Strækbare termoelektriske spoler til energihøst i miniature fleksible bærbare enheder

Miniaturiserede halvlederudstyr med energihøstfunktioner har banet vejen for bærbare teknologier og sensorer. Selvom termoelektriske systemer har attraktive funktioner i denne sammenhæng, evnen til at opretholde store temperaturforskelle på tværs af enhedsterminaler er stadig vanskeligere at opnå med accelererede tendenser inden for miniaturisering af enheder. Som resultat, en gruppe forskere inden for anvendt videnskab og teknik har udviklet og demonstreret et forslag til en arkitektonisk løsning på det problem, hvor konstruerede tynde filmaktive materialer integreres i fleksible tredimensionelle (3-D) former.

Fremgangsmåden muliggjorde effektiv termisk impedansmatchning, og ganget varmestrøm gennem høstmaskinen for at øge effektiv effektomdannelse. I undersøgelsen foretaget af Kewang Nan og kolleger, sammenkoblede arrays af 3-D termoelektriske spoler blev bygget med mikroskala bånd af det aktive materiale monokrystallinsk silicium for at demonstrere de foreslåede koncepter. Kvantitative målinger og simuleringer blev derefter udført for at fastlægge de grundlæggende driftsprincipper og centrale designelementer i strategien. Resultaterne, nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , foreslog en skalerbar strategi for at implementere hårde termoelektriske tyndfilm inden for energiindsamlere, der effektivt kan integreres med bløde materialesystemer, herunder menneskeligt væv, til at udvikle bærbare sensorer i fremtiden.

Termoelektriske enheder giver en platform til at inkorporere allestedsnærværende termiske gradienter, der genererer elektrisk strøm. At betjene bærbare sensorer eller "tingenes internet" -enheder, temperaturgradienten mellem det omgivende miljø og menneskekroppen/livløse objekter bør levere strømforsyninger i mindre skala. Fortsatte fremskridt inden for området fokuserer på aggressiv nedskalering af strømkrav til miniaturiserede systemer for at øge deres potentiale inden for termoelektriske og energioptagelsesapplikationer. Integrerede processorer og radiosendere kan f.eks. Fungere med strøm i intervallet subnanowatt, nogle nylige eksempler er drevet via lysbaseret energihøstning og endokoklært potentiale. Sådanne platforme kan parres med sensorer med lignende effekt for at muliggøre distribueret, kontinuerlig og fjerntliggende miljø/biokemisk overvågning.

To centrale udfordringer i udviklingen af ​​miniaturiserede termoelektriske høstmaskiner omfatter at matche den nødvendige termiske impedans og mekaniske overensstemmelse med de aktive materialer til at integreres i biologiske systemer. Et veludviklet system til enhedsfleksibilitet omfatter kombination af tyndfilmspolymerer med metalfolier såsom tråde eller bånd. I undersøgelsen, Nan et al foreslår og demonstrerer en løsning ved at udvikle et todimensionalt (2-D) forløbssystem i udviklingen af ​​funktionelle 3-D spiralformede spoler. Spolernes naturligt fleksible karakter gjorde det muligt for systemerne at tilpasse sig komplekse biologiske overflader, selv de dynamiske med tiden, for at sikre fremragende termisk kontakt med varmekilden. Desuden, systemets 3D-karakter gav en flerfoldig stigning i overfladearealet for højere varmevekslingskapacitet for at give maksimal effekt.

Den termoelektriske spiralformede spolearkitektur blev fremstillet ved anvendelse af monokrystallinsk silicium som det aktive materiale. Den mekanisk styrede samling genererede 3-D spiralformede strukturer fra 2-D serpentiner via komprimerende knæk. Serpentinerne inkorporerede siliciumbånd med segmenter af p- og n-typen, og systemet blev indkapslet på toppen og bunden med polymercoating. Arkitekturen muliggjorde transformation af systemet fra 2-D til 3-D under implementering og brug. Selvom det er stærkt dopet med silicium, 3D-spolerne kunne levere bemærkelsesværdige niveauer af mekanisk overensstemmelse og robusthed under håndtering og bøjning af applikationer. Samlingen afvig ikke signifikant fra den forudsagte geometri ved hjælp af endelig elementanalyse (FEA). Sådanne materielle egenskaber gjorde systemet velegnet til at danne intime termiske grænseflader til menneskekroppen, såsom håndled eller ankler.

For at forbedre mekaniske og termiske egenskaber ved 3-D spolerne, forskerne brugte FEA -software til beregningsmæssigt styret optimering af den resulterende enhed. I princippet, enhedens 3D-arkitektur var fordelagtig til effektiv høst. Derfor, af design, 3D-spiralformede spiralsystem inkluderede en tilspidset geometri, der steg i bredde mod toppen som konstrueret ved hjælp af FEA for at optimere termiske og mekaniske reaktioner. Designskemaet i undersøgelsen blev forbedret specifikt til høst i miniatureapparater. Øget kølekapacitet for enhedsdesignet havde større fordele ved at modvirke eventuelle tab på grund af parasitisk varmestrøm i systemet.

Nan et al., gennemførte også mekaniske overensstemmelsestest på enhederne for at forstå deres evne til at udholde betydelig bøjning, strækning i planet og komprimering uden for flyet, som med tidligere rapporter. 3D-strukturer kunne strækkes med op til 60 procent i flyets retning i hundrede cykler og lodret komprimeres op til 30 procent, med minimal nedbrydning i elektriske egenskaber. Enhederne viste enestående mekanisk overensstemmelse som forudsagt af FEA. Enaxial strækning på tværs af 200 cykler resulterede ikke i elektrisk eller mekanisk fejl. 3D-spolen viste modstandskraft med potentiale for grænsefladeintegration inden for miniatureapparater.

Effektudskrivninger fra høsteanordningerne blev også karakteriseret til at vise konsekvente resultater, der var i overensstemmelse med designforventninger. Enhedens åbne kredsløb faldt ikke over tid i målingerne, hvilket indikerede, at enhedens termiske profil var i en stabil tilstand. I undersøgelsen, forfatterne genererede et køreplan for effektforbedring og et fremstillingsskema til at konstruere energiindsamlingsanordninger med andre materialer end silicium - herunder organiske varianter.

Forfatterne anbefaler yderligere forskning i deponeringsmetoder, doping og mønster for organiske og kompositmaterialer. Materialerne bør ikke bukke under for elektrisk modstand under mekanisk transformation fra 2-D til 3-D. Med silicium brugt i undersøgelsen, en tredobbelt stigning i modstand blev observeret under transformationen potentielt på grund af elektrodekontakt, nedbrydning af enheden eller plastisk deformation i nogle dele af enheden. Undersøgelsen repræsenterer en lovende strategi for at integrere tyndfilmsmaterialer i høstmaskiner med systemer med blødt materiale (herunder menneskelig hud) for at realisere energisk optimerede bærbare elektroniske enheder i fremtiden.

© 2018 Science X Network