novaĵoj

Dankon pro vizito de Nature.La retumila versio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS.Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu pli novan version de la retumilo (aŭ malŝaltu la kongruecreĝimon en Internet Explorer).Samtempe. , por certigi daŭran subtenon, ni montros retejojn sen stiloj kaj JavaScript.
Aldonaĵoj kaj malalt-temperaturaj presaj procezoj povas integri diversajn elektrokonsumajn kaj elektrokonsumajn elektronikajn aparatojn sur flekseblajn substratojn je malalta kosto.Tamen, la produktado de kompletaj elektronikaj sistemoj el ĉi tiuj aparatoj kutime postulas potencajn elektronikajn aparatojn konverti inter la diversaj funkciaj tensioj de la aparatoj.Pasivaj komponantoj - induktoroj, kondensiloj kaj rezistiloj - plenumas funkciojn kiel filtrado, mallongdaŭra energistokado kaj tensiomezurado, kiuj estas esencaj en potenca elektroniko kaj multaj aliaj aplikoj.En ĉi tiu artikolo, ni enkondukas induktorojn, kondensiloj, rezistiloj kaj RLC-cirkvitoj ekran-presitaj sur flekseblaj plastaj substratoj, kaj raportu la dezajnprocezon por minimumigi la serian reziston de induktoroj por ke ili estu uzataj en potencaj elektronikaj aparatoj .La presitaj induktoroj kaj rezistiloj tiam estas korpigitaj en la boost-reguligilo-cirkviton.Fabricado. de organikaj lumelsendantaj diodoj kaj flekseblaj litiojonaj baterioj.Tensiaj reguligistoj kutimas funkciigi la diodojn de la baterio, montrante la potencialon de presitaj pasivaj komponentoj anstataŭigi tradiciajn surfacmuntajn komponentojn en DC-DC-konvertil-aplikoj.
En la lastaj jaroj, la aplikado de diversaj flekseblaj aparatoj en porteblaj kaj grand-areaj elektronikaj produktoj kaj la Interreto de Aĵoj1,2 estis disvolvita.Ĉi tiuj inkluzivas energi-kolektajn aparatojn, kiel fotovoltaikaj 3, piezoelektraj 4 kaj termoelektraj 5;energiaj stokaj aparatoj, kiel kuirilaroj 6, 7;kaj elektrokonsumantaj aparatoj, kiel sensiloj 8, 9, 10, 11, 12 kaj lumfontoj 13.Kvankam granda progreso estis farita en individuaj energifontoj kaj ŝarĝoj, kombini ĉi tiujn komponantojn en kompletan elektronikan sistemon kutime postulas potencan elektronikon por superi ajnan miskongruon inter nutradokonduto kaj ŝarĝpostuloj.Ekzemple, baterio generas varian tension laŭ sia stato de ŝargo.Se la ŝarĝo postulas konstantan tension, aŭ pli altan ol la tensio kiun la baterio povas generi, elektra elektroniko estas postulata. .Potenlektroniko uzas aktivajn komponentojn (transistoroj) por plenumi ŝaltajn kaj kontrolfunkciojn, same kiel pasivajn komponantojn (induktoroj, kondensiloj kaj rezistiloj).Ekzemple, en ŝaltila reguliga cirkvito, induktoro estas uzata por stoki energion dum ĉiu ŝanĝciklo. , kondensilo kutimas redukti tensioondeton, kaj la tensiomezurado postulata por religkontrolo estas farita uzante rezististdividilon.
Potencaj elektronikaj aparatoj, kiuj taŭgas por porteblaj aparatoj (kiel pulsoksimetro 9) postulas plurajn voltojn kaj plurajn miliampojn, kutime funkcias en la frekvenca gamo de centoj da kHz al pluraj MHz, kaj postulas plurajn μH kaj plurajn μH induktancon kaj La kapacitanco μF estas 14 respektive.La tradicia metodo de fabrikado de ĉi tiuj cirkvitoj estas luti diskretajn komponantojn al rigida presita cirkvito (PCB).Kvankam la aktivaj komponantoj de potencaj elektronikaj cirkvitoj estas kutime kombinitaj en ununuran silician integran cirkviton (IC), pasivaj komponantoj estas kutime. ekstera, aŭ permesante specialadaptitajn cirkvitojn, aŭ ĉar la postulataj induktanco kaj kapacitanco estas tro grandaj por esti efektivigitaj en silicio.
Kompare kun la tradicia teknologio de fabrikado bazita sur PCB, la fabrikado de elektronikaj aparatoj kaj cirkvitoj per la aldona presa procezo havas multajn avantaĝojn laŭ simpleco kaj kosto. Unue, ĉar multaj komponantoj de la cirkvito postulas la samajn materialojn, kiel metaloj por kontaktoj. kaj interkonektoj, presado permesas fabriki plurajn komponantojn samtempe, kun relative malmultaj prilaboraj paŝoj kaj malpli da fontoj de materialoj15.La uzo de aldonaj procezoj por anstataŭigi subtrajnajn procezojn kiel fotolitografio kaj akvaforto plu reduktas procezan kompleksecon kaj materialan malŝparon16, 17, 18, kaj 19.Krome, la malaltaj temperaturoj uzataj en presado estas kongruaj kun flekseblaj kaj malmultekostaj plastaj substratoj, permesante la uzon de altrapidaj rul-al-rulaj fabrikaj procezoj por kovri elektronikajn aparatojn 16, 20 super grandaj areoj.Por aplikoj. kiu ne povas esti plene realigita kun presitaj komponantoj, hibridaj metodoj estis evoluigitaj en kiuj surfaca munta teknologio (SMT) komponantoj estas konektitaj al flekseblaj substratoj 21, 22, 23 apud la presitaj komponantoj ĉe malaltaj temperaturoj.En ĉi tiu hibrida aliro, ĝi ankoraŭ estas necesas anstataŭigi kiel eble plej multajn SMT-komponentojn per presitaj ekvivalentoj por akiri la avantaĝojn de pliaj procezoj kaj pliigi la ĝeneralan flekseblecon de la cirkvito.Por realigi flekseblan potencan elektronikon, ni proponis kombinaĵon de SMT-aktivaj komponantoj kaj ekran-presitaj pasivaj. komponantoj, kun speciala emfazo de anstataŭigo de grandaj SMT-induktoroj per ebenaj spiralaj induktoroj.Inter la diversaj teknologioj por fabrikado de presitaj elektroniko, ekranprintado estas precipe taŭga por pasivaj komponantoj pro sia granda filmdikeco (kiu estas necesa por minimumigi la serioreziston de metalaj trajtoj. ) kaj alta presa rapideco, eĉ kiam kovras centimetrajn areojn. La sama estas foje.Materialo 24.
