hír

Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature webhelyet.Az Ön által használt böngészőverzió korlátozottan támogatja a CSS-t. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használja a böngésző újabb verzióját (vagy kapcsolja ki a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Ezzel egyidejűleg , a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg a webhelyeket.
Az adalékanyagok és az alacsony hőmérsékletű nyomtatási eljárások alacsony költséggel integrálhatnak különféle energia- és energiaigényes elektronikai eszközöket rugalmas hordozókra. A komplett elektronikus rendszerek ezekből az eszközökből történő előállításához azonban rendszerint teljesítményelektronikai eszközökre van szükség ahhoz, hogy a különböző üzemi feszültségek között konvertáljanak. az eszközöket.A passzív alkatrészek – induktorok, kondenzátorok és ellenállások – olyan funkciókat látnak el, mint a szűrés, a rövid távú energiatárolás és a feszültségmérés, amelyek elengedhetetlenek a teljesítményelektronikában és sok más alkalmazásban.Ebben a cikkben bemutatjuk az induktorokat, kondenzátorokat, ellenállások és RLC áramkörök szitanyomással rugalmas műanyag hordozókra, és beszámolnak a tervezési folyamatról az induktorok soros ellenállásának minimalizálása érdekében, hogy azokat teljesítményelektronikai eszközökben lehessen használni. A nyomtatott induktort és ellenállást ezután beépítik a fokozó szabályozó áramkörbe. Gyártás szerves fénykibocsátó diódák és rugalmas lítium-ion akkumulátorok. Feszültségszabályozókat használnak a diódák akkumulátorról történő táplálására, demonstrálva a nyomtatott passzív alkatrészek lehetőségét a hagyományos felületre szerelhető alkatrészek helyettesítésére a DC-DC átalakító alkalmazásokban.
Az elmúlt években kifejlesztették a különféle flexibilis eszközök hordható és nagy felületű elektronikai termékekben való alkalmazását, valamint a Dolgok Internetét1,2. Ide tartoznak az energiagyűjtő eszközök, mint például a fotovoltaikus 3, piezoelektromos 4 és termoelektromos 5; energiatároló eszközök, például akkumulátorok 6, 7; és energiafogyasztó eszközök, például 8., 9., 10., 11., 12. szenzorok és 13. fényforrások. Habár nagy előrelépés történt az egyes energiaforrások és terhelések terén, ezeknek az alkatrészeknek a komplett elektronikus rendszerben való egyesítése általában teljesítményelektronikát igényel. a tápellátás viselkedése és a terhelési követelmények közötti eltérések kiküszöbölése.Például egy akkumulátor a töltöttségi állapotától függően változó feszültséget állít elő.Ha a terhelés állandó feszültséget igényel, vagy nagyobb, mint az akkumulátor által generált feszültség, akkor teljesítményelektronikára van szükség .A teljesítményelektronika aktív komponenseket (tranzisztorokat) használ a kapcsolási és vezérlési funkciók végrehajtására, valamint passzív alkatrészeket (induktorok, kondenzátorok és ellenállások). Például egy kapcsolási szabályozó áramkörben minden kapcsolási ciklus során egy tekercset használnak az energia tárolására. , a feszültség hullámzásának csökkentésére kondenzátort használnak, a visszacsatolásvezérléshez szükséges feszültségmérés pedig ellenállásosztó segítségével történik.
A hordható eszközökhöz alkalmas teljesítményelektronikai eszközök (például a 9-es pulzoximéter) több voltot és több milliampert igényelnek, általában több száz kHz-től több MHz-ig terjedő frekvenciatartományban működnek, és több μH és több μH induktivitást igényelnek. A μF kapacitás Ezeknek az áramköröknek a hagyományos gyártási módja az, hogy különálló alkatrészeket merev nyomtatott áramköri lapra (PCB) forrasztanak. Bár a teljesítményelektronikai áramkörök aktív alkatrészeit általában egyetlen szilícium integrált áramkörben (IC) egyesítik, a passzív alkatrészek általában külső, vagy lehetővé teszi az egyedi áramkörök használatát, vagy azért, mert a szükséges induktivitás és kapacitás túl nagy a szilíciumban való megvalósításhoz.
A hagyományos NYÁK-alapú gyártási technológiához képest az elektronikus eszközök és áramkörök additív nyomtatási eljárással történő gyártása számos előnnyel jár az egyszerűség és a költség szempontjából. Először is, mivel az áramkör számos összetevője ugyanazokat az anyagokat igényli, például fémeket az érintkezőkhöz. és összeköttetések, a nyomtatás lehetővé teszi több alkatrész egyidejű gyártását, viszonylag kevés feldolgozási lépéssel és kevesebb anyagforrással15.Az additív eljárások alkalmazása a kivonó folyamatok, például a fotolitográfia és a maratás helyettesítésére tovább csökkenti a folyamat bonyolultságát és az anyagpazarlást16, 17, 18. és 19. Ezen túlmenően, a nyomtatásban használt alacsony hőmérsékletek kompatibilisek a rugalmas és olcsó műanyag hordozókkal, lehetővé téve a nagy sebességű tekercsről tekercsre gyártási folyamatok alkalmazását az elektronikus eszközök 16, 20 nagy területeken történő lefedésére. amelyek nyomtatott komponensekkel nem valósíthatók meg teljesen, olyan hibrid módszereket fejlesztettek ki, amelyekben a felületre szerelhető technológiás (SMT) komponenseket alacsony hőmérsékleten a nyomtatott alkatrészek mellett rugalmas hordozókhoz 21, 22, 23 kötik.Ebben a hibrid megközelítésben még mindig A további folyamatok előnyeinek kihasználása és az áramkör általános rugalmasságának növelése érdekében a lehető legtöbb SMT alkatrészt ki kell cserélni nyomtatott komponensekre. A rugalmas teljesítményelektronika megvalósítása érdekében SMT aktív komponensek és szitanyomott passzív komponensek kombinációját javasoltuk komponenseket, különös hangsúlyt fektetve a terjedelmes SMT induktorok sík spirál induktorokra való cseréjére. A nyomtatott elektronika gyártásának különféle technológiái közül a szitanyomás különösen alkalmas passzív alkatrészekhez a nagy filmvastagsága miatt (ami a fémelemek soros ellenállásának minimalizálásához szükséges) ) és nagy nyomtatási sebesség, még centiméteres területek lefedésekor is Ugyanez igaz időnként.Anyag 24.
