具有液態金屬互連的增強散熱能力的柔性熱電發電機改善了可穿戴健康裝置

【導讀】：

利用熱電收集人體熱量為實現自供電可穿戴電子裝置提供了一條有希望的途徑，該電子裝置可以實現連續，長期，不間斷的健康監測。本文報道了一種靈活的熱電發電機（TEG），該發電機可將人體熱能有效轉換為電能。該器件依賴於低導熱率的氣凝膠-矽樹脂複合材料，該複合材料可透過可拉伸的共晶鎵銦銦（EGaIn）液態金屬互連來固定並熱隔離串聯連線的各個半導體元件。該複合材料由混合到聚二甲基矽氧烷（PDMS）中的氣凝膠顆粒組成，可將有機矽彈性體的熱導率降低多達50％。靈活的TEG戴在手腕上，其輸出功率密度值接近35μWcm− 2的風速為1.2 ms − 1，相當於步行速度。結果表明，這些靈活的TEG可以用作低功耗可穿戴電子裝置的主要能源。

可穿戴電子行業正在發展，在健康和效能監控方面有許多有希望的應用。可穿戴裝置的"聖盃"是對人體進行持續不斷監測的持續能源，以實現自供電執行或顯著延長電池壽命。為了全面瞭解人類狀況，此類裝置可以包括多個感測器，用於監視環境中的不同生物標誌物和應激源。長期監測可以顯著改善對哮喘和糖尿病等慢性疾病的管理，並提高患者的生活質量。該技術對於其他醫學應用（例如慢性疼痛管理，老年護理和術後門診治療）很感興趣。沒有能量收集 這些應用將需要對其電池進行頻繁充電，從而迫使使用者定期刪除其裝置。充其量，這會導致錯過測量機會，而在最壞的情況下，會導致不合格。

熱電發生器（的TEG），其將身體的熱量為電能提供給實現自供電的可穿戴電子產品一個有希望的途徑。北卡羅萊納州立大學的工程師繼續提高戴在手腕上的柔性裝置的效率，該裝置從人體收集熱能以監測健康。

在發表在npj Flexible Electronics的論文中，北卡羅來納州的研究人員報告顯著增強散熱的柔性體熱發電機。他們在2017年首次報道，2020年更新的發電機使用洩漏熱能從人體功率可穿戴技術-想一想可以測量您的心律，血氧，血糖和其他健康引數的智慧手錶，這些手錶永遠不需要為電池充電。該技術依賴於管理將熱能轉換為電能的剛性熱電收集器的相同原理。

NC State的柔性集熱裝置在保持熱量為裝置供電時顯示出更高的效率。

與可穿戴技術一起使用時，非常需要符合人體的柔性發電機。北卡羅來納州立大學電氣與計算機工程學教授，論文的相應作者Mehmet Ozturk提到了與柔性裝置良好的面板接觸以及對裝置佩戴者的人體工程學和舒適性考慮，這是建造柔性熱電發電機的核心原因或TEG。

但是，柔性發電機的效能和效率在歷史上一直落後於剛性裝置，後者在將人體熱量轉化為可用能量方面具有出色的能力。

最初在2017年發表的《 NC狀態概念證明》 TEG使用了半導體元件，這些半導體元件使用由EGaIn（一種鎵和銦的無毒合金）製成的液-金屬互連串聯電連線。EGaIn提供了類似金屬的導電性和可拉伸性。整個裝置都嵌入了可拉伸的有機矽彈性體中。

2020年報告的升級裝置採用了相同的架構，但顯著改善了先前版本的熱工學，同時增加了負責將熱量轉化為電能的半導體元件的密度。改進之一是封裝了EGaIn互連的高導熱矽酮彈性體（本質上是一種橡膠）。

最新的迭代將氣凝膠薄片新增到有機矽彈性體中，以降低彈性體的導熱性。實驗結果表明，該創新使透過彈性體的熱洩漏減少了一半。

柔性TEG：

a插圖突出顯示了柔性模組的三個關鍵元件，包括EGaIn液態金屬互連，高導熱率的EGaIn封裝彈性體和低導熱率的氣凝膠-有機矽填充劑。b一個典型的模組在兩個手指之間彎曲。

柔性TEG製造過程：

用於製造柔性的TEG處理流程。b物理去除腳後捕獲的TEG的橫截面顯微鏡影象。c在使用純PDMS作為填充物構建的模組上的EGaIn互連的俯檢視。d在使用氣凝膠-有機矽複合填料構建的模組上，EGaIn互連的俯檢視。

腕上柔性TEG的特徵

a戴在手腕和手持記錄裝置上的柔性TEG。b開路電壓對在手腕上測量的0三種不同的氣流速度，0.7％，和1.2毫秒的時間- 1。c隨時間繪製相應的功率密度值。

填充物熱導率對器件效能的影響

下圖顯示了帶有EGaIn互連的柔性TEG的剖檢視，顯示了熱量透過圍繞腿部的填充彈性體洩漏。填充材料的熱導率以及器件的填充係數（即，支腳佔據的器件總面積的百分比）決定了流經支腳周圍填充物的熱量。這種洩漏減少了透過支腳的淨熱流，從而減少了在支腳之間產生的溫差ΔT。由於典型的彈性體的導熱係數比空氣的導熱係數高6-8倍，因此這種影響可能會對器件效能產生重大影響。

透過柔性填料的熱洩漏及其對熱電橋臂溫差的影響。具有液態金屬互連的柔性TEG的橫截面顯微鏡影象。b TEG的簡單三電阻熱等效電路。c平行於互連線並垂直於互連線的橫截面，顯示了透過熱電支腳和周圍彈性體的模擬熱流線，具有（i）0.15，（ii）0.08和（iii）0.025 Wm − 1  K − 1三種不同的熱導率。d模擬的溫度差作為模組填充係數和彈性體導熱係數的函式繪製。

結論：

Ozturk說，獲得NC State專利的技術的優勢之一是，它採用了經過數十年研究後完善的剛性裝置中使用的完全相同的半導體元件。該方法還為現有的剛性熱電模組製造商提供了進入柔性熱電市場的低成本機會。

他補充說，他的實驗室將繼續致力於提高這些柔性裝置的效率。