novice

Hvala, ker ste obiskali Nature. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite novejšo različico brskalnika (ali izklopite način združljivosti v Internet Explorerju). Hkrati , da zagotovimo nadaljnjo podporo, bomo prikazali spletna mesta brez slogov in JavaScripta.
Dodatki in procesi nizkotemperaturnega tiskanja lahko na fleksibilne podlage z nizkimi stroški integrirajo različne elektronike, ki porabijo in porabijo veliko energije. Vendar pa proizvodnja popolnih elektronskih sistemov iz teh naprav običajno zahteva močnostne elektronske naprave za pretvorbo med različnimi delovnimi napetostmi naprave. Pasivne komponente – induktorji, kondenzatorji in upori – opravljajo funkcije, kot so filtriranje, kratkotrajno shranjevanje energije in merjenje napetosti, ki so bistvenega pomena v močnostni elektroniki in številnih drugih aplikacijah. V tem članku predstavljamo induktorje, kondenzatorje, upori in vezja RLC, ki so sitotiskani na prožne plastične podlage, in poročajo o procesu načrtovanja za zmanjšanje serijskega upora induktorjev, tako da jih je mogoče uporabiti v močnostnih elektronskih napravah. Tiskani induktor in upor sta nato vključena v vezje regulatorja ojačevalnika. Izdelava organskih svetlečih diod in upogljivih litij-ionskih baterij. Regulatorji napetosti se uporabljajo za napajanje diod iz baterije, kar kaže na potencial tiskanih pasivnih komponent za zamenjavo tradicionalnih komponent za površinsko montažo v aplikacijah pretvornikov DC-DC.
V zadnjih letih se je razvila uporaba različnih prilagodljivih naprav v nosljivih in velikopovršinskih elektronskih izdelkih ter internetu stvari1,2. Te vključujejo naprave za pridobivanje energije, kot so fotovoltaične 3, piezoelektrične 4 in termoelektrične 5; naprave za shranjevanje energije, kot so baterije 6, 7; in naprave, ki porabljajo energijo, kot so senzorji 8, 9, 10, 11, 12 in svetlobni viri 13. Čeprav je bil dosežen velik napredek pri posameznih virih energije in obremenitvah, združevanje teh komponent v popoln elektronski sistem običajno zahteva močnostno elektroniko, da odpravi morebitno neskladje med obnašanjem napajanja in zahtevami po obremenitvi. Baterija na primer ustvari spremenljivo napetost glede na stanje napolnjenosti. Če obremenitev zahteva konstantno napetost ali višjo od napetosti, ki jo lahko ustvari baterija, je potrebna močnostna elektronika .Močnostna elektronika uporablja aktivne komponente (tranzistorje) za izvajanje preklopnih in krmilnih funkcij, pa tudi pasivne komponente (induktorje, kondenzatorje in upore). Na primer, v vezju preklopnega regulatorja se induktor uporablja za shranjevanje energije med vsakim preklopnim ciklom. , kondenzator se uporablja za zmanjšanje valovanja napetosti, merjenje napetosti, ki je potrebno za povratno krmiljenje, pa se izvede z uporabo uporovnega delilnika.
Napajalne elektronske naprave, ki so primerne za nosljive naprave (kot je pulzni oksimeter 9), zahtevajo več voltov in več miliamperov, običajno delujejo v frekvenčnem območju od stotin kHz do več MHz ter zahtevajo več μH in več μH induktivnosti in kapacitivnosti μF je 14. Tradicionalna metoda izdelave teh vezij je spajkanje diskretnih komponent na togo tiskano vezje (PCB). Čeprav so aktivne komponente močnostnih elektronskih vezij običajno združene v eno silicijevo integrirano vezje (IC), so pasivne komponente običajno zunanji, bodisi zaradi omogočanja prilagojenih vezij ali ker sta zahtevana induktivnost in kapacitivnost preveliki, da bi ju bilo mogoče implementirati v silicij.
V primerjavi s tradicionalno proizvodno tehnologijo, ki temelji na PCB, ima proizvodnja elektronskih naprav in vezij s postopkom aditivnega tiska številne prednosti v smislu enostavnosti in stroškov. Prvič, ker številne komponente vezja zahtevajo iste materiale, kot so kovine za kontakte in medsebojnih povezav, tiskanje omogoča izdelavo več komponent hkrati z relativno malo koraki obdelave in manj viri materialov15. Uporaba aditivnih postopkov za nadomestitev subtraktivnih postopkov, kot sta fotolitografija in jedkanje, dodatno zmanjša kompleksnost postopka in materialne odpadke16, 17, 18 in 19. Poleg tega so nizke temperature, ki se uporabljajo pri tiskanju, združljive s prožnimi in poceni plastičnimi substrati, kar omogoča uporabo visokohitrostnih proizvodnih procesov od zvitka do zvitka za pokrivanje elektronskih naprav 16, 20 na velikih površinah. Za aplikacije ki jih ni mogoče v celoti realizirati s tiskanimi komponentami, so bile razvite hibridne metode, pri katerih so komponente tehnologije površinske montaže (SMT) povezane s prožnimi podlagami 21, 22, 23 poleg tiskanih komponent pri nizkih temperaturah. Pri tem hibridnem pristopu je še vedno je potrebno zamenjati čim več komponent SMT s tiskanimi primerki, da pridobimo prednosti dodatnih procesov in povečamo splošno prilagodljivost vezja. Da bi realizirali prilagodljivo močnostno elektroniko, smo predlagali kombinacijo aktivnih komponent SMT in sitotiskanih pasivnih komponent. komponent, s posebnim poudarkom na zamenjavi obsežnih induktorjev SMT s planarnimi spiralnimi induktorji. Med različnimi tehnologijami za proizvodnjo tiskane elektronike je sitotisk še posebej primeren za pasivne komponente zaradi velike debeline filma (kar je potrebno za zmanjšanje serijske upornosti kovinskih elementov ) in visoko hitrostjo tiskanja, tudi pri pokrivanju centimetrskih površin. Enako velja včasih. Material 24.
