nyheder

Tak fordi du besøgte Nature. Den browserversion, du bruger, har begrænset understøttelse af CSS. For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en nyere version af browseren (eller slår kompatibilitetstilstanden fra i Internet Explorer).Samtidig , for at sikre fortsat support, vil vi vise websteder uden typografier og JavaScript.
Additiver og lavtemperaturudskrivningsprocesser kan integrere forskellige strømforbrugende og strømforbrugende elektroniske enheder på fleksible substrater til lave omkostninger. Imidlertid kræver produktionen af ​​komplette elektroniske systemer fra disse enheder normalt strømelektroniske enheder til at konvertere mellem de forskellige driftsspændinger på enhederne.Passive komponenter – induktorer, kondensatorer og modstande – udfører funktioner såsom filtrering, kortsigtet energilagring og spændingsmåling, som er afgørende i kraftelektronik og mange andre applikationer. I denne artikel introducerer vi induktorer, kondensatorer, modstande og RLC-kredsløb screen-printet på fleksible plastsubstrater og rapporterer designprocessen for at minimere seriemodstanden af ​​induktorer, så de kan bruges i strømelektroniske enheder. Den trykte induktor og modstand er derefter inkorporeret i boost-regulatorkredsløbet.Fremstilling af organiske lysemitterende dioder og fleksible lithium-ion-batterier. Spændingsregulatorer bruges til at forsyne dioderne fra batteriet, hvilket demonstrerer potentialet af printede passive komponenter til at erstatte traditionelle overflademonteringskomponenter i DC-DC-konverterapplikationer.
I de senere år er anvendelsen af ​​forskellige fleksible enheder i bærbare og store elektroniske produkter og Internet of Things1,2 blevet udviklet. Disse omfatter enheder til energihøst, såsom fotovoltaisk 3, piezoelektrisk 4 og termoelektrisk 5; energilagringsanordninger, såsom batterier 6, 7; og strømforbrugende enheder, såsom sensorer 8, 9, 10, 11, 12 og lyskilder 13. Selvom der er gjort store fremskridt med individuelle energikilder og belastninger, kræver det sædvanligvis effektelektronik at kombinere disse komponenter i et komplet elektronisk system. overvinde ethvert misforhold mellem strømforsyningsadfærd og belastningskrav. For eksempel genererer et batteri en variabel spænding i henhold til dets ladetilstand. Hvis belastningen kræver en konstant spænding eller højere end den spænding, som batteriet kan generere, kræves strømelektronik .Kraftelektronik bruger aktive komponenter (transistorer) til at udføre koblings- og kontrolfunktioner, såvel som passive komponenter (induktorer, kondensatorer og modstande). For eksempel i et koblingsregulatorkredsløb bruges en induktor til at lagre energi under hver koblingscyklus , en kondensator bruges til at reducere spændingsrippel, og spændingsmålingen, der kræves til feedbackkontrol, udføres ved hjælp af en modstandsdeler.
Kraftelektroniske enheder, der er egnede til bærbare enheder (såsom pulsoximeter 9) kræver adskillige volt og adskillige milliampere, fungerer normalt i frekvensområdet hundredvis af kHz til adskillige MHz og kræver adskillige μH og adskillige μH induktans og Kapacitansen μF er 14. Den traditionelle metode til fremstilling af disse kredsløb er at lodde diskrete komponenter til et stift printkort (PCB). Selvom de aktive komponenter i effektelektroniske kredsløb normalt kombineres til et enkelt integreret siliciumkredsløb (IC), er passive komponenter normalt eksternt, enten tillader brugerdefinerede kredsløb, eller fordi den nødvendige induktans og kapacitans er for stor til at blive implementeret i silicium.
Sammenlignet med den traditionelle PCB-baserede fremstillingsteknologi har fremstillingen af ​​elektroniske enheder og kredsløb gennem den additive printproces mange fordele med hensyn til enkelhed og omkostninger. For det første, da mange komponenter i kredsløbet kræver de samme materialer, såsom metaller til kontakter og sammenkoblinger gør udskrivning det muligt at fremstille flere komponenter på samme tid, med relativt få forarbejdningstrin og færre materialekilder15. Brugen af ​​additive processer til at erstatte subtraktive processer såsom fotolitografi og ætsning reducerer yderligere proceskompleksitet og materialespild16, 17, 18 og 19. Derudover er de lave temperaturer, der anvendes til udskrivning, kompatible med fleksible og billige plastiksubstrater, hvilket tillader brugen af ​​højhastigheds-rulle-til-rulle-fremstillingsprocesser til at dække elektroniske enheder 16, 20 over store områder. som ikke kan realiseres fuldt ud med trykte komponenter, er der udviklet hybridmetoder, hvor komponenter til overflademonteringsteknologi (SMT) forbindes til fleksible substrater 21, 22, 23 ved siden af ​​de trykte komponenter ved lave temperaturer. I denne hybride tilgang er det stadig nødvendigt at udskifte så mange SMT-komponenter som muligt med trykte modparter for at opnå fordelene ved yderligere processer og øge kredsløbets overordnede fleksibilitet. For at realisere fleksibel effektelektronik har vi foreslået en kombination af SMT-aktive komponenter og screentrykte passive komponenter komponenter, med særlig vægt på at erstatte voluminøse SMT-induktorer med plane spiralspoler. Blandt de forskellige teknologier til fremstilling af trykt elektronik er serigrafi særligt velegnet til passive komponenter på grund af dens store filmtykkelse (som er nødvendig for at minimere seriemodstanden af ​​metalelementer) ) og høj udskrivningshastighed, selv når de dækker områder på centimeterniveau. Det samme gælder til tider. Materiale 24.
