навіны

Дзякуй за наведванне Nature. Версія браўзера, якую вы выкарыстоўваеце, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для лепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць больш новую версію браўзера (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). У той жа час , каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы будзем паказваць сайты без стыляў і JavaScript.
Дабаўкі і нізкатэмпературныя працэсы друку могуць інтэграваць розныя энергаёмістыя і энергаспажывальныя электронныя прылады на гнуткіх падкладках па нізкай цане. Аднак вытворчасць поўных электронных сістэм з гэтых прылад звычайна патрабуе сілавых электронных прылад для пераўтварэння паміж рознымі працоўнымі напружаннямі прылады. Пасіўныя кампаненты — шпулькі індуктыўнасці, кандэнсатары і рэзістары — выконваюць такія функцыі, як фільтраванне, кароткачасовае назапашванне энергіі і вымярэнне напружання, якія важныя ў сілавой электроніцы і многіх іншых прылажэннях. У гэтым артыкуле мы прадстаўляем шпулькі індуктыўнасці, кандэнсатары, рэзістары і схемы RLC, нанесеныя трафарэтным друкам на гнуткіх пластыкавых падкладках, і паведамляюць аб працэсе праектавання, каб мінімізаваць паслядоўнае супраціўленне шпулек індуктыўнасці, каб іх можна было выкарыстоўваць у сілавых электронных прыладах. Затым друкаваныя індуктыўнасць і рэзістар уключаюцца ў схему рэгулятара павышэння. арганічных святлодыёдаў і гнуткіх літый-іённых батарэй. Рэгулятары напружання выкарыстоўваюцца для харчавання дыёдаў ад батарэі, дэманструючы патэнцыял друкаваных пасіўных кампанентаў для замены традыцыйных кампанентаў для павярхоўнага мантажу ў праграмах пераўтваральнікаў пастаяннага току ў пастаянны.
У апошнія гады было распрацавана прымяненне розных гнуткіх прылад у носных і вялікіх электронных прадуктах і ў Інтэрнеце рэчаў1,2. Да іх адносяцца прылады збору энергіі, такія як фотаэлектрычныя 3, п'езаэлектрычныя 4 і тэрмаэлектрычныя 5; назапашвальнікі энергіі, такія як акумулятары 6, 7; і прылады, якія спажываюць энергію, такія як датчыкі 8, 9, 10, 11, 12 і крыніцы святла 13. Хоць вялікі прагрэс быў дасягнуты ў асобных крыніцах энергіі і нагрузках, аб'яднанне гэтых кампанентаў у поўную электронную сістэму звычайна патрабуе сілавы электронікі для пераадолець любое неадпаведнасць паміж паводзінамі крыніцы харчавання і патрабаваннямі да нагрузкі. Напрыклад, акумулятар стварае зменнае напружанне ў адпаведнасці са сваім станам зарада. Калі нагрузка патрабуе пастаяннага напружання або вышэйшага за напружанне, якое можа генераваць акумулятар, патрабуецца сілавая электроніка .Сілавая электроніка выкарыстоўвае актыўныя кампаненты (транзістары) для выканання функцый пераключэння і кіравання, а таксама пасіўныя кампаненты (індуктары, кандэнсатары і рэзістары). Напрыклад, у ланцугу пераключальнага рэгулятара індуктыўнасць выкарыстоўваецца для назапашвання энергіі падчас кожнага цыклу пераключэння. , кандэнсатар выкарыстоўваецца для памяншэння пульсацый напружання, а вымярэнне напружання, неабходнае для кіравання зваротнай сувяззю, ажыццяўляецца з дапамогай рэзістара-дзельніка.
Сілавыя электронныя прылады, прыдатныя для носных прылад (напрыклад, пульсоксиметр 9), патрабуюць некалькіх вольт і некалькіх міліампер, звычайна працуюць у дыяпазоне частот ад сотняў кГц да некалькіх МГц і патрабуюць некалькіх мкГн і некалькіх мкГн індуктыўнасці і ёмістасці мкФ. 14 адпаведна. Традыцыйны метад вырабу гэтых схем заключаецца ў прыліванні дыскрэтных кампанентаў да цвёрдай друкаванай платы (PCB). Хаця актыўныя кампаненты сілавых электронных схем звычайна аб'ядноўваюцца ў адну крэмніевую інтэгральную схему (IC), пасіўныя кампаненты звычайна знешнія, альбо з выкарыстаннем спецыяльных схем, альбо з-за таго, што неабходныя індуктыўнасць і ёмістасць занадта вялікія, каб іх можна было рэалізаваць у крэмніі.
У параўнанні з традыцыйнай тэхналогіяй вытворчасці на аснове друкаваных плат, вытворчасць электронных прылад і схем з дапамогай працэсу адытыўнага друку мае шмат пераваг з пункту гледжання прастаты і кошту. Па-першае, паколькі многія кампаненты схемы патрабуюць аднолькавых матэрыялаў, такіх як металы для кантактаў і ўзаемасувязі, друк дазваляе вырабляць некалькі кампанентаў адначасова з адносна невялікай колькасцю этапаў апрацоўкі і меншай колькасцю крыніц матэрыялаў15. Выкарыстанне адытыўных працэсаў для замены субтрактыўных працэсаў, такіх як фоталітаграфія і тручэнне, яшчэ больш зніжае складанасць працэсу і адходы матэрыялу16, 17, 18 і 19. Акрамя таго, нізкія тэмпературы, якія выкарыстоўваюцца ў друку, сумяшчальныя з гнуткімі і недарагімі пластыкавымі падкладкамі, што дазваляе выкарыстоўваць высакахуткасныя вытворчыя працэсы ад рулона да рулона для пакрыцця электронных прылад 16, 20 на вялікіх плошчах. Для прымянення якія не могуць быць цалкам рэалізаваны з друкаванымі кампанентамі, былі распрацаваны гібрыдныя метады, у якіх кампаненты тэхналогіі павярхоўнага мантажу (SMT) злучаюцца з гнуткімі падкладкамі 21, 22, 23 побач з друкаванымі кампанентамі пры нізкіх тэмпературах. У гэтым гібрыдным падыходзе ён па-ранейшаму неабходна замяніць як мага больш кампанентаў SMT на друкаваныя аналагі, каб атрымаць перавагі дадатковых працэсаў і павялічыць агульную гнуткасць схемы. Для таго, каб рэалізаваць гнуткую сілавую электроніку, мы прапанавалі спалучэнне актыўных кампанентаў SMT і пасіўных з трафарэтным друкам кампанентаў, з асаблівым акцэнтам на замену грувасткіх індуктараў SMT на плоскія спіральныя індуктары. Сярод розных тэхналогій для вытворчасці друкаванай электронікі трафарэтны друк асабліва падыходзіць для пасіўных кампанентаў з-за вялікай таўшчыні плёнкі (што неабходна для мінімізацыі паслядоўнага супраціву металічных элементаў ) і высокая хуткасць друку, нават калі пакрываюць вобласці сантыметровым узроўнем. Тое ж самае часам. Матэрыял 24.
