ştiri

Aditivii și procesele de imprimare la temperatură joasă pot integra diverse dispozitive electronice consumatoare de energie și consumatoare de energie pe substraturi flexibile la costuri reduse. Cu toate acestea, producția de sisteme electronice complete din aceste dispozitive necesită, de obicei, dispozitive electronice de putere pentru a converti între diferitele tensiuni de operare ale dispozitivele. Componentele pasive — inductoare, condensatoare și rezistențe — îndeplinesc funcții precum filtrarea, stocarea energiei pe termen scurt și măsurarea tensiunii, care sunt esențiale în electronica de putere și în multe alte aplicații. În acest articol, prezentăm inductori, condensatori, rezistențe și circuite RLC serigrafiate pe substraturi flexibile din plastic și raportați procesul de proiectare pentru a minimiza rezistența în serie a inductoarelor, astfel încât acestea să poată fi utilizate în dispozitive electronice de putere. Inductorul și rezistența imprimate sunt apoi încorporate în circuitul regulatorului de impuls. Fabricare de diode organice emițătoare de lumină și baterii flexibile litiu-ion. Regulatoarele de tensiune sunt utilizate pentru alimentarea diodelor din baterie, demonstrând potențialul componentelor pasive imprimate de a înlocui componentele tradiționale cu montare la suprafață în aplicațiile convertoare DC-DC.
În ultimii ani, a fost dezvoltată aplicarea diferitelor dispozitive flexibile în produse electronice portabile și de suprafață mare și Internetul lucrurilor1,2. Acestea includ dispozitive de colectare a energiei, cum ar fi fotovoltaice 3, piezoelectrice 4 și termoelectrice 5; dispozitive de stocare a energiei, cum ar fi bateriile 6, 7; și dispozitive consumatoare de energie, cum ar fi senzorii 8, 9, 10, 11, 12 și sursele de lumină 13. Deși s-au făcut progrese mari în ceea ce privește sursele și sarcinile individuale de energie, combinarea acestor componente într-un sistem electronic complet necesită, de obicei, electronice de putere pentru a depășiți orice nepotrivire între comportamentul sursei de alimentare și cerințele de sarcină. De exemplu, o baterie generează o tensiune variabilă în funcție de starea sa de încărcare. Dacă sarcina necesită o tensiune constantă sau mai mare decât tensiunea pe care o poate genera bateria, este necesară electronica de putere .Electronica de putere utilizează componente active (tranzistoare) pentru a efectua funcții de comutare și control, precum și componente pasive (inductori, condensatori și rezistențe). De exemplu, într-un circuit regulator de comutare, un inductor este utilizat pentru a stoca energie în timpul fiecărui ciclu de comutare. , un condensator este folosit pentru a reduce ondulația de tensiune, iar măsurarea tensiunii necesară pentru controlul feedback-ului se face folosind un divizor de rezistență.
Dispozitivele electronice de alimentare care sunt potrivite pentru dispozitive portabile (cum ar fi pulsoximetrul 9) necesită câțiva volți și câțiva miliamperi, funcționează de obicei în intervalul de frecvență de la sute de kHz la câțiva MHz și necesită mai multe μH și mai multe μH inductanță și capacitatea μF este 14, respectiv. Metoda tradițională de fabricare a acestor circuite este de a lipi componentele discrete la o placă de circuit imprimat rigid (PCB). Deși componentele active ale circuitelor electronice de putere sunt de obicei combinate într-un singur circuit integrat de siliciu (IC), componentele pasive sunt de obicei extern, fie permițând circuite personalizate, fie deoarece inductanța și capacitatea necesară sunt prea mari pentru a fi implementate în siliciu.
În comparație cu tehnologia tradițională de fabricație bazată pe PCB, fabricarea dispozitivelor și circuitelor electronice prin procesul de imprimare aditivă are multe avantaje în ceea ce privește simplitatea și costul. În primul rând, deoarece multe componente ale circuitului necesită aceleași materiale, cum ar fi metalele pentru contacte. și interconexiuni, imprimarea permite fabricarea simultană a mai multor componente, cu relativ puține etape de procesare și mai puține surse de materiale15. Utilizarea proceselor aditive pentru a înlocui procesele subtractive, cum ar fi fotolitografia și gravarea, reduce și mai mult complexitatea procesului și risipa de material16, 17, 18 și 19. În plus, temperaturile scăzute utilizate în tipărire sunt compatibile cu substraturi din plastic flexibile și ieftine, permițând utilizarea proceselor de producție de mare viteză roll-to-roll pentru a acoperi dispozitivele electronice 16, 20 pe suprafețe mari. Pentru aplicații care nu pot fi realizate pe deplin cu componente imprimate, au fost dezvoltate metode hibride în care componentele tehnologiei de montare în suprafață (SMT) sunt conectate la substraturi flexibile 21, 22, 23 lângă componentele imprimate la temperaturi scăzute. În această abordare hibridă, este încă este necesar să înlocuim cât mai multe componente SMT posibil cu omologi imprimați pentru a obține beneficiile proceselor suplimentare și pentru a crește flexibilitatea generală a circuitului. Pentru a realiza o electronică de putere flexibilă, am propus o combinație de componente active SMT și pasive serigrafiate. componente, cu accent deosebit pe înlocuirea inductoarelor SMT voluminoase cu inductoare spiralate plane. Printre diferitele tehnologii de fabricare a electronicelor imprimate, serigrafia este deosebit de potrivită pentru componentele pasive, datorită grosimii sale mari a peliculei (care este necesară pentru a minimiza rezistența în serie a caracteristicilor metalice). ) și viteză mare de imprimare, chiar și atunci când acoperă suprafețe la nivel de centimetri Același lucru este valabil uneori.Material 24.