La perdo de pasivaj komponentoj de potencaj elektronikaj ekipaĵoj devas esti minimumigita, ĉar la efikeco de la cirkvito rekte influas la kvanton de energio necesa por funkciigi la sistemon. Ĉi tio estas speciale malfacila por presitaj induktoroj kunmetitaj de longaj bobenoj, kiuj estas do sentemaj al altaj serioj. rezisto.Sekve, kvankam kelkaj klopodoj estis faritaj por minimumigi la reziston 25, 26, 27, 28 de la presitaj bobenoj, ankoraŭ mankas alt-efikecaj presitaj pasivaj komponantoj por potencaj elektronikaj aparatoj. Ĝis nun multaj raportis presitajn pasivojn. komponantoj sur flekseblaj substratoj estas dezajnitaj por funkcii en resonancaj cirkvitoj por radiofrekvenca identigo (RFID) aŭ energio-rikoltceloj 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Aliaj fokusiĝas al disvolviĝo de materialo aŭ produktada procezo kaj montras ĝeneralajn komponentojn. 26, 32, 33, 34 kiuj ne estas optimumigitaj por specifaj aplikoj. En kontrasto, potencaj elektronikaj cirkvitoj kiel tensio-reguligistoj ofte uzas pli grandajn komponentojn ol tipaj presitaj pasivaj aparatoj kaj ne postulas resonancon, do malsamaj komponentdezajnoj estas postulataj.
Ĉi tie, ni prezentas la dezajnon kaj optimumigon de ekran-presitaj induktoroj en la gamo μH por atingi la plej malgrandan serio-reziston kaj altan rendimenton ĉe frekvencoj rilataj al potenca elektroniko. Ekranprintitaj induktoroj, kondensiloj kaj rezistiloj kun diversaj komponentaj valoroj estas fabrikitaj. sur flekseblaj plastaj substratoj.La taŭgeco de ĉi tiuj komponantoj por flekseblaj elektronikaj produktoj unue estis pruvita en simpla RLC-cirkvito.La presita induktoro kaj rezistilo tiam estas integritaj kun la IC por formi akcelon-reguligilon.Fine, organika lum-elsenda diodo (OLED). ) kaj fleksebla litiojona baterio estas produktitaj, kaj tensioreguligilo estas uzata por funkciigi la OLED-on de la baterio.
Por desegni presitajn induktorojn por potenca elektroniko, ni unue antaŭdiris la induktancon kaj DC-reziston de serio de induktoraj geometrioj bazitaj sur la nuna folia modelo proponita en Mohan et al.35, kaj fabrikitaj induktoroj de malsamaj geometrioj por konfirmi La precizecon de la modelo.En ĉi tiu laboro, cirkla formo estis elektita por la induktoro ĉar pli alta induktanco 36 povas esti atingita kun pli malalta rezisto kompare kun plurlatera geometrio.La influo de inko tipo kaj nombro de presaj cikloj sur rezisto estas determinitaj. Ĉi tiuj rezultoj tiam estis uzitaj kun la ampermetromodelo por desegni 4.7 μH kaj 7.8 μH induktorojn optimumigitajn por minimuma DC-rezisto.
La induktanco kaj DC-rezisto de spiralaj induktoroj povas esti priskribitaj per pluraj parametroj: ekstera diametro do, turna larĝo w kaj interspaco s, nombro da turnoj n, kaj konduktila rezisto Rsheet.Figuro 1a montras foton de silkekrana presita cirkla induktoro. kun n = 12, montrante la geometriajn parametrojn, kiuj determinas ĝian induktancon.Laŭ la ampermetromodelo de Mohan et al.35, la induktanco estas kalkulita por serio de induktoraj geometrioj, kie
(a) Foto de la ekranpresita induktilo montranta la geometriajn parametrojn.La diametro estas 3 cm.Induktanco (b) kaj DC-rezisto (c) de diversaj induktoraj geometrioj.La linioj kaj markoj respondas al kalkulitaj kaj mezuritaj valoroj, respektive. (d,e) La DC-rezistoj de induktoroj L1 kaj L2 estas ekranprintitaj per Dupont 5028 kaj 5064H arĝentaj inkoj, respektive. (f,g) SEM-mikrografoj de la filmoj ekranprintitaj fare de Dupont 5028 kaj 5064H, respektive.