Izgubo pasivnih komponent močnostne elektronske opreme je treba čim bolj zmanjšati, ker učinkovitost vezja neposredno vpliva na količino energije, potrebne za napajanje sistema. To je še posebej zahtevno za tiskane induktorje, sestavljene iz dolgih tuljav, ki so zato dovzetne za visoke serije Čeprav je bilo nekaj truda vloženega v zmanjšanje upora 25, 26, 27, 28 tiskanih tuljav, še vedno primanjkuje visoko učinkovitih tiskanih pasivnih komponent za močnostne elektronske naprave. Do danes je veliko poročalo o tiskanih pasivnih komponente na prožnih substratih so zasnovane za delovanje v resonančnih vezjih za radiofrekvenčno identifikacijo (RFID) ali namene pridobivanja energije 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Drugi se osredotočajo na razvoj materiala ali proizvodnega procesa in prikazujejo generične komponente 26, 32, 33, 34, ki niso optimizirani za posebne aplikacije. Nasprotno pa močnostna elektronska vezja, kot so napetostni regulatorji, pogosto uporabljajo večje komponente kot tipične tiskane pasivne naprave in ne zahtevajo resonance, zato so potrebne drugačne zasnove komponent.
Tukaj predstavljamo zasnovo in optimizacijo sitotiskanih induktorjev v območju μH, da dosežemo najmanjši serijski upor in visoko zmogljivost pri frekvencah, povezanih z močnostno elektroniko. Izdelujejo se sitotiskani induktorji, kondenzatorji in upori z različnimi vrednostmi komponent na upogljivih plastičnih podlagah. Primernost teh komponent za fleksibilne elektronske izdelke je bila najprej dokazana v preprostem vezju RLC. Tiskani induktor in upor sta nato integrirana z IC, da tvorita ojačevalni regulator. Končno, organska svetleča dioda (OLED ) in prilagodljiva litij-ionska baterija, za napajanje OLED iz baterije pa se uporablja regulator napetosti.
Da bi oblikovali tiskane induktorje za močnostno elektroniko, smo najprej predvideli induktivnost in enosmerni upor niza geometrij induktorjev na podlagi trenutnega modela pločevine, predlaganega v Mohan et al. 35, in izdelani induktorji različnih geometrij za potrditev natančnosti modela. V tem delu je bila za induktor izbrana krožna oblika, ker je večjo induktivnost 36 mogoče doseči z nižjim uporom v primerjavi s poligonalno geometrijo. Vpliv črnila vrsta in število ciklov tiskanja na upornost. Ti rezultati so bili nato uporabljeni z modelom ampermetra za načrtovanje induktorjev 4,7 μH in 7,8 μH, optimiziranih za najmanjšo upornost enosmernega toka.
Induktivnost in enosmerni upor spiralnih induktorjev je mogoče opisati z več parametri: zunanjim premerom do, širino zavojev w in razmikom s, številom zavojev n in uporom pločevine prevodnika Rsheet. Slika 1a prikazuje fotografijo krožnega induktorja, natisnjenega s sitotiskom. z n = 12, ki prikazuje geometrijske parametre, ki določajo njegovo induktivnost. V skladu z modelom ampermetra Mohana et al. 35 je induktivnost izračunana za vrsto geometrij induktorjev, kjer
(a) Fotografija sitotiskanega induktorja, ki prikazuje geometrijske parametre. Premer je 3 cm. Induktivnost (b) in enosmerni upor (c) različnih geometrij induktorja. Črte in oznake ustrezajo izračunanim oziroma izmerjenim vrednostim. (d, e) DC upornosti induktorjev L1 in L2 sta sitotiskana s srebrnimi črnili Dupont 5028 oziroma 5064H. (f, g) Mikrografi SEM filmov, sitotiskani z Dupont 5028 oziroma 5064H.
Pri visokih frekvencah bosta kožni učinek in parazitska kapacitivnost spremenila upornost in induktivnost induktorja glede na njegovo vrednost enosmernega toka. Pričakuje se, da bo induktor deloval pri dovolj nizki frekvenci, da so ti učinki zanemarljivi, naprava pa se obnaša kot konstantna induktivnost s konstantnim uporom v seriji. Zato smo v tem delu analizirali razmerje med geometrijskimi parametri, induktivnostjo in uporom na enosmerni tok ter rezultate uporabili za pridobitev dane induktivnosti z najmanjšim uporom na enosmerni tok.