Tabet af passive komponenter i kraftelektronisk udstyr skal minimeres, fordi kredsløbets effektivitet direkte påvirker mængden af ​​energi, der kræves for at drive systemet. Dette er især udfordrende for trykte induktorer sammensat af lange spoler, som derfor er modtagelige for høje serier Derfor, selvom der er gjort nogle bestræbelser på at minimere modstanden 25, 26, 27, 28 af de trykte spoler, er der stadig mangel på højeffektive trykte passive komponenter til kraftelektroniske enheder. Til dato har mange rapporteret trykte passive komponenter. komponenter på fleksible substrater er designet til at fungere i resonanskredsløb til radiofrekvensidentifikation (RFID) eller energihøstformål 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Andre fokuserer på materiale- eller fremstillingsprocesudvikling og viser generiske komponenter 26, 32, 33, 34, der ikke er optimeret til specifikke applikationer. I modsætning hertil bruger strømelektroniske kredsløb såsom spændingsregulatorer ofte større komponenter end typiske trykte passive enheder og kræver ikke resonans, så forskellige komponentdesign er påkrævet.
Her introducerer vi design og optimering af skærmtrykte induktorer i μH-området for at opnå den mindste seriemodstand og høj ydeevne ved frekvenser relateret til effektelektronik. Der fremstilles skærmtrykte induktorer, kondensatorer og modstande med forskellige komponentværdier på fleksible plastsubstrater. Disse komponenters egnethed til fleksible elektroniske produkter blev først demonstreret i et simpelt RLC-kredsløb. Den trykte induktor og modstand integreres derefter med IC'en for at danne en boost-regulator. Endelig en organisk lysemitterende diode (OLED ) og et fleksibelt lithium-ion-batteri fremstilles, og en spændingsregulator bruges til at drive OLED'en fra batteriet.
For at designe trykte induktorer til effektelektronik forudsagde vi først induktansen og DC-modstanden for en række induktorgeometrier baseret på den nuværende arkmodel foreslået i Mohan et al. 35, og fremstillede induktorer med forskellige geometrier for at bekræfte modellens nøjagtighed. I dette arbejde blev en cirkulær form valgt til induktoren, fordi en højere induktans 36 kan opnås med en lavere modstand sammenlignet med en polygonal geometri. Indflydelsen af ​​blæk type og antal udskrivningscyklusser på modstand bestemmes. Disse resultater blev derefter brugt med amperemetermodellen til at designe 4,7 μH og 7,8 μH induktorer optimeret til minimum DC modstand.
Induktansen og jævnstrømsmodstanden for spiralinduktorer kan beskrives af flere parametre: ydre diameter do, drejningsbredde w og afstand s, antal vindinger n og lederplademodstand Rsheet.Figur 1a viser et foto af en silketrykt cirkulær induktor med n = 12, der viser de geometriske parametre, der bestemmer dens induktans.Ifølge amperemetermodellen af ​​Mohan et al. 35, beregnes induktansen for en række induktorgeometrier, hvor
(a) Et foto af den skærmprintede induktor, der viser de geometriske parametre. Diameteren er 3 cm. Induktans (b) og DC modstand (c) af forskellige induktorgeometrier. Linjerne og mærkerne svarer til henholdsvis beregnede og målte værdier. (d,e) DC-modstandene for induktorerne L1 og L2 er screentrykt med henholdsvis Dupont 5028 og 5064H sølvfarver. (f,g) SEM-mikrografer af filmene screentrykt af henholdsvis Dupont 5028 og 5064H.
