naujienos

Dėkojame, kad apsilankėte „Nature“.Naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti naujesnę naršyklės versiją (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Tuo pačiu metu , siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetaines rodysime be stilių ir „JavaScript“.
Naudodami priedus ir žemos temperatūros spausdinimo procesus, ant lankstaus pagrindo su mažomis sąnaudomis galima integruoti įvairius energiją vartojančius ir energiją einančius elektroninius prietaisus. Tačiau norint iš šių prietaisų gaminti visas elektronines sistemas, paprastai reikia galios elektroninių prietaisų, kad būtų galima konvertuoti įvairias darbo įtampas. pasyvūs komponentai – induktoriai, kondensatoriai ir rezistoriai – atlieka tokias funkcijas kaip filtravimas, trumpalaikis energijos kaupimas ir įtampos matavimas, kurios yra būtinos galios elektronikoje ir daugelyje kitų programų. Šiame straipsnyje pristatome induktorius, kondensatorius, rezistoriai ir RLC grandinės, atspausdintos šilkografiškai ant lankstaus plastiko pagrindo, ir praneškite apie projektavimo procesą, kad būtų sumažinta nuoseklioji induktorių varža, kad juos būtų galima naudoti galios elektroniniuose įrenginiuose. Tada atspausdintas induktorius ir rezistorius įtraukiami į stiprinimo reguliatoriaus grandinę. Gamyba organinių šviesos diodų ir lanksčių ličio jonų baterijų. Įtampos reguliatoriai naudojami diodams maitinti iš akumuliatoriaus, parodantys spausdintų pasyviųjų komponentų potencialą pakeisti tradicinius paviršiuje montuojamus komponentus nuolatinės srovės-DC keitiklių programose.
Pastaraisiais metais buvo išplėtotas įvairių lanksčių prietaisų pritaikymas nešiojamuose ir didelio ploto elektroniniuose gaminiuose bei daiktų internete1,2. Tai energijos surinkimo įrenginiai, tokie kaip fotovoltinė 3, pjezoelektrinė 4 ir termoelektrinė 5; energijos kaupimo įtaisai, tokie kaip baterijos 6, 7; ir energiją vartojančius įrenginius, tokius kaip jutikliai 8, 9, 10, 11, 12 ir šviesos šaltiniai 13. Nors atskirų energijos šaltinių ir apkrovų srityje padaryta didelė pažanga, norint sujungti šiuos komponentus į visą elektroninę sistemą, paprastai reikalinga galios elektronika. pašalinti bet kokį neatitikimą tarp maitinimo ir apkrovos reikalavimų. Pavyzdžiui, akumuliatorius generuoja kintamą įtampą pagal savo įkrovimo būseną. Jei apkrovai reikalinga pastovi įtampa arba didesnė nei įtampa, kurią gali generuoti akumuliatorius, reikalinga galios elektronika. .Galios elektronika naudoja aktyvius komponentus (tranzistorius) perjungimo ir valdymo funkcijoms atlikti, taip pat pasyviuosius komponentus (induktorius, kondensatorius ir rezistorius).Pavyzdžiui, perjungimo reguliatoriaus grandinėje induktorius naudojamas energijai kaupti kiekvieno perjungimo ciklo metu. , įtampos pulsacijai sumažinti naudojamas kondensatorius, o grįžtamojo ryšio valdymui reikalingas įtampos matavimas atliekamas naudojant rezistorių daliklį.
Galios elektroniniams prietaisams, tinkamiems nešiojamiems įrenginiams (pvz., impulsų oksimetrui 9), reikia kelių voltų ir kelių miliamperų, ​​jie paprastai veikia nuo šimtų kHz iki kelių MHz dažnių diapazone ir reikalauja kelių μH ir kelių μH induktyvumo ir talpa μF yra 14. Tradicinis šių grandinių gamybos būdas yra atskirų komponentų litavimas į standžią spausdintinę plokštę (PCB). Nors galios elektroninių grandinių aktyvieji komponentai dažniausiai sujungiami į vieną silicio integrinį grandyną (IC), pasyvieji komponentai dažniausiai yra išorinis, leidžiantis pasirinktines grandines arba dėl to, kad reikalinga induktyvumas ir talpa yra per dideli, kad būtų galima įdiegti silicyje.
Palyginti su tradicine PCB pagrindu pagaminta gamybos technologija, elektroninių prietaisų ir grandinių gamyba taikant priedų spausdinimo procesą turi daug privalumų dėl paprastumo ir kainos. Pirma, daugeliui grandinės komponentų reikalingos tos pačios medžiagos, pavyzdžiui, metalai kontaktams. ir jungtys, spausdinimas leidžia vienu metu gaminti kelis komponentus, naudojant palyginti nedaug apdorojimo etapų ir mažiau medžiagų šaltinių15. Naudojant priedinius procesus, siekiant pakeisti atimamus procesus, tokius kaip fotolitografija ir ėsdinimas, dar labiau sumažėja proceso sudėtingumas ir medžiagų švaistymas16, 17, 18 ir 19. Be to, žema temperatūra, naudojama spausdinant, yra suderinama su lanksčiais ir nebrangiais plastikiniais pagrindais, todėl galima naudoti sparčiuosius ritininio ritininio gamybos procesus elektroniniams prietaisams 16, 20 padengti dideliuose plotuose. kurių negalima visiškai realizuoti naudojant spausdintus komponentus, buvo sukurti hibridiniai metodai, kai paviršiaus montavimo technologijos (SMT) komponentai yra prijungti prie lanksčių substratų 21, 22, 23 šalia spausdinamų komponentų esant žemai temperatūrai. Taikant šį hibridinį metodą, vis dar būtina kuo daugiau SMT komponentų pakeisti spausdintais komponentais, kad gautumėte papildomų procesų pranašumus ir padidintumėte bendrą grandinės lankstumą. Siekdami realizuoti lanksčią galios elektroniką, pasiūlėme SMT aktyviųjų komponentų ir šilkografinio pasyvaus komponentų derinį. komponentų, ypatingą dėmesį skiriant didelių gabaritų SMT induktorių pakeitimui plokštuminiais spiraliniais induktoriais. Tarp įvairių spausdintos elektronikos gamybos technologijų šilkografija ypač tinka pasyvioms sudedamosioms dalims dėl didelio plėvelės storio (kuris būtinas norint sumažinti metalinių elementų serijinį atsparumą). ) ir didelis spausdinimo greitis, net dengiant centimetro lygio sritis Tas pats kartais galioja.Medžiaga 24.
