ziņas

Piedevas un zemas temperatūras drukāšanas procesi var integrēt dažādas elektroenerģiju un enerģiju patērējošas elektroniskas ierīces uz elastīgiem substrātiem ar zemām izmaksām. Tomēr pilnīgas elektroniskās sistēmas ražošanai no šīm ierīcēm parasti ir vajadzīgas jaudas elektroniskās ierīces, lai pārveidotu starp dažādiem darba spriegumiem. ierīces.Pasīvie komponenti — induktori, kondensatori un rezistori — veic tādas funkcijas kā filtrēšana, īslaicīga enerģijas uzkrāšana un sprieguma mērīšana, kas ir būtiskas jaudas elektronikā un daudzos citos lietojumos.Šajā rakstā mēs iepazīstinām ar induktoriem, kondensatoriem, rezistori un RLC shēmas, kas ir sietspiedes drukātas uz elastīgām plastmasas pamatnēm, un ziņojiet par projektēšanas procesu, lai samazinātu induktoru virknes pretestību, lai tos varētu izmantot jaudas elektroniskajās ierīcēs. Drukātais induktors un rezistors pēc tam tiek iekļauti pastiprināšanas regulatora ķēdē. Ražošana. organiskās gaismas diodes un elastīgas litija jonu baterijas. Sprieguma regulatori tiek izmantoti, lai barotu diodes no akumulatora, parādot drukāto pasīvo komponentu potenciālu aizstāt tradicionālos virsmas montāžas komponentus līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāju lietojumos.
Pēdējos gados ir izstrādāta dažādu elastīgu ierīču pielietošana valkājamiem un liela izmēra elektroniskajiem izstrādājumiem un lietu internetam1,2. Tie ietver enerģijas ieguves ierīces, piemēram, fotoelementu 3, pjezoelektrisko 4 un termoelektrisko 5; enerģijas uzkrāšanas ierīces, piemēram, baterijas 6, 7; un enerģiju patērējošas ierīces, piemēram, sensori 8, 9, 10, 11, 12 un gaismas avoti 13. Lai gan ir panākts liels progress atsevišķu enerģijas avotu un slodžu jomā, šo komponentu apvienošanai pilnīgā elektroniskā sistēmā parasti ir nepieciešama jaudas elektronika, lai novērst jebkādas neatbilstības starp barošanas avota uzvedību un slodzes prasībām. Piemēram, akumulators ģenerē mainīgu spriegumu atbilstoši tā uzlādes stāvoklim. Ja slodzei nepieciešams pastāvīgs spriegums vai lielāks par spriegumu, ko akumulators spēj radīt, ir nepieciešama jaudas elektronika. .Spēka elektronika izmanto aktīvos komponentus (tranzistorus), lai veiktu komutācijas un vadības funkcijas, kā arī pasīvos komponentus (induktors, kondensatorus un rezistorus).Piemēram, komutācijas regulatora shēmā induktors tiek izmantots enerģijas uzkrāšanai katra pārslēgšanas cikla laikā. , tiek izmantots kondensators, lai samazinātu sprieguma pulsāciju, un atgriezeniskās saites kontrolei nepieciešamais sprieguma mērījums tiek veikts, izmantojot rezistoru dalītāju.
Jaudas elektroniskām ierīcēm, kas ir piemērotas valkājamām ierīcēm (piemēram, pulsa oksimetrs 9), ir nepieciešami vairāki volti un vairāki miliampēri, tās parasti darbojas frekvenču diapazonā no simtiem kHz līdz vairākiem MHz, un tām ir nepieciešamas vairākas μH un vairākas μH induktivitātes un kapacitāte μF ir 14. Tradicionālā šo shēmu ražošanas metode ir atsevišķu komponentu lodēšana uz cietas iespiedshēmas plates (PCB). Lai gan jaudas elektronisko shēmu aktīvās sastāvdaļas parasti tiek apvienotas vienā silīcija integrālajā shēmā (IC), pasīvās sastāvdaļas parasti ir ārēja, vai nu pieļaujot pielāgotas shēmas, vai arī tāpēc, ka vajadzīgā induktivitāte un kapacitāte ir pārāk lielas, lai tās ieviestu silīcijā.
Salīdzinājumā ar tradicionālo PCB ražošanas tehnoloģiju, elektronisko ierīču un ķēžu ražošanai, izmantojot aditīvo drukāšanas procesu, ir daudz priekšrocību vienkāršības un izmaksu ziņā. Pirmkārt, tā kā daudzām shēmas sastāvdaļām ir nepieciešami tie paši materiāli, piemēram, metāli kontaktiem. un starpsavienojumi, drukāšana ļauj ražot vairākus komponentus vienlaikus, veicot salīdzinoši maz apstrādes posmu un mazāk materiālu avotu15.Piedevu procesu izmantošana, lai aizstātu tādus atņemšanas procesus kā fotolitogrāfija un kodināšana, vēl vairāk samazina procesa sarežģītību un materiālu izšķērdēšanu16, 17, 18 un 19. Turklāt drukāšanā izmantotā zemā temperatūra ir saderīga ar elastīgiem un lētiem plastmasas pamatnēm, ļaujot izmantot ātrgaitas ruļļu ražošanas procesus, lai pārklātu elektroniskās ierīces 16, 20 lielās platībās. ko nevar pilnībā realizēt ar drukātiem komponentiem, ir izstrādātas hibrīdmetodes, kurās virsmas montāžas tehnoloģijas (SMT) komponenti tiek savienoti ar elastīgiem substrātiem 21, 22, 23 blakus drukātajiem komponentiem zemā temperatūrā.Šajā hibrīda pieejā joprojām ir nepieciešams aizstāt pēc iespējas vairāk SMT komponentu ar drukātiem ekvivalentiem, lai iegūtu papildu procesu priekšrocības un palielinātu ķēdes vispārējo elastību.Lai realizētu elastīgu jaudas elektroniku, mēs esam ierosinājuši SMT aktīvo komponentu un sietspiedes pasīvās sastāvdaļas kombināciju. komponentiem, īpašu uzsvaru liekot uz apjomīgo SMT induktoru aizstāšanu ar plakanām spirālveida induktoriem. No dažādām drukātās elektronikas ražošanas tehnoloģijām sietspiede ir īpaši piemērota pasīvajiem komponentiem, jo ​​ir liels plēves biezums (kas nepieciešams, lai samazinātu metāla elementu sērijas pretestību). ) un liels drukāšanas ātrums, pat nosedzot centimetru līmeņa apgabalus. Tas pats dažkārt.Materiāls 24.
