nuus

Dankie dat jy Nature besoek het. Die blaaierweergawe wat jy gebruik het beperkte ondersteuning vir CSS. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat jy 'n nuwer weergawe van die blaaier gebruik (of die versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer afskakel). Terselfdertyd , om volgehoue ​​ondersteuning te verseker, sal ons werwe sonder style en JavaScript vertoon.
Bymiddels en lae-temperatuur drukprosesse kan verskeie krag- en kragverbruikende elektroniese toestelle teen lae koste op buigsame substrate integreer. Die vervaardiging van volledige elektroniese stelsels vanaf hierdie toestelle vereis egter gewoonlik krag elektroniese toestelle om tussen die verskillende bedryfsspannings van die toestelle. Passiewe komponente—induktors, kapasitors en resistors—verrig funksies soos filtering, korttermyn energieberging en spanningmeting, wat noodsaaklik is in kragelektronika en baie ander toepassings.In hierdie artikel stel ons induktore, kapasitors, weerstande en RLC-stroombane wat op buigsame plastieksubstrate gedruk is, en rapporteer die ontwerpproses om die reeksweerstand van induktore te minimaliseer sodat hulle in kragelektroniese toestelle gebruik kan word. Die gedrukte induktor en weerstand word dan in die hupstootreguleerderkring geïnkorporeer.Vervaardiging van organiese ligdiodes en buigsame litiumioonbatterye. Spanningsreguleerders word gebruik om die diodes van die battery af aan te dryf, wat die potensiaal van gedrukte passiewe komponente demonstreer om tradisionele oppervlakmonteringskomponente in GS-GS-omskakelaartoepassings te vervang.
In onlangse jare is die toepassing van verskeie buigsame toestelle in draagbare en groot-area elektroniese produkte en die Internet of Things1,2 ontwikkel. energiebergingstoestelle, soos batterye 6, 7; en kragverbruikende toestelle, soos sensors 8, 9, 10, 11, 12 en ligbronne 13. Alhoewel groot vordering gemaak is in individuele energiebronne en vragte, vereis die kombinasie van hierdie komponente in 'n volledige elektroniese stelsel gewoonlik kragelektronika om enige wanverhouding tussen kragtoevoergedrag en lasvereistes te oorkom. Byvoorbeeld, 'n battery genereer 'n veranderlike spanning volgens sy toestand van lading. As die las 'n konstante spanning vereis, of hoër as die spanning wat die battery kan opwek, word kragelektronika benodig .Kragelektronika gebruik aktiewe komponente (transistors) om skakel- en beheerfunksies uit te voer, sowel as passiewe komponente (induktors, kapasitors en resistors). Byvoorbeeld, in 'n skakelreguleerderkring word 'n induktor gebruik om energie tydens elke skakelsiklus te stoor , 'n kapasitor word gebruik om spanningsrimpeling te verminder, en die spanningsmeting wat vir terugvoerbeheer benodig word, word met behulp van 'n weerstandverdeler gedoen.
Krag elektroniese toestelle wat geskik is vir draagbare toestelle (soos pulsoksimeter 9) benodig verskeie volt en etlike milliampère, werk gewoonlik in die frekwensiereeks van honderde kHz tot etlike MHz, en vereis verskeie μH en verskeie μH induktansie en Die kapasitansie μF is 14 onderskeidelik.Die tradisionele metode om hierdie stroombane te vervaardig is om diskrete komponente aan 'n rigiede gedrukte stroombaan (PCB) te soldeer. Alhoewel die aktiewe komponente van krag elektroniese stroombane gewoonlik gekombineer word in 'n enkele silikon geïntegreerde stroombaan (IC), is passiewe komponente gewoonlik ekstern, óf wat pasgemaakte stroombane toelaat, óf omdat die vereiste induktansie en kapasitansie te groot is om in silikon geïmplementeer te word.
In vergelyking met die tradisionele PCB-gebaseerde vervaardigingstegnologie, het die vervaardiging van elektroniese toestelle en stroombane deur die additiewe drukproses baie voordele in terme van eenvoud en koste. Eerstens, aangesien baie komponente van die stroombaan dieselfde materiale benodig, soos metale vir kontakte en interkonneksies, laat drukwerk toe dat veelvuldige komponente gelyktydig vervaardig kan word, met relatief min verwerkingstappe en minder bronne van materiaal15.Die gebruik van bykomende prosesse om aftrekprosesse soos fotolitografie en ets te vervang, verminder proseskompleksiteit en materiaalvermorsing verder16, 17, 18, en 19. Boonop is die lae temperature wat in drukwerk gebruik word, versoenbaar met buigsame en goedkoop plastieksubstrate, wat die gebruik van hoëspoed-rol-tot-rol-vervaardigingsprosesse moontlik maak om elektroniese toestelle 16, 20 oor groot gebiede te bedek.Vir toepassings wat nie ten volle met gedrukte komponente gerealiseer kan word nie, is hibriede metodes ontwikkel waarin oppervlakmonteringstegnologie (SBS) komponente gekoppel word aan buigsame substrate 21, 22, 23 langs die gedrukte komponente by lae temperature.In hierdie hibriede benadering is dit steeds nodig om soveel as moontlik SBS-komponente met gedrukte eweknieë te vervang om die voordele van bykomende prosesse te verkry en die algehele buigsaamheid van die stroombaan te verhoog. komponente, met spesiale klem op die vervanging van lywige SBS-induktore met planêre spiraal-induktore. Onder die verskillende tegnologieë vir die vervaardiging van gedrukte elektronika is skermdruk veral geskik vir passiewe komponente vanweë die groot filmdikte (wat nodig is om die reeksweerstand van metaalkenmerke te minimaliseer) ) en hoë drukspoed, selfs wanneer sentimetervlakgebiede gedek word. Dieselfde geld by tye.Materiaal 24.
