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Sensors and Actuators A313（2020）112199
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Sensors and Actuators A: Physical
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管式热电发电机的优化结构的使用
n型Bi2Te3和p型Sb2Te3在柔性基材上获取能量的薄膜
小林秋弘a，藤田a，田中三郎b，高井正幸a，lowast;
a日本神奈川平冢市东海大学材料科学系259-1292
b日本鸟山，日本大学工程学院机械工程系，中田原1号，福岛963-8642
文章 摘要
文章的历史记录：
2020年4月16日收到
收到修订表格2020年6月20日接受2020年7月6 日
2020年7月11日在线发售
关键词：
管状薄膜热电发电机柔性薄膜计算流体动力学开路电压最 大输出功率
作为物联网传感器的一种电源供应手段，热电电能采集引起了相当大的兴趣。在本研究中，利用柔性热电薄膜开发了管状薄膜热电发电机(TTTEGs)。带形n型Bi2Te3和p型Sb2Te3利用射频磁控溅射在聚酰亚胺片上沉积薄膜，然后进行热退火。在形成金属电极以连接p-n对后，柔性薄膜发生器被滚动并放置在一个塑料管中。假设TTTEGs部分浸入热水中，利用计算流体动力学计算了TTTEGs中的温度分布。计算表明，在水面附近发生了陡峭的温度梯度，在实验测量中也观察到。因此，我们制备了不同膜长度为16-36mm的TTTEG，而管的膜宽度和半径分别保持在2mm和7.5mm。薄膜长度为16mm的TTTEGs表现出最高的热电性能，即开路电压为122.9mV，最大输出功率为306.8nW。这一趋势的发生是由于薄膜TTTEG 有效地利用了陡峭的温度梯度，并具有较小的电路电阻。
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产品简介
对于利用物联网（物联网）技术改进无线传感器网络，物联网传感器的操作特性和使用寿命，包括无线传感器节点和通信电路，是非常重要的[1-3]。物联网传感器预计将在许多地方使用， 包括室内和室外区域[4-7]。对于山区和森林等户外地区，很难为传感器提供电力，因为电网不可用，而且建造电力线路也很昂贵。此外，电池必须定期更换，这是劳动密集型的。因此，非常需要使用能源收集的电源。
能量收集是指将环境中的环境能量转化为电能。它与小规模可再生能源发电相同，具有典型的功率顺序
lowast; 通讯作者。
电子邮件地址：takashiri@tokai-u.jp（高井先生）。
微量的[8]或毫瓦的[8]。环境能源，包括阳光、振动和热能。在能源中，热能是最有前途的，因为它随处存在，可以使用热电发电机[12-14]转换为电能。
使用热电发电机作为物联网传感器的电源，不需要高输出功率，但小、灵活和低制造成本非常重要[15-17]。这是因为小型和灵活的发电机可以安装在不同的位置，如狭窄的空间和弯曲的表面。此外，发电机的低制造成本导致了物联网传感器的传播，因为在许多地方必须安装大量带有发电机的传感器，[18]。
利用薄膜热电发电机的优点，可以满足对物联网传感器的需求。然而，薄膜热电发电机的缺点是很难在跨平面方向上产生温差，而这是通过批量热电发电机相对容易实现的。因此，各种结构已经是
https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112199
0924-4247/copy;2020爱思唯尔股份有限公司保留所有权利。
图中示。1.TTTEG系统的示意图。
被设计用来诱导平面内方向上的温差。薄膜热电发电机的一个典型结构是，多对n型和p型带状薄膜沉积在基板上，薄膜与金属电极串联[29-31]。黑崎等人。在一个独立的Si上沉积了pandn型热电薄膜3N4 硅晶片[32]上的薄膜。岩藤川等人。制造柔性薄膜热电发电机与波浪结构[33]。
在柔性薄膜热电发电机的平面方向上引起温差的有利结构之一是管状热电发电机。这种薄膜发生器被沉积在一个柔性基板上， 它被滚动并放置在一个管状容器中。通过将管状容器部分地插入到热源中，如土壤或热水中，可以在发电机的两端之间产生温差，并可以产生电能。这种形状的发电机适用于物联网传感器的供电；因此，有必要最优地设计发电机的结构，以有效地产生电力。
在本研究中，n型Bi2Te3和p型Sb2Te3利用射频(RF)磁控溅射在聚酰亚胺片上沉积薄膜。Bi2Te3和Sb2Te3薄膜是最适用于物联网技术的热电材料，因为它们在300K[34-36]附近具有最好的热电性能。为了确定薄膜的最佳尺寸，利用计算流体动力学(CFD)计算了一半的发电机被加热时的温度分布。经过计算，制造了管状薄膜热电发电机(TTTEGs)。图中示。1显示了TTTEG系统的示意图。测量了TTTEGs在温度变化下部分浸泡在热水中时的热电性能。
实验性的
在制造TTTEGs之前，n型Bi2Te3的热电特性和p型Sb2Te3薄膜都是
表1
n型Bi的热电特性2 Te3 和p型Sb2 Te3 薄膜通过射频磁控溅射电定，然后是热退火。
|
膜型 |
a平方/平方 |
S[micro;V/K] |
P.F.[micro;W/（厘 |
|
N型Bi2 Te3 |
厘米 219.7 |
–145.8 |
米·K）2 )] 4.7 |