Ved høje frekvenser vil hudeffekten og den parasitære kapacitans ændre induktorens modstand og induktans i henhold til dens DC-værdi. Induktoren forventes at arbejde ved en tilstrækkelig lav frekvens til, at disse effekter er ubetydelige, og enheden opfører sig som en konstant induktans med en konstant modstand i serie. Derfor har vi i dette arbejde analyseret sammenhængen mellem geometriske parametre, induktans og DC-modstand, og brugt resultaterne til at opnå en given induktans med den mindste DC-modstand.
Induktans og modstand beregnes for en række geometriske parametre, der kan realiseres ved serigrafi, og det forventes, at der vil blive genereret induktans i μH-området. De ydre diametre på 3 og 5 cm, linjebredderne på 500 og 1000 mikron , og forskellige drejninger sammenlignes.I beregningen er det antaget, at plademodstanden er 47 mΩ/□, hvilket svarer til et 7 μm tykt Dupont 5028 sølv mikrofnuglederlag printet med en 400 mesh skærm og indstilling w = s. beregnede induktans- og modstandsværdier er vist i henholdsvis figur 1b og c. Modellen forudsiger, at både induktans og modstand stiger, når den ydre diameter og antallet af vindinger øges, eller når linjebredden aftager.
For at evaluere nøjagtigheden af ​​modelforudsigelser blev induktorer med forskellige geometrier og induktanser fremstillet på et polyethylenterephthalat (PET) substrat. De målte induktans- og modstandsværdier er vist i figur 1b og c. Selvom modstanden viste en vis afvigelse fra den forventede værdi, hovedsagelig på grund af ændringer i tykkelsen og ensartetheden af ​​den afsatte blæk, viste induktansen meget god overensstemmelse med modellen.
Disse resultater kan bruges til at designe en induktans med den nødvendige induktans og minimum DC-modstand. Antag for eksempel, at der kræves en induktans på 2 μH. Figur 1b viser, at denne induktans kan realiseres med en ydre diameter på 3 cm, en linjebredde på 500 μm og 10 vindinger. Den samme induktans kan også genereres ved hjælp af 5 cm ydre diameter, 500 μm linjebredde og 5 vindinger eller 1000 μm linjebredde og 7 vindinger (som vist på figuren). Sammenligning af modstandene for disse tre mulige geometrier i figur 1c, kan det konstateres, at den laveste modstand af en 5 cm induktor med en linjebredde på 1000 μm er 34 Ω, hvilket er omkring 40 % lavere end de to andre. Den generelle designproces for at opnå en given induktans med en minimumsmodstand opsummeres som følger: Først skal du vælge den maksimalt tilladte ydre diameter i henhold til de pladsbegrænsninger, der pålægges af applikationen. Derefter skal linjebredden være så stor som muligt, samtidig med at den krævede induktans opnås for at opnå en høj fyldningshastighed (ligning (3)).
Ved at øge tykkelsen eller bruge et materiale med højere ledningsevne for at reducere metalfilmens plademodstand, kan DC-modstanden reduceres yderligere uden at påvirke induktansen.To induktorer, hvis geometriske parametre er angivet i tabel 1, kaldet L1 og L2, er fremstillet med forskellige antal belægninger for at evaluere ændringen i modstand.Når antallet af blækbelægninger stiger, falder modstanden proportionalt som forventet, som vist i figur 1d og e, som er induktorerne L1 og L2, henholdsvis.Figur 1d og e viser, at ved at påføre 6 lag belægning kan modstanden reduceres med op til 6 gange, og den maksimale reduktion i modstand (50-65%) sker mellem lag 1 og lag 2. Da hvert lag blæk er relativt tyndt, skærm med en relativt lille gitterstørrelse (400 linjer pr. tomme) bruges til at printe disse induktorer, hvilket giver os mulighed for at studere effekten af ​​ledertykkelse på modstanden. Så længe mønsteregenskaberne forbliver større end gitterets minimumsopløsning, lignende tykkelse (og modstand) kan opnås hurtigere ved at udskrive et mindre antal belægninger med en større gitterstørrelse. Denne metode kan bruges til at opnå samme DC-modstand som den 6-belagte induktor diskuteret her, men med en højere produktionshastighed.
Figur 1d og e viser også, at ved at bruge den mere ledende sølvflage blæk DuPont 5064H, reduceres modstanden med en faktor to. Fra SEM-mikrofotografier af filmene, der er trykt med de to blæk (Figur 1f, g), kan det set, at den lavere ledningsevne af 5028 blækket skyldes dets mindre partikelstørrelse og tilstedeværelsen af ​​mange hulrum mellem partiklerne i den trykte film. På den anden side har 5064H større, tættere arrangerede flager, hvilket gør, at den opfører sig tættere på bulk sølv. Selvom filmen produceret af dette blæk er tyndere end 5028 blækket, med et enkelt lag på 4 μm og 6 lag på 22 μm, er stigningen i ledningsevnen tilstrækkelig til at reducere den samlede modstand.
