zprávy

Děkujeme, že jste navštívili Nature.Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu pro CSS.Abyste dosáhli nejlepších výsledků, doporučujeme použít novější verzi prohlížeče (nebo vypnout režim kompatibility v Internet Exploreru).Zároveň , abychom zajistili nepřetržitou podporu, budeme zobrazovat stránky bez stylů a JavaScriptu.
Aditiva a nízkoteplotní tiskové procesy mohou integrovat různá energeticky náročná a energeticky náročná elektronická zařízení na flexibilních substrátech za nízkou cenu. Výroba kompletních elektronických systémů z těchto zařízení však obvykle vyžaduje výkonová elektronická zařízení pro převod mezi různými provozními napětími Pasivní součástky – induktory, kondenzátory a rezistory – plní funkce, jako je filtrování, krátkodobé ukládání energie a měření napětí, které jsou zásadní ve výkonové elektronice a mnoha dalších aplikacích. V tomto článku představíme induktory, kondenzátory, rezistory a obvody RLC sítotiskem na flexibilní plastové substráty a zpráva o procesu návrhu, aby se minimalizoval sériový odpor induktorů, aby je bylo možné použít ve výkonových elektronických zařízeních. organických světelných diod a flexibilních lithium-iontových baterií. K napájení diod z baterie se používají regulátory napětí, které demonstrují potenciál tištěných pasivních součástek nahradit tradiční součástky pro povrchovou montáž v aplikacích DC-DC měničů.
V posledních letech byla vyvinuta aplikace různých flexibilních zařízení v nositelných a velkoplošných elektronických produktech a internetu věcí1,2. Patří mezi ně zařízení pro získávání energie, jako jsou fotovoltaické 3, piezoelektrické 4 a termoelektrické 5; zařízení pro ukládání energie, jako jsou baterie 6, 7; a zařízení spotřebovávající energii, jako jsou senzory 8, 9, 10, 11, 12 a světelné zdroje 13. Přestože byl učiněn velký pokrok v jednotlivých zdrojích energie a zátěžích, kombinování těchto součástí do kompletního elektronického systému obvykle vyžaduje výkonovou elektroniku, aby překonat jakýkoli nesoulad mezi chováním napájecího zdroje a požadavky na zátěž. Například baterie generuje proměnlivé napětí podle svého stavu nabití. Pokud zátěž vyžaduje konstantní napětí nebo vyšší než napětí, které může generovat baterie, je vyžadována výkonová elektronika .Výkonová elektronika používá aktivní součástky (tranzistory) k provádění spínacích a řídicích funkcí, stejně jako pasivní součástky (tlumivky, kondenzátory a rezistory).Například v obvodu spínacího regulátoru se induktor používá k ukládání energie během každého spínacího cyklu. , kondenzátor se používá ke snížení zvlnění napětí a měření napětí potřebné pro zpětnovazební řízení se provádí pomocí odporového děliče.
Výkonová elektronická zařízení, která jsou vhodná pro nositelná zařízení (jako je pulzní oxymetr 9), vyžadují několik voltů a několik miliampérů, obvykle pracují ve frekvenčním rozsahu stovek kHz až několik MHz a vyžadují indukčnost několik μH a několik μH a Kapacita μF je Tradičním způsobem výroby těchto obvodů je připájení diskrétních součástek k pevné desce s plošnými spoji (PCB). Přestože aktivní součástky výkonových elektronických obvodů jsou obvykle kombinovány do jediného křemíkového integrovaného obvodu (IC), pasivní součástky jsou obvykle externí, buď umožňuje vlastní obvody, nebo protože požadovaná indukčnost a kapacita jsou příliš velké na to, aby mohly být implementovány v křemíku.
Ve srovnání s tradiční výrobní technologií na bázi PCB má výroba elektronických zařízení a obvodů prostřednictvím procesu aditivního tisku mnoho výhod, pokud jde o jednoduchost a náklady. Za prvé, protože mnoho součástí obvodu vyžaduje stejné materiály, jako jsou kovy pro kontakty. a propojení, tisk umožňuje vyrábět více komponent současně, s relativně malým počtem zpracovatelských kroků a menším počtem zdrojů materiálů15. Použití aditivních procesů k nahrazení subtraktivních procesů, jako je fotolitografie a leptání, dále snižuje složitost procesu a plýtvání materiálem16, 17, 18 a 19. Kromě toho jsou nízké teploty používané při tisku kompatibilní s flexibilními a levnými plastovými substráty, což umožňuje použití vysokorychlostních výrobních procesů roll-to-roll k pokrytí elektronických zařízení 16, 20 na velkých plochách. Pro aplikace které nelze plně realizovat pomocí tištěných komponent, byly vyvinuty hybridní metody, ve kterých jsou komponenty technologie povrchové montáže (SMT) připojeny k flexibilním substrátům 21, 22, 23 vedle tištěných komponent při nízkých teplotách. V tomto hybridním přístupu je stále nutné nahradit co nejvíce SMT součástek tištěnými protějšky, abychom získali výhody dalších procesů a zvýšili celkovou flexibilitu obvodu. Abychom realizovali flexibilní výkonovou elektroniku, navrhli jsme kombinaci SMT aktivních součástek a sítotiskových pasiv součástek, se zvláštním důrazem na nahrazení objemných SMT induktorů planárními spirálovými induktory. Mezi různými technologiemi pro výrobu tištěné elektroniky je sítotisk zvláště vhodný pro pasivní součástky kvůli velké tloušťce filmu (která je nezbytná pro minimalizaci sériového odporu kovových prvků ) a vysokou rychlost tisku i při pokrytí oblastí na úrovni centimetrů Totéž občas platí.Materiál 24.