Pierderea componentelor pasive ale echipamentelor electronice de putere trebuie redusă la minimum, deoarece eficiența circuitului afectează în mod direct cantitatea de energie necesară pentru alimentarea sistemului. Acest lucru este deosebit de dificil pentru inductoarele tipărite compuse din bobine lungi, care sunt, prin urmare, susceptibile la serii mari. Prin urmare, deși s-au făcut unele eforturi pentru a minimiza rezistența 25, 26, 27, 28 a bobinelor imprimate, există încă o lipsă de componente pasive imprimate de înaltă eficiență pentru dispozitivele electronice de putere. Până în prezent, mulți au raportat că sunt tipărite pasive. componentele pe substraturi flexibile sunt proiectate să funcționeze în circuite rezonante pentru identificarea prin radiofrecvență (RFID) sau în scopuri de recoltare a energiei 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Altele se concentrează pe dezvoltarea materialelor sau a procesului de fabricație și prezintă componente generice 26, 32, 33, 34 care nu sunt optimizate pentru aplicații specifice. În schimb, circuitele electronice de putere, cum ar fi regulatoarele de tensiune, folosesc adesea componente mai mari decât dispozitivele pasive tipărite tipice și nu necesită rezonanță, așa că sunt necesare diferite modele de componente.
Aici, prezentăm proiectarea și optimizarea inductoarelor serigrafiate în intervalul μH pentru a obține cea mai mică rezistență în serie și performanță ridicată la frecvențele legate de electronica de putere. Sunt fabricate inductori, condensatori și rezistențe serigrafiate cu diferite valori ale componentelor. pe substraturi flexibile din plastic. Adecvarea acestor componente pentru produse electronice flexibile a fost demonstrată pentru prima dată într-un circuit RLC simplu. Inductorul imprimat și rezistența sunt apoi integrate cu IC pentru a forma un regulator de impuls. În cele din urmă, o diodă emițătoare de lumină organică (OLED ) și o baterie flexibilă litiu-ion sunt fabricate, iar un regulator de tensiune este utilizat pentru a alimenta OLED-ul din baterie.
Pentru a proiecta inductoare tipărite pentru electronica de putere, am prezis mai întâi inductanța și rezistența DC a unei serii de geometrii de inductor pe baza modelului actual al foii propus în Mohan și colab. 35, și a fabricat inductori de diferite geometrii pentru a confirma acuratețea modelului. În această lucrare, a fost aleasă o formă circulară pentru inductor, deoarece o inductanță mai mare 36 poate fi obținută cu o rezistență mai mică în comparație cu o geometrie poligonală. Influența cernelii se determină tipul și numărul de cicluri de imprimare pe rezistență. Aceste rezultate au fost apoi utilizate cu modelul ampermetrului pentru a proiecta inductori de 4,7 μH și 7,8 μH optimizați pentru rezistența DC minimă.
Inductanța și rezistența DC a inductoarelor spiralate pot fi descrise prin mai mulți parametri: diametrul exterior do, lățimea spirelor w și distanța s, numărul de spire n și rezistența foii conductorului Rsheet. Figura 1a arată o fotografie a unui inductor circular imprimat serigrafiat. cu n = 12, arătând parametrii geometrici care îi determină inductanța.Conform modelului ampermetrului lui Mohan și colab. 35, inductanța este calculată pentru o serie de geometrii de inductor, unde
(a) O fotografie a inductorului serigrafic care arată parametrii geometrici. Diametrul este de 3 cm. Inductanța (b) și rezistența DC (c) a diferitelor geometrii ale inductorului. Liniile și marcajele corespund valorilor calculate și, respectiv, măsurate. (d,e) Rezistențele DC ale inductoarelor L1 și L2 sunt serigrafiate cu cerneluri argintie Dupont 5028 și respectiv 5064H. (f,g) Micrografii SEM ale filmelor serigrafiate de Dupont 5028 și, respectiv, 5064H.
La frecvențe înalte, efectul pielii și capacitatea parazitară vor modifica rezistența și inductanța inductorului în funcție de valoarea sa DC. Este de așteptat ca inductorul să funcționeze la o frecvență suficient de joasă încât aceste efecte să fie neglijabile, iar dispozitivul se comportă ca o inductanță constantă. cu o rezistență constantă în serie. Prin urmare, în această lucrare, am analizat relația dintre parametrii geometrici, inductanță și rezistența DC și am folosit rezultatele pentru a obține o inductanță dată cu cea mai mică rezistență DC.