Turi būti sumažintas galios elektroninės įrangos pasyviųjų komponentų praradimas, nes grandinės efektyvumas tiesiogiai veikia energijos kiekį, reikalingą sistemai maitinti. Tai ypač sudėtinga spausdintiniams induktyvumo ritėms, sudarytoms iš ilgų ritių, todėl jos yra jautrios didelėms serijoms. atsparumas.Todėl, nors buvo dedamos pastangos sumažinti spausdintų ritinių varžą 25, 26, 27, 28, vis dar trūksta didelio efektyvumo spausdintų pasyviųjų komponentų, skirtų galios elektroniniams įrenginiams.Iki šiol daugelis pranešė apie spausdintus pasyvius komponentai ant lankstaus pagrindo yra skirti veikti rezonansinėse grandinėse radijo dažnių atpažinimo (RFID) arba energijos surinkimo tikslais 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Kiti daugiausia dėmesio skiria medžiagų arba gamybos proceso kūrimui ir rodo bendruosius komponentus 26, 32, 33, 34, kurie nėra optimizuoti tam tikroms reikmėms. Priešingai, galios elektroninėse grandinėse, tokiose kaip įtampos reguliatoriai, dažnai naudojami didesni komponentai nei įprasti spausdinti pasyvūs įrenginiai ir jiems nereikia rezonanso, todėl reikia skirtingų komponentų konstrukcijų.
Čia pristatome μH diapazono šilkografinių induktorių projektavimą ir optimizavimą, kad būtų pasiekta mažiausia serijinė varža ir didelis našumas esant dažniams, susijusiems su galios elektronika. Gaminami įvairių komponentų verčių šilkografiniai induktoriai, kondensatoriai ir rezistoriai. ant lankstaus plastikinio pagrindo.Šių komponentų tinkamumas lankstiems elektroniniams gaminiams pirmiausia buvo parodytas naudojant paprastą RLC grandinę. Tada atspausdintas induktorius ir rezistorius integruojami į IC, kad būtų sukurtas stiprinimo reguliatorius.Galiausiai organinis šviesos diodas (OLED) ) ir gaminama lanksti ličio jonų baterija, o OLED maitinimui iš akumuliatoriaus naudojamas įtampos reguliatorius.
Norėdami sukurti spausdintus galios elektronikos induktorius, pirmiausia numatėme induktoriaus geometrijų serijos induktyvumą ir nuolatinės srovės varžą, remiantis dabartiniu lapo modeliu, pasiūlytu Mohan ir kt. 35, ir pagaminti skirtingos geometrijos induktyvumo ritės, kad patvirtintų modelio tikslumą.Šiame darbe buvo pasirinkta apskritimo forma induktyvumui, nes su mažesne varža galima pasiekti didesnį induktyvumą 36, lyginant su daugiakampe geometrija. Rašalo įtaka nustatomas atsparumo spausdinimo ciklų tipas ir skaičius. Tada šie rezultatai buvo panaudoti su ampermetro modeliu, suprojektuojant 4,7 μH ir 7,8 μH induktorius, optimizuotus minimaliam nuolatinės srovės pasipriešinimui.
Spiralinių induktorių induktyvumą ir nuolatinės srovės varžą galima apibūdinti keliais parametrais: išoriniu skersmeniu do, posūkio pločiu w ir tarpais s, apsisukimų skaičiumi n ir laidininko lakšto varža Rsheet. 1a paveiksle parodyta šilkografiniu būdu atspausdinto apskrito induktoriaus nuotrauka. su n = 12, parodantys geometrinius parametrus, lemiančius jo induktyvumą.Pagal Mohan ir kt. ampermetro modelį. 35, induktyvumas apskaičiuojamas induktoriaus geometrijų sekai, kur
(a) Šilkografinio induktoriaus nuotrauka su geometriniais parametrais. Skersmuo yra 3 cm. Įvairių induktorių geometrijų induktyvumas (b) ir nuolatinės srovės varža (c). Linijos ir ženklai atitinka atitinkamai apskaičiuotas ir išmatuotas vertes. (d,e) Induktorių L1 ir L2 nuolatinės srovės varžos atspausdintos atitinkamai Dupont 5028 ir 5064H sidabriniais dažais. (f,g) Plėvelių SEM mikrografijos, atspausdintos atitinkamai Dupont 5028 ir 5064H.
Esant dideliems dažniams, odos efektas ir parazitinė talpa pakeis induktoriaus varžą ir induktyvumą pagal jo nuolatinės srovės vertę. Tikimasi, kad induktorius veiks pakankamai žemu dažniu, kad šie efektai būtų nereikšmingi, o prietaisas elgsis kaip pastovus induktyvumas. su pastovia varža nuosekliai.Todėl šiame darbe išanalizavome ryšį tarp geometrinių parametrų, induktyvumo ir nuolatinės srovės varžos, o gautus rezultatus panaudojome tam, kad gautume nurodytą induktyvumą su mažiausia nuolatinės srovės varža.