Endelig, selvom induktansen (ligning (1)) afhænger af antallet af vindinger (w + s), afhænger modstanden (ligning (5)) kun af linjebredden w. Derfor, ved at øge w i forhold til s, vil modstanden kan reduceres yderligere. De to ekstra induktorer L3 og L4 er designet til at have w = 2s og en stor ydre diameter, som vist i tabel 1. Disse induktorer er fremstillet med 6 lag DuPont 5064H-belægning, som vist tidligere, for at give højeste ydeevne. Induktansen af ​​L3 er 4,720 ± 0,002 μH og modstanden er 4,9 ± 0,1 Ω, mens induktansen af ​​L4 er 7,839 ± 0,005 μH og 6,9 ± 0,1 Ω, som er i god overensstemmelse med modellen. stigning i tykkelse, ledningsevne og w/s betyder det, at L/R-forholdet er steget med mere end en størrelsesorden i forhold til værdien i figur 1.
Selvom lav jævnstrømsmodstand er lovende, kræver evaluering af egnetheden af ​​induktorer til kraftelektronisk udstyr, der fungerer i kHz-MHz-området, karakterisering ved AC-frekvenser. Figur 2a viser frekvensafhængigheden af ​​modstanden og reaktansen af ​​L3 og L4. For frekvenser under 10 MHz , forbliver modstanden nogenlunde konstant ved sin DC-værdi, mens reaktansen stiger lineært med frekvensen, hvilket betyder, at induktansen er konstant som forventet. Selvresonansfrekvensen er defineret som den frekvens, hvor impedansen skifter fra induktiv til kapacitiv, med L3 er 35,6 ± 0,3 MHz og L4 er 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvensafhængigheden af ​​kvalitetsfaktoren Q (lig med ωL/R) er vist i figur 2b. L3 og L4 opnår maksimale kvalitetsfaktorer på 35 ± 1 og 33 ± 1 ved frekvenser på henholdsvis 11 og 16 MHz. Induktansen på nogle få μH og den relativt høje Q ved MHz frekvenser gør disse induktorer tilstrækkelige til at erstatte traditionelle overflademonterede induktorer i laveffekt DC-DC konvertere.
Den målte modstand R og reaktans X (a) og kvalitetsfaktor Q (b) for induktorerne L3 og L4 er relateret til frekvensen.
For at minimere det nødvendige fodaftryk for en given kapacitans, er det bedst at bruge kondensatorteknologi med en stor specifik kapacitans, som er lig med dielektricitetskonstanten ε divideret med tykkelsen af ​​dielektrikumet. I dette arbejde valgte vi bariumtitanatkomposit som dielektrikumet, fordi det har en højere epsilon end andre opløsningsbehandlede organiske dielektrikum. Det dielektriske lag er skærmprintet mellem de to sølvledere for at danne en metal-dielektrisk-metalstruktur.Kondensatorer med forskellige størrelser i centimeter, som vist i figur 3a , er fremstillet ved hjælp af to eller tre lag dielektrisk blæk for at opretholde et godt udbytte.Figur 3b viser et tværsnits SEM-mikrografi af en repræsentativ kondensator lavet med to lag dielektrisk, med en total dielektrisk tykkelse på 21 μm. Top- og bundelektroderne er henholdsvis et-lags og seks-lags 5064H. Bariumtitanatpartikler i mikrostørrelse er synlige på SEM-billedet, fordi de lysere områder er omgivet af det mørkere organiske bindemiddel. Det dielektriske blæk fugter bundelektroden godt og danner en klar grænseflade med trykt metalfilm, som vist på illustrationen med højere forstørrelse.
(a) Et foto af en kondensator med fem forskellige områder.(b) Tværsnits-SEM-mikrografi af en kondensator med to lag dielektrikum, der viser bariumtitanat-dielektrikum og sølvelektroder.(c) Kapacitanser af kondensatorer med 2 og 3 bariumtitanat dielektriske lag og forskellige områder, målt ved 1 MHz.(d) Forholdet mellem kapacitansen, ESR og tabsfaktoren for en 2,25 cm2 kondensator med 2 lag dielektriske belægninger og frekvens.