A teljesítményelektronikai berendezések passzív alkatrészeinek veszteségét minimálisra kell csökkenteni, mivel az áramkör hatékonysága közvetlenül befolyásolja a rendszer táplálásához szükséges energia mennyiségét. Ez különösen nagy kihívást jelent a hosszú tekercsekből álló nyomtatott induktorok esetében, amelyek ezért érzékenyek a nagy sorozatokra. ellenállás.Ezért, bár történtek bizonyos erőfeszítések a nyomtatott tekercsek 25, 26, 27, 28 ellenállásának minimalizálására, még mindig hiányoznak a nagy hatékonyságú nyomtatott passzív alkatrészek a teljesítményelektronikai eszközökhöz.A mai napig sokan számoltak be nyomtatott passzívról a rugalmas hordozókon lévő alkatrészeket úgy tervezték, hogy rezonáns áramkörökben működjenek rádiófrekvenciás azonosítás (RFID) vagy energiagyűjtés céljából 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Mások az anyag- vagy gyártási folyamatfejlesztésre összpontosítanak, és általános alkatrészeket mutatnak be 26, 32, 33, 34, amelyek nincsenek specifikus alkalmazásokra optimalizálva. Ezzel szemben a teljesítményelektronikai áramkörök, például a feszültségszabályozók gyakran nagyobb alkatrészeket használnak, mint a tipikus nyomtatott passzív eszközök, és nem igényelnek rezonanciát, ezért különböző alkatrészek kialakítására van szükség.
Itt bemutatjuk a μH tartományba tartozó szitanyomott tekercsek tervezését és optimalizálását, hogy a teljesítményelektronikához kapcsolódó frekvenciákon a legkisebb soros ellenállást és nagy teljesítményt érjük el. Különféle komponensértékű szitanyomott tekercseket, kondenzátorokat és ellenállásokat gyártanak. hajlékony műanyag hordozókon.Ezek az alkatrészek rugalmas elektronikai termékekhez való alkalmasságát először egy egyszerű RLC-áramkörben mutatták be.A nyomtatott induktort és az ellenállást ezután integrálják az IC-vel, hogy erősítést kapjanak. Végül egy szerves fénykibocsátó dióda (OLED) ) és egy rugalmas lítium-ion akkumulátort gyártanak, és egy feszültségszabályozót használnak az OLED akkumulátorról történő táplálására.
Annak érdekében, hogy nyomtatott induktorokat tervezzünk teljesítményelektronikához, először megjósoltuk egy sor induktivitás-geometria induktivitását és egyenáramú ellenállását a Mohan és munkatársai által javasolt jelenlegi lapmodell alapján. 35, valamint különböző geometriájú induktorok a modell pontosságának igazolására.Ebben a munkában az induktornak kör alakot választottunk, mert a sokszög geometriához képest kisebb ellenállás mellett nagyobb induktivitás érhető el 36.A tinta hatása Meghatározzuk az ellenállásra vonatkozó nyomtatási ciklusok típusát és számát. Ezeket az eredményeket az ampermérő modellel használjuk fel a minimális egyenáram-ellenállásra optimalizált 4,7 μH és 7,8 μH induktorok tervezésére.
A spirálinduktorok induktivitása és egyenáram-ellenállása több paraméterrel írható le: külső átmérő do, fordulatszélesség w és távolság s, fordulatok száma n és vezetőlap ellenállás Rsheet. Az 1a. n = 12-vel, bemutatva az induktivitását meghatározó geometriai paramétereket.Mohan et al. ampermérő modellje szerint. A 35. ábrán az induktivitást egy sor tekercs geometriára számítjuk ki, ahol
(a) A szitanyomott induktor fényképe, amelyen a geometriai paraméterek láthatók. Átmérője 3 cm. Különböző induktivitás geometriák induktivitása (b) és egyenáramú ellenállása (c). A vonalak és jelek a számított és mért értékeknek felelnek meg. (d,e) Az L1 és L2 induktorok egyenáramú ellenállásait Dupont 5028 és 5064H ezüst tintákkal nyomtattuk. (f,g) A filmek SEM mikroképei Dupont 5028 és 5064H szitanyomással.
