uudiseid

Täname teid Nature'i külastamise eest.Kasutatav brauseri versioon toetab CSS-i piiratud ulatuses.Parima kasutuskogemuse tagamiseks soovitame kasutada brauseri uuemat versiooni (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja).Samal ajal , kuvame jätkuva toe tagamiseks saite ilma stiilide ja JavaScriptita.
Lisandid ja madala temperatuuriga printimisprotsessid võivad integreerida paindlikele aluspindadele madala hinnaga mitmesuguseid energiat ja energiat tarbivaid elektroonikaseadmeid. Nendest seadmetest terviklike elektroonikasüsteemide tootmiseks on aga tavaliselt vaja toiteelektroonikaid, et teisendada erinevate tööpingete vahel. seadmed.Passiivsed komponendid – induktiivpoolid, kondensaatorid ja takistid – täidavad selliseid funktsioone nagu filtreerimine, lühiajaline energia salvestamine ja pinge mõõtmine, mis on olulised jõuelektroonikas ja paljudes muudes rakendustes.Selles artiklis tutvustame induktiivpoolid, kondensaatorid, takistid ja RLC-ahelad, mis on trükitud painduvatele plastalustele, ning teatage projekteerimisprotsessist, et minimeerida induktiivpoolide jadatakistust, et neid saaks kasutada elektrielektroonilistes seadmetes. Trükitud induktiivpool ja takisti ühendatakse seejärel võimendusregulaatori ahelaga. Tootmine orgaanilised valgusdioodid ja painduvad liitiumioonakud. Aku dioodide toiteks kasutatakse pingeregulaatoreid, mis näitavad prinditud passiivsete komponentide potentsiaali asendada traditsioonilisi pindpaigalduskomponente alalis-alalisvoolu muundurite rakendustes.
Viimastel aastatel on välja töötatud erinevate paindlike seadmete rakendamine kantavates ja suure pindalaga elektroonikatoodetes ning asjade internetis1,2. Nende hulka kuuluvad energia kogumise seadmed, nagu fotogalvaanilised 3, piesoelektrilised 4 ja termoelektrilised 5; energiasalvestid, näiteks akud 6, 7; ja energiat tarbivad seadmed, nagu andurid 8, 9, 10, 11, 12 ja valgusallikad 13. Kuigi üksikute energiaallikate ja koormuste osas on tehtud suuri edusamme, nõuab nende komponentide ühendamine terviklikuks elektrooniliseks süsteemiks tavaliselt jõuelektroonikat, ületada kõik ebakõlad toiteallika käitumise ja koormuse nõuete vahel.Näiteks aku genereerib muutuvat pinget vastavalt selle laadimisolekule.Kui koormus nõuab püsivat pinget või kõrgemat pinget, mida aku suudab genereerida, on vaja jõuelektroonikat .Toiteelektroonikas kasutatakse lülitus- ja juhtimisfunktsioonide täitmiseks aktiivseid komponente (transistore), aga ka passiivseid komponente (induktiivpoolid, kondensaatorid ja takistid).Näiteks lülitusregulaatori ahelas kasutatakse iga lülitustsükli jooksul energia salvestamiseks induktiivpooli. , kasutatakse pinge pulsatsiooni vähendamiseks kondensaatorit ja tagasiside juhtimiseks vajalik pinge mõõtmine toimub takistijaguri abil.
Jõuelektroonikaseadmed, mis sobivad kantavatele seadmetele (nt pulssoksümeeter 9), vajavad mitut volti ja mitut milliamprit, töötavad tavaliselt sagedusvahemikus sadadest kHz kuni mitme MHz ning nõuavad mitut μH ja mitut μH induktiivsust ning mahtuvus μF on Traditsiooniline meetod nende vooluringide valmistamiseks on diskreetsete komponentide jootmine jäigale trükkplaadile (PCB). Kuigi jõuelektroonikalülituste aktiivsed komponendid ühendatakse tavaliselt üheks räni integraallülituseks (IC), on passiivsed komponendid tavaliselt väline, võimaldades kas kohandatud vooluahelaid või kuna nõutav induktiivsus ja mahtuvus on ränis rakendamiseks liiga suured.
Võrreldes traditsioonilise PCB-põhise tootmistehnoloogiaga on elektroonikaseadmete ja vooluahelate valmistamisel liittrükkimise teel palju eeliseid lihtsuse ja kulude osas. Esiteks, kuna paljud vooluringi komponendid nõuavad samu materjale, näiteks kontaktide jaoks metalle ja omavahelised ühendused, võimaldab printimine toota mitut komponenti samaaegselt suhteliselt väheste töötlemisetappide ja vähemate materjalide allikatega15.Liitmisprotsesside kasutamine lahutavate protsesside (nt fotolitograafia ja söövitus) asendamiseks vähendab veelgi protsessi keerukust ja materjali raiskamist16, 17, 18 ja 19. Lisaks sobivad trükkimisel kasutatavad madalad temperatuurid paindlike ja odavate plastaluspindadega, võimaldades kasutada kiireid rullist rullile tootmisprotsesse, et katta elektroonikaseadmeid 16, 20 suurtel aladel. mida ei saa prinditud komponentidega täielikult realiseerida, on välja töötatud hübriidmeetodid, milles pindpaigaldustehnoloogia (SMT) komponendid ühendatakse madalatel temperatuuridel prinditavate komponentide kõrval painduvate aluspindadega 21, 22, 23. Selle hübriidse lähenemisviisi korral on Vajalik on asendada võimalikult palju SMT komponente trükitud analoogidega, et saada eeliseid lisaprotsessidest ja suurendada vooluahela üldist paindlikkust. Paindliku jõuelektroonika realiseerimiseks oleme pakkunud välja SMT aktiivsete komponentide ja siiditrükiga passiivsete komponentide kombinatsiooni. komponendid, pannes erilist rõhku suuremahuliste SMT induktiivpoolide asendamisele tasapinnaliste spiraalsete induktiivpoolide vastu. Erinevate trükitud elektroonikaseadmete tootmise tehnoloogiate hulgas on siiditrükk eriti sobiv passiivsete komponentide jaoks, kuna sellel on suur kilepaksus (mis on vajalik metallelementide seeriatakistuse minimeerimiseks ) ja suur printimiskiirus isegi sentimeetritasandiliste alade katmisel Sama kehtib kohati.Materjal 24.