Induktyvumas ir varža apskaičiuojami geometriniams parametrams, kuriuos galima realizuoti šilkografijos būdu, ir tikimasi, kad bus sukurtas μH diapazono induktyvumas. Išoriniai skersmenys 3 ir 5 cm, linijos plotis 500 ir 1000 mikronų , ir lyginami įvairūs posūkiai.Skaičiuojant daroma prielaida, kad lakšto varža yra 47 mΩ/□, o tai atitinka 7 μm storio Dupont 5028 sidabro mikrodribsnių laidininko sluoksnį, atspausdintą 400 akių tinkleliu ir nustatymą w = s. apskaičiuotos induktyvumo ir varžos vertės parodytos atitinkamai 1b ir c paveiksluose. Modelis numato, kad tiek induktyvumas, tiek varža didėja didėjant išoriniam skersmeniui ir apsisukimų skaičiui arba mažėjant linijos pločiui.
Siekiant įvertinti modelio prognozių tikslumą, ant polietileno tereftalato (PET) substrato buvo pagaminti įvairios geometrijos ir induktyvumo induktoriai. Išmatuotos induktyvumo ir varžos vertės parodytos 1b ir c paveiksluose. Nors varža šiek tiek nukrypo nuo Tikėtina vertė, daugiausia dėl nusodinto rašalo storio ir vienodumo pokyčių, induktyvumas labai gerai sutapo su modeliu.
Šie rezultatai gali būti naudojami projektuojant induktorių su reikiamu induktyvumu ir minimalia nuolatinės srovės varža. Pavyzdžiui, tarkime, kad reikalingas 2 μH induktyvumas. 1b paveiksle parodyta, kad ši induktyvumas gali būti realizuotas, kai išorinis skersmuo yra 3 cm, linijos plotis 500 μm ir 10 apsisukimų.Tą patį induktyvumą taip pat galima sukurti naudojant 5 cm išorinį skersmenį, 500 μm linijos plotį ir 5 posūkius arba 1000 μm linijos plotį ir 7 posūkius (kaip parodyta paveikslėlyje). Lyginant šių trijų varžas galimas geometrijas 1c paveiksle, galima rasti, kad mažiausia 5 cm induktoriaus, kurio linijos plotis 1000 μm, varža yra 34 Ω, o tai yra apie 40% mažesnė nei kitų dviejų.Bendras projektavimo procesas tam tikram induktyvumui pasiekti. su minimalia varža apibendrinama taip: Pirma, pasirinkite didžiausią leistiną išorinį skersmenį, atsižvelgdami į taikomosios programos taikomus erdvės apribojimus. Tada linijos plotis turi būti kuo didesnis, tačiau vis tiek pasiekti reikiamą induktyvumą, kad būtų pasiektas didelis užpildymo greitis. ((3) lygtis).
Padidinus storį arba naudojant didesnio laidumo medžiagą, siekiant sumažinti metalinės plėvelės lakšto varžą, nuolatinės srovės varža gali būti dar labiau sumažinta nepažeidžiant induktyvumo. Du induktyvumo ritės, kurių geometriniai parametrai pateikti 1 lentelėje, vadinami L1 ir L2, yra gaminami su skirtingu dangų skaičiumi, kad būtų galima įvertinti atsparumo pokytį.Didėjant rašalo dangų skaičiui, atsparumas mažėja proporcingai, kaip tikėtasi, kaip parodyta 1d ir e paveiksluose, kurie yra atitinkamai induktoriai L1 ir L2. 1d ir e pav. parodyta, kad padengus 6 sluoksnius, atsparumas gali sumažėti iki 6 kartų, o didžiausias atsparumo sumažėjimas (50–65 %) atsiranda tarp 1 ir 2 sluoksnių. Kadangi kiekvienas rašalo sluoksnis yra palyginti plonas, Šiems induktoriams spausdinti naudojamas santykinai mažo tinklelio ekranas (400 eilučių colyje), o tai leidžia ištirti laidininko storio įtaką varžai. Kol rašto ypatybės išlieka didesnės už mažiausią tinklelio skiriamąją gebą, panašų storį (ir varžą) galima pasiekti greičiau, spausdinant mažesnį dangų skaičių su didesniu tinklelio dydžiu. Šis metodas gali būti naudojamas norint pasiekti tokią pat nuolatinės srovės varžą, kaip čia aptartas 6 sluoksnių induktyvumo ritės, tačiau naudojant didesnį gamybos greitį.
1d ir e paveiksluose taip pat parodyta, kad naudojant daugiau laidžių sidabrinių dribsnių rašalą DuPont 5064H, atsparumas sumažėja du kartus. Iš plėvelių, atspausdintų dviem rašalu, SEM mikrografijų (1f, g pav.) matyti, kad mažesnis 5028 rašalo laidumas yra dėl mažesnio jo dalelių dydžio ir daugybės tuštumų tarp dalelių spausdintoje plėvelėje. Kita vertus, 5064H turi didesnių, glaudžiau išsidėsčiusių dribsnių, todėl jis elgiasi arčiau masės. sidabro.Nors šio rašalo sukurta plėvelė yra plonesnė nei 5028 rašalo, o vienas sluoksnis yra 4 μm ir 6 sluoksniai po 22 μm, laidumo padidėjimas yra pakankamas bendrai varžai sumažinti.