Die verlies aan passiewe komponente van krag elektroniese toerusting moet tot die minimum beperk word, want die doeltreffendheid van die stroombaan beïnvloed die hoeveelheid energie wat benodig word om die stelsel aan te dryf direk. Dit is veral uitdagend vir gedrukte induktore wat uit lang spoele bestaan, wat dus vatbaar is vir hoë reekse weerstand.Daarom, hoewel 'n paar pogings aangewend is om die weerstand 25, 26, 27, 28 van die gedrukte spoele te verminder, is daar steeds 'n gebrek aan hoë-doeltreffendheid gedrukte passiewe komponente vir krag elektroniese toestelle. Tot op hede het baie gerapporteer dat gedrukte passief is komponente op buigsame substrate is ontwerp om in resonante stroombane te werk vir radiofrekwensie-identifikasie (RFID) of energie-oesdoeleindes 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Ander fokus op materiaal- of vervaardigingsproses-ontwikkeling en toon generiese komponente 26, 32, 33, 34 wat nie vir spesifieke toepassings geoptimaliseer is nie. Daarteenoor gebruik krag elektroniese stroombane soos spanningreguleerders dikwels groter komponente as tipiese gedrukte passiewe toestelle en vereis nie resonansie nie, dus word verskillende komponentontwerpe vereis.
Hier stel ons die ontwerp en optimalisering van skermgedrukte induktors in die μH-reeks bekend om die kleinste reeksweerstand en hoë werkverrigting te bereik by frekwensies wat met kragelektronika verband hou. Skermgedrukte induktore, kapasitors en weerstande met verskeie komponentwaardes word vervaardig op buigsame plastieksubstrate. Die geskiktheid van hierdie komponente vir buigsame elektroniese produkte is eers in 'n eenvoudige RLC-stroombaan gedemonstreer. Die gedrukte induktor en weerstand word dan met die IC geïntegreer om 'n hupstootreguleerder te vorm. Laastens, 'n organiese lig-emitterende diode (OLED) ) en 'n buigsame litium-ioonbattery word vervaardig, en 'n spanningsreguleerder word gebruik om die OLED van die battery af te dryf.
Om gedrukte induktors vir drywingselektronika te ontwerp, het ons eers die induktansie en GS-weerstand van 'n reeks induktorgeometrieë voorspel gebaseer op die huidige plaatmodel voorgestel in Mohan et al. 35, en vervaardigde induktore van verskillende geometrieë om Die akkuraatheid van die model te bevestig.In hierdie werk is 'n sirkelvorm vir die induktor gekies omdat 'n hoër induktansie 36 bereik kan word met 'n laer weerstand in vergelyking met 'n veelhoekige geometrie.Die invloed van ink tipe en aantal druksiklusse op weerstand word bepaal.Hierdie resultate is dan saam met die ammetermodel gebruik om 4.7 μH en 7.8 μH induktors te ontwerp wat vir minimum GS weerstand geoptimaliseer is.
Die induktansie en GS-weerstand van spiraal-induktore kan deur verskeie parameters beskryf word: buitenste deursnee do, draaiwydte w en spasiëring s, aantal windings n, en geleierplaatweerstand Rsheet.Figuur 1a toon 'n foto van 'n syskermgedrukte sirkelinduktor met n = 12, wat die meetkundige parameters toon wat die induktansie daarvan bepaal.Volgens die ammetermodel van Mohan et al. 35, word die induktansie bereken vir 'n reeks induktorgeometrieë, waar
(a) 'n Foto van die skermgedrukte induktor wat die geometriese parameters aantoon. Die deursnee is 3 cm. Induktansie (b) en GS weerstand (c) van verskeie induktor geometrieë. Die lyne en merke stem ooreen met onderskeidelik berekende en gemete waardes. (d,e) Die GS-weerstande van induktors L1 en L2 is onderskeidelik met Dupont 5028 en 5064H silwer ink gedruk.(f,g) SEM mikrograwe van die films wat onderskeidelik deur Dupont 5028 en 5064H gedruk is.
By hoë frekwensies sal die vel-effek en parasitiese kapasitansie die weerstand en induktansie van die induktor verander volgens sy GS-waarde. Daar word verwag dat die induktor teen 'n voldoende lae frekwensie sal werk dat hierdie effekte weglaatbaar is, en die toestel tree op as 'n konstante induktansie met 'n konstante weerstand in serie. Daarom het ons in hierdie werk die verband tussen meetkundige parameters, induktansie en GS-weerstand ontleed, en die resultate gebruik om 'n gegewe induktansie met die kleinste GS-weerstand te verkry.
