uutiset

Lisäaineet ja alhaisen lämpötilan tulostusprosessit voivat integroida erilaisia ​​virtaa ja tehoa kuluttavia elektronisia laitteita joustaville alustoille alhaisin kustannuksin. Kuitenkin kokonaisten elektronisten järjestelmien tuottaminen näistä laitteista vaatii yleensä tehoelektroniikkalaitteita, jotka muunnetaan eri käyttöjännitteiden välillä. laitteet.Passiiviset komponentit – induktorit, kondensaattorit ja vastukset – suorittavat toimintoja, kuten suodatuksen, lyhytaikaisen energian varastoinnin ja jännitteen mittauksen, jotka ovat tärkeitä tehoelektroniikassa ja monissa muissa sovelluksissa. Tässä artikkelissa esittelemme keloja, kondensaattoreita, vastukset ja RLC-piirit, jotka on painettu joustaville muovisubstraateille, ja raportoida suunnitteluprosessista induktorien sarjaresistanssin minimoimiseksi, jotta niitä voidaan käyttää tehoelektroniikkalaitteissa. Painettu kela ja vastus liitetään sitten tehostuksen säätimen piiriin. Valmistus orgaanisia valodiodeja ja joustavia litiumioniakkuja. Jännitteensäätimiä käytetään diodeille akusta, mikä osoittaa tulostettujen passiivisten komponenttien mahdollisuudet korvata perinteiset pinta-asennuskomponentit DC-DC-muunninsovelluksissa.
Viime vuosina on kehitetty erilaisten joustavien laitteiden soveltamista puettaviin ja laaja-alaisiin elektroniikkatuotteisiin sekä esineiden Internetiin1,2. Näitä ovat energiankeruulaitteet, kuten aurinkosähkö 3, pietsosähköinen 4 ja lämpösähkö 5; energian varastointilaitteet, kuten akut 6, 7; ja virtaa kuluttavat laitteet, kuten anturit 8, 9, 10, 11, 12 ja valonlähteet 13. Vaikka yksittäisissä energialähteissä ja kuormituksissa on edistytty paljon, näiden komponenttien yhdistäminen täydelliseksi elektroniikkajärjestelmäksi vaatii yleensä tehoelektroniikkaa poistaa mahdolliset erot virtalähteen käyttäytymisen ja kuormitusvaatimusten välillä.Esimerkiksi akku tuottaa vaihtelevan jännitteen varaustilansa mukaan.Jos kuorma vaatii vakiojännitteen tai korkeamman jännitteen kuin akku voi tuottaa, tarvitaan tehoelektroniikkaa .Tehoelektroniikassa käytetään aktiivisia komponentteja (transistoreja) kytkentä- ja ohjaustoimintojen suorittamiseen sekä passiivisia komponentteja (induktorit, kondensaattorit ja vastukset). Esimerkiksi kytkentäsäädinpiirissä induktoria käytetään energian varastoimiseen jokaisen kytkentäjakson aikana. , kondensaattoria käytetään vähentämään jännitteen aaltoilua ja takaisinkytkentäohjaukseen tarvittava jännitteen mittaus tehdään vastusjakajalla.
Kantaviin laitteisiin soveltuvat tehoelektroniikkalaitteet (kuten pulssioksimetri 9) vaativat useita voltteja ja useita milliampeeria, toimivat yleensä taajuusalueella satojen kHz - useiden MHz ja vaativat useita μH ja useita μH induktanssia ja kapasitanssi μF on 14. Perinteinen menetelmä näiden piirien valmistamiseksi on juottaa erillisiä komponentteja jäykkään piirilevyyn (PCB). Vaikka tehoelektroniikkapiirien aktiiviset komponentit yhdistetään yleensä yhdeksi piiintegroiduksi piiriksi (IC), passiiviset komponentit ovat yleensä ulkoinen, joko mahdollistaa mukautetut piirit tai koska vaadittu induktanssi ja kapasitanssi ovat liian suuria toteutettavaksi piissä.
Perinteiseen PCB-pohjaiseen valmistustekniikkaan verrattuna elektronisten laitteiden ja piirien valmistuksessa additiivinen painatusprosessilla on monia etuja yksinkertaisuuden ja kustannusten suhteen. Ensinnäkin, koska monet piirin komponentit vaativat samoja materiaaleja, kuten metallia koskettimissa. ja keskinäiset liitännät, painatus mahdollistaa useiden komponenttien valmistamisen samanaikaisesti suhteellisen harvoilla prosessointivaiheilla ja harvemmilla materiaalilähteillä15. Lisäysprosessien käyttö korvaamaan vähentäviä prosesseja, kuten fotolitografiaa ja syövytystä, vähentää entisestään prosessin monimutkaisuutta ja materiaalihukkaa16, 17, 18 ja 19. Lisäksi painatuksessa käytetyt alhaiset lämpötilat ovat yhteensopivia joustavien ja halpojen muovisten substraattien kanssa, mikä mahdollistaa nopeiden rullalta rullalle -valmistusprosessien käytön elektronisten laitteiden 16, 20 peittämiseksi suurilla alueilla. joita ei voida täysin toteuttaa painetuilla komponenteilla, on kehitetty hybridimenetelmiä, joissa pintaliitostekniikan (SMT) komponentit liitetään joustaviin substraatteihin 21, 22, 23 painettujen komponenttien viereen alhaisissa lämpötiloissa.Tässä hybridilähestymistavassa se on edelleen mahdollisimman monet SMT-komponentit on korvattava painetuilla vastineilla lisäprosessien edun saamiseksi ja piirin yleisen joustavuuden lisäämiseksi. Joustavan tehoelektroniikan toteuttamiseksi olemme ehdottaneet SMT-aktiivisten komponenttien ja silkkipainettujen passiivisten komponenttien yhdistelmää. komponentteja, painottaen erityisesti tilaa vievien SMT-induktorien korvaamista tasomaisilla spiraalikeloilla. Painetun elektroniikan valmistustekniikoista silkkipainatus sopii erityisen hyvin passiivikomponentteihin suuren kalvonpaksuutensa vuoksi (mikä on tarpeen metalliosien sarjaresistanssin minimoimiseksi). ) ja suuri tulostusnopeus, jopa senttimetrin tasoiset alueet. Sama pätee toisinaan.Materiaali 24.
