správy

Ďakujeme, že ste navštívili Nature.Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu pre CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť novšiu verziu prehliadača (alebo vypnúť režim kompatibility v Internet Exploreri).Zároveň , aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, budeme zobrazovať stránky bez štýlov a JavaScriptu.
Aditíva a nízkoteplotné tlačové procesy môžu integrovať rôzne energeticky a energeticky náročné elektronické zariadenia na flexibilné substráty pri nízkych nákladoch. Výroba kompletných elektronických systémov z týchto zariadení však zvyčajne vyžaduje výkonové elektronické zariadenia na konverziu medzi rôznymi prevádzkovými napätiami zariadenia. Pasívne súčiastky – tlmivky, kondenzátory a odpory – vykonávajú funkcie, ako je filtrovanie, krátkodobé ukladanie energie a meranie napätia, ktoré sú nevyhnutné vo výkonovej elektronike a mnohých ďalších aplikáciách. V tomto článku predstavíme tlmivky, kondenzátory, odpory a obvody RLC sú vytlačené sieťotlačou na flexibilné plastové substráty a uvádzajú sa v procese návrhu na minimalizáciu sériového odporu induktorov, aby sa dali použiť vo výkonových elektronických zariadeniach. Vytlačený induktor a odpor sú potom začlenené do obvodu regulátora zosilnenia. organických diód vyžarujúcich svetlo a flexibilných lítium-iónových batérií. Na napájanie diód z batérie sa používajú regulátory napätia, ktoré demonštrujú potenciál tlačených pasívnych komponentov nahradiť tradičné komponenty na povrchovú montáž v aplikáciách DC-DC konvertorov.
V posledných rokoch bola vyvinutá aplikácia rôznych flexibilných zariadení v nositeľných a veľkoplošných elektronických produktoch a internet vecí1,2. Patria sem zariadenia na zber energie, ako sú fotovoltaické 3, piezoelektrické 4 a termoelektrické 5; zariadenia na uchovávanie energie, ako sú batérie 6, 7; a zariadenia spotrebúvajúce energiu, ako sú senzory 8, 9, 10, 11, 12 a svetelné zdroje 13. Aj keď sa dosiahol veľký pokrok v jednotlivých zdrojoch energie a záťaži, kombinovanie týchto komponentov do kompletného elektronického systému zvyčajne vyžaduje výkonovú elektroniku, aby prekonať akýkoľvek nesúlad medzi správaním sa napájacieho zdroja a požiadavkami na záťaž. Napríklad batéria generuje premenlivé napätie podľa stavu nabitia. Ak záťaž vyžaduje konštantné napätie alebo vyššie napätie, ako je napätie, ktoré môže batéria generovať, je potrebná výkonová elektronika .Výkonová elektronika využíva aktívne súčiastky (tranzistory) na vykonávanie spínacích a riadiacich funkcií, ako aj pasívne súčiastky (tlmivky, kondenzátory a odpory).Napríklad v obvode spínacieho regulátora sa induktor používa na ukladanie energie počas každého spínacieho cyklu. , kondenzátor sa používa na zníženie zvlnenia napätia a meranie napätia potrebné na reguláciu spätnej väzby sa vykonáva pomocou odporového deliča.
Výkonové elektronické zariadenia, ktoré sú vhodné pre nositeľné zariadenia (ako je pulzný oxymeter 9), vyžadujú niekoľko voltov a niekoľko miliampérov, zvyčajne pracujú vo frekvenčnom rozsahu stoviek kHz až niekoľko MHz a vyžadujú indukčnosť niekoľko μH a niekoľko μH a kapacita μF je 14. Tradičným spôsobom výroby týchto obvodov je spájkovanie diskrétnych súčiastok na pevnú dosku plošných spojov (PCB). Hoci aktívne súčiastky výkonových elektronických obvodov sú zvyčajne kombinované do jedného kremíkového integrovaného obvodu (IC), pasívne súčiastky sú zvyčajne externé, buď umožňujúce vlastné obvody, alebo preto, že požadovaná indukčnosť a kapacita sú príliš veľké na to, aby boli implementované v kremíku.
V porovnaní s tradičnou výrobnou technológiou na báze dosiek plošných spojov má výroba elektronických zariadení a obvodov prostredníctvom procesu aditívnej tlače mnoho výhod z hľadiska jednoduchosti a nákladov. Po prvé, pretože mnohé komponenty obvodu vyžadujú rovnaké materiály, ako sú kovy na kontakty. a prepojenia, tlač umožňuje výrobu viacerých komponentov súčasne, s relatívne malým počtom spracovateľských krokov a menším počtom zdrojov materiálov15. Použitie aditívnych procesov na nahradenie subtraktívnych procesov, ako je fotolitografia a leptanie, ďalej znižuje zložitosť procesu a plytvanie materiálom16, 17, 18 a 19. Okrem toho sú nízke teploty používané pri tlači kompatibilné s flexibilnými a lacnými plastovými substrátmi, čo umožňuje použitie vysokorýchlostných procesov výroby roll-to-roll na pokrytie elektronických zariadení 16, 20 na veľkých plochách. Pre aplikácie ktoré nie je možné plne realizovať pomocou tlačených komponentov, boli vyvinuté hybridné metódy, pri ktorých sú komponenty technológie povrchovej montáže (SMT) pripojené k flexibilným substrátom 21, 22, 23 vedľa tlačených komponentov pri nízkych teplotách. V tomto hybridnom prístupe je stále potrebné nahradiť čo najviac SMT komponentov tlačenými náprotivkami, aby sa získali výhody dodatočných procesov a zvýšila sa celková flexibilita obvodu. Na realizáciu flexibilnej výkonovej elektroniky sme navrhli kombináciu aktívnych komponentov SMT a sieťotlačového pasívneho komponentov, s osobitným dôrazom na nahradenie objemných SMT induktorov planárnymi špirálovými induktormi. Spomedzi rôznych technológií na výrobu tlačenej elektroniky je sieťotlač obzvlášť vhodná pre pasívne komponenty kvôli veľkej hrúbke filmu (ktorá je potrebná na minimalizáciu sériového odporu kovových prvkov ) a vysoká rýchlosť tlače, dokonca aj pri pokrytí oblastí na úrovni centimetrov To isté platí občas.Materiál 24.