Jõuelektroonikaseadmete passiivsete komponentide kadu tuleb minimeerida, sest vooluahela efektiivsus mõjutab otseselt süsteemi toiteks vajaliku energia hulka. See on eriti keeruline pikkadest poolidest koosnevate trükitud induktiivpoolide puhul, mis on seetõttu vastuvõtlikud kõrgetele jadatele. resistentsus.Seetõttu, kuigi on tehtud jõupingutusi prinditud poolide takistuse 25, 26, 27, 28 minimeerimiseks, on jõuelektrooniliste seadmete jaoks endiselt vähe tõhusaid prinditud passiivseid komponente.Praegu on paljud teatanud prinditud passiivsetest painduvatel alustel olevad komponendid on loodud töötama resonantsahelates raadiosagedustuvastuse (RFID) või energia kogumise eesmärgil 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Teised keskenduvad materjali või tootmisprotsessi arendamisele ja näitavad üldisi komponente 26, 32, 33, 34, mis pole konkreetsete rakenduste jaoks optimeeritud. Seevastu võimsuselektroonilised ahelad, nagu pingeregulaatorid, kasutavad sageli suuremaid komponente kui tavalised trükitud passiivsed seadmed ja ei vaja resonantsi, mistõttu on vaja erinevaid komponentide konstruktsioone.
Siin tutvustame siiditrükiga induktiivpoolide disaini ja optimeerimist vahemikus μH, et saavutada väikseim seeriatakistus ja kõrge jõudlus jõuelektroonikaga seotud sagedustel. Valmistatakse erinevate komponentide väärtustega siiditrükiga induktiivpoolid, kondensaatoreid ja takisteid. painduvatel plastalustel.Nende komponentide sobivust painduvate elektroonikatoodete jaoks demonstreeriti esmalt lihtsas RLC-ahelas.Prinditud induktiivpool ja takisti integreeritakse seejärel IC-ga, et moodustada võimendusregulaator.Lõpuks orgaaniline valgusdiood (OLED) ) ja painduvat liitiumioonakut toodetakse ning OLED-i akust toiteks kasutatakse pingeregulaatorit.
Jõuelektroonika jaoks trükitud induktiivpoolide kujundamiseks ennustasime esmalt induktiivsuse ja alalisvoolu takistuse rea induktiivpoolide geomeetriatele, tuginedes Mohani jt välja pakutud praegusele lehemudelile. 35, ja valmistatud erineva geomeetriaga induktiivpoolid, et kinnitada mudeli täpsust.Selles töös valiti induktiivpooli jaoks ringikujuline kuju, kuna suurema induktiivsuse 36 on võimalik saavutada väiksema takistusega võrreldes hulknurkse geomeetriaga. Tindi mõju määratakse takistuse printimistsüklite tüüp ja arv. Neid tulemusi kasutati seejärel ampermeetri mudeliga 4,7 μH ja 7,8 μH induktiivpoolide kujundamiseks, mis on optimeeritud minimaalse alalisvoolutakistuse jaoks.
Spiraalsete induktiivpoolide induktiivsust ja alalisvoolu takistust saab kirjeldada mitme parameetriga: välisläbimõõt do, pöörde laius w ja vahekaugus s, keerdude arv n ja juhi lehe takistus Rsheet.Joonis 1a on kujutatud siiditrükiga ümmarguse induktiivpooli fotot. n = 12, mis näitab geomeetrilisi parameetreid, mis määravad selle induktiivsuse.Vastavalt ampermeetri mudelile Mohan et al. 35, arvutatakse induktiivsus induktiivpooli geomeetria jada jaoks, kus
(a) Foto siiditrükis induktiivpoolist, millel on näha geomeetrilised parameetrid. Läbimõõt on 3 cm. Erinevate geomeetriliste induktiivpoolide induktiivsus (b) ja alalisvoolutakistus (c). Jooned ja märgid vastavad vastavalt arvutatud ja mõõdetud väärtustele. (d,e) Induktiivpoolide L1 ja L2 alalisvoolutakistused on trükitud vastavalt Dupont 5028 ja 5064H hõbedaste trükivärvidega. (f,g) Kilede SEM-mikropildid, mis on trükitud vastavalt Dupont 5028 ja 5064H abil.
