Termal Yönetimin Giyilebilir Elektronikteki Büyülü Önemi

Giyimli elektronikler basit bir adım karşıtlarının ötesine geçti. Modern akıllı gözlemler, fitness pistleri, sağlık monitörleri ve artırılmış gerçeklik bardakları, kullanıcının derisi ile sürekli olarak, genellikle bir süre boyunca karmaşık bir şekilde iletişim kurmalı.Bu miniaturizasyon, her zaman artan bir dizi sensörle bir araya gelebilir ve büyük ısı üretimleri oluşturur. Akıllı telefonlar gibi daha büyük cihazlardan farklı olarak, ısı yönetimi, kullanıcıların derisine uygun bir şekilde, genellikle bir süre boyunca yaratıcı güvenlik gerektiren bir tasarım haline gelir.

Termal Yönetim için eşsiz Meydanlar

Giyimli form faktörlerin kısıtlamaları, diğer tüketici elektroniklerinde nadiren görülür. Üç önemli sorun hükmedmiştir: insan vücudu ile aşırı uzay sınırlamaları, ısıl etkileşim ve mekanik esneklik talep.

Uzay ve Kilo Constraints

Giyim edilebilir cihazlar genellikle birkaç metreküpün iç hacimleri vardır, geleneksel ısı batağı için küçük oda terk eder, fanlar veya kalın termal arayüz malzemeleri. Her milimetre kalınlığı cihazın dökmek için daha az çekici hale getirir.

Cilt İletişim ve Konfor

Bir cepte tutulan bir akıllı telefondan farklı olarak, bu eşin doğrudan ciltlere karşı baskı yapılır. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) ve ISO standartları, sadece şarj edilebilir güç bütçelerini kısıtlayan ve dağıtan ısıya hazırlayan modülasyonlar için sınırları belirler.

Flexability and Conformability

Akıllı kıyafetler, tıbbi yamalar ve esnek sensör grupları gibi birçok ortaya çıkan giyilebilir, vücut için bükme, uzatılabilir ve hatta sıvı soğutmalı tekstiller gibi esnek bir pakette düşük ısı direnci gibi - uygun olmayan bir şekilde çalışır.

Isının Giyimli Cihazların Kaynakları

Nerede ve nasıl ısınıldığı anlamak, onu yönetmek için ilk adımdır. Giysilenebilirler genellikle birkaç ısı üreten alt sistemler içerir:

  • [FONT:0]Uygulama işlemcileri ve mikro kontroller: Core Computing cipsi, örneğin ARM Cortex-A veya RISC-V tabanlı SoCs, yoğun sıcak noktalar üretebilir. Düşük güç işlemcileri bile, az miktarda miliwatt'ı birkaç yüz miliwatta ayırabilir, ki küçük bir ölüme mahkum edildiğinde yüksek ısı flux üretebilir.
  • [FONT:0]Sensors ve MEMS: Accelerometreler, gyroskoplar, optik kalp-dücü monitörler ve çevresel sensörler genellikle sürekli çalışırken, bireysel sensör gücü düşük iken, bir araya getirilen çizimler, özellikle LED veya lazerleri sürüş sırasında genel olarak ısıtılır.
  • [[Dönetici:0)Wireless iletişim modülleri: BLE, Wi-Fi, LTE ve NFC radyoları, yalnızca 10-20 mW'de zirveye çıkabilir, ancak tek başına akıllıwatchs 1 W'yi geçebilir, hızlı sıcaklık yükselir.
  • [FONT:0)Battery şarj ve discharging:) Lityum-polimer bataryalar iç direniş nedeniyle ısı üretebilir. Hızlı şarj birkaç derece ve yüksek akım deşarj (örneğin, yürüyüş GPS takip) ısı yüküne eklenir.
  • [FONT:0)Power yönetim ICs ve gerilim düzenleyicileri: Linear düzenleyicileri ısı olarak aşırı gerilim harcıyor; geçiş düzenleyicileri daha verimlidir, ancak hala kayıplar üretmelidir. küçük bir muhafazada, bu çipler ısı geçişi önlemek için dikkatli bir şekilde konumlandırılmalıdır.

