nyheter

Takk for at du besøkte Nature. Nettleserversjonen du bruker har begrenset støtte for CSS. For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en nyere versjon av nettleseren (eller slår av kompatibilitetsmodusen i Internet Explorer).Samtidig , for å sikre fortsatt støtte, vil vi vise nettsteder uten stiler og JavaScript.
Tilsetningsstoffer og lavtemperaturutskriftsprosesser kan integrere ulike strøm- og strømkrevende elektroniske enheter på fleksible underlag til lave kostnader. Produksjonen av komplette elektroniske systemer fra disse enhetene krever imidlertid vanligvis kraftelektroniske enheter for å konvertere mellom de ulike driftsspenningene på enhetene.Passive komponenter – induktorer, kondensatorer og motstander – utfører funksjoner som filtrering, kortsiktig energilagring og spenningsmåling, som er essensielle i kraftelektronikk og mange andre applikasjoner. I denne artikkelen introduserer vi induktorer, kondensatorer, motstander og RLC-kretser skjermtrykt på fleksible plastsubstrater, og rapporterer designprosessen for å minimere seriemotstanden til induktorer slik at de kan brukes i kraftelektroniske enheter. Den trykte induktoren og motstanden blir deretter integrert i boost-regulatorkretsen.Produksjon av organiske lysdioder og fleksible litium-ion-batterier. Spenningsregulatorer brukes til å drive diodene fra batteriet, og demonstrerer potensialet til trykte passive komponenter for å erstatte tradisjonelle overflatemonterte komponenter i DC-DC-omformerapplikasjoner.
I de senere årene har bruken av ulike fleksible enheter i bærbare og store elektroniske produkter og tingenes internett1,2 blitt utviklet. Disse inkluderer energiinnsamlingsenheter, slik som solcelle 3, piezoelektrisk 4 og termoelektrisk 5; energilagringsenheter, slik som batterier 6, 7; og strømkrevende enheter, som sensorer 8, 9, 10, 11, 12 og lyskilder 13. Selv om det er gjort store fremskritt i individuelle energikilder og belastninger, krever det vanligvis kraftelektronikk å kombinere disse komponentene til et komplett elektronisk system for å overvinne ethvert misforhold mellom strømforsyningsadferd og belastningskrav. For eksempel genererer et batteri en variabel spenning i henhold til ladetilstanden. Hvis belastningen krever en konstant spenning, eller høyere enn spenningen som batteriet kan generere, kreves strømelektronikk .Kraftelektronikk bruker aktive komponenter (transistorer) for å utføre svitsje- og kontrollfunksjoner, så vel som passive komponenter (induktorer, kondensatorer og motstander). For eksempel, i en svitsjingsregulatorkrets, brukes en induktor til å lagre energi under hver svitsjesyklus , en kondensator brukes til å redusere spenningsrippel, og spenningsmålingen som kreves for tilbakekoblingskontroll gjøres ved hjelp av en motstandsdeler.
Kraftelektroniske enheter som er egnet for bærbare enheter (som pulsoksymeter 9) krever flere volt og flere milliampere, opererer vanligvis i frekvensområdet hundrevis av kHz til flere MHz, og krever flere μH og flere μH induktans og Kapasitansen μF er 14 henholdsvis.Den tradisjonelle metoden for å produsere disse kretsene er å lodde diskrete komponenter til et stivt trykt kretskort (PCB). ekstern, enten tillater tilpassede kretser, eller fordi den nødvendige induktansen og kapasitansen er for stor til å implementeres i silisium.
Sammenlignet med den tradisjonelle PCB-baserte produksjonsteknologien, har produksjon av elektroniske enheter og kretser gjennom den additive utskriftsprosessen mange fordeler når det gjelder enkelhet og kostnad. For det første siden mange komponenter i kretsen krever de samme materialene, for eksempel metaller for kontakter og sammenkoblinger, gjør utskrift det mulig å produsere flere komponenter samtidig, med relativt få prosesstrinn og færre materialer15. Bruken av additive prosesser for å erstatte subtraktive prosesser som fotolitografi og etsing reduserer prosesskompleksiteten og materialavfall ytterligere16, 17, 18 og 19. I tillegg er de lave temperaturene som brukes i utskrift kompatible med fleksible og rimelige plastsubstrater, noe som tillater bruk av høyhastighets rull-til-rulle produksjonsprosesser for å dekke elektroniske enheter 16, 20 over store områder. som ikke kan realiseres fullt ut med trykte komponenter, har hybridmetoder blitt utviklet hvor overflatemonteringsteknologi (SMT) komponenter kobles til fleksible underlag 21, 22, 23 ved siden av de trykte komponentene ved lave temperaturer. I denne hybride tilnærmingen er det fortsatt nødvendig å erstatte så mange SMT-komponenter som mulig med trykte motparter for å oppnå fordelene med tilleggsprosesser og øke den generelle fleksibiliteten til kretsen. For å realisere fleksibel kraftelektronikk har vi foreslått en kombinasjon av SMT aktive komponenter og silketrykt passive komponenter. komponenter, med spesiell vekt på å erstatte voluminøse SMT-induktorer med plane spiralinduktorer. Blant de forskjellige teknologiene for produksjon av trykt elektronikk er silketrykk spesielt egnet for passive komponenter på grunn av dens store filmtykkelse (som er nødvendig for å minimere seriemotstanden til metallelementer) ) og høy utskriftshastighet, selv når de dekker områder på centimeternivå. Det samme gjelder til tider.Material 24.