Induktivnost in upornost sta izračunana za vrsto geometrijskih parametrov, ki jih je mogoče realizirati s sitotiskom, in pričakuje se, da bo ustvarjena induktivnost v območju μH. Zunanja premera 3 in 5 cm, širine črt 500 in 1000 mikronov , in primerjajo se različni zavoji. Pri izračunu se predpostavlja, da je upor pločevine 47 mΩ/□, kar ustreza 7 μm debeli plasti Dupont mikrokosmičev iz srebra 5028, ki je natisnjena s sitom 400 mesh in nastavitvijo w = s. izračunane vrednosti induktivnosti in upora so prikazane na sliki 1b oziroma c. Model predvideva, da se tako induktivnost kot upor povečujeta, ko se povečujeta zunanji premer in število ovojev ali ko se širina linije zmanjšuje.
Da bi ovrednotili natančnost napovedi modela, so bili induktorji različnih geometrij in induktivnosti izdelani na substratu iz polietilen tereftalata (PET). Izmerjene vrednosti induktivnosti in upora so prikazane na sliki 1b in c. Čeprav je upor pokazal nekaj odstopanja od pričakovana vrednost, predvsem zaradi sprememb v debelini in enakomernosti nanesenega črnila, je induktivnost pokazala zelo dobro ujemanje z modelom.
Te rezultate je mogoče uporabiti za načrtovanje induktorja z zahtevano induktivnostjo in najmanjšo upornostjo na enosmerni tok. Denimo, da je zahtevana induktivnost 2 μH. Slika 1b prikazuje, da je to induktivnost mogoče realizirati z zunanjim premerom 3 cm, širino črte 500 μm in 10 ovojev. Enako induktivnost je mogoče ustvariti tudi z uporabo 5 cm zunanjega premera, 500 μm širine črte in 5 ovojev ali 1000 μm širine črte in 7 ovojev (kot je prikazano na sliki). Primerjava uporov teh treh možne geometrije na sliki 1c je mogoče ugotoviti, da je najnižji upor 5 cm induktorja s širino črte 1000 μm 34 Ω, kar je približno 40 % manj kot pri drugih dveh. Splošni postopek načrtovanja za doseganje dane induktivnosti z najmanjšim uporom je povzetek, kot sledi: Najprej izberite največji dovoljeni zunanji premer glede na prostorske omejitve, ki jih nalaga aplikacija. Nato mora biti širina črte čim večja, hkrati pa še vedno dosegati zahtevano induktivnost, da dobite visoko stopnjo polnjenja. (Enačba (3)).
S povečanjem debeline ali uporabo materiala z večjo prevodnostjo za zmanjšanje ploščate odpornosti kovinske folije je mogoče upornost na enosmerni tok dodatno zmanjšati brez vpliva na induktivnost. Dve induktorji, katerih geometrijski parametri so podani v tabeli 1, imenovani L1 in L2, so izdelani z različnim številom premazov, da se oceni sprememba upora. Ko se število premazov črnila poveča, se upor sorazmerno zmanjša, kot je bilo pričakovano, kot je prikazano na slikah 1d in e, ki sta induktorja L1 oziroma L2. Sliki 1d in e kažejo, da se lahko z nanosom 6 plasti premaza odpornost zmanjša do 6-krat, največje zmanjšanje odpornosti (50-65 %) pa se pojavi med plastjo 1 in 2. Ker je vsaka plast črnila relativno tanka, zaslon z razmeroma majhno velikostjo mreže (400 vrstic na palec) se uporablja za tiskanje teh induktorjev, kar nam omogoča preučevanje učinka debeline prevodnika na upor. Dokler so značilnosti vzorca večje od minimalne ločljivosti mreže, podobno debelino (in odpornost) je mogoče doseči hitreje s tiskanjem manjšega števila prevlek z večjo velikostjo mreže. To metodo je mogoče uporabiti za doseganje enake upornosti na enosmerni tok kot tukaj razpravljani induktor s 6 prevlekami, vendar z višjo proizvodno hitrostjo.
Sliki 1d in e prav tako prikazujeta, da se z uporabo bolj prevodnega črnila v obliki srebrnih kosmičev DuPont 5064H upor zmanjša za faktor dva. Iz mikrofotografij SEM filmov, natisnjenih z obema črniloma (slika 1f, g), je mogoče je razvidno, da je nižja prevodnost črnila 5028 posledica njegove manjše velikosti delcev in prisotnosti številnih praznin med delci v natisnjenem filmu. Po drugi strani pa ima črnilo 5064H večje, tesneje razporejene kosmiče, zaradi česar se obnaša bližje masi srebro. Čeprav je film, ki ga ustvari to črnilo, tanjši od črnila 5028, z eno plastjo 4 μm in 6 plastmi 22 μm, je povečanje prevodnosti zadostno za zmanjšanje celotnega upora.