Inductanța și rezistența sunt calculate pentru o serie de parametri geometrici care pot fi realizați prin serigrafie și este de așteptat ca inductanța în intervalul μH să fie generată. Diametrele exterioare de 3 și 5 cm, lățimile liniilor de 500 și 1000 microni , și se compară diferite spire. În calcul, se presupune că rezistența foii este de 47 mΩ/□, ceea ce corespunde unui strat conductor de microfulgi argintiu Dupont 5028 de 7 μm grosime imprimat cu un ecran de 400 mesh și setarea w = s.The valorile calculate ale inductanței și ale rezistenței sunt prezentate în Figura 1b și, respectiv, c. Modelul prezice că atât inductanța, cât și rezistența cresc pe măsură ce diametrul exterior și numărul de spire cresc sau pe măsură ce lățimea liniei scade.
Pentru a evalua acuratețea predicțiilor modelului, inductoarele de diferite geometrii și inductanțe au fost fabricate pe un substrat de polietilen tereftalat (PET). Valorile măsurate ale inductanței și rezistenței sunt prezentate în Figura 1b și c. Deși rezistența a prezentat o oarecare abatere de la valoarea așteptată, în principal din cauza modificărilor grosimii și uniformității cernelii depuse, inductanța a arătat o concordanță foarte bună cu modelul.
Aceste rezultate pot fi folosite pentru a proiecta un inductor cu inductanța necesară și rezistența DC minimă. De exemplu, să presupunem că este necesară o inductanță de 2 μH. Figura 1b arată că această inductanță poate fi realizată cu un diametru exterior de 3 cm, o lățime de linie. de 500 μm și 10 spire. Aceeași inductanță poate fi generată și folosind 5 cm diametru exterior, 500 μm lățime de linie și 5 spire sau 1000 μm lățime de linie și 7 spire (așa cum se arată în figură). Comparând rezistențele acestor trei geometriile posibile din Figura 1c, se poate constata că cea mai mică rezistență a unui inductor de 5 cm cu o lățime de linie de 1000 μm este de 34 Ω, ceea ce este cu aproximativ 40% mai mic decât celelalte două. Procesul general de proiectare pentru a obține o inductanță dată cu o rezistență minimă este rezumat după cum urmează: În primul rând, selectați diametrul exterior maxim admis în funcție de constrângerile de spațiu impuse de aplicație. Apoi, lățimea liniei trebuie să fie cât mai mare posibil, realizând în același timp inductanța necesară pentru a obține o rată de umplere ridicată. (ecuația (3)).
Prin creșterea grosimii sau prin utilizarea unui material cu conductivitate mai mare pentru a reduce rezistența foliei a filmului metalic, rezistența DC poate fi redusă și mai mult fără a afecta inductanța. Două inductori, ai căror parametri geometrici sunt dați în Tabelul 1, numiti L1 și L2, sunt fabricate cu un număr diferit de acoperiri pentru a evalua modificarea rezistenței. Pe măsură ce numărul de acoperiri cu cerneală crește, rezistența scade proporțional așa cum se așteaptă, așa cum se arată în figurile 1d și e, care sunt inductori L1 și, respectiv, L2. Figurile 1d și e arată că prin aplicarea a 6 straturi de acoperire, rezistența poate fi redusă de până la 6 ori, iar reducerea maximă a rezistenței (50-65%) are loc între stratul 1 și stratul 2. Deoarece fiecare strat de cerneală este relativ subțire, un Ecranul cu o dimensiune relativ mică a grilei (400 de linii pe inch) este utilizat pentru a imprima aceste inductori, ceea ce ne permite să studiem efectul grosimii conductorului asupra rezistenței. Atâta timp cât caracteristicile modelului rămân mai mari decât rezoluția minimă a grilei, o grosime similară (și rezistență) poate fi obținută mai rapid prin imprimarea unui număr mai mic de acoperiri cu o dimensiune mai mare a grilei. Această metodă poate fi utilizată pentru a obține aceeași rezistență DC ca inductorul cu 6 acoperiri discutat aici, dar cu o viteză de producție mai mare.
Figurile 1d și e arată, de asemenea, că prin utilizarea cernelii cu fulgi de argint mai conductiv DuPont 5064H, rezistența este redusă cu un factor de doi. Din micrografiile SEM ale filmelor imprimate cu cele două cerneluri (Figura 1f, g), poate fi s-a văzut că conductivitatea mai scăzută a cernelii 5028 se datorează dimensiunii mai mici a particulelor și prezenței multor goluri între particulele din filmul imprimat. Pe de altă parte, 5064H are fulgi mai mari, mai strâns aranjați, făcându-l să se comporte mai aproape de volum. argintiu.Deși filmul produs de această cerneală este mai subțire decât cerneala 5028, cu un singur strat de 4 μm și 6 straturi de 22 μm, creșterea conductibilității este suficientă pentru a reduce rezistența totală.