Galiausiai, nors induktyvumas ((1) lygtis) priklauso nuo apsisukimų skaičiaus (w + s), varža ((5) lygtis) priklauso tik nuo linijos pločio w. Todėl padidinus w s atžvilgiu, varža Dviejų papildomų induktorių L3 ir L4 suprojektuoti taip, kad jų w = 2s ir didelis išorinis skersmuo, kaip parodyta 1 lentelėje. Šie induktyvumo ritės yra gaminamos su 6 sluoksniais DuPont 5064H dangos, kaip parodyta anksčiau, siekiant užtikrinti Didžiausias našumas. L3 induktyvumas yra 4,720 ± 0,002 μH, o varža yra 4,9 ± 0,1 Ω, o L4 induktyvumas yra 7,839 ± 0,005 μH ir 6,9 ± 0,1 Ω, kurie gerai sutampa su modeliu. storio, laidumo ir w/s padidėjimas, tai reiškia, kad L/R santykis padidėjo daugiau nei eilės tvarka, palyginti su 1 pav.
Nors maža nuolatinės srovės varža yra perspektyvi, tačiau norint įvertinti induktorių tinkamumą galios elektroninei įrangai, veikiančiai kHz-MHz diapazone, reikia charakterizuoti kintamosios srovės dažnius.2a paveiksle parodyta L3 ir L4 varžos ir reaktyvumo priklausomybė nuo dažnio.Dažniams, mažesniems nei 10 MHz , varža išlieka apytiksliai pastovi esant nuolatinės srovės vertei, o reaktyvumas didėja tiesiškai didėjant dažniui, o tai reiškia, kad induktyvumas yra pastovus, kaip tikėtasi. Savaiminio rezonanso dažnis apibrėžiamas kaip dažnis, kuriuo varža keičiasi iš indukcinės į talpinę. L3 yra 35,6 ± 0,3 MHz, o L4 yra 24,3 ± 0,6 MHz. Kokybės koeficiento Q priklausomybė nuo dažnio (lygu ωL/R) parodyta 2b paveiksle. L3 ir L4 pasiekia didžiausius kokybės koeficientus 35 ± 1 ir 33 ± 1 esant atitinkamai 11 ir 16 MHz dažniams.Dėl kelių μH induktyvumo ir santykinai didelio Q MHz dažniuose šių induktorių pakanka pakeisti tradicinius paviršiuje montuojamus induktorius mažos galios nuolatinės srovės-DC keitikliuose.
Induktorių L3 ir L4 išmatuota varža R ir reaktyvumas X (a) bei kokybės koeficientas Q (b) yra susiję su dažniu.
Siekiant sumažinti tam tikros talpos pėdsaką, geriausia naudoti kondensatorių technologiją su didele specifine talpa, kuri yra lygi dielektrinei konstantai ε, padalytai iš dielektriko storio. Šiame darbe pasirinkome bario titanato kompozitą. kaip dielektrikas, nes turi didesnį epsiloną nei kiti tirpalu apdorojami organiniai dielektrikai.Dielektrinis sluoksnis atspausdintas tarp dviejų sidabrinių laidininkų, kad susidarytų metalo-dielektriko-metalo struktūra.Įvairių dydžių kondensatoriai centimetrais, kaip parodyta 3a paveiksle , gaminami naudojant du arba tris dielektrinio rašalo sluoksnius, kad būtų išlaikytas geras išeiga. 3b paveiksle parodyta tipinio kondensatoriaus, pagaminto iš dviejų dielektriko sluoksnių, kurių bendras dielektriko storis yra 21 μm, skerspjūvio SEM mikrografija. Viršutinis ir apatinis elektrodai yra atitinkamai vieno sluoksnio ir šešių sluoksnių 5064H. SEM vaizde matomos mikrono dydžio bario titanato dalelės, nes šviesesnės vietos yra apsuptos tamsesnio organinio rišiklio. Dielektrinis rašalas gerai sudrėkina apatinį elektrodą ir sudaro aiškią sąsają su atspausdinta metalinė plėvelė, kaip parodyta iliustracijoje su didesniu padidinimu.
(a) Kondensatoriaus su penkiomis skirtingomis sritimis nuotrauka. (b) Kondensatoriaus su dviem dielektriko sluoksniais skerspjūvio SEM mikrografija, kurioje matyti bario titanato dielektrikas ir sidabro elektrodai. c) Kondensatorių su 2 ir 3 bario titanatais talpos. dielektriniai sluoksniai ir skirtingi plotai, matuojami 1 MHz dažniu.(d) Ryšys tarp 2,25 cm2 kondensatoriaus su 2 sluoksniais dielektrinėmis dangomis talpos, ESR ir nuostolių koeficiento bei dažnio.
