一种基于柔性热电技术的自供电可穿戴多模态健康监测手环的研究进展

本文开发了自供电健康监测手环，优化热电材料与电路，实现多生理信号稳定监测。

　　### 引言
在可穿戴设备领域，实现实时健康监测和非侵入性医疗诊断是重要研究方向，而消除对额外电源的依赖，从人体或环境中收集能量成为关键。热电发电机（TEGs）因能从人体稳定的体热中捕获能量，成为有潜力的能量收集候选者。然而，智能可穿戴设备功能集成和智能化发展，对电源功率要求不断提高，柔性热电发电机（FTEGs）的低输出功率和效率成为其在可穿戴场景应用的阻碍，这与热电材料的品质因数（zT）以及 FTEG 热端和冷端的温差密切相关。

Bi₂Te₃基热电材料在低温范围内具有较高功率因数和转换效率，通过掺杂和抑制反位缺陷可进一步提升性能。此外，提高 FTEGs 的功率密度、优化能量收集效率、降低能量转换过程中的损失，以及设计低自启动电压和高转换效率的能量收集电路，对增强智能可穿戴设备的供电能力至关重要。

结果

集成 FTEG、EMS 和 HMS 的生理信号监测手环

该手环基于柔性印刷电路板（FPCB），由 FTEG、能量管理系统（EMS）和健康监测系统（HMS）三个子系统组成。FPCB 为手环提供了更大的灵活性，能贴合皮肤，减少气隙热阻，提高功率密度。由于人体运动状态和环境条件多变，FTEG 输出电压波动大且范围在 5 - 500mV 之间，而商业健康传感器工作电压通常在 1.6 - 5V，因此设计高效的能量管理电路对自供电系统的持续可靠运行至关重要。本研究设计了基于商业 LTC3108 和 ADP5091 的能量管理电路，实现了高效升压和整流，该电路比商业芯片和已报道方案更高效，能为 HMS 提供稳定电压，持续监测多种生理指标，并通过蓝牙低功耗（BLE）将数据发送到智能手机。

热电材料的优化与表征

室温下热电性能对可穿戴自供电设备的高效稳定输出至关重要。研究采用共掺杂 Ga、过量 Te 和过量 Cu 的协同策略，实现了过饱和纳米结构和抑制反位缺陷，同时改善了 300K 左右的电学和热学传输性能。XRD 图案表明获得的材料为单相，EPMA 结果显示了 Ga 元素的存在。Ga 掺杂降低了热导率κ和晶格热导率κ_L，过量 Te 抑制了反位缺陷，提高了功率因数（PF），通过调整 Cu 掺杂浓度平衡了PF与κ，最终使zT值从 0.95 提高到 1.2。STEM 分析发现，Ga 掺杂导致材料中出现高密度纳米点，这些纳米点富含 Ga 元素，周围应变波动强烈散射了热载声子，降低了κ_L。

FTEG 的设计与优化

制备了基于 p 型 Bi_0.5Sb_1.469Ga_0.03Cu_0.002Te_3.1575和 n 型 Bi₂Te_2.7Se_0.3 + 0.05% wt % SbI₃的 18 对 TE 模块。3D 有限元分析（FEA）表明，TE 腿高度对功率密度和转换效率的影响存在矛盾，综合考虑，TE 腿高度在 1.6mm 左右时，功率密度和转换效率的平均归一化匹配指数较大。实验测得，腿高为 1.6mm 的柔性 TE 模块在热端温度为 200°C 时，最大转换效率为 5.3%，输出功率为 0.65W。为增强温差，优化了 FTEG 结构，该结构可靠性高，在弯曲疲劳测试中内阻变化小于 0.2%。在不同环境温度下测量手腕佩戴时的功率密度，结果高于以往报道。

EMS 的设计与优化

FTEGs 的输出功率和开路电压随运动状态波动，对低输入电压和低自启动电压的高效能量收集电路提出了高要求。商业 LTC3108 可自启动并升压低至 20mV 的输入电压，但开关的正弦驱动波形会增加开关损耗，降低 DC - DC 转换效率；ADP5091 虽能实现高能量收集效率，但冷启动电压高达 380mV，无法在大多数基于 FTEG 的人体应用中自启动。本研究利用 LTC3108 绕过 ADP5091 的冷启动，通过设计开关操作控制 LTC3108 的开启和关闭，采用低静态电流反相电压关断方案，有效提高了 DC - DC 转换器的效率，最终设计的能量收集电路在输入电压大于 100mV 时转换效率超过 47.7%，最低启动电压为 20mV。

