CN111392690B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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
在微圆锥型PDMS薄膜材料上依次沉积钛薄膜、银薄膜，制得微圆锥型复合导电薄膜材料，之后将所述微圆锥型复合导电薄膜材料面对面组装后封装，制得所述压力传感器；
(3)自供电压力传感系统的集成
将所述热电器件与压力传感器集成后，利用具有高输出电压的热电器件贴于热源发电，并供电压力传感器，得到自供电的压力传感系统。
步骤(1)中，所述衬底采用如下方法进行预处理，具体为：将衬底依次浸泡于洗洁精水、去离子水、乙醇、丙酮中进行超声后，烘干，得到预处理后的衬底；
所述衬底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯中的任意一种。
步骤(1)中，采用磁控溅射工艺进行所述碲化铋薄膜、碲化锑薄膜和铜薄膜的沉积，所述碲化铋薄膜、碲化锑薄膜的厚度均为3-5μm，铜薄膜的厚度为5-8μm。
步骤(1)中，所述BN/PDMS复合物采用如下方法制得：
将BN粉末加入PDMS液体中，经搅拌、超声处理后，得到均一的BN/PDMS悬浮液；将所述BN/PDMS悬浮液进行干燥后，得到所述BN/PDMS复合物。
所述BN/PDMS复合物中BN的含量为10-30wt.％，所述BN/PDMS复合物中BN的粒径为15-30μm。
在所述薄膜器件的热端封装BN/PDMS复合物的厚度为350-450μm，在所述薄膜器件的正面除热端之外的区域封装PDMS的厚度为2-4μm；在所述薄膜器件的背面冷端封装水凝胶时，先将厚度为0.5-1mm的水凝胶相变材料涂覆在透气纤维布上，再贴于所述薄膜器件的背面冷端。
步骤(2)中，所述微圆锥型PDMS薄膜材料采用如下方法制得，具体为：在预处理后的铜片上进行雕刻形成倒立的微圆锥结构，之后将液体PDMS旋涂在铜片的倒立微圆锥结构表面上，干燥后获得微圆锥PDMS薄膜材料，再将所述的微圆锥PDMS薄膜材料贴到基底上，即得所述微圆锥型PDMS薄膜材料。
所述铜片采用如下方法进行预处理，
具体为：将铜片依次浸泡于洗洁精水、去离子水、乙醇、丙酮中进行超声后，烘干，得到预处理后的铜片；
采用激光雕刻在所述铜片上雕刻形成所述倒立的微圆锥结构，所述倒立的微圆锥结构的直径为15-30μm；
旋涂PDMS液体后，进行所述干燥的温度为80-100℃；
所述基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯的任意一种。
步骤(2)中，采用磁控溅射工艺在所述微圆锥型PDMS薄膜材料表面依次沉积钛薄膜、银薄膜的沉积，所述微圆锥型PDMS薄膜材料的厚度为250-350μm，所述钛薄膜的厚度为10-15nm，所述银薄膜的厚度为50-200nm。
步骤(3)中，所述热电器件与压力传感器集成，具体是将热电器件的正负极两端与压力传感器上下两面电极串联连接后，将所述热电器件贴于热源建立温差发电，供电压力传感器，得到自供电的压力传感系统。
上述任一方法制得的压力传感系统。
本发明的有益效果为：
本发明所述的基于薄膜热电器件供电的压力传感系统的制备方法，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，冷端引用水凝胶散热器，实现薄膜热电器件热源与环境之间大温差的建立，数据显示，本发明所述薄膜热电器件捕获人体热能的转化的最大输出电压为15.8mV；通过激光雕刻技术控制传感电极表面微圆锥结构尺寸，通过磁控溅射技术控制Ag/Ti导电薄膜的厚度进而调控导电薄膜的电阻，实现高灵敏低工作电流的压力传感器的面对面组装，数据显示，本发明所述压力传感器的最低工作电流为50μA；最后将薄膜热电器件与压力传感器进行集成后，得到自供电的压力传感系统；本发明所述自供电的压力传感系统，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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述基于薄膜热电器件供电的自供电压力传感系统的设计路线图；
