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【安珀网】可穿戴技术硬件开发问题讨论
智能穿戴设备FashionComm / 2014-03-18

可穿戴技术上占有重要位置——不仅仅是处理器的形式,还包括整个系统的形式。芯片规模组装很自然的在可穿戴设备领域有了立足之地,封装大小和功能的融合对于可穿戴设备来说也很重要。

如果你是在电子行业工作,你肯定听说过可穿戴技术的火热发展。但是概念可不是新的,因为可穿戴设备的电子在近半个世纪来一直在提高我们的生活质量。真正的可携带电子随着上世纪七十年代微处理器的到来来到历史的舞台。从那以后,该行业开始大量生产和小型化电子手表,助听器,可携带音乐播放器等等。

可携带电子并不是新的东西,但是分类却在快速变化着。微型电子机械系统(MEMS)现在使得阵列传感器完美融合成为可能,这样他们能够收集信息。微型控制器现在非常小型化,已经可以完美的隐藏起来,消耗极少的能量。无限通信和低能耗标准使得原本独立操作的原件可以很容易和彼此融合在一起。低能耗LED和弹性显示器技术差点把科幻世界带到现实中来。今天,许多可穿戴概念只是被能耗管理和电池寿命束缚住了而已,但是这也正在发生改变,因为在能源利用和无限充电技术方面有了很多的进步。

 

便携式平台

 

现在几乎每个人都携带一部笔记本电脑用来进入社交网络,于是可穿戴市场便有了一种巨大的未被开发的潜能。许多关于如何融合电子的概念仍然是新的,仍处在原型阶段。在可穿戴电子行业,把电子和传感器结合来收集信息只是一部分而已。利用微控制器发明的创意应用的发展则是另外一个更不那么明显的部分。但是随着产品和新概念的产生,半导体组装微非常不同的技术之间的融合铺平了道路。可穿戴设备行业将要井喷,而电子组装上的创新则是一个主要的原因。

2014国际CES上可穿戴设备的出现引起了轰动。在消费者中间赢得了信任的产品有健身和健康追踪器智能手表腕带,基于感应和触摸的电子纺织品,个性化的灯衣物以及虚拟现实显示器。这所有的一切都给组装技术带来了挑战。 

1.可穿戴电子把我们的衣物和身体相融合,设计它们的初衷就是为了成为我们服饰的一部分,并且融入到我们每日的佩戴上面,甚至纹身也是可以的!

本质上来说是数据收集器的健身腕带随处可见。它们利用加速计和触摸温度传感器来追踪和记录活动。一些还把摩托控制器和振动融合用作提醒,和LED融合用作雕塑和光检查,和复式显示器融合用作更高级的互动产品。形式因素必须很小,很灵活,能够在人类居住的任何环境下生存。

人们对于智能手表也有相似期许,但是它在移动平台上增加了触摸显示器,相机和快速数据通信之间更为复杂的互动。正和早期邦德007电影上的设备类似,这些设备也许最终能够代替或者增强手机的应用。正因为如此,智能手表在可穿戴设备中增加了高能量和热量管理,增加了其复杂性。

让这股潮流更进一步的是可携带的头戴显示器(HUDs)的应用。HUDs被谷歌眼睛所驱动,变得受欢迎,其整合了智能手机的所有元素在一个便捷的眼镜平台。HUDs要求一流的小型化,交互和热量管理。

其他的产品概念,比如智能电子纺织品却走了一条不同的路子。这些纺织品整合了伸缩,压缩和触摸传感器元素,这些元素可以在纤维本身里面融合。拥有LEDs的个性化衣物和基于触摸的交互必须在隐藏在材料以外的电子和链接之间很灵活的存在。甚至更不那么明显的组件也更小型化了,镶嵌在了珠宝里面。一些融合在衣物里德应用找到了特别的定位,比如为个人训练准备的日益受欢迎的智能鞋。智能鞋里的电子和孔里面的传感器融合在一起,可以报告重量分布,强度和活动。

所有这些可穿戴电子都有相似的功能要求:

这些电子的设计和形式必须不显眼,甚至隐形。

电子元件必须足够地安全可靠,可以承受得了人类的环境,寿命很长。

和皮肤接触的电子必须有一个舒适的热量操作范围。

组装在这些所有的领域里都扮演关键的角色。

 

设计和形式因素

 

形式因素在可穿戴技术上占有重要位置-不仅仅是处理器的形式,还包括整个系统的形式。芯片规模组装很自然的在可穿戴设备领域有了立足之地。包装大小和普通功能的融合对于可穿戴设备来说也很重要。

