熱電手表（如圖1-3c)所示）[13]3。2017年，美國Matrix公司通過改進溫差發(fā)電模塊，采用功耗更低的元器件發(fā)布首款智能溫差發(fā)電手表PowerWatch（如圖1-3d)所示）[14]3。通過捕獲環(huán)境熱能來獲取電能將有望為新興的智能可穿戴設備帶來劃時代的理念范式轉變。圖1-1全球可穿戴以及醫(yī)療設備的市場規(guī)模和傳感器功率a)全球可穿戴以及醫(yī)療設備的市場規(guī)模[3]b)部分可穿戴設備中的傳感器工作功耗圖1-2市場上常見的可穿戴設備以及醫(yī)療介入設備a)b)

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-3-本論文旨在面向新興的物聯(lián)網和人體健康監(jiān)測領域對自供能技術需求，發(fā)展基于剛性熱電材料結合柔性電極的組裝策略，為深圳市在環(huán)境能量捕獲技術方面提前布局，以支撐未來粵港澳大灣區(qū)在新興的物聯(lián)網和人體健康監(jiān)測領域發(fā)展需求。圖1-3熱電手表a)熱電手表概念示意圖b)日本精工熱電手表[12]c)日本西鐵城熱電手表[13]d)美國Matrix[14]熱電智能手表1.2熱電器件基本理論1.2.1熱電效應從1821年德國科學家Seebeck在實驗中偶然發(fā)現(xiàn)在溫度場的存在下，導體內部的載流子在自建電場作用下發(fā)生偏離電中性的均勻分布，其數(shù)值大小與導體內部所有電荷相關。然而，接觸電勢僅僅與界面附近的電荷分布相關，由該效應界面產生電勢的表達式為：()NPhcV=STT（1-1）式中SNP——兩種材料的相對Seebeck系數(shù)；Th——熱電臂的熱端溫度；Tc——熱電臂的冷端溫度。結點的電勢大小主要由溫差T=ThTc和熱電材料的Seebeck系數(shù)決定。后續(xù)關于溫差發(fā)電的研究主要基于Seebeck效應。在發(fā)現(xiàn)Seebeck效應12年后，法國科學家Peltier發(fā)現(xiàn)了Seebeck效應的逆效應，當給連接的兩種金屬施加一定的電流時，載流子在接頭處與晶格作用獲得能量，并且沿著導體內部運動到另一端的接頭與晶格作用釋放能量，在金屬的連接的結點處表現(xiàn)為吸（放）熱，即Peltier效應，其表達式為:PNQ=I（1-2）式中NP——相對Peltier系數(shù)；Q——接頭處的吸熱（放熱）系數(shù)；a)b)c)d)


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