Tehoelektroniikkalaitteiden passiivisten komponenttien häviö tulee minimoida, koska piirin hyötysuhde vaikuttaa suoraan järjestelmän tehon saamiseen tarvittavaan energian määrään. Tämä on erityisen haastavaa pitkistä keloista koostuville painetuille induktoreille, jotka ovat siksi alttiita suurille sarjoille. vastus.Siksi, vaikka painettujen kelojen resistanssin 25, 26, 27, 28 minimoimiseksi on yritetty minimoida, tehoelektroniikkalaitteisiin tarkoitettujen tehokkaiden painettujen passiivisten komponenttien puute on edelleen olemassa.Tähän mennessä monet ovat raportoineet painetuista passiivisista joustavilla substraateilla olevat komponentit on suunniteltu toimimaan resonanssipiireissä radiotaajuustunnistusta (RFID) tai energian keräämistä varten 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Muut keskittyvät materiaalien tai valmistusprosessien kehittämiseen ja esittelevät yleisiä komponentteja 26, 32, 33, 34, joita ei ole optimoitu tiettyihin sovelluksiin. Sitä vastoin tehoelektroniikkapiirit, kuten jännitteensäätimet, käyttävät usein suurempia komponentteja kuin tyypilliset painetut passiivilaitteet eivätkä vaadi resonanssia, joten tarvitaan erilaisia ​​komponenttimalleja.
Tässä esittelemme μH-alueen silkkipainettujen kelojen suunnittelun ja optimoinnin, jotta saavutetaan pienin sarjavastus ja korkea suorituskyky tehoelektroniikkaan liittyvillä taajuuksilla. Valmistetaan silkkipainettuja keloja, kondensaattoreita ja vastuksia eri komponenttiarvoilla. joustaville muovisubstraateille.Näiden komponenttien soveltuvuus joustaviin elektronisiin tuotteisiin osoitettiin ensin yksinkertaisella RLC-piirillä. Painettu induktori ja vastus integroidaan sitten IC:iin tehosteen säätimen muodostamiseksi. Lopuksi orgaaninen valodiodi (OLED) ) ja joustava litiumioniakku valmistetaan, ja jännitteensäädintä käytetään OLED-virran syöttämiseen akusta.
Suunnitellaksemme painettuja keloja tehoelektroniikkaan, ennustimme ensin induktanssin ja DC-resistanssin sarjalle induktorigeometrioita perustuen nykyiseen levymalliin, jota Mohan et al. 35, ja valmistetut eri geometriset kelat mallin tarkkuuden vahvistamiseksi.Tässä työssä kelalle valittiin pyöreä muoto, koska pienemmällä resistanssilla voidaan saavuttaa suurempi induktanssi 36 verrattuna monikulmaiseen geometriaan. Musteen vaikutus Resistanssin tulostusjaksojen tyyppi ja lukumäärä määritetään. Näitä tuloksia käytettiin sitten ampeerimittarimallin kanssa 4,7 μH:n ja 7,8 μH:n induktorien suunnitteluun, joka oli optimoitu vähimmäistasavirtaresistanssille.
Kierrekelojen induktanssia ja tasavirtaresistanssia voidaan kuvata useilla parametreilla: ulkohalkaisija do, kierron leveys w ja etäisyys s, kierrosten lukumäärä n ja johdinlevyn resistanssi Rsheet. Kuvassa 1a on kuva silkkipainetusta pyöreästä kelasta. jossa n = 12, esittäen geometriset parametrit, jotka määräävät sen induktanssin. Mohan et al. ampeerimittarimallin mukaan. Kuviossa 35 induktanssi lasketaan kelan geometrioiden sarjalle, jossa
(a) Valokuva silkkipainetusta kelasta, jossa näkyvät geometriset parametrit. Halkaisija on 3 cm. Eri induktorigeometrioiden induktanssi (b) ja tasavirtavastus (c). Viivat ja merkit vastaavat laskettuja ja mitattuja arvoja. (d,e) Induktorien L1 ja L2 tasavirtaresistanssit on painettu Dupont 5028 ja 5064H hopeamusteilla, vastaavasti. (f,g) SEM-mikrokuvat kalvoista, jotka on painettu Dupont 5028:lla ja 5064H:lla, vastaavasti.
Korkeilla taajuuksilla skin-ilmiö ja loiskapasitanssi muuttavat induktorin resistanssia ja induktanssia sen DC-arvon mukaan. Induktorin odotetaan toimivan riittävän alhaisella taajuudella, jotta nämä vaikutukset ovat merkityksettömiä ja laite käyttäytyy vakioinduktanssina. vakioresistanssilla sarjassa. Siksi tässä työssä analysoimme geometristen parametrien, induktanssin ja tasavirtaresistanssin välistä suhdetta ja käytimme tuloksia saadakseen tietyn induktanssin pienimmällä tasavirtaresistanssilla.