Jaudas elektronisko iekārtu pasīvo komponentu zudumi ir jāsamazina, jo ķēdes efektivitāte tieši ietekmē enerģijas daudzumu, kas nepieciešams sistēmas darbināšanai. Tas ir īpaši sarežģīti drukātiem induktoriem, kas sastāv no garām spolēm, kas tāpēc ir jutīgi pret augstām sērijām. pretestība.Tāpēc, lai gan ir veikti daži pasākumi, lai samazinātu drukāto spoļu pretestību 25, 26, 27, 28, joprojām trūkst augstas efektivitātes drukāto pasīvo komponentu jaudas elektroniskajām ierīcēm.Līdz šim daudzi ziņojuši par drukātu pasīvo. komponenti uz elastīgiem substrātiem ir paredzēti darbam rezonanses shēmās radiofrekvenču identifikācijas (RFID) vai enerģijas ieguves nolūkos 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Citas koncentrējas uz materiālu vai ražošanas procesa izstrādi un parāda vispārīgus komponentus 26, 32, 33, 34, kas nav optimizēti konkrētiem lietojumiem. Pretēji tam, jaudas elektroniskās shēmas, piemēram, sprieguma regulatori, bieži izmanto lielākas sastāvdaļas nekā parastās drukātās pasīvās ierīces, un tām nav nepieciešama rezonanse, tāpēc ir nepieciešami dažādi komponentu dizaini.
Šeit mēs iepazīstinām ar sietspiedes induktoru konstrukciju un optimizāciju μH diapazonā, lai sasniegtu mazāko sērijas pretestību un augstu veiktspēju frekvencēs, kas saistītas ar jaudas elektroniku. Tiek ražoti sietspiedes induktori, kondensatori un rezistori ar dažādām komponentu vērtībām. uz elastīgām plastmasas pamatnēm.Šo komponentu piemērotība elastīgiem elektroniskiem izstrādājumiem vispirms tika demonstrēta vienkāršā RLC shēmā.Pēc tam drukātais induktors un rezistors tiek integrēti ar IC, lai izveidotu pastiprināšanas regulatoru.Visbeidzot, organiskā gaismas diode (OLED) ) un tiek ražots elastīgs litija jonu akumulators, un OLED barošanai no akumulatora tiek izmantots sprieguma regulators.
Lai izstrādātu drukātus induktorus jaudas elektronikai, mēs vispirms prognozējām virknes induktivitātes ģeometriju induktivitāti un līdzstrāvas pretestību, pamatojoties uz pašreizējo loksnes modeli, ko ierosināja Mohan et al. 35, un izgatavotas dažādas ģeometrijas indukcijas, lai apstiprinātu modeļa precizitāti.Šajā darbā induktors tika izvēlēta apļveida forma, jo augstāku induktivitāti 36 var sasniegt ar mazāku pretestību salīdzinājumā ar daudzstūra ģeometriju.Tintes ietekme tiek noteikts pretestības drukāšanas ciklu veids un skaits. Pēc tam šie rezultāti tika izmantoti ar ampērmetra modeli, lai izstrādātu 4,7 μH un 7,8 μH indukcijas, kas optimizētas minimālai līdzstrāvas pretestībai.
Spirālveida induktoru induktivitāti un līdzstrāvas pretestību var raksturot ar vairākiem parametriem: ārējo diametru do, pagrieziena platumu w un atstatumu s, apgriezienu skaitu n un vadītāja loksnes pretestību Rsheet. 1.a attēlā parādīts sietspiedes apļveida induktors. ar n = 12, kas parāda ģeometriskos parametrus, kas nosaka tā induktivitāti.Saskaņā ar Mohan et al. ampērmetra modeli. 35, induktivitāte tiek aprēķināta virknei induktora ģeometriju, kur
(a) Sietspiedes foto, kurā redzami ģeometriskie parametri. Diametrs ir 3 cm. Dažādu induktora ģeometriju induktivitāte (b) un līdzstrāvas pretestība (c). Līnijas un atzīmes atbilst attiecīgi aprēķinātajām un izmērītajām vērtībām. (d, e) Induktoru L1 un L2 līdzstrāvas pretestības tiek apdrukātas ar attiecīgi Dupont 5028 un 5064H sudraba tintēm. (f,g) SEM mikrogrāfijas plēvēm, kas iespiestas attiecīgi ar Dupont 5028 un 5064H.
Augstās frekvencēs ādas efekts un parazitārā kapacitāte mainīs induktora pretestību un induktivitāti atbilstoši tā līdzstrāvas vērtībai. Paredzams, ka induktors darbosies pietiekami zemā frekvencē, lai šie efekti būtu niecīgi, un ierīce darbotos kā nemainīga induktivitāte. ar nemainīgu pretestību virknē. Tāpēc šajā darbā mēs analizējām saistību starp ģeometriskajiem parametriem, induktivitāti un līdzstrāvas pretestību un izmantojām rezultātus, lai iegūtu noteiktu induktivitāti ar mazāko līdzstrāvas pretestību.