Etkili Termal Yönetim Hedefleri

İyi tasarlanmış bir termal çözüm birden çok, bazen çatışma, gereklilikler:

  • [FONT:0) Kullanıcı konforu:[Döneticileri:[Döneticileri) Cilt yüzleri tipik kullanım sırasında 39-41°C'nin altında kalmalıdır, hatta ağır yükler veya çevre ısısı altında bile.
  • [FONT=0)Component koruma:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticileri için Junction sıcaklıklar üretici özellikleri içinde kalmalıdır (örneğin 85-10-5C) throttling veya kalıcı hasarları önlemek için.
  • [FONT:0)Battery güvenliği: [Döntme:[Dönetici:) Battery sıcaklıklar şarj sırasında 60°C altında kalmalı ve ısıtıcıdan kaçınmak için ayrıştırılmalıdır.
  • [[Dönetici tutarlılık: [Dönetici:0)Performance tutarlılık:[Dönetici:0)Performance tutarlılık:[Döneticileri aşırı ısıtmalı kapalı kullanıcılar nedeniyle tonlanan cihazlar. sınırlı pasif soğutma seçenekleri göz önüne alındığında, tasarımcılar temel işlevleri için ısı bütçeleri dikkatlice ayırmalıdır.
  • [FONT:0]Aesthetic ve mekanik entegrasyon: Termal çözümler aşırı kalınlık, ağırlık veya maliyet eklememelidir ve su yalıtımı, antenler ve optik pencereler ile birlikte birlikte oturmalıdır.

Pasif Soğutma Çözümleri, Giyilebilirler için

Pasif soğutma - ısıyı kaldırmak için hareketli parçalar veya dış enerji kullanır - güvenilirlik, sessiz operasyon ve düşük güç tüketimi nedeniyle aşınmaya tercih edilen yaklaşım. Ancak, sınırlı çevre akıllı uygulama gerektirir.

Termal olarak Davranışlı Malzeme

Yüksek termal iletkenliği olan malzemeler seçmek en temel pasif stratejidir. Ortak seçimler şunlardır:

  • [FONT=0]Graphene ve grafik filmleri: [Dönder: [Dönder: Zayıf, hafif ve esnek, bu malzemeler daha sonra ısıyı yaymak için iç yüzeylere kadar değiştirilebilir.In-plane termal iletkenliği 2000 W/m·K for Graphics, bakırın 400 W /m·K.
  • [FONT:0]Copper ve alüminyum folyolar: [Döntgen: 1) Geleneksel metaller katı alanlarda maliyetle etkisiz kalır. Bakır ısı yayıcılar damgalanabilir ve PCB'lere veya kalkanlara bağlanır.
  • [FONT:0) Katı iletken polimerler: [Dönetici: Seramik (boron nitride, alumina) veya karbon fiberleri ile doldurulmuş, bu plastikler özel şekillere yol açabilir. 1-20 W/m·K - köprü boşlukları ve yapısal elementler olarak hareket etmek için yeterli miktarda metaller sunar.
  • [FONT:0]Vapor odaları: [Dönetici: [Dönetici: 0,3 mm kalınlığı altında) şimdi akıllı telefonlar ve bazı giyilebilirler için kullanılabilir.

Heat Dissipation için tasarım optimizasyonu

Malzemelerin ötesinde, cihaz düzeninin kendisi pasif soğutmayı artırabilir:

  • [FONT:0] Şaşkın üzerinden yayılıyor: [DÜDÜT:1] Metal bezelleri kullanarak, arka kapakları veya ısı yayıcıları olarak çerçeveler göster. Akıllıwatches için, metal vaka bir radyatör olarak hareket edebilir, ancak durum ciltle temasları arasındaki sıcak noktalardan kaçınılmalıdır.
  • [FONT:0] ⁇ vias and blocked bakır uçaklar: PCB'lerde, çeşitli modlar, zemin uçaklara veya ısı bataklarına bağlanır. Multi-kat PCB'ler kalın bakır (2-4 oz) genişleyen.
  • [FONT:0)Encapsulation design:[D) Yüksek hava akışı (örneğin, hava yürüyüşü sırasında veya cilt temaslarından uzakta olan bir saatin yan tarafında. C ⁇ sıvı dinamikleri (CFD) simülasyonları yerleştirmeye yardımcı olur.
  • [FONT:0]Surface tedavileri emissivity için: Dark matte, radyasyon ısı transferini artırmak, Polonyalı metal radiatesleri kötüleştirir; anodized kaplamalar veya 0,0 ila 0,9 arasını yükseltebilir.