Nazadnje, čeprav je induktivnost (enačba (1)) odvisna od števila ovojev (w + s), je upor (enačba (5)) odvisen le od širine črte w. Zato je s povečanjem w glede na s upor Dve dodatni induktorji L3 in L4 sta zasnovani tako, da imata w = 2s in velik zunanji premer, kot je prikazano v tabeli 1. Ti induktorji so izdelani s 6 plastmi prevleke DuPont 5064H, kot je prikazano prej, da zagotovijo najvišja zmogljivost. Induktivnost L3 je 4,720 ± 0,002 μH in upornost 4,9 ± 0,1 Ω, medtem ko je induktivnost L4 7,839 ± 0,005 μH in 6,9 ± 0,1 Ω, kar se dobro ujema z napovedjo modela. Zaradi povečanje debeline, prevodnosti in w/s, to pomeni, da se je razmerje L/R povečalo za več kot red velikosti glede na vrednost na sliki 1.
Čeprav je nizka enosmerna upornost obetavna, vrednotenje primernosti induktorjev za močno elektronsko opremo, ki deluje v območju kHz-MHz, zahteva karakterizacijo pri frekvencah izmeničnega toka. Slika 2a prikazuje odvisnost upora in reaktanse L3 in L4 od frekvence. Za frekvence pod 10 MHz , ostane upor približno konstanten pri svoji enosmerni vrednosti, medtem ko reaktanca narašča linearno s frekvenco, kar pomeni, da je induktivnost konstantna, kot je bilo pričakovano. Samoresonančna frekvenca je definirana kot frekvenca, pri kateri se impedanca spremeni iz induktivne v kapacitivno, z L3 je 35,6 ± 0,3 MHz, L4 pa 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvenčna odvisnost faktorja kakovosti Q (enako ωL/R) je prikazana na sliki 2b. L3 in L4 dosegata največja faktorja kakovosti 35 ± 1 in 33 ± 1 pri frekvencah 11 oziroma 16 MHz. Zaradi induktivnosti nekaj μH in relativno visokega Q pri frekvencah MHz ti induktorji zadostujejo za zamenjavo tradicionalnih induktorjev za površinsko montažo v pretvornikih DC-DC majhne moči.
Izmerjeni upor R in reaktanca X (a) ter faktor kakovosti Q (b) induktorjev L3 in L4 so povezani s frekvenco.
Da bi čim bolj zmanjšali odtis, potreben za določeno kapacitivnost, je najbolje uporabiti tehnologijo kondenzatorjev z veliko specifično kapacitivnostjo, ki je enaka dielektrični konstanti ε, deljeni z debelino dielektrika. V tem delu smo izbrali kompozit barijevega titanata kot dielektrik, ker ima večji epsilon kot drugi organski dielektriki, obdelani z raztopino. Dielektrična plast je sitotiskana med dvema srebrnima vodnikoma, da tvori strukturo kovina-dielektrik-kovina. Kondenzatorji različnih velikosti v centimetrih, kot je prikazano na sliki 3a , so izdelani z uporabo dveh ali treh plasti dielektričnega črnila, da se ohrani dober izkoristek. Slika 3b prikazuje presek SEM mikrofotografije reprezentativnega kondenzatorja, narejenega z dvema slojema dielektrika, s skupno debelino dielektrika 21 μm. Zgornja in spodnja elektroda so enoslojni oziroma šestslojni 5064H. Delci barijevega titanata mikronske velikosti so vidni na sliki SEM, ker so svetlejša območja obdana s temnejšim organskim vezivom. Dielektrično črnilo dobro zmoči spodnjo elektrodo in tvori jasen vmesnik z natisnjen kovinski film, kot je prikazano na sliki z večjo povečavo.
(a) Fotografija kondenzatorja s petimi različnimi območji. (b) Prečni mikrofotograf SEM kondenzatorja z dvema slojema dielektrika, ki prikazuje dielektrik iz barijevega titanata in srebrove elektrode. (c) Kapacitivnosti kondenzatorjev z 2 in 3 barijevim titanatom dielektrične plasti in različna območja, merjeno pri 1 MHz. (d) Razmerje med kapacitivnostjo, ESR in faktorjem izgube kondenzatorja 2,25 cm2 z 2 slojema dielektričnih prevlek in frekvenco.
