将能量收集技术应用于可穿戴电子设备产品中

电子设备越来越多地融入服装并连接在一起。从环境中获取能量正被用于为设备，链路供电，甚至提供一些时尚元素。

能量收集的一个令人兴奋的发展领域是可穿戴技术。由于功能或时尚原因，越来越多的电子产品被整合到服装中。例如，音乐播放器正在被整合到外套中，时装设计师正在使用电子发光和LED显示器，通常与音乐相关联，以创造活跃的服装。

其中大部分需要动力，能够利用振动，热能或太阳能直接为显示器和无线链路供电或为轻薄的锂聚合物电池充电，为该技术提供了关键的一步。没有人愿意将衬衫插入主电源进行充电，并且从环境中提供电力可以显着延长充电周期。

这也需要在一些能量收集技术方面向前迈进一步，尤其是太阳能电池。虽然这种电池的效率已经提高，因此它们可以从室内照明产生有用的电力，但玻璃或晶体硅基器件可能很重。然而，新一代无定形柔性电池越来越受欢迎，可以整合到服装中供电。

澳大利亚国立大学的研究人员就是这样一个例子，他们开发了一种薄的柔性太阳能电池板。银细胞。该技术已经开发用于军事用途，作为可穿戴太阳能电池板为设备供电，并为更加坚固而灵活的电池创造了一个步骤。

带有集成电子设备的洗衣服也被视为一个主要缺点。 Seibersdorf实验室和奥地利技术学院（AIT）的研究人员取得了一项突破，他们设法将标准NFC无线电标签和天线编织成服装，以便可以清洗。

天线在制造时集成到织物中，手动添加NFC芯片。该方法以这样的方式进行管理，使衣物能够在60℃下洗涤，旋转干燥，甚至用传统的电熨斗熨烫，所有这些都不会损坏标签。这使得具有NFC功能的洗衣机可以直接从衣服中获取特定洗涤程序的数据。

可穿戴电子产品的发展也为基础技术创造了新的方法。美国国家航空航天局的太空研究人员用铜制造了一个开关存储器，可以编织并直接集成到服装结构中。

图1：NASA的可穿戴电子产品的存储器阵列。

从铜线开始，铜，氧化铜和铂的夹层结构构建在交叉开关架构中并钝化以创建电阻存储器结构。这种双端子横杆阵列可以容易地嵌入到材料中，因为纺织品由正交纤维网络组成，并且交叉点接触固有地形成在每个交叉点处，类似于横杆存储器结构。虽然介电层通常是绝缘体，但金属氧化物可以根据施加的电压处于绝缘或导电状态，从而提供记忆功能。

韩国的研究人员也在使用电阻式存储器，或者“忆阻器”，开发灵活的存储设备，可以在没有恒定功率的情况下存储数据，并可用于可穿戴设备，特别是用于医疗监控和治疗。

韩国高等科学技术研究院（KAIST）的研究人员已经制成了无定形二氧化钛的忆阻器，顶部和底部都有铝电极和柔性晶体管。

所有这些技术都将增加对服装电力的需求，这可以通过以下方式实现。方法。

压电振动传感器可用于捕获振动能量。这尤其与鞋类，特别是训练鞋有关，其中恒定运动产生电流以为无线链路供电。这已经在耐克公司的“智能”鞋中实现，为无线连接提供了支持，可以将手机或可穿戴终端连接起来。这用于提供诸如足迹数或平均速度等数据。

比利时IMEC的研究人员开发了一种微机械设计，也可用于从运动中产生动力。他们的MEMS能量采集器是一个悬臂，在金属电极之间有一层压电氮化铝层。这形成了一个电容器，当悬臂杆振动时会产生电荷，从而产生电能。然后可以收获电容器两端的电压以驱动无线电路。由于这可以在标准的6英寸CMOS晶圆上构建，因此这些微型器件有可能与无线收发器一起集成，直接供电或分布在服装周围。