Straty pasívnych súčiastok výkonových elektronických zariadení musia byť minimalizované, pretože účinnosť obvodu priamo ovplyvňuje množstvo energie potrebnej na napájanie systému. Toto je obzvlášť náročné pre tlačené induktory zložené z dlhých cievok, ktoré sú preto náchylné na veľké série. Preto, aj keď sa vynaložilo určité úsilie na minimalizáciu odporu 25, 26, 27, 28 tlačených cievok, stále je nedostatok vysokoúčinných tlačených pasívnych súčiastok pre výkonové elektronické zariadenia. K dnešnému dňu mnohí hlásili tlačené pasívne komponenty na flexibilných substrátoch sú navrhnuté tak, aby fungovali v rezonančných obvodoch na rádiofrekvenčnú identifikáciu (RFID) alebo na účely získavania energie 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Iné sa zameriavajú na vývoj materiálu alebo výrobného procesu a zobrazujú generické komponenty 26, 32, 33, 34, ktoré nie sú optimalizované pre špecifické aplikácie. Naproti tomu výkonové elektronické obvody, ako sú regulátory napätia, často používajú väčšie komponenty ako typické tlačené pasívne zariadenia a nevyžadujú rezonanciu, takže sú potrebné rôzne konštrukcie komponentov.
Tu predstavujeme návrh a optimalizáciu sieťotlačových tlmiviek v rozsahu μH na dosiahnutie najmenšieho sériového odporu a vysokého výkonu pri frekvenciách súvisiacich s výkonovou elektronikou. Vyrábajú sa sieťotlačové tlmivky, kondenzátory a odpory s rôznymi hodnotami komponentov na flexibilných plastových substrátoch.Vhodnosť týchto komponentov pre flexibilné elektronické produkty bola najprv demonštrovaná na jednoduchom RLC obvode.Tlačená tlmivka a odpor sú potom integrované s integrovaným obvodom a tvoria zosilňovací regulátor.Nakoniec organická dióda vyžarujúca svetlo (OLED ) a vyrába sa flexibilná lítium-iónová batéria a na napájanie OLED z batérie sa používa regulátor napätia.
Aby sme navrhli tlačené induktory pre výkonovú elektroniku, najprv sme predpovedali indukčnosť a jednosmerný odpor série geometrií induktorov na základe súčasného modelu listu navrhnutého v Mohan et al. 35 a vyrobené induktory rôznych geometrií na potvrdenie presnosti modelu. V tejto práci bol pre induktor zvolený kruhový tvar, pretože vyššiu indukčnosť 36 možno dosiahnuť s nižším odporom v porovnaní s polygonálnou geometriou. Vplyv atramentu určuje sa typ a počet tlačových cyklov na odpore. Tieto výsledky sa potom použili s modelom ampérmetra na navrhnutie tlmiviek 4,7 μH a 7,8 μH optimalizovaných pre minimálny odpor jednosmerného prúdu.
Indukčnosť a jednosmerný odpor špirálových tlmiviek možno opísať niekoľkými parametrami: vonkajší priemer do, šírka závitu w a rozstup s, počet závitov n a odpor vodičovej dosky Rsheet. Na obrázku 1a je fotografia kruhovej tlmivky vytlačenej sieťotlačou s n = 12, znázorňujúce geometrické parametre, ktoré určujú jeho indukčnosť. Podľa modelu ampérmetra Mohana a kol. 35 je indukčnosť vypočítaná pre rad geometrií induktorov, kde
(a) Fotografia sieťotlače induktora zobrazujúca geometrické parametre. Priemer je 3 cm. Indukčnosť (b) a jednosmerný odpor (c) rôznych geometrií induktora. Čiary a značky zodpovedajú vypočítaným a nameraným hodnotám. (d,e) Jednosmerné odpory induktorov L1 a L2 sú vytlačené sieťotlačou striebornými atramentmi Dupont 5028 a 5064H. (f,g) SEM mikrofotografie filmov sieťotlačou vytlačených Dupont 5028 a 5064H.
