《Energy Conversion and Management-X》：A flexible, self-powered, wearable temperature-monitoring system enabled by thermoelectric energy harvesting
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本研究开发了一种柔性、由体热供电的可穿戴温度监测系统，该系统集成了柔性热电发电机（TEG）、柔性电源管理单元（PMU）/印刷电路板（PCB）平台、储能单元、低功耗无线传感模块以及基于智能手机的数据显示界面。系统由四个主要部分组成：TEG能量收集器、带储能的PM
本研究开发了一种柔性、由体热供电的可穿戴温度监测系统，该系统集成了柔性热电发电机（TEG）、柔性电源管理单元（PMU）/印刷电路板（PCB）平台、储能单元、低功耗无线传感模块以及基于智能手机的数据显示界面。系统由四个主要部分组成：TEG能量收集器、带储能的PMU、无线温度传感子系统以及智能手机接口。TEG将人体与周围环境之间的温度梯度转换为电能，采集的能量经PMU升压和调节后存储于电容器或超级电容器中。当存储足够能量后，温度传感子系统被激活，微控制器采集温度信号并通过兼容低功耗蓝牙（BLE）的收发器无线传输至智能手机应用程序。该平台采用逐步验证策略开发：首先使用商用刚性碲化铋TEG和原型PMU电路验证能量收集、储能和无线温度传输；随后利用刚性PCB小型化电路；接着转移至柔性PCB以提高机械顺应性；最终将柔性PCB与柔性TEG集成获得全柔性自供电可穿戴系统。柔性TEG由70对p–n热电偶组成，尺寸为60 mm × 35 mm × 3.7 mm，有效活性面积为34 mm × 24 mm，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装。在ΔT = 13.1 °C条件下，柔性TEG无需散热器即可输出最大功率332.8 μW（功率密度40.78 μW cm?2），经1000次弯曲循环后仍保留超过90%的初始最大输出功率。通过比较不同电容值的电容器和超级电容器，选用10 mF超级电容器作为储能单元，在充电时间、有效运行时长和传感频率之间实现最佳平衡。系统在3.3–1.9 V工作窗口内实现可重复的充电–放电–再充电循环，每次有效运行约14 s，再充电间隔约10 min，仅由人体体热供电即可实现间歇性局部皮肤温度监测。该研究证明了系统级集成与优化对于实现可穿戴格式下可靠自供电运行的重要性，为柔性能量收集器与低功耗电子及无线通信的结合提供了实用框架。
研究背景：可穿戴电子设备正成为下一代医疗保健、人机交互和分布式物联网（IoT）网络的重要技术。此类设备可直接佩戴于人体或集成于衣物中，通常包含传感器、处理器和无线通信模块，在医疗保健领域可支持对身体活动、心率、血压、睡眠模式和体温等生理信号的连续个性化监测。然而，功能增加导致功耗需求上升，同时可穿戴设备须保持紧凑轻便以保证长期佩戴舒适性，这限制了电源的尺寸和容量。小型锂离子或锂聚合物电池需定期充电，成为可穿戴电子的主要限制之一。在医疗监测中，设备移除可能中断数据采集，这一问题尤为突出。上述挑战推动了自供电可穿戴电子能量收集策略的发展。
存在问题与研究方向：人体可提供热、机械和化学能量。机械能收集（如压电或摩擦纳米发电机）的输出强烈依赖用户活动；而热能可从人体持续获取，通过置于皮肤与周围环境之间的TEG进行收集。TEG为无运动部件的固态器件，在可靠性、静音运行和长期稳定性方面具有优势。典型能量收集可穿戴系统由能量收集器、电源管理单元（PMU）和储能器件组成。TEG输出通常较低且随体温、环境温度、器件位置和热接触变化而波动，需PMU升压调节。对于产生直流电压的TEG，PMU通常依赖DC–DC升压转换器。LTC3108可在低至20 mV输入下工作，较需0.8 V启动电压的MAX1723更适合可穿戴TEG系统。储能器件选择决定充电时间、可用运行时间、器件尺寸和传感频率之间的权衡，超级电容器因兼具较高功率密度和快速充放电特性而尤具吸引力。无线通信方面，BLE因低功耗、智能手机兼容性和足够数据速率而特别适合可穿戴医疗设备。
研究内容与结论：本研究开发了一种柔性、体热供电的可穿戴温度监测系统，集成柔性TEG、柔性PMU/PCB平台、储能单元、低功耗无线传感模块和智能手机数据显示。研究的主要贡献在于完整柔性能量收集–传感通路的实验实现与定量优化。通过比较不同储能电容、优化BLE兼容传输参数（250 kbps）、将电子器件从刚性原型逐步小型化至柔性PCB，并将最终柔性PCB与PDMS封装柔性TEG集成，系统将μW级热电输出转化为间歇性mW级主动运行以进行无线温度传输。系统级优化确定10 mF超级电容器和250 kbps BLE数据速率为有效运行配置，在充电时间、有效运行时长和传感频率之间提供实用平衡。最终器件在再充电间隔10 min下实现约14 s的周期性温度传输。PDMS封装柔性TEG含70对p–n热电偶，在反复弯曲下表现出稳定电性能，在ΔT = 13.1 °C下输出最大功率332.8 μW（40.78 μW cm?2）。该工作证明了系统级集成与优化对于实现可穿戴格式下可靠自供电运行的重要性，为柔性能量收集器与低功耗电子及无线通信的结合提供了实用框架，并为自供电可穿戴传感系统和分布式IoT设备提供了可行路径。
