вести

Адитиви и процеси штампања на ниској температури могу интегрисати различите електронске уређаје који троше и троше енергију на флексибилним подлогама по ниској цени. Међутим, производња комплетних електронских система од ових уређаја обично захтева енергетске електронске уређаје за претварање између различитих радних напона од уређаји. Пасивне компоненте — индуктори, кондензатори и отпорници — обављају функције као што су филтрирање, краткорочно складиштење енергије и мерење напона, који су неопходни у енергетској електроници и многим другим апликацијама. отпорници и РЛЦ кола штампана екраном на флексибилним пластичним подлогама и извештавају о процесу пројектовања како би се минимизирао серијски отпор индуктора како би се могли користити у енергетским електронским уређајима. Штампани индуктор и отпорник се затим уграђују у коло регулатора појачања. органских светлећих диода и флексибилних литијум-јонских батерија. Регулатори напона се користе за напајање диода из батерије, демонстрирајући потенцијал штампаних пасивних компоненти да замене традиционалне компоненте за површинску монтажу у апликацијама ДЦ-ДЦ претварача.
Последњих година развијена је примена различитих флексибилних уређаја у носивим електронским производима и електронским производима велике површине и Интернету ствари1,2. То укључује уређаје за прикупљање енергије, као што су фотонапонски 3, пиезоелектрични 4 и термоелектрични 5; уређаји за складиштење енергије, као што су батерије 6, 7; и уређаји који троше енергију, као што су сензори 8, 9, 10, 11, 12 и извори светлости 13. Иако је постигнут велики напредак у појединачним изворима енергије и оптерећењима, комбиновање ових компоненти у комплетан електронски систем обично захтева енергетску електронику да превазићи било какву неусклађеност између понашања напајања и захтева за оптерећење. На пример, батерија генерише променљив напон у складу са стањем напуњености. Ако оптерећење захтева константан напон или већи од напона који батерија може да генерише, потребна је енергетска електроника .Енергетска електроника користи активне компоненте (транзистори) за обављање функција пребацивања и управљања, као и пасивне компоненте (индуктори, кондензатори и отпорници). На пример, у колу прекидачког регулатора, индуктор се користи за складиштење енергије током сваког циклуса пребацивања , кондензатор се користи за смањење таласа напона, а мерење напона потребно за контролу повратне спреге се врши помоћу резисторског разделника.
Електрични електронски уређаји који су погодни за уређаје који се могу носити (као што је пулсни оксиметар 9) захтевају неколико волти и неколико милиампера, обично раде у опсегу фреквенција од стотина кХз до неколико МХз и захтевају неколико μХ и неколико μХ индуктивност и Капацитет μФ је 14. Традиционални метод производње ових кола је лемљење дискретних компоненти на круту штампану плочу (ПЦБ). Иако су активне компоненте енергетских електронских кола обично комбиноване у једно силиконско интегрисано коло (ИЦ), пасивне компоненте су обично екстерно, или дозвољава прилагођена кола, или зато што су потребна индуктивност и капацитивност превелики да би се имплементирали у силицијум.
У поређењу са традиционалном технологијом производње заснованом на ПЦБ-у, производња електронских уређаја и кола кроз процес адитивног штампања има многе предности у смислу једноставности и цене. Прво, пошто многе компоненте кола захтевају исте материјале, као што су метали за контакте и међусобне везе, штампа омогућава да се више компоненти производи у исто време, са релативно мало корака обраде и мање извора материјала15. Употреба адитивних процеса за замену субтрактивних процеса као што су фотолитографија и гравирање додатно смањује сложеност процеса и отпад материјала16, 17, 18 и 19. Поред тога, ниске температуре које се користе у штампању су компатибилне са флексибилним и јефтиним пластичним подлогама, омогућавајући употребу процеса производње од ролна до ролне велике брзине за покривање електронских уређаја 16, 20 на великим површинама. које се не могу у потпуности реализовати са штампаним компонентама, развијене су хибридне методе у којима се компоненте технологије површинске монтаже (СМТ) повезују са флексибилним подлогама 21, 22, 23 поред штампаних компоненти на ниским температурама. У овом хибридном приступу, и даље је неопходно је да се што више СМТ компоненти замени штампаним панданима како би се добиле предности додатних процеса и повећала укупна флексибилност кола. Да бисмо реализовали флексибилну енергетску електронику, предложили смо комбинацију СМТ активних компоненти и пасивних сито штампаних компоненте, са посебним нагласком на замену гломазних СМТ индуктора равним спиралним индукторима. Међу различитим технологијама за производњу штампане електронике, сито штампа је посебно погодна за пасивне компоненте због велике дебљине филма (која је неопходна да би се минимизирао серијски отпор металних карактеристика ) и велика брзина штампања, чак и када се покривају области на нивоу центиметра. Исто важи и за тренутке. Материјал 24.