Ztráta pasivních součástek výkonového elektronického zařízení musí být minimalizována, protože účinnost obvodu přímo ovlivňuje množství energie potřebné k napájení systému. To je obzvláště náročné pro tištěné induktory složené z dlouhých cívek, které jsou proto náchylné na vysoké série Proto, ačkoli bylo vynaloženo určité úsilí na minimalizaci odporu 25, 26, 27, 28 tištěných cívek, stále existuje nedostatek vysoce účinných tištěných pasivních součástek pro výkonová elektronická zařízení. K dnešnímu dni mnoho hlásilo tištěné pasivní komponenty na flexibilních substrátech jsou navrženy tak, aby fungovaly v rezonančních obvodech pro radiofrekvenční identifikaci (RFID) nebo pro účely získávání energie 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Jiné se zaměřují na vývoj materiálů nebo výrobních procesů a ukazují generické komponenty 26, 32, 33, 34, které nejsou optimalizovány pro konkrétní aplikace. Naproti tomu výkonové elektronické obvody, jako jsou regulátory napětí, často používají větší součástky než typická tištěná pasivní zařízení a nevyžadují rezonanci, takže jsou vyžadovány různé konstrukce součástek.
Zde představujeme návrh a optimalizaci sítotiskových induktorů v rozsahu μH pro dosažení nejmenšího sériového odporu a vysokého výkonu na frekvencích souvisejících s výkonovou elektronikou. Vyrábí se sítotiskové induktory, kondenzátory a rezistory s různými hodnotami součástek na pružných plastových substrátech.Vhodnost těchto součástek pro flexibilní elektronické produkty byla poprvé demonstrována na jednoduchém RLC obvodu.Tištěný induktor a rezistor jsou poté integrovány s integrovaným obvodem a tvoří regulátor zesílení.A konečně organická dioda vyzařující světlo (OLED ) a vyrábí se flexibilní lithium-iontová baterie a k napájení OLED z baterie se používá regulátor napětí.
Abychom mohli navrhnout tištěné induktory pro výkonovou elektroniku, nejprve jsme předpověděli indukčnost a stejnosměrný odpor řady geometrií induktorů na základě aktuálního modelu listu navrženého v Mohan et al. 35 a vyrobené induktory různých geometrií pro potvrzení přesnosti modelu. V této práci byl pro induktor zvolen kruhový tvar, protože lze dosáhnout vyšší indukčnosti 36 s nižším odporem ve srovnání s polygonální geometrií. Vliv inkoustu je určen typ a počet tiskových cyklů na odpor. Tyto výsledky byly následně použity s modelem ampérmetru k návrhu tlumivek 4,7 μH a 7,8 μH optimalizovaných pro minimální stejnosměrný odpor.
Indukčnost a stejnosměrný odpor spirálových induktorů lze popsat několika parametry: vnější průměr do, šířka závitu w a rozteč s, počet závitů n a odpor vodičové desky Rsheet. Obrázek 1a ukazuje fotografii kruhového induktoru potištěného sítotiskem s n = 12, zobrazující geometrické parametry, které určují jeho indukčnost. Podle modelu ampérmetru Mohana et al. 35 je indukčnost vypočítána pro řadu geometrií induktoru, kde
(a) Fotografie sítotiskového induktoru s geometrickými parametry. Průměr je 3 cm. Indukčnost (b) a stejnosměrný odpor (c) různých geometrií induktoru. Čáry a značky odpovídají vypočteným a naměřeným hodnotám. (d,e) Stejnosměrné odpory induktorů L1 a L2 jsou potištěny sítotiskem stříbrnými inkousty Dupont 5028 a 5064H, v tomto pořadí. (f,g) SEM mikrofotografie filmů sítotiskem vytištěných Dupont 5028 a 5064H, v tomto pořadí.
Při vysokých frekvencích kožní efekt a parazitní kapacita změní odpor a indukčnost induktoru podle jeho stejnosměrné hodnoty. Předpokládá se, že induktor bude pracovat na dostatečně nízké frekvenci, aby tyto vlivy byly zanedbatelné, a zařízení se chová jako konstantní indukčnost s konstantním odporem v sérii. Proto jsme v této práci analyzovali vztah mezi geometrickými parametry, indukčností a stejnosměrným odporem a použili výsledky k získání dané indukčnosti s nejmenším stejnosměrným odporem.