Magas frekvenciákon a skin-effektus és a parazita kapacitás megváltoztatja az induktor ellenállását és induktivitását a DC értékének megfelelően. Az induktor várhatóan kellően alacsony frekvencián fog működni ahhoz, hogy ezek a hatások elhanyagolhatóak legyenek, és az eszköz állandó induktivitásként viselkedik. állandó ellenállással sorba kapcsolva.Ezért ebben a munkában a geometriai paraméterek, az induktivitás és az egyenáramú ellenállás közötti összefüggést elemeztük, és az eredményeket felhasználva egy adott induktivitást kaptunk a legkisebb DC ellenállással.
Az induktivitást és ellenállást a szitanyomással megvalósítható geometriai paraméterek sorozatára számítják ki, és várhatóan μH tartományba eső induktivitás jön létre. A külső átmérők 3 és 5 cm, a vonalszélességek 500 és 1000 mikron , és különböző fordulatokat hasonlítanak össze.A számítás során feltételezzük, hogy a lemezellenállás 47 mΩ/□, ami egy 7 μm vastag Dupont 5028 ezüst mikropehely vezetőrétegnek felel meg, amelyet 400 mesh-es szitával nyomtattak és w = s beállítással. A számított induktivitás és ellenállás értékek az 1b. és c. ábrán láthatók. A modell előrejelzése szerint mind az induktivitás, mind az ellenállás növekszik a külső átmérő és a fordulatok számának növekedésével, illetve a vonalszélesség csökkenésével.
A modell-előrejelzések pontosságának értékelése érdekében különböző geometriájú és induktivitású induktorokat állítottak elő polietilén-tereftalát (PET) hordozóra. A mért induktivitás és ellenállás értékek az 1b és c ábrán láthatók. Bár az ellenállás némi eltérést mutatott a a várható érték, elsősorban a lerakódott tinta vastagságának és egyenletességének változása miatt, az induktivitás nagyon jó egyezést mutatott a modellel.
Ezek az eredmények felhasználhatók a szükséges induktivitású és minimális egyenáramú ellenállású induktor tervezésére. Tegyük fel például, hogy 2 μH induktivitás szükséges. Az 1b. ábra azt mutatja, hogy ez az induktivitás 3 cm-es külső átmérővel, vonalszélességgel megvalósítható 500 μm, és 10 fordulat. Ugyanez az induktivitás generálható 5 cm külső átmérővel, 500 μm vonalszélességgel és 5 fordulattal vagy 1000 μm vonalszélességgel és 7 fordulattal (az ábrán látható módon). E három ellenállások összehasonlítása ábrán látható lehetséges geometriák alapján megállapítható, hogy egy 1000 μm vonalszélességű 5 cm-es induktor legkisebb ellenállása 34 Ω, ami körülbelül 40%-kal alacsonyabb, mint a másik kettőnél.Az általános tervezési folyamat adott induktivitás eléréséhez minimális ellenállással a következőképpen foglalható össze: Először válassza ki a maximálisan megengedhető külső átmérőt az alkalmazás által támasztott helyszűkületnek megfelelően. Ezután a vonalszélességnek a lehető legnagyobbnak kell lennie, miközben továbbra is el kell érnie a szükséges induktivitást a magas kitöltési arány eléréséhez ((3) egyenlet).
A vastagság növelésével vagy a fémfólia lemezellenállásának csökkentésére nagyobb vezetőképességű anyag felhasználásával az egyenáramú ellenállás tovább csökkenthető az induktivitás befolyásolása nélkül.Két induktor, amelyek geometriai paramétereit az 1. táblázat tartalmazza, L1 és L2 néven, Különböző számú bevonattal készülnek az ellenállás változásának értékelésére.A tintabevonatok számának növekedésével az ellenállás a vártnak megfelelően arányosan csökken, amint azt az 1d és e ábra mutatja, amelyek L1 és L2 induktorok. 1d és e ábra megmutatja, hogy 6 réteg bevonat felhordásával az ellenállás akár 6-szorosára is csökkenthető, és az ellenállás maximális csökkenése (50-65%) az 1. és a 2. réteg között következik be. Mivel mindegyik festékréteg viszonylag vékony, a viszonylag kis rácsméretű (400 sor/hüvelyk) képernyőt használnak ezeknek az induktoroknak a nyomtatására, ami lehetővé teszi a vezetékvastagság ellenállásra gyakorolt ​​hatásának tanulmányozását. Amíg a mintázat jellemzői nagyobbak maradnak, mint a rács minimális felbontása, egy hasonló vastagság (és ellenállás) gyorsabban érhető el, ha kisebb számú bevonatot nyomtatunk nagyobb rácsmérettel. Ezzel a módszerrel az itt tárgyalt 6 bevonatos induktorral azonos egyenáramú ellenállás érhető el, de nagyobb gyártási sebességgel.
Az 1d és e ábrák azt is mutatják, hogy a vezetőképesebb DuPont 5064H ezüstpehely tinta használatával az ellenállás kétszeresére csökken. A két tintával nyomtatott filmek SEM-mikroszkópos felvételeiből (1f, g ábra) megállapítható. láttuk, hogy az 5028 tinta alacsonyabb vezetőképessége a kisebb részecskeméretnek és a nyomtatott filmben lévő részecskék közötti sok üregnek köszönhető. Másrészt az 5064H nagyobb, szorosabban elrendezett pelyhekkel rendelkezik, így jobban viselkedik az ömlesztettségben. ezüst.Bár az ezzel a tintával előállított film vékonyabb, mint az 5028-as tinta, egyetlen réteg 4 μm és 6 réteg 22 μm, a vezetőképesség növekedése elegendő az általános ellenállás csökkentéséhez.