Pri vysokých frekvenciách skin efekt a parazitná kapacita zmenia odpor a indukčnosť tlmivky podľa jej jednosmernej hodnoty. Očakáva sa, že tlmivka bude pracovať pri dostatočne nízkej frekvencii, aby boli tieto účinky zanedbateľné, a zariadenie sa správa ako konštantná indukčnosť s konštantným odporom v sérii. Preto sme v tejto práci analyzovali vzťah medzi geometrickými parametrami, indukčnosťou a jednosmerným odporom a použili sme výsledky na získanie danej indukčnosti s najmenším jednosmerným odporom.
Indukčnosť a odpor sú vypočítané pre sériu geometrických parametrov, ktoré je možné realizovať sieťotlačou, a očakáva sa, že sa vygeneruje indukčnosť v rozsahu μH. Vonkajšie priemery 3 a 5 cm, šírka čiar 500 a 1000 mikrónov , a porovnávajú sa rôzne otáčky. Vo výpočte sa predpokladá, že plošný odpor je 47 mΩ/□, čo zodpovedá 7 μm hrubej striebornej vrstve vodiča Dupont 5028 s mikrovločkovými vločkami potlačenej sitom 400 mesh a nastavením w = s. vypočítané hodnoty indukčnosti a odporu sú znázornené na obrázku 1b a c. Model predpovedá, že tak indukčnosť, ako aj odpor sa zväčšia so zvyšovaním vonkajšieho priemeru a počtu závitov, alebo so znižovaním šírky čiary.
Aby bolo možné vyhodnotiť presnosť predpovedí modelu, induktory rôznych geometrií a indukčností boli vyrobené na polyetyléntereftalátovom (PET) substráte. Namerané hodnoty indukčnosti a odporu sú znázornené na obrázku 1b a c. Hoci odpor vykazoval určitú odchýlku od očakávanej hodnote, hlavne v dôsledku zmien hrúbky a rovnomernosti naneseného atramentu, indukčnosť vykazovala veľmi dobrú zhodu s modelom.
Tieto výsledky možno použiť na návrh induktora s požadovanou indukčnosťou a minimálnym jednosmerným odporom. Predpokladajme napríklad, že je potrebná indukčnosť 2 μH. Obrázok 1b ukazuje, že túto indukčnosť možno realizovať s vonkajším priemerom 3 cm, šírkou čiary 500 μm a 10 závitov. Rovnakú indukčnosť možno vytvoriť aj s použitím vonkajšieho priemeru 5 cm, šírky čiary 500 μm a 5 závitov alebo šírky čiary 1 000 μm a 7 závitov (ako je znázornené na obrázku). Porovnanie odporov týchto troch možných geometrií na obrázku 1c možno zistiť, že najnižší odpor 5 cm induktora so šírkou vedenia 1000 μm je 34 Ω, čo je asi o 40 % menej ako u ostatných dvoch. Všeobecný proces návrhu na dosiahnutie danej indukčnosti s minimálnym odporom je zhrnuté nasledovne: Najprv vyberte maximálny povolený vonkajší priemer podľa priestorových obmedzení uložených aplikáciou. Potom by mala byť šírka čiary čo najväčšia a pritom stále dosahovať požadovanú indukčnosť, aby sa dosiahla vysoká miera plnenia (Rovnica (3)).
Zväčšením hrúbky alebo použitím materiálu s vyššou vodivosťou na zníženie plošného odporu kovového filmu je možné ďalej znížiť jednosmerný odpor bez ovplyvnenia indukčnosti. Dva induktory, ktorých geometrické parametre sú uvedené v tabuľke 1, nazývané L1 a L2, sa vyrábajú s rôznym počtom vrstiev na vyhodnotenie zmeny odporu. So zvyšujúcim sa počtom vrstiev atramentu sa odpor úmerne znižuje podľa očakávania, ako je znázornené na obrázkoch 1d a e, čo sú induktory L1 a L2, v tomto poradí.Obrázky 1d a e ukazujú, že nanesením 6 vrstiev náteru možno odpor znížiť až 6-krát a maximálne zníženie odporu (50 – 65 %) nastáva medzi vrstvou 1 a vrstvou 2. Keďže každá vrstva atramentu je relatívne tenká, Na tlač týchto induktorov sa používa obrazovka s relatívne malou veľkosťou mriežky (400 riadkov na palec), čo nám umožňuje študovať vplyv hrúbky vodiča na odpor. Pokiaľ vlastnosti vzoru zostanú väčšie ako minimálne rozlíšenie mriežky, a podobnú hrúbku (a odpor) možno dosiahnuť rýchlejšie tlačou menšieho počtu povlakov s väčšou veľkosťou mriežky. Túto metódu možno použiť na dosiahnutie rovnakého odporu jednosmerného prúdu ako u tu diskutovaného 6-vrstvového induktora, ale s vyššou výrobnou rýchlosťou.
Obrázky 1d a e tiež ukazujú, že použitím vodivejšieho strieborného vločkového atramentu DuPont 5064H sa odpor zníži dvojnásobne. Z mikrosnímok SEM filmov vytlačených dvoma atramentmi (obrázok 1f, g) je možné vidieť, že nižšia vodivosť atramentu 5028 je spôsobená jeho menšou veľkosťou častíc a prítomnosťou mnohých dutín medzi časticami v tlačenom filme. Na druhej strane, 5064H má väčšie, tesnejšie usporiadané vločky, vďaka čomu sa správa bližšie k objemu. striebro. Hoci je film vyrobený týmto atramentom tenší ako atrament 5028, s jednou vrstvou 4 μm a 6 vrstvami 22 μm, zvýšenie vodivosti je dostatočné na zníženie celkového odporu.
