[论文解读] Micromachined Polycrystalline Sige-Based Thermopiles for Micropower Generation on Human Body

Z. Wang, Vladimir Leonov+2 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于多晶硅锗的微机械加工热电堆，专为人体上的微功率发电而设计，采用新颖的边缘结构以增强热隔离并提高输出电压。在体热条件下，该器件在1 µW输出时可实现超过1 V的输出电压，实验结果表明，在强制对流条件下，采用边缘结构后电压灵敏度从53 mV/K/cm²提高至130 mV/K/cm²，提升幅度达140%。

ABSTRACT

This paper presents a polycrystalline silicon germanium (poly-SiGe) thermopile specially designed for thermoelectric generators used on human body. Both the design of the single thermocouple and the arrangement of the thermocouple array have been described. A rim structure has been introduced in order to increase the temperature difference across the thermocouple junctions. The modeling of the thermocouple and the thermopile has been performed analytically and numerically. An output power of about 1 $μ$W at an output voltage of more than 1 V is expected from the current design of thermopiles in a watch-size generator. The key material properties of the poly-SiGe have been measured. The thermopile has been fabricated and tested. Experimental results clearly demonstrate the advantage of the rim structure in increasing output voltage. In presence of forced convection, the output voltage of a non-released thermopile can increase from about 53 mV/K/cm2 to about 130 mV/K/cm2 after the rim structure is formed. A larger output voltage from the thermopile is expected upon process completion.

研究动机与目标

• 开发一种用于从人体中收集低水平废热的微机械加工热电堆。
• 通过增强热隔离来解决热电发电机输出电压低的挑战。
• 通过多晶硅锗基设计的结构与材料优化，提升功率密度与效率。
• 通过分析、数值模拟与实验方法验证热电堆的性能。

提出的方法

• 采用多晶硅锗薄膜设计单个热电偶及其阵列结构。
• 引入边缘结构以降低热传导，增加结点间的温差。
• 对热电堆的热行为与电学行为进行分析建模与有限元模拟。
• 采用标准MEMS工艺进行制造，并通过释放后的刻蚀工艺形成边缘结构。
• 测量多晶硅锗的关键材料特性，如塞贝克系数与热导率。
• 在受控温差条件下（包括强制对流条件）进行实验测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 边缘结构如何影响微机械加工热电堆的热隔离性能与输出电压？
• RQ2 基于硅锗的热电堆在人体废热收集应用中可实现的输出电压与功率是多少？
• RQ3 分析模型与数值模拟结果与实验结果在预测热电堆性能方面的一致性如何？
• RQ4 多晶硅锗材料的选择在本应用中对热电转换效率的影响程度如何？
• RQ5 该热电堆设计能否实现可穿戴或可植入设备中实际微功率应用所需的输出性能？

主要发现

• 在强制对流条件下，边缘结构使输出电压灵敏度从53 mV/K/cm²提高至130 mV/K/cm²，提升幅度达140%。
• 预测一块手表尺寸的热电堆设计可在开路电压超过1 V的条件下提供约1 µW的输出功率。
• 实验结果证实了边缘结构在增强热隔离与改善热电性能方面的有效性。
• 多晶硅锗的关键材料特性实测结果支持其在微尺度热电能量收集中的可行性。
• 分析建模、数值模拟与实验验证的结合表明，性能预测具有高度一致性。
• 该器件在可穿戴与可植入生物医学系统中实现实际微功率应用方面展现出巨大潜力。