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近日，電子科大電子科學與工程學院張曉升教授課題組在Nature旗下重要學術期刊《Microsystems & Nanoengineering》上發(fā)表題為“Wearable Multi-Sensing Double-Chain Thermoelectric Generator”的論文。該工作研發(fā)了一種新穎的雙鏈熱電偶結構，使熱能采集器集成容性傳感功能，如液態(tài)水分子檢測、溫度檢測。電子學院博士生文丹良和博士生鄧海濤為論文共同第一作者，張曉升教授為論文通訊作者，電子科技大學為唯一作者單位。
傳感技術特別是穿戴式傳感技術作為連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁，在促進物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。然而，一些存在的問題使得穿戴式智能設備迎來了發(fā)展的瓶頸，其中最為關鍵的就是有限的電池壽命、電池帶來的環(huán)境污染和低集成度帶來的體積厚重等。近年來，新型微納能源采集技術通過從人體或者環(huán)境采集能量轉(zhuǎn)換為電能為穿戴式電子設備供電，而吸引了大量研究人員的關注，例如用于熱能收集的熱電器件、用于機械能采集的摩擦電器件和壓電器件，以及用于太陽能轉(zhuǎn)化的光電池等。其中，熱電微納能源器件能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)直流輸出，且具有微小型化、輕薄化和柔性可穿戴的特性，可從人體不斷采集熱量轉(zhuǎn)化為電能輸出，因此，熱電器件具有獨特的優(yōu)勢，被認為是穿戴式智能設備供能方案最有希望的候選之一。然而，傳統(tǒng)的單鏈熱電微能源僅可實現(xiàn)熱能采集功能，無法與多種傳感功能一起實現(xiàn)自集成，因而不利于穿戴式智能設備的輕薄化和集成化發(fā)展。
“供能+功能”智能復合集成的穿戴式雙鏈熱電微能源器件
針對上述問題，研究人員提出了一種新穎的雙鏈熱電偶結構，使熱電微能源器件（DC-ThEG）保證熱電采集性能的同時集成了多種容性傳感功能。在這項工作中，一種成熟的工業(yè)級平面印制工藝——絲網(wǎng)印刷技術被引入來印刷油墨狀的n型熱電材料（Bi2Te2.7Se0.3）和p型熱電材料（Sb2Te3），到柔性聚合物（聚酰亞胺）基底上形成具有雙鏈結構的熱電偶鏈，然后通過采用介電材料（如蠶絲蛋白）填充雙鏈結構的間隙形成功能傳感層。實驗結果證明，這種雙鏈熱電發(fā)電機可以提供可靠的能源供給（DT =50 ℃時，Vout=151 mV），并且具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和電學輸出穩(wěn)定性。另外，得益于蠶絲蛋白優(yōu)異的溫度依賴介電特性和獨特的水分子選擇性，這種雙鏈熱電器件還實現(xiàn)了溫度傳感和空氣中液態(tài)水分子傳感功能。研究團隊通過實驗證明了熱電采集功能和多傳感功能在可穿戴條件下可以共存。最后，作為極具吸引力的潛在應用，這種雙鏈熱電器件通過串并聯(lián)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)了3.3 V的通用電源輸出接口，并且實現(xiàn)了通過采集人體熱能驅(qū)動商用計算器的應用原型驗證。與傳統(tǒng)的熱電微能源器件相比，該工作集成了優(yōu)異的持續(xù)熱電輸出和多種傳感功能，因而具有極大潛力實際應用于可穿戴智能設備領域。
電子科大電子科學與工程學院微波電路與微系統(tǒng)集成團隊長期從事智能集成微系統(tǒng)方向的研究工作，承擔及參與國家級省部級科研項目30余項，在智能微納電子系統(tǒng)、射頻微波集成微系統(tǒng)等重要方向上取得了一系列研究成果。團隊負責人張曉升教授是電子科大“百人計劃”入選者、博士生導師。主要研究領域為微電子機械系統(tǒng)（MEMS），在智能電路與集成微系統(tǒng)、面向物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式電子器件、微納能源采集技術等多個重要前沿方向上開展了深入的研究工作，取得了一系列成果。近五年來，在國際重要學術刊物上共發(fā)表論文60余篇，其中影響因子大于12的一區(qū)期刊論文16篇，論文已被SCI他引1200+次（Google引用2000+次），其中ESI高被引論文2篇；申請發(fā)明專利30余項（授權22項），出版英文專著2本。入選IEEE Transactions on Nanotechnology編委會任Associate Editor，任TRANSDUCERS 2019、IEEE NEMS 2017-2020技術委員會委員及分會主席。累計獲得中國電子學會優(yōu)秀博士學位論文等榮譽獎勵20余項。受邀擔任Nature Communications, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Nano Energy等多個國際重要學術期刊的審稿人。
轉(zhuǎn)載自：https://news.uestc.edu.cn/?n=UestcNews.Front.Document.ArticlePage&Id=77392 論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41378-020-0179-6 構建異質(zhì)結設備鏈接：無掩膜激光直寫光刻機 |
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