Термические решения для носимой электроники

Растущее значение термоменеджмента в носимой электронике

Носимая электроника вышла далеко за рамки простых счетчиков шагов. Современные умные часы, фитнес-трекеры, мониторы здоровья и очки дополненной реальности упаковывают увеличивающуюся вычислительную мощность в все более мелкие и легкие пакеты. Эта миниатюризация в сочетании с постоянно включенной связью и растущим набором датчиков создает значительную генерацию тепла. В отличие от более крупных устройств, таких как смартфоны, носимые устройства должны управлять тепловой энергией, находясь в тесном контакте с кожей пользователя, часто в течение нескольких часов. Неадекватное управление температурой может привести к дискомфорту кожи, ожогам, снижению производительности устройства и ускоренной деградации батареи. В результате управление температурой стало критическим элементом дизайна для носимой электроники, требуя творческих решений, которые балансируют производительность, комфорт, безопасность и эстетику.

Уникальные вызовы для носимого термоуправления

Ограничения носимых форм-факторов накладывают тепловые проблемы, редко встречающиеся в другой потребительской электронике.Доминируют три ключевые проблемы: крайние ограничения пространства, тепловое взаимодействие с человеческим телом и потребность в механической гибкости.

Ограничения пространства и веса

Носимые устройства обычно имеют внутренние объемы всего в несколько кубических сантиметров, оставляя мало места для традиционных радиаторов, вентиляторов или толстых материалов теплового интерфейса. Каждый миллиметр толщины добавляет к объему устройства, делая его менее привлекательным для износа. Поэтому инженеры должны эффективно использовать высокопроводящие материалы, часто интегрируя тепловые пути в структурные компоненты устройства, такие как корпус или рамка дисплея.

Контакты с кожей и комфорт

В отличие от смартфона, который держится в руке или помещается в карман, носимое устройство прижимается непосредственно к коже. Международные стандарты электротехнической комиссии (МЭК) и ISO для температуры контакта с кожей устанавливают ограничения для предотвращения ожогов и дискомфорта - обычно ниже 41 ° C для постоянного контакта. Превышение этого порога может вызвать боль, эритему или даже ожоги низкого качества. Этот спрос заставляет дизайнеров сохранять всю внешнюю поверхность прохладной, а не только перемычку процессора, что ограничивает допустимые бюджеты мощности и поощряет распределенные стратегии распределения тепла.

Гибкость и конформируемость

Многие новые носимые устройства, такие как умная одежда, медицинские пластыри и гибкие сенсорные полосы, требуют подложек и компонентов, которые могут изгибаться, растягиваться и соответствовать корпусу. Традиционные жесткие материалы для управления температурой, такие как алюминиевые или медные радиаторы, непригодны. Инженеры должны вместо этого работать с гибкими распредителями тепла (например, графитовые пленки, покрытые ткани), эластомерные материалы с тепловым интерфейсом и даже текстиль с жидкостным охлаждением. Достижение низкого термического сопротивления в гибкой упаковке без ущерба для механической целостности остается значительной исследовательской задачей.

Источники тепла в носимых устройствах

Понимание того, где и как генерируется тепло, является первым шагом в управлении им. Носимые устройства обычно содержат несколько теплопроизводящих подсистем:

• Процессоры приложений и микроконтроллеры: Основные вычислительные чипы, такие как SoC на базе ARM Cortex-A или RISC-V, генерируют концентрированные горячие точки. Даже процессоры с низким энергопотреблением могут рассеивать десятки милливатт до нескольких сотен милливатт, которые при ограничении небольшим кристаллом могут производить высокий тепловой поток.
• Датчики и MEMS: Акселерометры, гироскопы, оптические мониторы сердечного ритма и датчики окружающей среды часто работают непрерывно.В то время как мощность отдельных датчиков низкая, их комбинированный вывод способствует общей тепловой нагрузке, особенно при управлении светодиодами или лазерами.
• Модули беспроводной связи:] Радиостанции BLE, Wi-Fi, LTE и NFC могут увеличивать мощность во время передачи. Только BLE может достигать пика в 10-20 мВт, но сотовые модули в автономных смарт-часах могут превышать 1 Вт, вызывая быстрое повышение температуры.
• Зарядка и разрядка аккумулятора: Литий-полимерные батареи генерируют тепло из-за внутреннего сопротивления. Быстрая зарядка может повысить температуру батареи на несколько градусов, а высокоточный разряд (например, походное GPS-отслеживание) добавляет тепловую нагрузку. Перегретая батарея также быстрее деградирует и представляет риски для безопасности.
• ИС управления мощностью и регуляторы напряжения: Линейные регуляторы расходуют избыточное напряжение в виде тепла; регуляторы переключения более эффективны, но все же производят потери.В небольшом корпусе эти чипы должны быть расположены осторожно, чтобы избежать теплового перекрестного стыка.

