熱電器件可以將人體產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能,為可穿戴的健康檢測(cè)設(shè)備提供電能支持。然而現(xiàn)有的技術(shù)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(shè)計(jì),協(xié)同提升可穿戴熱電器件的輸出功率和力學(xué)柔性。本論文針對(duì)人體表皮代謝熱能回收?qǐng)鼍?綜合考慮器件的穿戴舒適性和輸出功率,設(shè)計(jì)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(shù)需求,引入平面內(nèi)島-橋電極結(jié)構(gòu)布局。該結(jié)構(gòu)保障電極能夠承受拉伸和彎曲變形,提升熱電器件力學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蘑菇形電極設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中基于熱電器件內(nèi)部熱阻網(wǎng)絡(luò)分布,充分分析了影響熱電臂冷熱兩端溫差的關(guān)鍵因素。本文還基于COMSOL多物理場(chǎng)對(duì)蘑菇型器件進(jìn)行模擬分析,預(yù)測(cè)了面外拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鉚釘形電極對(duì)熱電發(fā)電輸出功率的增益效果,并獲得優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)。本論文以商用的塊體Bi2Te3基熱電臂,結(jié)合優(yōu)化的面內(nèi)剛?cè)峤Y(jié)合電極設(shè)計(jì)和面外拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蘑菇形電極設(shè)計(jì),完成了上述兩類柔性熱電器件的制備。為了進(jìn)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(shè)計(jì)了相應(yīng)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(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

市場(chǎng)上常見的可穿戴設(shè)備以及醫(yī)療介入設(shè)備

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-2-脫對(duì)電網(wǎng)或者電池的約束，降低維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)能源自給。新興的物聯(lián)網(wǎng)和人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的急速發(fā)展，也為熱電材料與器件帶來了新的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。圖1-1b)是我們所調(diào)查的部分傳感器獨(dú)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(chǎn)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(zhuǎn)換，將獲得約55mW的電能，這將足以支撐很多的可穿戴設(shè)備的獨(dú)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(yáng)能共同驅(qū)動(dòng)的熱電手表（如圖1-3c)所示）[13]3。2017年，美國(guó)Matrix公司通過改進(jìn)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(shè)備帶來劃時(shí)代的理念范式轉(zhuǎn)變。圖1-1全球可穿戴以及醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模和傳感器功率a)全球可穿戴以及醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模[3]b)部分可穿戴設(shè)備中的傳感器工作功耗圖1-2市場(chǎng)上常見的可穿戴設(shè)備以及醫(yī)療介入設(shè)備a)b)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-3-本論文旨在面向新興的物聯(lián)網(wǎng)和人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)ψ怨┠芗夹g(shù)需求，發(fā)展基于剛性熱電材料結(jié)合柔性電極的組裝策略，為深圳市在環(huán)境能量捕獲技術(shù)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(wǎng)和人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)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(guó)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(yīng)從1821年德國(guó)科學(xué)家Seebeck在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)在溫度場(chǎng)的存在下，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子在自建電場(chǎng)作用下發(fā)生偏離電中性的均勻分布，其數(shù)值大小與導(dǎo)體內(nèi)部所有電荷相關(guān)。然而，接觸電勢(shì)僅僅與界面附近的電荷分布相關(guān)，由該效應(yīng)界面產(chǎn)生電勢(shì)的表達(dá)式為：()NPhcV=STT（1-1）式中SNP——兩種材料的相對(duì)Seebeck系數(shù)；Th——熱電臂的熱端溫度；Tc——熱電臂的冷端溫度。結(jié)點(diǎn)的電勢(shì)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(guān)于溫差發(fā)電的研究主要基于Seebeck效應(yīng)。在發(fā)現(xiàn)Seebeck效應(yīng)12年后，法國(guó)科學(xué)家Peltier發(fā)現(xiàn)了Seebeck效應(yīng)的逆效應(yīng)，當(dāng)給連接的兩種金屬施加一定的電流時(shí)，載流子在接頭處與晶格作用獲得能量，并且沿著導(dǎo)體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到另一端的接頭與晶格作用釋放能量，在金屬的連接的結(jié)點(diǎn)處表現(xiàn)為吸（放）熱，即Peltier效應(yīng)，其表達(dá)式為:PNQ=I（1-2）式中NP——相對(duì)Peltier系數(shù)；Q——接頭處的吸熱（放熱）系數(shù)；a)b)c)d)


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