Induktivitāte un pretestība tiek aprēķināta virknei ģeometrisko parametru, ko var realizēt ar sietspiedi, un paredzams, ka tiks ģenerēta induktivitāte μH diapazonā. Ārējie diametri ir 3 un 5 cm, līniju platums 500 un 1000 mikroni. , un tiek salīdzināti dažādi pagriezieni.Aprēķinos pieņemts, ka loksnes pretestība ir 47 mΩ/□, kas atbilst 7 μm biezam Dupont 5028 sudraba mikropārslu vadītāja slānim, kas apdrukāts ar 400 sietu un iestatījumu w = s. aprēķinātās induktivitātes un pretestības vērtības ir parādītas attiecīgi 1.b un c attēlā. Modelis paredz, ka gan induktivitāte, gan pretestība palielinās, palielinoties ārējam diametram un apgriezienu skaitam vai samazinoties līnijas platumam.
Lai novērtētu modeļu prognožu precizitāti, uz polietilēntereftalāta (PET) substrāta tika izgatavoti dažādu ģeometriju un induktivitātes induktori. Izmērītās induktivitātes un pretestības vērtības ir parādītas 1.b un c attēlā. Lai gan pretestība uzrādīja zināmas novirzes no sagaidāmā vērtība, galvenokārt nogulsnētās tintes biezuma un viendabīguma izmaiņu dēļ, induktivitāte uzrādīja ļoti labu sakritību ar modeli.
Šos rezultātus var izmantot, lai izstrādātu induktivitāti ar nepieciešamo induktivitāti un minimālo līdzstrāvas pretestību. Piemēram, pieņemsim, ka nepieciešama induktivitāte 2 μH. 1.b attēlā parādīts, ka šo induktivitāti var realizēt ar ārējo diametru 3 cm, līnijas platumu 500 μm un 10 apgriezieni. To pašu induktivitāti var ģenerēt arī, izmantojot 5 cm ārējo diametru, 500 μm līnijas platumu un 5 pagriezienus vai 1000 μm līnijas platumu un 7 pagriezienus (kā parādīts attēlā). Salīdzinot šo trīs pretestības iespējamās ģeometrijas 1.c attēlā, var konstatēt, ka 5 cm induktora ar līnijas platumu 1000 μm mazākā pretestība ir 34 Ω, kas ir par aptuveni 40% zemāka nekā pārējiem diviem.Vispārējais projektēšanas process, lai sasniegtu doto induktivitāti ar minimālo pretestību ir apkopots šādi: Pirmkārt, izvēlieties maksimālo pieļaujamo ārējo diametru atbilstoši lietojumprogrammas noteiktajiem telpas ierobežojumiem. Pēc tam līnijas platumam jābūt pēc iespējas lielākam, vienlaikus sasniedzot nepieciešamo induktivitāti, lai iegūtu augstu aizpildīšanas ātrumu. ((3) vienādojums).
Palielinot biezumu vai izmantojot materiālu ar augstāku vadītspēju, lai samazinātu metāla plēves lokšņu pretestību, līdzstrāvas pretestību var vēl vairāk samazināt, neietekmējot induktivitāti.Divas induktivitātes, kuru ģeometriskie parametri norādīti 1. tabulā, sauc par L1 un L2, tiek ražoti ar dažādu pārklājumu skaitu, lai novērtētu pretestības izmaiņas.Palielinoties tintes pārklājumu skaitam, pretestība samazinās proporcionāli, kā paredzēts, kā parādīts 1.d un e attēlā, kas ir attiecīgi induktori L1 un L2. Attēli 1d un e parāda, ka, uzklājot 6 pārklājuma slāņus, pretestību var samazināt līdz pat 6 reizēm, un maksimālais pretestības samazinājums (50–65%) notiek starp 1. un 2. slāni. Tā kā katrs tintes slānis ir salīdzinoši plāns, Šo induktoru drukāšanai tiek izmantots ekrāns ar salīdzinoši mazu režģa izmēru (400 līnijas collā), kas ļauj izpētīt vadītāja biezuma ietekmi uz pretestību. Kamēr raksta pazīmes saglabājas lielākas par režģa minimālo izšķirtspēju, līdzīgu biezumu (un pretestību) var panākt ātrāk, drukājot mazāku pārklājumu skaitu ar lielāku režģa izmēru. Šo metodi var izmantot, lai sasniegtu tādu pašu līdzstrāvas pretestību kā šeit apskatītajam 6 pārklājuma induktors, taču ar lielāku ražošanas ātrumu.
1.d un e attēlā arī parādīts, ka, izmantojot vadošāku sudraba pārslu tinti DuPont 5064H, pretestība tiek samazināta divas reizes. No plēvju SEM mikrogrāfijām, kas drukātas ar abām tintēm (1.f, g attēls), to var redzams, ka 5028 tintes zemākā vadītspēja ir saistīta ar tās mazāku daļiņu izmēru un daudzu tukšumu klātbūtni starp drukātās plēves daļiņām. No otras puses, 5064H ir lielākas, ciešāk sakārtotas pārslas, kas liek tai izturēties tuvāk tilpumam. sudrabs.Lai gan šīs tintes radītā plēve ir plānāka nekā 5028 tinte, ar vienu 4 μm slāni un 6 slāņiem 22 μm, vadītspējas pieaugums ir pietiekams, lai samazinātu kopējo pretestību.