Indukčnost a odpor jsou vypočteny pro řadu geometrických parametrů, které lze realizovat sítotiskem, a očekává se, že bude generována indukčnost v rozsahu μH. Vnější průměry 3 a 5 cm, šířky čar 500 a 1000 mikronů , a porovnávají se různé závity. Ve výpočtu se předpokládá, že plošný odpor je 47 mΩ/□, což odpovídá 7 μm silné vrstvě stříbrného mikrovločkového vodiče Dupont 5028 potištěné sítem 400 mesh a nastavením w = s. vypočítané hodnoty indukčnosti a odporu jsou znázorněny na obrázku 1b a c, v tomto pořadí. Model předpovídá, že jak indukčnost, tak odpor se zvyšují, jak se zvyšuje vnější průměr a počet závitů, nebo jak se zmenšuje šířka vedení.
Aby bylo možné vyhodnotit přesnost modelových předpovědí, byly vyrobeny induktory různých geometrií a indukčností na polyethylentereftalátovém (PET) substrátu. Naměřené hodnoty indukčnosti a odporu jsou znázorněny na obrázku 1b a c. I když odpor vykazoval určitou odchylku od očekávaná hodnota, hlavně kvůli změnám v tloušťce a rovnoměrnosti naneseného inkoustu, indukčnost vykazovala velmi dobrou shodu s modelem.
Tyto výsledky lze použít k návrhu induktoru s požadovanou indukčností a minimálním stejnosměrným odporem. Předpokládejme například, že je požadována indukčnost 2 μH. Obrázek 1b ukazuje, že tuto indukčnost lze realizovat s vnějším průměrem 3 cm, šířkou čáry 500 μm a 10 závitů. Stejnou indukčnost lze také vytvořit s použitím vnějšího průměru 5 cm, šířky čáry 500 μm a 5 závitů nebo šířky čáry 1000 μm a 7 závitů (jak je znázorněno na obrázku). Porovnání odporů těchto tří možné geometrie na obrázku 1c lze zjistit, že nejnižší odpor 5 cm induktoru s šířkou vedení 1000 μm je 34 Ω, což je asi o 40 % nižší než u ostatních dvou. Obecný postup návrhu pro dosažení dané indukčnosti s minimálním odporem je shrnuto následovně: Nejprve vyberte maximální přípustný vnější průměr podle prostorových omezení uložených aplikací. Poté by šířka čáry měla být co největší a přitom stále dosahovat požadované indukčnosti pro dosažení vysoké rychlosti plnění (rovnice (3)).
Zvětšením tloušťky nebo použitím materiálu s vyšší vodivostí ke snížení plošného odporu kovového filmu lze stejnosměrný odpor dále snížit bez ovlivnění indukčnosti. Dva induktory, jejichž geometrické parametry jsou uvedeny v tabulce 1, nazývané L1 a L2, jsou vyráběny s různým počtem povlaků pro vyhodnocení změny odporu. Se zvyšujícím se počtem povlaků inkoustu odpor úměrně klesá podle očekávání, jak je znázorněno na obrázcích 1d a e, což jsou induktory L1 a L2, v tomto pořadí.Obrázky 1d a e ukazují, že nanesením 6 vrstev nátěru lze odpor snížit až 6krát a k maximálnímu snížení odporu (50–65 %) dochází mezi vrstvou 1 a vrstvou 2. Vzhledem k tomu, že každá vrstva inkoustu je relativně tenká, Pro tisk těchto induktorů se používá rastr s relativně malou velikostí mřížky (400 řádků na palec), což nám umožňuje studovat vliv tloušťky vodiče na odpor. Dokud vlastnosti vzoru zůstanou větší než minimální rozlišení mřížky, podobné tloušťky (a odporu) lze dosáhnout rychleji tiskem menšího počtu povlaků s větší velikostí mřížky. Tuto metodu lze použít k dosažení stejného stejnosměrného odporu jako zde diskutovaný induktor se 6 povlaky, ale s vyšší produkční rychlostí.
Obrázky 1d a e také ukazují, že použitím vodivějšího stříbrného vločkového inkoustu DuPont 5064H se odpor sníží dvojnásobně. Z mikrosnímků SEM filmů potištěných dvěma inkousty (obrázek 1f, g) lze vidět, že nižší vodivost inkoustu 5028 je způsobena jeho menší velikostí částic a přítomností mnoha dutin mezi částicemi v tištěném filmu. Na druhou stranu má 5064H větší, těsněji uspořádané vločky, takže se chová blíže k objemu stříbro. Přestože je film vytvořený tímto inkoustem tenčí než inkoust 5028, s jedinou vrstvou 4 μm a 6 vrstvami 22 μm, je zvýšení vodivosti dostatečné ke snížení celkového odporu.