Цели эффективного термического управления

Хорошо спроектированное тепловое решение должно удовлетворять нескольким, иногда противоречивым требованиям:

• Комфорт пользователя: Поверхности, обращенные к коже, должны оставаться ниже 39-41 °C во время типичного использования, даже при больших нагрузках или нагреве окружающей среды.
• Защита компонентов: Температура сцепления для ИС должна оставаться в пределах спецификаций производителя (часто 85-105°С) для предотвращения дросселирования или постоянного повреждения.
• Безопасность батареи: Температура батареи должна оставаться ниже 60 ° C во время зарядки и разрядки, чтобы избежать теплового разбега и потери емкости.
• Согласованность характеристик: Устройства, которые замедляют работу из-за перегрева, расстраивают пользователей. Учитывая ограниченные возможности пассивного охлаждения, разработчики должны тщательно распределять тепловые бюджеты на основные функции.
• Эстетическая и механическая интеграция: Тепловые решения не должны добавлять чрезмерную толщину, вес или стоимость и должны сосуществовать с гидроизоляцией, антеннами и оптическими окнами.

Пассивные охлаждающие решения для носимых устройств

Пассивное охлаждение, которое не использует движущиеся части или внешнюю энергию для удаления тепла, является предпочтительным подходом для носимых устройств из-за надежности, тихой работы и низкого энергопотребления.

Термически проводящие материалы

Выбор материалов с высокой теплопроводностью является наиболее базовой пассивной стратегией. Общий выбор включает в себя:

• Графеновые и графитовые пленки:] Тонкие, легкие и гибкие, эти материалы могут быть ламинированы на внутренние поверхности для распространения тепла боковым способом. Теплопроводность в плоскости может превышать 2000 Вт/м·К для графена, что намного выше, чем у меди 400 Вт/м·К. Такие компании, как GrafTech и Panasonic, предлагают графитовые листы специально для тонкой электроники.
• Медная и алюминиевая фольга: Традиционные металлы остаются экономически эффективными для жестких областей. Медные распредители тепла могут быть проштампованы и прикреплены к ПХД или щитам. Алюминий легче и часто используется в кожухах.
• Термопроводящие полимеры: Наполненные керамикой (нитрид бора, глинозем) или углеродными волокнами, эти пластмассы могут быть сформированы в индивидуальные формы. Они обеспечивают теплопроводность 1-20 Вт/м·К — ниже, чем металлы, но достаточно, чтобы преодолеть зазоры и действовать как структурные элементы.
• Вейпорные камеры: Ультратонкие паровые камеры (толщиной менее 0,6 мм) теперь доступны для смартфонов и некоторых носимых устройств. Они используют двухфазный теплообмен для быстрого распространения тепла на большие площади. Такие компании, как Cooler Master и Aavid, разработали миниатюрные паровые камеры для компактных устройств.

Оптимизация дизайна для рассеивания тепла

Помимо материалов, сама компоновка устройства может усиливать пассивное охлаждение:

• Тепло, распространяющееся через шасси: Используя металлические рамки, задние крышки или рамки дисплея в качестве распредизаторов тепла. Для умных часов металлический корпус может выступать в качестве радиатора, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать горячих точек, где корпус контактирует с кожей.
• Тепловые сквозняки и закопанные медные плоскости: В ПХД массивы сквозняков соединяют теплорассеивающие чипы с наземными плоскостями или теплоотводами. Многослойные ПХД с толстой медью (2-4 унции) улучшают распространение.
• Конструкция инкапсуляции: Размещение компонентов с высокой температурой вблизи областей с более высоким воздушным потоком (например, сторона часов, где воздух движется во время ходьбы) или вдали от контакта с кожей.
• Поверхностная обработка для излучательной способности: Темные матовые покрытия увеличивают инфракрасное излучение, улучшая передачу тепла. Польский металл излучает плохо; анодированные покрытия или краска могут повысить излучательную способность с 0,2 до 0,9.

Ограничения пассивного охлаждения

В то время как пассивные методы необходимы, они имеют ограничения. В герметичном, водонепроницаемом носимом без воздушного потока и минимальной площади поверхности, максимальный отказ от тепла окружающей среде часто ниже 1-2 Вт. Устройства с непрерывной обработкой высокой мощности (например, AR-очки с несколькими камерами и ярким дисплеем) могут превышать этот порог, что требует активного охлаждения.