Talpa yra proporcinga numatomam plotui. Kaip parodyta 3c paveiksle, dvisluoksnio dielektriko savitoji talpa yra 0,53 nF/cm2, o trisluoksnio dielektriko savitoji talpa yra 0,33 nF/cm2. Šios vertės atitinka 13 dielektrinę konstantą. 2,25 cm2 kondensatoriaus su dviem dielektriko sluoksniais talpa ir sklaidos koeficientas (DF) taip pat buvo matuojami skirtingais dažniais, kaip parodyta 3d pav. nuo 1 iki 10 MHz, o tame pačiame diapazone, DF padidėjo nuo 0,013 iki 0,023. Kadangi išsklaidymo koeficientas yra energijos nuostolių ir energijos, sukauptos kiekviename kintamosios srovės cikle, santykis, DF 0,02 reiškia, kad 2% apdorojamos galios sunaudojama kondensatoriaus. Šis nuostolis paprastai išreiškiamas kaip nuo dažnio priklausoma ekvivalentinė serijinė varža (ESR), nuosekliai sujungta su kondensatoriumi, kuri yra lygi DF/ωC.Kaip parodyta 3d paveiksle, esant didesniems nei 1 MHz dažniams, ESR yra mažesnis nei 1,5 Ω, o esant didesniems nei 4 MHz dažniams, ESR yra mažesnis nei 0,5 Ω. Nors naudojant šią kondensatorių technologiją, μF klasės kondensatoriams, reikalingiems DC-DC keitikliams, reikalingas labai didelis plotas, tačiau 100 pF- nF talpos diapazonas ir nedideli šių kondensatorių nuostoliai leidžia juos naudoti kitoms reikmėms, pvz., filtrams ir rezonansinėms grandinėms. Talpai padidinti galima naudoti įvairius metodus.Didesnė dielektrinė konstanta padidina specifinę talpą 37; pavyzdžiui, tai galima pasiekti padidinus bario titanato dalelių koncentraciją rašaluose.Galima naudoti mažesnį dielektrinį storį, nors tam reikia apatinio elektrodo, kurio šiurkštumas mažesnis nei šilkografinio sidabro dribsnio.Plonesnis, mažesnio šiurkštumo kondensatorius sluoksniai gali būti deponuojami rašaliniu spausdinimu 31 arba giliaspaude 10, kuris gali būti derinamas su šilkografijos procesu. Galiausiai keli kintamieji metalo ir dielektriko sluoksniai gali būti sukrauti, atspausdinti ir sujungti lygiagrečiai, taip padidinant ploto vieneto talpą 34 .
Įtampos daliklis, sudarytas iš rezistorių poros, paprastai naudojamas įtampos matavimui, reikalingam įtampos reguliatoriaus grįžtamojo ryšio valdymui. Tokio tipo atveju spausdinto rezistoriaus varža turi būti kΩ-MΩ diapazone, o skirtumas tarp prietaisai yra maži.Čia buvo nustatyta, kad vieno sluoksnio šilkografinio anglies rašalo lakšto varža buvo 900 Ω/□.Ši informacija naudojama projektuojant du linijinius rezistorius (R1 ir R2) ir serpentininį rezistorių (R3). ) kurių vardinės varžos yra 10 kΩ, 100 kΩ ir 1,5 MΩ. Atsparumas tarp vardinių verčių pasiekiamas spausdinant du arba tris rašalo sluoksnius, kaip parodyta 4 paveiksle, ir trijų varžų nuotraukas. Padarykite 8- 12 kiekvieno tipo pavyzdžių; visais atvejais standartinis atsparumo nuokrypis yra 10% arba mažesnis.Pavyzdžių su dviem ar trimis sluoksniais atsparumo pokytis paprastai būna šiek tiek mažesnis nei bandinių su vienu sluoksniu.Mažas išmatuoto pasipriešinimo pokytis ir artimas sutapimas su vardine verte rodo, kad kitas šio diapazono varžas galima gauti tiesiogiai pakeitus rezistoriaus geometriją.
Trys skirtingos geometrijos rezistoriai su skirtingu anglies varžinio rašalo dangų skaičiumi. Trijų rezistorių nuotraukos pateiktos dešinėje.
RLC grandinės yra klasikiniai vadovėliniai rezistorių, induktorių ir kondensatorių derinių pavyzdžiai, naudojami parodyti ir patikrinti pasyviųjų komponentų, integruotų į tikras spausdintas grandines, elgseną. Šioje grandinėje nuosekliai sujungti 8 μH induktorius ir 0,8 nF kondensatorius, o 25 kΩ rezistorius yra prijungtas lygiagrečiai su jais. Lanksčios grandinės nuotrauka parodyta 5a paveiksle. Priežastis, kodėl pasirinktas šis specialus nuoseklus lygiagretus derinys, yra tai, kad jo elgesį lemia kiekvienas iš trijų skirtingų dažnio komponentų, todėl kiekvieno komponento veikimas gali būti paryškintas ir įvertintas.Atsižvelgiant į 7 Ω nuoseklią induktoriaus varžą ir 1,3 Ω kondensatoriaus ESR, buvo apskaičiuota numatoma grandinės dažnio charakteristika. Grandinės schema parodyta 5b paveiksle, o apskaičiuota varžos amplitudė ir fazė bei išmatuotos vertės parodytos 5c ir d paveiksluose. Esant žemiems dažniams, didelė kondensatoriaus varža reiškia, kad grandinės elgseną lemia 25 kΩ rezistorius. Didėjant dažniui, LC kelias mažėja; visa grandinės elgsena yra talpinė, kol rezonansinis dažnis yra 2,0 MHz. Virš rezonanso dažnio dominuoja indukcinė varža. 5 paveiksle aiškiai parodytas puikus sutapimas tarp apskaičiuotų ir išmatuotų verčių visame dažnių diapazone. Tai reiškia, kad naudojamas modelis čia (kur induktoriai ir kondensatoriai yra idealūs komponentai su nuoseklia varža) yra tikslus, kad būtų galima numatyti grandinės elgseną šiais dažniais.
(a) Ekrano atspausdintos RLC grandinės nuotrauka, kurioje lygiagrečiai naudojamas 8 μH induktoriaus ir 0,8 nF kondensatoriaus nuoseklusis derinys su 25 kΩ rezistoriumi. (b) Grandinės modelis, įskaitant nuoseklią induktoriaus ir kondensatoriaus varžą.(c) ,d) grandinės varžos amplitudė (c) ir fazė (d).