Kõrgetel sagedustel muudavad nahaefekt ja parasiitmahtuvus induktiivpooli takistust ja induktiivsust vastavalt selle alalisvoolu väärtusele. Eeldatakse, et induktiivpool töötab piisavalt madalal sagedusel, nii et need mõjud on tühised ja seade käitub konstantse induktiivsusena. pideva takistusega järjestikku.Seetõttu analüüsisime selles töös geomeetriliste parameetrite, induktiivsuse ja alalisvoolutakistuse vahelisi seoseid ning kasutasime tulemusi antud induktiivsuse saamiseks väikseima alalisvoolutakistusega.
Induktiivsus ja takistus arvutatakse rea geomeetriliste parameetrite jaoks, mida saab realiseerida siiditrüki abil, ning eeldatavasti tekib induktiivsus vahemikus μH. Välisdiameetrid 3 ja 5 cm, joone laiused 500 ja 1000 mikronit , ja võrreldakse erinevaid pöördeid.Arvutamisel eeldatakse, et lehe takistus on 47 mΩ/□, mis vastab 7 μm paksusele Dupont 5028 hõbedase mikrohelveste juhikihile, mis on trükitud 400 võrgusilma suuruse ekraaniga ja seadistusega w = s. arvutatud induktiivsuse ja takistuse väärtused on näidatud vastavalt joonistel 1b ja c. Mudel ennustab, et nii induktiivsus kui takistus suurenevad välisläbimõõdu ja keerdude arvu suurenedes või joone laiuse vähenedes.
Mudeli prognooside täpsuse hindamiseks valmistati polüetüleentereftalaadist (PET) substraadile erineva geomeetria ja induktiivsusega induktiivpoolid. Mõõdetud induktiivsuse ja takistuse väärtused on näidatud joonistel 1b ja c. Kuigi takistus näitas mõningast kõrvalekallet Eeldatav väärtus, peamiselt ladestunud tindi paksuse ja ühtluse muutuste tõttu, näitas induktiivsus mudeliga väga head kokkusobivust.
Neid tulemusi saab kasutada nõutava induktiivsuse ja minimaalse alalisvoolutakistusega induktiivpooli kujundamiseks. Oletame näiteks, et nõutav induktiivsus on 2 μH. Jooniselt 1b on näha, et seda induktiivsust saab realiseerida 3 cm välisläbimõõduga, joone laiusega 500 μm ja 10 pööret. Sama induktiivsuse saab tekitada ka 5 cm välisläbimõõduga, 500 μm joone laiusega ja 5 pööret või 1000 μm joone laiusega ja 7 pööret kasutades (nagu on näidatud joonisel). Nende kolme takistuste võrdlemine Võimalikud geomeetriad joonisel 1c, võib leida, et 1000 μm joone laiusega 5 cm induktiivpooli väikseim takistus on 34 Ω, mis on umbes 40% madalam kui ülejäänud kahel.Üldine projekteerimisprotsess etteantud induktiivsuse saavutamiseks minimaalse takistusega on kokku võetud järgmiselt: Esiteks valige maksimaalne lubatud välisläbimõõt vastavalt rakenduse poolt kehtestatud ruumipiirangutele. Seejärel peaks joone laius olema võimalikult suur, saavutades samal ajal vajaliku induktiivsuse, et saavutada kõrge täitmismäär (võrrand (3)).
Suurendades paksust või kasutades metallkile lehttakistuse vähendamiseks suurema juhtivusega materjali, saab alalisvoolu takistust veelgi vähendada, ilma et see mõjutaks induktiivsust.Kaks induktiivpooli, mille geomeetrilised parameetrid on toodud tabelis 1, mida nimetatakse L1 ja L2, valmistatakse erineva arvu kattekihtidega, et hinnata takistuse muutust.Tindikatete arvu suurenedes väheneb takistus ootuspäraselt proportsionaalselt, nagu on näidatud joonistel 1d ja e, mis on vastavalt induktiivpoolid L1 ja L2.Joonised 1d ja e näitavad, et 6 kihi katte pealekandmisega saab takistust vähendada kuni 6 korda ja maksimaalne takistuse vähenemine (50–65%) toimub 1. ja 2. kihi vahel. Kuna iga tindikiht on suhteliselt õhuke, Nende induktiivpoolide printimiseks kasutatakse suhteliselt väikese ruudustikuga (400 rida tolli kohta) ekraani, mis võimaldab uurida juhtme paksuse mõju takistusele. Kuni mustri omadused jäävad võrgu minimaalsest eraldusvõimest suuremaks, sarnase paksuse (ja takistuse) saab kiiremini saavutada, trükkides väiksema arvu katteid suurema ruudustikuga. Seda meetodit saab kasutada sama alalisvoolutakistuse saavutamiseks kui siin käsitletud 6-kattega induktiivpool, kuid suurema tootmiskiirusega.
Joonised 1d ja e näitavad ka seda, et juhtivamat hõbehelveste tinti DuPont 5064H kasutades väheneb takistus kahekordselt. Kahe tindiga prinditud kilede SEM-mikrograafide põhjal (joonis 1f, g) saab on näha, et 5028 tindi madalam juhtivus on tingitud selle väiksemast osakese suurusest ja paljudest tühimikest prinditud kiles olevate osakeste vahel. Teisest küljest on 5064H-l suuremad, tihedamalt paigutatud helbed, mistõttu see käitub suuremahulisemalt. hõbe.Kuigi selle tindiga toodetud kile on õhem kui 5028 tindil, ühe kihiga 4 μm ja 6 kihti 22 μm, on juhtivuse suurenemine piisav üldise takistuse vähendamiseks.