Visbeidzot, lai gan induktivitāte (vienādojums (1)) ir atkarīga no apgriezienu skaita (w + s), pretestība (vienādojums (5)) ir atkarīga tikai no līnijas platuma w. Tāpēc, palielinot w attiecībā pret s, pretestība var vēl vairāk samazināt. Diviem papildu induktoriem L3 un L4 ir w = 2s un liels ārējais diametrs, kā parādīts 1. tabulā. Šīs indukcijas ir ražotas ar 6 slāņiem DuPont 5064H pārklājuma, kā parādīts iepriekš, lai nodrošinātu vislielākā veiktspēja. L3 induktivitāte ir 4,720 ± 0,002 μH un pretestība ir 4,9 ± 0,1 Ω, savukārt L4 induktivitāte ir 7,839 ± 0,005 μH un 6,9 ± 0,1 Ω, kas labi saskan ar modeļa prognozi. biezuma, vadītspējas un w/s palielināšanās, tas nozīmē, ka L/R attiecība ir palielinājusies par vairāk nekā vienu kārtu salīdzinājumā ar vērtību 1. attēlā.
Lai gan daudzsološa ir zemā līdzstrāvas pretestība, lai novērtētu induktīvo induktīvo induktīvo iekārtu piemērotību jaudas elektroniskām iekārtām, kas darbojas kHz-MHz diapazonā, ir nepieciešams raksturojums maiņstrāvas frekvencēs. 2.a attēlā parādīta L3 un L4 pretestības un pretestības frekvences atkarība. Frekvencēm zem 10 MHz , pretestība paliek aptuveni nemainīga tās līdzstrāvas vērtībā, savukārt pretestība palielinās lineāri līdz ar frekvenci, kas nozīmē, ka induktivitāte ir nemainīga, kā paredzēts. Pašrezonanses frekvence ir definēta kā frekvence, kurā pretestība mainās no induktīvas uz kapacitatīvu. L3 ir 35,6 ± 0,3 MHz un L4 ir 24,3 ± 0,6 MHz. Kvalitātes faktora Q (vienāds ar ωL/R) frekvences atkarība ir parādīta 2.b attēlā. L3 un L4 sasniedz maksimālos kvalitātes koeficientus 35 ± 1 un 33 ± 1 frekvencēs attiecīgi 11 un 16 MHz. Dažu μH induktivitāte un relatīvi augstā Q pie MHz frekvencēm padara šīs indukcijas pietiekamas, lai aizstātu tradicionālos virsmas montāžas induktorus mazjaudas līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājos.
Induktoru L3 un L4 izmērītā pretestība R un pretestība X (a) un kvalitātes koeficients Q (b) ir saistīti ar frekvenci.
Lai samazinātu noteiktai kapacitātei nepieciešamo nospiedumu, vislabāk ir izmantot kondensatoru tehnoloģiju ar lielu īpatnējo kapacitāti, kas ir vienāda ar dielektrisko konstanti ε, kas dalīta ar dielektriķa biezumu. Šajā darbā mēs izvēlējāmies bārija titanāta kompozītu. kā dielektriķi, jo tam ir augstāks epsilons nekā citiem šķīdumā apstrādātiem organiskiem dielektriķiem.Dielektriskais slānis ir sietspiedē starp diviem sudraba vadītājiem, veidojot metāla-dielektriķa-metāla struktūru.Dažādu izmēru kondensatori centimetros, kā parādīts 3.a attēlā. , tiek ražoti, izmantojot divus vai trīs dielektriskās tintes slāņus, lai saglabātu labu iznākumu.3.b attēlā parādīts reprezentatīva kondensatora SEM šķērsgriezuma mikrogrāfs, kas izgatavots no diviem dielektriķa slāņiem ar kopējo dielektrisko biezumu 21 μm. Augšējais un apakšējais elektrods ir attiecīgi viena slāņa un sešu slāņu 5064H. Mikronu izmēra bārija titanāta daļiņas ir redzamas SEM attēlā, jo gaišākos apgabalus ieskauj tumšāka organiskā saistviela. Dielektriskā tinte labi samitrina apakšējo elektrodu un veido skaidru saskarni ar apdrukāta metāla plēve, kā parādīts attēlā ar lielāku palielinājumu.
(a) Kondensatora fotogrāfija ar pieciem dažādiem laukumiem. (b) Kondensatora ar diviem dielektriķa slāņiem šķērsgriezuma SEM mikrogrāfiju, kurā redzams bārija titanāta dielektriskais un sudraba elektrodi. (c) Kondensatoru kapacitātes ar 2 un 3 bārija titanātu. dielektriskie slāņi un dažādi laukumi, mērīti pie 1 MHz.(d) Sakarība starp kapacitāti, ESR un zudumu koeficientu 2,25 cm2 kondensatoram ar 2 dielektrisko pārklājumu slāņiem un frekvenci.