Galiausiai, spausdinti induktoriai ir rezistoriai yra įdiegti stiprinimo reguliatoriuje. Šiame demonstracijoje naudojamas IC yra Microchip MCP1640B14, kuris yra PWM pagrįstas sinchroninis stiprinimo reguliatorius, kurio veikimo dažnis yra 500 kHz. Grandinės schema parodyta 6a.A pav. 4,7 μH induktorius ir du kondensatoriai (4,7 μF ir 10 μF) naudojami kaip energijos kaupimo elementai, o rezistorių pora naudojama grįžtamojo ryšio valdymo išėjimo įtampai matuoti. Pasirinkite varžos vertę, kad išėjimo įtampa būtų 5 V. Grandinė pagaminta ant PCB, o jos veikimas matuojamas atsparumo apkrovai ir įėjimo įtampos diapazone nuo 3 iki 4 V, siekiant imituoti ličio jonų akumuliatorių įvairiose įkrovimo būsenose. Spausdintų induktorių ir rezistorių efektyvumas lyginamas su SMT induktorių ir rezistorių efektyvumas.SMT kondensatoriai naudojami visais atvejais, nes šiam pritaikymui reikalinga talpa yra per didelė, kad ją būtų galima papildyti spausdintais kondensatoriais.
(a) Įtampos stabilizavimo grandinės diagrama. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw ir (d) Srovės, tekančios į induktorių, bangos formos, įėjimo įtampa 4,0 V, apkrovos varža 1 kΩ, o matuojant naudojamas spausdintas induktorius.Šiam matavimui naudojami paviršinio montavimo rezistoriai ir kondensatoriai.(e) Esant įvairioms apkrovos varžoms ir įėjimo įtampai, įtampos reguliatoriaus grandinių efektyvumas naudojant visus paviršinio montavimo komponentus ir spausdintus induktorius bei rezistorius.(f) ) Paviršinio montavimo ir spausdintinės grandinės efektyvumo koeficientas, parodytas (e).
Esant 4,0 V įvesties įtampai ir 1000 Ω apkrovai, bangos formos, išmatuotos naudojant spausdintus induktorius, parodytos 6b-d paveiksluose. 6c paveiksle parodyta įtampa IC Vsw gnybte; induktoriaus įtampa yra Vin-Vsw. 6d paveiksle parodyta srovė, įtekanti į induktorių. Grandinės su SMT ir spausdintais komponentais efektyvumas parodytas 6e paveiksle kaip įėjimo įtampos ir apkrovos varžos funkcija, o 6f paveiksle parodytas naudingumo koeficientas spausdintų komponentų į SMT komponentus.Efektyvumas, išmatuotas naudojant SMT komponentus, yra panašus į numatomą vertę, nurodytą gamintojo duomenų lape 14.Esant didelei įėjimo srovei (maža apkrovos varža ir žema įėjimo įtampa), spausdintų induktorių efektyvumas yra žymiai mažesnis nei kad SMT induktorių dėl didesnės serijinės varžos.Tačiau esant didesnei įėjimo įtampai ir didesnei išėjimo srovei varžos nuostoliai tampa mažiau svarbūs, o spausdintų induktorių našumas pradeda artėti prie SMT induktorių.Dėl apkrovos varžų >500 Ω ir Vin = 4,0 V arba >750 Ω ir Vin = 3,5 V, spausdintų induktorių efektyvumas yra didesnis nei 85 % SMT induktorių.
Lyginant 6d paveiksle pateiktą srovės bangos formą su išmatuotais galios nuostoliais matyti, kad induktoriaus varžos nuostoliai yra pagrindinė spausdintinės grandinės ir SMT grandinės efektyvumo skirtumo priežastis, kaip ir tikėtasi. Įvesties ir išėjimo galia išmatuota esant 4,0 V įvesties įtampa ir 1000 Ω apkrovos varža yra 30,4 mW ir 25,8 mW grandinėse su SMT komponentais, o 33,1 mW ir 25,2 mW grandinėse su spausdintiniais komponentais. Todėl spausdintinės grandinės nuostoliai yra 7,9 mW, tai yra 3,4 mW didesni nei grandinė su SMT komponentais.RMS srovė, apskaičiuota pagal bangos formą 6d paveiksle, yra 25.6 mA. Kadangi jos nuoseklioji varža yra 4,9 Ω, numatomas galios nuostolis yra 3,2 mW. Tai yra 96 ​​% išmatuoto 3,4 mW nuolatinės srovės galios skirtumo. Be to, grandinė gaminama su spausdintomis induktyvumo ritėmis ir spausdintais rezistoriais bei spausdintomis induktoriais ir SMT rezistoriais, didelio efektyvumo skirtumo tarp jų nepastebima.
Tada įtampos reguliatorius pagamintas ant lanksčios PCB (schemos spausdinimas ir SMT komponento veikimas parodytas papildomame S1 paveiksle) ir prijungtas tarp lanksčios ličio jonų baterijos kaip maitinimo šaltinio ir OLED matricos kaip apkrova. Pasak Lochnerio ir kt. 9 Gaminant OLED, kiekvienas OLED pikselis sunaudoja 0,6 mA esant 5 V įtampai. Akumuliatoriuje kaip katodas ir anodas atitinkamai naudojamas ličio kobalto oksidas ir grafitas, o jis gaminamas naudojant daktaro ašmenų dangą, kuri yra labiausiai paplitęs akumuliatoriaus spausdinimo būdas.7 akumuliatoriaus talpa yra 16 mAh, o įtampa bandymo metu yra 4,0 V. 7 paveiksle parodyta lanksčios PCB grandinės nuotrauka, kuri maitina tris lygiagrečiai sujungtus OLED pikselius. Demonstracijoje buvo parodytas spausdintų maitinimo komponentų potencialas integruotis su kitais elementais. lankstūs ir organiniai prietaisai, kurie sudaro sudėtingesnes elektronines sistemas.
