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学院张晓升教授课题组在智能可穿戴电子领域取得重要进展

作者:文:文丹良 图:文丹良 亚游官网:2020-09-10 来源:电子学院

近日,学院张晓升教授课题组在Nature旗下重要学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》上发表题为“Wearable Multi-Sensing Double-Chain Thermoelectric Generator”的论文。该工作研发了一种新颖的双链热电偶结构,使热能采集器集成容性传感功能,如液态水分子检测、温度检测。电子学院博士生文丹良和博士生邓海涛为论文共同第一作者,张晓升教授为论文通讯作者,电子科技大学为唯一作者单位。

  传感技术特别是穿戴式传感技术作为连接物理世界和数字世界的桥梁,在促进物联网和人工智能的发展中发挥着重要作用。然而,一些存在的问题使得穿戴式智能设备迎来了发展的瓶颈,其中最为关键的就是有限的电池寿命、电池带来的环境污染和低集成度带来的体积厚重等。近年来,新型微纳能源采集技术通过从人体或者环境采集能量转换为电能为穿戴式电子设备供电,而吸引了大量研究人员的关注,例如用于热能收集的热电器件、用于机械能采集的摩擦电器件和压电器件,以及用于太阳能转化的光电池等。其中,热电微纳能源器件能够实现持续直流输出,且具有微小型化、轻薄化和柔性可穿戴的特性,可从人体不断采集热量转化为电能输出,因此,热电器件具有独特的优势,被认为是穿戴式智能设备供能方案最有希望的候选之一。然而,传统的单链热电微能源仅可实现热能采集功能,无法与多种传感功能一起实现自集成,因而不利于穿戴式智能设备的轻薄化和集成化发展。

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“供能+功能”智能复合集成的穿戴式双链热电微能源器件

  针对上述问题,研究人员提出了一种新颖的双链热电偶结构,使热电微能源器件(DC-ThEG)保证热电采集性能的同时集成了多种容性传感功能。在这项工作中,一种成熟的工业级平面印制工艺——丝网印刷技术被引入来印刷油墨状的n型热电材料(Bi2Te2.7Se0.3)和p型热电材料(Sb2Te3),到柔性聚合物(聚酰亚胺)基底上形成具有双链结构的热电偶链,然后通过采用介电材料(如蚕丝蛋白)填充双链结构的间隙形成功能传感层。实验结果证明,这种双链热电发电机可以提供可靠的能源供给(DT =50 ℃时,Vout=151 mV),并且具有优异的机械稳定性和电学输出稳定性。另外,得益于蚕丝蛋白优异的温度依赖介电特性和独特的水分子选择性,这种双链热电器件还实现了温度传感和空气中液态水分子传感功能。研究团队通过实验证明了热电采集功能和多传感功能在可穿戴条件下可以共存。最后,作为极具吸引力的潜在应用,这种双链热电器件通过串并联转换电路实现了3.3 V的通用电源输出接口,并且实现了通过采集人体热能驱动商用计算器的应用原型验证。与传统的热电微能源器件相比,该工作集成了优异的持续热电输出和多种传感功能,因而具有极大潜力实际应用于可穿戴智能设备领域。

  亚游官网微波电路与微系统集成团队长期从事智能集成微系统方向的研究工作,承担及参与国家级省部级科研项目30余项,在智能微纳电子系统、射频微波集成微系统等重要方向上取得了一系列研究成果。团队负责人张晓升教授是校“百人计划”入选者、博士生导师。主要研究领域为微电子机械系统(MEMS),在智能电路与集成微系统、面向物联网的穿戴式电子器件、微纳能源采集技术等多个重要前沿方向上开展了深入的研究工作,取得了一系列成果。近五年来,在国际重要学术刊物上共发表论文60余篇,其中影响因子大于12的一区期刊论文16篇,论文已被SCI他引1200+次(Google引用2000+次),其中ESI高被引论文2篇;申请发明专利30余项(授权22项),出版英文专著2本。入选IEEE Transactions on Nanotechnology编委会任Associate Editor,任TRANSDUCERS 2019、IEEE NEMS 2017-2020技术委员会委员及分会主席。累计获得中国电子学会优秀博士学位论文等荣誉奖励20余项。受邀担任Nature Communications, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Nano Energy等多个国际重要学术期刊的审稿人。


  论文链接:

  https://www.nature.com/articles/s41378-020-0179-6


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