將能量收集技術(shù)應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備產(chǎn)品中

電子設(shè)備越來(lái)越多地融入服裝并連接在一起。從環(huán)境中獲取能量正被用于為設(shè)備，鏈路供電，甚至提供一些時(shí)尚元素。

能量收集的一個(gè)令人興奮的發(fā)展領(lǐng)域是可穿戴技術(shù)。由于功能或時(shí)尚原因，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品被整合到服裝中。例如，音樂(lè)播放器正在被整合到外套中，時(shí)裝設(shè)計(jì)師正在使用電子發(fā)光和LED顯示器，通常與音樂(lè)相關(guān)聯(lián)，以創(chuàng)造活躍的服裝。

其中大部分需要?jiǎng)恿?，能夠利用振?dòng)，熱能或太陽(yáng)能直接為顯示器和無(wú)線鏈路供電或?yàn)檩p薄的鋰聚合物電池充電，為該技術(shù)提供了關(guān)鍵的一步。沒有人愿意將襯衫插入主電源進(jìn)行充電，并且從環(huán)境中提供電力可以顯著延長(zhǎng)充電周期。

這也需要在一些能量收集技術(shù)方面向前邁進(jìn)一步，尤其是太陽(yáng)能電池。雖然這種電池的效率已經(jīng)提高，因此它們可以從室內(nèi)照明產(chǎn)生有用的電力，但玻璃或晶體硅基器件可能很重。然而，新一代無(wú)定形柔性電池越來(lái)越受歡迎，可以整合到服裝中供電。

澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員就是這樣一個(gè)例子，他們開發(fā)了一種薄的柔性太陽(yáng)能電池板。銀細(xì)胞。該技術(shù)已經(jīng)開發(fā)用于軍事用途，作為可穿戴太陽(yáng)能電池板為設(shè)備供電，并為更加堅(jiān)固而靈活的電池創(chuàng)造了一個(gè)步驟。

帶有集成電子設(shè)備的洗衣服也被視為一個(gè)主要缺點(diǎn)。 Seibersdorf實(shí)驗(yàn)室和奧地利技術(shù)學(xué)院（AIT）的研究人員取得了一項(xiàng)突破，他們?cè)O(shè)法將標(biāo)準(zhǔn)NFC無(wú)線電標(biāo)簽和天線編織成服裝，以便可以清洗。

天線在制造時(shí)集成到織物中，手動(dòng)添加NFC芯片。該方法以這樣的方式進(jìn)行管理，使衣物能夠在60℃下洗滌，旋轉(zhuǎn)干燥，甚至用傳統(tǒng)的電熨斗熨燙，所有這些都不會(huì)損壞標(biāo)簽。這使得具有NFC功能的洗衣機(jī)可以直接從衣服中獲取特定洗滌程序的數(shù)據(jù)。

可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展也為基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)造了新的方法。美國(guó)國(guó)家航空航天局的太空研究人員用銅制造了一個(gè)開關(guān)存儲(chǔ)器，可以編織并直接集成到服裝結(jié)構(gòu)中。

圖1：NASA的可穿戴電子產(chǎn)品的存儲(chǔ)器陣列。

從銅線開始，銅，氧化銅和鉑的夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)建在交叉開關(guān)架構(gòu)中并鈍化以創(chuàng)建電阻存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。這種雙端子橫桿陣列可以容易地嵌入到材料中，因?yàn)榧徔椘酚烧焕w維網(wǎng)絡(luò)組成，并且交叉點(diǎn)接觸固有地形成在每個(gè)交叉點(diǎn)處，類似于橫桿存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。雖然介電層通常是絕緣體，但金屬氧化物可以根據(jù)施加的電壓處于絕緣或?qū)щ姞顟B(tài)，從而提供記憶功能。

韓國(guó)的研究人員也在使用電阻式存儲(chǔ)器，或者“憶阻器”，開發(fā)靈活的存儲(chǔ)設(shè)備，可以在沒有恒定功率的情況下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并可用于可穿戴設(shè)備，特別是用于醫(yī)療監(jiān)控和治療。

韓國(guó)高等科學(xué)技術(shù)研究院（KAIST）的研究人員已經(jīng)制成了無(wú)定形二氧化鈦的憶阻器，頂部和底部都有鋁電極和柔性晶體管。

所有這些技術(shù)都將增加對(duì)服裝電力的需求，這可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)。方法。

壓電振動(dòng)傳感器可用于捕獲振動(dòng)能量。這尤其與鞋類，特別是訓(xùn)練鞋有關(guān)，其中恒定運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流以為無(wú)線鏈路供電。這已經(jīng)在耐克公司的“智能”鞋中實(shí)現(xiàn)，為無(wú)線連接提供了支持，可以將手機(jī)或可穿戴終端連接起來(lái)。這用于提供諸如足跡數(shù)或平均速度等數(shù)據(jù)。

比利時(shí)IMEC的研究人員開發(fā)了一種微機(jī)械設(shè)計(jì)，也可用于從運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生動(dòng)力。他們的MEMS能量采集器是一個(gè)懸臂，在金屬電極之間有一層壓電氮化鋁層。這形成了一個(gè)電容器，當(dāng)懸臂桿振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生電能。然后可以收獲電容器兩端的電壓以驅(qū)動(dòng)無(wú)線電路。由于這可以在標(biāo)準(zhǔn)的6英寸CMOS晶圓上構(gòu)建，因此這些微型器件有可能與無(wú)線收發(fā)器一起集成，直接供電或分布在服裝周圍。