Tapet av passive komponenter i kraftelektronisk utstyr må minimeres, fordi effektiviteten til kretsen direkte påvirker mengden energi som kreves for å drive systemet. Dette er spesielt utfordrende for trykte induktorer som består av lange spoler, som derfor er utsatt for høyserier. Derfor, selv om det er gjort noen anstrengelser for å minimere motstanden 25, 26, 27, 28 til de trykte spolene, er det fortsatt mangel på høyeffektive trykte passive komponenter for kraftelektroniske enheter. Til dags dato har mange rapportert trykte passive komponenter. komponenter på fleksible substrater er designet for å fungere i resonanskretser for radiofrekvensidentifikasjon (RFID) eller energihøstingsformål 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Andre fokuserer på material- eller produksjonsprosessutvikling og viser generiske komponenter 26, 32, 33, 34 som ikke er optimalisert for spesifikke bruksområder. Derimot bruker kraftelektroniske kretser som spenningsregulatorer ofte større komponenter enn typiske trykte passive enheter og krever ikke resonans, så forskjellige komponentdesign er nødvendig.
Her introduserer vi design og optimalisering av skjermtrykte induktorer i μH-området for å oppnå den minste seriemotstanden og høy ytelse ved frekvenser relatert til kraftelektronikk. Skjermtrykte induktorer, kondensatorer og motstander med ulike komponentverdier produseres på fleksible plastsubstrater. Egnetheten til disse komponentene for fleksible elektroniske produkter ble først demonstrert i en enkel RLC-krets. Den trykte induktoren og motstanden blir deretter integrert med IC for å danne en boost-regulator. Til slutt en organisk lysemitterende diode (OLED ) og et fleksibelt litium-ion-batteri er produsert, og en spenningsregulator brukes til å drive OLED-en fra batteriet.
For å designe trykte induktorer for kraftelektronikk, spådde vi først induktansen og DC-motstanden til en serie induktorgeometrier basert på den nåværende arkmodellen foreslått i Mohan et al. 35, og fremstilte induktorer med forskjellige geometrier for å bekrefte nøyaktigheten til modellen. I dette arbeidet ble en sirkulær form valgt for induktoren fordi en høyere induktans 36 kan oppnås med en lavere motstand sammenlignet med en polygonal geometri. Påvirkningen av blekk type og antall utskriftssykluser på motstand bestemmes. Disse resultatene ble deretter brukt med amperemetermodellen for å designe 4,7 μH og 7,8 μH induktorer optimalisert for minimum DC motstand.
Induktansen og likestrømsmotstanden til spiralinduktorer kan beskrives med flere parametere: ytre diameter do, svingbredde w og avstand s, antall omdreininger n og lederplatemotstand Rsheet.Figur 1a viser et bilde av en sirkulær induktor med silketrykk med n = 12, som viser de geometriske parameterne som bestemmer dens induktans. I henhold til amperemetermodellen til Mohan et al. 35, beregnes induktansen for en serie induktorgeometrier, hvor
(a) Et bilde av den skjermtrykte induktoren som viser de geometriske parameterne. Diameteren er 3 cm. Induktans (b) og DC motstand (c) for ulike induktorgeometrier. Linjene og merkene tilsvarer henholdsvis beregnede og målte verdier. (d,e) DC-motstandene til induktorene L1 og L2 er screentrykt med henholdsvis Dupont 5028 og 5064H sølvblekk. (f,g) SEM-mikrofotografier av filmene screentrykt av henholdsvis Dupont 5028 og 5064H.
Ved høye frekvenser vil hudeffekten og parasittisk kapasitans endre motstanden og induktansen til induktoren i henhold til DC-verdien. Induktoren forventes å fungere ved en tilstrekkelig lav frekvens til at disse effektene er ubetydelige, og enheten oppfører seg som en konstant induktans med konstant motstand i serie. Derfor analyserte vi i dette arbeidet forholdet mellom geometriske parametere, induktans og DC-motstand, og brukte resultatene for å få en gitt induktans med den minste DC-motstanden.