Kapacitivnost je sorazmerna s pričakovano površino. Kot je prikazano na sliki 3c, je specifična kapacitivnost dvoslojnega dielektrika 0,53 nF/cm2, specifična kapacitivnost troslojnega dielektrika pa 0,33 nF/cm2. Te vrednosti ustrezajo dielektrični konstanti 13. kapacitivnost in disipacijski faktor (DF) sta bila prav tako izmerjena pri različnih frekvencah, kot je prikazano na sliki 3d, za 2,25 cm2 kondenzatorja z dvema slojema dielektrika. Ugotovili smo, da je bila kapacitivnost relativno ravna v frekvenčnem območju, ki nas zanima, in se je povečala za 20 %. od 1 do 10 MHz, medtem ko se je v istem območju DF povečal z 0,013 na 0,023. Ker je faktor disipacije razmerje med izgubo energije in energijo, shranjeno v vsakem ciklu izmeničnega toka, DF 0,02 pomeni, da je 2 % obdelane moči kondenzatorja se porabi. Ta izguba je običajno izražena kot od frekvence odvisen ekvivalentni zaporedni upor (ESR), zaporedno povezan s kondenzatorjem, ki je enak DF/ωC. Kot je prikazano na sliki 3d, za frekvence, večje od 1 MHz, ESR je nižji od 1,5 Ω, pri frekvencah, večjih od 4 MHz, pa je ESR nižji od 0,5 Ω. Čeprav uporabljajo to tehnologijo kondenzatorjev, kondenzatorji razreda μF, potrebni za pretvornike DC-DC, zahtevajo zelo veliko površino, vendar 100 pF- Območje kapacitivnosti nF in majhna izguba teh kondenzatorjev sta primerna za druge aplikacije, kot so filtri in resonančna vezja. Za povečanje kapacitivnosti je mogoče uporabiti različne metode. Večja dielektrična konstanta poveča specifično kapacitivnost 37; to je na primer mogoče doseči s povečanjem koncentracije delcev barijevega titanata v črnilu. Lahko se uporabi manjša debelina dielektrika, čeprav to zahteva spodnjo elektrodo z nižjo hrapavostjo kot sitotiskani srebrni lističi. Tanjši kondenzator z manjšo hrapavostjo plasti je mogoče nanesti z brizgalnim tiskanjem 31 ali globokim tiskom 10, ki ga je mogoče kombinirati s postopkom sitotiskanja. Končno je mogoče zložiti več izmeničnih plasti kovine in dielektrika ter jih natisniti in povezati vzporedno, s čimer se poveča kapacitivnost 34 na enoto površine .
Napetostni delilnik, sestavljen iz para uporov, se običajno uporablja za izvajanje meritev napetosti, potrebnih za povratno krmiljenje napetostnega regulatorja. Za to vrsto uporabe mora biti upor tiskanega upora v območju kΩ-MΩ, razlika med naprava je majhna. Tukaj je bilo ugotovljeno, da je bil upor plošče enoslojnega sitotiskanega ogljikovega črnila 900 Ω/□. Ta informacija se uporablja za načrtovanje dveh linearnih uporov (R1 in R2) in kačastega upora (R3 ) z nazivnimi upornostmi 10 kΩ, 100 kΩ in 1,5 MΩ. Odpornost med nominalnima vrednostma se doseže s tiskanjem dveh ali treh plasti črnila, kot je prikazano na sliki 4, in fotografijami treh uporov. Naredite 8- 12 vzorcev vsake vrste; v vseh primerih je standardni odklon upora 10 % ali manj. Sprememba upora vzorcev z dvema ali tremi plastmi prevleke je nekoliko manjša kot pri vzorcih z eno plastjo prevleke. Majhna sprememba izmerjene upornosti in tesno ujemanje z nominalno vrednostjo kažeta, da je druge upore v tem območju mogoče pridobiti neposredno s spreminjanjem geometrije upora.
Tri različne geometrije uporov z različnim številom ogljikovih uporovnih premazov črnila. Fotografije treh uporov so prikazane na desni.
RLC vezja so klasični učbeniški primeri kombinacij uporov, induktorjev in kondenzatorjev, ki se uporabljajo za prikaz in preverjanje obnašanja pasivnih komponent, integriranih v resnična tiskana vezja. V tem vezju sta tuljava 8 μH in kondenzator 0,8 nF povezana zaporedno in 25 kΩ upor je povezan vzporedno z njimi. Fotografija upogljivega vezja je prikazana na sliki 5a. Razlog za izbiro te posebne serijsko-vzporedne kombinacije je, da njeno obnašanje določa vsaka od treh različnih frekvenčnih komponent, tako da učinkovitost vsake komponente je mogoče poudariti in ovrednotiti. Ob upoštevanju serijskega upora 7 Ω induktorja in 1,3 Ω ESR kondenzatorja je bil izračunan pričakovani frekvenčni odziv vezja. Diagram vezja je prikazan na sliki 5b in izračunan amplituda in faza impedance ter izmerjene vrednosti so prikazane na slikah 5c in d. Pri nizkih frekvencah visoka impedanca kondenzatorja pomeni, da obnašanje vezja določa upor 25 kΩ. Ko frekvenca narašča, je impedanca pot LC se zmanjša; celotno vedenje vezja je kapacitivno, dokler ni resonančna frekvenca 2,0 MHz. Nad resonančno frekvenco prevladuje induktivna impedanca. Slika 5 jasno prikazuje odlično ujemanje med izračunanimi in izmerjenimi vrednostmi v celotnem frekvenčnem območju. To pomeni, da je uporabljeni model tukaj (kjer so induktorji in kondenzatorji idealne komponente z zaporedno upornostjo) je natančen za napovedovanje obnašanja vezja pri teh frekvencah.
(a) Fotografija sitotiskanega vezja RLC, ki uporablja zaporedno kombinacijo induktorja 8 μH in kondenzatorja 0,8 nF vzporedno z uporom 25 kΩ. (b) Model vezja, vključno z zaporedno upornostjo induktorja in kondenzatorja. (c) ,d) Amplituda impedance (c) in faza (d) vezja.