可以在周圍使用熱傳感器。身體從溫差發(fā)電。使用珀耳帖效應(yīng)的裝置從衣服內(nèi)部和外部之間的溫度梯度產(chǎn)生電流。這可以用來(lái)直接給電池供電或直接為無(wú)線鏈路供電。

荷蘭埃因霍溫霍爾斯特中心的研究人員已經(jīng)將熱電發(fā)電機(jī)（TEG）集成到一件襯衫中。 。 TEG在22°C時(shí)坐在辦公室時(shí)的平均功率為1 mW，在走動(dòng)時(shí)則為2 mW。這可以為可穿戴電子設(shè)備提供電力，例如目前需要大約0.4 mW的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，甚至可能會(huì)下降。

圖2：將一排熱電堆整合到襯衫中，將身體的熱量轉(zhuǎn)化為能量。

TEG連接十六個(gè)一級(jí)熱電堆，每個(gè)熱電堆夾在3厘米的熱板和冷板之間。將冷板粘在碳織物上，該碳織物縫在襯衫的內(nèi)側(cè)以帶走熱量并提供溫差。這種雙層結(jié)構(gòu)使襯衫舒適，意味著可以清洗和熨燙。

Cymbet的CBC-EVAL-09熱評(píng)估板提供了一個(gè)Peltier效果設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)線鏈路，集成了DC -DC轉(zhuǎn)換器需要提供電源。同樣，EnOcean的EDK312C評(píng)估套件也使用熱能為無(wú)線鏈路供電。

太陽(yáng)能電池是可穿戴電子產(chǎn)品的主要供電供應(yīng)商。 EnOcean的ECS300太陽(yáng)能電池也可與評(píng)估套件一起用作替代電源。較小的ECS 300適用于單向傳感器應(yīng)用，而ECS 310則設(shè)計(jì)用于使用EnOcean的Smart Ack技術(shù)的雙向應(yīng)用。

< p>圖3：EnOcean的EH300太陽(yáng)能電池。

太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)建立，并且通過(guò)柔性基板，它們現(xiàn)在可以集成到外部服裝（如外套）的設(shè)計(jì)中。電池的效率也提高了，因此它們可以從室內(nèi)和室內(nèi)照明產(chǎn)生電力，從而提高其使用率。雖然它們可以直接用于為設(shè)備供電，但更常見的途徑是涓流充電鋰離子電池，這些電池很輕，也可以集成到衣服中。這為顯示器和音樂(lè)播放器提供了動(dòng)力，為L(zhǎng)ED和電致發(fā)光顯示器提供了電源。

IXYS提供IXOLAR SolarMD，用于為各種電池供電和手持式消費(fèi)產(chǎn)品充電，如手機(jī)，相機(jī)， PDA，MP3播放器和玩具。它們還適用于工業(yè)應(yīng)用，如無(wú)線傳感器，便攜式儀表，以及為備用電池充電。

SolarMD的電池效率通常為22％，即使在“低溫”下也能延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。輕便的“條件，延長(zhǎng)電池壽命和小占地面積的運(yùn)行時(shí)間，可輕松適應(yīng)便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)允許靈活地串聯(lián)和/或并聯(lián)連接SolarMD，以滿足特定的功率要求。

Clare為設(shè)計(jì)人員提供了不同的方法。 CPC1822不是陣列，而是具有開關(guān)電路的單片光伏太陽(yáng)能電池串。當(dāng)在陽(yáng)光或明亮的人造光環(huán)境中操作時(shí)，光能將激活單元陣列并在輸出處產(chǎn)生電壓。太陽(yáng)能電池能夠產(chǎn)生足以驅(qū)動(dòng)和供電CMOS IC，邏輯門或?yàn)殡姵靥峁╀噶鞒潆姷母?dòng)電源電壓和電流。

圖4：Clare的光伏電池。

Sanyo Energy一直處于開發(fā)太陽(yáng)能電池的最前沿，其重點(diǎn)是采用Amorton技術(shù)的柔性電池。

與晶體硅不同非晶硅具有不規(guī)則的原子排列，允許更多的光被吸收，使得電池對(duì)于給定的功率輸出更薄。這意味著可以生產(chǎn)小于1μm的超薄非晶硅膜并用于發(fā)電。通過(guò)使用塑料基板，這種薄膜可以制成柔性，用于可穿戴系統(tǒng)中的能量收集。

圖5：三洋的Amorton太陽(yáng)能電池薄膜。

Amorton是一種集成的非晶硅太陽(yáng)能電池，它使用硅烷（SiH4）作為其源氣體，并使用等離子體氣相沉積工藝制造。在玻璃基板上連續(xù)形成三個(gè)非晶硅層--p層，i層和n層。該p-i-n結(jié)對(duì)應(yīng)于晶體硅太陽(yáng)能電池的p/n結(jié)，產(chǎn)生了一系列結(jié)，允許獲得各種功率輸出的任何所需電壓。然后可以將柔性薄膜縫制成夾克，為設(shè)備提供動(dòng)力。

人們?cè)絹?lái)越關(guān)注將各種電子功能集成到服裝中，使服裝堅(jiān)固耐用。從通信到處理甚至是時(shí)尚顯示器，電子設(shè)備為設(shè)計(jì)人員提供了更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

電源是這項(xiàng)創(chuàng)新的關(guān)鍵要素，能量收集技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠克服集成此類設(shè)備的一些挑戰(zhàn)穿上衣服。雖然電池具有很強(qiáng)的作用，但從充電和用戶的角度來(lái)看，從環(huán)境中獲取能量可使衣物更加實(shí)用和持久。