Induktanssi ja resistanssi lasketaan sarjalle geometrisia parametreja, jotka voidaan toteuttaa silkkipainamalla, ja induktanssin odotetaan muodostuvan alueella μH. Ulkohalkaisijat 3 ja 5 cm, viivan leveydet 500 ja 1000 mikronia , ja eri kierroksia verrataan. Laskennassa oletetaan, että arkin resistanssi on 47 mΩ/□, mikä vastaa 7 μm paksua Dupont 5028 hopeamikrohiutalejohdinkerrosta, joka on painettu 400 meshin seulalla ja asetuksella w = s. lasketut induktanssi- ja resistanssiarvot on esitetty kuvassa 1b ja c. Malli ennustaa, että sekä induktanssi että resistanssi kasvavat ulkohalkaisijan ja kierrosten määrän kasvaessa tai linjan leveyden pienentyessä.
Mallin ennusteiden tarkkuuden arvioimiseksi valmistettiin polyeteenitereftalaatti (PET) -substraatille erilaisia ​​geometrisia ja induktanssien induktoreita. Mitatut induktanssi- ja resistanssiarvot on esitetty kuvissa 1b ja c. Vaikka vastus poikkesi jonkin verran odotusarvo, pääasiassa kerrostuneen musteen paksuuden ja tasaisuuden muutoksista johtuen, induktanssi oli erittäin hyvä mallin mukainen.
Näiden tulosten avulla voidaan suunnitella kela, jolla on vaadittu induktanssi ja pienin tasavirtaresistanssi. Oletetaan esimerkiksi, että vaaditaan 2 μH:n induktanssi. Kuva 1b osoittaa, että tämä induktanssi voidaan toteuttaa ulkohalkaisijalla 3 cm, linjan leveydellä. 500 μm ja 10 kierrosta. Sama induktanssi voidaan tuottaa myös käyttämällä 5 cm ulkohalkaisijaa, 500 μm linjan leveyttä ja 5 kierrosta tai 1000 μm linjan leveyttä ja 7 kierrosta (kuten kuvassa). Vertaamalla näiden kolmen resistanssit Kuvan 1c mahdollisista geometrioista voidaan havaita, että 1000 μm linjan leveyden 5 cm induktorin pienin resistanssi on 34 Ω, mikä on noin 40 % pienempi kuin kaksi muuta. Yleinen suunnitteluprosessi tietyn induktanssin saavuttamiseksi pienimmällä resistanssilla on yhteenveto seuraavasti: Valitse ensin suurin sallittu ulkohalkaisija sovelluksen asettamien tilanrajoitusten mukaan. Sen jälkeen linjan leveyden tulee olla mahdollisimman suuri ja silti saavuttaa vaadittu induktanssi korkean täyttösuhteen saavuttamiseksi (yhtälö (3)).
Lisäämällä paksuutta tai käyttämällä korkeamman johtavuuden omaavaa materiaalia vähentämään metallikalvon levyresistanssia, tasavirtaresistanssia voidaan pienentää edelleen vaikuttamatta induktanssiin. Kaksi kelaa, joiden geometriset parametrit on annettu taulukossa 1, nimeltään L1 ja L2, valmistetaan eri pinnoitemäärillä resistanssin muutoksen arvioimiseksi.Kun mustepinnoitteiden määrä kasvaa, resistanssi pienenee odotetusti suhteessa, kuten on esitetty kuvissa 1d ja e, jotka ovat vastaavasti keloja L1 ja L2. Kuvat 1d ja e osoittavat, että levittämällä 6 kerrosta pinnoitetta vastusta voidaan vähentää jopa 6 kertaa, ja suurin vastuksen väheneminen (50-65 %) tapahtuu kerroksen 1 ja kerroksen 2 välillä. Koska jokainen mustekerros on suhteellisen ohut, Näiden induktorien tulostamiseen käytetään suhteellisen pientä ruudukkokokoa (400 riviä tuumaa kohti) omaavaa näyttöä, jonka avulla voimme tutkia johtimen paksuuden vaikutusta resistanssiin. Niin kauan kuin kuvion ominaisuudet ovat suurempia kuin ruudukon vähimmäisresoluutio, samanlainen paksuus (ja vastus) voidaan saavuttaa nopeammin tulostamalla pienempi määrä pinnoitteita suuremmalla ruudukkokoolla. Tällä menetelmällä voidaan saavuttaa sama tasavirtaresistanssi kuin tässä käsitellyllä 6-päällysteisellä kelalla, mutta suuremmalla tuotantonopeudella.
Kuvat 1d ja e osoittavat myös, että käyttämällä johtavampaa hopeahiutalemustetta DuPont 5064H, vastus pienenee kertoimella kaksi. Näillä kahdella musteella painettujen kalvojen SEM-mikrokuvista (kuva 1f, g) voidaan on nähty, että 5028-musteen pienempi johtavuus johtuu sen pienemmästä hiukkaskoosta ja monista onteloista painetun kalvon hiukkasten välillä. Toisaalta 5064H:ssa on suurempia, tiiviimmin järjestettyjä hiutaleita, mikä saa sen käyttäytymään lähempänä bulkkia. hopea.Vaikka tämän musteen tuottama kalvo on ohuempi kuin 5028-muste, jossa yksi kerros on 4 μm ja kuusi kerrosta 22 μm, johtavuuden kasvu riittää vähentämään kokonaisvastusta.