Įtampos reguliatoriaus grandinės nuotrauka ant lanksčios PCB naudojant spausdintus induktorius ir rezistorius, naudojant lanksčias ličio jonų baterijas trims organiniams šviesos diodams maitinti.
Ant lankstaus PET pagrindo ekrane atspausdintus induktorius, kondensatorius ir rezistorius parodėme įvairių reikšmių diapazone, siekdami pakeisti ant paviršiaus montuojamus komponentus galios elektroninėje įrangoje. Įrodėme, kad suprojektuodami didelio skersmens spiralę, užpildymo greitis , ir linijos pločio ir erdvės pločio santykį bei naudojant storą mažo atsparumo rašalo sluoksnį. Šie komponentai yra integruoti į visiškai atspausdintą ir lanksčią RLC grandinę ir pasižymi nuspėjamu elektriniu elgesiu kHz-MHz dažnių diapazone, kuris yra didžiausias susidomėjimas galios elektronika.
Tipiški spausdintų galios elektroninių prietaisų naudojimo atvejai yra nešiojamos arba į gaminį integruotos lanksčios elektroninės sistemos, maitinamos lanksčiomis įkraunamomis baterijomis (pvz., ličio jonų), kurios gali generuoti kintamą įtampą pagal įkrovimo būseną.Jei apkrova (įskaitant spausdinimą ir organinė elektroninė įranga) reikalinga pastovi įtampa arba didesnė nei akumuliatoriaus išėjimo įtampa, reikalingas įtampos reguliatorius. Dėl šios priežasties spausdinti induktoriai ir rezistoriai yra integruoti su tradiciniais silicio IC į stiprinimo reguliatorių, kad OLED būtų maitinamas pastovia įtampa. 5 V iš kintamos įtampos baterijos maitinimo šaltinio. Esant tam tikram apkrovos srovės ir įėjimo įtampos diapazonui, šios grandinės efektyvumas viršija 85 % valdymo grandinės, kurioje naudojami paviršiuje montuojami induktoriai ir rezistoriai, efektyvumo.Nepaisant medžiagų ir geometrinių optimizacijų, varžos nuostoliai induktoriuje vis dar yra ribojantis veiksnys grandinės veikimui esant dideliam srovės lygiui (įėjimo srovė didesnė nei apie 10 mA). Tačiau esant mažesnėms srovėms, induktoriaus nuostoliai sumažėja, o bendrą veikimą riboja efektyvumas. IC. Daugeliui spausdintinių ir organinių įrenginių reikia palyginti mažų srovių, pvz., demonstracijoje naudojamiems mažiems OLED, spausdintiniai galios induktoriai gali būti laikomi tinkamais tokiems tikslams. Naudojant IC, sukurtus didžiausio efektyvumo esant mažesniam srovės lygiui, galima pasiekti didesnį bendrą keitiklio efektyvumą.
Šiame darbe įtampos reguliatorius sukurtas naudojant tradicinę PCB, lanksčių PCB ir paviršinio montavimo komponentų litavimo technologiją, o spausdintas komponentas gaminamas ant atskiro pagrindo. Tačiau žemos temperatūros ir didelio klampumo dažai naudojami ekrano gamybai. spausdintos plėvelės turėtų leisti pasyviuosius komponentus, taip pat įrenginio ir paviršiaus montavimo komponentų kontaktinių kilimėlių tarpusavio ryšį spausdinti ant bet kokio pagrindo. Tai kartu su esamų žemos temperatūros laidžių klijų naudojimu paviršinio montavimo komponentams visa grandinė turi būti pastatyta ant nebrangių substratų (tokių kaip PET), nereikalaujant atimančių procesų, tokių kaip PCB ėsdinimas. Todėl šiame darbe sukurti šilkografiniai pasyvieji komponentai padeda sudaryti sąlygas lanksčioms elektroninėms sistemoms, kurios integruoja energiją ir apkrovas su didelio našumo galios elektronika, naudojant nebrangius substratus, daugiausia priedų procesus ir minimalų paviršinio montavimo komponentų skaičių.
Naudojant Asys ASP01M ekrano spausdintuvą ir nerūdijančio plieno ekraną, kurį pateikė Dynamesh Inc., visi pasyviųjų komponentų sluoksniai buvo atspausdinti ant lankstaus 76 μm storio PET pagrindo. Metalo sluoksnio tinklelio dydis yra 400 eilučių colyje ir 250 linijos colyje dielektriniam sluoksniui ir atsparumo sluoksniui. Naudokite 55 N valytuvo jėgą, 60 mm/s spausdinimo greitį, 1,5 mm lūžio atstumą ir 65 kietumo Serilor valytuvą (metalui ir varžiniam). sluoksnių) arba 75 (dielektriniams sluoksniams) šilkografijai.