Induktansie en weerstand word bereken vir 'n reeks meetkundige parameters wat deur middel van skermdruk gerealiseer kan word, en daar word verwag dat induktansie in die μH-reeks gegenereer sal word. Die buitenste diameters van 3 en 5 cm, die lynwydtes van 500 en 1000 mikron , en verskeie draaie word vergelyk.In die berekening word aanvaar dat die plaatweerstand 47 mΩ/□ is, wat ooreenstem met 'n 7 μm dik Dupont 5028 silwer mikrovlokgeleierlaag wat met 'n 400 maasskerm gedruk is en instelling w = s.Die berekende induktansie- en weerstandwaardes word onderskeidelik in Figuur 1b en c getoon. Die model voorspel dat beide induktansie en weerstand toeneem soos die buitenste deursnee en die aantal draaie toeneem, of soos die lynwydte afneem.
Om die akkuraatheid van modelvoorspellings te evalueer, is induktors van verskeie geometrieë en induktansies op 'n poliëtileentereftalaat (PET) substraat vervaardig. Die gemete induktansie- en weerstandswaardes word in Figuur 1b en c getoon. Alhoewel die weerstand 'n mate van afwyking getoon het van die verwagte waarde, hoofsaaklik as gevolg van veranderinge in die dikte en eenvormigheid van die gedeponeerde ink, het die induktansie baie goeie ooreenstemming met die model getoon.
Hierdie resultate kan gebruik word om 'n induktor met die vereiste induktansie en minimum GS weerstand te ontwerp. Veronderstel byvoorbeeld 'n induktansie van 2 μH word vereis. Figuur 1b toon dat hierdie induktansie gerealiseer kan word met 'n buitenste deursnee van 3 cm, 'n lynwydte van 500 μm, en 10 windings. Dieselfde induktansie kan ook gegenereer word deur 5 cm buitenste deursnee, 500 μm lynwydte en 5 windings of 1000 μm lynwydte en 7 windings (soos in die figuur getoon) te gebruik.Vergelyking van die weerstande van hierdie drie moontlike geometrieë in Figuur 1c, kan gevind word dat die laagste weerstand van 'n 5 cm-induktor met 'n lynwydte van 1000 μm 34 Ω is, wat ongeveer 40% laer is as die ander twee. Die algemene ontwerpproses om 'n gegewe induktansie te bereik met 'n minimum weerstand word soos volg opgesom: Kies eers die maksimum toelaatbare buitenste deursnee volgens die ruimtebeperkings wat deur die toepassing opgelê word. Dan moet die lynwydte so groot as moontlik wees terwyl die vereiste induktansie steeds bereik word om 'n hoë vultempo te verkry (vergelyking (3)).
Deur die dikte te verhoog of 'n materiaal met hoër geleidingsvermoë te gebruik om die plaatweerstand van die metaalfilm te verminder, kan die GS-weerstand verder verminder word sonder om die induktansie te beïnvloed.Twee induktors, waarvan die geometriese parameters in Tabel 1 gegee word, genoem L1 en L2, word met verskillende getalle bedekkings vervaardig om die verandering in weerstand te evalueer. Soos die aantal inkbedekkings toeneem, neem die weerstand proporsioneel af soos verwag, soos getoon in Figure 1d en e, wat onderskeidelik induktore L1 en L2 is.Figure 1d en e wys dat deur 6 lae coating toe te pas, die weerstand met tot 6 keer verminder kan word, en die maksimum vermindering in weerstand (50-65%) vind plaas tussen laag 1 en laag 2. Aangesien elke laag ink relatief dun is, is 'n skerm met 'n relatief klein roostergrootte (400 lyne per duim) word gebruik om hierdie induktors te druk, wat ons in staat stel om die effek van geleierdikte op weerstand te bestudeer. Solank die patroonkenmerke groter bly as die minimum resolusie van die rooster, 'n soortgelyke dikte (en weerstand) kan vinniger bereik word deur 'n kleiner aantal bedekkings met 'n groter roostergrootte te druk. Hierdie metode kan gebruik word om dieselfde GS-weerstand te bereik as die 6-bedekte induktor wat hier bespreek word, maar met 'n hoër produksiespoed.
Figure 1d en e toon ook dat deur die meer geleidende silwervlokink DuPont 5064H te gebruik, die weerstand met 'n faktor van twee verminder word. Uit die SEM mikrograwe van die films wat met die twee ink gedruk is (Figuur 1f, g), kan dit gesien dat die laer geleidingsvermoë van die 5028-ink te wyte is aan sy kleiner deeltjiegrootte en die teenwoordigheid van baie leemtes tussen die deeltjies in die gedrukte film. Aan die ander kant het 5064H groter, nouer gerangskik vlokkies, wat dit nader aan grootmaat laat optree. silwer. Alhoewel die film wat deur hierdie ink geproduseer word dunner is as die 5028-ink, met 'n enkellaag van 4 μm en 6 lae van 22 μm, is die toename in geleidingsvermoë voldoende om die algehele weerstand te verminder.