Страты пасіўных кампанентаў сілавога электроннага абсталявання павінны быць зведзены да мінімуму, таму што эфектыўнасць схемы непасрэдна ўплывае на колькасць энергіі, неабходнай для харчавання сістэмы. Гэта асабліва складана для друкаваных шпулек індуктыўнасці, якія складаюцца з доўгіх шпулек, якія, такім чынам, успрымальныя да высокай серыі Такім чынам, нягледзячы на ​​тое, што былі зроблены некаторыя намаганні, каб мінімізаваць супраціўленне 25, 26, 27, 28 друкаваных шпулек, па-ранейшаму існуе недахоп высокаэфектыўных друкаваных пасіўных кампанентаў для сілавых электронных прылад. На сённяшні дзень многія паведамлялі, што друкаваныя пасіўныя кампаненты на гнуткіх падкладках прызначаны для працы ў рэзанансных схемах для радыёчастотнай ідэнтыфікацыі (RFID) або збору энергіі 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Іншыя засяроджваюцца на распрацоўцы матэрыялу або вытворчага працэсу і паказваюць агульныя кампаненты 26, 32, 33, 34, якія не аптымізаваны для канкрэтных прыкладанняў. Наадварот, сілавыя электронныя схемы, такія як рэгулятары напружання, часта выкарыстоўваюць кампаненты большага памеру, чым тыповыя друкаваныя пасіўныя прылады, і не патрабуюць рэзанансу, таму патрабуюцца розныя канструкцыі кампанентаў.
Тут мы прадстаўляем канструкцыю і аптымізацыю індуктараў з трафарэтным друкам у дыяпазоне мкГн для дасягнення найменшага паслядоўнага супраціву і высокай прадукцыйнасці на частотах, звязаных з сілавой электронікай. Вырабляюцца індуктары, кандэнсатары і рэзістары з трафарэтным друкам з рознымі значэннямі кампанентаў на гнуткіх пластыкавых падкладках. Прыдатнасць гэтых кампанентаў для гнуткіх электронных вырабаў была ўпершыню прадэманстравана ў простай схеме RLC. Затым друкаваны індуктар і рэзістар інтэгруюцца з мікрасхемай, каб утварыць рэгулятар павышэння. Нарэшце, арганічны святловыпрамяняльны дыёд (OLED) ) і гнуткая літый-іённая батарэя вырабляюцца, а для харчавання OLED ад батарэі выкарыстоўваецца рэгулятар напружання.
Каб распрацаваць друкаваныя шпулькі індуктыўнасці для сілавой электронікі, мы спачатку прадказалі індуктыўнасць і супраціў пастаяннаму току серыі геаметрый індуктыўнасці на аснове бягучай мадэлі ліста, прапанаванай Моханам і інш. 35, і вырабленыя шпулькі індуктыўнасці рознай геаметрыі для пацверджання дакладнасці мадэлі. У гэтай працы для шпулькі індуктыўнасці была абраная круглая форма, таму што больш высокая індуктыўнасць 36 можа быць дасягнута з меншым супраціўленнем у параўнанні з шматкутнай геаметрыяй. Уплыў чарнілаў вызначаецца тып і колькасць цыклаў друку на супраціў. Затым гэтыя вынікі былі выкарыстаны з мадэллю амперметра для распрацоўкі індуктараў 4,7 мкГн і 7,8 мкГн, аптымізаваных для мінімальнага супраціву пастаяннаму току.
Індуктыўнасць і супраціўленне пастаяннаму току спіральных індуктараў можна апісаць некалькімі параметрамі: знешні дыяметр do, шырыня вітка w і адлегласць s, колькасць віткоў n і супраціў ліста правадыра Rsheet. На малюнку 1а паказана фатаграфія круглага індуктара, надрукаванага на шаўкаграфіі. з n = 12, паказваючы геаметрычныя параметры, якія вызначаюць яго індуктыўнасць.Паводле мадэлі амперметра Мохана і інш. 35, індуктыўнасць разлічваецца для серыі індуктыўнасці геаметрыі, дзе
(a) Фатаграфія індуктара з трафарэтным друкам, на якой паказаны геаметрычныя параметры. Дыяметр складае 3 см. Індуктыўнасць (b) і супраціўленне пастаяннаму току (c) розных геаметрый індуктара. Лініі і пазнакі адпавядаюць разлічаным і вымераным значэнням адпаведна. (d,e) Супраціў пастаяннага току шпулек індуктыўнасці L1 і L2 надрукаваны срэбнымі чарніламі Dupont 5028 і 5064H адпаведна. (F,g) Мікрафатаграфіі плёнак, надрукаваных на трафарэтным друку Dupont 5028 і 5064H адпаведна.
На высокіх частотах скін-эфект і паразітная ёмістасць зменяць супраціўленне і індуктыўнасць індуктыўнасці ў залежнасці ад значэння пастаяннага току. Чакаецца, што індуктыўнасць будзе працаваць на дастаткова нізкай частаце, каб гэтыя эфекты былі нязначнымі, і прылада паводзіць сябе як пастаянная індуктыўнасць з пастаянным паслядоўным супраціўленнем. Таму ў гэтай працы мы прааналізавалі ўзаемасувязь паміж геаметрычнымі параметрамі, індуктыўнасцю і супраціўленнем пастаяннаму току і выкарысталі вынікі для атрымання зададзенай індуктыўнасці з найменшым супраціўленнем пастаяннаму току.