Губитак пасивних компоненти енергетске електронске опреме мора бити минимизиран, јер ефикасност кола директно утиче на количину енергије потребне за напајање система. Ово је посебно изазовно за штампане индукторе састављене од дугих намотаја, који су стога подложни високим серијама. Отпор. Према томе, иако су уложени одређени напори да се минимизира отпор 25, 26, 27, 28 штампаних калемова, још увек постоји недостатак високоефикасних штампаних пасивних компоненти за енергетске електронске уређаје. До данас, многи су пријавили штампане пасивне компоненте на флексибилним подлогама су дизајниране да раде у резонантним колима за идентификацију радио фреквенције (РФИД) или у сврху прикупљања енергије 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Други се фокусирају на развој материјала или производног процеса и приказују генеричке компоненте 26, 32, 33, 34 који нису оптимизовани за специфичне примене. Насупрот томе, електронска кола за напајање као што су регулатори напона често користе веће компоненте од типичних штампаних пасивних уређаја и не захтевају резонанцију, тако да су потребни различити дизајни компоненти.
Овде представљамо дизајн и оптимизацију сито штампаних индуктора у опсегу μХ да бисмо постигли најмањи серијски отпор и високе перформансе на фреквенцијама које се односе на енергетску електронику. Произведени су индуктори, кондензатори и отпорници са екраном штампаних са различитим вредностима компоненти на флексибилним пластичним подлогама. Погодност ових компоненти за флексибилне електронске производе је прво демонстрирана у једноставном РЛЦ колу. Штампани индуктор и отпорник су затим интегрисани са ИЦ-ом да формирају регулатор појачања. Коначно, органска диода која емитује светлост (ОЛЕД ) и производи се флексибилна литијум-јонска батерија, а регулатор напона се користи за напајање ОЛЕД-а из батерије.
Да бисмо дизајнирали штампане индукторе за енергетску електронику, прво смо предвидели индуктивност и ДЦ отпор низа геометрија индуктора на основу тренутног модела листа предложеног у Мохан ет ал. 35, и произведени индуктори различите геометрије да би се потврдила тачност модела. У овом раду је за индуктор изабран кружни облик јер се већа индуктивност 36 може постићи мањим отпором у поређењу са полигоналном геометријом. Утицај мастила Одређује се тип и број циклуса штампања на отпор. Ови резултати су затим коришћени са моделом амперметра за пројектовање индуктора од 4,7 μХ и 7,8 μХ оптимизованих за минимални отпор једносмерне струје.
Индуктивност и једносмерни отпор спиралних индуктора могу се описати са неколико параметара: спољним пречником до, ширином завоја в и размаком с, бројем завоја н и отпором плоче проводника Рсхеет. Слика 1а приказује фотографију кружног индуктора штампаног ситотиском са н = 12, показујући геометријске параметре који одређују његову индуктивност.Према моделу амперметра Мохана ет ал. 35, индуктивност је израчуната за серију геометрија индуктора, где је
(а) Фотографија ситоштампаног индуктора са геометријским параметрима. Пречник је 3 цм. Индуктивност (б) и отпор једносмерној струји (ц) различитих геометрија индуктора. Линије и ознаке одговарају израчунатим и измереним вредностима, респективно. (д,е) ДЦ отпори индуктора Л1 и Л2 су штампани на сито штампи Дупонт 5028 и 5064Х сребрним бојама, респективно. (ф,г) СЕМ микрофотографије филма сито штампане од стране Дупонт 5028 и 5064Х, респективно.
На високим фреквенцијама, скин ефекат и паразитска капацитивност ће променити отпор и индуктивност индуктора према његовој једносмерној вредности. Очекује се да индуктор ради на довољно ниској фреквенцији да су ови ефекти занемарљиви, а уређај се понаша као константна индуктивност са константним отпором у серији. Због тога смо у овом раду анализирали везу између геометријских параметара, индуктивности и отпора једносмерној струји и на основу резултата добили задату индуктивност са најмањим једносмерним отпором.
Индуктивност и отпор су израчунати за низ геометријских параметара који се могу реализовати сито штампом, а очекује се да ће се генерисати индуктивност у опсегу μХ. Спољни пречници 3 и 5 цм, ширине линија 500 и 1000 микрона , а упоређују се различити завоји. У прорачуну се претпоставља да је отпор лима 47 мΩ/□, што одговара слоју Дупонт 5028 сребрног микрофлаке проводника дебљине 7 μм штампаном са ситом од 400 месх и подешавањем в = с. израчунате вредности индуктивности и отпора су приказане на слици 1б и ц, респективно. Модел предвиђа да се и индуктивност и отпор повећавају како се повећавају спољашњи пречник и број завоја, или како се ширина линије смањује.