Induktans og motstand beregnes for en rekke geometriske parametere som kan realiseres ved silketrykk, og det forventes at det vil genereres induktans i μH-området. De ytre diametrene på 3 og 5 cm, linjebreddene på 500 og 1000 mikron , og ulike vendinger sammenlignes. I beregningen er det antatt at arkmotstanden er 47 mΩ/□, som tilsvarer et 7 μm tykt Dupont 5028 sølv mikroflaklederlag trykket med en 400 mesh skjerm og innstilling w = s. beregnede induktans- og motstandsverdier er vist i henholdsvis figur 1b og c. Modellen forutsier at både induktans og motstand øker når ytre diameter og antall omdreininger øker, eller når linjebredden avtar.
For å evaluere nøyaktigheten av modellforutsigelser, ble induktorer med forskjellige geometrier og induktanser fremstilt på et polyetylentereftalat (PET) substrat. De målte induktans- og motstandsverdiene er vist i figur 1b og c. Selv om motstanden viste noe avvik fra forventet verdi, hovedsakelig på grunn av endringer i tykkelsen og jevnheten til det avsatte blekket, viste induktansen meget god overensstemmelse med modellen.
Disse resultatene kan brukes til å designe en induktans med nødvendig induktans og minimum DC-motstand. Anta for eksempel at det kreves en induktans på 2 μH. Figur 1b viser at denne induktansen kan realiseres med en ytre diameter på 3 cm, en linjebredde på 500 μm, og 10 omdreininger. Den samme induktansen kan også genereres ved å bruke 5 cm ytre diameter, 500 μm linjebredde og 5 vindinger eller 1000 μm linjebredde og 7 omdreininger (som vist i figuren). Sammenligning av motstandene til disse tre mulige geometrier i figur 1c, kan det bli funnet at den laveste motstanden til en 5 cm induktor med en linjebredde på 1000 μm er 34 Ω, som er omtrent 40 % lavere enn de to andre. Den generelle designprosessen for å oppnå en gitt induktans med minimum motstand oppsummeres som følger: Velg først den maksimalt tillatte ytre diameteren i henhold til plassbegrensningene som pålegges av applikasjonen. Deretter bør linjebredden være så stor som mulig samtidig som den nødvendige induktansen oppnås for å oppnå en høy fyllhastighet (ligning (3)).
Ved å øke tykkelsen eller bruke et materiale med høyere ledningsevne for å redusere platemotstanden til metallfilmen, kan DC-motstanden reduseres ytterligere uten å påvirke induktansen.To induktorer, hvis geometriske parametere er gitt i tabell 1, kalt L1 og L2, produseres med forskjellig antall belegg for å evaluere endringen i motstand. Når antallet blekkbelegg øker, reduseres motstanden proporsjonalt som forventet, som vist i figur 1d og e, som er henholdsvis induktorer L1 og L2.Figur 1d og e viser at ved å påføre 6 lag med belegg kan motstanden reduseres med opptil 6 ganger, og maksimal reduksjon i motstand (50-65 %) skjer mellom lag 1 og lag 2. Siden hvert lag med blekk er relativt tynt, vil en skjerm med en relativt liten rutenettstørrelse (400 linjer per tomme) brukes til å skrive ut disse induktorene, noe som lar oss studere effekten av ledertykkelse på motstanden. Så lenge mønsteregenskapene forblir større enn minimumsoppløsningen til rutenettet, lignende tykkelse (og motstand) kan oppnås raskere ved å skrive ut et mindre antall belegg med en større rutenettstørrelse. Denne metoden kan brukes til å oppnå samme DC-motstand som den 6-belagte induktoren som er omtalt her, men med høyere produksjonshastighet.
Figur 1d og e viser også at ved å bruke det mer ledende sølvflak-blekk DuPont 5064H, reduseres motstanden med en faktor på to. Fra SEM-mikrofotografier av filmene som er trykt med de to blekkene (Figur 1f, g), kan det sett at den lavere ledningsevnen til 5028-blekket skyldes dens mindre partikkelstørrelse og tilstedeværelsen av mange hulrom mellom partiklene i den trykte filmen. På den annen side har 5064H større, tettere anordnede flak, noe som gjør at den oppfører seg nærmere bulk sølv.Selv om filmen som produseres av dette blekket er tynnere enn 5028-blekk, med et enkelt lag på 4 μm og 6 lag på 22 μm, er økningen i ledningsevnen tilstrekkelig til å redusere den totale motstanden.
