Bobinas termoelétricas 3D como componentes ativos de sistemas flexíveis e deformáveis para coletar energia elétrica para tecnologias vestíveis. A) Ilustração esquemática de fabricação e montagem 3D. Materiais do tipo p e n de filme fino foram padronizados em formas de serpentina 2D e transferidos para uma camada de poliimida (PI) para formar os materiais ativos. As estruturas precursoras 2D foram completadas com junções de metal e um revestimento de superfície de PI padronizado por fotolitografia e corrosão. A ligação química de tais sistemas a substratos de silicone pré-estruturados em locais seletivos foi seguida por pré-estiramento para iniciar um processo de transformações geométricas para produzir a arquitetura 3D final. B) Imagens ópticas de bobinas termoelétricas 3D resultantes. A geometria da estrutura e substrato de elastômero combinados para fornecer robustez mecânica contra o manuseio e deformação mecânica. C) Uma matriz de 8 x 8 bobinas. A visualização ampliada mostra que a estrutura 3D é consistente com a geometria prevista pela FEA. O perfil colorido representa tensão na perna de silício. D) A matriz 8 x 8 pode ser fixada na pele do pulso e do tornozelo. Crédito da foto:Xiwei Shan, Laboratório UIUC, Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aau5849.
Dispositivos semicondutores miniaturizados com recursos de coleta de energia abriram o caminho para tecnologias e sensores vestíveis. Embora os sistemas termelétricos tenham características atrativas neste contexto, a capacidade de manter grandes diferenças de temperatura entre os terminais do dispositivo continua cada vez mais difícil de ser alcançada com tendências aceleradas na miniaturização do dispositivo. Como resultado, um grupo de cientistas em ciências aplicadas e engenharia desenvolveu e demonstrou uma proposta de uma solução arquitetônica para o problema em que materiais ativos de película fina projetados são integrados em formas tridimensionais (3-D) flexíveis.
A abordagem permitiu um casamento de impedância térmica eficiente, e o fluxo de calor multiplicado através da colheitadeira para aumentar a conversão de energia eficiente. No estudo conduzido por Kewang Nan e colegas, arranjos interconectados de bobinas termoelétricas 3-D foram construídos com fitas em microescala do silício monocristalino de material ativo para demonstrar os conceitos propostos. Medições quantitativas e simulações foram conduzidas depois disso para estabelecer os princípios operacionais básicos e as principais características do projeto da estratégia. Os resultados, agora publicado em Avanços da Ciência , sugeriu uma estratégia escalonável para implantar filmes finos termoelétricos duros em coletores de energia que podem se integrar de forma eficiente com sistemas de materiais macios, incluindo tecido humano, para desenvolver sensores vestíveis no futuro.
Dispositivos termoelétricos fornecem uma plataforma para incorporar gradientes térmicos onipresentes que geram energia elétrica. Para operar sensores vestíveis ou dispositivos da "Internet das coisas", o gradiente de temperatura entre o ambiente circundante e o corpo humano / objetos inanimados deve fornecer fontes de alimentação em pequena escala. Os avanços contínuos no campo enfocam a redução agressiva dos requisitos de energia para sistemas miniaturizados para aumentar seu potencial em aplicações termelétricas e de captação de energia. Processadores integrados e transmissores de rádio, por exemplo, podem operar com potência na faixa de subnanowatts, alguns exemplos recentes são impulsionados por meio da captação de energia baseada na luz ambiente e do potencial endococlear. Essas plataformas podem ser emparelhadas com sensores com potência semelhante para permitir distribuídas, monitoramento ambiental / bioquímico contínuo e remoto.
Dois desafios principais no desenvolvimento de colheitadeiras termoelétricas miniaturizadas incluem combinar a impedância térmica necessária e a conformidade mecânica dos materiais ativos para integração em sistemas biológicos. Um sistema bem desenvolvido para flexibilidade do dispositivo inclui a combinação de polímeros de filme fino com folhas de metal, como fios ou fitas. No estudo, Nan et al propõem e demonstram uma solução através do desenvolvimento de um sistema precursor bidimensional (2-D) no desenvolvimento de bobinas helicoidais tridimensionais funcionais. A natureza naturalmente flexível das bobinas permitiu que os sistemas se conformassem a superfícies biológicas complexas, mesmo aqueles dinâmicos com o tempo, para garantir excelente contato térmico com a fonte de calor. Além disso, a natureza 3-D do sistema proporcionou um aumento multifacetado na área de superfície para maior capacidade de troca de calor para produzir potência máxima.