Ĉe altaj frekvencoj, la haŭta efiko kaj parazita kapacitanco ŝanĝos la reziston kaj induktancon de la induktoro laŭ ĝia DC-valoro.La induktoro estas atendita labori je sufiĉe malalta frekvenco, ke ĉi tiuj efikoj estas nekonsiderindaj, kaj la aparato kondutas kiel konstanta indukto. kun konstanta rezisto en serio.Sekve, en ĉi tiu laboro, ni analizis la rilaton inter geometriaj parametroj, induktanco kaj DC-rezisto, kaj uzis la rezultojn por akiri donitan induktancon kun la plej malgranda DC-rezisto.
Indukto kaj rezisto estas kalkulitaj por serio de geometriaj parametroj, kiuj povas esti realigitaj per ekranprintado, kaj estas atendite, ke indukto en la gamo μH estos generita.La eksteraj diametroj de 3 kaj 5 cm, la linilarĝoj de 500 kaj 1000 mikronoj. , kaj diversaj turnoj estas komparataj.En la kalkulo, oni supozas, ke la folia rezisto estas 47 mΩ/□, kio respondas al 7 μm dika Dupont 5028 arĝenta mikrofloka konduktila tavolo presita per ekrano de 400 mesh kaj fikso w = s.La kalkulitaj induktanco kaj rezistvaloroj estas montritaj en Figuro 1b kaj c, respektive. La modelo antaŭdiras, ke kaj induktanco kaj rezisto pliiĝas kiam la ekstera diametro kaj la nombro da turnoj pliiĝas, aŭ kiam la linio-larĝo malpliiĝas.
Por taksi la precizecon de modelaj prognozoj, induktoroj de diversaj geometrioj kaj induktancoj estis fabrikitaj sur substrato de polietilena tereftalato (PET). la atendata valoro, ĉefe pro ŝanĝoj en la dikeco kaj unuformeco de la deponita inko, la indukto montris tre bonan interkonsenton kun la modelo.
Ĉi tiuj rezultoj povas esti uzataj por desegni indukton kun la bezonata induktanco kaj minimuma DC-rezisto.Ekzemple, supozu, ke induktanco de 2 μH estas bezonata.Figuro 1b montras, ke ĉi tiu induktanco povas esti realigita kun ekstera diametro de 3 cm, liniolarĝo. de 500 μm, kaj 10 turnoj.La sama indukto ankaŭ povas esti generita uzante 5 cm eksteran diametron, 500 μm linilarĝon kaj 5 turnojn aŭ 1000 μm linilarĝon kaj 7 turnojn (kiel montrite en la figuro). Komparante la rezistojn de ĉi tiuj tri. eblaj geometrioj en Figuro 1c, oni povas trovi, ke la plej malalta rezisto de 5 cm induktilo kun linilarĝo de 1000 μm estas 34 Ω, kio estas ĉirkaŭ 40% pli malalta ol la aliaj du.La ĝenerala dezajnprocezo por atingi donitan induktancon kun minimuma rezisto estas resumita jene: Unue, elektu la maksimuman permeseblan eksteran diametron laŭ la spacaj limoj truditaj de la aplikaĵo. Tiam, la linio-larĝo estu kiel eble plej granda dum ankoraŭ atingante la bezonatan induktancon por akiri altan plenigrapidecon. (Ekvacio (3)).
Pliigante la dikecon aŭ uzante materialon kun pli alta kondukteco por redukti la folian reziston de la metala filmo, la DC-rezisto povas esti plu reduktita sen tuŝi la induktancon.Du induktoroj, kies geometriaj parametroj estas donitaj en Tabelo 1, nomitaj L1 kaj L2, estas fabrikitaj kun malsamaj nombroj da tegaĵoj por taksi la ŝanĝon en rezisto.Ĉar la nombro da inkaj tegaĵoj pliiĝas, la rezisto malpliiĝas proporcie kiel atendite, kiel montrite en Figuroj 1d kaj e, kiuj estas induktoroj L1 kaj L2, respektive.Figures 1d kaj e montru, ke aplikante 6 tavolojn de tegaĵo, la rezisto povas esti reduktita ĝis 6 fojojn, kaj la maksimuma redukto de rezisto (50-65%) okazas inter tavolo 1 kaj tavolo 2. Ĉar ĉiu tavolo de inko estas relative maldika, a ekrano kun relative malgranda kradgrandeco (400 linioj por colo) estas uzata por presi ĉi tiujn induktorojn, kio ebligas al ni studi la efikon de konduktila dikeco sur rezisto.Dum la ŝablonoj restas pli grandaj ol la minimuma rezolucio de la krado, a simila dikeco (kaj rezisto) povas esti atingita pli rapide per presado de pli malgranda nombro da tegaĵoj kun pli granda krada grandeco. Ĉi tiu metodo povas esti uzata por atingi la saman DC-reziston kiel la 6-tegita induktoro diskutita ĉi tie, sed kun pli alta produktada rapideco.
Figuroj 1d kaj e ankaŭ montras, ke uzante la pli konduktan arĝentan flokan inkon DuPont 5064H, la rezisto estas reduktita je faktoro de du. El la SEM-mikrografaĵoj de la filmoj presitaj per la du inkoj (Figuro 1f, g), ĝi povas esti vidite, ke la pli malalta konduktiveco de la 5028-inko ŝuldiĝas al ĝia pli malgranda partiklograndeco kaj la ĉeesto de multaj malplenoj inter la partikloj en la presita filmo. Aliflanke, 5064H havas pli grandajn, pli proksime aranĝitajn flokojn, igante ĝin konduti pli proksime al groco. arĝento.Kvankam la filmo produktita de ĉi tiu inko estas pli maldika ol la 5028 inko, kun ununura tavolo de 4 μm kaj 6 tavoloj de 22 μm, la pliiĝo de kondukteco sufiĉas por redukti la totalan reziston.