Til slutt, selv om induktansen (ligning (1)) avhenger av antall omdreininger (w + s), avhenger motstanden (ligning (5)) bare av linjebredden w. Derfor, ved å øke w i forhold til s, vil motstanden kan reduseres ytterligere. De to ekstra induktorene L3 og L4 er designet for å ha w = 2s og en stor ytre diameter, som vist i tabell 1. Disse induktorene er produsert med 6 lag DuPont 5064H-belegg, som vist tidligere, for å gi høyeste ytelse.Induktansen til L3 er 4,720 ± 0,002 μH og motstanden er 4,9 ± 0,1 Ω, mens induktansen til L4 er 7,839 ± 0,005 μH og 6,9 ± 0,1 Ω, som er i god overensstemmelse med modellen. økning i tykkelse, ledningsevne og w/s, betyr dette at L/R-forholdet har økt med mer enn en størrelsesorden i forhold til verdien i figur 1.
Selv om lav DC-motstand er lovende, krever evaluering av egnetheten til induktorer for kraftelektronisk utstyr som opererer i kHz-MHz-området karakterisering ved AC-frekvenser. Figur 2a viser frekvensavhengigheten til motstanden og reaktansen til L3 og L4. For frekvenser under 10 MHz , forblir motstanden omtrent konstant ved sin DC-verdi, mens reaktansen øker lineært med frekvensen, noe som betyr at induktansen er konstant som forventet. Selvresonansfrekvensen er definert som frekvensen som impedansen endres fra induktiv til kapasitiv, med L3 er 35,6 ± 0,3 MHz og L4 er 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvensavhengigheten til kvalitetsfaktoren Q (lik ωL/R) er vist i figur 2b. L3 og L4 oppnår maksimale kvalitetsfaktorer på 35 ± 1 og 33 ± 1 ved frekvenser på henholdsvis 11 og 16 MHz. Induktansen på noen få μH og den relativt høye Q ved MHz-frekvensene gjør disse induktorene tilstrekkelige til å erstatte tradisjonelle overflatemonterte induktorer i laveffekt DC-DC-omformere.
Den målte motstanden R og reaktansen X (a) og kvalitetsfaktoren Q (b) til induktorene L3 og L4 er relatert til frekvensen.
For å minimere fotavtrykket som kreves for en gitt kapasitans, er det best å bruke kondensatorteknologi med en stor spesifikk kapasitans, som er lik dielektrisitetskonstanten ε delt på tykkelsen på dielektrikumet. I dette arbeidet valgte vi bariumtitanatkompositt som dielektrikumet fordi det har en høyere epsilon enn andre løsningsbehandlede organiske dielektrikum. Det dielektriske laget er skjermtrykt mellom de to sølvlederne for å danne en metall-dielektrisk-metallstruktur.Kondensatorer med forskjellige størrelser i centimeter, som vist i figur 3a , er produsert ved bruk av to eller tre lag med dielektrisk blekk for å opprettholde godt utbytte. Figur 3b viser et tverrsnitts SEM-mikrofotografi av en representativ kondensator laget med to lag dielektrisk, med en total dielektrisk tykkelse på 21 μm. Topp- og bunnelektrodene er henholdsvis ettlags og sekslags 5064H. Bariumtitanatpartikler i mikrostørrelse er synlige i SEM-bildet fordi de lysere områdene er omgitt av det mørkere organiske bindemidlet. Det dielektriske blekket fukter bunnelektroden godt og danner et tydelig grensesnitt med trykt metallfilm, som vist i illustrasjonen med høyere forstørrelse.
(a) Et bilde av en kondensator med fem forskjellige områder. (b) Tverrsnitts-SEM-mikrofotografi av en kondensator med to lag dielektrikum, som viser bariumtitanat-dielektriske og sølvelektroder. (c) Kapasitanser til kondensatorer med 2 og 3 bariumtitanat dielektriske lag og forskjellige områder, målt ved 1 MHz.(d) Forholdet mellom kapasitansen, ESR og tapsfaktoren til en 2,25 cm2 kondensator med 2 lag med dielektriske belegg og frekvens.