Індуктыўнасць і супраціўленне разлічваюцца для шэрагу геаметрычных параметраў, якія могуць быць рэалізаваны з дапамогай трафарэтнага друку, і чакаецца, што будзе атрымана індуктыўнасць у дыяпазоне мкГн. Вонкавы дыяметр 3 і 5 см, шырыня лініі 500 і 1000 мікрон. , і розныя павароты параўноўваюцца. У разліках мяркуецца, што супраціўленне ліста складае 47 мОм/□, што адпавядае слою правадніка з мікрачаскавінак са срэбра Dupont 5028 таўшчынёй 7 мкм, надрукаванага на ячэйцы 400 меш і ўстаноўцы w = s. разлічаныя значэнні індуктыўнасці і супраціву паказаны на малюнках 1b і c адпаведна. Мадэль прадказвае, што і індуктыўнасць, і супраціўленне павялічваюцца па меры павелічэння вонкавага дыяметра і колькасці віткоў або памяншэння шырыні лініі.
Каб ацаніць дакладнасць прадказанняў мадэлі, індуктыўнасці рознай геаметрыі і індуктыўнасці былі выраблены на падкладцы з поліэтылентэрэфталату (ПЭТ). Вымераныя значэнні індуктыўнасці і супраціву паказаны на малюнках 1b і c. чаканае значэнне, у асноўным з-за змяненняў у таўшчыні і аднастайнасці нанесеных чарнілаў, індуктыўнасць паказала вельмі добрае супадзенне з мадэллю.
Гэтыя вынікі могуць быць выкарыстаны для распрацоўкі індуктыўнасці з неабходнай індуктыўнасцю і мінімальным супраціўленнем пастаяннаму току. Напрыклад, выкажам здагадку, што патрабуецца індуктыўнасць 2 мкГн. На малюнку 1b паказана, што гэтая індуктыўнасць можа быць рэалізавана з вонкавым дыяметрам 3 см, шырынёй лініі 500 мкм і 10 віткоў. Такую ж індуктыўнасць можна стварыць, выкарыстоўваючы знешні дыяметр 5 см, шырыню лініі 500 мкм і 5 віткоў або шырыню лініі 1000 мкм і 7 ​​віткоў (як паказана на малюнку). Параўнанне супраціўлення гэтых трох магчымыя геаметрыі на малюнку 1c, можна знайсці, што самае нізкае супраціўленне 5-сантыметровай шпулькі індуктыўнасці з шырынёй лініі 1000 мкм складае 34 Ом, што прыкладна на 40% ніжэй, чым у двух астатніх. Агульны працэс праектавання для дасягнення зададзенай індуктыўнасці з мінімальным супрацівам рэзюмуецца наступным чынам: спачатку абярыце максімальна дапушчальны знешні дыяметр у адпаведнасці з абмежаваннямі прасторы, накладзенымі прымяненнем. Затым шырыня лініі павінна быць як мага большай, але пры гэтым неабходная індуктыўнасць для атрымання высокай хуткасці запаўнення (ураўненне (3)).
Пры павелічэнні таўшчыні або выкарыстанні матэрыялу з большай праводнасцю для памяншэння ліставога супраціўлення металічнай плёнкі супраціўленне пастаяннаму току можна яшчэ больш паменшыць, не ўплываючы на ​​індуктыўнасць. Дзве індуктыўнасці, геаметрычныя параметры якіх прыведзены ў табліцы 1, называюцца L1 і L2, вырабляюцца з рознай колькасцю пакрыццяў для ацэнкі змены супраціву. Па меры павелічэння колькасці чарнільных пакрыццяў супраціўленне памяншаецца прапарцыйна, як чакалася, як паказана на малюнках 1d і e, якія з'яўляюцца шпулькамі індуктыўнасці L1 і L2 адпаведна. Малюнкі 1d і e паказваюць, што пры нанясенні 6 слаёў пакрыцця супраціўляльнасць можа быць зменшана да 6 разоў, а максімальнае зніжэнне супраціву (50-65%) адбываецца паміж пластом 1 і пластом 2. Паколькі кожны пласт чарнілаў адносна тонкі, экран з адносна невялікім памерам сеткі (400 радкоў на цалю) выкарыстоўваецца для друку гэтых шпулек індуктыўнасці, што дазваляе нам вывучаць уплыў таўшчыні правадніка на супраціў. падобная таўшчыня (і ўстойлівасць) можа быць дасягнута хутчэй, надрукаваўшы меншую колькасць пакрыццяў з большым памерам сеткі. Гэты метад можа быць выкарыстаны для дасягнення таго ж супраціву пастаяннаму току, што і індуктар з 6 пакрыццём, які абмяркоўваецца тут, але з больш высокай хуткасцю вытворчасці.
Малюнкі 1d і e таксама паказваюць, што пры выкарыстанні чарнілаў DuPont 5064H з большай праводнасцю сярэбраных шматкоў супраціўленне зніжаецца ў два разы. З мікрафатаграфій плёнак, надрукаваных дзвюма чарніламі (малюнак 1f, g), можна знайсці відаць, што меншая праводнасць чарнілаў 5028 звязана з меншым памерам часціц і наяўнасцю мноства пустэч паміж часціцамі ў надрукаванай плёнцы. З іншага боку, 5064H мае больш буйныя, больш цесна размешчаныя шматкі, што робіць яго больш блізкім да аб'ёму срэбра. Хоць плёнка, вырабленая гэтымі чарніламі, танчэйшая за чарніла 5028, з адным пластом 4 мкм і 6 слаямі 22 мкм, павелічэння праводнасці дастаткова для зніжэння агульнага супраціву.