Fine, kvankam la induktanco (ekvacio (1)) dependas de la nombro da turnoj (w + s), la rezisto (ekvacio (5)) dependas nur de la liniolarĝo w.Tial, per pliigo de w rilate al s, la rezisto povas esti plu reduktitaj.La du kromaj induktoroj L3 kaj L4 estas dezajnitaj por havi w = 2s kaj grandan eksteran diametron, kiel montrite en Tabelo 1. Ĉi tiuj induktoroj estas fabrikitaj per 6 tavoloj de DuPont 5064H-tegaĵo, kiel montrite antaŭe, por provizi la plej alta rendimento.La induktanco de L3 estas 4,720 ± 0,002 μH kaj la rezisto estas 4,9 ± 0,1 Ω, dum la induktanco de L4 estas 7,839 ± 0,005 μH kaj 6,9 ± 0,1 Ω, kiuj bone kongruas kun la modelo al la prognozo. pliiĝo en dikeco, kondukteco, kaj w/s, tio signifas ke la L/R-proporcio pliiĝis je pli ol grandordo relative al la valoro en Figuro 1.
Kvankam malalta DC-rezisto estas promesplena, taksi la taŭgecon de induktoroj por potenca elektronika ekipaĵo funkcianta en la kHz-MHz gamo postulas karakterizadon ĉe AC-frekvencoj.Figuro 2a montras la frekvencan dependecon de la rezisto kaj reaktanco de L3 kaj L4.Por frekvencoj sub 10 MHz. , la rezisto restas proksimume konstanta ĉe sia DC-valoro, dum la reaktanco pliiĝas linie kun frekvenco, kio signifas ke la induktanco estas konstanta kiel atendite. La mem-resonanca frekvenco estas difinita kiel la frekvenco ĉe kiu la impedanco ŝanĝiĝas de indukta al kapacita, kun L3 estante 35.6 ± 0.3 MHz kaj L4 estante 24.3 ± 0.6 MHz. La frekvenca dependeco de la kvalita faktoro Q (egala al ωL/R) estas montrita en Figuro 2b.L3 kaj L4 atingas maksimumajn kvalitajn faktorojn de 35 ± 1 kaj 33 ± 1. ĉe frekvencoj de 11 kaj 16 MHz, respektive.La induktanco de kelkaj μH kaj la relative alta Q je MHz-frekvencoj faras ĉi tiujn induktorojn sufiĉaj por anstataŭigi tradiciajn surfacajn induktorojn en malalt-potencaj DC-DC-konvertiloj.
La mezurita rezisto R kaj reaktanco X (a) kaj kvalita faktoro Q (b) de induktoroj L3 kaj L4 rilatas al frekvenco.
Por minimumigi la spuron necesan por donita kapacitanco, estas plej bone uzi kondensilteknologion kun granda specifa kapacitanco, kiu estas egala al la dielektrika konstanto ε dividita per la dikeco de la dielektriko.En ĉi tiu laboro, ni elektis bario-titanato-kunmetaĵon. kiel la dielektriko ĉar ĝi havas pli altan epsilonon ol aliaj solv-procesitaj organikaj dielektrikoj.La dielektrika tavolo estas ekranprintita inter la du arĝentaj konduktiloj por formi metal-dielektrikan-metalan strukturon.Kondensiloj kun diversaj grandecoj en centimetroj, kiel montrite en Figuro 3a. , estas fabrikitaj uzante du aŭ tri tavolojn de dielektrika inko por konservi bonan rendimenton.Figuro 3b montras transsekcan SEM-mikrografon de reprezenta kondensilo farita per du tavoloj de dielektrika, kun totala dielektrika dikeco de 21 μm.La supraj kaj malsupraj elektrodoj. estas unu-tavola kaj ses-tavola 5064H respektive.Mikron-grandaj bario-titanato-partikloj estas videblaj en la SEM-bildo ĉar la pli helaj areoj estas ĉirkaŭitaj de la pli malhela organika ligilo.La dielektrika inko bone malsekigas la malsupran elektrodon kaj formas klaran interfacon kun la presita metalfilmo, kiel montrite en la ilustraĵo kun pli granda pligrandigo.
(a) Foto de kondensilo kun kvin malsamaj areoj. (b) Transsekca SEM-mikrografo de kondensilo kun du tavoloj de dielektrika, montrante bariotitanato dielektrikan kaj arĝentajn elektrodojn. (c) Kapacitancoj de kondensiloj kun 2 kaj 3 bariotitanato. dielektraj tavoloj kaj malsamaj areoj, mezuritaj je 1 MHz.(d) La rilato inter la kapacitanco, ESR, kaj perdfaktoro de 2.25 cm2 kondensilo kun 2 tavoloj de dielektraj tegaĵoj kaj frekvenco.