Lõpuks, kuigi induktiivsus (võrrand (1)) sõltub pöörete arvust (w + s), sõltub takistus (võrrand (5)) ainult joone laiusest w. Seega, suurendades w võrra s, muutub takistus. saab veelgi vähendada.Kaks täiendavat induktiivpooli L3 ja L4 on projekteeritud nii, et neil on w = 2s ja suur välisläbimõõt, nagu on näidatud tabelis 1. Need induktiivpoolid on valmistatud 6 kihi DuPont 5064H kattega, nagu varem näidatud, et tagada suurim jõudlus. L3 induktiivsus on 4,720 ± 0,002 μH ja takistus on 4,9 ± 0,1 Ω, samas kui L4 induktiivsus on 7,839 ± 0,005 μH ja 6,9 ± 0,1 Ω, mis on mudeli ennustusega hästi kooskõlas. paksuse, juhtivuse ja w/s suurenemine, tähendab see, et L/R suhe on joonisel 1 näidatud väärtusega võrreldes suurenenud rohkem kui suurusjärgu võrra.
Kuigi madal alalisvoolutakistus on paljulubav, tuleb vahemikus kHz-MHz töötavatele jõuelektroonikaseadmetele induktiivpoolide sobivuse hindamine vahelduvvoolu sagedustel iseloomustada.Joonis 2a näitab L3 ja L4 takistuse ja reaktantsi sagedussõltuvust.Sageduste puhul alla 10 MHz , jääb takistus oma alalisvoolu väärtuse juures ligikaudu konstantseks, samas kui reaktants suureneb lineaarselt sagedusega, mis tähendab, et induktiivsus on ootuspäraselt konstantne. Iseresonantssagedus on defineeritud kui sagedus, mille juures impedants muutub induktiivsest mahtuvuslikuks. L3 on 35,6 ± 0,3 MHz ja L4 on 24,3 ± 0,6 MHz. Kvaliteediteguri Q sagedussõltuvus (võrdne ωL/R) on näidatud joonisel 2b. L3 ja L4 saavutavad maksimaalsed kvaliteeditegurid 35 ± 1 ja 33 ± 1 sagedustel vastavalt 11 ja 16 MHz. Mõne μH induktiivsus ja suhteliselt kõrge Q MHz sagedustel muudavad need induktiivpoolid piisavaks traditsiooniliste pindkinnitusega induktiivpoolide asendamiseks väikese võimsusega alalis-alalisvoolu muundurites.
Induktiivpoolide L3 ja L4 mõõdetud takistus R ja reaktants X (a) ning kvaliteeditegur Q (b) on seotud sagedusega.
Antud mahtuvuse jaoks vajaliku jalajälje minimeerimiseks on kõige parem kasutada suure erimahtuvusega kondensaatortehnoloogiat, mis võrdub dielektrilise konstandiga ε jagatud dielektriku paksusega. Selles töös valisime baariumtitanaadi komposiidi dielektrikuna, kuna sellel on suurem epsilon kui teistel lahusega töödeldud orgaanilistel dielektrikutel.Dielektriline kiht trükitakse kahe hõbejuhi vahele, et moodustada metall-dielektrik-metall struktuur. Erineva suurusega kondensaatorid sentimeetrites, nagu on näidatud joonisel 3a , on toodetud kahe või kolme kihiga dielektrilise tintiga, et säilitada hea saagis.Joonis 3b kujutab ristlõike SEM-mikropilti tüüpilisest kondensaatorist, mis on valmistatud kahest dielektrikukihist ja mille dielektriku kogupaksus on 21 μm.Ülemine ja alumine elektrood on vastavalt ühekihilised ja kuuekihilised 5064H. Mikronisuurused baariumtitanaadi osakesed on SEM-pildil nähtavad, kuna heledamad alad on ümbritsetud tumedama orgaanilise sideainega. Dielektriline tint niisutab põhjaelektroodi hästi ja moodustab selge liidese trükitud metallkile, nagu on näidatud suurema suurendusega joonisel.
(a) Foto viie erineva alaga kondensaatorist. (b) Kahe dielektrikukihiga kondensaatori ristlõike SEM-mikrofoto, millel on näha baariumtitanaadi dielektrik ja hõbeelektroodid. (c) 2 ja 3 baariumtitanaadiga kondensaatorite mahtuvus dielektrilised kihid ja erinevad alad, mõõdetuna sagedusel 1 MHz.(d) Suhe mahtuvuse, ESR-i ja kaduteguri vahel 2,25 cm2 kondensaatoril, millel on 2 kihti dielektrilist katet, ja sagedus.