Ten slotte, alhoewel die induktansie (vergelyking (1)) afhang van die aantal windings (w + s), hang die weerstand (vergelyking (5)) slegs af van die lynwydte w.Daarom, deur w relatief tot s te verhoog, die weerstand kan verder verminder word.Die twee addisionele induktore L3 en L4 is ontwerp om w = 2s en 'n groot buitenste deursnee te hê, soos getoon in Tabel 1. Hierdie induktore word vervaardig met 6 lae DuPont 5064H-bedekking, soos vroeër getoon, om die hoogste werkverrigting.Die induktansie van L3 is 4,720 ± 0,002 μH en die weerstand is 4,9 ± 0,1 Ω, terwyl die induktansie van L4 7,839 ± 0,005 μH en 6,9 ± 0,1 Ω is, wat in goeie ooreenstemming met die model is. toename in dikte, geleidingsvermoë en w/s, beteken dit dat die L/R-verhouding met meer as 'n orde van grootte toegeneem het relatief tot die waarde in Figuur 1.
Alhoewel lae GS-weerstand belowend is, vereis die evaluering van die geskiktheid van induktors vir krag elektroniese toerusting wat in die kHz-MHz-reeks werk karakterisering by WS-frekwensies. Figuur 2a toon die frekwensie-afhanklikheid van die weerstand en reaktansie van L3 en L4. Vir frekwensies onder 10 MHz , bly die weerstand rofweg konstant by sy DC-waarde, terwyl die reaktansie lineêr met frekwensie toeneem, wat beteken dat die induktansie konstant is soos verwag word. Die selfresonante frekwensie word gedefinieer as die frekwensie waarteen die impedansie van induktief na kapasitief verander, met L3 is 35,6 ± 0,3 MHz en L4 is 24,3 ± 0,6 MHz. Die frekwensie-afhanklikheid van die kwaliteitsfaktor Q (gelyk aan ωL/R) word in Figuur 2b getoon. L3 en L4 bereik maksimum kwaliteitsfaktore van 35 ± 1 en 33 ± 1 by frekwensies van onderskeidelik 11 en 16 MHz. Die induktansie van 'n paar μH en die relatief hoë Q by MHz frekwensies maak hierdie induktors voldoende om tradisionele oppervlak-gemonteerde induktors in lae-krag GS-GS omsetters te vervang.
Die gemete weerstand R en reaktansie X (a) en kwaliteitsfaktor Q (b) van induktore L3 en L4 hou verband met frekwensie.
Ten einde die voetspoor wat benodig word vir 'n gegewe kapasitansie te minimaliseer, is dit die beste om kapasitortegnologie te gebruik met 'n groot spesifieke kapasitansie, wat gelyk is aan die diëlektriese konstante ε gedeel deur die dikte van die diëlektrikum. In hierdie werk het ons bariumtitanaat saamgestelde gekies as die diëlektrikum, want dit het 'n hoër epsilon as ander oplossing-verwerkte organiese diëlektrika. Die diëlektriese laag word tussen die twee silwer geleiers gedruk om 'n metaal-diëlektriese-metaal struktuur te vorm. Kapasitors met verskillende groottes in sentimeter, soos getoon in Figuur 3a , word vervaardig deur twee of drie lae diëlektriese ink te gebruik om goeie opbrengs te handhaaf.Figuur 3b toon 'n deursnee SEM mikrograaf van 'n verteenwoordigende kapasitor gemaak met twee lae diëlektriese, met 'n totale diëlektriese dikte van 21 μm.Die boonste en onderste elektrodes is onderskeidelik eenlaag en seslaag 5064H. Mikrongrootte bariumtitanaatdeeltjies is sigbaar in die SEM-beeld omdat die helderder areas deur die donkerder organiese bindmiddel omring word. Die diëlektriese ink maak die onderste elektrode goed nat en vorm 'n duidelike raakvlak met die gedrukte metaalfilm, soos getoon in die illustrasie met hoër vergroting.
(a) 'n Foto van 'n kapasitor met vyf verskillende areas.(b) Dwarssnit-SEM-mikrografie van 'n kapasitor met twee lae diëlektrikum, wat bariumtitanaat diëlektriese en silwer elektrodes toon.(c) Kapasitansies van kapasitors met 2 en 3 bariumtitanaat diëlektriese lae en verskillende areas, gemeet by 1 MHz.(d) Die verband tussen die kapasitansie, ESR en verliesfaktor van 'n 2.25 cm2 kapasitor met 2 lae diëlektriese bedekkings en frekwensie.