În fine, deși inductanța (ecuația (1)) depinde de numărul de spire (w + s), rezistența (ecuația (5)) depinde doar de lățimea liniei w. Prin urmare, prin creșterea w față de s, rezistența pot fi reduse și mai mult. Cele două inductoare suplimentare L3 și L4 sunt proiectate pentru a avea w = 2s și un diametru exterior mare, așa cum se arată în tabelul 1. Aceste inductoare sunt fabricate cu 6 straturi de acoperire DuPont 5064H, așa cum sa arătat mai devreme, pentru a oferi cea mai înaltă performanță. Inductanța lui L3 este de 4,720 ± 0,002 μH și rezistența este de 4,9 ± 0,1 Ω, în timp ce inductanța lui L4 este de 7,839 ± 0,005 μH și 6,9 ± 0,1 Ω, care sunt în acord cu modelul de predicție. creșterea grosimii, conductibilității și w/s, aceasta înseamnă că raportul L/R a crescut cu mai mult de un ordin de mărime față de valoarea din Figura 1.
Deși rezistența DC scăzută este promițătoare, evaluarea adecvării inductoarelor pentru echipamentele electronice de putere care funcționează în intervalul kHz-MHz necesită caracterizare la frecvențe AC. Figura 2a arată dependența de frecvență a rezistenței și reactanței L3 și L4. Pentru frecvențe sub 10 MHz. , rezistența rămâne aproximativ constantă la valoarea DC, în timp ce reactanța crește liniar cu frecvența, ceea ce înseamnă că inductanța este constantă așa cum era de așteptat. L3 fiind 35,6 ± 0,3 MHz și L4 fiind 24,3 ± 0,6 MHz. Dependența de frecvență a factorului de calitate Q (egal cu ωL/R) este prezentată în Figura 2b. L3 și L4 ating factori de calitate maxim de 35 ± 1 și 33 ± 1 la frecvențe de 11 și, respectiv, 16 MHz. Inductanța de câțiva μH și frecvențele relativ ridicate Q la MHz fac ca aceste inductori să fie suficiente pentru a înlocui inductoarele tradiționale de suprafață în convertoarele DC-DC de putere redusă.
Rezistența măsurată R și reactanța X (a) și factorul de calitate Q (b) ale inductoarelor L3 și L4 sunt legate de frecvență.
Pentru a minimiza amprenta necesară pentru o anumită capacitate, cel mai bine este să folosiți tehnologia condensatorului cu o capacitate specifică mare, care este egală cu constanta dielectrică ε împărțită la grosimea dielectricului. În această lucrare, am ales compozitul de titanat de bariu. ca dielectric, deoarece are un epsilon mai mare decât alți dielectrici organici procesați în soluție. Stratul dielectric este serigrafic între cei doi conductori de argint pentru a forma o structură metal-dielectric-metal. Condensatori cu diferite dimensiuni în centimetri, așa cum se arată în Figura 3a , sunt fabricate folosind două sau trei straturi de cerneală dielectrică pentru a menține un randament bun. Figura 3b prezintă o micrografie SEM în secțiune transversală a unui condensator reprezentativ realizat cu două straturi de dielectric, cu o grosime totală a dielectricului de 21 μm. Electrozii de sus și de jos sunt 5064H cu un singur strat și, respectiv, cu șase straturi. Particulele de titanat de bariu de dimensiunea unui micron sunt vizibile în imaginea SEM, deoarece zonele mai luminoase sunt înconjurate de liantul organic mai închis. Cerneala dielectrică udă bine electrodul inferior și formează o interfață clară cu film metalic imprimat, așa cum se arată în ilustrație, cu o mărire mai mare.
(a) O fotografie a unui condensator cu cinci zone diferite. (b) Micrografie SEM în secțiune transversală a unui condensator cu două straturi de dielectric, care arată dielectricul de titanat de bariu și electrozi de argint. (c) Capacitatea condensatoarelor cu 2 și 3 titanat de bariu straturi dielectrice și diferite zone, măsurate la 1 MHz. (d) Relația dintre capacitatea, ESR și factorul de pierdere a unui condensator de 2,25 cm2 cu 2 straturi de acoperiri dielectrice și frecvență.