La kapacitanco estas proporcia al la atendata areo.Kiel montrite en Figuro 3c, la specifa kapacitanco de la du-tavola dielektriko estas 0,53 nF/cm2, kaj la specifa kapacitanco de la tritavola dielektriko estas 0,33 nF/cm2. Ĉi tiuj valoroj respondas al dielektrika konstanto de 13. La kapacitanco kaj disipadfaktoro (DF) ankaŭ estis mezuritaj ĉe malsamaj frekvencoj, kiel montrite en Figuro 3d, por 2,25 cm2 kondensilo kun du tavoloj de dielektriko. Ni trovis ke la kapacitanco estis relative plata en la frekvenca gamo de intereso, pliiĝante je 20% de 1 ĝis 10 MHz, dum en la sama gamo, DF pliiĝis de 0,013 ĝis 0,023. Ĉar la disipadfaktoro estas la rilatumo de energiperdo al la energio stokita en ĉiu AC-ciklo, DF de 0,02 signifas ke 2% de la potenco pritraktita per la kondensilo estas konsumita.Tiu perdo estas kutime esprimita kiel la frekvencdependa ekvivalenta seriorezisto (ESR) konektita en serio kun la kondensilo, kiu estas egala al DF/ωC.Kiel montrite en Figuro 3d, por frekvencoj pli grandaj ol 1 MHz, ESR estas pli malalta ol 1.5 Ω, kaj por frekvencoj pli grandaj ol 4 MHz, ESR estas pli malalta ol 0.5 Ω. Kvankam uzante ĉi tiun kondensilteknologion, la μF-klasaj kondensiloj necesaj por DC-DC-konvertiloj postulas tre grandan areon, sed la 100 pF- nF-kapacitanca gamo kaj malalta perdo de ĉi tiuj kondensiloj igas ilin taŭgaj por aliaj aplikoj, kiel filtriloj kaj resonancaj cirkvitoj. Diversaj metodoj povas esti uzataj por pliigi la kapacitancon. Pli alta dielektrika konstanto pliigas la specifan kapacitancon 37;ekzemple, tio povas esti atingita per pliigo de la koncentriĝo de bariotitanato-partikloj en la inko.Pli malgranda dielektrika dikeco povas esti uzata, kvankam tio postulas malsupran elektrodon kun pli malalta malglateco ol ekranprintita arĝenta floko.Pli maldika, pli malalta krudeca kondensilo. tavoloj povas esti deponitaj per inkjeta presado 31 aŭ gravura presado 10, kiuj povas esti kombinitaj kun ekranpresa procezo.Fine, multoblaj alternaj tavoloj de metalo kaj dielektriko povas esti stakitaj kaj presitaj kaj konektitaj paralele, tiel pliigante la kapacitancon 34 po unuopa areo. .
Tensiodividilo kunmetita de paro da rezistiloj estas kutime uzata por plenumi tensiomezuradon necesan por retrokontrolo de tensioreguligilo. Por ĉi tiu speco de apliko, la rezisto de la presita rezistilo devus esti en la kΩ-MΩ-gamo, kaj la diferenco inter la aparatoj estas malgrandaj.Ĉi tie, oni trovis, ke la folirezisto de la unutavola ekranpresita karbon-inko estis 900 Ω/□. Ĉi tiu informo estas uzata por desegni du liniajn rezistilojn (R1 kaj R2) kaj serpentan rezistilon (R3). ) kun nominalaj rezistoj de 10 kΩ, 100 kΩ, kaj 1,5 MΩ.La rezisto inter la nominalaj valoroj estas atingita per presado de du aŭ tri tavoloj de inko, kiel montrite en Figuro 4, kaj fotoj de la tri rezistoj. Faru 8- 12 specimenoj de ĉiu tipo;en ĉiuj kazoj, la norma devio de la rezisto estas 10% aŭ malpli.La rezistoŝanĝo de specimenoj kun du aŭ tri tavoloj de tegaĵo tendencas esti iomete pli malgranda ol tiu de specimenoj kun unu tavolo de tegaĵo.La malgranda ŝanĝo en la mezurita rezisto kaj la proksima interkonsento kun la nominala valoro indikas ke aliaj rezistoj en tiu intervalo povas esti rekte akiritaj modifante la rezistorgeometrion.
Tri malsamaj rezistaj geometrioj kun malsamaj nombroj da karbonrezistaj inkaj tegaĵoj. La fotoj de la tri rezistiloj estas montritaj dekstre.
RLC-cirkvitoj estas klasikaj lernolibroekzemploj de kombinaĵoj de rezistilo, induktoro kaj kondensilo uzataj por pruvi kaj kontroli la konduton de pasivaj komponentoj integritaj en realajn presitajn cirkvitojn. En ĉi tiu cirkvito, 8 μH induktoro kaj 0.8 nF kondensilo estas konektitaj en serio, kaj 25 kΩ-rezistilo estas konektita paralele kun ili.La foto de la fleksebla cirkvito estas montrita en Figuro 5a.La kialo por elekti ĉi tiun specialan serio-paralelan kombinaĵon estas, ke ĝia konduto estas determinita de ĉiu el la tri malsamaj frekvencaj komponantoj, tiel ke la rendimento de ĉiu komponanto povas esti elstarigita kaj taksita.Konsiderante la 7 Ω-serian reziston de la induktoro kaj la 1,3 Ω ESR de la kondensilo, la atendata frekvenca respondo de la cirkvito estis kalkulita.La cirkvitodiagramo estas montrita en Figuro 5b, kaj la kalkulita. impedanco-amplitudo kaj fazo kaj mezuritaj valoroj estas montritaj en Figuroj 5c kaj d. Ĉe malaltaj frekvencoj, la alta impedanco de la kondensilo signifas, ke la konduto de la cirkvito estas determinita de la 25 kΩ-rezistilo. Ĉar la frekvenco pliiĝas, la impedanco de la LC-vojo malpliiĝas;la tuta cirkvito-konduto estas kapacita ĝis la resonanca frekvenco estas 2.0 MHz.Super la resonanca frekvenco dominas la indukta impedanco.Figuro 5 klare montras la bonegan interkonsenton inter kalkulitaj kaj mezuritaj valoroj tra la tuta frekvenca gamo. Ĉi tio signifas, ke la modelo uzata. ĉi tie (kie induktoroj kaj kondensiloj estas idealaj komponentoj kun seriorezisto) estas preciza por antaŭdiri cirkvitkonduton ĉe tiuj frekvencoj.