Нарэшце, хаця індуктыўнасць (ураўненне (1)) залежыць ад колькасці віткоў (w + s), супраціўленне (ураўненне (5)) залежыць толькі ад шырыні лініі w. Такім чынам, павялічваючы w адносна s, супраціўленне можна дадаткова паменшыць. Дзве дадатковыя шпулькі індуктыўнасці L3 і L4 распрацаваны так, каб мець w = 2s і вялікі знешні дыяметр, як паказана ў табліцы 1. Гэтыя шпулькі індуктыўнасці выраблены з 6 слаёў пакрыцця DuPont 5064H, як паказана раней, каб забяспечыць самая высокая прадукцыйнасць. Індуктыўнасць L3 складае 4,720 ± 0,002 мкГн, а супраціўленне - 4,9 ± 0,1 Ом, у той час як індуктыўнасць L4 складае 7,839 ± 0,005 мкГн і 6,9 ± 0,1 Ом, што добра супадае з прагнозам мадэлі. Дзякуючы павелічэнне таўшчыні, праводнасці і w/s, гэта азначае, што стаўленне L/R павялічылася больш чым на парадак адносна значэння на малюнку 1.
Нягледзячы на ​​тое, што нізкае супраціўленне пастаяннаму току з'яўляецца перспектыўным, ацэнка прыдатнасці шпулек індуктыўнасці для сілавога электроннага абсталявання, якое працуе ў дыяпазоне кГц-МГц, патрабуе характарыстык на частотах пераменнага току. На малюнку 2а паказана частата залежнасці супраціўлення і рэактыўнага супраціву L3 і L4. Для частот ніжэй за 10 МГц , супраціў застаецца прыкладна нязменным пры значэнні пастаяннага току, у той час як рэактыўнае супраціўленне лінейна павялічваецца з частатой, што азначае, што індуктыўнасць пастаянная, як і чакалася. Уласная рэзанансная частата вызначаецца як частата, пры якой імпеданс змяняецца з індуктыўнага на ёмістны, з L3 складае 35,6 ± 0,3 МГц, а L4 - 24,3 ± 0,6 МГц. Залежнасць каэфіцыента якасці Q (роўнага ωL/R) ад частоты паказана на малюнку 2b. L3 і L4 дасягаюць максімальных каэфіцыентаў якасці 35 ± 1 і 33 ± 1. на частотах 11 і 16 МГц, адпаведна. Індуктыўнасць у некалькі мкГн і адносна высокі Q на частотах МГц робяць гэтыя індуктары дастатковымі для замены традыцыйных індуктараў павярхоўнага мантажу ў маламагутных пераўтваральніках пастаяннага току ў пастаянны.
Вымеранае супраціўленне R і рэактыўнае супраціўленне X (a), а таксама каэфіцыент якасці Q (b) шпулек індуктыўнасці L3 і L4 звязаны з частатой.
Каб звесці да мінімуму займаемую плошча, неабходную для зададзенай ёмістасці, лепш за ўсё выкарыстоўваць кандэнсатарную тэхналогію з вялікай удзельнай ёмістасцю, якая роўная дыэлектрычнай пранікальнасці ε, падзеленай на таўшчыню дыэлектрыка. У гэтай працы мы абралі кампазіт тытаната барыю у якасці дыэлектрыка, таму што ён мае большы эпсілон, чым іншыя апрацаваныя растворам арганічныя дыэлектрыкі. Дыэлектрычны пласт нанесены трафарэтным друкам паміж двума срэбнымі праваднікамі, утвараючы структуру метал-дыэлектрык-метал. Кандэнсатары розных памераў у сантыметрах, як паказана на малюнку 3a , вырабляюцца з выкарыстаннем двух або трох слаёў дыэлектрычных чарнілаў для захавання добрага выхаду. На малюнку 3b паказаны мікрафатаграфію папярочнага разрэзу рэпрэзентатыўнага кандэнсатара, зробленага з двух слаёў дыэлектрыка, з агульнай таўшчынёй дыэлектрыка 21 мкм. Верхні і ніжні электроды з'яўляюцца аднаслаёвымі і шасціслаёвымі 5064H адпаведна. Часціцы тытаната барыю мікроннага памеру бачныя на выяве РЭМ, таму што больш светлыя ўчасткі акружаны больш цёмным арганічным злучным рэчывам. Дыэлектрычныя чарніла добра змочваюць ніжні электрод і ўтвараюць выразны інтэрфейс з друкаванай металічнай плёнкі, як паказана на малюнку з большым павелічэннем.
(a) Фатаграфія кандэнсатара з пяццю рознымі абласцямі. (b) Мікрафатаграфія папярочнага сячэння SEM кандэнсатара з двума пластамі дыэлектрыка, якая паказвае дыэлектрык з тытаната барыю і сярэбраныя электроды. (c) Ёмістасці кандэнсатараў з тытанатам барыю 2 і 3 дыэлектрычныя слаі і розныя плошчы, вымераныя пры 1 МГц. (d) Суадносіны паміж ёмістасцю, ESR і каэфіцыентам страт кандэнсатара 2,25 см2 з 2 пластамі дыэлектрычнага пакрыцця і частатой.