Capacitatea este proporțională cu aria așteptată. După cum se arată în Figura 3c, capacitatea specifică a dielectricului cu două straturi este de 0,53 nF/cm2, iar capacitatea specifică a dielectricului cu trei straturi este de 0,33 nF/cm2. Aceste valori corespund unei constante dielectrice de 13. Capacitatea și factorul de disipare (DF) au fost, de asemenea, măsurate la frecvențe diferite, așa cum se arată în Figura 3d, pentru un condensator de 2,25 cm2 cu două straturi de dielectric. Am constatat că capacitatea era relativ plată în intervalul de frecvență de interes, crescând cu 20% de la 1 la 10 MHz, în timp ce în același interval, DF a crescut de la 0,013 la 0,023. Întrucât factorul de disipare este raportul dintre pierderea de energie și energia stocată în fiecare ciclu AC, un DF de 0,02 înseamnă că 2% din puterea gestionată de condensator este consumat. Această pierdere este de obicei exprimată ca rezistență serie echivalentă dependentă de frecvență (ESR) în serie cu condensatorul, care este egală cu DF/ωC. După cum se arată în Figura 3d, pentru frecvențe mai mari de 1 MHz, ESR este mai mic de 1,5 Ω, iar pentru frecvențe mai mari de 4 MHz, ESR este mai mic de 0,5 Ω. Deși folosind această tehnologie de condensator, condensatorii de nivel μF necesari convertoarelor DC-DC necesită o suprafață foarte mare, dar cei 100 pF-nF intervalul de capacitate și pierderea redusă a acestor condensatori îi fac potriviti pentru alte aplicații, cum ar fi filtrele și circuitele rezonante. Pot fi utilizate diverse metode pentru a crește capacitatea. O constantă dielectrică mai mare crește capacitatea specifică 37; de exemplu, acest lucru poate fi realizat prin creșterea concentrației de particule de titanat de bariu în cerneală. Poate fi utilizată o grosime dielectrică mai mică, deși aceasta necesită un electrod inferior cu o rugozitate mai mică decât un fulg de argint serigrafiat. Condensator mai subțire, cu rugozitate mai mică straturile pot fi depuse prin imprimare cu jet de cerneală 31 sau imprimare gravură 10, care poate fi combinată cu un proces de serigrafie. În cele din urmă, mai multe straturi alternative de metal și dielectric pot fi stivuite și imprimate și conectate în paralel, crescând astfel capacitatea de 34 per unitate de suprafață. .
Un divizor de tensiune compus dintr-o pereche de rezistențe este de obicei utilizat pentru a efectua măsurarea tensiunii necesare pentru controlul feedback-ului unui regulator de tensiune. Pentru acest tip de aplicație, rezistența rezistorului imprimat ar trebui să fie în intervalul kΩ-MΩ și diferența dintre Dispozitivele sunt mici. Aici, s-a constatat că rezistența foii a cernelii de carbon serigrafiate cu un singur strat a fost de 900 Ω/□. Aceste informații sunt folosite pentru a proiecta două rezistențe liniare (R1 și R2) și un rezistor serpentin (R3). ) cu rezistențe nominale de 10 kΩ, 100 kΩ și 1,5 MΩ. Rezistența dintre valorile nominale se realizează prin imprimarea a două sau trei straturi de cerneală, așa cum se arată în Figura 4, și a fotografiilor celor trei rezistențe. Realizați 8- 12 mostre de fiecare tip; în toate cazurile, abaterea standard a rezistenței este de 10% sau mai puțin. Modificarea rezistenței probelor cu două sau trei straturi de acoperire tinde să fie puțin mai mică decât cea a probelor cu un strat de acoperire. Modificarea mică a rezistenței măsurate iar acordul strâns cu valoarea nominală indică faptul că alte rezistențe din acest interval pot fi obținute direct prin modificarea geometriei rezistenței.
Trei geometrii diferite de rezistoare cu numere diferite de acoperiri de cerneală rezistive de carbon. Fotografia a trei rezistențe este afișată în dreapta.
Circuitele RLC sunt exemple clasice de manuale de combinații de rezistență, inductor și condensator utilizate pentru a demonstra și verifica comportamentul componentelor pasive integrate în circuite imprimate reale. În acest circuit, un inductor de 8 μH și un condensator de 0,8 nF sunt conectați în serie și un Rezistorul de 25 kΩ este conectat în paralel cu ele. Fotografia circuitului flexibil este prezentată în Figura 5a. Motivul pentru alegerea acestei combinații speciale serie-paralel este că comportamentul său este determinat de fiecare dintre cele trei componente de frecvență diferite, astfel încât performanța fiecărei componente poate fi evidențiată și evaluată. Având în vedere rezistența în serie de 7 Ω a inductorului și ESR de 1,3 Ω a condensatorului, a fost calculat răspunsul în frecvență așteptat al circuitului. Schema circuitului este prezentată în Figura 5b, iar cea calculată amplitudinea și faza impedanței și valorile măsurate sunt prezentate în figurile 5c și d. La frecvențe joase, impedanța ridicată a condensatorului înseamnă că comportamentul circuitului este determinat de rezistența de 25 kΩ. Pe măsură ce frecvența crește, impedanța de calea LC scade; întregul comportament al circuitului este capacitiv până când frecvența de rezonanță este de 2,0 MHz. Peste frecvența de rezonanță, domină impedanța inductivă. Figura 5 arată clar acordul excelent între valorile calculate și măsurate pe întregul interval de frecvență. Aceasta înseamnă că modelul utilizat aici (unde inductoarele și condensatorii sunt componente ideale cu rezistență în serie) este precisă pentru a prezice comportamentul circuitului la aceste frecvențe.
(a) O fotografie a unui circuit RLC serigrafiat care utilizează o combinație în serie de un inductor de 8 μH și un condensator de 0,8 nF în paralel cu un rezistor de 25 kΩ. (b) Model de circuit care include rezistența în serie a inductorului și a condensatorului. (c) ,d) Amplitudinea impedanței (c) și faza (d) a circuitului.