图2a为本发明实施例1中制备薄膜器件时沉积得到沉积碲化铋薄膜的表面SEM图；
图2b为本发明实施例1中制备薄膜器件时沉积得到沉积碲化铋薄膜的截面SEM图；
图3a为本发明实施例1中制备薄膜器件时沉积得到沉积碲化锑薄膜的表面SEM图；
图3b为本发明实施例1中制备薄膜器件时沉积得到沉积碲化锑薄膜的截面SEM图；
图4为实施例1所述薄膜器件的制备过程示意图；
图5为实施例1所述热电器件输出电压及输出功率与不同温差的关系示意图；
图6为实施例1所述热电器件的弯曲实验测试结果；
图7为不同BN含量PDMS/BN复合薄膜热导率测试；
图8为所述薄膜器件热端的封装示意图；
图9为所述薄膜器件与散热器的位置关系示意图；
图10为无散热器热电器件和有散热器热电器件的捕获体热能发电示意图；
图11为所述柔性压力传感器的制备流程图；
图12为所述压力传感器的工作电流测试结果；
图13为所述自供电压力传感系统的电路图；
图14为自供电压力传感器系统的热电器件与压力的关系示意图；
图15为自供电压力传感器系统灵敏度与温差的关系示意图；
图16为不同对的热电臂与压力传感器的内阻比的调控；
图17为自供电压力传感器系统的灵敏度与热电器件内阻和压力传感负载电阻之比的关系图(压力传感器的内阻不变)；
图18为自供电压力传感系统在温差为5K下的重复性测试结果；
图19为自供电压力传感系统用于人体脉搏监测结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种基于薄膜热电器件供电的自供电压力传感系统，设计路线如图1所示，主要为通过磁控溅射制备薄膜热电器件，通过激光雕刻和磁控溅射技术制备面对面的柔性压力传感器。对热电器件进行热设计(合成高导热率的柔性导热复合材料和引用水凝胶作为柔性散热器)，实现热电器件捕获人体热能转化的最大发电量，输出电压为(15.8mV)。对具有微纳结构的PDMS薄膜磁控溅射Ag/Ti导电材料，获得压力传感器的最低工作电流(50μA)。将经过热设计的热电器件贴在皮肤上，供电压力传感器，可实现男女脉搏的信号监测。
所述自供电压力传感系统采用如下方法制备得到：
(1)热电器件的制备
将厚度为0.2mm衬底聚酰亚胺依次浸泡于洗洁精水(洗洁精与水按照质量体积比1g:50mL配制而成)、去离子水、乙醇、丙酮中进行超声清洗后烘干，得到预处理后的衬底；
通过磁控溅射技术，在预处理后的衬底上依次沉积图案化厚度为4μm碲化铋薄膜、厚度为4μm碲化锑薄膜和厚度为6μm铜薄膜，制得薄膜器件，如图4所示为实施例1所述薄膜器件的制备过程示意图。如图2a、2b所示分别为实施例1中制备薄膜器件时沉积得到沉积碲化铋薄膜的表面与截面SEM图，图3a、3b所示分别为实施例1中制备薄膜器件时沉积得到沉积碲化锑薄膜的表面与截面SEM图，从图中可以看出溅射的碲化铋薄膜和碲化锑薄膜在沉积过程中为颗粒堆积，形成的晶粒细小，没有特殊纳米结构形成，断面均呈柱状结构垂直于基底生长。
制备薄膜器件时，沉积不同薄膜的磁控溅射条件如表1所示；
表1-沉积不同薄膜的磁控溅射条件
Figure BDA0002419869560000071
之后，在所述薄膜器件的热端(图8中的中间圆形区域)，均匀涂上氮化硼含量为30wt.％的BN/PDMS悬浮液，在真空箱中90℃干燥30min，从而在所述薄膜器件的热端封装厚度为400μm的BN/PDMS复合物。所述氮化硼含量为30wt.％的BN/PDMS悬浮液具体制法为：将0.94g直径为30μm的BN粉末加入2.2g聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体中，经搅拌、超声处理后，制得氮化硼含量为30wt.％的BN/PDMS悬浮液。
接着，在所述薄膜器件的表面(正面)涂上PDMS，旋涂均匀后，再用擦镜纸去除所述薄膜器件的热端的PDMS，在真空箱中90℃干燥30分钟(如图8所示)，以在所述薄膜器件的正面除热端之外的区域封装厚度为3μm的PDMS。