Napokon, hoci indukčnosť (rovnica (1)) závisí od počtu závitov (w + s), odpor (rovnica (5)) závisí iba od šírky čiary w. Preto zvýšením w vzhľadom na s sa odpor môžu byť ďalej zmenšené. Dve prídavné induktory L3 a L4 sú navrhnuté tak, aby mali w = 2s a veľký vonkajší priemer, ako je uvedené v tabuľke 1. Tieto induktory sa vyrábajú so 6 vrstvami povlaku DuPont 5064H, ako je uvedené vyššie, aby sa zabezpečil najvyšší výkon. Indukčnosť L3 je 4,720 ± 0,002 μH a odpor je 4,9 ± 0,1 Ω, zatiaľ čo indukčnosť L4 je 7,839 ± 0,005 μH a 6,9 ± 0,1 Ω, čo je v dobrej zhode s modelom. zvýšenie hrúbky, vodivosti a w/s, to znamená, že pomer L/R vzrástol o viac ako rádovo v porovnaní s hodnotou na obrázku 1.
Hoci je nízky jednosmerný odpor sľubný, vyhodnotenie vhodnosti tlmiviek pre výkonové elektronické zariadenia pracujúce v rozsahu kHz-MHz vyžaduje charakterizáciu pri frekvenciách striedavého prúdu. Obrázok 2a znázorňuje frekvenčnú závislosť odporu a reaktancie L3 a L4. Pre frekvencie pod 10 MHz odpor zostáva približne konštantný na svojej jednosmernej hodnote, zatiaľ čo reaktancia sa zvyšuje lineárne s frekvenciou, čo znamená, že indukčnosť je konštantná podľa očakávania. Samorezonančná frekvencia je definovaná ako frekvencia, pri ktorej sa impedancia mení z indukčnej na kapacitnú, s L3 je 35,6 ± 0,3 MHz a L4 je 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvenčná závislosť faktora kvality Q (rovná sa ωL/R) je znázornená na obrázku 2b. L3 a L4 dosahujú maximálne faktory kvality 35 ± 1 a 33 ± 1 pri frekvenciách 11 a 16 MHz, v tomto poradí. Indukčnosť niekoľkých μH a relatívne vysoké Q pri frekvenciách MHz robia tieto induktory dostatočnými na to, aby nahradili tradičné induktory na povrchovú montáž v nízkovýkonových DC-DC konvertoroch.
Nameraný odpor R a reaktancia X (a) a faktor kvality Q (b) induktorov L3 a L4 súvisia s frekvenciou.
Aby sa minimalizovala stopa potrebná pre danú kapacitu, je najlepšie použiť technológiu kondenzátora s veľkou špecifickou kapacitou, ktorá sa rovná dielektrickej konštante ε delenej hrúbkou dielektrika. V tejto práci sme zvolili kompozit titaničitanu bárnatého ako dielektrikum, pretože má vyšší epsilon ako iné organické dielektriká spracovávané v roztoku. Dielektrická vrstva je sieťotlačou tlačená medzi dva strieborné vodiče, aby sa vytvorila kovová-dielektrická-kovová štruktúra.Kondenzátory s rôznymi veľkosťami v centimetroch, ako je znázornené na obrázku 3a , sú vyrobené s použitím dvoch alebo troch vrstiev dielektrického atramentu, aby sa zachovala dobrá výťažnosť. Obrázok 3b zobrazuje prierezový SEM mikrosnímok reprezentatívneho kondenzátora vyrobeného z dvoch vrstiev dielektrika s celkovou hrúbkou dielektrika 21 μm. Horná a spodná elektróda sú jednovrstvové a šesťvrstvové 5064H. Na snímke SEM sú viditeľné častice titaničitanu bárnatého s mikrónovou veľkosťou, pretože svetlejšie oblasti sú obklopené tmavším organickým spojivom. Dielektrický atrament dobre zmáča spodnú elektródu a vytvára číre rozhranie s tlačený kovový film, ako je znázornené na obrázku s väčším zväčšením.
(a) Fotografia kondenzátora s piatimi rôznymi oblasťami. (b) Mikrosnímka prierezu SEM kondenzátora s dvoma vrstvami dielektrika, zobrazujúca dielektrikum titaničitanu bárnatého a strieborné elektródy. (c) Kapacity kondenzátorov s 2 a 3 titaničitanom bárnatým dielektrické vrstvy a rôzne oblasti, merané pri 1 MHz.(d) Vzťah medzi kapacitou, ESR a stratovým faktorom kondenzátora 2,25 cm2 s 2 vrstvami dielektrických povlakov a frekvenciou.