Lopuksi, vaikka induktanssi (yhtälö (1)) riippuu kierrosten lukumäärästä (w + s), resistanssi (yhtälö (5)) riippuu vain viivan leveydestä w. Siksi lisäämällä w suhteessa s:ään vastus Kaksi lisäkelaa L3 ja L4 on suunniteltu siten, että niillä on w = 2s ja suuri ulkohalkaisija, kuten taulukossa 1 näkyy. Nämä kelat on valmistettu 6 kerroksella DuPont 5064H -pinnoitetta, kuten aiemmin on esitetty, jotta saadaan aikaan korkein suorituskyky.L3:n induktanssi on 4,720 ± 0,002 μH ja resistanssi 4,9 ± 0,1 Ω, kun taas L4:n induktanssi on 7,839 ± 0,005 μH ja 6,9 ± 0,1 Ω, jotka ovat hyvin sopusoinnussa mallin ennusteen kanssa. paksuuden, johtavuuden ja w/s:n kasvu, tämä tarkoittaa, että L/R-suhde on kasvanut enemmän kuin suuruusluokkaa verrattuna kuvan 1 arvoon.
Vaikka alhainen tasavirtavastus on lupaavaa, induktorien soveltuvuuden arvioiminen kHz-MHz-alueella toimiviin tehoelektroniikkalaitteisiin vaatii karakterisointia AC-taajuuksilla. Kuvassa 2a on esitetty L3:n ja L4:n resistanssin ja reaktanssin taajuusriippuvuus. Alle 10 MHz:n taajuuksille , resistanssi pysyy suunnilleen vakiona DC-arvollaan, kun taas reaktanssi kasvaa lineaarisesti taajuuden mukaan, mikä tarkoittaa, että induktanssi on odotetusti vakio. Itseresonanssitaajuus määritellään taajuudeksi, jolla impedanssi muuttuu induktiivisesta kapasitiiviseen. L3 on 35,6 ± 0,3 MHz ja L4 on 24,3 ± 0,6 MHz. Laatutekijän Q taajuusriippuvuus (yhtä kuin ωL/R) on esitetty kuvassa 2b. L3 ja L4 saavuttavat maksimilaatukertoimet 35 ± 1 ja 33 ± 1 11 ja 16 MHz taajuuksilla. Muutaman μH:n induktanssi ja suhteellisen korkea Q MHz taajuuksilla tekevät näistä keloista riittäviä korvaamaan perinteiset pinta-asennettavat kelat pienitehoisissa DC-DC-muuntimissa.
Induktorien L3 ja L4 mitattu resistanssi R ja reaktanssi X (a) ja laatutekijä Q (b) liittyvät taajuuteen.
Tietyn kapasitanssin vaatiman jalanjäljen minimoimiseksi on parasta käyttää kondensaattoritekniikkaa suurella ominaiskapasitanssilla, joka on yhtä suuri kuin dielektrisyysvakio ε jaettuna eristeen paksuudella. Tässä työssä valitsimme bariumtitanaattikomposiitin dielektrisenä, koska sen epsilon on korkeampi kuin muilla liuoskäsitellyillä orgaanisilla dielektreillä. Dielektrinen kerros on silkkipainettu kahden hopeajohtimen väliin metalli-dielektri-metallirakenteen muodostamiseksi. Erikokoisia senttimetreinä olevia kondensaattoreita, kuten kuvassa 3a , valmistetaan käyttämällä kahta tai kolmea kerrosta dielektristä mustetta hyvän tuoton ylläpitämiseksi. Kuvassa 3b on poikkileikkaus SEM-mikrokuva edustavasta kondensaattorista, joka on valmistettu kahdesta eristekerroksesta ja jonka dielektrisen kokonaispaksuus on 21 μm. Ylä- ja alaelektrodit ovat yksikerroksisia ja kuusikerroksisia 5064H. Mikronikokoiset bariumtitanaattihiukkaset näkyvät SEM-kuvassa, koska kirkkaampia alueita ympäröi tummempi orgaaninen sideaine. Dielektrinen muste kostuttaa pohjaelektrodin hyvin ja muodostaa selkeän rajapinnan painettu metallikalvo, kuten kuvassa näkyy suuremmalla suurennuksella.
(a) Valokuva kondensaattorista, jossa on viisi eri aluetta.(b) Poikkileikkaus SEM-mikrokuva kondensaattorista, jossa on kaksi eristekerrosta, jossa näkyy bariumtitanaattidielektrinen ja hopeaelektrodi.(c) Kondensaattorien kapasitanssit, joissa on 2 ja 3 bariumtitanaattia dielektriset kerrokset ja eri alueet, mitattuna 1 MHz:llä.(d) Kapasitanssin, ESR:n ja häviökertoimen suhde 2,25 cm2:n kondensaattorissa, jossa on 2 kerrosta dielektristä pinnoitetta, ja taajuuden välinen suhde.