Kapacitansen er proportional med det forventede areal. Som vist i figur 3c er den specifikke kapacitans for to-lags dielektrikumet 0,53 nF/cm2, og den specifikke kapacitans for tre-lags dielektrikumet er 0,33 nF/cm2. Disse værdier svarer til en dielektricitetskonstant på 13. Kapacitans og dissipationsfaktor (DF) blev også målt ved forskellige frekvenser, som vist i figur 3d, for en 2,25 cm2 kondensator med to lag dielektrikum. Vi fandt ud af, at kapacitansen var relativt flad i det relevante frekvensområde og steg med 20 % fra 1 til 10 MHz, mens DF i samme område er steget fra 0,013 til 0,023. Da dissipationsfaktoren er forholdet mellem energitab og energien lagret i hver AC-cyklus, betyder en DF på 0,02, at 2 % af den håndterede effekt af kondensatoren forbruges.Dette tab udtrykkes normalt som den frekvensafhængige ækvivalente seriemodstand (ESR) forbundet i serie med kondensatoren, hvilket er lig med DF/ωC.Som vist i figur 3d, for frekvenser større end 1 MHz, ESR er lavere end 1,5 Ω, og for frekvenser større end 4 MHz er ESR lavere end 0,5 Ω. Selvom man bruger denne kondensatorteknologi, kræver μF-klassens kondensatorer, der kræves til DC-DC-konvertere, et meget stort areal, men 100 pF- nF kapacitansområde og lavt tab af disse kondensatorer gør dem velegnede til andre anvendelser, såsom filtre og resonanskredsløb. Forskellige metoder kan bruges til at øge kapacitansen. En højere dielektrisk konstant øger den specifikke kapacitans 37; for eksempel kan dette opnås ved at øge koncentrationen af ​​bariumtitanat-partikler i blækket. En mindre dielektrisk tykkelse kan anvendes, selvom dette kræver en bundelektrode med en lavere ruhed end en silketrykt sølvflage. Tyndere kondensator med lavere ruhed lag kan afsættes ved inkjet-print 31 eller dybtryk 10, som kan kombineres med en serigrafi-proces. Endelig kan flere vekslende lag af metal og dielektrikum stables og printes og forbindes parallelt, hvorved kapacitansen 34 pr. arealenhed øges .
En spændingsdeler, der er sammensat af et par modstande, bruges normalt til at udføre spændingsmålinger, der kræves til feedbackstyring af en spændingsregulator. Til denne type anvendelse skal modstanden af ​​den trykte modstand være i kΩ-MΩ-området, og forskellen mellem enhederne er små. Her blev det konstateret, at arkmodstanden for enkeltlags silketrykt kulstofblæk var 900 Ω/□. Disse oplysninger bruges til at designe to lineære modstande (R1 og R2) og en serpentinmodstand (R3) ) med nominelle modstande på 10 kΩ, 100 kΩ og 1,5 MΩ. Modstanden mellem de nominelle værdier opnås ved at printe to eller tre lag blæk, som vist i figur 4, og fotos af de tre modstande. Lav 8- 12 prøver af hver type; i alle tilfælde er standardafvigelsen af ​​modstanden 10 % eller mindre. Modstandsændringen for prøver med to eller tre lag belægning har en tendens til at være lidt mindre end for prøver med et lag belægning. Den lille ændring i den målte modstand og den tætte overensstemmelse med den nominelle værdi indikerer, at andre modstande i dette område kan opnås direkte ved at modificere modstandsgeometrien.
Tre forskellige modstandsgeometrier med forskellige antal kulstofresistive blækbelægninger. Billedet af tre modstande er vist til højre.
RLC-kredsløb er klassiske lærebogseksempler på modstands-, induktor- og kondensatorkombinationer, der bruges til at demonstrere og verificere adfærden af ​​passive komponenter integreret i rigtige trykte kredsløb. I dette kredsløb er en 8 μH induktor og en 0,8 nF kondensator forbundet i serie, og en 25 kΩ modstand er forbundet parallelt med dem. Fotoet af det fleksible kredsløb er vist i figur 5a. Grunden til at vælge denne specielle serie-parallelle kombination er, at dens opførsel er bestemt af hver af de tre forskellige frekvenskomponenter, således at ydeevnen af ​​hver komponent kan fremhæves og evalueres. I betragtning af induktorens 7 Ω seriemodstand og kondensatorens 1,3 Ω ESR, blev den forventede frekvensgang for kredsløbet beregnet. Kredsløbsdiagrammet er vist i figur 5b, og det beregnede impedansamplitude og fase og målte værdier er vist i figur 5c og d.Ved lave frekvenser betyder kondensatorens høje impedans, at kredsløbets opførsel bestemmes af 25 kΩ modstanden. Efterhånden som frekvensen stiger, vil impedansen af LC-stien falder; hele kredsløbets adfærd er kapacitiv indtil resonansfrekvensen er 2,0 MHz.Over resonansfrekvensen dominerer den induktive impedans.Figur 5 viser tydeligt den fremragende overensstemmelse mellem beregnede og målte værdier på tværs af hele frekvensområdet.Det betyder, at den anvendte model her (hvor induktorer og kondensatorer er ideelle komponenter med seriemodstand) er nøjagtig til at forudsige kredsløbsadfærd ved disse frekvenser.