Да би се проценила тачност предвиђања модела, индуктори различите геометрије и индуктивности су произведени на подлози од полиетилен терефталата (ПЕТ). Измерене вредности индуктивности и отпора су приказане на слици 1б и ц. Иако је отпор показао извесно одступање од очекивану вредност, углавном због промена у дебљини и уједначености депонованог мастила, индуктивност је показала веома добро слагање са моделом.
Ови резултати се могу користити за пројектовање индуктора са потребном индуктивношћу и минималним ДЦ отпором. На пример, претпоставимо да је потребна индуктивност од 2 μХ. Слика 1б показује да се ова индуктивност може реализовати са спољним пречником од 3 цм, ширином линије од 500 μм и 10 завоја. Иста индуктивност се такође може генерисати коришћењем спољног пречника 5 цм, ширине линије 500 μм и 5 завоја или 1000 μм ширине линије и 7 завоја (као што је приказано на слици). Поређење отпора ове три могуће геометрије на слици 1ц, може се наћи да је најмањи отпор индуктора од 5 цм са ширином линије од 1000 μм 34 Ω, што је око 40% ниже од друга два. Општи процес пројектовања за постизање дате индуктивности са минималним отпором је сажето на следећи начин: Прво, изаберите максимални дозвољени спољни пречник у складу са ограничењима простора која намеће апликација. Затим, ширина линије треба да буде што је могуће већа док се и даље постиже потребна индуктивност да би се постигла висока стопа пуњења (једначина (3)).
Повећањем дебљине или коришћењем материјала са већом проводљивошћу за смањење отпора лима металног филма, ДЦ отпор се може даље смањити без утицаја на индуктивност. Два индуктора, чији су геометријски параметри дати у табели 1, названи Л1 и Л2, се производе са различитим бројем премаза како би се проценила промена отпора. Како се број премаза мастила повећава, отпор се смањује пропорционално како се очекивало, као што је приказано на сликама 1д и е, које су индуктори Л1 и Л2, респективно. Слике 1д и е показују да се наношењем 6 слојева премаза отпор може смањити до 6 пута, а максимално смањење отпора (50-65%) се јавља између слоја 1 и слоја 2. Пошто је сваки слој мастила релативно танак, екран са релативно малом величином мреже (400 линија по инчу) се користи за штампање ових индуктора, што нам омогућава да проучавамо утицај дебљине проводника на отпор. Све док карактеристике шаблона остају веће од минималне резолуције мреже, а слична дебљина (и отпор) се може постићи брже штампањем мањег броја премаза са већом величином мреже. Овај метод се може користити за постизање истог отпора једносмерне струје као индуктор са 6 слојева о коме се овде говори, али са већом брзином производње.
Слике 1д и е такође показују да коришћењем проводљивијег сребрног мастила ДуПонт 5064Х отпор се смањује за фактор два. Из СЕМ микрофотографија филмова штампаних са два мастила (Слика 1ф, г), може се види се да је нижа проводљивост мастила 5028 последица његове мање величине честица и присуства многих празнина између честица у штампаном филму. С друге стране, 5064Х има веће, ближе распоређене љуспице, што га чини ближим маси. сребро. Иако је филм произведен овим мастилом тањи од мастила 5028, са једним слојем од 4 μм и 6 слојева од 22 μм, повећање проводљивости је довољно да смањи укупни отпор.
Коначно, иако индуктивност (једначина (1)) зависи од броја завоја (в + с), отпор (једначина (5)) зависи само од ширине линије в. Дакле, повећањем в у односу на с, отпор могу се додатно смањити. Две додатне индукторе Л3 и Л4 су дизајниране да имају в = 2с и велики спољни пречник, као што је приказано у табели 1. Ови индуктори су произведени са 6 слојева ДуПонт 5064Х премаза, као што је приказано раније, да би обезбедили највише перформансе. Индуктивност Л3 је 4,720 ± 0,002 μХ, а отпор 4,9 ± 0,1 Ω, док је индуктивност Л4 7,839 ± 0,005 μХ и 6,9 ± 0,1 Ω, што се добро слаже са моделом Д у предикције. повећање дебљине, проводљивости и в/с, то значи да се однос Л/Р повећао за више од реда величине у односу на вредност на слици 1.