Kapasitanssi on verrannollinen odotettuun pinta-alaan. Kuten kuvasta 3c näkyy, kaksikerroksisen eristeen ominaiskapasitanssi on 0,53 nF/cm2 ja kolmikerroksisen eristeen ominaiskapasitanssi on 0,33 nF/cm2. Nämä arvot vastaavat dielektrisyysvakiota 13. kapasitanssi ja dissipaatiokerroin (DF) mitattiin myös eri taajuuksilla, kuten kuvassa 3d esitetään, 2,25 cm2:n kondensaattorille, jossa oli kaksi kerrosta eristettä. Havaitsimme, että kapasitanssi oli suhteellisen tasainen kiinnostavalla taajuusalueella ja kasvoi 20 %. 1:stä 10 MHz:iin samalla alueella, DF kasvoi 0,013:sta 0,023:een. Koska häviökerroin on energiahäviön suhde kussakin vaihtovirtajaksossa varastoituun energiaan, DF 0,02 tarkoittaa, että 2 % käsitellystä tehosta Tämä häviö ilmaistaan ​​yleensä taajuudesta riippuvaisena vastaavana sarjaresistanssina (ESR) sarjassa kondensaattorin kanssa, joka on yhtä suuri kuin DF/ωC. Kuten kuvasta 3d, yli 1 MHz:n taajuuksilla ESR on pienempi kuin 1,5 Ω ja yli 4 MHz:n taajuuksilla ESR on pienempi kuin 0,5 Ω. Vaikka tätä kondensaattoritekniikkaa käytettäessä, DC-DC-muuntimien tarvittavat μF-tason kondensaattorit vaativat erittäin suuren alueen, mutta 100 pF-nF Näiden kondensaattorien kapasitanssialue ja alhainen häviö tekevät niistä sopivia muihin sovelluksiin, kuten suodattimiin ja resonanssipiireihin. Kapasitanssia voidaan lisätä useilla eri menetelmillä. Suurempi dielektrisyysvakio lisää ominaiskapasitanssia 37; tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi lisäämällä musteen bariumtitanaattihiukkasten pitoisuutta.Voidaan käyttää pienempää dielektristä paksuutta, vaikka tämä vaatii pohjaelektrodin, jonka karheus on pienempi kuin silkkipainetun hopeahiutaleen. Ohuempi, karkeamman kondensaattorin kerroksia voidaan levittää mustesuihkupainatuksella 31 tai syväpainolla 10, joka voidaan yhdistää silkkipainoprosessiin. Lopuksi voidaan pinota ja tulostaa useita vuorottelevia metalli- ja dielektrikerroksia sekä yhdistää rinnakkain, mikä lisää kapasitanssia 34 pinta-alayksikköä kohti. .
Vastusparista koostuvaa jännitteenjakajaa käytetään yleensä jännitteen mittaamiseen, jota tarvitaan jännitteensäätimen takaisinkytkentäohjauksessa.Tällaisissa sovelluksissa painetun vastuksen resistanssin tulee olla alueella kΩ-MΩ, ja laitteet ovat pieniä.Tässä havaittiin, että yksikerroksisen silkkipainetun hiilimusteen arkkiresistanssi oli 900 Ω/□.Tätä tietoa käytetään kahden lineaarivastuksen (R1 ja R2) ja serpentiinivastuksen (R3) suunnittelussa. ) joiden nimellisvastukset ovat 10 kΩ, 100 kΩ ja 1,5 MΩ. Nimellisarvojen välinen resistanssi saadaan tulostamalla kaksi tai kolme mustetta, kuten kuvassa 4, ja valokuvat kolmesta resistanssista. Tee 8- 12 näytettä kustakin tyypistä; kaikissa tapauksissa resistanssin keskihajonta on 10 % tai vähemmän.Kahdella tai kolmella kerroksella päällystettyjen näytteiden vastuksen muutos on yleensä hieman pienempi kuin näytteiden, joissa on yksi kerros. ja läheinen yhteensopivuus nimellisarvon kanssa osoittaa, että muut tällä alueella olevat vastukset voidaan saada suoraan muuttamalla vastuksen geometriaa.
Kolme eri vastusgeometriaa eri määrällä hiiliresistiivisiä mustepinnoitteita. Kuva kolmesta vastuksesta näkyy oikealla.
RLC-piirit ovat klassisia oppikirjaesimerkkejä vastusten, kelojen ja kondensaattorien yhdistelmistä, joita käytetään osoittamaan ja tarkistamaan todellisiin painettuun piiriin integroitujen passiivisten komponenttien käyttäytyminen. Tässä piirissä 8 μH induktori ja 0,8 nF kondensaattori on kytketty sarjaan, ja 25 kΩ vastus on kytketty rinnan niiden kanssa. Kuva joustavasta piiristä on esitetty kuvassa 5a. Syynä tämän erityisen sarja-rinnakkaisyhdistelmän valintaan on se, että sen käyttäytyminen määräytyy kukin kolmesta eri taajuuskomponentista, joten Kunkin komponentin suorituskykyä voidaan korostaa ja arvioida. Ottaen huomioon induktorin 7 Ω sarjaresistanssin ja kondensaattorin 1,3 Ω ESR:n, laskettiin piirin odotettu taajuusvaste. Piirikaavio on esitetty kuvassa 5b, ja laskettu impedanssin amplitudi ja vaihe sekä mitatut arvot on esitetty kuvissa 5c ja d. Matalilla taajuuksilla kondensaattorin korkea impedanssi tarkoittaa, että piirin käyttäytyminen määräytyy 25 kΩ:n vastuksen avulla. Taajuuden kasvaessa impedanssi LC-polku pienenee; koko piirin käyttäytyminen on kapasitiivinen, kunnes resonanssitaajuus on 2,0 MHz. Resonanssitaajuuden yläpuolella hallitsee induktiivinen impedanssi. Kuvassa 5 näkyy selkeästi laskettujen ja mitattujen arvojen välinen erinomainen sopivuus koko taajuusalueella. Tämä tarkoittaa, että käytetty malli Tässä (jossa induktorit ja kondensaattorit ovat ihanteellisia komponentteja sarjaresistanssilla) on tarkka piirin käyttäytymisen ennustamiseksi näillä taajuuksilla.
(a) Valokuva silkkipainetusta RLC-piiristä, joka käyttää 8 μH induktorin ja 0,8 nF kondensaattorin sarjayhdistelmää rinnakkain 25 kΩ vastuksen kanssa.(b) Piirimalli, joka sisältää induktorin ja kondensaattorin sarjaresistanssin.(c) ,d) Piirin impedanssiamplitudi (c) ja vaihe (d).