Pasif Soğutma Sınırları

Pasif yöntemler gerekli olsa da, kapalı, su geçirmez bir hava akışı ve minimum yüzey alanı ile kullanılabilir, çevreye verilen maksimum ısı reddedilmesi genellikle 1-2 W. Cihazları sürekli yüksek güç işleme (örneğin, AR gözlükleri ile çok fazla kamera ve parlak bir ekran) bu eşikleri aşabilir, aktif soğutmayı gerektirir.

Giyilebilirler için Aktif Soğutma Çözümleri

Aktif soğutma, ısı kaldırılması için enerji kullanır. Tarihsel olarak, gürültü, güç tüketimi ve büyüklüğü nedeniyle giyilebilir. Ancak, fanların miniaturizasyonu, pompalar ve termoelektrik cihazları bazı premium veya özel giyilebilirler için aktif soğutma sağlar.

Micro Fans

Mikro-elektromechanical sistemlerde ilerlemeler (MEMS) sadece birkaç milimetre kalınlığında fanlar üretmiştir. Örneğin, Murata'nın mikro aksakları büyük rotor bıçakları olmadan hava akışı sunabilir. Bu hayranlar mevcut havalandırma ile en iyi şekilde entegre edilebilirler, VR kafaları gibi.

Termoelektrik Soğutmaları (TECs)

Peltier cihazları, bir taraftan diğerine ısı pompalayacak Peltier etkisini kullanır. Miniature TECs, birkaç kare milimetrenin alanları ile, sıcak tarafta ısıtılabilir ve ek ortam tüketimi (<0.5 mm) artık ticari olarak kullanılabilir ve bir ısı yayılabilir. Challenges, nispeten düşük verimlilik ( performanstan daha az verimlilik sağlar -1-3), sıcak tarafta ısıyı reddetmeli.

Sıvı Soğutma

Nadir olsa da, bazı deneysel giyilebilirler mikrofluidic soğutma döngülerini içerir. Kanallar esnek silikon veya metal dolaşım dielektrik sıvıları veya hatta su gibi esnek. Pompalar (piezoelektrik veya elektromanyetik) sürücü akışı sağlar. Sıvı soğutma yüksek ısı flux sunar, ancak karmaşıklık, ağırlık ve potansiyel sızıntı riskleri getirir.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Trendleri

Birkaç yeni yaklaşım, mevcut yöntemlerin sınırlarının üstesinden gelmeye ve gelecekteki giyilebilirlerde daha yüksek performansa kilidini açmaya söz verir.

Faz Değişimi Malzemeler (PCMs)

PCMs, ısıda yükselmeden ısınması için geç ısıyı kullanıyor. Cihazın kısa bir ısı patlaması (örneğin, hızlı şarj veya yüksek güç GPS takip sırasında), bir PCM, bu ısıyı güçlendirebilir, ısıyı geciktirebilir, ısı artışı sağlar. Ortak PCMs for wearable use include paraffins (melting point 30-45°C) ve tuz hidratlar, sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan mikrokapsiyonlar.

Elektrocaloric Soğutma

Gelişen sağlam devlet teknolojisi, elektrocaloric malzemeler (örneğin, ferroelektrik polimerleri veya seramikler) elektrik alanı uygulandığında ısıtılabilir. Elektrocaloric soğutucular, esnek ve potansiyel olarak TEC'lerden daha verimli olabilir. Araştırmacılar, milisaniyelerde birkaç derece soğuk bir konumdan uzaktayken, elektrocaloric soğutma, üretim ve güvenilirlik zorluklarının üstesinden gelinebilir termal yönetimin üstesinden gelebilir.

Esnek Heat Pipes ve Vapor Chambers

Heat boruları, katı iletkenlerden çok daha iyi ısıtabilecek iki fazlı cihazlardır. Yeni esnek ısı boruları, katlanabilir telefonlar için dokumak için dokumak için kaplamak için kaplamak için kaplamak için kaplamak için kaplamalı yapılar.For Heat pipeline are Pasif two-faydalar, ısıtılabilir tavanlar için uygun ısı borular ve eller için uygun hale getirebilir.