Die kapasitansie is eweredig aan die verwagte area. Soos getoon in Figuur 3c, is die spesifieke kapasitansie van die twee-laag diëlektrikum 0,53 nF/cm2, en die spesifieke kapasitansie van die drie-laag diëlektrikum is 0,33 nF/cm2. Hierdie waardes stem ooreen met 'n diëlektriese konstante van 13. Die kapasitansie en dissipasiefaktor (DF) is ook gemeet by verskillende frekwensies, soos getoon in Figuur 3d, vir 'n 2,25 cm2 kapasitor met twee lae diëlektrikum. van 1 tot 10 MHz, terwyl in dieselfde reeks, DF toegeneem het van 0,013 tot 0,023. Aangesien die dissipasiefaktor die verhouding is van energieverlies tot die energie wat in elke WS-siklus gestoor word, beteken 'n DF van 0,02 dat 2% van die krag hanteer word deur die kapasitor verbruik word.Hierdie verlies word gewoonlik uitgedruk as die frekwensie-afhanklike ekwivalente reeksweerstand (ESR) wat in serie gekoppel is met die kapasitor, wat gelyk is aan DF/ωC.Soos getoon in Figuur 3d, vir frekwensies groter as 1 MHz, ESR is laer as 1,5 Ω, en vir frekwensies groter as 4 MHz, is ESR laer as 0,5 Ω. Alhoewel hierdie kapasitortegnologie gebruik word, benodig die μF-klas kapasitors wat benodig word vir DC-DC omsetters 'n baie groot area, maar die 100 pF- nF kapasitansie reeks en lae verlies van hierdie kapasitors maak hulle geskik vir ander toepassings, soos filters en resonante stroombane. Verskeie metodes kan gebruik word om die kapasitansie te verhoog. 'n Hoër diëlektriese konstante verhoog die spesifieke kapasitansie 37; dit kan byvoorbeeld bereik word deur die konsentrasie van bariumtitanaatdeeltjies in die ink te verhoog. 'n Kleiner diëlektriese dikte kan gebruik word, alhoewel dit 'n onderste elektrode met 'n laer grofheid vereis as 'n silwervlok wat deur die skerm gedruk is. Dunner kapasitor met laer grofheid lae kan gedeponeer word deur inkjetdruk 31 of diepdruk 10, wat gekombineer kan word met 'n skermdrukproses. Laastens kan verskeie afwisselende lae metaal en diëlektrikum gestapel en gedruk en in parallel verbind word, waardeur die kapasitansie 34 per eenheidsoppervlakte verhoog word .
'n Spanningsverdeler wat saamgestel is uit 'n paar weerstande word gewoonlik gebruik om spanningsmeting uit te voer wat benodig word vir terugvoerbeheer van 'n spanningsreguleerder. Vir hierdie tipe toepassing moet die weerstand van die gedrukte weerstand in die kΩ-MΩ-reeks wees, en die verskil tussen die toestelle is klein. Hier is gevind dat die velweerstand van die enkellaag-skermgedrukte koolstofink 900 Ω/□ was. Hierdie inligting word gebruik om twee lineêre resistors (R1 en R2) en 'n slangweerstand (R3) te ontwerp. ) met nominale weerstande van 10 kΩ, 100 kΩ en 1,5 MΩ. Die weerstand tussen die nominale waardes word verkry deur twee of drie lae ink te druk, soos in Figuur 4 getoon, en foto's van die drie weerstande. Maak 8- 12 monsters van elke tipe; in alle gevalle is die standaardafwyking van die weerstand 10% of minder. Die weerstandsverandering van monsters met twee of drie lae coating is geneig om effens kleiner te wees as dié van monsters met een laag coating. Die klein verandering in die gemete weerstand en die noue ooreenkoms met die nominale waarde dui aan dat ander weerstande in hierdie reeks direk verkry kan word deur die resistorgeometrie te wysig.
Drie verskillende weerstandsgeometrieë met verskillende getalle koolstofweerstandige inkbedekkings. Die foto van drie weerstande word regs getoon.
RLC-stroombane is klassieke handboekvoorbeelde van weerstand-, induktor- en kapasitorkombinasies wat gebruik word om die gedrag van passiewe komponente wat in werklike gedrukte stroombane geïntegreer is te demonstreer en te verifieer. In hierdie stroombaan is 'n 8 μH induktor en 'n 0.8 nF kapasitor in serie gekoppel, en 'n 25 kΩ-weerstand is in parallel daarmee verbind.Die foto van die buigsame stroombaan word in Figuur 5a getoon.Die rede vir die keuse van hierdie spesiale serie-parallelle kombinasie is dat die gedrag daarvan deur elk van die drie verskillende frekwensiekomponente bepaal word, sodat die prestasie van elke komponent kan uitgelig en geëvalueer word. Met inagneming van die 7 Ω reeksweerstand van die induktor en die 1.3 Ω ESR van die kapasitor, is die verwagte frekwensierespons van die stroombaan bereken. Die stroombaandiagram word in Figuur 5b getoon, en die berekende impedansie amplitude en fase en gemete waardes word in Figure 5c en d getoon. By lae frekwensies beteken die hoë impedansie van die kapasitor dat die gedrag van die stroombaan deur die 25 kΩ weerstand bepaal word. Soos die frekwensie toeneem, word die impedansie van die LC-pad neem af; die hele kringgedrag is kapasitief totdat die resonansfrekwensie 2.0 MHz is. Bokant die resonansiefrekwensie oorheers die induktiewe impedansie. Figuur 5 toon duidelik die uitstekende ooreenstemming tussen berekende en gemete waardes oor die hele frekwensiereeks. Dit beteken dat die model wat gebruik is hier (waar induktore en kapasitors ideale komponente met serieweerstand is) akkuraat is vir die voorspelling van stroombaangedrag by hierdie frekwensies.