(a) Foto de ekranpresita RLC-cirkvito kiu uzas seriokombinadon de 8 μH-induktoro kaj 0.8 nF-kondensilo paralele kun 25 kΩ-rezistilo. (b) Cirkvitomodelo inkluzive de seriorezisto de induktoro kaj kondensilo. (c) ,d) La impedanca amplitudo (c) kaj fazo (d) de la cirkvito.
Fine, presitaj induktoroj kaj rezistiloj estas efektivigitaj en la boost-reguligilo. La IC uzata en ĉi tiu pruvo estas Microchip MCP1640B14, kiu estas PWM-bazita sinkrona akcelregulilo kun operacia frekvenco de 500 kHz. La cirkvito-diagramo estas montrita en Figuro 6a.A. 4.7 μH-induktoro kaj du kondensiloj (4.7 μF kaj 10 μF) estas uzataj kiel energi-stokado-elementoj, kaj paro da rezistiloj estas uzataj por mezuri la eligan tension de la reago-kontrolo. Elektu la rezistvaloron por ĝustigi la eligan tension al 5 V. La cirkvito estas fabrikita sur la PCB, kaj ĝia agado estas mezurita ene de la ŝarĝorezisto kaj la eniga tensiointervalo de 3 ĝis 4 V por simuli la litijonan kuirilaron en diversaj ŝargaj statoj. La efikeco de presitaj induktoroj kaj rezistiloj estas komparata kun la efikeco de SMT-induktoroj kaj rezistiloj.SMT-kondensiloj estas uzataj en ĉiuj kazoj ĉar la kapacitanco postulata por ĉi tiu apliko estas tro granda por esti kompletigita per presitaj kondensiloj.
(a) Diagramo de tensiostabiliga cirkvito. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw, kaj (d) Ondformoj de kurento fluanta en la induktoron, la eniga tensio estas 4.0 V, la ŝarĝrezisto estas 1 kΩ, kaj la presita induktilo estas uzata por mezuri.Surfacaj muntaj rezistiloj kaj kondensiloj estas uzataj por ĉi tiu mezurado.(e) Por diversaj ŝarĝaj rezistoj kaj eniga tensioj, la efikeco de tensio-reguligaj cirkvitoj uzantaj ĉiujn surfacajn muntajn komponentojn kaj presitajn induktorojn kaj rezistilojn.(f) ) La efikecproporcio de surfaca monto kaj presita cirkvito montrita en (e).
Por 4.0 V eniga tensio kaj 1000 Ω ŝarĝorezisto, la ondformoj mezuritaj uzante presitajn induktorojn estas montritaj en Figuro 6b-d.Figuro 6c montras la tension ĉe la Vsw-terminalo de la IC;la induktora tensio estas Vin-Vsw.Figuro 6d montras la kurenton fluantan en la induktoron.La efikeco de la cirkvito kun SMT kaj presitaj komponantoj estas montrita en Figuro 6e kiel funkcio de eniga tensio kaj ŝarĝorezisto, kaj Figuro 6f montras la efikecproporcion. de presitaj komponantoj al SMT-komponentoj.La efikeco mezurita per SMT-komponentoj estas simila al la atendata valoro donita en la datumfolio de la fabrikanto 14.Ĉe alta eniga kurento (malalta ŝarĝorezisto kaj malalta eniga tensio), la efikeco de presitaj induktoroj estas signife pli malalta ol tiu de SMT-induktoroj pro la pli alta seriorezisto.Tamen, kun pli alta eniga tensio kaj pli alta elira kurento, rezistperdo fariĝas malpli grava, kaj la agado de presitaj induktoroj komencas alproksimiĝi al tiu de SMT-induktoroj.Por ŝarĝorezistoj >500 Ω kaj Vin = 4.0 V aŭ >750 Ω kaj Vin = 3.5 V, la efikeco de presitaj induktoroj estas pli granda ol 85% de SMT-induktoroj.
Komparante la nunan ondformon en Figuro 6d kun la mezurita potencoperdo montras, ke la rezistperdo en la induktoro estas la ĉefa kaŭzo de la diferenco en efikeco inter la presita cirkvito kaj la SMT-cirkvito, kiel atendite.La eniga kaj eligo-potenco mezurita je 4.0 V. eniga tensio kaj ŝarĝorezisto de 1000 Ω estas 30,4 mW kaj 25,8 mW por cirkvitoj kun SMT-komponentoj, kaj 33,1 mW kaj 25,2 mW por cirkvitoj kun presitaj komponentoj. Sekve, la perdo de la presita cirkvito estas 7,9 mW, kio estas 3,4 mW pli alta ol la. cirkvito kun SMT-komponentoj.La RMS-induktora kurento kalkulita de la ondformo en Figuro 6d estas 25.6 mA.Ĉar ĝia seriorezisto estas 4,9 Ω, la atendata potencoperdo estas 3,2 mW. Ĉi tio estas 96% de la mezurita 3,4 mW DC-potencdiferenco. Krome, la cirkvito estas fabrikita per presitaj induktoroj kaj presitaj rezistiloj kaj presitaj induktoroj kaj SMT-rezistiloj, kaj neniu signifa efikeco diferenco estas observita inter ili.
