国际医疗器械设计与制造技术展览会

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2023年6月1-3日 | 苏州国际博览中心B1-E1号馆

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医疗器械展研发设计速递 | 优化热设计, 获得性能卓越的可穿戴热电器件

2023-01-16

近日,国家发展改革委印发《“十四五”扩大内需战略实施方案》。《方案》提出, 将丰富5G网络和千兆光网应用场景,加快研发超高清视频、虚拟现实、可穿戴设备、智能家居、智能教学助手、医疗机器人等智能化产品。医疗器械展Medtec China 2023了解到在过去的几十年里,可穿戴电子设备发展迅速,被广泛应用于运动和健康监测领域,并正在成为人们日常生活中不可缺少的一部分。目前,市场上的可穿戴电子产品主要由电化学储能电池,即电池、超级电容器等供电,但它们的容量和寿命是有限的,需要经常充电或更换电池。对于忙碌或行动不便、健忘的老人,充电或更换电池并不方便。研究者们提出了自供能可穿戴电子设备的概念,设法直接从人体或周围环境中采集能量使设备正常工作。

热电发电机(TEG)是一种纯固态装备,可以将热量直接转化为电能,具有许多优点,包括高可靠性和无移动部件、噪音和污染。由于人体皮肤和外部环境之间存在温差,可穿戴热电发电机(w-TEG)通过赛贝克效应直接将其转化为电能。因此,将可穿戴电子设备与 w-TEG 集成是实现自供能可穿戴功能的有效途径。

然而,当前 w-TEG 受输出电压和功率密度的限制,在应用上难以得到进一步推广,如何有效提高其转化效率和电输出能力成为研究者们急需解决的难题。

基于此,武汉理工大学唐新峰教授团队何大平教授团队合作,通过有限元模拟,对集热器、热电臂和散热器进行了综合热管理。研究发现,提高器件的基板导热性能,有利于降低其最佳填充系数和基板厚度,提高功率密度,从而使得 w-TEG 既能佩戴舒适,又更经济实用。

本文利用由聚酰亚胺 (PI) 薄膜和石墨烯组装薄膜 (GAF) 制备的具有良好柔韧性的叠层薄膜作为 w-TEG 的基板:PI 膜有效增强了基板的机械强度;具有高导热性的 GAF 大大降低了基板的面内与面外热阻,减小了热损失,使底部基板具有更好的集热效果;GAF 高的表面发射率有助于增强表面辐射传热改善顶部基板的散热。

在不影响电通路的情况下,上基板进行机械切割,使得 w-TEG 具有良好的可弯折性,经过 20000 次弯折疲劳循环(曲率半径为 6 mm)器件内阻变化小于 0.5 %。最终,利用此叠层基板制备的 w-TEG 模组(由四个 w-TEG 单元串联,填充系数为  10%,平面面积为 20×145 mm²)戴在人体手腕上跑步时(接触压力为 0 KPa,风速为 3 ms⁻¹),最大输出电压和功率密度分别达到 281.6 mV 和 45.6 μWcm⁻²,这是已报道的未加载散热器 w-TEG 中的最佳结果之一。

这项工作提出的策略有望为可穿戴热电发电机的设计提供一个新的方向。相关工作以题为 “Optimized thermal design for excellent wearable thermoelectric generator” 的论文发表在国际权威材料期刊 Journal of Materials Chemistry A 上,并被选做期刊 Inside Front Cover

研究方法

研究者通过有限元仿真模拟对 w-TEG 进行了系统的热设计优化(如图 1),在以往的报道中,w-TEG 的面外热阻对于器件电输出性能的影响多有研究,而面内热阻因其垂直于 w-TEG 温差建立方向常被忽视。本文中发现基板的面内热阻对于器件下基板的传热和上基板的散热都有重要贡献,尤其对具有较低填充系数、基板厚度较薄的 w-TEG 的电输出性能有更显著的影响。此外,模拟计算结果表明,提高器件基板的导热性能,有利于降低其最佳填充系数和基板厚度,同时提高功率密度,使 w-TEG 在拥有更佳的佩戴体验的同时更经济适用,这对于 w-TEG 的设计方向具有重要指导意义。