A arquitetura da bobina termoelétrica helicoidal foi fabricada usando silício monocristalino como material ativo. O conjunto guiado mecanicamente gerou estruturas helicoidais 3-D a partir de serpentinas 2-D por meio de flambagem compressiva. As serpentinas incorporaram fitas de silício com segmentos do tipo p e n, e o sistema foi encapsulado na parte superior e inferior com revestimentos de polímero. A arquitetura permitiu a transformação do sistema de 2-D para 3-D durante a implantação e uso. Embora fortemente dopado com silício, as bobinas 3-D foram capazes de fornecer níveis notáveis de conformidade mecânica e robustez durante o manuseio e aplicações de dobra. A montagem não se desviou significativamente da geometria prevista usando a análise de elemento finito (FEA). Essas características do material tornaram o sistema bem adequado para formar interfaces térmicas íntimas com o corpo humano, como o pulso ou tornozelos.
Deformabilidade mecânica e durabilidade de colheitadeiras termoelétricas 3D. A) distribuições simuladas de deformação na perna termoelétrica de silício antes e depois do alongamento uniaxial no plano em 60 por cento. Os resultados indicaram reduções na tensão no alongamento, conforme esperado, com base na flambagem por compressão usada para formar estruturas 3D. B) Resultados de testes experimentais de durabilidade envolvendo múltiplos ciclos de alongamento uniaxial e liberação em uma estrutura de bobina. Os dados indicaram apenas um pequeno aumento na resistência elétrica. C) Imagens ópticas (superior) e estruturas simuladas (inferior) após o alongamento no plano. D) Valores simulados da deformação local máxima. Uma compressão máxima de 26 por cento é possível antes de atingir a tensão de fratura do silício - o fator limitante do sistema. A inserção mostra a estrutura deformada após a compressão e inclui um mapa de distribuição de deformação da perna de silício ao lado do ponto de fratura. E) Medidas experimentais da resistência do dispositivo à compressão vertical. Com uma compressão de 40 por cento, o dispositivo apresentou comportamento em circuito aberto devido à fratura do silício. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aau5849.
Para melhorar as propriedades mecânicas e térmicas das bobinas 3-D, os cientistas usaram o software FEA para otimização guiada computacionalmente do dispositivo resultante. Em princípio, a arquitetura 3-D do dispositivo foi vantajosa para uma colheita eficaz. Portanto, por design, o sistema de bobina helicoidal 3-D incluiu uma geometria afilada que aumentou em largura em direção ao topo conforme projetada usando FEA para otimizar as respostas térmicas e mecânicas. O esquema de design no estudo foi aprimorado especificamente para a colheita em dispositivos em miniatura. A capacidade de resfriamento aumentada do projeto do dispositivo teve maiores benefícios para contrastar quaisquer perdas devido ao fluxo de calor parasita no sistema.
Nan et al, também realizou testes de conformidade mecânica nos dispositivos para entender sua capacidade de suportar flexões substanciais, alongamento no plano e compressão fora do plano, como em relatórios anteriores. As estruturas 3-D podem ser alongadas em até 60 por cento na direção no plano por cem ciclos e verticalmente comprimidas em até 30 por cento, com degradação mínima nas propriedades elétricas. Os dispositivos mostraram conformidade mecânica excepcional, conforme previsto pela FEA. O alongamento uniaxial em 200 ciclos não resultou em falha elétrica ou mecânica. A bobina 3-D mostrou resiliência com potencial para integração interfacial em dispositivos em miniatura.
Coleta de energia com bobinas termelétricas e um roteiro para aumento de energia. A) Ilustração esquemática das condições de medição testando o desempenho dos dispositivos de colheita. B) Características de saída de potência medida mostrando uma potência máxima de 2 nW. C) Saída de potência projetada obtida pelo uso de materiais termoelétricos conhecidos com figura-dos-materiais termoelétricos zT maior que a do Si. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aau5849.
As projeções de saída de energia dos dispositivos de colheita também foram caracterizadas para mostrar resultados consistentes alinhados com as expectativas do projeto. A tensão de circuito aberto do dispositivo não diminuiu ao longo do tempo nas medições que indicam que o perfil térmico do dispositivo estava em um estado estável. No estudo, os autores geraram um roteiro para o aumento de energia e um esquema de fabricação para projetar dispositivos de coleta de energia com materiais diferentes do silício - incluindo variantes orgânicas.
Os autores recomendam pesquisas adicionais sobre métodos de deposição, dopagem e padronização para materiais orgânicos e compostos. Os materiais não devem sucumbir à resistência elétrica durante a transformação mecânica de 2-D para 3-D. Com o silício usado no estudo, um aumento de três vezes na resistência foi observado durante a transformação, potencialmente devido ao contato do eletrodo, degradação do dispositivo ou deformação plástica em algumas partes do dispositivo. O estudo representa uma estratégia promissora para integrar materiais de película fina em colheitadeiras com sistemas de materiais macios (incluindo pele humana) para realizar dispositivos eletrônicos portáteis energeticamente otimizados no futuro.
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