Mahtuvus on võrdeline eeldatava pindalaga. Nagu on näidatud joonisel 3c, on kahekihilise dielektriku erimahtuvus 0,53 nF/cm2 ja kolmekihilise dielektriku erimahtuvus 0,33 nF/cm2. Need väärtused vastavad dielektrilisele konstandile 13. Kahe dielektrikukihiga 2,25 cm2 kondensaatori puhul mõõdeti erinevatel sagedustel ka mahtuvust ja hajumistegurit (DF), nagu on näidatud joonisel 3d. Leidsime, et mahtuvus oli huvipakkuvas sagedusvahemikus suhteliselt tasane, kasvades 20% 1-lt 10 MHz-le, samas kui samas vahemikus suurenes DF 0,013-lt 0,023-le. Kuna hajumistegur on energiakao ja igas vahelduvvoolutsüklis salvestatud energia suhe, tähendab DF 0,02, et 2% käideldavast võimsusest Seda kaotust väljendatakse tavaliselt kondensaatoriga järjestikku ühendatud sagedusest sõltuva ekvivalentse jadatakistusega (ESR), mis on võrdne DF/ωC-ga. Nagu on näidatud joonisel 3d, sageduste puhul, mis on suuremad kui 1 MHz, ESR on väiksem kui 1,5 Ω ja sagedustel üle 4 MHz on ESR madalam kui 0,5 Ω.Kuigi seda kondensaatoritehnoloogiat kasutades nõuavad alalis-alalisvoolu muundurite jaoks vajalikud μF-klassi kondensaatorid väga suurt ala, kuid 100 pF- nF mahtuvusvahemik ja nende kondensaatorite väike kadu muudavad need sobivaks muudeks rakendusteks, nagu filtrid ja resonantsahelad .Mahtuvuse suurendamiseks võib kasutada erinevaid meetodeid.Kõrgem dielektriline konstant suurendab erimahtuvust 37; Näiteks saab seda saavutada baariumtitanaadi osakeste kontsentratsiooni suurendamisega tindis.Võib kasutada väiksemat dielektri paksust, kuigi selleks on vaja madalama karedusega põhjaelektroodi kui siiditrükis hõbehelves.Õhem, väiksema karedusega kondensaator kihte saab laduda tindiprinteri 31 või sügavtrüki 10 abil, mida saab kombineerida siiditrüki protsessiga. Lõpuks saab virnastada, printida ja paralleelselt ühendada mitu vahelduvat metalli ja dielektriku kihti, suurendades seeläbi mahtuvust 34 pinnaühiku kohta. .
Takistipaarist koosnevat pingejagurit kasutatakse tavaliselt pingeregulaatori tagasiside juhtimiseks vajaliku pinge mõõtmiseks. Seda tüüpi rakenduse puhul peaks trükitud takisti takistus olema vahemikus kΩ-MΩ ja seadmed on väikesed.Siin leiti, et ühekihilise siiditrükiga süsiniktindi lehetakistus oli 900 Ω/□.Seda teavet kasutatakse kahe lineaartakisti (R1 ja R2) ja serpentiintakisti (R3) projekteerimiseks. ) nimitakistustega 10 kΩ, 100 kΩ ja 1,5 MΩ. Nimiväärtuste vaheline takistus saavutatakse kahe või kolme tindikihi trükkimisega, nagu on näidatud joonisel 4, ja fotode kolmest takistusest. Tehke 8- 12 näidist igast tüübist; kõigil juhtudel on takistuse standardhälve 10% või vähem.Kahe- või kolmekihilise kattekihiga proovide takistuse muutus kipub olema veidi väiksem kui ühe kihiga proovide puhul.Mõõdetud takistuse väike muutus ja tihe kokkulangevus nimiväärtusega näitab, et takisti geomeetriat muutes saab otse saada muid selles vahemikus olevaid takistusi.
Kolm erinevat takisti geomeetriat erineva arvu süsinikutakistuse tindikatetega. Paremal on foto kolmest takistist.
RLC-ahelad on klassikalised õpikunäited takistite, induktiivpoolide ja kondensaatorite kombinatsioonidest, mida kasutatakse tõelistesse trükkplaatidesse integreeritud passiivsete komponentide käitumise demonstreerimiseks ja kontrollimiseks. Selles vooluringis on järjestikku ühendatud 8 μH induktiivpool ja 0,8 nF kondensaator ning 25 kΩ takisti on nendega paralleelselt ühendatud. Paindliku vooluahela foto on näidatud joonisel 5a. Selle spetsiaalse jada-paralleelkombinatsiooni valimise põhjuseks on asjaolu, et selle käitumise määravad kõik kolm erinevat sageduskomponenti, nii et iga komponendi jõudlust saab esile tõsta ja hinnata.Arvestades induktiivpooli 7 Ω jadatakistust ja kondensaatori ESR 1,3 Ω, arvutati vooluahela eeldatav sageduskarakteristik. Vooluskeem on näidatud joonisel 5b ja arvutatud impedantsi amplituud ja faas ning mõõdetud väärtused on näidatud joonistel 5c ja d. Madalatel sagedustel tähendab kondensaatori kõrge takistus, et vooluahela käitumise määrab 25 kΩ takisti. Sageduse suurenedes LC tee väheneb; kogu vooluahela käitumine on mahtuvuslik, kuni resonantssagedus on 2,0 MHz.Resonantssagedusest kõrgemal domineerib induktiivtakistus.Joonis 5 näitab selgelt arvutatud ja mõõdetud väärtuste suurepärast kokkulangevust kogu sagedusvahemikus.See tähendab, et kasutatud mudel siin (kus induktiivpoolid ja kondensaatorid on ideaalsed jadatakistusega komponendid) on täpne vooluahela käitumise ennustamiseks nendel sagedustel.
(a) Foto siiditrükiga RLC vooluringist, mis kasutab 8 μH induktiivpooli ja 0,8 nF kondensaatori jadakombinatsiooni paralleelselt 25 kΩ takistiga. (b) Skeemimudel, sealhulgas induktiivpooli ja kondensaatori jadatakistus.(c) ,d) Vooluahela impedantsi amplituud (c) ja faas (d).