Иако је низак отпор једносмерној струји обећавајући, процена подобности индуктора за енергетску електронску опрему која ради у опсегу кХз-МХз захтева карактеризацију на фреквенцијама наизменичне струје. Слика 2а показује зависност од фреквенције отпора и реактансе Л3 и Л4. За фреквенције испод 10 МХз , отпор остаје отприлике константан на својој једносмерној вредности, док реактанца расте линеарно са фреквенцијом, што значи да је индуктивност константна као што је очекивано. Л3 је 35,6 ± 0,3 МХз и Л4 је 24,3 ± 0,6 МХз. Фреквенцијска зависност фактора квалитета К (једнако ωЛ/Р) је приказана на слици 2б. Л3 и Л4 постижу максималне факторе квалитета од 35 ± 1 и 33 ± 1 на фреквенцијама од 11 и 16 МХз, респективно. Индуктивност од неколико μХ и релативно висок К на фреквенцијама МХз чине ове индукторе довољним да замене традиционалне индукторе за површинску монтажу у ДЦ-ДЦ претварачима мале снаге.
Измерени отпор Р и реактанса Кс (а) и фактор квалитета К (б) индуктора Л3 и Л4 су у вези са фреквенцијом.
Да би се минимизирао отисак потребан за дату капацитивност, најбоље је користити кондензаторску технологију са великом специфичном капацитивношћу, која је једнака диелектричној константи ε подељеној са дебљином диелектрика. У овом раду смо изабрали композит баријум титаната као диелектрик јер има већи епсилон од других органских диелектрика обрађених раствором. Диелектрични слој је штампан сито између два сребрна проводника како би се формирала структура метал-диелектрик-метал. Кондензатори различитих величина у центиметрима, као што је приказано на слици 3а , произведени су коришћењем два или три слоја диелектричне боје да би се одржао добар принос. Слика 3б приказује СЕМ микрограф попречног пресека репрезентативног кондензатора направљеног са два слоја диелектрика, укупне дебљине диелектрика од 21 μм. Горња и доња електрода су једнослојни и шестослојни 5064Х. Честице баријум титаната микронске величине су видљиве на СЕМ слици јер су светлије области окружене тамнијим органским везивом. Диелектрично мастило добро влажи доњу електроду и формира јасан интерфејс са штампани метални филм, као што је приказано на илустрацији са већим увећањем.
(а) Фотографија кондензатора са пет различитих области. (б) СЕМ микрограф попречног пресека кондензатора са два слоја диелектрика, који приказује диелектрик баријум титаната и сребрне електроде. (ц) Капацитети кондензатора са 2 и 3 баријум титаната диелектричне слојеве и различите површине, мерене на 1 МХз. (д) Однос између капацитивности, ЕСР и фактора губитка кондензатора од 2,25 цм2 са 2 слоја диелектричних превлака и фреквенције.
Капацитет је пропорционалан очекиваној површини. Као што је приказано на слици 3ц, специфична капацитивност двослојног диелектрика је 0,53 нФ/цм2, а специфична капацитивност трослојног диелектрика је 0,33 нФ/цм2. Ове вредности одговарају диелектричној константи од 13. капацитивност и фактор дисипације (ДФ) су такође мерени на различитим фреквенцијама, као што је приказано на слици 3д, за кондензатор од 2,25 цм2 са два слоја диелектрика. Открили смо да је капацитивност релативно раван у опсегу фреквенција од интереса, повећавајући се за 20% од 1 до 10 МХз, док је у истом опсегу, ДФ се повећао са 0,013 на 0,023. Пошто је фактор дисипације однос губитка енергије и енергије ускладиштене у сваком циклусу наизменичне струје, ДФ од 0,02 значи да 2% снаге којом се рукује Овај губитак се обично изражава као фреквенцијски зависни еквивалентни серијски отпор (ЕСР) у серији са кондензатором, који је једнак ДФ/ωЦ. Као што је приказано на слици 3д, за фреквенције веће од 1 МХз, ЕСР је мањи од 1,5 Ω, а за фреквенције веће од 4 МХз, ЕСР је мањи од 0,5 Ω. Иако се користи ова кондензаторска технологија, кондензатори нивоа μФ потребни за ДЦ-ДЦ претвараче захтевају веома велику површину, али 100 пФ-нФ Опсег капацитивности и мали губитак ових кондензатора чини их погодним за друге примене, као што су филтери и резонантна кола. За повећање капацитивности могу се користити различите методе. Већа диелектрична константа повећава специфичну капацитивност 37; на пример, ово се може постићи повећањем концентрације честица баријум титаната у мастилу. Може се користити мања дебљина диелектрика, иако је за то потребна доња електрода мање храпавости од сребрне пахуљице са ситоштампом. Тањи кондензатор мање храпавости слојеви се могу депоновати инкјет штампом 31 или дубоком штампом 10, што се може комбиновати са процесом сито штампе. Коначно, вишеструки наизменични слојеви метала и диелектрика могу се слагати и штампати и повезати паралелно, чиме се повећава капацитет 34 по јединици површине .