最后，在所述薄膜器件的背面冷端封装水凝胶(柔性散热器)，具体为：将厚度为1mm的水凝胶相变材料涂覆在透气纤维布上制备在透气纤维布上，贴在热电器件背面的冷端位置(如图9所示)，最终制得所述热电器件；
(2)压力传感器的制备
将铜片依次浸泡于洗洁精水(洗洁精与水按照质量体积比1g:50mL配制而成)、去离子水、乙醇、丙酮等溶液中进行超声清洗、烘干，获取预处理后的铜片。
通过激光雕刻工艺，在预处理的铜片上雕刻直径为20μm的微纳结构(倒立圆锥型)。之后将液体PDMS旋涂在铜片的倒立微圆锥结构表面上，90℃下真空干燥，获得厚度为300μm微圆锥PDMS薄膜材料，再将所述的微圆锥PDMS薄膜材料贴到聚酰亚胺基底上。通过磁控溅射的工艺，在微圆锥PDMS薄膜上依次沉积厚度为15nm钛薄膜(粘附层)、厚度为150nm银薄膜，获得微圆锥型复合导电薄膜材料(Ag/Ti/PDMS)。将微圆锥型复合导电薄膜材料面对面组装，用医用胶带封装，制备成压力传感器；如图11所示为所述柔性压力传感器的制备流程图；
制备压力传感器时，激光雕刻条件如表1所示；
表2-在铜模具上制备微圆锥结构的雕刻条件
材料 雕刻功率 雕刻时间 雕刻速度
铜模具 30％ 0.5h 1mm/s
制备压力传感器时，在微圆锥PDMS薄膜上依次沉积钛薄膜(粘附层)和银薄膜的磁控溅射条件如表3所示；
表3-沉积不同薄膜的磁控溅射条件
Figure BDA0002419869560000081
(3)自供电压力传感系统的集成
将所述将热电器件的正负极两端与压力传感器上下两面电极串联连接后，将所述热电器件贴于热源建立温差发电，供电压力传感器，即得自供电压力传感系统；测试仪器(DMM6500)与压力传感器并联，将加热片放置热电器件热端，实现热电器件的温差建立，如图13所示为自供电压力传感系统的电路图。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的热端封装的BN/PDMS复合物不同，本实施例所述BN/PDMS复合物中氮化硼的粒径为15μm。所述BN/PDMS复合物中氮化硼的含量为10wt.％。
实施例3
实施例3与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，制备所述热电器件时，在所述薄膜器件的碲化铋薄膜和碲化锑薄膜的厚度均为5μm，铜膜厚度为8μm；步骤(2)中，制备所述压力传感器时，所述微圆锥PDMS薄膜材料厚度为350μm。
实施例4
实施例4与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，所述PDMS干燥温度为80℃；步骤(2)中，制备所述压力传感器时，所述的微圆锥型复合薄膜材料(Ag/Ti/PDMS)中钛的厚度10nm，银的厚度为200nm。
实施例5
实施例5与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的所述PDMS干燥温度为100℃，在所述薄膜器件的背面冷端封装水凝胶相变材料的厚度为0.5mm；步骤(2)中，制备所述压力传感器时，所述微圆锥PDMS薄膜材料厚度为250μm。
实施例6
实施例6与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的热端封装的BN/PDMS复合物以及在背面冷端封装水凝胶相变材料的厚度不同，本实施例所述BN/PDMS复合物中氮化硼的粒径为20μm，且氮化硼的含量为20wt.％；在所述薄膜器件的背面冷端封装水凝胶相变材料的厚度为0.8mm。
实施例7
实施例7与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，所述热电器件的衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯；沉积所述碲化铋薄膜和碲化锑薄膜的厚度均为3μm，铜膜厚度为5μm；步骤(2)中，所述微圆锥型的直径为15μm。