În cele din urmă, inductoarele și rezistențele imprimate sunt implementate în regulatorul de amplificare. Circuitul integrat utilizat în această demonstrație este Microchip MCP1640B14, care este un regulator de amplificare sincron bazat pe PWM, cu o frecvență de funcționare de 500 kHz. Schema circuitului este prezentată în Figura 6a.A. Inductorul de 4,7 μH și doi condensatori (4,7 μF și 10 μF) sunt utilizați ca elemente de stocare a energiei, iar o pereche de rezistențe sunt utilizate pentru a măsura tensiunea de ieșire a controlului de feedback. Selectați valoarea rezistenței pentru a regla tensiunea de ieșire la 5 V. Circuitul este fabricat pe PCB, iar performanța sa este măsurată în cadrul rezistenței de sarcină și a tensiunii de intrare de la 3 la 4 V pentru a simula bateria litiu-ion în diferite stări de încărcare. Eficiența inductoarelor și rezistențelor imprimate este comparată cu eficiența inductoarelor și rezistențelor SMT.Condensatoarele SMT sunt utilizate în toate cazurile deoarece capacitatea necesară acestei aplicații este prea mare pentru a fi completată cu condensatoare imprimate.
(a) Diagrama circuitului de stabilizare a tensiunii. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw și (d) Forme de undă ale curentului care curge în inductor, tensiunea de intrare este de 4,0 V, rezistența de sarcină este de 1 kΩ, iar inductorul imprimat este folosit pentru a măsura. Rezistorii și condensatorii de montare la suprafață sunt utilizați pentru această măsurare.(e) Pentru diferite rezistențe de sarcină și tensiuni de intrare, eficiența circuitelor regulatoare de tensiune care utilizează toate componentele de montare la suprafață și inductoarele și rezistențele imprimate.(f ) Raportul de eficiență al montajului pe suprafață și al circuitului imprimat prezentat la (e).
Pentru o tensiune de intrare de 4,0 V și o rezistență de sarcină de 1000 Ω, formele de undă măsurate folosind inductori imprimați sunt prezentate în Figura 6b-d. Figura 6c arată tensiunea la borna Vsw a CI; tensiunea inductorului este Vin-Vsw. Figura 6d arată curentul care curge în inductor. Eficiența circuitului cu SMT și componente imprimate este prezentată în Figura 6e în funcție de tensiunea de intrare și rezistența de sarcină, iar Figura 6f arată raportul de eficiență a componentelor imprimate la componentele SMT.Eficiența măsurată folosind componente SMT este similară cu valoarea așteptată dată în fișa de date a producătorului 14.La un curent de intrare mare (rezistență scăzută la sarcină și tensiune de intrare scăzută), eficiența inductoarelor imprimate este semnificativ mai mică decât cea a inductoarelor SMT datorită rezistenței mai mari în serie. Cu toate acestea, cu o tensiune de intrare mai mare și un curent de ieșire mai mare, pierderea de rezistență devine mai puțin importantă, iar performanța inductoarelor imprimate începe să se apropie de cea a inductoarelor SMT. Pentru rezistențe de sarcină >500 Ω și Vin = 4,0 V sau >750 Ω și Vin = 3,5 V, eficiența inductoarelor imprimate este mai mare de 85% a inductoarelor SMT.
Compararea formei de undă a curentului din Figura 6d cu pierderea de putere măsurată arată că pierderea de rezistență în inductor este cauza principală a diferenței de eficiență între circuitul imprimat și circuitul SMT, așa cum era de așteptat. Puterea de intrare și de ieșire măsurată la 4,0 V tensiunea de intrare și rezistența la sarcină de 1000 Ω sunt de 30,4 mW și 25,8 mW pentru circuitele cu componente SMT și 33,1 mW și 25,2 mW pentru circuitele cu componente imprimate. Prin urmare, pierderea circuitului imprimat este de 7,9 mW, ceea ce este cu 3,4 mW mai mare decât circuit cu componente SMT.Curentul inductor RMS calculat din forma de undă din figura 6d este de 25,6 mA. Deoarece rezistența sa în serie este de 4,9 Ω, pierderea de putere așteptată este de 3,2 mW. Aceasta este 96% din diferența de putere DC măsurată de 3,4 mW. În plus, circuitul este fabricat cu inductori imprimate și rezistențe imprimate și inductoare imprimate și rezistențe SMT și nu se observă o diferență semnificativă de eficiență între ele.
Apoi, regulatorul de tensiune este fabricat pe PCB flexibil (imprimarea circuitului și performanța componentelor SMT sunt prezentate în Figura suplimentară S1) și conectat între bateria flexibilă litiu-ion ca sursă de alimentare și matricea OLED ca sarcină. Conform Lochner et al. 9 Pentru a produce OLED-uri, fiecare pixel OLED consumă 0,6 mA la 5 V. Bateria folosește oxid de litiu cobalt și, respectiv, grafit ca catod și, respectiv, anod, și este fabricată prin acoperire cu lame racle, care este cea mai comună metodă de imprimare a bateriei.7 capacitatea bateriei este de 16 mAh, iar tensiunea în timpul testului este de 4,0 V. Figura 7 prezintă o fotografie a circuitului de pe PCB flexibil, care alimentează trei pixeli OLED conectați în paralel. Demonstrația a demonstrat potențialul componentelor de putere imprimate de a fi integrate cu alte dispozitive flexibile și organice pentru a forma sisteme electronice mai complexe.