(a) Et foto af et skærmtrykt RLC-kredsløb, der bruger en seriekombination af en 8 μH induktor og en 0,8 nF kondensator parallelt med en 25 kΩ modstand.(b) Kredsløbsmodel inklusive seriemodstand af induktor og kondensator.(c) ,d) Impedansamplituden (c) og fase (d) af kredsløbet.
Endelig er trykte induktorer og modstande implementeret i boost-regulatoren. IC'en, der bruges i denne demonstration, er Microchip MCP1640B14, som er en PWM-baseret synkron boost-regulator med en driftsfrekvens på 500 kHz. Kredsløbsdiagrammet er vist i figur 6a.A 4,7 μH induktor og to kondensatorer (4,7 μF og 10 μF) bruges som energilagringselementer, og et par modstande bruges til at måle udgangsspændingen fra feedbackstyringen. Vælg modstandsværdien for at justere udgangsspændingen til 5 V. Kredsløbet er fremstillet på printkortet, og dets ydeevne måles inden for belastningsmodstanden og indgangsspændingsområdet på 3 til 4 V for at simulere lithium-ion-batteriet i forskellige opladningstilstande. Effektiviteten af ​​trykte induktorer og modstande sammenlignes med effektivitet af SMT-spoler og modstande. SMT-kondensatorer bruges i alle tilfælde, fordi den krævede kapacitans til denne applikation er for stor til at blive udfyldt med trykte kondensatorer.
(a) Diagram over spændingsstabiliserende kredsløb.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, og (d) Bølgeformer af strøm, der flyder ind i induktoren, indgangsspændingen er 4,0 V, belastningsmodstanden er 1 kΩ, og den trykte induktor bruges til at måle.Overflademonterede modstande og kondensatorer bruges til denne måling.(e) For forskellige belastningsmodstande og indgangsspændinger, effektiviteten af ​​spændingsregulatorkredsløb, der bruger alle overflademonterede komponenter og trykte induktorer og modstande.(f ) Effektivitetsforholdet mellem overflademontering og trykt kredsløb vist i (e).
For 4,0 V indgangsspænding og 1000 Ω belastningsmodstand er bølgeformerne målt ved hjælp af trykte induktorer vist i figur 6b-d. Figur 6c viser spændingen ved Vsw terminalen på IC; induktorspændingen er Vin-Vsw. Figur 6d viser strømmen, der løber ind i induktoren. Effektiviteten af ​​kredsløbet med SMT og trykte komponenter er vist i figur 6e som funktion af indgangsspænding og belastningsmodstand, og figur 6f viser effektivitetsforholdet af trykte komponenter til SMT-komponenter. Effektiviteten målt ved brug af SMT-komponenter svarer til den forventede værdi angivet i producentens datablad 14.Ved høj indgangsstrøm (lav belastningsmodstand og lav indgangsspænding) er effektiviteten af ​​printede induktorer væsentligt lavere end den for SMT-spoler på grund af den højere seriemodstand. Men med højere indgangsspænding og højere udgangsstrøm bliver modstandstab mindre vigtigt, og ydeevnen af ​​printede induktorer begynder at nærme sig den for SMT-spoler. For belastningsmodstande >500 Ω og Vin = 4,0 V eller >750 Ω og Vin = 3,5 V, er effektiviteten af ​​printede induktorer større end 85 % af SMT-spoler.
Sammenligning af strømbølgeformen i figur 6d med det målte effekttab viser, at modstandstabet i induktoren er hovedårsagen til forskellen i effektivitet mellem det trykte kredsløb og SMT-kredsløbet, som forventet. Indgangs- og udgangseffekten målt ved 4,0 V indgangsspænding og 1000 Ω belastningsmodstand er 30,4 mW og 25,8 mW for kredsløb med SMT-komponenter, og 33,1 mW og 25,2 mW for kredsløb med trykte komponenter. Derfor er tabet af det trykte kredsløb 7,9 mW, hvilket er 3,4 mW højere end kredsløb med SMT-komponenter. RMS-induktorstrømmen beregnet ud fra bølgeformen i figur 6d er 25,6 mA. Da dens seriemodstand er 4,9 Ω, er det forventede effekttab 3,2 mW. Dette er 96 % af den målte 3,4 mW DC effektforskel. Derudover er kredsløbet fremstillet med printede induktorer og printede modstande og printede induktorer og SMT modstande, og der observeres ingen signifikant effektivitetsforskel mellem dem.