实施例8
实施例8与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，所述热电器件的衬底为聚碳酸酯；步骤(2)中，所述微圆锥型的直径为30μm，所述的微圆锥型复合薄膜材料(Ag/Ti/PDMS)中钛的厚度13nm，银的厚度为50nm。
实施例9
实施例9与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的热端封装的BN/PDMS复合物厚度以及除热端之外的区域封装PDMS的厚度均不同，本实施例中，在所述薄膜器件的热端封装BN/PDMS复合物的厚度为350μm，在所述薄膜器件的正面除热端之外的区域封装PDMS的厚度为2μm。
实施例10
实施例10与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的热端封装的BN/PDMS复合物厚度以及除热端之外的区域封装PDMS的厚度均不同，本实施例中，在所述薄膜器件的热端封装BN/PDMS复合物的厚度为450μm，在所述薄膜器件的正面除热端之外的区域封装PDMS的厚度为4μm。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的热端封装的材料中不含氮化硼成分。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于：步骤(1)中，在所述薄膜器件的冷端不封装水凝胶(无柔性散热器)。
实验例
以下对实施例1所述方法制得热电器件和压力传感器，以及对比例1、2所述方法制得热电器件的性能进行检测。
测试实施例1所述热电器件的输出电压及输出功率与不同温差的关系，将加热片放置于所述热电器件热端进行加热，使热电器件热端和冷端建立不同温差，测试热电器件的输出电压，如图5所示为实施例1所述热电器件输出电压及输出功率与不同温差的关系示意图。从图5可以看出，在温差范围为0-20K，热电器件的输出电压和温差成线性关系V＝3.94T，当热电器件的温差为20K时，热电器件的输出电压为78mV，输出功率为7.9μW。
对实施例1所述热电器件的可靠性进行测试，用直线电机对所述热电器件进行了弯曲试验，具体为：当热电器件弯曲半径为20mm，循环次数为1200次。如图6所示为所述热电器件的弯曲实验测试结果，热电器件贴在皮肤上的输出电压不变，内阻变化不超过4.7％。从而表明热电器件的具有很好的可靠性，可作为穿戴式电子设备应用。
测试PDMS/BN复合薄膜中氮化硼含量、氮化硼粒径对导热性能的影响，进行了如下实验：将直径为15μm的氮化硼(BN)颗粒加入聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体里，经过搅拌，超声获得不同含量(10wt.％、20wt.％、30wt.％)的氮化硼的PDMS/BN均匀悬浮液。然后将均匀悬浮液旋涂在干净的玻璃上，放置真空箱中，温度为90℃，干燥30分钟，剥离得到不同含量的氮化硼的PDMS/BN薄膜，用热界面材料测试仪分别测试不同复合薄膜的热导率。同样，将直径为30μm的氮化硼(BN)颗粒按上述步骤制备不同含量的氮化硼的PDMS/BN复合薄膜并测试它们的热导率。如图7所示为不同PDMS/BN复合薄膜热导率测试，可以看出，复合薄膜的热导率随氮化硼含量的增加而增加，同时氮化硼的直径越大，复合薄膜的热导率越大。从而说明选用直径为30μm、氮化硼含量为30wt.％的PDMS/BN复合材料作为热电器件的热端封装材料，热导性能最优(实施例1方案)，不添加氮化硼的PDMS材料作为热电器件的热端封装材料导热性能最差(对比例1方案)。