Végül, bár az induktivitás (1. egyenlet) függ a fordulatok számától (w + s), az ellenállás (5. egyenlet) csak a w vonalszélességtől függ. Ezért a w-t s-hez képest növelve az ellenállást tovább csökkenthető. A két további L3 és L4 induktort úgy tervezték, hogy w = 2s és nagy külső átmérővel rendelkezzenek, ahogy az 1. táblázatban látható. Ezeket az induktorokat 6 rétegű DuPont 5064H bevonattal gyártják, amint azt korábban bemutattuk, hogy biztosítsák a A legnagyobb teljesítmény. Az L3 induktivitása 4,720 ± 0,002 μH, az ellenállása 4,9 ± 0,1 Ω, míg az L4 induktivitása 7,839 ± 0,005 μH és 6,9 ± 0,1 Ω, amelyek jó egyezést mutatnak a modellel. vastagság, vezetőképesség és w/s növekedés, ez azt jelenti, hogy az L/R arány több mint egy nagyságrenddel nőtt az 1. ábrán látható értékhez képest.
Bár az alacsony egyenáramú ellenállás ígéretes, a kHz-MHz tartományban működő erősáramú elektronikai berendezésekhez való induktorok alkalmasságának értékelése váltóáramú frekvenciákon történő jellemzést igényel.A 2a ábra az L3 és L4 ellenállásának és reaktanciájának frekvenciafüggését mutatja.10 MHz alatti frekvenciák esetén , az ellenállás nagyjából állandó marad a DC értékén, míg a reaktancia lineárisan növekszik a frekvenciával, ami azt jelenti, hogy az induktivitás a vártnak megfelelően állandó. Az önrezonancia frekvencia az a frekvencia, amelyen az impedancia induktívról kapacitívra változik. Az L3 35,6 ± 0,3 MHz, az L4 pedig 24,3 ± 0,6 MHz. A Q minőségi tényező frekvenciafüggése (egyenlő ωL/R) a 2b. ábrán látható. Az L3 és L4 maximális minőségi tényező 35 ± 1 és 33 ± 1 11, illetve 16 MHz-es frekvenciákon. A néhány μH induktivitás és a MHz-es frekvenciákon tapasztalható viszonylag magas Q miatt ezek az induktorok elegendőek a hagyományos, felületre szerelhető induktorok helyettesítésére a kis teljesítményű DC-DC átalakítókban.
Az L3 és L4 induktorok mért R ellenállása és X (a) reaktanciája és Q (b) minőségi tényezője a frekvenciához kapcsolódik.
Az adott kapacitáshoz szükséges lábnyom minimalizálása érdekében a legjobb, ha nagy fajlagos kapacitású kondenzátortechnológiát alkalmazunk, amely egyenlő az ε dielektromos állandóval osztva a dielektrikum vastagságával. Ebben a munkában a bárium-titanát kompozitot választottuk. dielektrikumként, mert nagyobb az epszilonja, mint a többi oldatban feldolgozott szerves dielektrikumnak.A dielektromos réteget a két ezüstvezető közé szitanyomják, hogy fém-dielektrikum-fém szerkezetet alakítsanak ki. Különféle méretű kondenzátorok centiméterben, a 3a. ábra szerint , két vagy három réteg dielektromos tinta felhasználásával készülnek a jó hozam fenntartása érdekében. A 3b. ábra egy kétrétegű dielektrikumból készült reprezentatív kondenzátor keresztmetszeti SEM-mikroszkópos képét mutatja, 21 μm teljes dielektromos vastagsággal. A felső és alsó elektród egyrétegű, illetve hatrétegű 5064H. A mikron méretű bárium-titanát részecskék láthatók a SEM képen, mert a világosabb területeket a sötétebb szerves kötőanyag veszi körül. A dielektromos tinta jól nedvesíti az alsó elektródát, és tiszta felületet képez a nyomtatott fémfólia, amint az az ábrán látható nagyobb nagyítással.
(a) Öt különböző területű kondenzátor fényképe. (b) Kétrétegű dielektrikumú kondenzátor keresztmetszeti SEM-mikroszkópos felvétele, amelyen bárium-titanát dielektrikum és ezüstelektródák láthatók. (c) 2 és 3 bárium-titanátos kondenzátorok kapacitásai dielektromos rétegek és különböző területek, 1 MHz-en mérve.(d) Egy 2,25 cm2-es, 2 rétegű dielektromos bevonattal rendelkező kondenzátor kapacitása, ESR és veszteségi tényezője és a frekvencia közötti összefüggés.