O fotografie a circuitului de reglare a tensiunii pe un PCB flexibil, folosind inductori și rezistențe imprimate, folosind baterii flexibile litiu-ion pentru a alimenta trei LED-uri organice.
Am arătat inductori, condensatori și rezistențe serigrafiate cu o gamă de valori pe substraturi flexibile din PET, cu scopul de a înlocui componentele cu montare la suprafață în echipamentele electronice de putere. Am demonstrat că prin proiectarea unei spirale cu un diametru mare, rata de umplere. , și raportul lățime linie-lățime spațiu și prin utilizarea unui strat gros de cerneală cu rezistență scăzută. Aceste componente sunt integrate într-un circuit RLC complet imprimat și flexibil și prezintă un comportament electric previzibil în intervalul de frecvență kHz-MHz, care este cel mai mare. interes pentru electronica de alimentare.
Cazurile de utilizare tipice pentru dispozitivele electronice de putere tipărite sunt sistemele electronice flexibile portabile sau integrate în produs, alimentate de baterii flexibile reîncărcabile (cum ar fi litiu-ion), care pot genera tensiuni variabile în funcție de starea de încărcare. Dacă sarcina (inclusiv imprimare și echipamente electronice organice) necesită o tensiune constantă sau mai mare decât tensiunea de ieșire a bateriei, este necesar un regulator de tensiune. Din acest motiv, inductoarele și rezistențele imprimate sunt integrate cu circuite integrate tradiționale din siliciu într-un regulator de impuls pentru a alimenta OLED-ul cu o tensiune constantă. de 5 V de la o sursă de alimentare a bateriei cu tensiune variabilă. Într-un anumit interval de curent de sarcină și tensiune de intrare, eficiența acestui circuit depășește 85% din eficiența unui circuit de control care utilizează inductori și rezistențe montate la suprafață. În ciuda optimizărilor materiale și geometrice, pierderile rezistive în inductor sunt încă factorul limitator pentru performanța circuitului la niveluri de curent ridicate (curent de intrare mai mare de aproximativ 10 mA). Cu toate acestea, la curenți mai mici, pierderile în inductor sunt reduse, iar performanța generală este limitată de eficiență. Deoarece multe dispozitive imprimate și organice necesită curenți relativ mici, cum ar fi OLED-urile mici utilizate în demonstrația noastră, inductoarele de putere imprimate pot fi considerate potrivite pentru astfel de aplicații. Prin utilizarea circuitelor integrate concepute pentru a avea cea mai mare eficiență la niveluri de curent mai scăzute, se poate obține o eficiență globală mai mare a convertorului.
În această lucrare, regulatorul de tensiune este construit pe PCB tradițional, PCB flexibil și tehnologia de lipire a componentelor cu montare la suprafață, în timp ce componenta imprimată este fabricată pe un substrat separat. filmele imprimate ar trebui să permită ca componentele pasive, precum și interconexiunea dintre dispozitiv și suporturile de contact ale componentelor de montare la suprafață, să fie imprimate pe orice substrat. Acest lucru, combinat cu utilizarea adezivilor conductivi la temperatură joasă existenți pentru componentele de montare la suprafață, va permite întregul circuit să fie construit pe substraturi ieftine (cum ar fi PET), fără a fi nevoie de procese subtractive, cum ar fi gravarea PCB. Prin urmare, componentele pasive serigrafiate dezvoltate în această lucrare ajută la deschiderea drumului pentru sisteme electronice flexibile care integrează energia și sarcinile. cu electronice de putere de înaltă performanță, folosind substraturi ieftine, în principal procese aditive și numărul minim de componente de montare la suprafață.
Folosind o imprimantă de ecran Asys ASP01M și un ecran din oțel inoxidabil furnizat de Dynamesh Inc., toate straturile de componente pasive au fost serigrafiate pe un substrat flexibil PET cu o grosime de 76 μm. Dimensiunea ochiului de plasă a stratului metalic este de 400 de linii pe inch și 250 linii pe inch pentru stratul dielectric și stratul de rezistență. Folosiți o forță racletei de 55 N, o viteză de imprimare de 60 mm/s, o distanță de rupere de 1,5 mm și o racletă Serilor cu duritatea 65 (pentru metal și rezistiv). straturi) sau 75 (pentru straturi dielectrice) pentru serigrafie.