Kapacitāte ir proporcionāla paredzamajam laukumam. Kā parādīts 3.c attēlā, divslāņu dielektriķa īpatnējā kapacitāte ir 0,53 nF/cm2, bet trīsslāņu dielektriķa īpatnējā kapacitāte ir 0,33 nF/cm2. Šīs vērtības atbilst dielektriskajai konstantei 13. kapacitāte un izkliedes koeficients (DF) tika mērīts arī dažādās frekvencēs, kā parādīts 3.d attēlā, 2,25 cm2 kondensatoram ar diviem dielektriķa slāņiem. Mēs noskaidrojām, ka interesējošā frekvenču diapazonā kapacitāte bija salīdzinoši vienmērīga, palielinoties par 20%. no 1 līdz 10 MHz, tajā pašā diapazonā DF palielinājās no 0,013 līdz 0,023. Tā kā izkliedes koeficients ir enerģijas zudumu attiecība pret katrā maiņstrāvas ciklā uzkrāto enerģiju, DF 0,02 nozīmē, ka 2% no apstrādātās jaudas patērē kondensators. Šo zudumu parasti izsaka kā no frekvences atkarīgo ekvivalento sērijas pretestību (ESR) virknē ar kondensatoru, kas ir vienāda ar DF/ωC.Kā parādīts 3.d attēlā, frekvencēm, kas lielākas par 1 MHz, ESR ir zemāka par 1,5 Ω, un frekvencēm, kas lielākas par 4 MHz, ESR ir zemāka par 0,5 Ω.Lai gan izmantojot šo kondensatoru tehnoloģiju, μF līmeņa kondensatoriem, kas nepieciešami DC-DC pārveidotājiem, ir nepieciešams ļoti liels laukums, bet 100 pF-nF šo kondensatoru kapacitātes diapazons un mazie zudumi padara tos piemērotus citiem lietojumiem, piemēram, filtriem un rezonanses shēmām.Kapacitātes palielināšanai var izmantot dažādas metodes.Lielāka dielektriskā konstante palielina īpatnējo kapacitāti 37; piemēram, to var panākt, palielinot bārija titanāta daļiņu koncentrāciju tintē.Var izmantot mazāku dielektrisko biezumu, lai gan tam nepieciešams apakšējais elektrods ar mazāku raupjumu nekā sietspiedē drukātai sudraba pārsliņai. Plānāks, mazāka raupjuma kondensators slāņus var uzklāt ar tintes drukāšanu 31 vai dziļdruku 10, ko var apvienot ar sietspiedes procesu. Visbeidzot, vairākus mainīgus metāla un dielektriķa slāņus var sakraut, drukāt un savienot paralēli, tādējādi palielinot kapacitāti 34 uz laukuma vienību. .
Sprieguma dalītāju, kas sastāv no rezistoru pāra, parasti izmanto, lai veiktu sprieguma mērīšanu, kas nepieciešama sprieguma regulatora atgriezeniskās saites kontrolei. Šāda veida lietojumam drukātā rezistora pretestībai jābūt diapazonā kΩ-MΩ, un starpībai starp ierīces ir mazas.Šeit tika konstatēts, ka viena slāņa sietspiedes oglekļa tintes lokšņu pretestība bija 900 Ω/□.Šo informāciju izmanto, lai projektētu divus lineāros rezistorus (R1 un R2) un serpentīna rezistoru (R3). ) ar nominālo pretestību 10 kΩ, 100 kΩ un 1,5 MΩ. Pretestība starp nominālvērtībām tiek panākta, izdrukājot divus vai trīs tintes slāņus, kā parādīts 4. attēlā, un trīs pretestību fotoattēlus. Izveidojiet 8- 12 katra veida paraugi; visos gadījumos pretestības standartnovirze ir 10% vai mazāka. Pretestības izmaiņas paraugiem ar diviem vai trim pārklājuma slāņiem mēdz būt nedaudz mazākas nekā paraugiem ar vienu pārklājuma kārtu. Nelielas izmaiņas izmērītajā pretestībā un ciešā sakritība ar nominālvērtību norāda, ka citas pretestības šajā diapazonā var iegūt tieši, mainot rezistoru ģeometriju.
Trīs dažādas rezistoru ģeometrijas ar dažādu oglekļa pretestības tintes pārklājumu skaitu. Trīs rezistoru foto ir parādīts labajā pusē.
RLC shēmas ir klasiski mācību grāmatu piemēri rezistoru, induktora un kondensatora kombinācijām, ko izmanto, lai demonstrētu un pārbaudītu pasīvo komponentu uzvedību, kas integrēti reālās iespiedshēmās. Šajā shēmā virknē ir savienots 8 μH induktors un 0,8 nF kondensators, un Paralēli tiem ir pievienots 25 kΩ rezistors. Elastīgās ķēdes fotoattēls ir parādīts 5.a attēlā. Šīs īpašās virknes-paralēlās kombinācijas izvēles iemesls ir tas, ka tās uzvedību nosaka katra no trim dažādajām frekvences sastāvdaļām, lai var izcelt un novērtēt katras sastāvdaļas veiktspēju.Ņemot vērā induktora 7 Ω sērijas pretestību un kondensatora 1,3 Ω ESR, tika aprēķināta ķēdes paredzamā frekvences reakcija. Ķēdes diagramma ir parādīta 5.b attēlā, un aprēķinātā pretestības amplitūda un fāze un izmērītās vērtības ir parādītas 5.c un d attēlā. Pie zemām frekvencēm kondensatora augstā pretestība nozīmē, ka ķēdes darbību nosaka 25 kΩ rezistors. Frekvencei palielinoties, LC ceļš samazinās; visa ķēdes darbība ir kapacitatīva, līdz rezonanses frekvence ir 2,0 MHz. Virs rezonanses frekvences dominē induktīvā pretestība. 5. attēlā ir skaidri parādīta izcilā sakritība starp aprēķinātajām un izmērītajām vērtībām visā frekvenču diapazonā. Tas nozīmē, ka izmantotais modelis Šeit (kur induktori un kondensatori ir ideāli komponenti ar virknes pretestību) ir precīzi, lai prognozētu ķēdes uzvedību šajās frekvencēs.
(a) Fotoattēls ar sietspiedes RLC ķēdi, kurā tiek izmantota 8 μH induktora un 0,8 nF kondensatora virknes kombinācija paralēli 25 kΩ rezistoru. (b) Ķēdes modelis, ieskaitot induktora un kondensatora virknes pretestību.(c) ,d) ķēdes pretestības amplitūda (c) un fāze (d).