Ёмістасць прапарцыйная чаканай плошчы. Як паказана на малюнку 3c, удзельная ёмістасць двухслаёвага дыэлектрыка роўная 0,53 нФ/см2, а ўдзельная ёмістасць трохслаёвага дыэлектрыка роўная 0,33 нФ/см2. Гэтыя значэнні адпавядаюць дыэлектрычнай пранікальнасці 13. ёмістасць і каэфіцыент рассейвання (DF) таксама былі вымераны на розных частотах, як паказана на малюнку 3d, для кандэнсатара плошчай 2,25 см2 з двума пластамі дыэлектрыка. Мы выявілі, што ёмістасць была адносна роўнай у цікавым дыяпазоне частот, павялічыўшыся на 20% ад 1 да 10 МГц, а ў тым жа дыяпазоне DF павялічыўся з 0,013 да 0,023. Паколькі каэфіцыент рассейвання ўяўляе сабой стаўленне страт энергіі да энергіі, назапашанай у кожным цыкле пераменнага току, DF 0,02 азначае, што апрацоўваецца 2% магутнасці спажываецца кандэнсатарам. Гэтыя страты звычайна выражаюцца як залежнае ад частаты эквівалентнае паслядоўнае супраціўленне (ESR), злучанае паслядоўна з кандэнсатарам, роўнае DF/ωC. Як паказана на малюнку 3d, для частот больш за 1 МГц, ESR ніжэй за 1,5 Ω, а для частот больш за 4 МГц СОЭ ніжэй за 0,5 Ω. Хоць пры выкарыстанні гэтай тэхналогіі кандэнсатараў кандэнсатары класа мкФ, неабходныя для пераўтваральнікаў пастаяннага току, патрабуюць вельмі вялікай плошчы, але 100 пФ- Дыяпазон ёмістасці ў нФ і нізкія страты гэтых кандэнсатараў робяць іх прыдатнымі для іншых ужыванняў, такіх як фільтры і рэзанансныя контуры. Для павелічэння ёмістасці можна выкарыстоўваць розныя метады. Больш высокая дыэлектрычная пастаянная павялічвае ўдзельную ёмістасць 37; напрыклад, гэта можа быць дасягнута шляхам павелічэння канцэнтрацыі часціц тытаната барыю ў чарнілах. Можна выкарыстоўваць дыэлектрык меншай таўшчыні, хоць для гэтага патрабуецца ніжні электрод з меншай шурпатасцю, чым шурпатасць трафарэтнага срэбра. Больш тонкі кандэнсатар з меншай шурпатасцю пласты могуць быць нанесены з дапамогай струменевага друку 31 або глыбокага друку 10, які можа быць аб'яднаны з працэсам трафарэтнага друку. Нарэшце, некалькі чаргуючыхся слаёў металу і дыэлектрыка можна ўкладваць, друкаваць і злучаць паралельна, тым самым павялічваючы ёмістасць 34 на адзінку плошчы .
Дзельнік напружання, які складаецца з пары рэзістараў, звычайна выкарыстоўваецца для выканання вымярэння напружання, неабходнага для кіравання рэгулятарам напружання са зваротнай сувяззю. Для гэтага тыпу прымянення супраціўленне надрукаванага рэзістара павінна быць у дыяпазоне кОм-МОм, а розніца паміж прылада невялікая. Тут было выяўлена, што супраціўленне ліста аднаслаёвай вугальнай фарбы з трафарэтным друкам было 900 Ω/□. Гэтая інфармацыя выкарыстоўваецца для распрацоўкі двух лінейных рэзістараў (R1 і R2) і змяінага рэзістара (R3 ) з намінальным супрацівам 10 кОм, 100 кОм і 1,5 МОм. Супраціў паміж намінальнымі значэннямі дасягаецца шляхам друку двух або трох слаёў чарнілаў, як паказана на малюнку 4, і фатаграфій трох супраціўленняў. Зрабіце 8- па 12 узораў кожнага тыпу; ва ўсіх выпадках стандартнае адхіленне супраціву складае 10% або менш. Змена супраціву ўзораў з двума ці трыма пластамі пакрыцця, як правіла, крыху меншая, чым узораў з адным пластом пакрыцця. Невялікая змена вымеранага супраціву і блізкае супадзенне з намінальным значэннем паказваюць, што іншыя супраціўленні ў гэтым дыяпазоне могуць быць атрыманы непасрэдна шляхам змены геаметрыі рэзістара.
Тры розныя геаметрыі рэзістараў з рознай колькасцю вугляродных рэзістыўных чарнільных пакрыццяў. Фота трох рэзістараў паказана справа.
Схемы RLC з'яўляюцца класічнымі хрэстаматыйнымі прыкладамі камбінацый рэзістара, індуктара і кандэнсатара, якія выкарыстоўваюцца для дэманстрацыі і праверкі паводзін пасіўных кампанентаў, інтэграваных у рэальныя друкаваныя схемы. У гэтай схеме індуктыўнасць 8 мкГн і кандэнсатар 0,8 нФ злучаны паслядоўна, і Паралельна з імі падлучаны рэзістар 25 кОм. Фота гнуткай схемы паказана на малюнку 5а. Прычына выбару гэтай спецыяльнай паслядоўна-паралельнай камбінацыі заключаецца ў тым, што яе паводзіны вызначаюцца кожным з трох розных частотных кампанентаў, так што прадукцыйнасць кожнага кампанента можа быць вылучана і ацэнена. Улічваючы паслядоўнае супраціўленне індуктыўнасці 7 Ом і ESR кандэнсатара 1,3 Ом, чаканая частотная характарыстыка ланцуга была разлічана. Электрычная схема паказана на малюнку 5b, і разлічаны амплітуда і фаза імпедансу, а таксама вымераныя значэнні паказаны на малюнках 5c і d. На нізкіх частотах высокі супраціў кандэнсатара азначае, што паводзіны ланцуга вызначаюцца рэзістарам 25 кОм. Па меры павелічэння частаты імпеданс шлях LC памяншаецца; увесь контур ёмістны, пакуль рэзанансная частата не складзе 2,0 МГц. Вышэй рэзананснай частаты індуктыўны імпеданс дамінуе. Малюнак 5 выразна паказвае выдатнае ўзгадненне паміж разліковымі і вымеранымі значэннямі ва ўсім дыяпазоне частот. Гэта азначае, што выкарыстоўваная мадэль тут (дзе шпулькі індуктыўнасці і кандэнсатары з'яўляюцца ідэальнымі кампанентамі з паслядоўным супраціўленнем) з'яўляецца дакладным для прагназавання паводзін схемы на гэтых частотах.
(a) Фатаграфія схемы RLC з трафарэтным друкам, якая выкарыстоўвае паслядоўную камбінацыю індуктара 8 мкГн і кандэнсатара 0,8 нФ паралельна з рэзістарам 25 кОм. (b) Мадэль схемы, уключаючы паслядоўнае супраціўленне індуктара і кандэнсатара. (c) ,d) Амплітуда імпедансу (c) і фаза (d) ланцуга.