图 1.  通过有限元模拟对 w-TEG 进行热设计优化

基于有限元模拟计算结论,如何快速制备高热导、高柔韧性、高可靠性的薄膜材料作为 w-TEG 的基板,同时发挥良好的热管理效果成为了急需解决的问题。本研究中作者提出了基于石墨烯组装薄膜(GAF)和聚酰亚胺(PI)薄膜的复合叠层基板的设计策略,并对其进行了制备与表征(如图 2)。得益于 GAF 的高热导率与高表面发射率以及PI薄膜的强柔韧性,复合叠层基板具有 1.27 Wm-1K⁻¹ 的高热导率,相较于本征的PI薄膜(0.23 Wm⁻¹K⁻¹)导热性能得到大幅提升,同时拉伸强度和应变量达 205.1 MPa and 10.7%,具有良好的柔韧性。

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图 2.  复合叠层基板的设计与制备

PI基板热电器件与石墨烯复合叠层基板器件电输出性能与填充系数之间的变化关系在恒温差测试条件下差异较小,但在恒热源测试条件下表现出了明显差异,且石墨烯复合叠层基板器件电输出性能相较于 PI 薄膜基板热电器件有显著提升(如图 3)。在恒温差测试条件下,器件冷热两端温差由测试环境提供,此时 PI 薄膜基板器件与复合叠层基板器件的输出电压与测试功率密度均与填充系数(FF)成正比,在 FF=40% 时获得最大输出电压与功率密度。然而,在恒热源条件下,器件的冷热两端温差受器件的材料参数与结构参数影响,更能反映可穿戴器件在实际应用时的电输出性能。此时,PI基板器件输出电压与功率密度仍随 FF 增大而增加,在 FF=40% 时达到最大功率密度 2.5 μWcm⁻²;而叠层基板器件输出电压随FF增加而增大,但功率密度随 FF 增大而减小,在 FF=10% 时达到最大功率密度 7.1 μWcm⁻²。这归因于叠层基板的高热导率在器件填充系数较低时对基板面内热阻的优化,减少了热损耗,提高了有效温差,从而大幅提高了功率密度。

图 3.  W-TEG 的输出性能研究

对于可穿戴电子设备,良好的佩戴与使用体验对于消费者来说至关重要。因此研究者对 w-TEG 在穿戴条件下的电输出性能以及可靠性进行了测试(如图 4)。研究发现,对于 FF=40% 的 PI 基板器件在无佩戴压力下的电输出性能相较于 1.6KPa 佩戴压力时劣化约 22%,而石墨烯叠层基板器件仅为 10%。对于 FF=10% 的两种器件,表现出的差异则更为显著,PI 基板器件在无佩戴压力下电输出性能相较于 1.6KPa 佩戴压力时劣化约 55%,而石墨烯叠层基板器件仅为 12%。这是由于在佩戴压力较小时,器件下基板与人体皮肤间接触存在较大空气间隙,更依赖器件基板的面内传热,而石墨烯叠层基板的高面内热导有效减少了面内热损失,因而在较小的佩戴压力下也能获得良好的性能表现。可靠性实验表明,w-TEG 的最小弯曲半径达 6mm,在一个弯曲循环内,w-TEG 内阻几乎保持不变。器件在经过 10000 次的疲劳寿命测试后,内阻、开路电压、输出功率的变化幅度均小于 5%,表明器件具备良好的可靠性。

医疗器械展Medtec China 2023自2016年起布局医疗电子,从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区,目前已经有包括日立金属投资(中国)有限公司 、砷泰中国 、东莞市雨菲电子科技有限公司、上海孚蕊哲静电科技有限公司 、深圳市格兰拓普电子有限公司和杭州通鉴科技有限公司等多家企业入驻参展。

最后,研究者直接佩戴 w-TEG 模组,并在不同佩戴条件下测试了器件的实际电输出性能(如图 5)。当环境温度为 17.3℃ 时,直接佩戴 w-TEG 模组,通过万用表测得最大开路电压达 43.4mV。同时,器件的实际电输出性能受佩戴压力与佩戴者运动状态影响,在运动状态下(无接触压力,风速为3 ms⁻¹),最大输出电压和功率密度分别达到 281.6 mV 和 45.6 μWcm⁻²。此外,研究者为 w-TEG 配备了升压电路搭建了自供电可穿戴电子手环演示系统(如视频1所示),佩戴条件下仅依靠人体与环境之间的温差即可为温湿度传感器供能,确保其正常工作。

文章来源:RSC英国皇家化学会