Kapasitansen er proporsjonal med forventet areal. Som vist i figur 3c er den spesifikke kapasitansen til to-lags dielektrikum 0,53 nF/cm2, og den spesifikke kapasitansen til tre-lags dielektrikum er 0,33 nF/cm2. Disse verdiene tilsvarer en dielektrisitetskonstant på 13. kapasitans og dissipasjonsfaktor (DF) ble også målt ved forskjellige frekvenser, som vist i figur 3d, for en 2,25 cm2 kondensator med to lag dielektrikum. Vi fant ut at kapasitansen var relativt flat i det aktuelle frekvensområdet, og økte med 20 % fra 1 til 10 MHz, mens i samme område, økte DF fra 0,013 til 0,023. Siden spredningsfaktoren er forholdet mellom energitapet og energien som er lagret i hver AC-syklus, betyr en DF på 0,02 at 2 % av den håndterte effekten av kondensatoren forbrukes. Dette tapet uttrykkes vanligvis som den frekvensavhengige ekvivalente seriemotstanden (ESR) koblet i serie med kondensatoren, som er lik DF/ωC.Som vist i figur 3d, for frekvenser større enn 1 MHz, ESR er lavere enn 1,5 Ω, og for frekvenser større enn 4 MHz, er ESR lavere enn 0,5 Ω. Selv om man bruker denne kondensatorteknologien, krever μF-klassens kondensatorer som kreves for DC-DC-omformere et veldig stort område, men 100 pF- nF kapasitansområde og lavt tap av disse kondensatorene gjør dem egnet for andre applikasjoner, som filtre og resonanskretser. Ulike metoder kan brukes for å øke kapasitansen. En høyere dielektrisk konstant øker den spesifikke kapasitansen 37; for eksempel kan dette oppnås ved å øke konsentrasjonen av bariumtitanat-partikler i blekket. En mindre dielektrisk tykkelse kan brukes, selv om dette krever en bunnelektrode med lavere ruhet enn en silketrykt sølvflak. Tynnere kondensator med lavere ruhet lag kan avsettes ved blekkskriving 31 eller dyptrykk 10, som kan kombineres med en silketrykkprosess. Til slutt kan flere vekslende lag av metall og dielektrikum stables og skrives ut og kobles parallelt, og dermed øke kapasitansen 34 per arealenhet .
En spenningsdeler sammensatt av et par motstander brukes vanligvis til å utføre spenningsmåling som kreves for tilbakekoblingskontroll av en spenningsregulator. For denne typen bruk bør motstanden til den trykte motstanden være i området kΩ-MΩ, og forskjellen mellom enhetene er små. Her ble det funnet at arkmotstanden til enkeltlags silketrykt karbonblekk var 900 Ω/□. Denne informasjonen brukes til å designe to lineære motstander (R1 og R2) og en serpentinmotstand (R3) ) med nominelle motstander på 10 kΩ, 100 kΩ og 1,5 MΩ. Motstanden mellom de nominelle verdiene oppnås ved å skrive ut to eller tre lag med blekk, som vist i figur 4, og bilder av de tre motstandene. Lag 8- 12 prøver av hver type; i alle tilfeller er standardavviket til motstanden 10 % eller mindre. Motstandsendringen for prøver med to eller tre lag belegg har en tendens til å være litt mindre enn for prøver med ett beleggslag. Den lille endringen i den målte motstanden og den nære samsvar med den nominelle verdien indikerer at andre motstander i dette området kan oppnås direkte ved å modifisere motstandsgeometrien.
Tre forskjellige motstandsgeometrier med forskjellige antall karbonresistive blekkbelegg. Bildet av tre motstander er vist til høyre.
RLC-kretser er klassiske lærebokeksempler på motstands-, induktor- og kondensatorkombinasjoner som brukes til å demonstrere og verifisere oppførselen til passive komponenter integrert i ekte trykte kretser. I denne kretsen er en 8 μH induktor og en 0,8 nF kondensator koblet i serie, og en 25 kΩ motstand er koblet parallelt med dem. Bildet av den fleksible kretsen er vist i figur 5a. Grunnen til å velge denne spesielle serie-parallelle kombinasjonen er at dens oppførsel bestemmes av hver av de tre forskjellige frekvenskomponentene, slik at ytelsen til hver komponent kan fremheves og evalueres. Tatt i betraktning 7 Ω seriemotstanden til induktoren og 1,3 Ω ESR til kondensatoren, ble den forventede frekvensresponsen til kretsen beregnet. Kretsdiagrammet er vist i figur 5b, og den beregnede impedansamplitude og fase og målte verdier er vist i figur 5c og d. Ved lave frekvenser betyr den høye impedansen til kondensatoren at oppførselen til kretsen bestemmes av 25 kΩ motstanden. Ettersom frekvensen øker, vil impedansen til LC-banen minker; hele kretsens oppførsel er kapasitiv inntil resonansfrekvensen er 2,0 MHz. Over resonansfrekvensen dominerer den induktive impedansen. Figur 5 viser tydelig den utmerkede overensstemmelsen mellom beregnede og målte verdier over hele frekvensområdet. Dette betyr at modellen som er brukt her (hvor induktorer og kondensatorer er ideelle komponenter med seriemotstand) er nøyaktig for å forutsi kretsatferd ved disse frekvensene.