Laidieji sluoksniai – induktyvumo ritės ir kondensatorių bei rezistorių kontaktai – atspausdinti DuPont 5082 arba DuPont 5064H sidabro mikrodribsnių rašalu. Rezistorius atspausdintas DuPont 7082 anglies laidininku. Kondensatoriaus dielektrikui laidus junginys dielektrium BT-10tanate1 yra naudojamas.Kiekvienas dielektriko sluoksnis gaminamas naudojant dviejų eigų (šlapio-šlapio) spausdinimo ciklą, siekiant pagerinti plėvelės vienodumą.Kiekvienam komponentui buvo ištirtas kelių spausdinimo ciklų poveikis komponento veikimui ir kintamumui.Pavyzdžiai, pagaminti naudojant kelios tos pačios medžiagos dangos buvo džiovinamos 70 °C temperatūroje 2 minutes tarp dengimų.Padengus paskutinį kiekvienos medžiagos sluoksnį, mėginiai buvo kepami 140 °C temperatūroje 10 minučių, kad būtų užtikrintas visiškas išdžiūvimas. Automatinė ekrano išlyginimo funkcija spausdintuvas naudojamas vėlesniems sluoksniams išlygiuoti.Kontaktas su induktoriaus centru pasiekiamas išpjaunant skylę centrinėje padėkloje ir trafaretinio spausdinimo pėdsakus pagrindo gale naudojant DuPont 5064H rašalą. Spausdinimo įrangos sujungimui taip pat naudojamas Dupont. 5064H trafaretinis spausdinimas. Kad atspausdinti komponentai ir SMT komponentai būtų rodomi lanksčioje PCB, parodyto 7 paveiksle, spausdinti komponentai sujungiami naudojant Circuit Works CW2400 laidžią epoksidą, o SMT komponentai sujungiami tradiciniu litavimu.
Kaip baterijos katodas ir anodas naudojami atitinkamai ličio kobalto oksidas (LCO) ir grafito elektrodai. Katodo suspensija yra 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafito (KS6, Timcal), 2,5 mišinys. % suodžių (Super P, Timcal) ir 10 % polivinilideno fluorido (PVDF, Kureha Corp.). ) Anodas yra 84 masės % grafito, 4 masės % suodžių ir 13 masės % PVDF mišinys. N-metil-2-pirolidonas (NMP, Sigma Aldrich) naudojamas PVDF rišikliui ištirpinti ir suspensijai išsklaidyti. Suspensija buvo homogenizuota naudojant Maišant sūkuriniu maišytuvu per naktį. 0,0005 colio storio nerūdijančio plieno folija ir 10 μm nikelio folija naudojama kaip katodo ir anodo srovės rinktuvai. Rašalas spausdinamas ant srovės kolektoriaus su valytuvu, kai spausdinimo greitis yra 20 mm/s.Elektrodą kaitinkite orkaitėje 80 °C temperatūroje 2 valandas, kad pašalintumėte tirpiklį. Elektrodo aukštis po džiovinimo yra apie 60 μm, o pagal aktyviosios medžiagos svorį teorinė talpa yra 1,65 mAh. /cm2.Elektrodai supjaustyti į 1,3 × 1,3 cm2 matmenis ir per naktį kaitinami vakuuminėje krosnyje 140°C temperatūroje, o po to uždaromi aliuminio laminato maišeliais azotu užpildytoje pirštinių dėžutėje.Polipropileno pagrindo plėvelės tirpalas su Kaip akumuliatoriaus elektrolitas naudojamas anodas ir katodas, o 1M LiPF6 EC/DEC (1:1).
Green OLED susideda iš poli(9,9-dioktilfluoren-ko-n-(4-butilfenil)-difenilamino) (TFB) ir poli((9,9-dioktilfluoreno-2,7-(2,1,3-benzotiadiazolo- 4,8-diil)) (F8BT) pagal Lochner ir kt. 9 aprašytą procedūrą.
Plėvelės storiui išmatuoti naudokite Dektak rašiklio profiliavimo priemonę. Plėvelė buvo nupjauta, kad būtų paruoštas skerspjūvio mėginys, skirtas tirti skenuojančia elektronine mikroskopija (SEM). FEI Quanta 3D lauko emisijos pistoletas (FEG) SEM naudojamas spausdintos medžiagos struktūrai apibūdinti. plėvelę ir patvirtinkite storio matavimą.SEM tyrimas buvo atliktas esant 20 keV greitintuvui ir įprastu 10 mm darbiniu atstumu.
Naudodami skaitmeninį multimetrą matuokite nuolatinės srovės varžą, įtampą ir srovę. Induktorių, kondensatorių ir grandinių kintamosios srovės varža matuojama naudojant Agilent E4980 LCR matuoklį, kai dažnis mažesnis nei 1 MHz, o tinklo analizatorius Agilent E5061A naudojamas didesniems nei 500 kHz dažniams matuoti. Tektronix TDS 5034 osciloskopas įtampos reguliatoriaus bangos formai matuoti.
Kaip pacituoti šį straipsnį: Ostfeld, AE ir kt. Šilkografijos pasyvūs komponentai lanksčios galios elektroninei įrangai.mokslas.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Lanksti elektronika: kita visur esanti platforma. Apdorokite IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Žmogaus intranetas: vieta, kur grupės susitinka su žmonėmis. Straipsnis paskelbtas 2015 m. Europos dizaino, automatizavimo ir bandymų konferencijoje ir parodoje Grenoblyje, Prancūzijoje. San Chosė, Kalifornija: EDA aljansas.637-640 (2015 m. kovo 9 d. 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstratorius anno domini 2011.Energetika aplinka.mokslas.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, kintamos srovės spausdinti pjezoelektriniai energijos surinkimo įrenginiai. Pažangios energijos medžiagos.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser spausdintas plokščios storos plėvelės termoelektrinės energijos generatorius.J. Mikromechanika Mikroinžinerija 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Lanksti didelio potencialo spausdinta baterija, naudojama spausdintiems elektroniniams įrenginiams maitinti.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Naujausi spausdintų lanksčių baterijų pasiekimai: mechaniniai iššūkiai, spausdinimo technologija ir ateities perspektyvos.Energijos technologija.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. ir kt.Didelio masto jutimo sistema, jungianti didelio ploto elektroninius prietaisus ir CMOS IC, skirtą struktūrinės būklės stebėjimui.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).