Končno so tiskani induktorji in upori implementirani v ojačevalni regulator. IC, uporabljen v tej predstavitvi, je Microchip MCP1640B14, ki je sinhroni ojačevalni regulator na osnovi PWM z delovno frekvenco 500 kHz. Shema vezja je prikazana na sliki 6a.A 4,7 μH induktor in dva kondenzatorja (4,7 μF in 10 μF) se uporabljajo kot elementi za shranjevanje energije, par uporov pa se uporablja za merjenje izhodne napetosti krmiljenja povratne zanke. Izberite vrednost upora, da prilagodite izhodno napetost na 5 V. Vezje je izdelano na tiskanem vezju, njegovo delovanje pa je izmerjeno znotraj upora obremenitve in območja vhodne napetosti od 3 do 4 V za simulacijo litij-ionske baterije v različnih stanjih polnjenja. Učinkovitost tiskanih induktorjev in uporov se primerja z učinkovitost induktorjev in uporov SMT. Kondenzatorji SMT se uporabljajo v vseh primerih, ker je kapacitivnost, potrebna za to aplikacijo, prevelika, da bi jo lahko dopolnili s tiskanimi kondenzatorji.
(a) Diagram vezja za stabilizacijo napetosti. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw in (d) valovne oblike toka, ki teče v induktor, vhodna napetost je 4,0 V, upor obremenitve je 1 kΩ, in tiskani induktor se uporablja za merjenje. Za to meritev se uporabljajo upori in kondenzatorji za površinsko montažo. (e) Za različne obremenitvene upore in vhodne napetosti, učinkovitost tokokrogov regulatorja napetosti z uporabo vseh komponent za površinsko montažo ter tiskanih induktorjev in uporov. (f ) Razmerje učinkovitosti površinske namestitve in tiskanega vezja, prikazano v (e).
Za vhodno napetost 4,0 V in obremenitveni upor 1000 Ω so valovne oblike, izmerjene z natisnjenimi induktorji, prikazane na slikah 6b-d. Slika 6c prikazuje napetost na Vsw priključku IC; napetost induktorja je Vin-Vsw. Slika 6d prikazuje tok, ki teče v induktor. Učinkovitost vezja s SMT in tiskanimi komponentami je prikazana na sliki 6e kot funkcija vhodne napetosti in obremenitvenega upora, slika 6f pa prikazuje razmerje učinkovitosti tiskanih komponent na komponente SMT. Učinkovitost, izmerjena s komponentami SMT, je podobna pričakovani vrednosti, podani v proizvajalčevem podatkovnem listu 14. Pri visokem vhodnem toku (nizka upornost obremenitve in nizka vhodna napetost) je učinkovitost tiskanih induktorjev bistveno nižja od pri induktorjih SMT zaradi večjega serijskega upora. Vendar pa z višjo vhodno napetostjo in višjim izhodnim tokom izguba upora postane manj pomembna in zmogljivost tiskanih induktorjev se začne približevati zmogljivosti induktorjev SMT. Za upor obremenitve >500 Ω in Vin = 4,0 V ali >750 Ω in Vin = 3,5 V, je učinkovitost tiskanih induktorjev večja od 85 % induktorjev SMT.
Primerjava trenutne valovne oblike na sliki 6d z izmerjeno izgubo moči kaže, da je izguba upora v induktorju glavni vzrok za razliko v učinkovitosti med tiskanim vezjem in vezjem SMT, kot je bilo pričakovano. Vhodna in izhodna moč, izmerjena pri 4,0 V vhodna napetost in obremenitveni upor 1000 Ω sta 30,4 mW in 25,8 mW za vezja s komponentami SMT ter 33,1 mW in 25,2 mW za vezja s tiskanimi komponentami. Zato je izguba tiskanega vezja 7,9 mW, kar je za 3,4 mW več od vezje s komponentami SMT. RMS induktorski tok, izračunan iz valovne oblike na sliki 6d, je 25,6 mA. Ker je njegov serijski upor 4,9 Ω, je pričakovana izguba moči 3,2 mW. To je 96 % izmerjene razlike v enosmerni moči 3,4 mW. Poleg tega je vezje izdelano s tiskanimi induktorji in upori ter tiskanimi induktorji in upori SMT ter med njima ni opaziti bistvene razlike v učinkovitosti.
Nato se regulator napetosti izdela na upogljivem tiskanem vezju (tiskanje vezja in delovanje komponente SMT je prikazano na dodatni sliki S1) in se poveže med prilagodljivo litij-ionsko baterijo kot virom napajanja in nizom OLED kot obremenitvijo. Po mnenju Lochnerja in sod. 9 Za izdelavo OLED vsaka piksel OLED porabi 0,6 mA pri 5 V. Baterija uporablja litij-kobaltov oksid kot katodo in grafit kot anodo, izdelana pa je s prevleko rezila, ki je najpogostejša metoda tiskanja baterij.7 Kapaciteta baterije je 16 mAh, napetost med preskusom pa 4,0 V. Slika 7 prikazuje fotografijo vezja na upogljivem tiskanem vezju, ki napaja tri piksle OLED, povezane vzporedno. Predstavitev je pokazala potencial natisnjenih napajalnih komponent za integracijo z drugimi prilagodljive in organske naprave za oblikovanje kompleksnejših elektronskih sistemov.