Konečně, ačkoli indukčnost (rovnice (1)) závisí na počtu závitů (w + s), odpor (rovnice (5)) závisí pouze na šířce čáry w. Proto zvýšením w vzhledem k s se odpor lze dále zmenšit. Dva další induktory L3 a L4 jsou navrženy tak, aby měly w = 2s a velký vnější průměr, jak je uvedeno v tabulce 1. Tyto induktory jsou vyráběny se 6 vrstvami povlaku DuPont 5064H, jak je uvedeno výše, aby zajistily nejvyšší výkon. Indukčnost L3 je 4,720 ± 0,002 μH a odpor je 4,9 ± 0,1 Ω, zatímco indukčnost L4 je 7,839 ± 0,005 μH a 6,9 ± 0,1 Ω, což je v dobré shodě s modelem.Due. zvýšení tloušťky, vodivosti a w/s, to znamená, že poměr L/R se oproti hodnotě na obrázku 1 zvýšil o více než řád.
Ačkoli je nízký stejnosměrný odpor slibný, vyhodnocení vhodnosti tlumivek pro výkonová elektronická zařízení pracující v rozsahu kHz-MHz vyžaduje charakterizaci při střídavých frekvencích. Obrázek 2a ukazuje frekvenční závislost odporu a reaktance L3 a L4. Pro frekvence pod 10 MHz , odpor zůstává zhruba konstantní na své stejnosměrné hodnotě, zatímco reaktance roste lineárně s frekvencí, což znamená, že indukčnost je konstantní, jak se očekává. Vlastní rezonanční frekvence je definována jako frekvence, při které se impedance mění z indukční na kapacitní, s L3 je 35,6 ± 0,3 MHz a L4 je 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvenční závislost faktoru kvality Q (rovný ωL/R) je znázorněna na obrázku 2b. L3 a L4 dosahují maximálních faktorů kvality 35 ± 1 a 33 ± 1 na frekvencích 11 a 16 MHz, v tomto pořadí. Indukčnost několika μH a relativně vysoké Q na frekvencích MHz umožňují těmto induktorům nahradit tradiční induktory pro povrchovou montáž v nízkoenergetických DC-DC měničích.
Naměřený odpor R a reaktance X (a) a činitel jakosti Q (b) induktorů L3 a L4 jsou vztaženy k frekvenci.
Aby se minimalizovala stopa potřebná pro danou kapacitu, je nejlepší použít technologii kondenzátoru s velkou specifickou kapacitou, která se rovná dielektrické konstantě ε dělené tloušťkou dielektrika. V této práci jsme zvolili kompozit titaničitan barnatý jako dielektrikum, protože má vyšší epsilon než jiná organická dielektrika zpracovaná v roztoku. Dielektrická vrstva je sítotiskem mezi dvěma stříbrnými vodiči vytvořena kov-dielektrikum-kovová struktura. Kondenzátory s různými velikostmi v centimetrech, jak je znázorněno na obrázku 3a , jsou vyráběny s použitím dvou nebo tří vrstev dielektrického inkoustu, aby byla zachována dobrá výtěžnost. Obrázek 3b ukazuje mikrosnímek SEM v řezu reprezentativního kondenzátoru vyrobeného ze dvou vrstev dielektrika s celkovou tloušťkou dielektrika 21 μm. Horní a spodní elektroda jsou jednovrstvé a šestivrstvé 5064H. Na snímku SEM jsou viditelné mikročástice titaničitanu barnatého, protože světlejší oblasti jsou obklopeny tmavším organickým pojivem. Dielektrický inkoust dobře smáčí spodní elektrodu a tvoří jasné rozhraní s potištěný kovový film, jak je znázorněno na obrázku s větším zvětšením.
(a) Fotografie kondenzátoru s pěti různými oblastmi. (b) Mikrofotografie průřezu SEM kondenzátoru se dvěma vrstvami dielektrika, zobrazující dielektrikum titaničitan barnatý a stříbrné elektrody. (c) Kapacity kondenzátorů se 2 a 3 titaničitany barnatými dielektrické vrstvy a různé oblasti, měřeno při 1 MHz.(d) Vztah mezi kapacitou, ESR a ztrátovým činitelem kondenzátoru 2,25 cm2 se 2 vrstvami dielektrických povlaků a frekvencí.