Lõpuks on võimenduse regulaatoris rakendatud trükitud induktiivpoolid ja takistid.Selles esitluses kasutatav IC on Microchip MCP1640B14, mis on PWM-põhine sünkroonne võimendusregulaator töösagedusega 500 kHz. Vooluskeem on näidatud joonisel 6a.A. Energiasalvestavate elementidena kasutatakse 4,7 μH induktorit ja kahte kondensaatorit (4,7 μF ja 10 μF) ning tagasisidejuhtimise väljundpinge mõõtmiseks kasutatakse takistipaari. Väljundpinge 5 V reguleerimiseks valige takistuse väärtus. Ahel on valmistatud PCB-le ning selle jõudlust mõõdetakse koormustakistuse ja sisendpinge vahemikus 3–4 V, et simuleerida liitiumioonakut erinevates laadimisolekutes. Prinditud induktiivpoolide ja takistite efektiivsust võrreldakse SMT induktiivpoolide ja takistite efektiivsus.SMT kondensaatoreid kasutatakse kõigil juhtudel, kuna selle rakenduse jaoks vajalik mahtuvus on liiga suur, et seda prinditud kondensaatoritega täiendada.
(a) Pinge stabiliseerimisahela skeem. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw ja (d) Induktiivpoolisse voolava voolu lainekujud, sisendpinge on 4,0 V, koormustakistus 1 kΩ, ja mõõtmiseks kasutatakse prinditud induktiivpooli.Selleks mõõtmiseks kasutatakse pindpaigaldustakisteid ja kondensaatoreid.(e) Erinevate koormustakistuste ja sisendpingete puhul pingeregulaatori ahelate efektiivsus, kasutades kõiki pindpaigalduse komponente ning trükitud induktiivpooli ja takisteid.(f) ) Punktis (e) näidatud pindpaigalduse ja trükkplaadi efektiivsussuhe.
4,0 V sisendpinge ja 1000 Ω koormustakistuse korral on trükitud induktiivpoolide abil mõõdetud lainekujud näidatud joonistel 6b-d. Joonisel 6c on näidatud pinge IC Vsw klemmil; induktiivpooli pinge on Vin-Vsw.Joonis 6d kujutab induktiivpoolisse voolavat voolu.SMT ja prinditud komponentidega vooluahela efektiivsus on näidatud joonisel 6e sisendpinge ja koormustakistuse funktsioonina ning joonisel 6f on näidatud kasuteguri suhe. prinditud komponentidest SMT komponentideks.SMT komponentide abil mõõdetud kasutegur on sarnane tootja andmelehel toodud eeldatava väärtusega 14.Suure sisendvoolu juures (madal koormustakistus ja madal sisendpinge) on prinditud induktiivpoolide kasutegur oluliselt madalam kui SMT induktiivpoolide oma, mis on tingitud suuremast jadatakistusest.Kuid kõrgema sisendpinge ja suurema väljundvoolu korral muutub takistuse kadu vähem oluliseks ning trükitud induktiivpoolide jõudlus hakkab lähenema SMT induktiivpoolide omale.Koormustakistuste korral >500 Ω ja Vin = 4,0 V või >750 Ω ja Vin = 3,5 V, on trükitud induktiivpoolide kasutegur suurem kui 85% SMT induktiivpoolidest.
Joonisel 6d kujutatud voolu lainekuju võrdlemine mõõdetud võimsuskaoga näitab, et induktiivpooli takistuse kadu on ootuspäraselt peamine põhjus, miks trükklülituse ja SMT-ahela efektiivsuse erinevused on ootuspärased. Sisend- ja väljundvõimsus mõõdetuna pingel 4,0 V Sisendpinge ja 1000 Ω koormustakistus on SMT komponentidega ahelate puhul 30,4 mW ja 25,8 mW ning trükikomponentidega vooluahelate puhul 33,1 mW ja 25,2 mW. Seetõttu on trükklülituse kadu 7,9 mW, mis on 3,4 mW suurem kui vooluring SMT komponentidega.Joonisel 6d kujutatud lainekuju järgi arvutatud induktiivpooli vool on 25,6 mA. Kuna selle jadatakistus on 4,9 Ω, on oodatav võimsuskadu 3,2 mW. See on 96% mõõdetud 3,4 mW alalisvoolu võimsuse erinevusest. Lisaks valmistatakse vooluringi trükitud induktiivpoolide ja trükitakistitega ning trükitud induktiivpoolide ja SMT takistitega ning olulist efektiivsuse erinevust nende vahel ei täheldata.
Seejärel valmistatakse pingeregulaator painduvale PCB-le (ahela trükkimine ja SMT-komponendi jõudlus on näidatud lisajoonisel S1) ning ühendatakse painduva liitiumioonaku kui toiteallika ja OLED-massiivi kui koormuse vahel. Vastavalt Lochner jt. 9 OLED-ide tootmiseks tarbib iga OLED-piksel 5 V juures 0,6 mA. Aku kasutab katoodina ja anoodina vastavalt liitiumkoobaltoksiidi ja grafiiti ning seda toodetakse doktorilaba kattega, mis on kõige levinum aku printimismeetod.7 aku mahutavus on 16 mAh ja pinge katse ajal on 4,0 V.Joonis 7 on foto painduval PCB-l olevast vooluringist, mis toidab kolme paralleelselt ühendatud OLED-pikslit.Esitluses demonstreeriti prinditud toitekomponentide potentsiaali integreerida teistega. paindlikud ja orgaanilised seadmed keerukamate elektrooniliste süsteemide moodustamiseks.