A kapacitás arányos a várható területtel. A 3c. ábrán látható módon a kétrétegű dielektrikum fajlagos kapacitása 0,53 nF/cm2, a háromrétegű dielektrikumé pedig 0,33 nF/cm2. Ezek az értékek 13-as dielektromos állandónak felelnek meg. A kapacitást és a disszipációs tényezőt (DF) különböző frekvenciákon is mértük, amint az a 3d. ábrán látható, egy 2,25 cm2-es, kétrétegű dielektrikummal rendelkező kondenzátoron. Azt találtuk, hogy a kapacitás viszonylag lapos a kívánt frekvenciatartományban, és 20%-kal nőtt. 1-ről 10 MHz-re, míg ugyanabban a tartományban a DF 0,013-ról 0,023-ra nőtt. Mivel a disszipációs tényező az energiaveszteség és az egyes váltakozó áramú ciklusokban tárolt energia aránya, a 0,02-es DF azt jelenti, hogy a kezelt teljesítmény 2%-a Ezt a veszteséget általában a kondenzátorral sorba kapcsolt frekvenciafüggő ekvivalens soros ellenállásban (ESR) fejezik ki, amely egyenlő DF/ωC-vel. Amint a 3d. ábra mutatja, 1 MHz-nél nagyobb frekvenciák esetén, Az ESR kisebb, mint 1,5 Ω, és 4 MHz-nél nagyobb frekvenciák esetén az ESR kisebb, mint 0,5 Ω.Bár ezt a kondenzátortechnológiát alkalmazva a DC-DC konverterekhez szükséges μF osztályú kondenzátorok igen nagy területet igényelnek, de a 100 pF- Ezeknek a kondenzátoroknak az nF kapacitástartománya és alacsony vesztesége alkalmassá teszi őket más alkalmazásokhoz, például szűrőkhöz és rezonanciaáramkörökhöz. Különféle módszerek használhatók a kapacitás növelésére. A nagyobb dielektromos állandó növeli a fajlagos kapacitást 37; ezt például a bárium-titanát részecskék koncentrációjának növelésével érhetjük el a tintában.Kisebb dielektromos vastagság használható, bár ehhez olyan alsó elektródára van szükség, amelynek érdessége kisebb, mint a szitanyomott ezüstpehelynél.Vékonyabb, kisebb érdességű kondenzátor A rétegek tintasugaras nyomtatással 31 vagy mélynyomással 10 helyezhetők fel, amely kombinálható szitanyomási eljárással. Végül több, váltakozó fém- és dielektrikumréteg egymásra rakható, nyomtatható és párhuzamosan csatlakoztatható, ezáltal növelve az egységnyi területre eső kapacitást 34 .
Egy pár ellenállásból álló feszültségosztót általában a feszültségszabályozó visszacsatolásos vezérléséhez szükséges feszültségmérés elvégzésére használnak. Az ilyen típusú alkalmazásoknál a nyomtatott ellenállás ellenállásának a kΩ-MΩ tartományban kell lennie, és az eszközök kicsik. Itt azt találták, hogy az egyrétegű szitanyomott széntinta lapellenállása 900 Ω/□.Ezt az információt két lineáris ellenállás (R1 és R2) és egy szerpentin ellenállás (R3) tervezésére használjuk. ) 10 kΩ, 100 kΩ és 1,5 MΩ névleges ellenállással. A névleges értékek közötti ellenállást két vagy három réteg tinta nyomtatásával érik el, amint az a 4. ábrán látható, és fotókat készít a három ellenállásról. Készítsen 8- 12 minta minden típusból; az ellenállás szórása minden esetben 10% vagy kevesebb.A két-három rétegű bevonatú minták ellenállásváltozása valamivel kisebb, mint az egyrétegű bevonatú mintáké.A mért ellenállás kis változása és a névleges értékkel való szoros egyezés azt jelzi, hogy ebben a tartományban más ellenállások közvetlenül is elérhetők az ellenállás geometriájának módosításával.
Három különböző ellenállás-geometria, különböző számú szén-ellenálló festékbevonattal. A három ellenállás képe a jobb oldalon látható.
Az RLC áramkörök klasszikus tankönyvi példák az ellenállások, induktorok és kondenzátorok kombinációira, amelyeket a valódi nyomtatott áramkörökbe integrált passzív alkatrészek viselkedésének demonstrálására és ellenőrzésére használnak. Ebben az áramkörben egy 8 μH-os induktor és egy 0,8 nF-os kondenzátor sorba van kötve, és egy 25 kΩ-os ellenállás van velük párhuzamosan csatlakoztatva. A flexibilis áramkör fotója az 5a. ábrán látható. Ennek a speciális soros-párhuzamos kombinációnak az az oka, hogy viselkedését a három különböző frekvenciakomponens mindegyike határozza meg, így a az egyes komponensek teljesítménye kiemelhető és értékelhető.Az induktor 7 Ω-os soros ellenállását és a kondenzátor 1,3 Ω ESR-ét figyelembe véve kiszámítottuk az áramkör várható frekvenciamenetét.A kapcsolási rajz az 5b. ábrán látható, és a számított Az impedancia amplitúdója, a fázis és a mért értékek az 5c. és d. ábrákon láthatók. Alacsony frekvenciákon a kondenzátor nagy impedanciája azt jelenti, hogy az áramkör viselkedését a 25 kΩ-os ellenállás határozza meg. A frekvencia növekedésével a kondenzátor impedanciája az LC út csökken; a teljes áramkör viselkedése kapacitív, amíg a rezonanciafrekvencia el nem éri a 2,0 MHz-et. A rezonancia frekvencia felett az induktív impedancia dominál. Az 5. ábra jól mutatja a számított és mért értékek közötti kiváló egyezést a teljes frekvenciatartományban. Ez azt jelenti, hogy az alkalmazott modell Itt (ahol az induktorok és a kondenzátorok ideális alkatrészek soros ellenállással) pontos az áramkör viselkedésének előrejelzésére ezeken a frekvenciákon.
(a) Egy szitanyomásos RLC-áramkör fotója, amely egy 8 μH-s induktor és egy 0,8 nF-os kondenzátor soros kombinációját használja párhuzamosan 25 kΩ-os ellenállással. (b) Áramköri modell, beleértve az induktor és a kondenzátor soros ellenállását.(c) ,d) Az áramkör impedancia amplitúdója (c) és fázisa (d).