Kapacita je úmerná očakávanej ploche. Ako je znázornené na obrázku 3c, špecifická kapacita dvojvrstvového dielektrika je 0,53 nF/cm2 a špecifická kapacita trojvrstvového dielektrika je 0,33 nF/cm2. Tieto hodnoty zodpovedajú dielektrickej konštante 13. kapacita a rozptylový faktor (DF) boli tiež merané pri rôznych frekvenciách, ako je znázornené na obrázku 3d, pre 2,25 cm2 kondenzátor s dvoma vrstvami dielektrika. Zistili sme, že kapacita bola relatívne plochá v sledovanom frekvenčnom rozsahu a zvýšila sa o 20 %. od 1 do 10 MHz, zatiaľ čo v rovnakom rozsahu sa DF zvýšil z 0,013 na 0,023. Keďže faktor rozptylu je pomer straty energie k energii uloženej v každom cykle striedavého prúdu, DF 0,02 znamená, že 2 % spracovaného výkonu Táto strata sa zvyčajne vyjadruje ako frekvenčne závislý ekvivalentný sériový odpor (ESR) zapojený do série s kondenzátorom, ktorý sa rovná DF/ωC. Ako je znázornené na obrázku 3d, pre frekvencie vyššie ako 1 MHz, ESR je nižší ako 1,5 Ω a pre frekvencie vyššie ako 4 MHz je ESR nižší ako 0,5 Ω. Aj keď pri použití tejto technológie kondenzátorov vyžadujú kondenzátory triedy μF potrebné pre DC-DC konvertory veľmi veľkú plochu, ale 100 pF- nF kapacitný rozsah a nízka strata týchto kondenzátorov ich robí vhodnými pre iné aplikácie, ako sú filtre a rezonančné obvody. Na zvýšenie kapacity možno použiť rôzne metódy. Vyššia dielektrická konštanta zvyšuje špecifickú kapacitu 37; dá sa to dosiahnuť napríklad zvýšením koncentrácie častíc titaničitanu bárnatého v atramente. Možno použiť menšiu hrúbku dielektrika, aj keď to vyžaduje spodnú elektródu s nižšou drsnosťou ako má sieťotlačová strieborná vločka.Tenší kondenzátor s nižšou drsnosťou vrstvy môžu byť nanášané atramentovou tlačou 31 alebo hĺbkotlačou 10, ktorá môže byť kombinovaná s procesom sieťotlače. Nakoniec je možné ukladať a tlačiť a paralelne spájať viaceré striedajúce sa vrstvy kovu a dielektrika, čím sa zvýši kapacita 34 na jednotku plochy .
Delič napätia zložený z dvojice odporov sa zvyčajne používa na meranie napätia potrebného na spätnoväzbové riadenie regulátora napätia. Pre tento typ aplikácie by mal byť odpor tlačeného odporu v rozsahu kΩ-MΩ a rozdiel medzi zariadenie je malé. Tu sa zistilo, že plošný odpor jednovrstvového sieťotlačového uhlíkového atramentu bol 900 Ω/□. Táto informácia sa používa na návrh dvoch lineárnych odporov (R1 a R2) a hadovitého odporu (R3 ) s nominálnymi odpormi 10 kΩ, 100 kΩ a 1,5 MΩ. Odpor medzi nominálnymi hodnotami sa dosiahne vytlačením dvoch alebo troch vrstiev atramentu, ako je znázornené na obrázku 4, a fotografií troch odporov. Urobte 8- 12 vzoriek každého typu; vo všetkých prípadoch je štandardná odchýlka odporu 10 % alebo menej. Zmena odporu vzoriek s dvoma alebo tromi vrstvami povlaku má tendenciu byť o niečo menšia ako u vzoriek s jednou vrstvou povlaku. Malá zmena nameraného odporu a tesná zhoda s nominálnou hodnotou naznačuje, že iné odpory v tomto rozsahu možno priamo získať úpravou geometrie odporu.
Tri rôzne geometrie rezistorov s rôznym počtom povlakov uhlíkového odporového atramentu. Fotografie troch rezistorov sú zobrazené vpravo.
RLC obvody sú klasickými učebnicovými príkladmi kombinácií rezistorov, tlmiviek a kondenzátorov, ktoré sa používajú na demonštráciu a overenie správania pasívnych súčiastok integrovaných do skutočných plošných spojov. Paralelne s nimi je zapojený odpor 25 kΩ. Fotografia ohybného obvodu je na obrázku 5a. Dôvodom výberu tejto špeciálnej sériovo-paralelnej kombinácie je, že jej správanie je určené každou z troch rôznych frekvenčných zložiek, takže výkon každého komponentu je možné zvýrazniť a vyhodnotiť. Vzhľadom na sériový odpor 7 Ω tlmivky a 1,3 Ω ESR kondenzátora bola vypočítaná očakávaná frekvenčná odozva obvodu. Schéma zapojenia je znázornená na obrázku 5b a vypočítaná amplitúda impedancie, fáza a namerané hodnoty sú znázornené na obrázkoch 5c a d. Pri nízkych frekvenciách vysoká impedancia kondenzátora znamená, že správanie obvodu je určené odporom 25 kΩ. Keď sa frekvencia zvyšuje, impedancia dráha LC klesá; správanie celého obvodu je kapacitné až do rezonančnej frekvencie 2,0 MHz.Nad rezonančnou frekvenciou dominuje indukčná impedancia.Obrázok 5 jasne ukazuje vynikajúcu zhodu medzi vypočítanými a nameranými hodnotami v celom frekvenčnom rozsahu.To znamená, že použitý model tu (kde sú induktory a kondenzátory ideálne komponenty so sériovým odporom) je presné na predpovedanie správania obvodu pri týchto frekvenciách.
a) Fotografia RLC obvodu so sieťotlačou, ktorý používa sériovú kombináciu tlmivky 8 μH a kondenzátora 0,8 nF paralelne s odporom 25 kΩ. b) Model obvodu vrátane sériového odporu tlmivky a kondenzátora. (c d) Amplitúda impedancie (c) a fáza (d) obvodu.