(a) 'n Foto van 'n skermgedrukte RLC-stroombaan wat 'n reekskombinasie van 'n 8 μH-induktor en 'n 0.8 nF-kapasitor in parallel met 'n 25 kΩ-weerstand gebruik.(b) Kringmodel insluitend serieweerstand van induktor en kapasitor.(c) ,d) Die impedansie-amplitude (c) en fase (d) van die stroombaan.
Laastens word gedrukte induktore en weerstande in die hupstootreguleerder geïmplementeer. Die IC wat in hierdie demonstrasie gebruik word, is Microchip MCP1640B14, wat 'n PWM-gebaseerde sinchrone hupstootreguleerder is met 'n bedryfsfrekwensie van 500 kHz. Die stroombaandiagram word in Figuur 6a.A getoon. 4,7 μH-induktor en twee kapasitors (4,7 μF en 10 μF) word as energiebergingselemente gebruik, en 'n paar resistors word gebruik om die uitsetspanning van die terugvoerbeheer te meet. Kies die weerstandswaarde om die uitsetspanning na 5 V aan te pas. Die stroombaan word op die PCB vervaardig, en sy werkverrigting word gemeet binne die lasweerstand en die insetspanningreeks van 3 tot 4 V om die litium-ioonbattery in verskeie laaitoestande te simuleer. Die doeltreffendheid van gedrukte induktors en resistors word vergelyk met die doeltreffendheid van SBS-induktore en -weerstande.SBS-kapasitors word in alle gevalle gebruik omdat die kapasitansie benodig vir hierdie toepassing te groot is om met gedrukte kapasitors voltooi te word.
(a) Diagram van spanningstabiliserende kring.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, en (d) Golfvorme van stroom wat in die induktor vloei, die insetspanning is 4.0 V, die lasweerstand is 1 kΩ, en die gedrukte induktor word gebruik om te meet. Oppervlaktemonteerweerstande en kapasitors word vir hierdie meting gebruik.(e) Vir verskeie lasweerstande en insetspannings, die doeltreffendheid van spanningreguleerderkringe wat alle oppervlakmonteringskomponente en gedrukte induktore en resistors gebruik.(f ) Die doeltreffendheidsverhouding van oppervlakmontering en gedrukte stroombaan getoon in (e).
Vir 4.0 V insetspanning en 1000 Ω lasweerstand, word die golfvorms gemeet met gebruik van gedrukte induktors in Figuur 6b-d getoon. Figuur 6c toon die spanning by die Vsw terminaal van die IC; die induktorspanning is Vin-Vsw.Figuur 6d toon die stroom wat in die induktor vloei.Die doeltreffendheid van die stroombaan met SBS en gedrukte komponente word in Figuur 6e getoon as 'n funksie van insetspanning en lasweerstand, en Figuur 6f toon die doeltreffendheidsverhouding van gedrukte komponente na SBS-komponente. Die doeltreffendheid gemeet met gebruik van SBS-komponente is soortgelyk aan die verwagte waarde wat in die vervaardiger se datablad gegee word 14. By hoë insetstroom (lae lasweerstand en lae insetspanning) is die doeltreffendheid van gedrukte induktore aansienlik laer as dié van SBS-induktore as gevolg van die hoër serieweerstand. Met hoër insetspanning en hoër uitsetstroom word weerstandsverlies egter minder belangrik, en begin die werkverrigting van gedrukte induktore dié van SBS-induktore nader. Vir lasweerstande >500 Ω en Vin = 4.0 V of >750 Ω en Vin = 3.5 V, die doeltreffendheid van gedrukte induktors is groter as 85% van SBS-induktore.
Vergelyking van die huidige golfvorm in Figuur 6d met die gemete drywingsverlies toon dat die weerstandsverlies in die induktor die hoofoorsaak is van die verskil in doeltreffendheid tussen die gedrukte stroombaan en die SBS-kring, soos verwag is. Die inset- en uitsetkrag gemeet teen 4.0 V insetspanning en 1000 Ω lasweerstand is 30,4 mW en 25,8 mW vir stroombane met SBS-komponente, en 33,1 mW en 25,2 mW vir stroombane met gedrukte komponente. Daarom is die verlies van die gedrukte stroombaan 7,9 mW, wat 3,4 mW hoër is as die stroombaan met SBS-komponente. Die RMS-induktorstroom bereken vanaf die golfvorm in Figuur 6d is 25.6 mA. Aangesien sy serieweerstand 4,9 Ω is, is die verwagte kragverlies 3,2 mW. Dit is 96% van die gemete 3,4 mW GS-kragverskil. Boonop word die stroombaan vervaardig met gedrukte induktore en gedrukte resistors en gedrukte induktore en SBS-weerstande, en geen beduidende doeltreffendheidsverskil word tussen hulle waargeneem nie.
Dan word die spanningsreguleerder op die buigsame PCB vervaardig (die kring se druk- en SBS-komponent-werkverrigting word in Aanvullende Figuur S1 getoon) en verbind tussen die buigsame litium-ioonbattery as die kragbron en die OLED-skikking as die las. Volgens Lochner et al. 9 Om OLED's te vervaardig, verbruik elke OLED-pixel 0,6 mA by 5 V. Die battery gebruik litiumkobaltoksied en grafiet as die katode en anode, onderskeidelik, en word vervaardig deur 'n rakelbedekking, wat die mees algemene batterydrukmetode is.7 Die batterykapasiteit is 16mAh, en die spanning tydens die toets is 4.0V.Figuur 7 toon 'n foto van die stroombaan op die buigsame PCB, wat drie OLED-pieksels wat parallel gekoppel is aandryf. Die demonstrasie het die potensiaal gedemonstreer van gedrukte kragkomponente om met ander geïntegreer te word buigsame en organiese toestelle om meer komplekse elektroniese stelsels te vorm.