Végül nyomtatott induktorok és ellenállások vannak implementálva az erősítő szabályozóban. A bemutatóban használt IC a Microchip MCP1640B14, amely egy PWM-alapú szinkron erősítő szabályozó 500 kHz működési frekvenciával. A kapcsolási rajz a 6a.A ábrán látható. 4,7 μH induktivitás és két kondenzátor (4,7 μF és 10 μF) energiatároló elemként, egy pár ellenállás pedig a visszacsatoló vezérlés kimeneti feszültségének mérésére szolgál. Válassza ki az ellenállás értékét a kimeneti feszültség 5 V-ra állításához. Az áramkört PCB-re gyártják, és teljesítményét a terhelési ellenálláson és a 3-4 V bemeneti feszültség tartományon belül mérik, hogy szimulálják a lítium-ion akkumulátort különböző töltési állapotokban. A nyomtatott induktorok és ellenállások hatékonyságát összehasonlítják a SMT induktorok és ellenállások hatékonysága. Az SMT kondenzátorokat minden esetben használjuk, mert az ehhez az alkalmazáshoz szükséges kapacitás túl nagy ahhoz, hogy nyomtatott kondenzátorokkal kiegészítsük.
(a) Feszültségstabilizáló áramkör diagramja. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw és (d) Az induktorba befolyó áram hullámformái, a bemeneti feszültség 4,0 V, a terhelési ellenállás 1 kΩ, a nyomtatott induktor pedig mérésre szolgál.Ehhez a méréshez felületre szerelhető ellenállásokat és kondenzátorokat használnak.(e) Különféle terhelési ellenállások és bemeneti feszültségek esetén a feszültségszabályozó áramkörök hatékonysága az összes felületre szerelhető alkatrészt és a nyomtatott induktorokat és ellenállásokat alkalmazva.(f) ) A felületi szerelvény és a nyomtatott áramkör hatékonysági aránya az (e) pontban.
4,0 V bemeneti feszültség és 1000 Ω terhelési ellenállás esetén a nyomtatott induktorokkal mért hullámformák a 6b-d ábrákon láthatók. A 6c ábra az IC Vsw terminálján lévő feszültséget mutatja; az induktor feszültsége Vin-Vsw. A 6d ábra az induktivitásba befolyó áramot mutatja. Az SMT-vel és nyomtatott alkatrészekkel ellátott áramkör hatásfoka a 6e ábrán látható a bemeneti feszültség és a terhelési ellenállás függvényében, a 6f ábra pedig a hatásfok arányát mutatja. nyomtatott alkatrészekről SMT komponensekre.Az SMT komponensekkel mért hatásfok hasonló a gyártó adatlapján megadott várható értékhez 14.Nagy bemeneti áram mellett (alacsony terhelési ellenállás és alacsony bemeneti feszültség) a nyomtatott induktorok hatásfoka lényegesen alacsonyabb, mint a hogy az SMT induktoroké a nagyobb soros ellenállás miatt.Nagyobb bemeneti feszültség és nagyobb kimeneti áram mellett azonban az ellenállásveszteség kevésbé fontos, és a nyomtatott induktorok teljesítménye kezd megközelíteni az SMT induktorokéhoz.500 Ω és Vin terhelési ellenállások esetén = 4,0 V vagy >750 Ω és Vin = 3,5 V, a nyomtatott induktorok hatásfoka meghaladja az SMT induktorok 85%-át.
A 6d. ábrán látható áram hullámforma és a mért teljesítményveszteség összehasonlítása azt mutatja, hogy az induktor ellenállásvesztesége a fő oka a nyomtatott áramkör és az SMT áramkör közötti hatékonyságbeli különbségnek, ahogy az várható volt. A bemeneti és kimeneti teljesítmény 4,0 V-on mérve A bemeneti feszültség és az 1000 Ω-os terhelési ellenállás 30,4 mW és 25,8 mW az SMT komponenseket tartalmazó áramköröknél, valamint 33,1 mW és 25,2 mW a nyomtatott komponenseket tartalmazó áramköröknél. Ezért a nyomtatott áramkör vesztesége 7,9 mW, ami 3,4 mW-tal magasabb, mint a áramkör SMT komponensekkel.A 6d ábra hullámformájából számított RMS induktoráram 25,6 mA. Mivel soros ellenállása 4,9 Ω, a várható teljesítményveszteség 3,2 mW. Ez a mért 3,4 mW egyenáramú teljesítménykülönbség 96%-a. Ezenkívül az áramkört nyomtatott induktorokkal és nyomtatott ellenállásokkal, valamint nyomtatott induktorokkal és SMT ellenállásokkal gyártják, ill. nem figyelhető meg jelentős hatásfok különbség közöttük.
Ezután a feszültségszabályozót a rugalmas PCB-re gyártják (az áramkör nyomtatási és SMT-komponenseinek teljesítménye az S1 kiegészítő ábrán látható), és a rugalmas lítium-ion akkumulátor, mint áramforrás és az OLED-tömb közé csatlakozik, mint terhelés. Lochner et al. 9 Az OLED-ek gyártásához minden OLED-pixel 0,6 mA-t fogyaszt 5 V-on. Az akkumulátor lítium-kobalt-oxidot és grafitot használ katódként, illetve grafitot, és a legelterjedtebb akkumulátoros nyomtatási módszer, a Doctor blade bevonattal gyártják. az akkumulátor kapacitása 16 mAh, a feszültség pedig a teszt alatt 4,0 V. A 7. ábrán a három párhuzamosan kapcsolt OLED pixelt tápláló áramkör fotója látható. rugalmas és szerves eszközöket, hogy bonyolultabb elektronikus rendszereket hozzanak létre.