Нарэшце, друкаваныя шпулькі індуктыўнасці і рэзістары ўкаранёны ў рэгулятар павышэння. У гэтай дэманстрацыі выкарыстоўваецца мікрасхема Microchip MCP1640B14, якая з'яўляецца сінхронным рэгулятарам павышэння на аснове ШІМ з працоўнай частатой 500 кГц. Электрычная схема паказана на малюнку 6a.A Індуктыўнасць 4,7 мкГн і два кандэнсатары (4,7 мкФ і 10 мкФ) выкарыстоўваюцца ў якасці элементаў назапашвання энергіі, а пара рэзістараў выкарыстоўваецца для вымярэння выхаднога напружання сістэмы кіравання зваротнай сувяззю. Выберыце значэнне супраціву, каб наладзіць выхадное напружанне да 5 В. Схема выраблена на друкаванай плаце, і яе прадукцыйнасць вымяраецца ў межах супраціўлення нагрузкі і ўваходнага напружання ад 3 да 4 В для мадэлявання літый-іённай батарэі ў розных станах зарадкі. Эфектыўнасць друкаваных індуктараў і рэзістараў параўноўваецца з эфектыўнасць катушак індуктыўнасці і рэзістараў SMT. Кандэнсатары SMT выкарыстоўваюцца ва ўсіх выпадках, таму што ёмістасць, неабходная для гэтага прымянення, занадта вялікая, каб быць укамплектаваны друкаванымі кандэнсатарамі.
(a) Схема ланцуга стабілізацыі напружання. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw і (d) формы току, які працякае ў індуктыўнасці, уваходнае напружанне 4,0 В, супраціўленне нагрузкі 1 кОм, і для вымярэння выкарыстоўваецца друкаваны індуктар. Для гэтага вымярэння выкарыстоўваюцца рэзістары і кандэнсатары для павярхоўнага мантажу. (e) Для розных супраціўленняў нагрузкі і ўваходнага напружання эфектыўнасць ланцугоў рэгулятара напружання з выкарыстаннем усіх кампанентаў для павярхоўнага мантажу і друкаваных шпулек індуктыўнасці і рэзістараў. (f) ) Каэфіцыент эфектыўнасці павярхоўнага мантажу і друкаванай схемы, паказаны ў (e).
Для ўваходнага напружання 4,0 В і супраціўлення нагрузкі 1000 Ом формы сігналаў, вымераныя з дапамогай надрукаваных шпулек індуктыўнасці, паказаны на малюнках 6b-d. На малюнку 6c паказана напружанне на клеме Vsw мікрасхемы; напружанне індуктара роўна Vin-Vsw. Малюнак 6d паказвае ток, які цячэ ў індуктар. Эфектыўнасць схемы з SMT і друкаванымі кампанентамі паказана на малюнку 6e як функцыя ўваходнага напружання і супраціўлення нагрузкі, а малюнак 6f паказвае каэфіцыент эфектыўнасці друкаваных кампанентаў да кампанентаў SMT. Эфектыўнасць, вымераная з выкарыстаннем кампанентаў SMT, падобная да чаканага значэння, прыведзенага ў тэхнічным лісце вытворцы 14. Пры высокім уваходным току (нізкае супраціўленне нагрузкі і нізкае ўваходнае напружанне) эфектыўнасць друкаваных індуктараў значна ніжэй, чым што ў катушак індуктыўнасці SMT з-за больш высокага паслядоўнага супраціву. Аднак пры больш высокім уваходным напружанні і больш высокім выхадным току страты супраціву становяцца менш важнымі, і прадукцыйнасць друкаваных катушак індуктыўнасці пачынае набліжацца да прадукцыйнасці катушак індуктыўнасці SMT. Для супраціўлення нагрузкі >500 Ом і Vin = 4,0 В або >750 Ом і Vin = 3,5 В, эфектыўнасць друкаваных шпулек індуктыўнасці перавышае 85% індуктыўнасці SMT.
Параўнанне формы сігналу току на малюнку 6d з вымеранай стратай магутнасці паказвае, што страта на супраціўленні індуктара з'яўляецца асноўнай прычынай розніцы ў эфектыўнасці паміж друкаванай схемай і схемай SMT, як і чакалася. Уваходная і выхадная магутнасці, вымераныя пры напрузе 4,0 В уваходнае напружанне і супраціў нагрузкі 1000 Ом складаюць 30,4 мВт і 25,8 мВт для схем з кампанентамі SMT і 33,1 мВт і 25,2 мВт для схем з друкаванымі кампанентамі. Такім чынам, страты друкаванай схемы складаюць 7,9 мВт, што на 3,4 мВт вышэй, чым у ланцуг з кампанентамі SMT. Сярэднеквадратычнае значэнне току індуктара, разлічанае па форме сігналу на малюнку 6d, складае 25,6 мА. Паколькі яго паслядоўнае супраціўленне складае 4,9 Ом, чаканыя страты магутнасці складаюць 3,2 мВт. Гэта складае 96% ад вымеранай розніцы магутнасці пастаяннага току ў 3,4 мВт. Акрамя таго, схема вырабляецца з друкаванымі шпулькамі індуктыўнасці і друкаванымі рэзістарамі, друкаванымі шпулькамі індуктыўнасці і рэзістарамі SMT, і істотнай розніцы ў эфектыўнасці паміж імі не назіраецца.
Затым на гнуткай друкаванай плаце вырабляецца рэгулятар напружання (функцыі друку схемы і кампанентаў SMT паказаны на дадатковым малюнку S1) і падключаецца паміж гнуткай літый-іённай батарэяй у якасці крыніцы харчавання і масівам OLED у якасці нагрузкі. Па дадзеных Lochner et al. 9 Для вытворчасці OLED кожны піксель OLED спажывае 0,6 мА пры напрузе 5 В. Акумулятар выкарыстоўвае аксід літый-кобальту і графіт у якасці катода і анода адпаведна, і вырабляецца з дапамогай ракеля, што з'яўляецца найбольш распаўсюджаным метадам друку на акумулятары.7 ёмістасць акумулятара складае 16 мАг, а напружанне падчас тэсту складае 4,0 В. На малюнку 7 паказана фота схемы на гнуткай друкаванай плаце, якая забяспечвае харчаванне трох пікселяў OLED, злучаных паралельна. Дэманстрацыя прадэманстравала патэнцыял друкаваных кампанентаў харчавання для інтэграцыі з іншымі гнуткія і арганічныя прылады для фарміравання больш складаных электронных сістэм.