Kapacita je úměrná očekávané ploše. Jak je znázorněno na obrázku 3c, specifická kapacita dvouvrstvého dielektrika je 0,53 nF/cm2 a specifická kapacita třívrstvého dielektrika je 0,33 nF/cm2. Tyto hodnoty odpovídají dielektrické konstantě 13. kapacita a disipační faktor (DF) byly také měřeny při různých frekvencích, jak je znázorněno na obrázku 3d, pro kondenzátor 2,25 cm2 se dvěma vrstvami dielektrika. Zjistili jsme, že kapacita byla ve sledovaném frekvenčním rozsahu relativně plochá a zvýšila se o 20 %. od 1 do 10 MHz, zatímco ve stejném rozsahu se DF zvýšil z 0,013 na 0,023. Vzhledem k tomu, že ztrátový faktor je poměr ztráty energie k energii uložené v každém cyklu střídavého proudu, DF 0,02 znamená, že 2 % zpracovaného výkonu Tato ztráta se obvykle vyjadřuje jako frekvenčně závislý ekvivalentní sériový odpor (ESR) zapojený do série s kondenzátorem, který se rovná DF/ωC. Jak je znázorněno na obrázku 3d, pro frekvence větší než 1 MHz, ESR je nižší než 1,5 Ω a pro frekvence vyšší než 4 MHz je ESR nižší než 0,5 Ω. I když při použití této technologie kondenzátorů vyžadují kondenzátory třídy μF požadované pro DC-DC měniče velmi velkou plochu, ale 100 pF- Kapacitní rozsah nF a nízká ztráta těchto kondenzátorů je činí vhodnými pro jiné aplikace, jako jsou filtry a rezonanční obvody. Ke zvýšení kapacity lze použít různé metody. Vyšší dielektrická konstanta zvyšuje specifickou kapacitu 37; toho lze dosáhnout například zvýšením koncentrace částic titaničitanu barnatého v inkoustu. Lze použít menší tloušťku dielektrika, i když to vyžaduje spodní elektrodu s nižší drsností než má sítotisková stříbrná vločka. Tenčí kondenzátor s nižší drsností vrstvy mohou být nanášeny inkoustovým tiskem 31 nebo hlubotiskem 10, který může být kombinován s procesem sítotisku. Nakonec lze naskládat více střídajících se vrstev kovu a dielektrika na sebe a potisknout a spojit paralelně, čímž se zvýší kapacita 34 na jednotku plochy .
Dělič napětí složený z dvojice rezistorů se obvykle používá k provádění měření napětí potřebného pro zpětnovazební řízení regulátoru napětí. Pro tento typ aplikace by měl být odpor tištěného rezistoru v rozsahu kΩ-MΩ a rozdíl mezi zařízení je malé. Zde bylo zjištěno, že listový odpor jednovrstvého sítotiskového uhlíkového inkoustu byl 900 Ω/□. Tato informace se používá k návrhu dvou lineárních rezistorů (R1 a R2) a hadovitého rezistoru (R3 ) s nominálními odpory 10 kΩ, 100 kΩ a 1,5 MΩ. Odpor mezi nominálními hodnotami je dosažen tiskem dvou nebo tří vrstev inkoustu, jak je znázorněno na obrázku 4, a fotografií tří odporů. Udělejte 8- 12 vzorků od každého typu; ve všech případech je směrodatná odchylka odporu 10 % nebo méně. Změna odporu vzorků se dvěma nebo třemi vrstvami povlaku bývá o něco menší než u vzorků s jednou vrstvou povlaku. Malá změna naměřeného odporu a těsná shoda s nominální hodnotou ukazuje, že jiné odpory v tomto rozsahu lze přímo získat úpravou geometrie odporu.
Tři různé geometrie rezistorů s různým počtem povlaků uhlíkového odporového inkoustu. Fotografie tří rezistorů je zobrazena vpravo.
RLC obvody jsou klasickými učebnicovými příklady kombinací rezistorů, induktorů a kondenzátorů, které se používají k demonstraci a ověření chování pasivních součástek integrovaných do skutečných tištěných obvodů. Paralelně s nimi je zapojen rezistor 25 kΩ. Fotografie ohebného obvodu je na obrázku 5a. Důvodem pro volbu této speciální sériově-paralelní kombinace je to, že její chování je určeno každou ze tří různých frekvenčních složek, takže výkon každé součásti lze zvýraznit a vyhodnotit. S ohledem na sériový odpor 7 Ω induktoru a 1,3 Ω ESR kondenzátoru byla vypočtena očekávaná frekvenční odezva obvodu. Schéma zapojení je znázorněno na obrázku 5b a vypočtený amplituda impedance a fáze a naměřené hodnoty jsou znázorněny na obrázcích 5c a d. Při nízkých frekvencích vysoká impedance kondenzátoru znamená, že chování obvodu je určeno odporem 25 kΩ. Jak se frekvence zvyšuje, impedance dráha LC klesá; chování celého obvodu je kapacitní, dokud není rezonanční frekvence 2,0 MHz. Nad rezonanční frekvencí dominuje indukční impedance. Obrázek 5 jasně ukazuje vynikající shodu mezi vypočtenými a naměřenými hodnotami v celém frekvenčním rozsahu. To znamená, že použitý model zde (kde jsou induktory a kondenzátory ideálními součástmi se sériovým odporem) je přesná pro předpovídání chování obvodu na těchto frekvencích.
(a) Fotografie sítotiskového obvodu RLC, který používá sériovou kombinaci tlumivky 8 μH a kondenzátoru 0,8 nF paralelně s odporem 25 kΩ. (b) Model obvodu včetně sériového odporu tlumivky a kondenzátoru. (c ,d) Amplituda impedance (c) a fáze (d) obvodu.