Делитељ напона састављен од пара отпорника се обично користи за мерење напона потребног за контролу повратне спреге регулатора напона. За ову врсту примене, отпор штампаног отпорника треба да буде у опсегу кΩ-МΩ, а разлика између уређаји су мали. Овде је утврђено да је отпорност на једнослојно сито штампано угљенично мастило 900 Ω/□. Ова информација се користи за пројектовање два линеарна отпорника (Р1 и Р2) и серпентинског отпорника (Р3 ) са номиналним отпорима од 10 кΩ, 100 кΩ и 1,5 МΩ. Отпор између номиналних вредности се постиже штампањем два или три слоја мастила, као што је приказано на слици 4, и фотографијама три отпора. Направите 8- 12 узорака сваке врсте; у свим случајевима, стандардна девијација отпора је 10% или мање. Промена отпора узорака са два или три слоја премаза има тенденцију да буде нешто мања него код узорака са једним слојем премаза. Мала промена измереног отпора и блиско слагање са номиналном вредношћу указују на то да се други отпори у овом опсегу могу директно добити модификовањем геометрије отпорника.
Три различите геометрије отпорника са различитим бројем угљеничних премаза отпорних мастила. Слика три отпорника је приказана на десној страни.
РЛЦ кола су класични школски примери комбинација отпорника, индуктора и кондензатора који се користе за демонстрирање и верификацију понашања пасивних компоненти интегрисаних у стварна штампана кола. У овом колу, индуктор од 8 μХ и кондензатор од 0,8 нФ су повезани у серију, а Паралелно са њима је повезан отпорник од 25 кΩ. Фотографија флексибилног кола је приказана на слици 5а. Разлог за избор ове специјалне серијско-паралелне комбинације је тај што је њено понашање одређено сваком од три различите фреквенцијске компоненте, тако да перформансе сваке компоненте могу бити истакнуте и процењене. Узимајући у обзир серијски отпор индуктора од 7 Ω и ЕСР кондензатора од 1,3 Ω, израчунат је очекивани фреквентни одзив кола. Шема кола је приказана на слици 5б, а израчуната је амплитуда импедансе и фаза и измерене вредности су приказане на сликама 5ц и д. На ниским фреквенцијама, висока импеданса кондензатора значи да је понашање кола одређено отпорником од 25 кΩ. Како се фреквенција повећава, импеданса кондензатора ЛЦ пут се смањује; целокупно понашање кола је капацитивно све док резонантна фреквенција не буде 2,0 МХз. Изнад резонантне фреквенције доминира индуктивна импеданса. Слика 5 јасно показује одлично слагање између израчунатих и измерених вредности у целом фреквентном опсегу. То значи да је модел коришћен овде (где су индуктори и кондензатори идеалне компоненте са серијским отпором) је прецизан за предвиђање понашања кола на овим фреквенцијама.
(а) Фотографија РЛЦ кола штампаног сито штампом која користи серијску комбинацију индуктора од 8 μХ и кондензатора од 0,8 нФ паралелно са отпорником од 25 кΩ. (б) Модел кола укључујући серијски отпор индуктора и кондензатора. (ц ,д) Амплитуда импедансе (ц) и фаза (д) кола.
Коначно, штампани индуктори и отпорници су имплементирани у регулатор појачања. ИЦ коришћен у овој демонстрацији је Мицроцхип МЦП1640Б14, који је ПВМ базиран синхрони боост регулатор са радном фреквенцијом од 500 кХз. Шема кола је приказана на слици 6а.А Индуктор од 4,7 μХ и два кондензатора (4,7 μФ и 10 μФ) се користе као елементи за складиштење енергије, а пар отпорника се користи за мерење излазног напона контроле повратне спреге. Изаберите вредност отпора да бисте подесили излазни напон на 5 В. Коло је произведено на ПЦБ-у, а његове перформансе се мере у оквиру отпора оптерећења и опсега улазног напона од 3 до 4 В како би се симулирала литијум-јонска батерија у различитим стањима пуњења. Ефикасност штампаних индуктора и отпорника се пореди са ефикасност СМТ индуктора и отпорника.СМТ кондензатори се користе у свим случајевима јер је капацитивност потребна за ову примену превелика да би се употпунила штампаним кондензаторима.