Фота схемы рэгулятара напружання на гнуткай друкаванай плаце з выкарыстаннем друкаваных шпулек індуктыўнасці і рэзістараў з выкарыстаннем гнуткіх літый-іённых батарэй для харчавання трох арганічных святлодыёдаў.
Мы паказалі індуктары, кандэнсатары і рэзістары з трафарэтным друкам з дыяпазонам значэнняў на гнуткіх падкладках з ПЭТ з мэтай замены кампанентаў для павярхоўнага мантажу ў сілавым электронным абсталяванні. Мы паказалі, што, распрацаваўшы спіраль з вялікім дыяметрам, хуткасць напаўнення , і стаўленне шырыні лініі да шырыні прасторы, а таксама з выкарыстаннем тоўстага пласта чарнілаў з нізкім супрацівам. Гэтыя кампаненты інтэграваны ў цалкам надрукаваную і гнуткую схему RLC і дэманструюць прадказальныя электрычныя паводзіны ў дыяпазоне частот кГц-МГц, які з'яўляецца найбольшым цікавасць да сілавы электроніцы.
Тыповымі варыянтамі выкарыстання друкаваных сілавых электронных прылад з'яўляюцца носныя або інтэграваныя ў прадукт гнуткія электронныя сістэмы, якія працуюць ад гнуткіх акумулятарных батарэй (напрыклад, літый-іённых), якія могуць ствараць зменнае напружанне ў залежнасці ад стану зарада. Калі нагрузка (уключаючы друк і арганічнае электроннае абсталяванне) патрабуе пастаяннага напружання або вышэй, чым напружанне на выхадзе батарэі, патрабуецца рэгулятар напружання. Па гэтай прычыне друкаваныя шпулькі індуктыўнасці і рэзістары інтэгруюцца з традыцыйнымі крамянёвымі мікрасхемамі ў рэгулятар павышэння для харчавання OLED з пастаянным напружаннем 5 В ад акумулятарнага блока харчавання з пераменным напружаннем. У пэўным дыяпазоне току нагрузкі і ўваходнага напружання эфектыўнасць гэтай схемы перавышае 85% ад эфектыўнасці схемы кіравання з выкарыстаннем індуктараў і рэзістараў для павярхоўнага мантажу. Нягледзячы на ​​​​матэрыяльныя і геаметрычныя аптымізацыі, рэзістыўныя страты ў індуктары па-ранейшаму з'яўляюцца фактарам, які абмяжоўвае прадукцыйнасць ланцуга пры высокіх узроўнях току (уваходны ток больш за 10 мА). Аднак пры меншых токах страты ў індуктары памяншаюцца, а агульная прадукцыйнасць абмежавана эфектыўнасцю IC. Паколькі многім друкаваным і арганічным прыладам патрэбныя адносна нізкія сілы току, такія як невялікія OLED, якія выкарыстоўваюцца ў нашай дэманстрацыі, друкаваныя індуктары харчавання можна лічыць прыдатнымі для такіх прыкладанняў. Выкарыстоўваючы мікрасхемы, распрацаваныя для таго, каб мець найбольшую эфектыўнасць пры меншых узроўнях току, можа быць дасягнута больш высокая агульная эфектыўнасць пераўтваральніка.
У гэтай працы рэгулятар напружання пабудаваны на аснове традыцыйнай друкаванай платы, гнуткай друкаванай платы і тэхналогіі паяння кампанентаў для павярхоўнага мантажу, у той час як друкаваны кампанент вырабляецца на асобнай падкладцы. Аднак нізкатэмпературныя і высокавязкія чарніла, якія выкарыстоўваюцца для вытворчасці экрана друкаваныя плёнкі павінны дазваляць друкаваць пасіўныя кампаненты, а таксама сувязь паміж прыладай і кантактнымі пляцоўкамі кампанента для павярхоўнага мантажу на любой падкладцы. Гэта ў спалучэнні з выкарыстаннем існуючых нізкатэмпературных токаправодных клеяў для кампанентаў для павярхоўнага мантажу дазволіць уся схема будзе пабудавана на недарагіх падкладках (напрыклад, ПЭТ) без патрэбы ў субтрактивных працэсах, такіх як тручэнне друкаванай платы. Такім чынам, пасіўныя кампаненты з трафарэтным друкам, распрацаваныя ў гэтай працы, дапамагаюць пракласці шлях для гнуткіх электронных сістэм, якія інтэгруюць энергію і нагрузку з высокапрадукцыйнай сілавы электронікай, выкарыстаннем недарагіх падкладак, у асноўным адытыўнымі працэсамі і мінімальнай колькасцю кампанентаў для павярхоўнага мантажу.
З дапамогай трафарэтнага прынтара Asys ASP01M і экрана з нержавеючай сталі, прадастаўленага Dynamesh Inc., усе пласты пасіўных кампанентаў былі надрукаваны на гнуткай ПЭТ-падкладцы таўшчынёй 76 мкм. Памер вочак металічнага пласта складае 400 радкоў на цалю і 250 ліній на цалю для дыэлектрычнага пласта і пласта супраціву. Выкарыстоўвайце ракель з сілай 55 Н, хуткасцю друку 60 мм/с, адрывам 1,5 мм і ракэллю Serilor з цвёрдасцю 65 (для металічных і рэзістыўных слаёў) або 75 (для дыэлектрычных слаёў) для трафарэтнага друку.