Foto pingeregulaatori ahelast painduval PCB-l, kasutades prinditud induktiivpooli ja takisteid, kasutades painduvaid liitiumioonakusid kolme orgaanilise LED-i toiteks.
Oleme näidanud painduvatel PET-alustel siiditrükiga induktiivpoolid, kondensaatorid ja takistid erinevate väärtustega eesmärgiga asendada jõuelektroonikaseadmetes pinnale paigaldatavad komponendid. Oleme näidanud, et disainides suure läbimõõduga spiraali täitmiskiirus , ja joone laiuse ja ruumi laiuse suhet ning kasutades paksu madala takistusega tintikihti. Need komponendid on integreeritud täielikult prinditud ja paindlikku RLC vooluringi ning neil on prognoositav elektriline käitumine sagedusvahemikus kHz-MHz, mis on suurim huvi jõuelektroonika vastu.
Tüüpilised prinditud jõuelektroonikaseadmete kasutusjuhud on kantavad või tootega integreeritud paindlikud elektroonilised süsteemid, mille toiteallikaks on paindlikud laetavad akud (nt liitiumioonakud), mis võivad vastavalt laadimisolekule genereerida muutuvat pinget.Kui koormus (sealhulgas printimine ja orgaanilised elektroonikaseadmed) vajavad konstantset pinget või kõrgemat kui aku väljundpinge, on vaja pingeregulaatorit. Sel põhjusel on prinditud induktiivpoolid ja takistid integreeritud traditsiooniliste räni IC-dega võimendusregulaatorisse, et toita OLED-i konstantse pingega. 5 V pingega muutuva pingega aku toiteallikast.Teatud koormusvoolu ja sisendpinge vahemikus ületab selle vooluahela efektiivsus 85% pindpaigaldusega induktiivpooli ja takisteid kasutava juhtahela efektiivsusest. Vaatamata materjalidele ja geomeetrilistele optimeerimistele, induktiivpooli takistuskadud on endiselt piirav tegur ahela jõudlust kõrge voolutugevuse korral (sisendvool on suurem kui umbes 10 mA). Kuid väiksemate voolude korral vähenevad induktiivpooli kaod ja üldist jõudlust piirab tõhusus. Kuna paljud prinditud ja orgaanilised seadmed vajavad suhteliselt madalat voolu, näiteks meie esitluses kasutatud väikesed OLED-id, võib selliste rakenduste jaoks sobivaks pidada prinditud toiteinduktiivpoolid.Kasutades IC-sid, mis on loodud kõrgeima efektiivsusega madalamatel voolutasemetel, on võimalik saavutada konverteri suurem üldine kasutegur.
Selles töös on pingeregulaator ehitatud traditsioonilisele PCB, painduva trükkplaadi ja pindmontaažikomponentide jootmistehnoloogiale, samas kui prinditud komponent on valmistatud eraldi substraadile. Kuid madala temperatuuriga ja kõrge viskoossusega trükivärvid, mida kasutatakse ekraani- trükitud kiled peaksid võimaldama passiivsete komponentide, samuti seadme ja pindpaigalduskomponentide kontaktplaatide vahelise ühenduse printimist mis tahes substraadile. See koos olemasolevate madala temperatuuriga juhtivate liimide kasutamisega pinnale paigaldatavate komponentide jaoks võimaldab kogu ahel tuleb ehitada odavatele aluspindadele (nagu PET), ilma et oleks vaja lahutavaid protsesse, nagu PCB söövitus. Seetõttu aitavad selles töös välja töötatud siiditrükiga passiivsed komponendid sillutada teed paindlikele elektroonikasüsteemidele, mis integreerivad energiat ja koormusi suure jõudlusega jõuelektroonikaga, kasutades odavaid substraate, peamiselt lisandprotsesse ja minimaalset pindpaigalduskomponentide arvu.
Kasutades Asys ASP01M sõelprinterit ja Dynamesh Inc. roostevabast terasest sõela, trükiti kõik passiivsete komponentide kihid sõelprindiga painduvale PET-substraadile paksusega 76 μm. Metallikihi võrgusilma suurus on 400 rida tolli kohta ja 250 rida. jooned tolli kohta dielektrilise kihi ja takistuskihi jaoks.Kasutage kaabitsa jõudu 55 N, printimiskiirust 60 mm/s, murdekaugust 1,5 mm ja Serilori kaabitsat kõvadusega 65 (metalli ja takistusliku kihi jaoks). kihid) või 75 (dielektriliste kihtide puhul) siiditrüki jaoks.