Fénykép a feszültségszabályozó áramkörről egy rugalmas PCB-n nyomtatott induktorokkal és ellenállásokkal, rugalmas lítium-ion akkumulátorokkal három szerves LED táplálására.
Rugalmas PET szubsztrátumokon szitanyomott induktorokat, kondenzátorokat és ellenállásokat mutattunk be számos értékkel, azzal a céllal, hogy a felületre szerelhető alkatrészeket lecseréljék az erősáramú elektronikai berendezésekben. Megmutattuk, hogy egy nagy átmérőjű, töltési sebességű spirál tervezésével , és a vonalszélesség-térszélesség arányt, valamint vastag, kis ellenállású tintaréteg használatával. Ezek az alkatrészek egy teljesen nyomtatott és rugalmas RLC-áramkörbe vannak integrálva, és előre látható elektromos viselkedést mutatnak a kHz-MHz frekvenciatartományban, ami a legnagyobb a teljesítményelektronika iránti érdeklődés.
A nyomtatott teljesítményelektronikai eszközök tipikus felhasználási esetei a hordható vagy termékbe integrált rugalmas elektronikus rendszerek, amelyeket rugalmas újratölthető akkumulátorok (például lítium-ion) táplálnak, és amelyek a töltési állapotnak megfelelően változó feszültséget tudnak generálni.Ha a terhelés (beleértve a nyomtatást és a szerves elektronikus berendezések) állandó feszültséget igényelnek, vagy nagyobb, mint az akkumulátor által kibocsátott feszültség, feszültségszabályozóra van szükség. Emiatt a nyomtatott induktorok és ellenállások hagyományos szilícium IC-kkel vannak integrálva egy erősítő szabályozóba, hogy az OLED-et állandó feszültséggel táplálják. 5 V változó feszültségű akkumulátoros tápegységről. A terhelési áram és a bemeneti feszültség bizonyos tartományán belül ennek az áramkörnek a hatásfoka meghaladja a felületre szerelhető induktorokat és ellenállásokat használó vezérlőáramkör hatékonyságának 85%-át.Az anyag- és geometriai optimalizálás ellenére, Az induktivitás ellenállási veszteségei továbbra is korlátozzák az áramkör teljesítményét nagy áramszinteken (körülbelül 10 mA-nél nagyobb bemeneti áram). Alacsonyabb áramoknál azonban az induktivitás veszteségei csökkennek, és az általános teljesítményt a hatékonyság korlátozza. Mivel sok nyomtatott és szerves eszköz viszonylag alacsony áramot igényel, mint például a bemutatónkban használt kis OLED-ek, a nyomtatott teljesítményinduktorok alkalmasnak tekinthetők az ilyen alkalmazásokra.Azáltal, hogy az IC-ket úgy tervezték, hogy alacsonyabb áramszinteken a legmagasabb hatásfokkal rendelkeznek, nagyobb általános átalakító hatásfoka érhető el.
Ebben a munkában a feszültségszabályozó a hagyományos NYÁK, flexibilis NYÁK és felületszerelt alkatrészek forrasztási technológiájára épül, míg a nyomtatott alkatrészt külön hordozóra gyártják. Azonban az alacsony hőmérsékletű és nagy viszkozitású festékek szita- a nyomtatott fóliáknak lehetővé kell tenniük a passzív alkatrészek, valamint az eszköz és a felületre szerelhető komponens érintkezőbetétei közötti összeköttetések bármilyen hordozóra történő nyomtatását. Ez a meglévő, alacsony hőmérsékletű vezetőképes ragasztók felületre szerelhető komponensekhez való használatával kombinálva lehetővé teszi a teljes áramkört olcsó hordozókra (például PET) kell építeni anélkül, hogy szükség lenne kivonó eljárásokra, például PCB-maratásra. Ezért az ebben a munkában kifejlesztett, szitanyomott passzív komponensek elősegítik az utat az energiát és a terhelést integráló rugalmas elektronikus rendszerek számára nagy teljesítményű teljesítményelektronikával, olcsó hordozók felhasználásával, főként additív eljárásokkal és minimális számú felületre szerelhető komponenssel.
Az Asys ASP01M szitanyomtató és a Dynamesh Inc. által biztosított rozsdamentes acél szita felhasználásával a passzív komponensek minden rétegét egy 76 μm vastagságú rugalmas PET hordozóra szitanyomták. A fémréteg hálómérete 400 sor hüvelykenként és 250 vonal per hüvelyk a dielektromos réteghez és az ellenállási réteghez. Használjon 55 N lehúzóerőt, 60 mm/s nyomtatási sebességet, 1,5 mm-es törési távolságot és 65 keménységű Serilor gumibetétet (fémhez és ellenálláshoz) rétegek) vagy 75 (dielektromos rétegek esetén) szitanyomás esetén.