Активные решения охлаждения для носимых устройств

Активное охлаждение использует энергию для усиления отвода тепла. Исторически его избегали в носимых устройствах из-за шума, энергопотребления и размера. Однако миниатюризация вентиляторов, насосов и термоэлектрических устройств сделала активное охлаждение возможным для некоторых премиальных или специализированных носимых устройств.

Микро фанаты

Достижения в микроэлектромеханических системах (MEMS) дали вентиляторам толщиной всего несколько миллиметров. Например, микродувки Murata могут доставлять воздушный поток без больших лопастей ротора. Эти вентиляторы могут быть интегрированы в вентиляционные слоты умных очков или в ремешок умных часов для циркуляции воздуха через теплоотвод. К недостаткам относятся шум (хотя часто ниже 30 дБ), проникновение пыли и дополнительный расход энергии (50-200 мВт). Они лучше всего подходят для устройств с существующей вентиляцией, таких как VR-гарнитуры.

Термоэлектрические охладители (TEC)

Устройства Peltier используют эффект Peltier для перекачки тепла с одной стороны на другую. Миниатюрные TEC с площадями в несколько квадратных миллиметров могут охлаждать локализованные горячие точки на 5-15 ° C ниже окружающей среды. Тонкие TEC-пленки (<0,5 мм) теперь коммерчески доступны и могут быть встроены между чипом и распредвалом тепла. Проблемы включают относительно низкую эффективность (коэффициент производительности ~ 1-3), необходимость отбрасывать тепло с горячей стороны и дополнительное потребление энергии (сотни милливатт). TEC используются в некоторых высококачественных фитнес-часах, чтобы предотвратить перегрев оптического датчика во время непрерывного мониторинга сердечного ритма.

Жидкое охлаждение

Хотя некоторые экспериментальные носимые устройства и редки, они включают микрофлюидные петли охлаждения. Каналы, вытравленные в гибкие силиконовые или металлические циркулирующие диэлектрические жидкости или даже воду. Насосы (пьезоэлектрические или электромагнитные) приводные потоки. Жидкое охлаждение обеспечивает высокую способность к тепловому потоку, но добавляет сложность, вес и потенциальные риски утечки. Он остается в основном в исследовательских лабораториях и нишевых продуктах, таких как холодные шлемы или костюмы экзоскелета.

Новые технологии и будущие тенденции

Несколько новых подходов обещают преодолеть ограничения существующих методов и разблокировать более высокую производительность в будущих носимых устройствах.

Материалы для фазовых изменений (PCM)

PCM используют скрытое тепло плавления для поглощения тепловых всплесков без повышения температуры. Когда устройство генерирует короткий всплеск тепла (например, во время быстрой зарядки или мощного GPS-слежения), PCM, интегрированный в устройство, может впитывать это тепло, задерживая повышение температуры. Общие PCM для носимого использования включают парафиновые воски (точка плавления 30-45 ° C) и солевые гидраты, часто инкапсулированные в микрокапсулах или встроенные в фольгу. Гибкие композиты PCM разрабатываются для умной одежды и браслетов. Например, Outlast Technologies производит текстиль, начиненный PCM, первоначально используемый для скафандров, теперь адаптированный для потребительских носимых устройств.

Электрокалорийное охлаждение

Появляющаяся твердотельная технология, электрокалорийные материалы (например, сегнетоэлектрические полимеры или керамика) изменяют температуру при применении электрического поля. Электрокалорийные охладители могут быть тонкими, гибкими и потенциально более эффективными, чем ТЭК. Исследователи продемонстрировали прототипы, которые охлаждают точку доступа на несколько градусов за миллисекунды. Хотя еще далеко от коммерческих, электрокалорийное охлаждение может революционизировать носимое тепловое управление, если будут преодолены проблемы с производством и надежностью.

Гибкие тепловые трубы и паровые камеры

Тепловые трубы — пассивные двухфазные устройства, способные транспортировать тепло во много раз лучше, чем твердые проводники. Новые гибкие тепловые трубы используют тканые сетки или сетчатые конструкции, позволяющие изгибаться. Такие компании, как Celsia и Furukawa, разработали тепловые трубы, которые можно складывать в плотные пространства, что делает их пригодными для умных очков и наручных устройств. Паровые камеры толщиной 0,3 мм вступают в производство для складных телефонов и могут мигрировать в носимые устройства.

Наноматериалы и композиты

Помимо графена и графита, исследователи изучают углеродные нанотрубки, вертикально выровненный графит и нанолисты нитрида бора. Эти материалы могут обеспечить теплопроводность, превышающую 10 000 Вт / м·К в одном направлении, что позволяет очень эффективно локализовать тепло. Включение их в тонкие пленки, клеи или соединения горшечника может значительно улучшить распространение тепла без добавления веса. Например, Fujitsu Laboratories разработала материал термоинтерфейса углеродных нанотрубок с низким термическим сопротивлением и высокой конформностью.