Tiam la tensio-reguligilo estas fabrikita sur la fleksebla PCB (la presado de la cirkvito kaj la agado de SMT-komponento estas montritaj en Suplementa Figuro S1) kaj konektita inter la fleksebla litio-jona baterio kiel la energifonto kaj la OLED-abelo kiel la ŝarĝo.Laŭ Lochner et al.9 Por fabriki OLED-ojn, ĉiu OLED-pikselo konsumas 0,6 mA je 5 V. La kuirilaro uzas litian kobaltan oksidon kaj grafiton kiel la katodon kaj anodon, respektive, kaj estas fabrikita per doktorklinga tegaĵo, kiu estas la plej ofta kuirilaro presa metodo.7 La baterio-kapacito estas 16mAh, kaj la tensio dum la testo estas 4.0V.Figuro 7 montras foton de la cirkvito sur la fleksebla PCB, elektante tri OLED-pikselojn konektitajn paralele.La pruvo pruvis la potencialon de presitaj potencaj komponantoj esti integritaj kun aliaj. flekseblaj kaj organikaj aparatoj por formi pli kompleksajn elektronikajn sistemojn.
Foto de la tensio-reguliga cirkvito sur fleksebla PCB uzante presitajn induktorojn kaj rezistilojn, uzante flekseblajn litijonajn bateriojn por funkciigi tri organikajn LEDojn.
Ni montris ekranpresitajn induktorojn, kondensiloj kaj rezistilojn kun gamo da valoroj sur flekseblaj PET-substratoj, kun la celo anstataŭigi surfacajn muntajn komponantojn en potencaj elektronikaj ekipaĵoj. Ni montris, ke dezajnante spiralon kun granda diametro, pleniga indico. , kaj linio larĝo-spaca larĝa rilatumo, kaj uzante dikan tavolon de malalt-rezista inko. Ĉi tiuj komponantoj estas integritaj en plene presita kaj fleksebla RLC-cirkvito kaj elmontras antaŭvideblan elektran konduton en la kHz-MHz-frekvenca gamo, kiu estas de plej granda. intereso por funkciigi elektronikon.
Tipaj uzkazoj por presitaj elektronikaj aparatoj estas porteblaj aŭ produkt-integraj flekseblaj elektronikaj sistemoj, funkciigitaj per flekseblaj reŝargeblaj baterioj (kiel litio-jono), kiuj povas generi variajn tensiojn laŭ la stato de ŝargo.Se la ŝarĝo (inkluzive de presado kaj organika elektronika ekipaĵo) postulas konstantan tension aŭ pli altan ol la tensio-eligo de la baterio, necesas tensio-reguligilo. Tial presitaj induktoroj kaj rezistiloj estas integritaj kun tradiciaj siliciaj IC-oj en akcel-reguligilon por funkciigi la OLED-on kun konstanta tensio. de 5 V de ŝanĝiĝema tensio baterio nutrado.Ene de certa gamo de ŝarĝo kurento kaj eniga tensio, la efikeco de ĉi tiu cirkvito superas 85% de la efikeco de kontrola cirkvito uzante surfaca muntado induktoroj kaj rezistiloj.Malgraŭ materialaj kaj geometriaj optimumigoj, rezistemaj perdoj en la induktilo daŭre estas la limiga faktoro por cirkvito-efikeco ĉe altaj kurentniveloj (enira kurento pli granda ol proksimume 10 mA). Tamen, ĉe pli malaltaj fluoj, la perdoj en la induktilo estas reduktitaj, kaj la ĝenerala rendimento estas limigita per la efikeco. de la IC.Ĉar multaj presitaj kaj organikaj aparatoj postulas relative malaltajn fluojn, kiel la malgrandaj OLED-oj uzataj en nia pruvo, presitaj potencaj induktoroj povas esti konsiderataj taŭgaj por tiaj aplikoj.Per uzado de IC-oj desegnitaj por havi la plej altan efikecon ĉe pli malaltaj nunaj niveloj, pli alta totala konvertilo efikeco povas esti atingita.
En ĉi tiu laboro, la tensio-reguligilo estas konstruita sur la tradicia PCB, fleksebla PCB kaj surfaca munta komponenta lutteknologio, dum la presita komponanto estas fabrikita sur aparta substrato.Tamen, la malaltaj kaj alt-viskozecaj inkoj uzataj por produkti ekranon- presitaj filmoj devus permesi pasivajn komponantojn, same kiel la interkonekton inter la aparato kaj la surfacaj muntaj komponentaj kontaktokusenetoj, esti presitaj sur iu ajn substrato. Ĉi tio, kombinita kun la uzo de ekzistantaj malalt-temperaturaj konduktaj gluoj por surfacaj muntaj komponantoj, permesos. la tuta cirkvito konstruota sur malmultekostaj substratoj (kiel ekzemple PET) sen la bezono de subtraktaj procezoj kiel PCB-akvaforto. Sekve, la ekranpresitaj pasivaj komponantoj evoluigitaj en ĉi tiu laboro helpas malfermi la vojon al flekseblaj elektronikaj sistemoj, kiuj integras energion kaj ŝarĝojn. kun alt-efikeca potenco-elektroniko, uzante malmultekostajn substratojn, ĉefe aldonajn procezojn kaj minimumajn La nombron da surfacaj muntaj komponantoj.
Uzante Asys ASP01M-ekranprintilon kaj neoksidebla ŝtala ekrano provizita de Dynamesh Inc., ĉiuj tavoloj de pasivaj komponantoj estis ekranprintitaj sur fleksebla PET-substrato kun dikeco de 76 μm. La maŝo-grandeco de la metala tavolo estas 400 linioj per colo kaj 250. linioj po colo por la dielektrika tavolo kaj la rezista tavolo.Uzu raspilforton de 55 N, presan rapidecon de 60 mm/s, rompodistancon de 1,5 mm, kaj Serilor racilon kun malmoleco de 65 (por metalo kaj resistiva). tavoloj) aŭ 75 (por dielektraj tavoloj) por ekranprintado.