HMS 的设计与优化

降低传感器和监测系统的平均功耗对实现自供电可穿戴电子设备的长期不间断运行至关重要。通过优化天线尺寸，使其回波损耗（S11）达到 - 35dB，实现了与智能手机的无线通信，BLE 连接间隔设置为 2s，待机功耗为 17.7μW。优化温度和湿度采集策略和频率，使 HMS 功耗降低 67%；采用先进先出（FIFO）方法减少 MCU 唤醒电流，降低加速度计采样率并进行动态调整，减少了功耗；优化心率和血氧读数的采集并使用 FIFO，使功耗降低 84%；通过两线串行接口外设和直接内存访问（EasyDMA），进一步将总功耗降低 92%。优化后的 HMS 系统能在人体上长期不间断地检测生理信号，对多名受试者在不同运动状态下的测试结果表明，该系统信号稳定、准确，可实现多模式生理信号的长期监测。

结论与展望

本研究开发了一种自供电手环，用于连续监测人体健康数据，其电能由体表的柔性热电发电机产生。通过共掺杂策略，将 Bi_0.5Sb_1.5Te₃基材料的zT值在室温下提高到 1.2；优化 FTEG 热结构，使其在给定测量条件下具有较高的输出功率和功率密度，在人体实际测试中也保持高功率密度；设计的紧凑型 DC - DC 转换器具有高转换效率和低自启动电压；构建的 HMS 系统平均功耗大幅降低。

然而，FTEGs 有限的输出功率和效率仍限制其在高功率自供电设备中的应用。未来可通过热挤压或热变形等方法进一步优化材料的ZT值，探索新的室温热电化合物，如 SnSe 和 Mg₃Bi₂等；集成更高效的能量收集电路，开发先进的硬件调度策略，如动态功率缩放和自适应占空比循环，以减少能量损失和消耗，推动热电发电机在更多领域的实际应用。

方法

合成

选用高纯度原料（≥99.99%），通过传统熔化和退火技术制备 Bi_0.5Sb_1.5Te₃基块体材料。在制备过程中，采用真空或充氮环境防止氧化，精确称量各成分并混合，经高温加热、淬火、退火和球磨等步骤，最后通过火花等离子烧结技术制成高密度块体样品。

材料的热电表征

使用 X 射线衍射（XRD）分析样品的晶体结构和相纯度，用标准机械研磨和离子铣削方法制备用于 STEM 测量的热电材料样品，通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散 X 射线光谱（EDS）研究微观结构，利用商业 GPA 软件进行应变分析。采用特定仪器测量电导率σ、塞贝克热电势S、热扩散率D等参数，通过公式计算热导率κ，并利用相关方法计算洛伦兹常数和进行电子探针微分析（EPMA）。

FTEG 的热电表征与制备

将烧结的 Bi₂Te₃晶体棒切割成特定尺寸的圆盘，经过清洗、电镀、焊接等一系列工艺制备 FTEG。采用四线法测量 FTEG 的内阻和性能，并通过跑步机校准对人体受试者进行测试。

EMS 和 HMS 的电气测试

使用两个源表量化 DC - DC 转换器效率，用示波器测量 EMS 的工作波形，用功耗分析仪分析 HMS 的工作电流，所有电路模拟均使用 LTspice 内部库（ADI）进行。

用于计算 FTEG 和天线性能的 3D FEA

利用 COMSOL Multiphysics 中的模块估计 FTEG 的热电和机械性能，通过测量获取 TE 腿的相关参数，其他材料参数采用默认值。使用 Ansys Electronics Desktop 中的高频结构模拟器模块优化天线尺寸，材料参数从制造商获取。

HMS 的人体评估

遵循相关机构和国家的动物护理和使用指南，在健康人体受试者上进行自供电健康监测手环的可靠性和稳定性分析。受试者通过广告招募，在参与研究前均签署知情同意书，测试前清洁皮肤后佩戴设备。

资源可用性

如需进一步信息或资源、试剂，可联系通讯作者 Binbin Jiang（[e-mail]）。本研究未生成新的独特材料，所有数据和代码在论文及补充信息中，可向通讯作者合理索取。

致谢

作者感谢国家自然科学基金、深圳科技计划、深圳杰出人才培养基金、广东基础与应用基础研究基金会以及四川省自然科学基金的资助。

作者贡献

L.L. 和 B.J. 负责概念构思和撰写初稿；L.L.、X.L.、B.J.、Y.Z.、P.L.、W.W.、N.K. 和 Y.L. 参与方法设计；L.L.、B.J.、X.L.、G.Y. 和 D.X. 进行验证；L.L.、B.J.、X.L.、Z.H.、Y.Z. 和 J.H. 进行形式分析；L.L. 和 B.J. 负责软件相关工作；L.L.、B.J.、X.L.、Y.K. 和 N.K. 进行可视化处理；B.J. 进行监督；B.J. 和 J.H. 负责资金获取。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

补充信息

补充信息包括相关笔记、图表和表格，可下载 PDF 文件查看。