Derefter fremstilles spændingsregulatoren på det fleksible printkort (kredsløbets udskrivning og SMT-komponentydelse er vist i Supplerende figur S1) og forbindes mellem det fleksible lithium-ion-batteri som strømkilde og OLED-arrayet som belastning. Ifølge Lochner et al. 9 Til fremstilling af OLED'er forbruger hver OLED-pixel 0,6 mA ved 5 V. Batteriet bruger lithium-koboltoxid og grafit som henholdsvis katode og anode og er fremstillet ved en rakelbelægning, som er den mest almindelige batteriudskrivningsmetode.7 batterikapaciteten er 16mAh, og spændingen under testen er 4,0V.Figur 7 viser et foto af kredsløbet på det fleksible printkort, der forsyner tre OLED-pixel, der er forbundet parallelt. Demonstrationen demonstrerede potentialet af printede strømkomponenter til at blive integreret med andre fleksible og organiske enheder til at danne mere komplekse elektroniske systemer.
Et foto af spændingsregulatorkredsløbet på et fleksibelt printkort ved hjælp af trykte induktorer og modstande, ved hjælp af fleksible lithium-ion-batterier til at drive tre organiske LED'er.
Vi har vist skærmtrykte induktorer, kondensatorer og modstande med en række værdier på fleksible PET-substrater med det formål at erstatte overflademonteringskomponenter i kraftelektronisk udstyr. Vi har vist, at ved at designe en spiral med en stor diameter, fyldningshastighed , og linjebredde-mellemrumsbreddeforhold, og ved at bruge et tykt lag blæk med lav modstand. Disse komponenter er integreret i et fuldt printet og fleksibelt RLC-kredsløb og udviser forudsigelig elektrisk adfærd i kHz-MHz frekvensområdet, som er af størst interesse for kraftelektronik.
Typiske anvendelsestilfælde for elektroniske enheder med tryk er bærbare eller produktintegrerede fleksible elektroniske systemer, drevet af fleksible genopladelige batterier (såsom lithium-ion), som kan generere variable spændinger i henhold til ladetilstanden. Hvis belastningen (inklusive udskrivning og organisk elektronisk udstyr) kræver en konstant spænding eller højere end spændingen fra batteriet, er en spændingsregulator påkrævet. Af denne grund er trykte induktorer og modstande integreret med traditionelle silicium-IC'er i en boost-regulator for at forsyne OLED'en med en konstant spænding på 5 V fra en batteristrømforsyning med variabel spænding. Inden for et vist område af belastningsstrøm og indgangsspænding overstiger effektiviteten af ​​dette kredsløb 85 % af effektiviteten af ​​et styrekredsløb, der bruger overflademonterede induktorer og modstande. På trods af materiale- og geometriske optimeringer, resistive tab i induktoren er stadig den begrænsende faktor for kredsløbsydelse ved høje strømniveauer (indgangsstrøm større end ca. 10 mA). Ved lavere strømme reduceres tabene i induktoren dog, og den samlede ydeevne begrænses af effektiviteten af IC. Da mange trykte og organiske enheder kræver relativt lave strømme, såsom de små OLED'er, der bruges i vores demonstration, kan trykte strøminduktorer anses for at være egnede til sådanne applikationer. Ved at bruge IC'er designet til at have den højeste effektivitet ved lavere strømniveauer, højere samlet konvertereffektivitet kan opnås.
I dette arbejde er spændingsregulatoren bygget på den traditionelle PCB, fleksible PCB og overflademonterede komponentloddeteknologi, mens den trykte komponent er fremstillet på et separat substrat. trykte film skal gøre det muligt at printe passive komponenter såvel som sammenkoblingen mellem enheden og de overflademonterede komponentkontaktpuder på ethvert underlag. Dette, kombineret med brugen af ​​eksisterende lavtemperatur ledende klæbemidler til overflademonteringskomponenter, vil tillade hele kredsløbet skal bygges på billige substrater (såsom PET) uden behov for subtraktive processer såsom PCB-ætsning. Derfor hjælper de screenprintede passive komponenter udviklet i dette arbejde med at bane vejen for fleksible elektroniske systemer, der integrerer energi og belastninger med højtydende kraftelektronik, ved hjælp af billige substrater, hovedsageligt additive processer og minimalt antal overflademonteringskomponenter.
Ved at bruge Asys ASP01M screenprinter og en rustfri stålskærm leveret af Dynamesh Inc. blev alle lag af passive komponenter screentrykt på et fleksibelt PET-substrat med en tykkelse på 76 μm. Metallagets maskestørrelse er 400 linjer pr. tomme og 250 linjer pr. tomme for det dielektriske lag og modstandslaget. Brug en gummiskraberkraft på 55 N, en printhastighed på 60 mm/s, en brudafstand på 1,5 mm og en Serilor-skraber med en hårdhed på 65 (til metal og resistiv) lag) eller 75 (for dielektriske lag) til serigrafi.