A vezető rétegek – az induktorok, a kondenzátorok és ellenállások érintkezői – DuPont 5082 vagy DuPont 5064H ezüst mikropehely tintával vannak nyomtatva. Az ellenállás DuPont 7082 szénvezetővel van nyomtatva. A kondenzátor dielektrikumhoz a vezetőképes vegyület BT-titrictanate1 dielektrium dielektrium 1064H használják.Minden dielektrikumréteget két menetes (nedves-nedves) nyomtatási ciklussal állítanak elő a film egyenletességének javítása érdekében.Minden komponens esetében megvizsgáltuk a többszörös nyomtatási ciklusok hatását az alkatrész teljesítményére és változékonyságára. ugyanabból az anyagból több bevonatot szárítottunk 70 °C-on 2 percig a bevonatok között.Az egyes anyagok utolsó rétegének felhordása után a mintákat 140 °C-on 10 percig süttük, hogy biztosítsuk a teljes száradást.A képernyő automatikus igazítási funkciója A nyomtató a következő rétegek igazítására szolgál. Az induktor közepével való érintkezést úgy érik el, hogy átmenő lyukat vágnak a középső párnán, és stencilnyomatokat a hordozó hátoldalán DuPont 5064H tintával. A nyomtatóberendezések közötti összeköttetés szintén Dupontot használ. 5064H stencil nyomtatás. A nyomtatott alkatrészek és az SMT komponensek a 7. ábrán látható rugalmas PCB-n való megjelenítéséhez a nyomtatott alkatrészek Circuit Works CW2400 vezetőképes epoxi segítségével, az SMT komponensek pedig hagyományos forrasztással csatlakoznak.
Az akkumulátor katódjaként lítium-kobalt-oxidot (LCO) és grafitalapú elektródákat használnak. A katódszuszpenzió 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafit (KS6, Timcal), 2,5 keveréke. % korom (Super P, Timcal) és 10% polivinilidén-fluorid (PVDF, Kureha Corp.). ) Az anód 84 tömeg% grafit, 4 tömeg% korom és 13 tömeg% PVDF keveréke. N-metil-2-pirrolidont (NMP, Sigma Aldrich) használnak a PVDF kötőanyag feloldására és a zagy diszpergálására. A szuszpenziót homogenizáltuk örvénykeverővel egy éjszakán át keverve.A katódhoz és az anódhoz 0,0005 hüvelyk vastag rozsdamentes acélfóliát és 10 μm-es nikkelfóliát használnak áramgyűjtőként. A tintát az áramgyűjtőre nyomtatják egy gumibetéttel 20-as nyomtatási sebességgel. mm/s.Melegítse az elektródát kemencében 80 °C-on 2 órán át az oldószer eltávolításához.Az elektróda magassága szárítás után kb. 60 μm, az aktív anyag tömege alapján az elméleti kapacitása 1,65 mAh /cm2.Az elektródákat 1,3 × 1,3 cm2-es méretűre vágtuk és vákuumkemencében 140°C-on egy éjszakán át melegítettük, majd alumínium laminált zacskókkal lezártuk nitrogénnel töltött kesztyűtartóban. Polipropilén alapfólia oldata anód és katód, valamint 1M LiPF6 EC/DEC (1:1) az akkumulátor elektrolitjaként.
A zöld OLED poli(9,9-dioktilfluorén-ko-n-(4-butil-fenil)-difenil-amin) (TFB) és poli((9,9-dioktilfluorén-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol-) 4,8-diil)) (F8BT) a Lochner és munkatársai 9. cikkében ismertetett eljárás szerint.
Használja a Dektak stylus profilert a filmvastagság mérésére. A filmet levágtuk, hogy keresztmetszeti mintát készítsünk pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) vizsgálathoz. A FEI Quanta 3D mezőemissziós pisztoly (FEG) SEM a nyomtatott anyag szerkezetének jellemzésére szolgál. fóliával és erősítse meg a vastagságmérést.A SEM vizsgálatot 20 keV gyorsítófeszültségen és 10 mm tipikus munkatávolság mellett végeztük.
Használjon digitális multimétert az egyenáramú ellenállás, feszültség és áram mérésére. Az induktorok, kondenzátorok és áramkörök váltakozó áramú impedanciáját az Agilent E4980 LCR mérővel mérik 1 MHz alatti frekvenciák esetén, az Agilent E5061A hálózati analizátort pedig az 500 kHz feletti frekvenciák mérésére. Tektronix TDS 5034 oszcilloszkóp a feszültségszabályozó hullámformájának mérésére.
Hogyan idézzük ezt a cikket: Ostfeld, AE, stb. Szitanyomás passzív alkatrészek rugalmas teljesítményű elektronikus berendezésekhez.tudomány.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next ubiquito platform. Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Humán Intranet: A hely, ahol a csoportok találkoznak az emberekkel.A 2015-ös európai tervezési, automatizálási és tesztelési konferencián és kiállításon megjelent tanulmány, Grenoble, Franciaország. San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, március 9- 13).
Krebs, FC stb.OE-A OPV demonstrátor anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC printed piezoelectric energy harvesting devices.Advanced energy materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printed flat vastagfilm termoelektromos energiagenerátor.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Rugalmas, nagy potenciálú nyomtatott akkumulátor, amelyet nyomtatott elektronikus eszközök táplálására használnak.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA A nyomtatott rugalmas akkumulátorok legújabb fejlesztései: mechanikai kihívások, nyomtatási technológia és jövőbeli kilátások.Energiatechnológia.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. stb.Egy nagyméretű érzékelőrendszer, amely nagy területű elektronikus eszközöket és CMOS IC-ket egyesít a szerkezeti állapot megfigyelésére.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).