柔性可穿戴热电器件的电极设计与性能研究
发布时间：2021-06-24 04:30
热电器件可以将人体产生的热量转化为电能,为可穿戴的健康检测设备提供电能支持。然而现有的技术方案在单位面积的输出功率和柔性方面仍有很多不足,本文旨在通过电极设计,协同提升可穿戴热电器件的输出功率和力学柔性。本论文针对人体表皮代谢热能回收场景,综合考虑器件的穿戴舒适性和输出功率,设计了两类柔性可穿戴器件。第一类柔性热电器件主要解决柔性技术需求,引入平面内岛-桥电极结构布局。该结构保障电极能够承受拉伸和弯曲变形,提升热电器件力学可靠性。第二类柔性热电器件着手提高器件输出功率密度,引入具有面外拓扑结构的蘑菇形电极设计。设计过程中基于热电器件内部热阻网络分布,充分分析了影响热电臂冷热两端温差的关键因素。本文还基于COMSOL多物理场对蘑菇型器件进行模拟分析,预测了面外拓扑结构的铆钉形电极对热电发电输出功率的增益效果,并获得优化电极结构。本论文以商用的块体Bi2Te3基热电臂,结合优化的面内刚柔结合电极设计和面外拓扑结构的蘑菇形电极设计,完成了上述两类柔性热电器件的制备。为了进一步提升器件的穿戴舒适性,研究了PDMS、多孔PDMS、纺织面料的封装工艺。本论文还设计了相应的模具辅助焊接工具和一套可以...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
市场上常见的可穿戴设备以及医疗介入设备
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-脱对电网或者电池的约束，降低维护成本，实现能源自给。新兴的物联网和人体健康监测领域的急速发展，也为热电材料与器件带来了新的机会与挑战。图1-1b)是我们所调查的部分传感器独立工作需要的能量，比如最为常见的温度传感器所功耗仅为0.05mW。成年人身体的新陈代谢大约产生50-60W的废热[11]。如果我们仅将人体废热的20%以0.5%的效率转换，将获得约55mW的电能，这将足以支撑很多的可穿戴设备的独立工作。早在1998年日本精工（SEIKO）发布首款基于热电器件发电供能的石英手表（如图1-3a)和1-3b)所示）[12]3。一年后日本西铁城公司（Citizen）研发出一款热电和太阳能共同驱动的热电手表（如图1-3c)所示）[13]3。2017年，美国Matrix公司通过改进温差发电模块，采用功耗更低的元器件发布首款智能温差发电手表PowerWatch（如图1-3d)所示）[14]3。通过捕获环境热能来获取电能将有望为新兴的智能可穿戴设备带来划时代的理念范式转变。图1-1全球可穿戴以及医疗设备的市场规模和传感器功率a)全球可穿戴以及医疗设备的市场规模[3]b)部分可穿戴设备中的传感器工作功耗图1-2市场上常见的可穿戴设备以及医疗介入设备a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-本论文旨在面向新兴的物联网和人体健康监测领域对自供能技术需求，发展基于刚性热电材料结合柔性电极的组装策略，为深圳市在环境能量捕获技术方面提前布局，以支撑未来粤港澳大湾区在新兴的物联网和人体健康监测领域发展需求。图1-3热电手表a)热电手表概念示意图b)日本精工热电手表[12]c)日本西铁城热电手表[13]d)美国Matrix[14]热电智能手表1.2热电器件基本理论1.2.1热电效应从1821年德国科学家Seebeck在实验中偶然发现在温度场的存在下，导体内部的载流子在自建电场作用下发生偏离电中性的均匀分布，其数值大小与导体内部所有电荷相关。然而，接触电势仅仅与界面附近的电荷分布相关，由该效应界面产生电势的表达式为：()NPhcV=STT（1-1）式中SNP——两种材料的相对Seebeck系数；Th——热电臂的热端温度；Tc——热电臂的冷端温度。结点的电势大小主要由温差T=ThTc和热电材料的Seebeck系数决定。后续关于温差发电的研究主要基于Seebeck效应。在发现Seebeck效应12年后，法国科学家Peltier发现了Seebeck效应的逆效应，当给连接的两种金属施加一定的电流时，载流子在接头处与晶格作用获得能量，并且沿着导体内部运动到另一端的接头与晶格作用释放能量，在金属的连接的结点处表现为吸（放）热，即Peltier效应，其表达式为:PNQ=I（1-2）式中NP——相对Peltier系数；Q——接头处的吸热（放热）系数；a)b)c)d)
本文编号：3246373
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
市场上常见的可穿戴设备以及医疗介入设备
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-脱对电网或者电池的约束，降低维护成本，实现能源自给。新兴的物联网和人体健康监测领域的急速发展，也为热电材料与器件带来了新的机会与挑战。图1-1b)是我们所调查的部分传感器独立工作需要的能量，比如最为常见的温度传感器所功耗仅为0.05mW。成年人身体的新陈代谢大约产生50-60W的废热[11]。如果我们仅将人体废热的20%以0.5%的效率转换，将获得约55mW的电能，这将足以支撑很多的可穿戴设备的独立工作。早在1998年日本精工（SEIKO）发布首款基于热电器件发电供能的石英手表（如图1-3a)和1-3b)所示）[12]3。一年后日本西铁城公司（Citizen）研发出一款热电和太阳能共同驱动的热电手表（如图1-3c)所示）[13]3。2017年，美国Matrix公司通过改进温差发电模块，采用功耗更低的元器件发布首款智能温差发电手表PowerWatch（如图1-3d)所示）[14]3。通过捕获环境热能来获取电能将有望为新兴的智能可穿戴设备带来划时代的理念范式转变。图1-1全球可穿戴以及医疗设备的市场规模和传感器功率a)全球可穿戴以及医疗设备的市场规模[3]b)部分可穿戴设备中的传感器工作功耗图1-2市场上常见的可穿戴设备以及医疗介入设备a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-本论文旨在面向新兴的物联网和人体健康监测领域对自供能技术需求，发展基于刚性热电材料结合柔性电极的组装策略，为深圳市在环境能量捕获技术方面提前布局，以支撑未来粤港澳大湾区在新兴的物联网和人体健康监测领域发展需求。图1-3热电手表a)热电手表概念示意图b)日本精工热电手表[12]c)日本西铁城热电手表[13]d)美国Matrix[14]热电智能手表1.2热电器件基本理论1.2.1热电效应从1821年德国科学家Seebeck在实验中偶然发现在温度场的存在下，导体内部的载流子在自建电场作用下发生偏离电中性的均匀分布，其数值大小与导体内部所有电荷相关。然而，接触电势仅仅与界面附近的电荷分布相关，由该效应界面产生电势的表达式为：()NPhcV=STT（1-1）式中SNP——两种材料的相对Seebeck系数；Th——热电臂的热端温度；Tc——热电臂的冷端温度。结点的电势大小主要由温差T=ThTc和热电材料的Seebeck系数决定。后续关于温差发电的研究主要基于Seebeck效应。在发现Seebeck效应12年后，法国科学家Peltier发现了Seebeck效应的逆效应，当给连接的两种金属施加一定的电流时，载流子在接头处与晶格作用获得能量，并且沿着导体内部运动到另一端的接头与晶格作用释放能量，在金属的连接的结点处表现为吸（放）热，即Peltier效应，其表达式为:PNQ=I（1-2）式中NP——相对Peltier系数；Q——接头处的吸热（放热）系数；a)b)c)d)
本文编号：3246373
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3246373.html