Nakoniec sú v regulátore zosilnenia implementované tlačené induktory a odpory. IC použitý v tejto demonštrácii je Microchip MCP1640B14, čo je synchrónny regulátor zosilnenia na báze PWM s pracovnou frekvenciou 500 kHz. Schéma zapojenia je znázornená na obrázku 6a.A Ako prvky na uchovávanie energie sa používa tlmivka 4,7 μH a dva kondenzátory (4,7 μF a 10 μF) a na meranie výstupného napätia spätnoväzbového riadenia sa používa dvojica odporov. Výberom hodnoty odporu upravte výstupné napätie na 5 V. Obvod je vyrobený na doske plošných spojov a jeho výkon sa meria v rámci odporu záťaže a rozsahu vstupného napätia 3 až 4 V na simuláciu lítium-iónovej batérie v rôznych stavoch nabíjania. Účinnosť tlačených induktorov a rezistorov sa porovnáva s účinnosť induktorov a rezistorov SMT. Kondenzátory SMT sa používajú vo všetkých prípadoch, pretože kapacita potrebná pre túto aplikáciu je príliš veľká na to, aby sa dala doplniť tlačenými kondenzátormi.
(a) Schéma obvodu stabilizácie napätia. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw a (d) Priebehy prúdu tečúceho do tlmivky, vstupné napätie je 4,0 V, odpor záťaže je 1 kΩ, a tlačená tlmivka sa používa na meranie.Na toto meranie sa používajú rezistory a kondenzátory na povrchovú montáž.(e) Pre rôzne odpory záťaže a vstupné napätia účinnosť obvodov regulátorov napätia s použitím všetkých komponentov na povrchovú montáž a tlmivky a rezistory s potlačou.(f ) Pomer účinnosti povrchovej montáže a plošného spoja zobrazený v (e).
Pre vstupné napätie 4,0 V a odpor záťaže 1000 Ω sú priebehy namerané pomocou tlačených induktorov znázornené na obrázku 6b-d. Obrázok 6c zobrazuje napätie na svorke Vsw integrovaného obvodu; napätie induktora je Vin-Vsw.Obrázok 6d znázorňuje prúd tečúci do induktora.Účinnosť obvodu s SMT a tlačenými komponentmi je znázornená na obrázku 6e ako funkcia vstupného napätia a odporu záťaže a obrázok 6f znázorňuje pomer účinnosti tlačených súčiastok na súčiastky SMT.Účinnosť nameraná pomocou súčiastok SMT je podobná očakávanej hodnote uvedenej v údajovom liste výrobcu 14.Pri vysokom vstupnom prúde (nízky odpor záťaže a nízke vstupné napätie) je účinnosť tlačených tlmiviek výrazne nižšia ako tlmivky SMT v dôsledku vyššieho sériového odporu. Pri vyššom vstupnom napätí a vyššom výstupnom prúde sa však strata odporu stáva menej dôležitá a výkon tlačených tlmiviek sa začína približovať výkonu tlmiviek SMT. Pre záťažové odpory > 500 Ω a Vin = 4,0 V alebo >750 Ω a Vin = 3,5 V, účinnosť tlačených tlmiviek je väčšia ako 85 % tlmiviek SMT.
Porovnanie priebehu prúdu na obrázku 6d s nameranou stratou výkonu ukazuje, že strata odporu v induktore je hlavnou príčinou rozdielu v účinnosti medzi tlačeným obvodom a obvodom SMT, ako sa očakávalo. Vstupný a výstupný výkon meraný pri 4,0 V vstupné napätie a záťažový odpor 1000 Ω sú 30,4 mW a 25,8 mW pre obvody s SMT súčiastkami a 33,1 mW a 25,2 mW pre obvody s plošnými spojmi. Strata plošného spoja je teda 7,9 mW, čo je o 3,4 mW viac ako u plošných spojov. obvod s komponentmi SMT. RMS induktorový prúd vypočítaný z priebehu na obrázku 6d je 25,6 mA. Keďže jeho sériový odpor je 4,9 Ω, očakávaná strata výkonu je 3,2 mW. To je 96 % nameraného rozdielu 3,4 mW jednosmerného výkonu. Okrem toho je obvod vyrobený s tlačenými tlmivkami a tlačené odpory a tlačené tlmivky a SMT odpory a nie je medzi nimi pozorovaný významný rozdiel v účinnosti.