(a) Et bilde av en skjermtrykt RLC-krets som bruker en seriekombinasjon av en 8 μH induktor og en 0,8 nF kondensator parallelt med en 25 kΩ motstand.(b) Kretsmodell inkludert seriemotstand av induktor og kondensator.(c) ,d) Impedansamplituden (c) og fase (d) til kretsen.
Til slutt er trykte induktorer og motstander implementert i boost-regulatoren. IC-en som brukes i denne demonstrasjonen er Microchip MCP1640B14, som er en PWM-basert synkron boost-regulator med en driftsfrekvens på 500 kHz. Kretsskjemaet er vist i figur 6a.A 4,7 μH induktor og to kondensatorer (4,7 μF og 10 μF) brukes som energilagringselementer, og et par motstander brukes til å måle utgangsspenningen til tilbakekoblingskontrollen. Velg motstandsverdien for å justere utgangsspenningen til 5 V. Kretsen er produsert på PCB, og ytelsen måles innenfor belastningsmotstanden og inngangsspenningsområdet på 3 til 4 V for å simulere litiumionbatteriet i ulike ladetilstander. Effektiviteten til trykte induktorer og motstander sammenlignes med effektiviteten til SMT-induktorer og motstander. SMT-kondensatorer brukes i alle tilfeller fordi kapasitansen som kreves for denne applikasjonen er for stor til å kompletteres med trykte kondensatorer.
(a) Diagram over spenningsstabiliserende krets.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, og (d) Bølgeformer av strøm som flyter inn i induktoren, inngangsspenningen er 4,0 V, lastmotstanden er 1 kΩ, og den trykte induktoren brukes til å måle. Overflatemonterte motstander og kondensatorer brukes til denne målingen.(e) For ulike belastningsmotstander og inngangsspenninger, effektiviteten til spenningsregulatorkretser som bruker alle overflatemonterte komponenter og trykte induktorer og motstander.(f ) Effektivitetsforholdet mellom overflatemontering og trykt krets vist i (e).
For 4,0 V inngangsspenning og 1000 Ω lastmotstand, er bølgeformene målt ved bruk av trykte induktorer vist i figur 6b-d. Figur 6c viser spenningen ved Vsw-terminalen til IC; induktorspenningen er Vin-Vsw.Figur 6d viser strømmen som flyter inn i induktoren. Effektiviteten til kretsen med SMT og trykte komponenter er vist i figur 6e som funksjon av inngangsspenning og lastmotstand, og figur 6f viser effektivitetsforholdet av trykte komponenter til SMT-komponenter. Effektiviteten målt ved bruk av SMT-komponenter er lik forventet verdi gitt i produsentens datablad 14.Ved høy inngangsstrøm (lav belastningsmotstand og lav inngangsspenning) er effektiviteten til trykte induktorer betydelig lavere enn den for SMT-induktorer på grunn av den høyere seriemotstanden. Men med høyere inngangsspenning og høyere utgangsstrøm blir motstandstap mindre viktig, og ytelsen til trykte induktorer begynner å nærme seg den til SMT-induktorer. For belastningsmotstander >500 Ω og Vin = 4,0 V eller >750 Ω og Vin = 3,5 V, er effektiviteten til trykte induktorer større enn 85 % av SMT-induktorer.
Sammenligning av strømbølgeformen i figur 6d med det målte effekttapet viser at motstandstapet i induktoren er hovedårsaken til forskjellen i effektivitet mellom den trykte kretsen og SMT-kretsen, som forventet. Inngangs- og utgangseffekten målt ved 4,0 V inngangsspenning og 1000 Ω lastmotstand er 30,4 mW og 25,8 mW for kretser med SMT-komponenter, og 33,1 mW og 25,2 mW for kretser med trykte komponenter. Derfor er tapet av den trykte kretsen 7,9 mW, som er 3,4 mW høyere enn krets med SMT-komponenter. RMS-induktorstrømmen beregnet fra bølgeformen i figur 6d er 25,6 mA. Siden seriemotstanden er 4,9 Ω, er det forventede effekttapet 3,2 mW. Dette er 96 % av den målte 3,4 mW DC-effektforskjellen. I tillegg er kretsen produsert med trykte induktorer og trykte motstander og trykte induktorer og SMT-motstander, og ingen signifikant effektivitetsforskjell observeres mellom dem.