Nanomalzemeler ve Kompozitler

Grafik ve grafikselliğin ötesinde, araştırmacılar karbon nanotüp dizilerini araştırıyorlar, dikey olarak hizalanmış grafikler ve boron nitride nano tablolar eklediler. Bu malzemeler düşük termal direnç ve yüksek konforlu ısıya sahip 10.000'den fazla ısıtılabilir.

Bioinspired ve Adaptive Solutions

Doğa, termal yönetim için ilham verir. Bazı araştırmacılar, bir ter-likeli evaporasyon mekanizması kullanan bir prototipi, gerektiğinde ısı geçişi için durumu değiştiren değişken iletken iletkenlik malzemeleri kullanarak geliştirirler.

Pratik Tasarım

Bir termal çözümü uygulamak, bileşen seviyesinden sistem seviyesine dikkatli bir entegrasyon gerektirir.

Termal Interface Malzemeler (TIMs)

En iyi ısı yayıcısı bile çip ve yayıcı arasında termal bir boşluk olup olmadığı konusunda işe yaramaz. TIMs, ısı direncini azaltmak için mikroskobik hava boşlukları doldurur.TIMs ince (50-200 μm), yüksek ısı iletkenliği (2-10 W /m·K) ve optik diskler ile uyumlu olabilir.

Esnek Devrelerle entegrasyon

Esnek giyilebilir ürünler için (örneğin, akıllı bantlar veya elektronik deri yamaları), termal yönetim bükmeli ve genişletilmelidir.Bu, uygun geometrilere uygun olan esnek termal boşluklar sunar.

Test ve Geçerlilik

Pasiflerin termal testleri daha büyük elektroniklerden farklıdır. Standart yöntemler şunları içerir:

  • Cihazı kontrollü sıcaklık ve termal direnç ile simultane bir deri pedine teslim edin (ISO 13732 sıcak yüzey temas için).
  • En kötü senaryolar sırasında yüzey sıcaklıklarını haritalamak için kızılötesi termograf kullanmak.
  • Prototyping sırasında gömülü termo çiftleri olan iç sıcaklıkları ölçmek.
  • Mekanik davranışı tahmin etmek ve ekipman inşa etmeden önce yerleştirmeyi optimize etmek için gerekli simülasyonlar.

Ahead: The Next Generation of Wearables

Giyimli teknoloji daha fazla immersive deneyimlere yol açıyor - artırılmış gerçeklik kafaları, sürekli glukoz monitörleri ve sağlık sensörleri olarak ikiye katlanan akıllı tekstiller - örneğin, PCM'leri küçük TEC'lerden başlayarak, yüksek performanslı bir ekrandan indirmeli ve kablosuz akış gibi, tüm bir fanatik olmayan bir şekilde kullanıcı için gelişmiş pasif tekniklere sahip olacaktır.

Akıllı kıyafetler kendi zorluk setini sunar: yıkama kabiliyeti, esneklik ve büyük yüzey alanları. Tekstil tabanlı termal yönetim nekroz kullanarak kontrol edilmelidir; biyo-prolerasyonlu fiberler veya hatta radiative soğutma kumaşları (bu da vücuttan gelen radyatif bir alandır) aktif bir alandır.In implantable tıbbi giyilebilir tıbbi giyilebilir ilaçlar için, ısı nekroz kullanarak kontrol edilmelidir; biyo-tokulu termal malzemeler ve düşük güç tasarımları çok önemlidir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Termal yönetim artık giyilebilir elektroniklerde olsa da, tasarım, performans ve kullanıcı kabulünün belirleyici bir kısıtlama değildir.En iyi çözümler, gelişmiş malzemelerin bir kombinasyonunu, akıllı düzeni ve bazen aktif bileşenleri, belirli kullanım koşullarını ve form faktörüne göre çalışır.Perene spreaders to miniaturized ısı boruları ve biyoinspired soğutma için, araçların portföyünü genişletmek için devam eder. Araştırmacılar yeni malzemeler ve mühendisler minia göre, gelecekteki giyilebilir bileşenleri, her zaman ayarlanan yüksek performanslı deneyimlere uygun olarak çalıştırır.