Potom je regulátor napätia vyrobený na flexibilnej doske plošných spojov (tlač obvodu a výkon komponentov SMT sú znázornené na doplnkovom obrázku S1) a pripojený medzi flexibilnú lítium-iónovú batériu ako zdroj energie a pole OLED ako záťaž. Podľa Lochnera a spol. 9 Pri výrobe OLED každý pixel OLED spotrebuje 0,6 mA pri 5 V. Batéria používa oxid kobaltnatý lítny a grafit ako katódu a anódu a je vyrobená natieraním čepeľou, čo je najbežnejšia metóda tlače batérie.7 kapacita batérie je 16 mAh a napätie počas testu je 4,0 V. Na obrázku 7 je fotografia obvodu na flexibilnej doske plošných spojov, ktorá napája tri OLED pixely zapojené paralelne. Ukážka demonštrovala potenciál tlačených napájacích komponentov na integráciu s inými flexibilné a organické zariadenia na vytvorenie zložitejších elektronických systémov.
Fotografia obvodu regulátora napätia na flexibilnej doske s plošnými spojmi s použitím tlačených tlmiviek a rezistorov s použitím flexibilných lítium-iónových batérií na napájanie troch organických LED diód.
Ukázali sme sieťotlačové tlmivky, kondenzátory a odpory s rozsahom hodnôt na flexibilných PET substrátoch s cieľom nahradiť komponenty pre povrchovú montáž vo výkonových elektronických zariadeniach. Ukázali sme, že navrhnutím špirály s veľkým priemerom sa miera plnenia a pomer šírky čiary k šírke priestoru a pomocou hrubej vrstvy atramentu s nízkym odporom. Tieto komponenty sú integrované do plne vytlačeného a flexibilného obvodu RLC a vykazujú predvídateľné elektrické správanie vo frekvenčnom rozsahu kHz-MHz, ktorý je najvyšší záujem o výkonovú elektroniku.
Typickými prípadmi použitia elektronických zariadení s potlačou sú nositeľné alebo produktom integrované flexibilné elektronické systémy napájané flexibilnými nabíjateľnými batériami (ako sú lítium-iónové), ktoré môžu generovať premenlivé napätie podľa stavu nabitia. Ak záťaž (vrátane tlače a organické elektronické zariadenia) vyžaduje konštantné napätie alebo vyššie napätie ako výstupné napätie batérie, je potrebný regulátor napätia. Z tohto dôvodu sú tlačené induktory a odpory integrované s tradičnými kremíkovými integrovanými obvodmi do zosilňovača, aby napájali OLED konštantným napätím. 5 V z batériového zdroja s premenlivým napätím. V určitom rozsahu záťažového prúdu a vstupného napätia presahuje účinnosť tohto obvodu 85 % účinnosti riadiaceho obvodu s povrchovou montážou induktorov a rezistorov. Napriek materiálovým a geometrickým optimalizáciám, odporové straty v induktore sú stále limitujúcim faktorom pre výkon obvodu pri vysokých úrovniach prúdu (vstupný prúd väčší ako asi 10 mA). Pri nižších prúdoch sú však straty v induktore znížené a celkový výkon je obmedzený účinnosťou Keďže mnohé tlačené a organické zariadenia vyžadujú relatívne nízke prúdy, ako napríklad malé OLED použité v našej demonštrácii, tlačené výkonové induktory možno považovať za vhodné pre takéto aplikácie. Použitím integrovaných obvodov navrhnutých tak, aby mali najvyššiu účinnosť pri nižších úrovniach prúdu, možno dosiahnuť vyššiu celkovú účinnosť meniča.
V tejto práci je regulátor napätia postavený na tradičnej PCB, flexibilnej PCB a technológii spájkovania súčiastok na povrchovú montáž, zatiaľ čo tlačená súčiastka sa vyrába na samostatnom substráte. Nízkoteplotné a vysokoviskózne atramenty používané na výrobu obrazoviek tlačené fólie by mali umožňovať vytlačenie pasívnych komponentov, ako aj prepojenia medzi zariadením a kontaktnými podložkami komponentov na povrchovú montáž na akýkoľvek substrát. To v kombinácii s použitím existujúcich nízkoteplotných vodivých lepidiel pre komponenty na povrchovú montáž umožní celý obvod bude postavený na lacných substrátoch (ako je PET) bez potreby subtraktívnych procesov, ako je leptanie PCB. Preto sieťotlačové pasívne komponenty vyvinuté v tejto práci pomáhajú pripraviť cestu pre flexibilné elektronické systémy, ktoré integrujú energiu a záťaže. s vysokovýkonnou výkonovou elektronikou, s použitím lacných substrátov, hlavne aditívnymi procesmi a minimálnym počtom komponentov pre povrchovú montáž.
Pomocou sieťotlače Asys ASP01M a sita z nehrdzavejúcej ocele poskytnutej spoločnosťou Dynamesh Inc. boli všetky vrstvy pasívnych komponentov vytlačené sieťotlačou na flexibilný PET substrát s hrúbkou 76 μm. Veľkosť oka kovovej vrstvy je 400 riadkov na palec a 250 čiar na palec pre dielektrickú vrstvu a odporovú vrstvu. Použite silu stierky 55 N, rýchlosť tlače 60 mm/s, vzdialenosť pretrhnutia 1,5 mm a stierku Serilor s tvrdosťou 65 (na kov a odpor vrstvy) alebo 75 (pre dielektrické vrstvy) pre sieťotlač.
