[发明专利]一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统及其制备方法，首先利用磁控溅射技术制备薄膜热电器件，通过对薄膜热电器件热端封装高导热率的导热复合材料，冷端引入水凝胶作为散热器，当薄膜热电器件贴附热源进行发电时，可实现与环境之间大温差的建立；通过激光雕刻技术控制有机高分子薄膜材料微结构尺寸，采用磁控溅射技术控制Ag/Ti导电薄膜的厚度进而调控导电薄膜材料的电阻，实现高灵敏低工作电流压力传感器的组装；最后将薄膜热电器件与压力传感器进行集成后，利用具有高输出电压(15.8mV)的柔性薄膜热电器件贴于人体皮肤进行发电，并供电压力传感器，得到自供电的压力传感系统，并可用于人体脉搏的实时监测。

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统及其制备方法。

背景技术

利用现代先进电子器件模仿人类皮肤功能的电子皮肤在仿生假肢、智能机器人以及物联网等领域具有广阔的应用前景。伴随着全球老龄化现象，电子皮肤有望为老年人及慢性病患者提供实时健康指标监控及远程诊断。然而普通电池对于电子皮肤的适用性、大面积贴合性以及安全性有较大限制。柔性、稳定、自驱动式电源成为智能电子皮肤进一步发展的关键。

柔性薄膜热电发电器件将体表散发的热能采集后转化为电能，为人工皮肤的电子微传感器实现持续自主的供电。该方案的优点在于人体体表各区域均可为热电薄膜发电器件提供热源，极大地提高了电子皮肤的使用范围，而不仅仅局限于有光照或四肢活动等区域。另一方面，相比于压电及摩擦类纳米发电元件，热电薄膜发电器件所产生的电信号是直流电，可满足大多数可穿戴的微型传感系统的供电需求。

然而，现有的热电发电元件多为块体无机材料类硬质器件或者引用金属散热器，其皮肤贴合度十分有限，既降低了用户舒适度，也难以有效地从人体体表吸收热量。为了增强热电器件的柔韧性，热电臂被固定在柔性电路板上或者在热电臂之间填充聚合物，但由于热电器件的输出功率不足，热电器件仍需升压器的辅助才能用于供电心电装置。薄膜热电器件具有体积小、重量轻、易与其它器件集成等优点，但是薄膜热电器件缺乏热设计导致捕获人体皮肤及环境温差发电量低，依然不能实际应用到微传感供电系统。因此发展柔性导热封装材料及柔性散热器，实现对皮肤热能的最大利用及高可靠性，获得高性能的温差电薄膜热电器件是自供电传感系统的关键。

目前研究表明，提高传感器的灵敏度的有效方法是调控传感器的表面微纳结构。虽然压力传感器的微纳结构调控问题已经引起了人们的关注，但是采用一种简便、低成本的方法制备高灵敏，快响应的基于体温供电的压力传感系统仍然面临着许多挑战。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统及其制备方法。本发明通过将新型柔性高导热材料封装在薄膜热电器件热端，引用相变材料水凝胶应用在薄膜热电器件冷端，获得基于体温发电的高稳定输出电压的柔性薄膜热电器件。本发明通过激光雕刻技术在铜模具上制备圆锥型微结构，结合磁控溅射技术沉积了高导电的银/钛薄膜，获得低工作电流和高灵敏度的压力传感器。本发明采用简便、低成本的磁控溅射法及激光雕刻技术制备了柔性薄膜热电器件及高灵敏的压力传感器，通过对热电器件进行集成热设计，将高输出的柔性薄膜热电器件贴于人体皮肤供电压力传感器，实现了柔性薄膜热电器件捕获人体皮肤与环境温差发电供电压力传感器用于人体脉搏的实时监测。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统的制备方法，包括如下步骤：

(1)热电器件的制备

将预处理后的衬底上依次沉积碲化铋薄膜、碲化锑薄膜和铜薄膜，制得薄膜器件；在所述薄膜器件的热端封装BN/PDMS复合物，在所述薄膜器件的正面除热端之外的区域封装PDMS，在所述薄膜器件的背面冷端封装水凝胶，制得所述热电器件；

(2)压力传感器的制备