Fotografija vezja regulatorja napetosti na upogljivem tiskanem vezju z uporabo natisnjenih induktorjev in uporov, z uporabo upogljivih litij-ionskih baterij za napajanje treh organskih LED.
Prikazali smo sitotiskane induktorje, kondenzatorje in upore z razponom vrednosti na fleksibilnih PET substratih, s ciljem zamenjave komponent za površinsko montažo v močnostni elektronski opremi. Pokazali smo, da z oblikovanjem spirale z velikim premerom hitrost polnjenja , in razmerje med širino črte in širino prostora ter z uporabo debele plasti črnila z nizko odpornostjo. Te komponente so integrirane v popolnoma natisnjeno in prilagodljivo vezje RLC in kažejo predvidljivo električno obnašanje v frekvenčnem območju kHz-MHz, ki je največje zanimanje za močnostno elektroniko.
Tipični primeri uporabe tiskanih močnostnih elektronskih naprav so prilagodljivi elektronski sistemi, ki jih je mogoče nositi ali so vgrajeni v izdelek, ki jih napajajo prilagodljive polnilne baterije (kot so litij-ionske), ki lahko ustvarjajo spremenljive napetosti glede na stanje napolnjenosti. Če je obremenitev (vključno s tiskanjem in organska elektronska oprema) zahteva konstantno napetost ali višjo od izhodne napetosti baterije, je potreben regulator napetosti. Zaradi tega so tiskani induktorji in upori integrirani s tradicionalnimi silicijevimi IC v ojačevalni regulator za napajanje OLED s konstantno napetostjo. 5 V iz akumulatorskega napajanja s spremenljivo napetostjo. Znotraj določenega razpona obremenitvenega toka in vhodne napetosti učinkovitost tega vezja presega 85 % učinkovitosti krmilnega vezja, ki uporablja induktorje in upore za površinsko montažo. Kljub materialnim in geometrijskim optimizacijam uporovne izgube v induktorju so še vedno omejevalni dejavnik za delovanje vezja pri visokih tokovnih ravneh (vhodni tok večji od približno 10 mA). Vendar pa so pri nižjih tokovih izgube v induktorju zmanjšane, celotna zmogljivost pa je omejena z učinkovitostjo IC. Ker veliko tiskanih in organskih naprav zahteva relativno nizke tokove, kot so majhni OLED-ji, uporabljeni v naši predstavitvi, lahko tiskane močnostne induktorje štejemo za primerne za takšne aplikacije. Z uporabo IC-jev, zasnovanih za najvišjo učinkovitost pri nižjih ravneh toka, mogoče doseči večjo skupno učinkovitost pretvornika.
Pri tem delu je regulator napetosti zgrajen na tradicionalni tehnologiji tiskanega vezja, upogljivega tiskanega vezja in komponente za površinsko montažo, medtem ko je natisnjena komponenta izdelana na ločenem substratu. Vendar pa črnila z nizko temperaturo in visoko viskoznostjo, ki se uporabljajo za izdelavo zaslona, natisnjeni filmi bi morali omogočati tiskanje pasivnih komponent ter medsebojno povezavo med napravo in kontaktnimi ploščicami komponent za površinsko montažo na katero koli podlago. To bo v kombinaciji z uporabo obstoječih nizkotemperaturnih prevodnih lepil za komponente za površinsko montažo omogočilo celotno vezje, ki bo zgrajeno na poceni substratih (kot je PET) brez potrebe po subtraktivnih postopkih, kot je jedkanje PCB. Zato sitotiskane pasivne komponente, razvite v tem delu, pomagajo utreti pot prilagodljivim elektronskim sistemom, ki združujejo energijo in obremenitve z visoko zmogljivo močnostno elektroniko, z uporabo poceni substratov, predvsem aditivnih postopkov in minimalnim številom komponent za površinsko montažo.
Z uporabo sitotiskalnika Asys ASP01M in sita iz nerjavečega jekla, ki ga je zagotovil Dynamesh Inc., so bile vse plasti pasivnih komponent sitotiskane na fleksibilen PET substrat debeline 76 μm. Velikost očesa kovinske plasti je 400 linij na palec in 250 vrstic na palec za dielektrično plast in uporovno plast. Uporabite silo otiralnika 55 N, hitrost tiskanja 60 mm/s, prelomno razdaljo 1,5 mm in otiralnik Serilor s trdoto 65 (za kovine in uporovne plasti) ali 75 (za dielektrične plasti) za sitotisk.