可以在周围使用热传感器。身体从温差发电。使用珀耳帖效应的装置从衣服内部和外部之间的温度梯度产生电流。这可以用来直接给电池供电或直接为无线链路供电。

荷兰埃因霍温霍尔斯特中心的研究人员已经将热电发电机（TEG）集成到一件衬衫中。 。 TEG在22°C时坐在办公室时的平均功率为1 mW，在走动时则为2 mW。这可以为可穿戴电子设备提供电力，例如目前需要大约0.4 mW的健康监测设备，甚至可能会下降。

图2：将一排热电堆整合到衬衫中，将身体的热量转化为能量。

TEG连接十六个一级热电堆，每个热电堆夹在3厘米的热板和冷板之间。将冷板粘在碳织物上，该碳织物缝在衬衫的内侧以带走热量并提供温差。这种双层结构使衬衫舒适，意味着可以清洗和熨烫。

Cymbet的CBC-EVAL-09热评估板提供了一个Peltier效果设备来驱动无线链路，集成了DC -DC转换器需要提供电源。同样，EnOcean的EDK312C评估套件也使用热能为无线链路供电。

太阳能电池是可穿戴电子产品的主要供电供应商。 EnOcean的ECS300太阳能电池也可与评估套件一起用作替代电源。较小的ECS 300适用于单向传感器应用，而ECS 310则设计用于使用EnOcean的Smart Ack技术的双向应用。

< p>图3：EnOcean的EH300太阳能电池。

太阳能电池技术已经建立，并且通过柔性基板，它们现在可以集成到外部服装（如外套）的设计中。电池的效率也提高了，因此它们可以从室内和室内照明产生电力，从而提高其使用率。虽然它们可以直接用于为设备供电，但更常见的途径是涓流充电锂离子电池，这些电池很轻，也可以集成到衣服中。这为显示器和音乐播放器提供了动力，为LED和电致发光显示器提供了电源。

IXYS提供IXOLAR SolarMD，用于为各种电池供电和手持式消费产品充电，如手机，相机， PDA，MP3播放器和玩具。它们还适用于工业应用，如无线传感器，便携式仪表，以及为备用电池充电。

SolarMD的电池效率通常为22％，即使在“低温”下也能延长运行时间。轻便的“条件，延长电池寿命和小占地面积的运行时间，可轻松适应便携式产品的设计。该设计允许灵活地串联和/或并联连接SolarMD，以满足特定的功率要求。

Clare为设计人员提供了不同的方法。 CPC1822不是阵列，而是具有开关电路的单片光伏太阳能电池串。当在阳光或明亮的人造光环境中操作时，光能将激活单元阵列并在输出处产生电压。太阳能电池能够产生足以驱动和供电CMOS IC，逻辑门或为电池提供涓流充电的浮动电源电压和电流。

图4：Clare的光伏电池。

Sanyo Energy一直处于开发太阳能电池的最前沿，其重点是采用Amorton技术的柔性电池。

与晶体硅不同非晶硅具有不规则的原子排列，允许更多的光被吸收，使得电池对于给定的功率输出更薄。这意味着可以生产小于1μm的超薄非晶硅膜并用于发电。通过使用塑料基板，这种薄膜可以制成柔性，用于可穿戴系统中的能量收集。

图5：三洋的Amorton太阳能电池薄膜。

Amorton是一种集成的非晶硅太阳能电池，它使用硅烷（SiH4）作为其源气体，并使用等离子体气相沉积工艺制造。在玻璃基板上连续形成三个非晶硅层--p层，i层和n层。该p-i-n结对应于晶体硅太阳能电池的p/n结，产生了一系列结，允许获得各种功率输出的任何所需电压。然后可以将柔性薄膜缝制成夹克，为设备提供动力。

人们越来越关注将各种电子功能集成到服装中，使服装坚固耐用。从通信到处理甚至是时尚显示器，电子设备为设计人员提供了更多的创新机会。

电源是这项创新的关键要素，能量收集技术使设计人员能够克服集成此类设备的一些挑战穿上衣服。虽然电池具有很强的作用，但从充电和用户的角度来看，从环境中获取能量可使衣物更加实用和持久。