Visbeidzot, pastiprināšanas regulatorā ir ieviesti drukāti induktori un rezistori. Šajā demonstrācijā izmantotā IC ir Microchip MCP1640B14, kas ir uz PWM balstīts sinhronais pastiprināšanas regulators ar darbības frekvenci 500 kHz. Ķēdes diagramma ir parādīta 6.a.A attēlā. 4,7 μH induktors un divi kondensatori (4,7 μF un 10 μF) tiek izmantoti kā enerģijas uzkrāšanas elementi, un rezistoru pāris tiek izmantoti, lai mērītu atgriezeniskās saites vadības ierīces izejas spriegumu. Izvēlieties pretestības vērtību, lai pielāgotu izejas spriegumu uz 5 V. Ķēde ir izgatavota uz PCB, un tās veiktspēja tiek mērīta slodzes pretestības un ieejas sprieguma diapazonā no 3 līdz 4 V, lai simulētu litija jonu akumulatoru dažādos uzlādes stāvokļos. Drukāto induktoru un rezistoru efektivitāte tiek salīdzināta ar SMT induktoru un rezistoru efektivitāte.SMT kondensatori tiek izmantoti visos gadījumos, jo šim lietojumam nepieciešamā kapacitāte ir pārāk liela, lai to papildinātu ar drukātiem kondensatoriem.
(a) Sprieguma stabilizēšanas ķēdes diagramma. (b–d) (b) Izvads, (c) Vsw un (d) Induktīvā ieplūstošās strāvas viļņu formas, ieejas spriegums ir 4,0 V, slodzes pretestība ir 1 kΩ, un drukāto induktors tiek izmantots mērīšanai.Šim mērījumam tiek izmantoti virsmas montāžas rezistori un kondensatori.(e) Dažādām slodzes pretestībām un ieejas spriegumiem sprieguma regulatoru ķēžu efektivitāte, izmantojot visas virsmas montāžas sastāvdaļas un drukātos induktorus un rezistorus.(f) ) Virsmas montāžas un iespiedshēmas efektivitātes koeficients, kas parādīts (e).
4,0 V ieejas spriegumam un 1000 Ω slodzes pretestībai viļņu formas, kas izmērītas, izmantojot drukātās indukcijas, ir parādītas 6.b–d attēlā. 6.c attēlā parādīts spriegums IC Vsw spailē; induktora spriegums ir Vin-Vsw. 6.d attēlā parādīta strāva, kas ieplūst induktors. Ķēdes efektivitāte ar SMT un drukātiem komponentiem ir parādīta 6e attēlā kā ieejas sprieguma un slodzes pretestības funkcija, un 6.f attēlā parādīts efektivitātes koeficients. drukāto komponentu uz SMT komponentiem.Efektivitāte, ko mēra, izmantojot SMT komponentus, ir līdzīga paredzamajai vērtībai, kas norādīta ražotāja datu lapā 14.Pie lielas ieejas strāvas (zema slodzes pretestība un zems ieejas spriegums) drukāto induktoru efektivitāte ir ievērojami zemāka par ka SMT induktoriem lielākas sērijas pretestības dēļ.Tomēr ar augstāku ieejas spriegumu un lielāku izejas strāvu pretestības zudums kļūst mazāk svarīgs, un drukāto induktoru veiktspēja sāk tuvoties SMT induktoru veiktspējai.Slodzes pretestībām >500 Ω un Vin = 4,0 V vai >750 Ω un Vin = 3,5 V, drukāto induktoru efektivitāte ir lielāka par 85% no SMT induktoriem.
Salīdzinot strāvas viļņu formu 6.d attēlā ar izmērīto jaudas zudumu, redzams, ka pretestības zudums induktīvā ir galvenais iemesls, kādēļ iespiedshēmas un SMT ķēdes efektivitāte atšķiras, kā paredzēts. Ieejas un izejas jauda, ​​kas mērīta pie 4,0 V ieejas spriegums un 1000 Ω slodzes pretestība ir 30,4 mW un 25,8 mW shēmām ar SMT komponentiem, un 33,1 mW un 25,2 mW shēmām ar drukātiem komponentiem. Līdz ar to iespiedshēmas zudums ir 7,9 mW, kas ir par 3,4 mW lielāks nekā ķēde ar SMT komponentiem.RMS induktora strāva, kas aprēķināta pēc viļņu formas 6.d attēlā, ir 25,6 mA. Tā kā tās sērijas pretestība ir 4,9 Ω, sagaidāmais jaudas zudums ir 3,2 mW. Tas ir 96% no izmērītās 3,4 mW līdzstrāvas jaudas starpības. Turklāt ķēde tiek ražota ar drukātām induktoriem un drukātiem rezistoriem un drukātiem induktoriem un SMT rezistoriem, un starp tiem nav novērojama būtiska efektivitātes atšķirība.
Pēc tam uz elastīgās PCB tiek izgatavots sprieguma regulators (shēmas drukāšana un SMT komponenta veiktspēja ir parādīta papildu attēlā S1) un savienots starp elastīgo litija jonu akumulatoru kā barošanas avotu un OLED bloku kā slodzi. Saskaņā ar Lochner et al. 9 Lai ražotu OLED, katrs OLED pikselis patērē 0,6 mA pie 5 V. Akumulatorā kā katods un anods tiek izmantots attiecīgi litija kobalta oksīds un grafīts, un to ražo ar lāpstiņas pārklājumu, kas ir visizplatītākā akumulatora drukāšanas metode.7 akumulatora ietilpība ir 16 mAh, un spriegums testa laikā ir 4,0 V. 7. attēlā parādīts ķēdes fotoattēls uz elastīgās PCB, kas baro trīs paralēli savienotus OLED pikseļus. Demonstrācija demonstrēja drukāto barošanas komponentu potenciālu integrēt ar citiem. elastīgas un organiskas ierīces, lai veidotu sarežģītākas elektroniskās sistēmas.