Nakonec jsou v regulátoru zesílení implementovány tištěné induktory a rezistory. IC použitý v této ukázce je Microchip MCP1640B14, což je synchronní regulátor zesílení na bázi PWM s pracovní frekvencí 500 kHz. Schéma zapojení je znázorněno na obrázku 6a.A Jako prvky pro ukládání energie se používá tlumivka 4,7 μH a dva kondenzátory (4,7 μF a 10 μF) a dvojice odporů se používá k měření výstupního napětí zpětnovazebního řízení. Výběrem hodnoty odporu upravte výstupní napětí na 5 V. Obvod je vyroben na desce plošných spojů a jeho výkon je měřen v rámci zatěžovacího odporu a rozsahu vstupního napětí 3 až 4 V pro simulaci lithium-iontové baterie v různých stavech nabití. Účinnost tištěných induktorů a rezistorů je porovnávána s Kondenzátory SMT se používají ve všech případech, protože kapacita požadovaná pro tuto aplikaci je příliš velká na to, aby byla doplněna tištěnými kondenzátory.
(a) Schéma obvodu stabilizace napětí. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw, a (d) Průběhy proudu tekoucího do induktoru, vstupní napětí je 4,0 V, zatěžovací odpor je 1 kΩ, a tištěná tlumivka se používá k měření.K tomuto měření se používají rezistory a kondenzátory pro povrchovou montáž.(e) Pro různé odpory zátěže a vstupní napětí účinnost obvodů regulátorů napětí s použitím všech součástek pro povrchovou montáž a tištěných tlumivek a rezistorů.(f ) Poměr účinnosti povrchové montáže a plošného spoje zobrazený v (e).
Pro vstupní napětí 4,0 V a zátěžový odpor 1000 Ω jsou průběhy naměřené pomocí tištěných induktorů znázorněny na obrázku 6b-d. Obrázek 6c ukazuje napětí na svorce Vsw integrovaného obvodu; napětí induktoru je Vin-Vsw.Obrázek 6d ukazuje proud tekoucí do induktoru.Účinnost obvodu s SMT a tištěnými součástkami je znázorněna na obrázku 6e jako funkce vstupního napětí a odporu zátěže a obrázek 6f ukazuje poměr účinnosti tištěných součástek na součástky SMT.Účinnost měřená pomocí součástek SMT je podobná očekávané hodnotě uvedené v datovém listu výrobce 14.Při vysokém vstupním proudu (nízký zatěžovací odpor a nízké vstupní napětí) je účinnost tištěných tlumivek výrazně nižší než jako u induktorů SMT kvůli vyššímu sériovému odporu. S vyšším vstupním napětím a vyšším výstupním proudem však ztráta odporu ztrácí na významu a výkon tištěných induktorů se začíná blížit výkonu induktorů SMT. Pro odpory zátěže >500 Ω a Vin = 4,0 V nebo >750 Ω a Vin = 3,5 V, účinnost tištěných tlumivek je větší než 85 % tlumivek SMT.
Porovnání průběhu proudu na obrázku 6d s naměřenou ztrátou výkonu ukazuje, že ztráta odporu v induktoru je hlavní příčinou rozdílu v účinnosti mezi tištěným obvodem a obvodem SMT, jak se očekávalo. Vstupní a výstupní výkon měřený při 4,0 V vstupní napětí a zatěžovací odpor 1000 Ω jsou 30,4 mW a 25,8 mW pro obvody s SMT součástkami a 33,1 mW a 25,2 mW pro obvody s tištěnými součástkami. Ztráta tištěného spoje je tedy 7,9 mW, což je o 3,4 mW více než u obvodů s plošnými spoji. obvod se součástkami SMT. RMS induktorový proud vypočtený z průběhu na obrázku 6d je 25,6 mA. Protože jeho sériový odpor je 4,9 Ω, je očekávaná ztráta výkonu 3,2 mW. To je 96 % z naměřeného rozdílu stejnosměrného výkonu 3,4 mW. Kromě toho je obvod vyroben s tištěnými induktory a tištěnými odpory a tištěnými induktory a SMT odpory a není mezi nimi pozorován žádný významný rozdíl v účinnosti.
Poté je regulátor napětí vyroben na flexibilní desce plošných spojů (tisk obvodu a výkon komponent SMT jsou znázorněny na doplňkovém obrázku S1) a připojen mezi flexibilní lithium-iontovou baterii jako zdroj energie a pole OLED jako zátěž. Podle Lochnera a kol. 9 Při výrobě OLED spotřebovává každý pixel OLED 0,6 mA při 5 V. Baterie používá jako katodu a anodu oxid kobaltnatý lithný a jako anodu grafit a je vyrobena nanášením škrabek, což je nejběžnější způsob tisku na baterie.7 kapacita baterie je 16 mAh a napětí během testu je 4,0 V. Obrázek 7 ukazuje fotografii obvodu na ohebné desce plošných spojů, napájející tři OLED pixely zapojené paralelně. Ukázka demonstrovala potenciál tištěných výkonových komponentů pro integraci s jinými flexibilní a organická zařízení k vytvoření složitějších elektronických systémů.