'n Foto van die spanningreguleerderkring op 'n buigsame PCB wat gedrukte induktors en weerstande gebruik, met behulp van buigsame litium-ioonbatterye om drie organiese LED's aan te dryf.
Ons het skermgedrukte induktore, kapasitors en weerstande met 'n reeks waardes op buigsame PET-substrate gewys, met die doel om oppervlakmonteringskomponente in kragelektroniese toerusting te vervang. Ons het getoon dat deur 'n spiraal met 'n groot deursnee, vultempo te ontwerp , en lynwydte-ruimtewydteverhouding, en deur 'n dik laag laeweerstand-ink te gebruik. Hierdie komponente is geïntegreer in 'n volledig gedrukte en buigsame RLC-kring en vertoon voorspelbare elektriese gedrag in die kHz-MHz frekwensiereeks, wat van die grootste is belangstelling in kragelektronika.
Tipiese gebruiksgevalle vir gedrukte krag elektroniese toestelle is draagbare of produk-geïntegreerde buigsame elektroniese stelsels, aangedryf deur buigsame herlaaibare batterye (soos litium-ioon), wat veranderlike spannings kan genereer volgens die toestand van lading. As die las (insluitend druk en organiese elektroniese toerusting) vereis 'n konstante spanning of hoër as die spanningsuitset deur die battery, word 'n spanningsreguleerder vereis. Om hierdie rede word gedrukte induktore en weerstande met tradisionele silikon IC's geïntegreer in 'n hupstootreguleerder om die OLED met 'n konstante spanning aan te dryf van 5 V vanaf 'n veranderlike spanning batterykragtoevoer.Binne 'n sekere reeks lasstroom en insetspanning oorskry die doeltreffendheid van hierdie stroombaan 85% van die doeltreffendheid van 'n beheerkring deur gebruik te maak van oppervlakgemonteerde induktore en weerstande. Ten spyte van materiaal- en geometriese optimalisering, weerstandsverliese in die induktor is steeds die beperkende faktor vir kringwerkverrigting by hoë stroomvlakke (insetstroom groter as ongeveer 10 mA). By laer strome word die verliese in die induktor egter verminder, en die algehele werkverrigting word beperk deur die doeltreffendheid van die IC.Aangesien baie gedrukte en organiese toestelle relatief lae strome benodig, soos die klein OLED's wat in ons demonstrasie gebruik word, kan gedrukte kraginduktors as geskik vir sulke toepassings beskou word.Deur IC's te gebruik wat ontwerp is om die hoogste doeltreffendheid teen laer stroomvlakke te hê, hoër algehele omsetterdoeltreffendheid kan bereik word.
In hierdie werk is die spanningsreguleerder gebou op die tradisionele PCB, buigsame PCB en oppervlak-gemonteerde komponent soldeertegnologie, terwyl die gedrukte komponent op 'n aparte substraat vervaardig word. Die lae-temperatuur en hoë-viskositeit ink wat gebruik word om skerm- gedrukte films moet toelaat dat passiewe komponente, sowel as die interkonneksie tussen die toestel en die oppervlakgemonteerde komponent-kontakkussings, op enige substraat gedruk kan word. die hele stroombaan wat op goedkoop substrate (soos PET) gebou moet word sonder die behoefte aan subtraktiewe prosesse soos PCB-ets. Daarom help die skermgedrukte passiewe komponente wat in hierdie werk ontwikkel is, die weg baan vir buigsame elektroniese stelsels wat energie en vragte integreer met 'n hoë-prestasie krag elektronika, met behulp van goedkoop substrate, hoofsaaklik toevoeging prosesse en minimale Die aantal oppervlak berg komponente.
Deur gebruik te maak van Asys ASP01M-skermdrukker en 'n vlekvrye staalskerm wat deur Dynamesh Inc. verskaf is, is alle lae passiewe komponente op 'n buigsame PET-substraat met 'n dikte van 76 μm gedruk. Die maasgrootte van die metaallaag is 400 reëls per duim en 250 lyne per duim vir die diëlektriese laag en die weerstandslaag. Gebruik 'n rakelkrag van 55 N, 'n drukspoed van 60 mm/s, 'n breekafstand van 1,5 mm, en 'n Serilor rakel met 'n hardheid van 65 (vir metaal en weerstand lae) of 75 (vir diëlektriese lae) vir skermdruk.
