用于人体热量回收的表链式柔性温差发电器设计与制造

摘要

本学位论文结合国家自然科学基金项目“体内植入式热电，压电复合型柔性微发电构件研究”(项目编号:51275466)，开展了用于人体热量回收的表链式柔性温差发电器的结构设计与制造技术研究。首先，设计了一种表链式柔性温差发电器，其中热电模组单元设计为无陶瓷基底。其次，完成了热电臂和热电模组单元的加工制造，并研究了其发电性能。再次，加工了热电模组阵列，并经过外部封装完成了表链式柔性温差发电器加工，对器件进行了发电性能、稳定性和可靠性试验。最后，开展了表链式柔性温差发电器人体穿戴实验，研究了不同实验参数对表链式柔性温差发电器穿戴输出性能的影响。同时，对表链式柔性温差发电器穿戴在人体手腕进行了升压驱动实验。
　　第一章，阐述了论文研究的背景和意义，详细介绍了国内外穿戴式电子设备的供电方式及微型温差发电器的研究现状，确定了论文的主要研究内容和框架。
　　第二章，基于温差发电原理、性能参数以及人体体表热量回收，设计了一种由无陶瓷基底的热电模组单元组成的表链式柔性温差发电器结构。
　　第三章，设计了粉末热压成形实验系统和模具，采用粉末热压工艺和线切割工艺完成了温差热电臂加工。并采用真空焊接工艺制备了无陶瓷基底的热电模组单元。搭建热电模组的性能测试平台，对其输出性能进行了测试。
　　第四章，采用FPC加工了热电模组阵列，采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)将热电模组阵列固定在3D打印的链节空槽中，并进行了外部封装，完成了表链式柔性温差发电器的制造。搭建了表链式柔性温差发电器的热电性能检测平台，并对其输出性能进行了实验研究。
　　第五章，搭建了人体穿戴实验检测系统，分析了穿戴时间、人体运动状态、外界对流强度、外界温度等参数对热电输出性能的影响规律。进行了表链式柔性温差发电器的穿戴升压驱动实验，开环电压超过20 mV，经升压电路后实现了LED驱动。
　　第六章，总结了论文的主要研究工作，并对未来的研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

致谢

1 绪论

1．1 论文研究的背景和意义

1．2 穿戴式电子设备自供电方式的研究现状

1．2．1 微型太阳能发电器

1．2．2 微型压电式发电器

1．2．3 微型温差发电器

1．2．4 常见自供电方式比较

1．3 微型温差发电器结构设计方面的研究现状

1．3．1 薄膜／水平型温差发电器

1．3．2 薄膜／垂直型温差发电器

1．3．3 块体／垂直型温差发电器

1．4 论文的主要内容与框架

1．5 本章小结

2 表链式柔性温差发电器的工作机理及结构设计

2．1 温差发电器的工作原理

2．2 温差发电器的性能参数

2．2．1 优值系数

2．2．2 输出功率

2．2．3 接触效应的影响

2．3 表链式柔性温差发电器的结构设计

2．3．1 热电模组单元的设计

2．3．2 表链式柔性温差发电器的整体设计

2．3．3 表链式柔性温差发电器的材料选取

2．4 本章小结

3 热电模组单元的制造及其性能研究

3．1 热电臂的粉末热压成形制造及性能研究

3．1．1 粉末热压成形工艺研究

3．1．2 P型与N型Bi2Te3热电块体的粉末热压成形制造

3．1．2 P型与N型Bi2Te3热电块体的性能分析

3．1．4 P型与N型热电臂的制造

3．2 热电模组单元的制造

3．3 热电模组单元发电性能测试实验

3．3．1 热电模组单元性能测试平台搭建

3．3．2 热电模组单元输出性能的测试与分析

3．4 本章小结

4 表链式柔性温差发电器的制作及性能研究

4．1 表链式柔性温差发电器的制作

4．1．1 热电模组阵列的制作

4．1．2 表链式柔性温差发电器的封装研究

4．2 表链式柔性温差发电器的输出性能测试

4．2．1 表链式柔性温差发电器发电性能测试系统搭建

4．2．2 表链式柔性温差发电器的输出性能测试及分析

4．3 表链式柔性温差发电器的可靠性及稳定性分析

4．4 本章小结

5 表链式柔性温差发电器的人体穿戴实验研究

5．1 人体穿戴实验测试平台的构建

5．2 表链式柔性温差发电器在手腕上的穿戴实验测试

5．2．1 穿戴时间对输出性能的影响

5．2．2 人体运动状态对输出性能的影响

5．2．3 对流强度对输出性能的影响

5．2．4 外界环境温度对输出性能的影响

5．3 表链式柔性温差发电器升压驱动实验

5．3．1 升压电路的选取

5．3．2 LED驱动实验

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历