Deretter produseres spenningsregulatoren på det fleksible kretskortet (kretsens utskrifts- og SMT-komponentytelse er vist i tilleggsfigur S1) og kobles mellom det fleksible litium-ion-batteriet som strømkilde og OLED-arrayet som last. I følge Lochner et al. 9 For å produsere OLED-er forbruker hver OLED-piksel 0,6 mA ved 5 V. Batteriet bruker litiumkoboltoksid og grafitt som henholdsvis katode og anode, og er produsert med rakelbelegg, som er den vanligste batteriutskriftsmetoden.7 batterikapasiteten er 16mAh, og spenningen under testen er 4,0V.Figur 7 viser et bilde av kretsen på det fleksible kretskortet, som driver tre OLED-piksler koblet parallelt.Demonstrasjonen demonstrerte potensialet til trykte strømkomponenter for å bli integrert med andre fleksible og organiske enheter for å danne mer komplekse elektroniske systemer.
Et bilde av spenningsregulatorkretsen på et fleksibelt PCB ved hjelp av trykte induktorer og motstander, ved bruk av fleksible litiumionbatterier for å drive tre organiske lysdioder.
Vi har vist skjermtrykte induktorer, kondensatorer og motstander med en rekke verdier på fleksible PET-substrater, med mål om å erstatte overflatemonterte komponenter i kraftelektronisk utstyr. Vi har vist at ved å designe en spiral med stor diameter, fyllingshastighet , og linjebredde-rombreddeforhold, og ved å bruke et tykt lag med blekk med lav motstand. Disse komponentene er integrert i en fullt trykt og fleksibel RLC-krets og viser forutsigbar elektrisk oppførsel i kHz-MHz-frekvensområdet, som er av størst interesse for kraftelektronikk.
Typiske brukstilfeller for elektroniske enheter med trykt kraft er bærbare eller produktintegrerte fleksible elektroniske systemer, drevet av fleksible oppladbare batterier (som litiumion), som kan generere variable spenninger i henhold til ladetilstanden. Hvis belastningen (inkludert utskrift og organisk elektronisk utstyr) krever en konstant spenning eller høyere enn spenningen fra batteriet, er det nødvendig med en spenningsregulator. Av denne grunn er trykte induktorer og motstander integrert med tradisjonelle silisium-ICer i en boost-regulator for å drive OLED-en med konstant spenning på 5 V fra en batteristrømforsyning med variabel spenning. Innenfor et visst område av belastningsstrøm og inngangsspenning overstiger effektiviteten til denne kretsen 85 % av effektiviteten til en kontrollkrets som bruker overflatemonterte induktorer og motstander.Til tross for materielle og geometriske optimaliseringer, resistive tap i induktoren er fortsatt den begrensende faktoren for kretsytelse ved høye strømnivåer (inngangsstrøm større enn ca. 10 mA). Ved lavere strømmer reduseres imidlertid tapene i induktoren, og den totale ytelsen begrenses av effektiviteten av IC. Siden mange trykte og organiske enheter krever relativt lave strømmer, slik som de små OLED-ene som brukes i demonstrasjonen vår, kan trykte strøminduktorer anses som egnet for slike applikasjoner. Ved å bruke IC-er designet for å ha den høyeste effektiviteten ved lavere strømnivåer, høyere total omformereffektivitet kan oppnås.
I dette arbeidet er spenningsregulatoren bygget på tradisjonell PCB, fleksibel PCB og overflatemontert komponentloddeteknologi, mens den trykte komponenten er produsert på et separat underlag. trykte filmer skal tillate at passive komponenter, så vel som sammenkoblingen mellom enheten og de overflatemonterte komponentkontaktene, kan trykkes på ethvert underlag. Dette, kombinert med bruk av eksisterende lavtemperatur ledende lim for overflatemonterte komponenter, vil tillate hele kretsen skal bygges på rimelige underlag (som PET) uten behov for subtraktive prosesser som PCB-etsing. Derfor hjelper de silketrykte passive komponentene utviklet i dette arbeidet med å bane vei for fleksible elektroniske systemer som integrerer energi og belastninger med høyytelses kraftelektronikk, ved hjelp av rimelige substrater, hovedsakelig additive prosesser og minimalt antall overflatemonterte komponenter.
Ved å bruke Asys ASP01M skjermskriver og en skjerm i rustfritt stål levert av Dynamesh Inc., ble alle lag med passive komponenter skjermtrykt på et fleksibelt PET-substrat med en tykkelse på 76 μm. Maskestørrelsen på metalllaget er 400 linjer per tomme og 250 linjer per tomme for det dielektriske laget og motstandslaget. Bruk en nalkraft på 55 N, en utskriftshastighet på 60 mm/s, en bruddavstand på 1,5 mm og en Serilor nal med en hardhet på 65 (for metall og resistiv) lag) eller 75 (for dielektriske lag) for silketrykk.