(а) Дијаграм кола за стабилизацију напона. (б–д) (б) Воут, (ц) Всв и (д) Таласни облици струје која тече у индуктор, улазни напон је 4,0 В, отпор оптерећења је 1 кΩ, а штампани индуктор се користи за мерење. За ово мерење се користе отпорници и кондензатори за површинску монтажу. (е) За различите отпоре оптерећења и улазне напоне, ефикасност кола регулатора напона који користе све компоненте за површинску монтажу и штампане индукторе и отпорнике. (ф ) Однос ефикасности површинске монтаже и штампаног кола приказаног у (е).
За улазни напон од 4,0 В и отпор оптерећења од 1000 Ω, таласни облици мерени коришћењем штампаних индуктора приказани су на слици 6б-д. Слика 6ц приказује напон на Всв терминалу ИЦ; напон индуктора је Вин-Всв. Слика 6д приказује струју која тече у индуктор. Ефикасност кола са СМТ и штампаним компонентама је приказана на слици 6е као функција улазног напона и отпора оптерећења, а слика 6ф показује однос ефикасности штампаних компоненти на СМТ компоненте. Ефикасност мерена коришћењем СМТ компоненти је слична очекиваној вредности датој у техничком листу произвођача 14. При великој улазној струји (низак отпор оптерећења и низак улазни напон), ефикасност штампаних индуктора је знатно нижа од код СМТ индуктора због веће серијске отпорности. Међутим, са вишим улазним напоном и вишом излазном струјом, губитак отпора постаје мање важан, а перформансе штампаних индуктора почињу да се приближавају перформансама СМТ индуктора. За отпорност оптерећења >500 Ω и Вин = 4,0 В или >750 Ω и Вин = 3,5 В, ефикасност штампаних индуктора је већа од 85% СМТ индуктора.
Поређење тренутног таласног облика на слици 6д са измереним губитком снаге показује да је губитак отпора у индуктору главни узрок разлике у ефикасности између штампаног кола и СМТ кола, као што се и очекивало. Улазна и излазна снага мерена на 4,0 В улазни напон и отпор оптерећења од 1000 Ω су 30,4 мВ и 25,8 мВ за кола са СМТ компонентама, а 33,1 мВ и 25,2 мВ за кола са штампаним компонентама. Дакле, губитак штампаног кола је 7,9 мВ, што је 3,4 мВ више од 3,4 мВ за кола са штампаним компонентама. струјно коло са СМТ компонентама.Струја РМС индуктора израчуната из таласног облика на слици 6д је 25,6 мА. Пошто је његов серијски отпор 4,9 Ω, очекивани губитак снаге је 3,2 мВ. Ово је 96% измерених 3,4 мВ ДЦ разлике у снази. Поред тога, коло се производи са штампаним индукторима и штампаним отпорницима и штампаним индукторима и СМТ отпорницима, и међу њима се не примећује значајна разлика у ефикасности.
Затим се регулатор напона производи на флексибилном ПЦБ-у (штампање кола и перформансе СМТ компоненте приказане су на додатној слици С1) и повезује се између флексибилне литијум-јонске батерије као извора напајања и ОЛЕД низа као оптерећења. Према Лоцхнер ет ал. 9 За производњу ОЛЕД-а, сваки ОЛЕД пиксел троши 0,6 мА на 5 В. Батерија користи литијум-кобалт оксид и графит као катоду, односно аноду, и производи се премазом докторског сечива, што је најчешћи метод штампања батерија.7 Капацитет батерије је 16 мАх, а напон током теста је 4,0 В. На слици 7 приказана је фотографија кола на флексибилној штампаној плочи, која напаја три паралелно повезана ОЛЕД пиксела. Демонстрација је демонстрирала потенцијал штампаних компоненти напајања да се интегришу са другим флексибилних и органских уређаја за формирање сложенијих електронских система.
Фотографија кола регулатора напона на флексибилној штампаној плочи која користи штампане индукторе и отпорнике, користећи флексибилне литијум-јонске батерије за напајање три органске ЛЕД диоде.
Приказали смо сито штампане индуктивне пригушнице, кондензаторе и отпорнике са распоном вредности на флексибилним ПЕТ подлогама, са циљем замене компоненти за површинску монтажу у енергетској електронској опреми. То смо показали пројектовањем спирале великог пречника, брзине пуњења , и однос ширине линије и ширине простора, и коришћењем дебелог слоја мастила ниског отпора. Ове компоненте су интегрисане у потпуно штампано и флексибилно РЛЦ коло и показују предвидљиво електрично понашање у фреквенцијском опсегу кХз-МХз, што је највеће интересовање за енергетску електронику.