Prevodni sloji – induktorji in kontakti kondenzatorjev in uporov – so natisnjeni s srebrnim črnilom DuPont 5082 ali DuPont 5064H. Upor je natisnjen z ogljikovim prevodnikom DuPont 7082. Za dielektrik kondenzatorja je prevodna spojina BT-101 dielektrik barijev titanat Vsaka plast dielektrika je izdelana z uporabo dvoprehodnega (mokro-mokro) tiskarskega cikla za izboljšanje enakomernosti filma. Za vsako komponento je bil preučen učinek večkratnih tiskarskih ciklov na zmogljivost in variabilnost komponente. Vzorci, narejeni z več nanosov istega materiala smo med nanosi sušili 2 minuti pri 70 °C. Po nanosu zadnjega nanosa vsakega materiala smo vzorce pekli 10 minut pri 140 °C, da smo zagotovili popolno sušenje. Funkcija samodejne poravnave sita tiskalnik se uporablja za poravnavo naslednjih plasti. Stik s središčem induktorja je dosežen z izrezovanjem skoznje luknje na sredinski ploščici in sledmi tiskanja šablone na hrbtni strani substrata s črnilom DuPont 5064H. Medsebojna povezava med opremo za tiskanje uporablja tudi Dupont Tiskanje s šablono 5064H. Za prikaz natisnjenih komponent in komponent SMT na upogljivem tiskanem vezju, prikazanem na sliki 7, so natisnjene komponente povezane s prevodnim epoksidom Circuit Works CW2400, komponente SMT pa so povezane s tradicionalnim spajkanjem.
Litijev kobaltov oksid (LCO) in elektrode na osnovi grafita se uporabljajo kot katoda oziroma anoda baterije. Katodna gošča je mešanica 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafita (KS6, Timcal), 2,5 % saj (Super P, Timcal) in 10 % poliviniliden fluorida (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoda je mešanica 84 mas. % grafita, 4 mas. % saj in 13 mas. % PVDF. N-metil-2-pirolidon (NMP, Sigma Aldrich) se uporablja za raztapljanje veziva PVDF in dispergiranje gošče. Gnojnico smo homogenizirali z mešanje z vrtinčnim mešalnikom čez noč. 0,0005 inch debela folija iz nerjavečega jekla in 10 μm nikljeva folija se uporabljajo kot zbiralniki toka za katodo oziroma anoda. Črnilo se natisne na zbiralnik toka z otiralnikom pri hitrosti tiskanja 20 mm/s. Elektrodo segrevajte v pečici pri 80 °C 2 uri, da odstranite topilo. Višina elektrode po sušenju je približno 60 μm, glede na težo aktivnega materiala pa je teoretična kapaciteta 1,65 mAh /cm2. Elektrode smo razrezali na dimenzije 1,3 × 1,3 cm2 in jih čez noč segrevali v vakuumski pečici pri 140°C, nato pa jih zaprli z vrečkami iz aluminijastega laminata v predalu za rokavice, napolnjenem z dušikom. Raztopina polipropilenskega osnovnega filma z anoda in katoda ter 1M LiPF6 v EC/DEC (1:1) se uporablja kot elektrolit baterije.
Zeleni OLED je sestavljen iz poli(9,9-dioktilfluoren-ko-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) in poli((9,9-dioktilfluoren-2,7- (2,1,3-benzotiadiazol- 4, 8-diil) (F8BT) v skladu s postopkom, opisanim v Lochner et al.
Uporabite Dektak stylus profiler za merjenje debeline filma. Film je bil odrezan za pripravo vzorca preseka za preiskavo z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM). FEI Quanta 3D pištola za emisijo polja (FEG) SEM se uporablja za karakterizacijo strukture natisnjenega filma in potrdite meritev debeline. Študija SEM je bila izvedena pri pospeševalni napetosti 20 keV in tipični delovni razdalji 10 mm.
Uporabite digitalni multimeter za merjenje enosmernega upora, napetosti in toka. AC impedanca induktorjev, kondenzatorjev in vezij se meri z merilnikom Agilent E4980 LCR za frekvence pod 1 MHz, analizator omrežja Agilent E5061A pa se uporablja za merjenje frekvenc nad 500 kHz. Uporabite Osciloskop Tektronix TDS 5034 za merjenje valovne oblike regulatorja napetosti.
Kako citirati ta članek: Ostfeld, AE itd. Pasivne komponente za sitotisk za prilagodljivo energetsko elektronsko opremo.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Prilagodljiva elektronika: naslednja vseprisotna platforma. Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Človeški intranet: kraj, kjer se skupine srečajo z ljudmi. Prispevek, objavljen na evropski konferenci in razstavi o načrtovanju, avtomatizaciji in testiranju 2015, Grenoble, Francija. San Jose, Kalifornija: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. marec- 13).
Krebs, FC itd.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC tiskane piezoelektrične naprave za zbiranje energije. Napredni energetski materiali.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Ploščati debeli filmski termoelektrični generator energije, natisnjen z razpršilnikom.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Fleksibilna tiskana baterija z visokim potencialom, ki se uporablja za napajanje tiskanih elektronskih naprav. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Najnovejši razvoj na področju tiskanih fleksibilnih baterij: mehanski izzivi, tehnologija tiskanja in prihodnji obeti. Energetska tehnologija. 3, 305–328 (2015).
Hu, Y. itd. Sistem za zaznavanje velikega obsega, ki združuje elektronske naprave velikega območja in CMOS IC za spremljanje strukturnega zdravja. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).