Fotografie obvodu regulátoru napětí na flexibilní desce plošných spojů využívající tištěné induktory a odpory, využívající flexibilní lithium-iontové baterie k napájení tří organických LED.
Ukázali jsme sítotiskové tlumivky, kondenzátory a rezistory s řadou hodnot na flexibilních PET substrátech s cílem nahradit komponenty pro povrchovou montáž ve výkonových elektronických zařízeních. Ukázali jsme, že navržením spirály s velkým průměrem se rychlost plnění a poměr šířky čáry k šířce prostoru a pomocí silné vrstvy inkoustu s nízkým odporem. Tyto součásti jsou integrovány do plně tištěného a flexibilního obvodu RLC a vykazují předvídatelné elektrické chování ve frekvenčním rozsahu kHz-MHz, který je nejvyšší zájem o výkonovou elektroniku.
Typickými případy použití pro tištěná výkonová elektronická zařízení jsou nositelné nebo produktem integrované flexibilní elektronické systémy, napájené flexibilními dobíjecími bateriemi (jako jsou lithium-iontové), které mohou generovat proměnné napětí podle stavu nabití. Pokud zátěž (včetně tisku a organická elektronická zařízení) vyžaduje konstantní napětí nebo vyšší než výstupní napětí baterie, je vyžadován regulátor napětí. Z tohoto důvodu jsou tištěné induktory a rezistory integrovány s tradičními silikonovými integrovanými obvody do zesilovacího regulátoru, aby napájely OLED konstantním napětím. 5 V z bateriového zdroje s proměnným napětím. V určitém rozsahu zatěžovacího proudu a vstupního napětí přesahuje účinnost tohoto obvodu 85 % účinnosti řídicího obvodu využívajícího induktory a odpory pro povrchovou montáž. Navzdory materiálovým a geometrickým optimalizacím, odporové ztráty v induktoru jsou stále limitujícím faktorem pro výkon obvodu při vysokých úrovních proudu (vstupní proud větší než asi 10 mA). Nicméně při nižších proudech jsou ztráty v induktoru sníženy a celkový výkon je omezen účinností Vzhledem k tomu, že mnoho tištěných a organických zařízení vyžaduje relativně nízké proudy, jako jsou malé OLED použité v naší demonstraci, lze tištěné výkonové induktory považovat za vhodné pro takové aplikace. Použitím integrovaných obvodů navržených tak, aby měly nejvyšší účinnost při nižších úrovních proudu, lze dosáhnout vyšší celkové účinnosti měniče.
V této práci je regulátor napětí postaven na tradiční PCB, flexibilní PCB a technologii pájení součástek pro povrchovou montáž, zatímco tištěná součást je vyráběna na samostatném substrátu. Nízkoteplotní a vysokoviskózní inkousty používané k výrobě síto- potištěné fólie by měly umožňovat vytištění pasivních součástek a také propojení mezi zařízením a kontaktními podložkami součástek pro povrchovou montáž na jakýkoli substrát. To v kombinaci s použitím stávajících nízkoteplotních vodivých lepidel pro součásti pro povrchovou montáž umožní celý obvod bude postaven na levných substrátech (jako je PET) bez nutnosti subtraktivních procesů, jako je leptání PCB. Sítotiskové pasivní součástky vyvinuté v této práci proto pomáhají připravit cestu pro flexibilní elektronické systémy, které integrují energii a zátěže. s vysoce výkonnou výkonovou elektronikou, s použitím levných substrátů, hlavně aditivními procesy a minimálním počtem součástek pro povrchovou montáž.
Pomocí sítotisku Asys ASP01M a síta z nerezové oceli poskytnuté Dynamesh Inc. byly všechny vrstvy pasivních součástí sítotiskem na flexibilní PET substrát o tloušťce 76 μm. Velikost oka kovové vrstvy je 400 řádků na palec a 250 čáry na palec pro dielektrickou vrstvu a odporovou vrstvu. Použijte sílu stěrky 55 N, rychlost tisku 60 mm/s, vzdálenost lomu 1,5 mm a stěrku Serilor s tvrdostí 65 (na kov a odpor vrstvy) nebo 75 (pro dielektrické vrstvy) pro sítotisk.