Lopuksi painetut induktorit ja vastukset on toteutettu tehostuksen säätimessä. Tässä esittelyssä käytetty IC on Microchip MCP1640B14, joka on PWM-pohjainen synkroninen tehostuksen säädin, jonka toimintataajuus on 500 kHz. Piirikaavio on esitetty kuvassa 6a.A. Energiavarastoelementteinä käytetään 4,7 μH induktoria ja kahta kondensaattoria (4,7 μF ja 10 μF), ja vastusparilla mitataan takaisinkytkentäohjauksen lähtöjännite. Säädä lähtöjännite 5 V:iin valitsemalla vastusarvo. Piiri on valmistettu piirilevylle, ja sen suorituskykyä mitataan kuormitusvastuksen ja 3–4 V:n syöttöjännitealueen sisällä litiumioniakun simuloimiseksi eri lataustiloissa. Painettujen induktorien ja vastusten tehokkuutta verrataan SMT-induktorien ja vastusten tehokkuus.SMT-kondensaattoreita käytetään kaikissa tapauksissa, koska tähän sovellukseen vaadittava kapasitanssi on liian suuri painetuilla kondensaattoreilla täydennettäväksi.
(a) Jännitteen stabilointipiirin kaavio. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw ja (d) Induktoriin virtaavan virran aaltomuodot, tulojännite on 4,0 V, kuormitusvastus 1 kΩ, ja painettua kelaa käytetään mittaamiseen.Tässä mittauksessa käytetään pinta-asennettavia vastuksia ja kondensaattoreita.(e) Eri kuormitusvastuksilla ja tulojännitteillä jännitteensäädinpiirien tehokkuus, kun käytetään kaikkia pinta-asennettavia komponentteja ja painettuja keloja ja vastuksia.(f) ) Kohdassa (e) esitetty pinta-asennuksen ja painetun piirin hyötysuhde.
4,0 V:n tulojännitteellä ja 1000 Ω:n kuormitusresistanssilla painetuilla induktoreilla mitatut aaltomuodot on esitetty kuvioissa 6b-d. Kuva 6c esittää jännitteen IC:n Vsw-liitännässä; induktorin jännite on Vin-Vsw. Kuvassa 6d on esitetty kelaan virtaava virta. SMT:n ja painettujen komponenttien piirin hyötysuhde on esitetty kuvassa 6e tulojännitteen ja kuormitusvastuksen funktiona, ja kuvassa 6f on esitetty hyötysuhde. painetuista komponenteista SMT-komponentteihin.SMT-komponenteilla mitattu hyötysuhde on samanlainen kuin valmistajan tuoteselosteessa annettu odotusarvo. 14. Suurella tulovirralla (pieni kuormitusvastus ja pieni syöttöjännite) painettujen kelojen hyötysuhde on huomattavasti pienempi kuin SMT-induktorien, koska sarjaresistanssi on korkeampi. Suuremmalla tulojännitteellä ja suuremmalla lähtövirralla resistanssihäviö kuitenkin vähenee, ja painettujen kelojen suorituskyky alkaa lähestyä SMT-induktorien suorituskykyä.Kuormitusvastuksille >500 Ω ja Vin = 4,0 V tai >750 Ω ja Vin = 3,5 V, painettujen kelojen hyötysuhde on suurempi kuin 85 % SMT-induktoreista.
Kuvan 6d virran aaltomuodon vertaaminen mitattuun tehohäviöön osoittaa, että induktorin resistanssihäviö on odotetusti suurin syy painetun piirin ja SMT-piirin tehokkuuseroon. Tulo- ja lähtöteho mitattuna 4,0 V:lla tulojännite ja 1000 Ω kuormitusvastus ovat 30,4 mW ja 25,8 mW piireissä, joissa on SMT-komponentteja, ja 33,1 mW ja 25,2 mW piireissä, joissa on painettuja komponentteja. Siksi painetun piirin häviö on 7,9 mW, mikä on 3,4 mW suurempi kuin piiri SMT-komponenteilla. Kuvan 6d aaltomuodosta laskettu induktorin RMS-virta on 25,6 mA. Koska sen sarjaresistanssi on 4,9 Ω, odotettu tehohäviö on 3,2 mW. Tämä on 96 % mitatusta 3,4 mW:n tasavirtatehoerosta. Lisäksi piiri on valmistettu painetuilla induktoreilla ja painetuilla vastuksilla sekä painetuilla induktoreilla ja SMT-vastuksilla, ja niiden välillä ei havaita merkittävää tehokkuuseroa.
Sitten jännitteensäädin valmistetaan joustavalle piirilevylle (piirin tulostus ja SMT-komponenttien suorituskyky on esitetty lisäkuvassa S1) ja liitetään joustavan litiumioniakun virtalähteenä ja OLED-ryhmän väliin kuormana. Lochner et al. 9 OLED:ien valmistuksessa jokainen OLED-pikseli kuluttaa 0,6 mA jännitteellä 5 V. Akussa käytetään litiumkobolttioksidia katodina ja grafiittia anodina, ja se on valmistettu kaavinteräpinnoitteella, joka on yleisin akkutulostusmenetelmä.7 akun kapasiteetti on 16 mAh ja jännite testin aikana on 4,0 V. Kuvassa 7 on valokuva joustavan piirilevyn piiristä, joka antaa virtaa kolmelle rinnakkain kytketylle OLED-pikselille. Demonstraatio osoitti tulostettujen tehokomponenttien mahdollisuudet integroida muihin komponentteihin. joustavat ja orgaaniset laitteet monimutkaisempien elektronisten järjestelmien muodostamiseksi.