De ledende lagene – induktorene og kontaktene til kondensatorer og motstander – er trykt med DuPont 5082 eller DuPont 5064H sølv mikroflak blekk. Motstanden er trykt med DuPont 7082 karbonleder. For kondensator dielektrikum, den ledende forbindelsen BT-101 dielekt barium brukes.Hvert lag med dielektrikum produseres ved å bruke en to-pass (våt-våt) utskriftssyklus for å forbedre jevnheten til filmen. For hver komponent ble effekten av flere utskriftssykluser på komponentytelse og variabilitet undersøkt. Prøver laget med flere belegg av samme materiale ble tørket ved 70 °C i 2 minutter mellom belegningene. Etter påføring av det siste strøket av hvert materiale ble prøvene bakt ved 140 °C i 10 minutter for å sikre fullstendig tørking. Den automatiske innrettingsfunksjonen til skjermen skriveren brukes til å justere påfølgende lag. Kontakten med midten av induktoren oppnås ved å kutte et gjennomgående hull i senterputen og stensiltrykkspor på baksiden av underlaget med DuPont 5064H-blekk. Sammenkoblingen mellom utskriftsutstyr bruker også Dupont 5064H sjablongutskrift. For å vise de trykte komponentene og SMT-komponentene på det fleksible kretskortet vist i figur 7, kobles de trykte komponentene sammen med Circuit Works CW2400 ledende epoksy, og SMT-komponentene kobles sammen med tradisjonell lodding.
Litiumkoboltoksid (LCO) og grafittbaserte elektroder brukes som henholdsvis katode og anode på batteriet. Katodeslammet er en blanding av 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafitt (KS6, Timcal), 2,5 % % kjønrøk (Super P, Timcal) og 10 % polyvinylidenfluorid (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoden er en blanding av 84 vekt% grafitt, 4 vekt% kjønrøk og 13 vekt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) brukes til å løse opp PVDF-bindemidlet og dispergere slurryen. Slurryen ble homogenisert av omrøring med en virvelmikser over natten. En 0,0005 tommer tykk rustfri stålfolie og en 10 μm nikkelfolie brukes som strømkollektorer for henholdsvis katoden og anoden. Blekket trykkes på strømkollektoren med en nal med en utskriftshastighet på 20 mm/s. Varm opp elektroden i en ovn ved 80 °C i 2 timer for å fjerne løsningsmidlet. Høyden på elektroden etter tørking er ca. 60 μm, og basert på vekten av det aktive materialet er den teoretiske kapasiteten 1,65 mAh /cm2. Elektrodene ble kuttet i dimensjoner på 1,3 × 1,3 cm2 og oppvarmet i en vakuumovn ved 140°C over natten, og deretter ble de forseglet med aluminiumslaminatposer i en nitrogenfylt hanskeboks. En løsning av polypropylenbasisfilm med anode og katode og 1M LiPF6 i EC/DEC (1:1) brukes som batterielektrolytt.
Grønn OLED består av poly(9,9-dioktylfluoren-ko-n-(4-butylfenyl)-difenylamin) (TFB) og poly((9,9-dioktylfluoren-2,7- (2,1,3-benzotiadiazol-) 4, 8-diyl)) (F8BT) i henhold til prosedyren skissert i Lochner et al.
Bruk Dektak stylus profiler for å måle filmtykkelse. Filmen ble kuttet for å forberede en tverrsnittsprøve for undersøkelse ved skanning elektronmikroskopi (SEM). FEI Quanta 3D feltemisjonspistol (FEG) SEM brukes til å karakterisere strukturen til den trykte film og bekrefte tykkelsesmålingen. SEM-studien ble utført ved en akselererende spenning på 20 keV og en typisk arbeidsavstand på 10 mm.
Bruk et digitalt multimeter for å måle DC-motstand, spenning og strøm. AC-impedansen til induktorer, kondensatorer og kretser måles med Agilent E4980 LCR-måler for frekvenser under 1 MHz og Agilent E5061A-nettverksanalysator brukes til å måle frekvenser over 500 kHz. Tektronix TDS 5034 oscilloskop for å måle spenningsregulatorens bølgeform.
Hvordan sitere denne artikkelen: Ostfeld, AE, etc.Screen printing passive komponenter for fleksibelt kraft elektronisk utstyr.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Fleksibel elektronikk: den neste allestedsnærværende plattformen. Prosess IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Et sted hvor grupper møter mennesker. Paper publisert på 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, Frankrike.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. mars- 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 energiinnsamlingsenheter.Avanserte energimaterialer.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-trykt flat tykk film termoelektrisk energigenerator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Et fleksibelt trykt batteri med høy potensial som brukes til å drive trykte elektroniske enheter.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Den siste utviklingen innen trykte fleksible batterier: mekaniske utfordringer, utskriftsteknologi og fremtidsutsikter.Energiteknologi.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.Et storskala sensorsystem som kombinerer store elektroniske enheter og CMOS IC-er for strukturell helseovervåking.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).