|
P型Sb2 Te3 |
585.0 |
121.0 |
8.6 |
已被调查。这些薄膜沉积在面积为20 30 mm的聚酰亚胺片上2 使用射频磁控溅射（TOKtimes;UDA，CFS-8），厚度为125micro;m（CFS-8EP）。我们使用聚酰亚胺片作为基底，因为它具有优异的灵活性和低导热
性[0.16W/(mK)]。在我们之前的报告中详细描述了沉积过程， [37,38]。简单地说，高纯度（99.9%）的靶点·32Te68 和Sb40Te60 （使用了化学制品有限公司）。我们证实了这两种薄膜的原子组成几乎与化学计量比例[22]相匹配。目标尺寸直径为127mm，目标尺寸与基板之间的距离设置为140mm。溅射沉积以1Pa（99.995%）高纯
度（99.995%）氩气体和200W的射频功率进行。溅射沉积期间基底未加热。使用轮廓仪（Bruker、DektakXT）测量薄膜厚度，并确定约为1.5micro;m。
为了提高薄膜的热电性能，在电炉[39,40]中进行了热退火。一种混合气体（Ar：95% H2在大气中填充
当然是在炉子里做的。这些样品在250度时进行了热退火◦C
对于60min。退火后，样品在炉中自然冷却，直到温度为lt;70◦C. 利用四点探针方法(Napson，RT-70V)测量了300K附近薄膜的
平面内电阻，精度为3%。利用自制设备测量了约300K处薄膜的平面内塞plusmn;贝克系数S，精度为5%。塞贝克系数测量示意图见附
图。 1.薄膜的一端连接到散热器，另一端连接到加热器。两个直径为0.1mm的k型plusmn;热电偶被压在薄膜的中心上，薄膜之间的
距离为13mm。热电偶之间的温差从1K到4K，间隔1K记录热电电压（温度读取器：键；GR-3500和数字万用表：先进测试， R6561）。利用线性近似，根据V-K斜率估计了塞贝克系数。我们对每个样本测量了四次塞贝克系数，并计算出了平均值。平面内功率因数aS2用实验测量的电导率和塞贝克系数进行计算。
-
研究结果和讨论
- n型Bi2Te3和P型Sb2Te3热电薄膜性能
表1给出了n型Bi的平面内热电特性2Te3和p型Sb2Te3薄膜。n型薄膜的电导率为219.7S/cm，塞贝克系数为-145.8micro;V/K，功率因数为4.7micro;W/(cmK2).p 型薄膜的电导率为585.0S/cm ， 塞贝克系数为
119.8micro;V/K，功率因数为8.6micro;W/(cmK2)。根据实验结果，我· 们制作了TTTEGs。
·
图中示。2.聚乙烯管的分析模型及分析领域。
TTTEGs中温度分布的计算建模
为了确定TTTEG的最优结构，我们利用基于计算流体力学的三
表2
气体和材料的性能。
气体（空气） 类型
|
维模型计算了一半TTTEG浸没在热水中时TTTEG的温度分布。在我 |
价值膨胀系数 |
0.003411 |
|
|
们之前的报告[41]中详细描述了该计算方法。简而言之，利用商 |
密度[kg/m]3 ] |
1.206 |
940 |
|
业计算流体力计算学代码(SCRYU/TetraV14)的有限体积方法对具 |
温度[oC] |
22 |
|
|
有非结构化网格的稳态三维模型进行了计算。图中示。2提供了用 |
粘度系数 |
1.83 times; 10minus;5 |
|
|
于计算的TTTEG系统的示意图。理想情况下，该热发电机应置于聚 |
比热容量[J/(kg·K)] |
1007 |
2300 |
乙烯(PE)管中。然而，为了简化模型，只估计了PE管的温度分布，没有薄膜热电发电机，因为体积(4.6厘米3）和PE管的热容量
（8.7J/K）明显大于薄膜热电发电机（体积：0.33-0.66cm3 且热容量：0.5-1.0J/K）。计算未考虑表面张力引起的PE表面附近水面上升。PE管和空气大气模型中的传热和传质都是由一个考虑质量、动量和能量守恒的三维模型控制的。将湍流模型用作可压缩流体的标准k-ε模型。A区（墙顶）和B区（墙侧）的边界条件为自然流入和流出。C区（壁底）的温度恒定（35、45、55、65、74 和80）◦C).表2显示了计算中所用的气体和材料的物理性质。
计算出的PE管在不同水温下表面的温度分布如图所示。 3.当水温升高时，温度梯度就很明显了
热性的 电导率 [W/(m·K)] 0.0256 0.46
在PE表面上观察到的。为了深入了解PE管表面的温度分布，根据图进行了图形分析。3.PE表面温度与高度之间的关系如图所示。4. 在靠近水面的地方观察到一个更大的温度梯度，并且这个梯度随着离水面距离的增加而减小。这一趋势在所有的水温下都被观察到，但在较高的水温下更为明显。
为了验证计算结果，我们使用热照相相机(Avio，热镜头F30) 实验测量了温度分布。在这里，调整了实验设置，以尽可能接近计算条件，除了薄膜发生器被放置在PE中。图中示。5(a)显示了一张实验装置的照片，其中TTTEG被浸没在一个装有热水的烧杯中。图中示。5(b)显示了与图对应的热学图像。5(a)。用热照相相机测量的最高和最低温度为74.5
和23.9◦C，这相当于计算结果。偶数值
虽然由于表面张力的影响，低温区域（绿色部分）略有向下移动，但在水面附近可以清楚地观察到一个陡峭的温度梯度。因此，
图中示。3.不同水温下PE管表面的温度分布。
该系统中温度分布的计算模型与实际温度分布非常吻合。
这些计算结果对确定TTTEG
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