检测柔性散热器对热电器件捕获体热能发电的输出电压的影响，如图10所示分别为无散热器热电器件和有散热器热电器件的捕获体热能发电示意图，将无散热器的热电器件(对比例2方案)和有柔性散热器的热电器件(实施例1方案)分别贴在人体皮肤上，用万用表分别测得热电器件捕获体热能发电的输出电压，具有散热器的热电器件可稳定输出15.8mV的输出电压，无散热器的热电器件的输出电压仅为8.2mV，即具有散热器的热电器件比无散热器的热电器件的输出电压提高到92％。从而表明热电器件冷端加散热器(水凝胶)有利于提高人体体温与环境温差的稳定建立，柔性散热器的设计有利于热电器件在人体皮肤上建立更高的温差。
对实施例1所述压力传感器的性能进行测试，具体步骤为：将压力传感器用直线电机施加310Pa的负载/不负载压力，用Keithley 2400数字源表分别给压力传感器施加稳定的电流300μA、200μA、100μA、50μA，记录压力传感器的电压变化。如图12所示为压力传感器的工作电流测试结果，可以看出，压力传感器的工作电流在50μA时，压力传感器具有稳定的压力信号，即所述压力传感器的最低工作电流可达50μA。经万用表测得压力传感器的电阻为34Ω，热电器件的内阻为200Ω，这表明热电器件成功供电压力传感器时，热电器件的输出电压至少为11.7mV。而热电器件利用体热能发电可达15.8mV(图10所示)，表明通过热设计的热电器件可以成功供电压力传感器。
检测实施例1所述自供电压力传感器系统的热电器件与压力的关系，具体操作为：用直线电机对压力传感器进行压力刺激，并同时对热电器件施压不同温差，用DMM6500记录热电器件在不同温差下的电压的变化。如图14所示为自供电压力传感器系统的热电器件与压力的关系示意图，可以看出在自供电压力传感系统中，当不同温差施加到热电器件上和压力传感器受到不同的压力时，热电器件的输出电压变化不明显。从而得出自供电系统中热电器件的输出电压不受到压力传感器的信号干涉。
检测实施例1所述自供电压力传感器系统灵敏度与温差的关系，如图15所示为自供电压力传感器系统灵敏度与温差的关系示意图，从图中可以看出，自供电压力传感系统的灵敏度为17.1％，对热电器件施加不同的温差，压力传感器的灵敏度不变，从而表明自供电压力传感器系统的灵敏度不会受到热电器件温差的影响。
检测所述自供电压力传感器系统的灵敏度与热电器件内阻和压力传感负载电阻之比的关系，具体为：通过连接不同数目的P-N热电对改变热电器件的内阻，如图16所示，将2对p-n热电臂、6对p-n热电臂以及12对p-n热电臂分别与初始电阻固定的压力传感器连接，实现热电器件与压力传感的内阻比的调控分别为1.6:1、4.6:1和10:1。在温差为20K时，用2对p-n热电臂、6对p-n热电臂以及12对p-n热电臂分别供电所述压力传感器，如图17所示为自供电压力传感器系统的灵敏度与热电器件内阻和压力传感负载电阻之比的关系图，从图中可以看出，热电器件的内阻与压力传感器的内阻越大，自供电压力传感器的灵敏度越高。这表明自供电的压力传感器灵敏度受热电器件的内阻调控，较大的热电器件内阻有利于提高自供电压力传感器的灵敏度。
对实施例1所述自供电压力传感系统的重复性进行测试，具体为：将加热片放置热电器件的热端，对热电器件热端和冷端施加5K的温差，利用直线电机对压力传感器进行1.3kPa负载/不负载循环3000次。如图18所示为自供电压力传感系统在温差为5K下的重复性测试结果，从图中可以看出，自供电压力传感器系统的压力信号稳定，表明自供电压力传感系统在恒定温差下，具有较高的重复性。说明当热电器件的温差为5K，压力传感器受到1.3kPa负载/不负载循环3000次时，自供电压力传感器的传感信号依然展现较高的稳定性。
对实施例1所述自供电压力传感系统用于人体脉搏监测，具体为：将经过热设计的热电器件的热端贴在人体皮肤上，压力传感贴在手腕脉搏处，用DMM6500记录电压信号，如图19所示为自供电压力传感系统用于人体脉搏监测结果，可以看出，当自供电压力传感系统贴在人体皮肤上，所述自供电系统能捕获人体体温与环境的温差实现温差发电监测人体脉搏信号，这表明自供电压力传感系统能应用到人体的健康监测，
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于薄膜热电器件供电的压力传感系统的制备方法，其特征在于，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