Kuva jännitteensäädinpiiristä joustavalla piirilevyllä, jossa käytetään painettuja keloja ja vastuksia, joissa käytetään joustavia litiumioniakkuja kolmen orgaanisen LEDin virtalähteenä.
Olemme näyttäneet joustaville PET-substraateille silkkipainettuja induktoreita, kondensaattoreita ja vastuksia eri arvoilla tavoitteena korvata pinta-asennuskomponentteja tehoelektroniikkalaitteissa. Olemme osoittaneet, että suunnittelemalla spiraalin, jolla on suuri halkaisija, täyttöaste , ja viivan leveyden ja tilan leveyden suhdetta sekä käyttämällä paksua matalaresistanssista mustetta. Nämä komponentit on integroitu täysin painettuun ja joustavaan RLC-piiriin, ja niillä on ennustettava sähköinen käyttäytyminen kHz-MHz taajuusalueella, joka on suurin. kiinnostusta tehoelektroniikkaan.
Painettujen tehoelektroniikkalaitteiden tyypillisiä käyttötapauksia ovat puettavat tai tuotteisiin integroidut joustavat elektroniikkajärjestelmät, jotka saavat virtansa joustavista ladattavista akuista (kuten litiumioniakuista), jotka voivat tuottaa vaihtelevia jännitteitä lataustilan mukaan.Jos kuorma (mukaan lukien tulostus ja orgaaniset elektroniset laitteet) vaativat vakiojännitteen tai korkeamman kuin akun tuottama jännite, tarvitaan jännitesäädin. Tästä syystä painetut induktorit ja vastukset on integroitu perinteisiin pii-IC:iin tehosteen säätimeksi, joka antaa OLEDin virtaa vakiojännitteellä. 5 V jännite muuttuvajänniteakkuvirtalähteestä. Tietyllä kuormitusvirran ja syöttöjännitteen alueella tämän piirin hyötysuhde ylittää 85 % pinta-asennettavia keloja ja vastuksia käyttävän ohjauspiirin tehokkuudesta. Materiaali- ja geometrisista optimoinneista huolimatta, induktorin resistiiviset häviöt ovat edelleen rajoittava tekijä piirin suorituskyvylle korkeilla virtatasoilla (tulovirta suurempi kuin noin 10 mA). Pienemmillä virroilla kelan häviöt kuitenkin pienenevät ja tehokkuus rajoittaa yleistä suorituskykyä. Koska monet painetut ja orgaaniset laitteet vaativat suhteellisen alhaisia ​​virtoja, kuten esittelyssämme käytetyt pienet OLEDit, painettuja tehoinduktoreja voidaan pitää sopivina tällaisiin sovelluksiin.Käytettäessä IC:itä, jotka on suunniteltu toimimaan mahdollisimman tehokkaasti alhaisemmilla virtatasoilla, voidaan saavuttaa korkeampi muuntimen kokonaishyötysuhde.
Tässä työssä jännitteensäädin on rakennettu perinteiselle piirilevy-, joustava piirilevy- ja pintaliitoskomponenttien juotosteknologialle, kun taas painettu komponentti valmistetaan erilliselle substraatille. Alhaisen lämpötilan ja korkean viskositeetin musteet valmistetaan kuitenkin seula- painettujen kalvojen tulee mahdollistaa passiivisten komponenttien sekä laitteen ja pinta-asennuskomponenttien kosketuslevyjen välisten liitäntöjen painaminen mille tahansa alustalle. Tämä yhdessä olemassa olevien matalan lämpötilan johtavien liimojen kanssa pinta-asennuskomponenteille mahdollistaa koko piiri rakennetaan edullisille alustoille (kuten PET) ilman vähennysprosesseja, kuten PCB-etsausta. Siksi tässä työssä kehitetyt silkkipainetut passiivikomponentit auttavat tasoittamaan tietä joustaville elektronisille järjestelmille, jotka yhdistävät energiaa ja kuormia korkean suorituskyvyn tehoelektroniikkaa käyttäen halpoja substraatteja, pääasiassa lisäaineita ja minimaalista pinta-asennuskomponenttien lukumäärää.
Käyttämällä Asys ASP01M -seulatulostinta ja Dynamesh Inc:n toimittamaa ruostumattomasta teräksestä valmistettua seulaa kaikki passiivisten komponenttien kerrokset seulapainattiin joustavalle PET-substraatille, jonka paksuus oli 76 μm. Metallikerroksen silmäkoko on 400 riviä tuumaa kohti ja 250 riviä tuumaa kohti dielektriselle kerrokselle ja vastuskerrokselle. Käytä 55 N:n vetolastan voimaa, 60 mm/s tulostusnopeutta, 1,5 mm:n murtoetäisyyttä ja Serilor-vetolastaa, jonka kovuus on 65 (metallille ja resistiiviselle). kerrokset) tai 75 (dielektrisille kerroksille) silkkipainatusta varten.