Juhtivad kihid – induktiivpoolid ning kondensaatorite ja takistite kontaktid – on trükitud DuPont 5082 või DuPont 5064H hõbedase mikrohelbe tindiga. Takistile on trükitud DuPont 7082 süsinikjuht. Kondensaatori dielektriku jaoks on juhtiv ühend dielektrium BT-titanaat1. kasutatakse.Iga dielektriku kihti toodetakse kahekäigulise (märg-märg) printimistsükli abil, et parandada kile ühtlust.Iga komponendi puhul uuriti mitme trükkimise tsükli mõju komponendi jõudlusele ja varieeruvusele. mitut sama materjali kattekihti kuivatati katmiste vahel 70 °C juures 2 minutit.Pärast iga materjali viimase kihi pealekandmist küpsetati proove täieliku kuivamise tagamiseks 140 °C juures 10 minutit.Ekraani automaatne joondusfunktsioon printerit kasutatakse järgnevate kihtide joondamiseks.Kontakt induktiivpooli keskosaga saavutatakse läbiva augu lõikamisega keskploki ja šabloonide trükkimisega substraadi tagaküljele DuPont 5064H tindiga. Trükiseadmete vaheline ühendus kasutab samuti Duponti 5064H šabloontrükk. Prinditud komponentide ja SMT komponentide kuvamiseks joonisel 7 näidatud painduval PCB-l ühendatakse prinditud komponendid Circuit Works CW2400 juhtiva epoksiidiga ja SMT komponendid ühendatakse traditsioonilise jootmise teel.
Aku katoodina ja anoodina kasutatakse vastavalt liitiumkoobaltoksiidi (LCO) ja grafiidil põhinevaid elektroode. Katoodipulber on segu 80% LCO-st (MTI Corp.), 7,5% grafiidist (KS6, Timcal), 2,5 % tahma (Super P, Timcal) ja 10% polüvinülideenfluoriidi (PVDF, Kureha Corp.). ) Anood on segu, mis koosneb 84 massiprotsendist grafiidist, 4 massiprotsendist tahmast ja 13 massiprotsendist PVDF-ist. PVDF-i sideaine lahustamiseks ja lobri dispergeerimiseks kasutatakse N-metüül-2-pürrolidooni (NMP, Sigma Aldrich). segades pöörismikseris üleöö.Katoodi ja anoodi jaoks kasutatakse voolukollektorina vastavalt 0,0005 tolli paksust roostevabast terasest fooliumi ja 10 μm nikkelfooliumi. Tint trükitakse kaabitsaga voolukollektorile printimiskiirusel 20 mm/s.Soojendi eemaldamiseks kuumutada elektroodi ahjus 80 °C juures 2 tundi.Elektroodi kõrgus pärast kuivatamist on umbes 60 μm ja aktiivse materjali kaalu põhjal on teoreetiline võimsus 1,65 mAh. /cm2.Elektroodid lõigati mõõtudeks 1,3 × 1,3 cm2 ja kuumutati vaakumahjus temperatuuril 140 °C üleöö ning seejärel suleti alumiiniumlaminaatkottidega lämmastikuga täidetud kindalaekas. Polüpropüleenist aluskile lahus Aku elektrolüüdina kasutatakse anoodi ja katood ning 1M LiPF6 EC/DEC (1:1).
Roheline OLED koosneb polü(9,9-dioktüülfluoreen-ko-n-(4-butüülfenüül)difenüülamiinist) (TFB) ja polü((9,9-dioktüülfluoreen-2,7-(2,1,3-bensotiadiasool- 4,8-diüül)) (F8BT) vastavalt Lochneri et al. 9 kirjeldatud protseduurile.
Kasutage kile paksuse mõõtmiseks Dektak pliiatsprofiili. Kile lõigati ristlõikeproovi valmistamiseks skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil uurimiseks. FEI Quanta 3D väljaemissioonipüstolit (FEG) SEM kasutatakse prinditava materjali struktuuri iseloomustamiseks. kile ja kinnitage paksuse mõõtmine.SEM-uuring viidi läbi kiirenduspingel 20 keV ja tüüpilisel töökaugusel 10 mm.
Kasutage alalisvoolu takistuse, pinge ja voolu mõõtmiseks digitaalset multimeetrit. Induktiivpoolide, kondensaatorite ja vooluahelate vahelduvvoolutakistust mõõdetakse alla 1 MHz sageduste jaoks Agilent E4980 LCR-mõõturiga ja Agilent E5061A võrguanalüsaatorit kasutatakse sageduste mõõtmiseks üle 500 kHz.Kasutage Tektronix TDS 5034 ostsilloskoop pingeregulaatori lainekuju mõõtmiseks.
Kuidas seda artiklit tsiteerida: Ostfeld, AE jne.Siiditrükk passiivsed komponendid paindlikele elektriseadmetele.teadus.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. jt. Paindlik elektroonika: järgmine kõikjal leiduv platvorm. Protsess IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Inimese sisevõrk: koht, kus rühmad kohtuvad inimestega. 2015. aasta Euroopa disaini, automatiseerimise ja testimise konverentsil ja näitusel, Grenoble, Prantsusmaa, avaldatud ettekanne. San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. märts- 13).
Krebs, FC jne.OE-A OPV demonstraator anno domini 2011.Energiakeskkond.teadus.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC printed piezoelectric energy harvesting devices.Advanced energy materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printed flat paksukilest termoelektriline energia generaator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Paindlik suure potentsiaaliga trükitud aku, mida kasutatakse trükitud elektroonikaseadmete toiteks.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Prinditud painduvate akude uusimad arengud: mehaanilised väljakutsed, printimistehnoloogia ja tulevikuväljavaated.Energiatehnoloogia.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. jne.Suuremahuline sensorsüsteem, mis ühendab suure alaga elektroonikaseadmeid ja CMOS-i IC-sid struktuurilise tervise jälgimiseks.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).