La konduktaj tavoloj—la induktoroj kaj la kontaktoj de kondensiloj kaj rezistiloj—estas presitaj per DuPont 5082 aŭ DuPont 5064H-arĝenta mikrofloka inko.La rezistilo estas presita per DuPont 7082 karbona konduktilo.Por la kondensilo-dielektrika, la kondukta kunmetaĵo BT-101 bariotitanato-dielektrika estas uzata.Ĉiu tavolo de dielektriko estas produktita per du-pasa (malseka-malseka) presanta ciklo por plibonigi la unuformecon de la filmo.Por ĉiu komponanto oni ekzamenis la efikon de multoblaj presaj cikloj sur la rendimento kaj ŝanĝebleco de komponantoj.Provinoj faritaj per multoblaj tegaĵoj de la sama materialo estis sekigitaj je 70 °C dum 2 minutoj inter tegaĵoj. Post apliki la lastan mantelon de ĉiu materialo, la specimenoj estis bakitaj je 140 °C dum 10 minutoj por certigi kompletan sekiĝon. La aŭtomata viciga funkcio de la ekrano presilo estas uzata por vicigi postajn tavolojn.La kontakto kun la centro de la induktoro estas atingita per tranĉado de tratruo sur la centra kuseneto kaj stencil-presantaj spuroj sur la dorso de la substrato per DuPont 5064H-inko. La interkonekto inter presa ekipaĵo ankaŭ uzas Dupont. 5064H stencilprinting.Por montri la presitajn komponantojn kaj SMT-komponentojn sur la fleksebla PCB montrita en Figuro 7, la presitaj komponantoj estas konektitaj per Circuit Works CW2400-konduktiva epoksio, kaj la SMT-komponentoj estas konektitaj per tradicia lutado.
Litia kobalta rusto (LCO) kaj grafit-bazitaj elektrodoj estas uzataj kiel la katodo kaj anodo de la baterio, respektive. La katoda suspensiaĵo estas miksaĵo de 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% grafito (KS6, Timcal), 2.5 % karbonigro (Super P, Timcal) kaj 10% poliviniliden fluorido (PVDF, Kureha Corp.).) La anodo estas miksaĵo de 84wt% grafito, 4wt% karbonigro kaj 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) estas uzata por solvi la PVDF-ligilon kaj disigi la suspensiaĵon.La suspensiaĵo estis homogenigita per kirlante per vortica miksilo dum la nokto. 0,0005 coloj dika neoksidebla ŝtalo folio kaj 10 μm nikela folio estas uzataj kiel nunaj kolektiloj por la katodo kaj anodo, respektive.La inko estas presita sur la nuna kolektilo per racilo kun presa rapideco de 20. mm/s.Varmigu la elektrodon en forno je 80 °C dum 2 horoj por forigi la solvilon.La alteco de la elektrodo post sekiĝo estas ĉirkaŭ 60 μm, kaj surbaze de la pezo de la aktiva materialo, la teoria kapablo estas 1,65 mAh. /cm2.La elektrodoj estis tranĉitaj en dimensiojn de 1,3 × 1,3 cm2 kaj varmigitaj en vakua forno je 140°C dum la nokto, kaj poste ili estis sigelitaj per aluminiaj lamenaj sakoj en nitrogenplena gantujo.Solvo de polipropilena baza filmo kun anodo kaj katodo kaj 1M LiPF6 en EC/DEC (1:1) estas uzata kiel la baterio elektrolito.
Verda OLED konsistas el poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamino) (TFB) kaj poli((9,9-dioctilfluoreno-2,7- (2,1,3-benzotiadiazole-). 4, 8-diil)) (F8BT) laŭ la proceduro skizita en Lochner et al. 9.
Uzu Dektak grifelo-profililon por mezuri filmdikecon.La filmo estis tranĉita por prepari transsekcan specimenon por esploro per skanado de elektrona mikroskopio (SEM).La SEM de FEI Quanta 3D kampa emisio (FEG) estas uzata por karakterizi la strukturon de la presita. filmo kaj konfirmi la dikmezuradon.La SEM-studo estis farita ĉe akcela tensio de 20 keV kaj tipa labordistanco de 10 mm.
Uzu ciferecan multmetron por mezuri DC-reziston, tension kaj kurenton.La AC-impedanco de induktoroj, kondensiloj kaj cirkvitoj estas mezurita per Agilent E4980 LCR-mezurilo por frekvencoj sub 1 MHz kaj Agilent E5061A-retanalizilo estas uzata por mezuri frekvencojn super 500 kHz.Uzu la Osciloskopo Tektronix TDS 5034 por mezuri la ondformon de tensio-reguligisto.
Kiel citi ĉi tiun artikolon: Ostfeld, AE, ktp.Ekranprintado pasivaj komponantoj por fleksebla potenco elektronika ekipaĵo.science.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: Loko kie grupoj renkontas homojn.Papero publikigita ĉe la Eŭropa Konferenco kaj Ekspozicio pri Dezajno, Aŭtomatigo kaj Testado de 2015, Grenoblo, Francio.San Jose, Kalifornio: EDA Alliance.637-640 (2015, marto 9-). 13).
Krebs, FC ktp.OE-A OPV-manifestanto anno domini 2011.Energia medio.scienco.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC presis piezoelektrajn energikolektajn aparatojn.Altnivelaj energimaterialoj.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-presita plata dika filmo termoelektra energigeneratoro.J.Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Fleksebla alt-potenca presita baterio uzata por funkciigi presitajn elektronikajn aparatojn.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA La plej novaj evoluoj en presitaj flekseblaj baterioj: mekanikaj defioj, presa teknologio kaj estontaj perspektivoj.Energy technology.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. ktp.Grandskala senta sistemo, kiu kombinas grandskalajn elektronikajn aparatojn kaj CMOS-ICojn por struktura sanmonitorado.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).