在微圆锥型PDMS薄膜材料上依次沉积钛薄膜、银薄膜，制得微圆锥型复合导电薄膜材料，之后将所述微圆锥型复合导电薄膜材料面对面组装后封装，制得所述压力传感器；
(3)自供电压力传感系统的集成
将所述热电器件与压力传感器集成后，利用具有高输出电压的热电器件贴于热源发电，并供电压力传感器，得到自供电的压力传感系统。
2.根据权利要求1所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述衬底采用如下方法进行预处理，具体为：将衬底依次浸泡于洗洁精水、去离子水、乙醇、丙酮中进行超声后，烘干，得到预处理后的衬底；
所述衬底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用磁控溅射工艺进行所述碲化铋薄膜、碲化锑薄膜和铜薄膜的沉积，所述碲化铋薄膜、碲化锑薄膜的厚度均为3-5μm，铜薄膜的厚度为5-8μm。
4.根据权利要求1所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述BN/PDMS复合物采用如下方法制得：
将BN粉末加入PDMS液体中，经搅拌、超声处理后，得到均一的BN/PDMS悬浮液；将所述BN/PDMS悬浮液进行干燥后，得到所述BN/PDMS复合物。
5.根据权利要求4所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，所述BN/PDMS复合物中BN的含量为10-30wt.％，所述BN/PDMS复合物中BN的粒径为15-30μm。
6.根据权利要求1所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在所述薄膜器件的热端封装BN/PDMS复合物的厚度为350-450μm，在所述薄膜器件的正面除热端之外的区域封装PDMS的厚度为2-4μm；在所述薄膜器件的背面冷端封装水凝胶时，先将厚度为0.5-1mm的水凝胶相变材料涂覆在透气纤维布上，再贴于所述薄膜器件的背面冷端。
7.根据权利要求1所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述微圆锥型PDMS薄膜材料采用如下方法制得，具体为：在预处理后的铜片上进行雕刻形成倒立的微圆锥结构，之后将液体PDMS旋涂在铜片的倒立微圆锥结构表面上，干燥后获得微圆锥PDMS薄膜材料，再将所述的微圆锥PDMS薄膜材料贴到基底上，即得所述微圆锥型PDMS薄膜材料。
8.根据权利要求7所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，所述铜片采用如下方法进行预处理，
具体为：将铜片依次浸泡于洗洁精水、去离子水、乙醇、丙酮中进行超声后，烘干，得到预处理后的铜片；
采用激光雕刻在所述铜片上雕刻形成所述倒立的微圆锥结构，所述倒立的微圆锥结构的直径为15-30μm；
旋涂PDMS液体后，进行所述干燥的温度为80-100℃；
所述基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯的任意一种。
9.根据权利要求1所述的压力传感系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用磁控溅射工艺在所述微圆锥型PDMS薄膜材料表面依次沉积钛薄膜、银薄膜的沉积，所述微圆锥型PDMS薄膜材料的厚度为250-350μm，所述钛薄膜的厚度为10-15nm，所述银薄膜的厚度为50-200nm；
步骤(3)中，所述热电器件与压力传感器集成，具体是将所述热电器件的正负极两端与所述压力传感器上下两面电极串联连接后，将所述热电器件贴于热源建立温差发电，供电所述压力传感器，得到自供电的压力传感系统。
10.根据权利要求1-9任一项所述方法制得的压力传感系统。
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