Johtavat kerrokset – induktorit sekä kondensaattoreiden ja vastusten koskettimet – on painettu DuPont 5082- tai DuPont 5064H hopeamikrohiutalemusteella. Vastus on painettu DuPont 7082 -hiilijohtimella. Kondensaattorin dielektrisenä johtavana yhdisteenä bariumctitrictanate1. käytetään.Jokainen eristekerros valmistetaan käyttämällä kaksivaiheista (märkä-märkä) -painosykliä kalvon tasaisuuden parantamiseksi. Jokaisen komponentin osalta tutkittiin useiden tulostusjaksojen vaikutusta komponenttien suorituskykyyn ja vaihteluun. Saman materiaalin useita päällysteitä kuivattiin 70 °C:ssa 2 minuutin ajan pinnoitusten välillä. Kunkin materiaalin viimeisen kerroksen levittämisen jälkeen näytteitä paistettiin 140 °C:ssa 10 minuuttia täydellisen kuivumisen varmistamiseksi. Näytön automaattinen kohdistustoiminto tulostinta käytetään seuraavien kerrosten kohdistamiseen.Kosketus kelan keskustaan ​​saadaan leikkaamalla läpireikä keskityynyyn ja stensiilipainatusjäljet ​​substraatin takaosaan DuPont 5064H -musteella. Myös tulostuslaitteiden välinen liitäntä käyttää Dupontia. 5064H stensiilitulostus. Painettujen komponenttien ja SMT-komponenttien näyttämiseksi kuvan 7 mukaisella joustavalla piirilevyllä painetut komponentit liitetään Circuit Works CW2400 johtavalla epoksilla ja SMT-komponentit on yhdistetty perinteisellä juottamalla.
Akun katodina ja anodina käytetään litiumkobolttioksidia (LCO) ja grafiittipohjaisia ​​elektrodeja. Katodiliete on seos, jossa on 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafiittia (KS6, Timcal), 2,5 % hiilimustaa (Super P, Timcal) ja 10 % polyvinylideenifluoridia (PVDF, Kureha Corp.). ) Anodi on seos, jossa on 84 painoprosenttia grafiittia, 4 painoprosenttia hiilimustaa ja 13 painoprosenttia PVDF:tä. N-metyyli-2-pyrrolidonia (NMP, Sigma Aldrich) käytetään PVDF-sideaineen liuottamiseen ja lietteen dispergoimiseen. Liete homogenoitiin sekoitetaan pyörresekoittimella yön yli. 0,0005 tuuman paksuista ruostumatonta terästä olevaa kalvoa ja 10 μm nikkelikalvoa käytetään virrankeräilijöinä katodille ja anodille. Muste painetaan virrankerääjälle vetolastalla tulostusnopeudella 20 mm/s.Luottimen poistamiseksi lämmitä elektrodia uunissa 80 °C:ssa 2 tuntia. Elektrodin korkeus kuivauksen jälkeen on noin 60 μm ja aktiivisen materiaalin painon perusteella teoreettinen kapasiteetti on 1,65 mAh /cm2. Elektrodit leikattiin 1,3 × 1,3 cm2:n kokoisiksi ja kuumennettiin tyhjiöuunissa 140°C:ssa yön yli, minkä jälkeen ne suljettiin alumiinilaminaattipussilla typellä täytettyyn hansikaslokeroon. Polypropeenipohjakalvon liuos anodia ja katodia sekä 1M LiPF6:ta EC/DEC:ssä (1:1) käytetään akun elektrolyyttinä.
Vihreä OLED koostuu poly(9,9-dioktyylifluoreeni-ko-n-(4-butyylifenyyli)-difenyyliamiinista) (TFB) ja poly((9,9-dioktyylifluoreeni-2,7-(2,1,3-bentsotiadiatsoli- 4,8-diyyli)) (F8BT) julkaisussa Lochner et ai. 9 esitetyn menetelmän mukaisesti.
Käytä Dektak-kynäprofileria kalvon paksuuden mittaamiseen. Kalvo leikattiin poikkileikkausnäytteen valmistamiseksi pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) tutkittavaksi. FEI Quanta 3D -kenttäemissiopistoolia (FEG) SEM käytetään painetun rakenteen karakterisoimiseen. SEM-tutkimus suoritettiin 20 keV:n kiihdytysjännitteellä ja tyypillisellä 10 mm:n työetäisyydellä.
Käytä digitaalista yleismittaria DC-resistanssin, -jännitteen ja -virran mittaamiseen. Induktorien, kondensaattorien ja piirien vaihtovirtaimpedanssi mitataan Agilent E4980 LCR -mittarilla alle 1 MHz:n taajuuksille ja Agilent E5061A -verkkoanalysaattoria käytetään yli 500 kHz:n taajuuksien mittaamiseen. Tektronix TDS 5034 oskilloskooppi jännitesäätimen aaltomuodon mittaamiseen.
Kuinka lainata tätä artikkelia: Ostfeld, AE jne. Silkkipainatuksen passiiviset komponentit joustaviin tehoelektroniikkalaitteisiin.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Joustava elektroniikka: seuraava kaikkialla läsnä oleva alusta. Prosessi IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Paikka, jossa ryhmät kohtaavat ihmisiä. Paperi julkaistu 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, Ranska. San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. maaliskuuta- 13).
Krebs, FC jne.OE-A OPV demonstraattori anno domini 2011.Energy Environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC painetut pietsosähköiset energiankeruulaitteet. Kehittyneet energiamateriaalit.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-painettu litteä paksukalvo lämpösähköinen energiageneraattori.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Joustava suuritehoinen painettu akku, jota käytetään painettujen elektronisten laitteiden virtalähteenä.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Painettujen joustavien paristojen viimeisin kehitys: mekaaniset haasteet, tulostustekniikka ja tulevaisuuden näkymät. Energiatekniikka.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. jne. Laajamittainen anturijärjestelmä, jossa yhdistyvät suuren alueen elektroniset laitteet ja CMOS-IC:t rakenteellisen terveydentilan seurantaan. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).