De ledende lag - induktorerne og kontakterne på kondensatorer og modstande - er trykt med DuPont 5082 eller DuPont 5064H sølv mikroflake blæk. Modstanden er trykt med DuPont 7082 kulstofleder. bruges.Hvert lag af dielektrikum er produceret ved hjælp af en to-pass (våd-våd) printcyklus for at forbedre ensartetheden af ​​filmen.For hver komponent blev effekten af ​​flere printcyklusser på komponentens ydeevne og variabilitet undersøgt.Prøver lavet med flere belægninger af det samme materiale blev tørret ved 70 °C i 2 minutter mellem belægningerne. Efter påføring af det sidste lag af hvert materiale blev prøverne bagt ved 140 °C i 10 minutter for at sikre fuldstændig tørring. Den automatiske justeringsfunktion af skærmen printeren bruges til at justere efterfølgende lag. Kontakten med midten af ​​induktoren opnås ved at skære et gennemgående hul i midterpuden og stencil printspor på bagsiden af ​​substratet med DuPont 5064H blæk. Sammenkoblingen mellem printudstyr bruger også Dupont 5064H stenciludskrivning. For at vise de trykte komponenter og SMT-komponenter på det fleksible printkort vist i figur 7, er de trykte komponenter forbundet med Circuit Works CW2400 ledende epoxy, og SMT-komponenterne er forbundet ved traditionel lodning.
Lithium-koboltoxid (LCO) og grafitbaserede elektroder bruges som henholdsvis katode og anode på batteriet. Katodeslammet er en blanding af 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafit (KS6, Timcal), 2,5 % % kønrøg (Super P, Timcal) og 10 % polyvinylidenfluorid (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoden er en blanding af 84 vægt% grafit, 4 vægt% carbon black og 13 vægt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) anvendes til at opløse PVDF-bindemidlet og dispergere opslæmningen. omrøring med en hvirvelblander natten over. En 0,0005 tommer tyk rustfri stålfolie og en 10 μm nikkelfolie bruges som strømaftagere til henholdsvis katoden og anoden. Blækket trykkes på strømaftageren med en gummiskraber med en printhastighed på 20 mm/s. Opvarm elektroden i en ovn ved 80 °C i 2 timer for at fjerne opløsningsmidlet. Elektrodens højde efter tørring er ca. 60 μm, og baseret på vægten af ​​det aktive materiale er den teoretiske kapacitet 1,65 mAh /cm2. Elektroderne blev skåret i dimensioner på 1,3 × 1,3 cm2 og opvarmet i en vakuumovn ved 140°C natten over, og derefter blev de forseglet med aluminiumslaminatposer i en nitrogenfyldt handskeboks. En opløsning af polypropylenbasisfilm med anode og katode og 1M LiPF6 i EC/DEC (1:1) bruges som batterielektrolyt.
Grøn OLED består af poly(9,9-dioctylfluoren-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamin) (TFB) og poly((9,9-dioctylfluoren-2,7- (2,1,3-benzothiadiazol-) 4, 8-diyl)) (F8BT) ifølge proceduren skitseret i Lochner et al.
Brug Dektak stylus profiler til at måle filmtykkelse. Filmen blev skåret til for at forberede en tværsnitsprøve til undersøgelse ved scanning elektronmikroskopi (SEM). FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) SEM bruges til at karakterisere strukturen af ​​den udskrevne film og bekræfte tykkelsesmålingen. SEM-undersøgelsen blev udført ved en accelererende spænding på 20 keV og en typisk arbejdsafstand på 10 mm.
Brug et digitalt multimeter til at måle DC-modstand, spænding og strøm. AC-impedansen af ​​induktorer, kondensatorer og kredsløb måles ved hjælp af Agilent E4980 LCR-måler til frekvenser under 1 MHz og Agilent E5061A netværksanalysator bruges til måling af frekvenser over 500 kHz. Tektronix TDS 5034 oscilloskop til at måle spændingsregulatorens bølgeform.
Sådan citeres denne artikel: Ostfeld, AE, etc.Screen printing passive komponenter til fleksibelt magt elektronisk udstyr.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Fleksibel elektronik: den næste allestedsnærværende platform. Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Et sted, hvor grupper møder mennesker. Papir offentliggjort på 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, Californien: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. marts- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC trykte piezoelektriske energihøstanordninger.Avancerede energimaterialer.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-trykt flad tyk film termoelektrisk energigenerator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Et fleksibelt trykt batteri med højt potentiale, der bruges til at drive trykte elektroniske enheder.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Den seneste udvikling inden for trykte fleksible batterier: mekaniske udfordringer, printteknologi og fremtidsudsigter.Energiteknologi.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.Et stort målesystem, der kombinerer store elektroniske enheder og CMOS IC'er til strukturel sundhedsovervågning.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).