Vodivé vrstvy – induktory a kontakty kondenzátorů a rezistorů – jsou potištěny stříbrným mikrovločkovým inkoustem DuPont 5082 nebo DuPont 5064H. Rezistor je potištěn uhlíkovým vodičem DuPont 7082. Pro dielektrikum kondenzátoru je vodivá sloučenina BT-101 dielektrikum titaničitan barnatý. se používá.Každá vrstva dielektrika se vyrábí pomocí dvouprůchodového (mokro-mokrého) tiskového cyklu, aby se zlepšila stejnoměrnost filmu.U každé součásti byl zkoumán vliv více tiskových cyklů na výkonnost a variabilitu součásti.Vzorky vyrobené s více vrstev stejného materiálu bylo mezi jednotlivými vrstvami sušeno při 70 °C po dobu 2 minut. Po nanesení poslední vrstvy každého materiálu byly vzorky vypáleny při 140 °C po dobu 10 minut, aby bylo zajištěno úplné vysušení. Funkce automatického zarovnání síta tiskárna se používá k zarovnání následujících vrstev. Kontaktu se středem induktoru je dosaženo vyříznutím průchozího otvoru ve středové podložce a šablonovým tiskem stop na zadní straně substrátu inkoustem DuPont 5064H. Propojení mezi tiskovým zařízením také využívá Dupont Tisk šablony 5064H. Aby bylo možné zobrazit tištěné součástky a součástky SMT na flexibilní desce plošných spojů znázorněné na obrázku 7, jsou tištěné součástky spojeny vodivou epoxidovou pryskyřicí Circuit Works CW2400 a součástky SMT jsou spojeny tradičním pájením.
Jako katoda a anoda baterie se používají elektrody na bázi oxidu lithného a kobaltnatého (LCO) a elektrody na bázi grafitu. Katodová kaše je směsí 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafitu (KS6, Timcal), 2,5 % sazí (Super P, Timcal) a 10 % polyvinylidenfluoridu (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoda je směsí 84 % hmotn. grafitu, 4 % hmotn. sazí a 13 % hmotn. míchání vírovým mixérem přes noc. Jako sběrače proudu pro katodu a anodu se používá 0,0005 palce silná fólie z nerezové oceli a 10 μm niklová fólie. Inkoust se tiskne na sběrač proudu pomocí stěrky při rychlosti tisku 20 mm/s. Elektrodu zahřívejte v peci na 80 °C po dobu 2 hodin, aby se odstranilo rozpouštědlo. Výška elektrody po vysušení je asi 60 μm a na základě hmotnosti aktivního materiálu je teoretická kapacita 1,65 mAh /cm2. Elektrody byly nařezány na rozměry 1,3 × 1,3 cm2 a zahřívány ve vakuové peci na 140 °C přes noc a poté byly utěsněny hliníkovými laminátovými sáčky v rukavicovém boxu naplněném dusíkem. Roztok polypropylenové základní fólie s anoda a katoda a jako elektrolyt baterie se používá 1M LiPF6 v EC/DEC (1:1).
Zelená OLED se skládá z poly(9,9-dioktylfluoren-co-n-(4-butylfenyl)-difenylaminu) (TFB) a poly((9,9-dioktylfluoren-2,7-(2,1,3-benzothiadiazol- 4,8-diyl)) (F8BT) podle postupu popsaného v Lochner et al.
K měření tloušťky filmu použijte profiler stylusu Dektak. Film byl nařezán, aby se připravil vzorek průřezu pro zkoumání skenovací elektronovou mikroskopií (SEM). FEI Quanta 3D pole emisní pistole (FEG) SEM se používá k charakterizaci struktury vytištěného materiálu. Studie SEM byla provedena při urychlovacím napětí 20 keV a typické pracovní vzdálenosti 10 mm.
K měření stejnosměrného odporu, napětí a proudu použijte digitální multimetr. Střídavá impedance tlumivek, kondenzátorů a obvodů se měří pomocí měřiče Agilent E4980 LCR pro frekvence pod 1 MHz a síťový analyzátor Agilent E5061A se používá pro měření frekvencí nad 500 kHz. Osciloskop Tektronix TDS 5034 pro měření tvaru vlny regulátoru napětí.
Jak citovat tento článek: Ostfeld, AE atd. Sítotiskové pasivní součástky pro elektronická zařízení s flexibilním napájením.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. a kol. Flexibilní elektronika: další všudypřítomná platforma. Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Místo, kde se skupiny setkávají s lidmi. Příspěvek zveřejněný na Evropské konferenci a výstavě o designu, automatizaci a testování v roce 2015, Grenoble, Francie. San Jose, Kalifornie: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. března – 13).
Krebs, FC atd.OE-A OPV demonstrátor anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC tištěná piezoelektrická zařízení pro získávání energie. Pokročilé energetické materiály.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generátor termoelektrické energie s plochým tlustým filmem potištěný dávkovačem.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Flexibilní vysokopotenciální tištěná baterie používaná k napájení tištěných elektronických zařízení. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Nejnovější vývoj v oblasti tištěných flexibilních baterií: mechanické výzvy, technologie tisku a vyhlídky do budoucna. Energetická technologie.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. atd. Rozsáhlý snímací systém, který kombinuje velkoplošná elektronická zařízení a integrované obvody CMOS pro monitorování strukturálního zdraví. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).