Die geleidende lae—die induktors en die kontakte van kapasitors en resistors—word gedruk met DuPont 5082 of DuPont 5064H silwer mikrovlokkie-ink. Die weerstand is gedruk met DuPont 7082 koolstofgeleier. word gebruik.Elke laag diëlektrikum word geproduseer deur 'n twee-deurlaat (nat-nat) druksiklus te gebruik om die eenvormigheid van die film te verbeter.Vir elke komponent is die effek van veelvuldige druksiklusse op komponentwerkverrigting en -veranderlikheid ondersoek.Monsters gemaak met veelvuldige bedekkings van dieselfde materiaal is vir 2 minute tussen bedekkings by 70 °C gedroog. Nadat die laaste laag van elke materiaal toegedien is, is die monsters vir 10 minute by 140 °C gebak om volledige droog te verseker. Die outomatiese belyningsfunksie van die skerm drukker word gebruik om daaropvolgende lae in lyn te bring. Die kontak met die middel van die induktor word verkry deur 'n deurgat in die middelblok en stensildrukspore op die agterkant van die substraat met DuPont 5064H-ink te sny. Die onderlinge verbinding tussen druktoerusting gebruik ook Dupont 5064H stensildruk. Om die gedrukte komponente en SBS-komponente op die buigsame PCB wat in Figuur 7 getoon word te vertoon, word die gedrukte komponente deur Circuit Works CW2400 geleidende epoksie verbind, en die SBS-komponente word deur tradisionele soldering verbind.
Litiumkobaltoksied (LCO) en grafiet-gebaseerde elektrodes word onderskeidelik as die katode en anode van die battery gebruik. Die katode suspensie is 'n mengsel van 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% grafiet (KS6, Timcal), 2.5 % koolstofswart (Super P, Timcal) en 10% polivinielideenfluoried (PVDF, Kureha Corp.). ) Die anode is 'n mengsel van 84 gew.% grafiet, 4 gew.% koolstofswart en 13 gew.% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) word gebruik om die PVDF bindmiddel op te los en die flodder te dispergeer. Die flodder is gehomogeniseer d.m.v. roer oornag met 'n draaikolkmenger. 'n 0,0005 duim dik vlekvrye staal foelie en 'n 10 μm nikkel foelie word as stroomkollektors vir die katode en anode, onderskeidelik gebruik. mm/s.Verhit die elektrode in 'n oond by 80 °C vir 2 uur om die oplosmiddel te verwyder.Die hoogte van die elektrode na droging is ongeveer 60 μm, en gebaseer op die gewig van die aktiewe materiaal is die teoretiese kapasiteit 1,65 mAh /cm2.Die elektrodes is in afmetings van 1,3 × 1,3 cm2 gesny en oornag in 'n vakuumoond by 140°C verhit, en dan is dit met aluminiumlaminaatsakke in 'n stikstofgevulde handskoenboks verseël. 'n Oplossing van polipropileenbasisfilm met anode en katode en 1M LiPF6 in EC/DEC (1:1) word as die battery-elektroliet gebruik.
Groen OLED bestaan ​​uit poli(9,9-dioktielfluoreen-ko-n-(4-butielfeniel)-difenylamien) (TFB) en poli((9,9-dioktielfluoreen-2,7- (2,1,3-bensotiadiasool-) 4, 8-diyl)) (F8BT) volgens die prosedure uiteengesit in Lochner et al.
Gebruik Dektak stylus profiler om film dikte te meet. Die film is gesny om 'n deursnee monster voor te berei vir ondersoek deur skandeer elektronmikroskopie (SEM). Die FEI Quanta 3D veld emissie geweer (FEG) SEM word gebruik om die struktuur van die gedrukte te karakteriseer film en bevestig die diktemeting.Die SEM-studie is uitgevoer teen 'n versnellende spanning van 20 keV en 'n tipiese werkafstand van 10 mm.
Gebruik 'n digitale multimeter om GS-weerstand, -spanning en -stroom te meet. Die WS-impedansie van induktors, kapasitors en stroombane word gemeet met behulp van Agilent E4980 LCR-meter vir frekwensies onder 1 MHz en Agilent E5061A-netwerkontleder word gebruik vir die meet van frekwensies bo 500 kHz.Gebruik die Tektronix TDS 5034 ossilloskoop om die golfvorm van die spanningreguleerder te meet.
Hoe om hierdie artikel aan te haal: Ostfeld, AE, ens.Skermdruk passiewe komponente vir buigsame krag elektroniese toerusting.wetenskap.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next alomteenwoordige platform.Proses IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Menslike Intranet: 'n Plek waar groepe mense ontmoet. Referaat gepubliseer by die 2015 Europese Konferensie en Uitstalling oor Ontwerp, Outomatisering en Toetsing, Grenoble, Frankryk.San Jose, Kalifornië: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Maart- 13).
Krebs, FC ens.OE-A OPV demonstrant anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC-gedrukte piëzo-elektriese energie-oestoestelle.Gevorderde energiemateriaal.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-gedrukte plat dik film termo-elektriese energie generator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL 'n Buigsame hoë-potensiaal gedrukte battery wat gebruik word om gedrukte elektroniese toestelle aan te dryf. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Die jongste ontwikkelings in gedrukte buigsame batterye: meganiese uitdagings, druktegnologie en toekomsvooruitsigte.Energietegnologie.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. ens.'n Grootskaalse waarnemingstelsel wat groot-area elektroniese toestelle en CMOS IC's kombineer vir strukturele gesondheidsmonitering.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).