Типични случајеви употребе штампаних енергетских електронских уређаја су флексибилни електронски системи који се могу носити или интегрисани у производ, напајани флексибилним пуњивим батеријама (као што су литијум-јонске), које могу да генеришу променљиве напоне у зависности од стања напуњености. Ако је оптерећење (укључујући штампање и органска електронска опрема) захтева константан напон или већи од напона који излазе из батерије, потребан је регулатор напона. Из тог разлога, штампани индуктори и отпорници су интегрисани са традиционалним силицијумским ИЦ-има у регулатор појачања за напајање ОЛЕД-а константним напоном од 5 В из напајања батерије променљивог напона. Унутар одређеног опсега струје оптерећења и улазног напона, ефикасност овог кола прелази 85% ефикасности контролног кола које користи индукторе и отпорнике за површинску монтажу. Упркос материјалним и геометријским оптимизацијама, отпорни губици у индуктору су и даље ограничавајући фактор за перформансе кола при високим нивоима струје (улазна струја већа од око 10 мА). Међутим, при нижим струјама, губици у индуктору су смањени, а укупне перформансе су ограничене ефикасношћу ИЦ. Пошто многи штампани и органски уређаји захтевају релативно ниске струје, као што су мали ОЛЕД који се користе у нашој демонстрацији, штампани индуктори снаге се могу сматрати погодним за такве примене. Коришћењем ИЦ дизајнираних да имају највећу ефикасност на нижим нивоима струје, може се постићи већа укупна ефикасност претварача.
У овом раду, регулатор напона је изграђен на традиционалној ПЦБ, флексибилној ПЦБ и технологији лемљења компоненти за површинску монтажу, док је штампана компонента произведена на посебној подлози. Међутим, нискотемпературна и високовискозна мастила која се користе за производњу сито- штампани филмови треба да омогуће штампање пасивних компоненти, као и међусобне везе између уређаја и контактних плочица за површинску монтажу, на било којој подлози. Ово, у комбинацији са употребом постојећих нискотемпературних проводљивих лепкова за компоненте за површинску монтажу, ће омогућити читаво коло треба да буде изграђено на јефтиним подлогама (као што је ПЕТ) без потребе за субтрактивним процесима као што је гравирање ПЦБ-а. Према томе, пасивне компоненте са ситоштампањем које су развијене у овом раду помажу да се отвори пут за флексибилне електронске системе који интегришу енергију и оптерећења са енергетском електроником високих перформанси, користећи јефтине подлоге, углавном адитивним процесима и минималним бројем компоненти за површинску монтажу.
Користећи Асис АСП01М сито штампач и сито од нерђајућег челика које је обезбедила компанија Динамесх Инц., сви слојеви пасивних компоненти су штампани на флексибилној ПЕТ подлози дебљине 76 μм. Величина мреже металног слоја је 400 линија по инчу и 250 линија по инчу за диелектрични слој и отпорни слој. Користите силу рагала од 55 Н, брзину штампања од 60 мм/с, размак лома од 1,5 мм и Серилор ракал тврдоће 65 (за метал и отпорни слојева) или 75 (за диелектричне слојеве) за сито штампу.
Проводни слојеви—индуктори и контакти кондензатора и отпорника—штампани су ДуПонт 5082 или ДуПонт 5064Х сребрним микропахуљастим мастилом. Отпорник је штампан са ДуПонт 7082 угљеничним проводником. користи се. Сваки слој диелектрика се производи коришћењем циклуса штампања са два пролаза (мокро-мокро) да би се побољшала униформност филма. За сваку компоненту је испитан ефекат вишеструких циклуса штампања на перформансе и варијабилност компоненте. Узорци направљени са више слојева истог материјала су сушени на 70 °Ц 2 минута између премаза. Након наношења последњег слоја сваког материјала, узорци су печени на 140 °Ц током 10 минута да би се обезбедило потпуно сушење. Функција аутоматског поравнања екрана штампач се користи за поравнавање следећих слојева. Контакт са центром индуктора се постиже сечењем пролазне рупе на средишњој плочици и штампањем трагова шаблона на полеђини подлоге са ДуПонт 5064Х мастилом. Међусобна веза између опреме за штампање такође користи Дупонт Штампање шаблона 5064Х. Да би се штампане компоненте и СМТ компоненте приказале на флексибилној штампаној плочи приказаној на слици 7, штампане компоненте су повезане помоћу Цирцуит Воркс ЦВ2400 проводног епоксида, а СМТ компоненте су повезане традиционалним лемљењем.