Vodivé vrstvy – induktory a kontakty kondenzátorov a rezistorov – sú vytlačené strieborným mikrovločkovým atramentom DuPont 5082 alebo DuPont 5064H. Rezistor je vytlačený uhlíkovým vodičom DuPont 7082. Pre dielektrikum kondenzátora je vodivá zlúčenina BT-101 dielektrikum titaničitan bárnatý. sa používa.Každá vrstva dielektrika sa vyrába pomocou dvojprechodového (mokro-mokrého) tlačového cyklu na zlepšenie rovnomernosti filmu.Pre každý komponent sa skúmal vplyv viacerých tlačových cyklov na výkon a variabilitu komponentov.Vzorky vyrobené s viaceré nátery rovnakého materiálu sa medzi jednotlivými nátermi sušili 2 minúty pri 70 °C. Po nanesení posledného náteru každého materiálu boli vzorky vypálené pri 140 °C počas 10 minút, aby sa zabezpečilo úplné vysušenie. Funkcia automatického zarovnania sita tlačiareň sa používa na zarovnanie nasledujúcich vrstiev. Kontakt so stredom induktora sa dosiahne vyrezaním priechodného otvoru na stredovej podložke a stôp na tlač šablóny na zadnej strane substrátu atramentom DuPont 5064H. Prepojenie medzi tlačovými zariadeniami využíva aj Dupont Tlač šablóny 5064H. Aby bolo možné zobraziť tlačené komponenty a komponenty SMT na flexibilnej doske plošných spojov znázornenej na obrázku 7, tlačené komponenty sú spojené pomocou vodivého epoxidu Circuit Works CW2400 a komponenty SMT sú spojené tradičným spájkovaním.
Ako katóda a anóda batérie sa používajú elektródy na báze oxidu lítneho kobaltnatého (LCO) a grafitu. Katódová kaša je zmesou 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafitu (KS6, Timcal), 2,5 % sadzí (Super P, Timcal) a 10 % polyvinylidénfluoridu (PVDF, Kureha Corp.). ) Anóda je zmesou 84 % hmotn. grafitu, 4 % hmotn. sadzí a 13 % hmotn. miešanie pomocou vortexového mixéra cez noc.Ako zberače prúdu pre katódu a anódu sa používa 0,0005 palca hrubá antikorová fólia a 10 μm niklová fólia. Atrament sa na zberač prúdu tlačí stierkou pri rýchlosti tlače 20 mm/s.Elektródu zahrievajte v sušiarni na 80 °C počas 2 hodín, aby sa odstránilo rozpúšťadlo. Výška elektródy po vysušení je asi 60 μm a na základe hmotnosti aktívneho materiálu je teoretická kapacita 1,65 mAh /cm2. Elektródy sa narezali na rozmery 1,3 × 1,3 cm2 a cez noc sa zahrievali vo vákuovej peci na 140 °C a potom sa utesnili hliníkovými laminátovými vreckami v rukavicovej skrinke naplnenej dusíkom. Roztok polypropylénovej základnej fólie s anóda a katóda a 1M LiPF6 v EC/DEC (1:1) sa používa ako elektrolyt batérie.
Zelená OLED pozostáva z poly(9,9-dioktylfluorén-co-n-(4-butylfenyl)-difenylamínu) (TFB) a poly((9,9-dioktylfluorén-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol- 4,8-diyl)) (F8BT) podľa postupu opísaného v Lochner et al.
Na meranie hrúbky filmu použite Dektak stylus profiler. Film bol narezaný, aby sa pripravila prierezová vzorka na skúmanie pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM). FEI Quanta 3D pole emisnej pištole (FEG) SEM sa používa na charakterizáciu štruktúry tlačeného materiálu. Štúdia SEM bola vykonaná pri akceleračnom napätí 20 keV a typickej pracovnej vzdialenosti 10 mm.
Na meranie jednosmerného odporu, napätia a prúdu použite digitálny multimeter. Striedavá impedancia tlmiviek, kondenzátorov a obvodov sa meria pomocou LCR merača Agilent E4980 pre frekvencie pod 1 MHz a sieťový analyzátor Agilent E5061A sa používa na meranie frekvencií nad 500 kHz. Osciloskop Tektronix TDS 5034 na meranie tvaru vlny regulátora napätia.
Ako citovať tento článok: Ostfeld, AE atď.Sieťotlačové pasívne komponenty pre flexibilné napájacie elektronické zariadenia.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. a kol. Flexibilná elektronika: ďalšia všadeprítomná platforma. Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Miesto, kde sa skupiny stretávajú s ľuďmi. Príspevok publikovaný na Európskej konferencii a výstave o dizajne, automatizácii a testovaní v roku 2015, Grenoble, Francúzsko. ​​San Jose, Kalifornia: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. marca – 13).
Krebs, FC atď.OE-A OPV demonštrátor anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC tlačené piezoelektrické zariadenia na zber energie. Pokročilé energetické materiály.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generátor termoelektrickej energie s plochým hrubým filmom potlačený dávkovačom.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steinart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Flexibilná vysokopotenciálna tlačená batéria používaná na napájanie tlačených elektronických zariadení. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steinart, DA Najnovší vývoj v oblasti tlačených flexibilných batérií: mechanické výzvy, technológia tlače a vyhliadky do budúcnosti. Energetická technológia.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. atď. Rozsiahly snímací systém, ktorý kombinuje veľkoplošné elektronické zariadenia a integrované obvody CMOS na monitorovanie zdravotného stavu štruktúry. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).