Sprieguma regulatora ķēdes fotoattēls uz elastīgas PCB, izmantojot drukātus induktorus un rezistorus, izmantojot elastīgas litija jonu baterijas, lai darbinātu trīs organiskās gaismas diodes.
Mēs esam parādījuši sietspiedes induktorus, kondensatorus un rezistorus ar dažādu vērtību diapazonu uz elastīgām PET pamatnēm, lai aizstātu virsmas montāžas komponentus jaudas elektroniskajās iekārtās. Mēs esam parādījuši, ka, izstrādājot spirāli ar lielu diametru, piepildījuma ātrumu , un līnijas platuma un telpas platuma attiecību, kā arī izmantojot biezu zemas pretestības tintes slāni. Šie komponenti ir integrēti pilnībā drukātā un elastīgā RLC shēmā, un tiem ir paredzama elektriskā darbība kHz-MHz frekvenču diapazonā, kas ir vislielākā. interese par spēka elektroniku.
Tipiski drukāto jaudas elektronisko ierīču lietošanas gadījumi ir valkājamas vai produktos integrētas elastīgas elektroniskās sistēmas, ko darbina elastīgas uzlādējamas baterijas (piemēram, litija jonu), kas var radīt mainīgu spriegumu atkarībā no uzlādes stāvokļa.Ja slodze (tostarp drukāšana un organiskās elektroniskās iekārtas), ir nepieciešams pastāvīgs spriegums vai lielāks par akumulatora izvadīto spriegumu, ir nepieciešams sprieguma regulators. Šī iemesla dēļ drukātie induktori un rezistori ir integrēti ar tradicionālajiem silīcija IC pastiprināšanas regulatorā, lai darbinātu OLED ar nemainīgu spriegumu. 5 V no mainīga sprieguma akumulatora barošanas avota.Noteiktā slodzes strāvas un ieejas sprieguma diapazonā šīs ķēdes efektivitāte pārsniedz 85% no vadības ķēdes efektivitātes, izmantojot virsmas montāžas induktorus un rezistorus.Neskatoties uz materiālu un ģeometrisko optimizāciju, pretestības zudumi induktorā joprojām ir ierobežojošais faktors ķēdes veiktspējai pie augsta strāvas līmeņa (ieejas strāva ir lielāka par aptuveni 10 mA). Tomēr pie zemākas strāvas zudumi induktors ir samazināti, un kopējo veiktspēju ierobežo efektivitāte. IC.Tā kā daudzām drukātajām un organiskajām ierīcēm ir nepieciešama salīdzinoši zema strāva, piemēram, mūsu demonstrācijā izmantotie mazie OLED, drukātās jaudas indukcijas var uzskatīt par piemērotām šādiem lietojumiem.Izmantojot IC, kas izstrādātas tā, lai tām būtu visaugstākā efektivitāte zemākā strāvas līmenī, var sasniegt augstāku kopējo pārveidotāja efektivitāti.
Šajā darbā sprieguma regulators ir veidots, izmantojot tradicionālo PCB, elastīgo PCB un virsmas montāžas komponentu lodēšanas tehnoloģiju, savukārt drukātais komponents tiek ražots uz atsevišķa substrāta. Tomēr zemas temperatūras un augstas viskozitātes tintes, ko izmanto ekrāna- drukātajām plēvēm ir jāļauj pasīvās sastāvdaļas, kā arī ierīces un virsmas montāžas komponentu kontaktu paliktņu savstarpējo savienojumu drukāt uz jebkura substrāta. Tas kopā ar esošo zemas temperatūras vadošu līmvielu izmantošanu virsmas montāžas komponentiem ļaus visa ķēde ir jāveido uz lētiem substrātiem (piemēram, PET), neizmantojot atņemšanas procesus, piemēram, PCB kodināšanu. Tāpēc šajā darbā izstrādātie sietspiedes pasīvie komponenti palīdz sagatavot ceļu elastīgām elektroniskām sistēmām, kas integrē enerģiju un slodzi ar augstas veiktspējas jaudas elektroniku, izmantojot lētus substrātus, galvenokārt aditīvus procesus un minimālu virsmas montāžas komponentu skaitu.
Izmantojot Asys ASP01M ekrāna printeri un nerūsējošā tērauda sietu, ko nodrošina Dynamesh Inc., visi pasīvo komponentu slāņi tika sietspiedē uz elastīga PET substrāta ar biezumu 76 μm. Metāla slāņa acu izmērs ir 400 līnijas collā un 250 līnijas collā dielektriskajam slānim un pretestības slānim. Izmantojiet rakeļa spēku 55 N, drukāšanas ātrumu 60 mm/s, pārrāvuma attālumu 1,5 mm un Serilor rakeli ar cietību 65 (metālam un pretestības slānim). slāņi) vai 75 (dielektriskiem slāņiem) sietspiedei.