关键技术方法：采用商用刚性Bi–Te TEG进行初步系统验证；通过模板排列n型和p型Bi–Te热电腿、PDMS封装（10:1重量比，80 °C固化2 h）、银浆互连（120 °C固化1 h）制备全封装柔性TEG；使用Peltier模块在陶瓷夹具中产生受控温度梯度，K型热电偶配合多通道数字温度计监测冷热侧温度，Keithley DMM6500测量开路电压，可变电阻负载测量负载相关输出；选用LTC3108 DC–DC升压转换器作为PMU核心；比较330–1980 μF电容器与10–47 mF超级电容器的充电时间、运行时间和再充电时间；采用TMP36温度传感器、ATtiny85微控制器和nRF24L01 BLE兼容收发器构建无线传感子系统；电子平台经面包板/条板原型、刚性PCB V1（19.46 cm2）、刚性PCB V2（9.79 cm2）逐步过渡至柔性PCB（13.86 cm2）；在人体手臂上进行在体测试，环境温度约16 °C、相对湿度约65%。
研究结果：
柔性TEG性能与功率输出：柔性TEG含70对p–n热电偶，尺寸60 mm × 35 mm × 3.7 mm，有效活性面积34 mm × 24 mm。弯曲半径20–40 mm仅引起微小相对电阻变化；1000次弯曲循环（半径30 mm）后电阻保持稳定。ΔT≈13 °C下开路电压仅从约177 mV降至169 mV（降低约4.5%），最大输出功率从约332 μW降至303 μW（降低约8.7%），保留超过90%初始最大输出功率。ΔT = 13.1 °C时最大功率达332.8 μW（40.78 μW cm?2），无需散热器。理论开路电压365.9 mV与实测177.8 mV的差异主要归因于热电腿有效ΔT降低、界面热阻、电接触电阻及PDMS基质热损失。
储能优化与运行循环行为：PMU对所有测试储能器件均成功调节输出至3.3 V。330、660、990 μF电容器分别于37、73、117 s充至3.3 V；10、22、47 mF超级电容器分别于26、54、98 min充至3.3 V。1320 μF及以下电容器无法维持足够长运行以建立稳定无线传输；1650和1980 μF电容器仅供电2.76和3.14 s；10、22、47 mF超级电容器分别延长有效运行至14、31、52 s。可用能量分别为6.0、7.2、36.4、80.1、171.1 mJ。10 mF超级电容器在有效运行时间与再充电时间之间提供最佳平衡，被选用于最终可穿戴器件。
刚性与柔性PCB平台在体运行：刚性PCB V1和V2有效运行时间分别约15 s和14 s；PCB V2将再充电时间从14.7 min降至11.46 min（降低22%），归因于更紧凑布局和更多表面贴装元件。柔性PCB（配合刚性TEG）有效运行约14 s，再充电时间降至约10 min。所有在体测试中充电与主动传感/传输模式间转换通过单刀双掷（SPDT）开关手动控制，系统为半自主自供电系统。
全柔性自供电可穿戴温度监测系统：柔性TEG与柔性PCB集成器件佩戴于前臂，在环境温度约16 °C、相对湿度约65%的室内无强制气流条件下运行。热侧温度约31 °C，冷侧约24.8 °C，表面间温差约6.2 °C。冷侧温度高于环境温度系PDMS低热导率限制散热所致。器件在3.3–1.9 V窗口内表现可重复充电、主动放电和再充电行为，每次主动期约14 s无线传输温度数据，再充电间隔约10 min。智能手机应用显示环境温度16 °C下局部皮肤表面温度约31 °C。本140腿柔性TEG在ΔT = 13.1 °C下输出332.8 μW，高于若干报道的柔性Bi–Te TEG在可比温差下的输出（如14 K下224 μW、15.1 K下74.5 μW），与480腿TEG在15.2 K下320 μW相当。
讨论与结论：本研究通过将TEG、PMU、储能器件和低功耗无线传感模块集成于统一平台，开发了自供电可穿戴温度监测系统。系统收集体热并转换为电能，存储后间歇用于供电温度传感和无线数据传输至智能手机。系统级优化确定10 mF超级电容器和250 kbps BLE数据速率为有效运行配置，在充电时间、有效运行时长和传感频率间提供实用平衡。器件架构从原型和刚性PCB平台逐步转化为柔性PCB，降低再充电时间并提高能量利用效率，同时保持一致的传感性能。PDMS封装柔性TEG含70对p–n热电偶，在反复弯曲下电性能稳定，ΔT = 13.1 °C下输出最大功率332.8 μW（40.78 μW cm?2）。柔性TEG与柔性PCB集成获得全柔性自供电可穿戴系统，无需外部电源即可收集体热并执行周期性无线温度监测。尽管各组件基于成熟技术，本工作证明了系统级集成与优化对于实现可穿戴格式下可靠自供电运行的重要性。未来通过改进柔性热电材料和器件架构可提升小温差下功率密度；减少PMU寄生损耗和改进能量管理策略对提高系统效率和实现更高传感频率及连续运行至关重要；未来工作应聚焦通过自动功率状态控制消除手动切换，如电压监测电路或负载开关在超级电容器达到所需电压时激活传感子系统并在数据传输后断开，微控制器在充电期间保持深度睡眠模式仅在存储能量足够时唤醒，以实现完全自主传感循环。系统架构可扩展至多模态传感，包括运动、压力或生化标志物等生理信号。