Као катода и анода батерије користе се литијум кобалт оксид (ЛЦО) и електроде на бази графита. Катодна суспензија је мешавина 80% ЛЦО (МТИ Цорп.), 7,5% графита (КС6, Тимцал), 2,5 % чађе (Супер П, Тимцал) и 10% поливинилиден флуорида (ПВДФ, Куреха Цорп.). ) Анода је мешавина 84 теж.% графита, 4 теж.% чађе и 13 теж.% ПВДФ. Н-метил-2-пиролидон (НМП, Сигма Алдрицх) се користи за растварање ПВДФ везива и дисперговање суспензије. Суспензија је хомогенизована помоћу мешање вортекс миксером преко ноћи. Фолија од нерђајућег челика дебљине 0,0005 инча и фолија од никла од 10 μм се користе као колектори струје за катоду и аноду, респективно. мм/с.Загрејати електроду у рерни на 80 °Ц 2 сата да би се уклонио растварач.Висина електроде након сушења је око 60 μм, а на основу тежине активног материјала, теоретски капацитет је 1,65 мАх /цм2.Електроде су исечене на димензије 1,3 × 1,3 цм2 и загрејане у вакуум рерни на 140°Ц преко ноћи, а затим су запечаћене алуминијумским ламинатним кесама у кутији за рукавице напуњене азотом. Раствор полипропиленског основног филма са анода и катода и 1М ЛиПФ6 у ЕЦ/ДЕЦ (1:1) се користи као електролит батерије.
Зелени ОЛЕД се састоји од поли(9,9-диоктилфлуорен-ко-н-(4-бутилфенил)-дифениламина) (ТФБ) и поли((9,9-диоктилфлуорен-2,7-(2,1,3-бензотиадиазол- 4,8-диил)) (Ф8БТ) према процедури описаној у Лоцхнер ет ал.
Користите Дектак стилус профилер за мерење дебљине филма. Филм је исечен да би се припремио узорак попречног пресека за испитивање помоћу скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ). ФЕИ Куанта 3Д емисиони пиштољ (ФЕГ) СЕМ се користи за карактеризацију структуре одштампаног филма и потврди мерење дебљине.СЕМ студија је спроведена при напону убрзања од 20 кеВ и типичном радном растојању од 10 мм.
Користите дигитални мултиметар за мерење ДЦ отпора, напона и струје. АЦ импеданса индуктора, кондензатора и кола се мери помоћу Агилент Е4980 ЛЦР мерача за фреквенције испод 1 МХз и Агилент Е5061А мрежног анализатора се користи за мерење фреквенција изнад 500 кХз. Тектроник ТДС 5034 осцилоскоп за мерење таласног облика регулатора напона.
Како цитирати овај чланак: Остфелд, АЕ, итд. Пасивне компоненте за сито штампу за флексибилну електронску опрему за напајање.сциенце.Реп. 5, 15959; дои: 10.1038/среп15959 (2015).
Натхан, А. ет ал. Флексибилна електроника: следећа свеприсутна платформа. Процес ИЕЕЕ 100, 1486-1517 (2012).
Рабаеи, ЈМ Хуман Интранет: Место где се групе сусрећу са људима. Рад објављен на Европској конференцији и изложби о дизајну, аутоматизацији и тестирању 2015, Гренобл, Француска. Сан Хозе, Калифорнија: ЕДА Аллианце.637-640 (2015, 9. март- 13).
Кребс, ФЦ итд.ОЕ-А ОПВ демонстратор анно домини 2011.Енерги енвиронмент.сциенце.4, 4116–4123 (2011).
Али, М., Пракасх, Д., Зиллгер, Т., Сингх, ПК & Хублер, АЦ штампани пиезоелектрични уређаји за прикупљање енергије. Напредни енергетски материјали.4. 1300427 (2014).
Цхен, А., Мадан, Д., Вригхт, ПК & Еванс, ЈВ Диспенсер-принтед флат дебелослојни термоелектрични генератор енергије.Ј. Мицромецханицс ​​Мицроенгинееринг 21, 104006 (2011).
Гаиквад, АМ, Стеингарт, ДА, Нг, ТН, Сцхвартз, ДЕ & Вхитинг, ГЛ Флексибилна штампана батерија високог потенцијала која се користи за напајање штампаних електронских уређаја.Апп Пхисицс Вригхт.102, 233302 (2013).
Гаиквад, АМ, Ариас, АЦ & Стеингарт, ДА Најновија достигнућа у штампаним флексибилним батеријама: механички изазови, технологија штампања и будући изгледи. Енергетска технологија.3, 305–328 (2015).
Ху, И. итд. Велики систем сенсинга који комбинује електронске уређаје велике површине и ЦМОС ИЦ-ове за надзор здравља структуре. ИЕЕЕ Ј. Солид Стате Цирцуит 49, 513–523 (2014).