Праводзячыя пласты — шпулькі індуктыўнасці і кантакты кандэнсатараў і рэзістараў — надрукаваны срэбнымі чарніламі DuPont 5082 або DuPont 5064H. Рэзістар надрукаваны вугляродным правадніком DuPont 7082. Для дыэлектрыка кандэнсатара выкарыстоўваецца токаправодны дыэлектрык тытанату барыю BT-101 Выкарыстоўваецца кожны пласт дыэлектрыка з выкарыстаннем двухпраходнага цыкла друку (вільготны-вільготны) для паляпшэння аднастайнасці плёнкі. Для кожнага кампанента быў даследаваны ўплыў некалькіх цыклаў друку на прадукцыйнасць і зменлівасць кампанентаў. Узоры, зробленыя з некалькі пакрыццяў з аднаго і таго ж матэрыялу сушылі пры 70 °C на працягу 2 хвілін паміж нанясеннем пакрыццяў. Пасля нанясення апошняга пласта кожнага матэрыялу ўзоры выпякаліся пры 140 °C на працягу 10 хвілін для поўнага высыхання. Функцыя аўтаматычнага выраўноўвання экрана прынтэр выкарыстоўваецца для выраўноўвання наступных слаёў. Кантакт з цэнтрам індуктара дасягаецца шляхам выразання скразнога адтуліны ў цэнтральнай пляцоўцы і трафарэтных друкаваных слядоў на адваротным баку падкладкі чарніламі DuPont 5064H. Узаемасувязь паміж друкарскім абсталяваннем таксама выкарыстоўвае Dupont Трафарэтны друк 5064H. Для адлюстравання друкаваных кампанентаў і кампанентаў SMT на гнуткай друкаванай плаце, паказанай на малюнку 7, друкаваныя кампаненты злучаюцца з дапамогай электраправоднай эпаксіднай смалы Circuit Works CW2400, а кампаненты SMT злучаюцца традыцыйнай пайкай.
Аксід літыя-кобальту (LCO) і электроды на аснове графіту выкарыстоўваюцца ў якасці катода і анода батарэі адпаведна. Катодная суспензія ўяўляе сабой сумесь 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% графіту (KS6, Timcal), 2,5% % сажы (Super P, Timcal) і 10 % полівінілідэнфтарыду (PVDF, Kureha Corp.). ) Анод уяўляе сабой сумесь 84 мас.% графіту, 4 мас.% сажы і 13 мас.% ПВДФ. N-пазначаў-2-піралідон (NMP, Sigma Aldrich) выкарыстоўваецца для растварэння злучнага з ПВДФ і дыспергавання суспензіі. Суспензію гамагенізавалі памешваючы віхравым міксерам на працягу ночы. Фальга з нержавеючай сталі таўшчынёй 0,0005 цалі і нікелевая фальга таўшчынёй 10 мкм выкарыстоўваюцца ў якасці токапрыёмнікаў для катода і анода адпаведна. мм/с. Награвайце электрод у духоўцы пры 80 °C на працягу 2 гадзін, каб выдаліць растваральнік. Вышыня электрода пасля высыхання складае каля 60 мкм, і ў разліку на вагу актыўнага матэрыялу тэарэтычная ёмістасць складае 1,65 мАг. /см2. Электроды разразалі на памеры 1,3 × 1,3 см2 і награвалі ў вакуумнай печы пры 140°C на працягу ночы, а затым запячатвалі алюмініевымі ламінатнымі пакетамі ў напоўненым азотам перчатачным боксе. Раствор поліпрапіленавай асновы плёнкі з анод і катод, а 1M LiPF6 у EC/DEC (1:1) выкарыстоўваецца ў якасці электраліта батарэі.
Зялёны OLED складаецца з полі(9,9-диоктилфлуорен-со-н-(4-бутылфеніл)-дыфеніламін) (TFB) і полі((9,9-диоктилфлуорен-2,7- (2,1,3-бензотиадиазол- 4, 8-дыіл)) (F8BT) у адпаведнасці з працэдурай, выкладзенай у Lochner et al.
Для вымярэння таўшчыні плёнкі выкарыстоўвайце стылус-прафілер Dektak. Плёнка была разрэзана для падрыхтоўкі ўзору папярочнага сячэння для даследавання з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (SEM). 3D-электронная эмісійная пісталет FEI Quanta (FEG) SEM выкарыстоўваецца для характарыстыкі структуры надрукаванага матэрыялу. плёнкі і пацвердзіце вымярэнне таўшчыні. Даследаванне SEM праводзілася пры паскаральным напрузе 20 кэВ і тыповай працоўнай адлегласці 10 мм.
Выкарыстоўвайце лічбавы мультиметр для вымярэння супраціўлення пастаяннага току, напружання і току. Імпеданс пераменнага току шпулек індуктыўнасці, кандэнсатараў і ланцугоў вымяраецца пры дапамозе вымяральніка Agilent E4980 LCR для частот ніжэй за 1 МГц, а аналізатар сеткі Agilent E5061A выкарыстоўваецца для вымярэння частот вышэй за 500 кГц. Асцылограф Tektronix TDS 5034 для вымярэння формы сігналу рэгулятара напружання.
Як цытаваць гэты артыкул: Ostfeld, AE і г.д. Пасіўныя кампаненты трафарэтнага друку для гнуткага сілавога электроннага абсталявання.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Натан, А. і інш. Гнуткая электроніка: наступная паўсюдная платформа. Працэс IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Месца, дзе групы сустракаюцца з людзьмі. Даклад, апублікаваны на Еўрапейскай канферэнцыі і выставе па дызайне, аўтаматызацыі і тэсціраванні 2015 г., Грэнобль, Францыя. Сан-Хасэ, Каліфорнія: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 сакавіка - 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV дэманстратар anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Алі, М., Пракаш, Д., Зілгер, Т., Сінгх, ПК і Хюблер, друкаваныя п'езаэлектрычныя прылады збору энергіі пераменнага току. Перадавыя энергетычныя матэрыялы.4. 1300427 (2014).
Чэнь, А., Мадан, Д., Райт, ПК і Эванс, Дж. У. Плоскі тоўстаплёнкавы генератар тэрмаэлектрычнай энергіі, надрукаваны на дазатары. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Гнуткая друкаваная батарэя з высокім патэнцыялам, якая выкарыстоўваецца для харчавання друкаваных электронных прылад. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Апошнія распрацоўкі ў друкаваных гнуткіх батарэях: механічныя праблемы, тэхналогія друку і будучыя перспектывы. Энергетычныя тэхналогіі.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. і г. д. Буйнамаштабная сістэма зандзіравання, якая аб'ядноўвае электронныя прылады вялікай плошчы і мікрасхемы CMOS для маніторынгу стану структуры. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).