对于要求严格的处理器应用来说,2.5D3D的多芯片模式的应用对于像智能手表和谷歌眼睛般的可穿戴设备来说只是一种小的,弱的形式。组装之外的最小化线连接要求允许更加融合地融合在微型化的PCBs上。

QFNuCSPCSP一样的组装对于电源管理,微控制器和无线功能来说是非常受欢迎的解决方案,因为他们的形体小。它们可以用在小型PCBs上或者和电路融合在一起。

因为越来越多的可穿戴应用发布出来了,也走向生产了,市场将持续转向SiP来融合更多的普通功能。电源管理,传感器和微型控制区等功能可以基于应用的利用而结合在一起。因为许多的技术都要求非常多不同的生产程序,组装融合是走向小型化的下一步,可以给系统提供一些明显的优势。

像蓝牙一样的通讯技术对能源的要求比较高,也可适用于一些可穿戴产品,但是大部分的可传达技术只要求低能耗的传输标准。这些产品用的都是RFID。在各种不同芯片上天线的融合让许多的设计形式成为可能。

 

发热量考量

 

可穿戴电子产品对于组装和整个系统提出了一些独特的热量设计方面的挑战。对于温度的操作并不是由单独的可靠性来决定的,设备也必须保持一定的合适温度。

和皮肤接触的电子必须维持一个理想的温度,等于或者地狱人体温度37C(98.6F)。大于这个温度是不舒服的,也是热的。要是温度还更高,则会对用户产生痛苦。这项设计挑战对于处理器密集型应用和拥有复杂的显示器部件来说是一个问题。

2.皮肤对于热量的变动很敏感,这样会对用户产生痛苦。

对可穿戴设备的好消息是人体也是一部非常棒的温度调节器。皮肤温度低于正常人体温度,并且可以分散热量。这增加了可穿戴设备潜在的能源消耗。当然,这取决于这些设备怎么穿戴以及在哪里穿戴。

3.谷歌眼镜主板包括内存和处理器。主要的热量通道直接和接触皮肤的热量存储器连接。

身体调节温度是有限度的,根据传导和血流的不同而不同,但一般来说,皮肤的传导率大约是0.37W/mC。热量设计对于一些智能手表和眼镜来说是一项挑战。因为它们对于处理器和组装拥有很高的热量要求。这些产品利用的组装和系统解决方案优化了通道,这样就能利用皮肤接触的优势。但是在依靠人体的时候,设计师们也应该保持警惕。皮肤的接触可能是断断续续的,看是什么样的活动,或者会被衣物所阻碍。并且,如果设备被移除了,仍然需要在合适的温度下运行。

积极的热量监控和能量管理对于设备很好的表现和防止设备超过舒适温度很重要。这要求增加热量传感器到硅上和系统里面来监测操作和能量。这些信息被用来和时钟管理一起对操作频率做出实时调整。

 

材料和环境

 

人体对于电子元件来说不是一个理想的环境。虽然已经用过的设备的温度范围可能有所限制但是环境本身可能很苛刻。电子应该在非常潮湿和有灰尘的环境下运行。许多用在包装和主板组装上的材料都对湿度很敏感,要求完全的封装所有的电子元件。

材料互动有化学和机械元素。这些元素能够驱动测量和测试来优化用在端系统里德组装,涂层甚至封装。知识量更少的端顾客将依靠组件制造商来确保可兼容性,来给机械评估和可靠性提供测量的模型。许多基于机械的互动可以由基于温度的循环带出,这些循环包括基于湿度和压力的测试。

拉伸和变形的影响延伸到和PCB连接的以外。压力也会影响电路操作,特别明显的是用在传感器上的MEMS

MEMS传感器很依赖于一些部件。这些部件可以探测到金属和电介质结构上电阻和电容的变化。当结构变形的时候,值会发生改变,就会产生错误的信号。而半导体业也会受到影响。

想要完全达到可穿戴设备的形式要求,必须要求更复杂的电路。这样的话,电路,组装和端系统之间的界限就会越来越模糊。

一些可以和衣物融合地产品在被清洗的时候也要考虑到生存问题。对于强健的可靠性方面来定义什么是必须的显然是一块崭新的领域。

现在,整个产业还处在初级阶段。对于产品如何提供高质量的服务的同时又具备低能耗,这是整个工业需要思考的问题。有很清洗的证据显示,将会有越来越多的应用将融入我们的日常生活。组装的方式将更加多元化。

 

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