Straturile conductoare — inductoarele și contactele condensatoarelor și rezistențelor — sunt imprimate cu cerneală microflake argintie DuPont 5082 sau DuPont 5064H. Rezistorul este imprimat cu conductor de carbon DuPont 7082. Pentru dielectricul condensatorului, compusul conductor BT-101 dielectric titanat de bariu este utilizat.Fiecare strat de dielectric este produs folosind un ciclu de imprimare în două treceri (umed-umed) pentru a îmbunătăți uniformitatea filmului. Pentru fiecare componentă, a fost examinat efectul mai multor cicluri de imprimare asupra performanței și variabilității componentelor.Probe realizate cu mai multe straturi din același material au fost uscate la 70 °C timp de 2 minute între straturi. După aplicarea ultimului strat din fiecare material, probele au fost coapte la 140 °C timp de 10 minute pentru a asigura uscarea completă. Funcția de aliniere automată a ecranului Imprimanta este utilizată pentru a alinia straturile ulterioare. Contactul cu centrul inductorului se realizează prin tăierea unui orificiu traversant pe suportul central și a urmelor de imprimare cu șablon pe spatele substratului cu cerneală DuPont 5064H. Interconectarea dintre echipamentele de imprimare folosește și Dupont Imprimare cu șablon 5064H. Pentru a afișa componentele imprimate și componentele SMT pe PCB-ul flexibil prezentat în Figura 7, componentele imprimate sunt conectate folosind epoxid conductiv Circuit Works CW2400, iar componentele SMT sunt conectate prin lipire tradițională.
Oxidul de litiu cobalt (LCO) și electrozii pe bază de grafit sunt utilizați ca catod și, respectiv, anod al bateriei. Suspensia catodică este un amestec de 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafit (KS6, Timcal), 2,5 % negru de fum (Super P, Timcal) și 10% fluorură de poliviniliden (PVDF, Kureha Corp.). ) Anodul este un amestec de 84% în greutate grafit, 4% în greutate negru de fum și 13% în greutate PVDF. N-metil-2-pirolidona (NMP, Sigma Aldrich) este utilizată pentru a dizolva liantul PVDF și a dispersa suspensia. Suspensia a fost omogenizată prin amestecând cu un mixer vortex peste noapte. O folie de oțel inoxidabil de 0,0005 inch grosime și o folie de nichel de 10 μm sunt folosite ca colectoare de curent pentru catod și respectiv anod. Cerneala este imprimată pe colectorul de curent cu o racletă la o viteză de imprimare de 20 mm/s.Încălziți electrodul într-un cuptor la 80 °C timp de 2 ore pentru a îndepărta solventul. Înălțimea electrodului după uscare este de aproximativ 60 μm, iar pe baza greutății materialului activ, capacitatea teoretică este de 1,65 mAh /cm2. Electrozii au fost tăiați la dimensiuni de 1,3 × 1,3 cm2 și încălziți într-un cuptor cu vid la 140°C peste noapte, apoi au fost sigilați cu pungi de aluminiu laminat într-o torpedou umplută cu azot. O soluție de folie de bază de polipropilenă cu anod și catod și 1M LiPF6 în EC/DEC (1:1) este folosit ca electrolit al bateriei.
OLED verde constă din poli(9,9-dioctilfluoren-co-n-(4-butilfenil)-difenilamină) (TFB) și poli((9,9-dioctilfluoren-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol-). 4, 8-diil)) (F8BT) conform procedurii prezentate în Lochner și colab.
Folosiți Dektak stylus profiler pentru a măsura grosimea filmului. Filmul a fost tăiat pentru a pregăti o probă în secțiune transversală pentru investigare prin microscopie electronică de scanare (SEM). Pistolul cu emisie de câmp 3D FEI Quanta (FEG) SEM este utilizat pentru a caracteriza structura materialului imprimat. filmul și confirmați măsurarea grosimii. Studiul SEM a fost efectuat la o tensiune de accelerație de 20 keV și o distanță tipică de lucru de 10 mm.
Utilizați un multimetru digital pentru a măsura rezistența DC, tensiunea și curentul. Impedanța AC a inductoarelor, condensatoarelor și circuitelor este măsurată cu ajutorul contorului Agilent E4980 LCR pentru frecvențe sub 1 MHz, iar analizorul de rețea Agilent E5061A este utilizat pentru măsurarea frecvențelor de peste 500 kHz. Osciloscopul Tektronix TDS 5034 pentru măsurarea formei de undă a regulatorului de tensiune.
Cum să citez acest articol: Ostfeld, AE etc.Componente pasive de serigrafie pentru echipamente electronice de putere flexibile.știință.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next ubiquitous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: A place where groups meet humans.Lucrări publicate la Conferința și Expoziția Europeană din 2015 privind proiectarea, automatizarea și testarea, Grenoble, Franța.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 martie-2015) 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, Dispozitive de recoltare a energiei piezoelectrice imprimate AC. Materiale energetice avansate.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generator de energie termoelectrică cu film gros, imprimat cu distribuitor.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL O baterie imprimată flexibilă, cu potențial ridicat, utilizată pentru alimentarea dispozitivelor electronice imprimate.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Cele mai recente evoluții în bateriile flexibile tipărite: provocări mecanice, tehnologie de imprimare și perspective de viitor. Tehnologia energetică.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.Un sistem de detectare la scară largă care combină dispozitive electronice de suprafață mare și circuite integrate CMOS pentru monitorizarea sănătății structurale.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).