Vadošie slāņi — induktori un kondensatoru un rezistoru kontakti — ir apdrukāti ar DuPont 5082 vai DuPont 5064H sudraba mikropārslu tinti. Rezistors ir apdrukāts ar DuPont 7082 oglekļa vadu. Kondensatora dielektriķim vadošais savienojums dielecijs BT-10tanāts1 tiek izmantots.Katrs dielektriķa slānis tiek ražots, izmantojot divu pakāpju (slapjā-slapjā) drukas ciklu, lai uzlabotu plēves viendabīgumu.Katram komponentam tika pārbaudīta vairāku drukāšanas ciklu ietekme uz komponentu veiktspēju un mainīgumu.Paraugi, kas izgatavoti ar vairāki viena un tā paša materiāla pārklājumi tika žāvēti 70 °C temperatūrā 2 minūtes starp pārklājumiem.Pēc katra materiāla pēdējā slāņa uzklāšanas paraugi tika cepti 140 °C temperatūrā 10 minūtes, lai nodrošinātu pilnīgu žāvēšanu.Ekrāna automātiskās izlīdzināšanas funkcija printeri izmanto, lai izlīdzinātu nākamos slāņus. Kontakts ar induktora centru tiek panākts, izgriežot caurumu uz centrālā paliktņa un trafaretu apdrukas pēdas pamatnes aizmugurē ar tinti DuPont 5064H. Savienojumā starp drukas iekārtām arī tiek izmantots Dupont. 5064H trafaretu drukāšana. Lai uz 7. attēlā redzamās elastīgās PCB parādītu drukātos komponentus un SMT komponentus, drukātās sastāvdaļas ir savienotas, izmantojot Circuit Works CW2400 vadošo epoksīdu, un SMT komponenti ir savienoti ar tradicionālo lodēšanu.
Litija kobalta oksīds (LCO) un grafīta bāzes elektrodi tiek izmantoti attiecīgi kā akumulatora katods un anods. Katoda suspensija ir maisījums no 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafīta (KS6, Timcal), 2,5 % ogļu (Super P, Timcal) un 10% polivinilidēnfluorīdu (PVDF, Kureha Corp.). ) Anods ir 84 masas % grafīta, 4 masas % ogļu un 13 % PVDF maisījums. N-metil-2-pirolidonu (NMP, Sigma Aldrich) izmanto, lai izšķīdinātu PVDF saistvielu un izkliedētu vircu. Suspensija tika homogenizēta ar nakti maisot ar virpuļmaisītāju. 0,0005 collu bieza nerūsējošā tērauda folija un 10 μm niķeļa folija tiek izmantota kā strāvas savācēji attiecīgi katodam un anodam.Tinte tiek drukāta uz strāvas kolektora ar rakeli ar drukas ātrumu 20 mm/s.Karsējiet elektrodu cepeškrāsnī 80 °C temperatūrā 2 stundas, lai noņemtu šķīdinātāju. Elektroda augstums pēc žāvēšanas ir aptuveni 60 μm, un, pamatojoties uz aktīvā materiāla svaru, teorētiskā jauda ir 1,65 mAh. /cm2.Elektrodi tika sagriezti 1,3 × 1,3 cm2 izmēros un karsēti vakuuma cepeškrāsnī 140°C uz nakti, un pēc tam tie tika noslēgti ar alumīnija lamināta maisiņiem ar slāpekli pildītā cimdu kastē.Polipropilēna bāzes plēves šķīdums ar Kā akumulatora elektrolīts tiek izmantots anods un katods, un 1M LiPF6 EC/DEC (1:1).
Zaļais OLED sastāv no poli(9,9-dioktilfluorēna-ko-n-(4-butilfenil)-difenilamīna) (TFB) un poli((9,9-dioktilfluorēna-2,7-(2,1,3-benzotiadiazola- 4,8-diil)) (F8BT) saskaņā ar procedūru, kas izklāstīta Lochner et al 9.
Izmantojiet Dektak irbuli, lai izmērītu plēves biezumu. Filma tika izgriezta, lai sagatavotu šķērsgriezuma paraugu izmeklēšanai ar skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM). FEI Quanta 3D lauka emisijas lielgabals (FEG) SEM tiek izmantots, lai raksturotu drukātā materiāla struktūru. plēvi un apstipriniet biezuma mērījumu.SEM pētījums tika veikts pie paātrinājuma sprieguma 20 keV un tipiskā darba attāluma 10 mm.
Izmantojiet digitālo multimetru, lai izmērītu līdzstrāvas pretestību, spriegumu un strāvu. Induktoru, kondensatoru un ķēžu maiņstrāvas pretestība tiek mērīta, izmantojot Agilent E4980 LCR mērītāju frekvencēm, kas zemākas par 1 MHz, un Agilent E5061A tīkla analizatoru izmanto, lai mērītu frekvences virs 500 kHz.Izmantojiet Tektronix TDS 5034 osciloskops sprieguma regulatora viļņu formas mērīšanai.
Kā citēt šo rakstu: Ostfeld, AE uc Sietspiedes pasīvie komponenti elastīgai jaudas elektroniskai iekārtai.zinātne.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Elastīga elektronika: nākamā visuresošā platforma.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Cilvēka iekštīkls: vieta, kur grupas satiekas ar cilvēkiem.Papīrs publicēts 2015. gada Eiropas konferencē un izstādē par projektēšanu, automatizāciju un testēšanu, Grenoblē, Francijā. Sanhosē, Kalifornijā: EDA Alliance.637-640 (2015. gada 9. marts- 13).
Krebs, FC utt.OE-A OPV demonstrators anno domini 2011.Enerģētikas vide.zinātne.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC printed pjezoelectric energy harvesting devices.Advanced energy materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printed plakana bieza plēve termoelektriskās enerģijas ģenerators.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Elastīgs augsta potenciāla drukāts akumulators, ko izmanto drukāto elektronisko ierīču barošanai.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Jaunākie sasniegumi drukāto elastīgo akumulatoru jomā: mehāniskie izaicinājumi, drukāšanas tehnoloģija un nākotnes perspektīvas.Enerģijas tehnoloģija.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. utt.Liela mēroga sensoru sistēma, kas apvieno liela laukuma elektroniskās ierīces un CMOS IC strukturālas veselības uzraudzībai.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).