Биоинспирированные и адаптивные решения

Природа дает вдохновение для управления температурой. Некоторые исследователи разрабатывают «искусственную кожу» со встроенными микроканалами, которые циркулируют жидкость, имитируя потоотделение человека. Стартап под названием Ember (не компания-сенсор) продемонстрировала прототип, который использует потообразный механизм испарения для охлаждения носимого. Другие адаптивные системы используют переменные материалы теплопроводности, которые изменяют состояние в ответ на температуру, автоматически увеличивая теплопередачу при необходимости.

Практические дизайнерские соображения

Реализация теплового решения требует тщательной интеграции от уровня компонентов до уровня системы.

Термические интерфейсы (TIM)

Даже лучший теплораспределитель бесполезен, если между чипом и распредвалом имеется тепловой зазор. TIM заполняют микроскопические воздушные зазоры для снижения теплового сопротивления. Для носимых устройств TIM должны быть тонкими (50-200 мкм), иметь высокую теплопроводность (2-10 Вт/м·К) и быть совместимыми с гибкими подложками. Варианты включают тепловые подушки, TIM фазового изменения (которые смягчаются при рабочей температуре, чтобы мочить поверхности) и тепловые смазки. Смазки могут выкачиваться с течением времени, поэтому в герметичных устройствах часто предпочтительны подушки или отвержденные силиконы.

Интеграция с гибкими схемами

Для гибких носимых устройств (например, умные повязки или электронные патчи кожи) управление температурой должно быть изогнутым и растягивающимся. Это активная область исследований. Решения включают в себя встраивание волнистых металлических следов, которые действуют как теплораспределители, использование жидкого металла (Галинстан) в микроканалах или распределение тепла по большой площади с помощью плетеных тепловых волокон. Производители, такие как Laird Performance Materials, предлагают гибкие наполнители теплового зазора, которые соответствуют совместимой геометрии.

Тестирование и валидация

Тепловые испытания носимых устройств отличаются от испытаний более крупной электроники. Стандартные методы включают:

• Размещение устройства на моделируемой кожной подушке с контролируемой температурой и термостойкостью (ISO 13732 для горячего поверхностного контакта).
• Использование инфракрасной термографии для отображения температуры поверхности в худших сценариях.
• Измерение внутренних температур с помощью термопар, встроенных во время прототипирования.
• CFD-моделирование для прогнозирования теплового поведения и оптимизации размещения перед созданием оборудования.

Взгляд в будущее: следующее поколение носимых устройств

По мере развития носимых технологий в направлении более захватывающих впечатлений, таких как гарнитуры дополненной реальности, непрерывные мониторы глюкозы и интеллектуальный текстиль, которые удваиваются как датчики здоровья, тепловые ограничения станут еще более жесткими. AR-очки, например, должны управлять теплом от нескольких камер, дисплея с высоким разрешением, мощного процессора и беспроводной потоковой передачи, все без вентилятора, слышимого пользователю. Это приведет к принятию передовых пассивных методов, таких как тепловые трубы, интегрированные в кадр, и, возможно, гибридные решения, сочетающие PCM с небольшими TEC для пиковых нагрузок.

Умная одежда представляет собой собственный набор проблем: стираемость, гибкость и большие площади поверхности. Управление термическим режимом на основе текстиля с использованием металлических волокон, волокон, начиненных PCM, или даже радиационных охлаждающих тканей (которые отражают инфракрасное излучение от тела) является активным полем. Для имплантируемых медицинских носимых устройств тепло должно управляться на интерфейсе устройства-ткани, чтобы избежать некроза; биосовместимые термические материалы и конструкции с низким энергопотреблением имеют первостепенное значение.

Заключение

Термическое управление больше не является второстепенным в носимой электронике - это определяющее ограничение, которое формирует дизайн устройства, производительность и принятие пользователей. Лучшие решения используют комбинацию передовых материалов, умной компоновки, а иногда и активных компонентов, адаптированных к конкретному случаю использования и форм-фактору. От графеновых распредвалов до миниатюрных тепловых труб и биоиндустриального охлаждения портфель инструментов продолжает расширяться. По мере того, как исследователи совершенствуют новые материалы и инженеры расширяют границы миниатюризации, будущие носимые устройства будут работать более прохладно, обеспечивая всегда включенный, высокопроизводительный опыт, которого ожидают пользователи.