lajme

Aditivët dhe proceset e printimit me temperaturë të ulët mund të integrojnë pajisje të ndryshme elektronike që konsumojnë dhe konsumojnë energji në nënshtresa fleksibël me kosto të ulët. Megjithatë, prodhimi i sistemeve elektronike të plota nga këto pajisje zakonisht kërkon pajisje elektronike të fuqisë për t'u konvertuar midis tensioneve të ndryshme të funksionimit të Pajisjet. Komponentët pasivë - induktorët, kondensatorët dhe rezistorët - kryejnë funksione të tilla si filtrimi, ruajtja afatshkurtër e energjisë dhe matja e tensionit, të cilat janë thelbësore në elektronikën e energjisë dhe shumë aplikacione të tjera. Në këtë artikull, ne prezantojmë induktorët, kondensatorët, rezistorët dhe qarqet RLC shtypen me ekran në nënshtresa plastike fleksibël dhe raportojnë procesin e projektimit për të minimizuar rezistencën serike të induktorëve në mënyrë që të mund të përdoren në pajisjet elektronike të energjisë. e diodave organike që lëshojnë dritë dhe baterive fleksibël litium-jon. Rregullatorët e tensionit përdoren për të fuqizuar diodat nga bateria, duke demonstruar potencialin e komponentëve pasivë të printuar për të zëvendësuar komponentët tradicionalë të montimit në sipërfaqe në aplikimet e konvertuesit DC-DC.
Vitet e fundit, është zhvilluar aplikimi i pajisjeve të ndryshme fleksibël në produkte elektronike të veshjes dhe me sipërfaqe të madhe dhe në Internetin e Gjërave1,2. Këto përfshijnë pajisje të grumbullimit të energjisë, si fotovoltaik 3, piezoelektrik 4 dhe termoelektrik 5; pajisjet e ruajtjes së energjisë, të tilla si bateritë 6, 7; dhe pajisjet që konsumojnë energji, të tilla si sensorët 8, 9, 10, 11, 12 dhe burimet e dritës 13. Edhe pse është bërë përparim i madh në burimet dhe ngarkesat individuale të energjisë, kombinimi i këtyre komponentëve në një sistem elektronik të plotë zakonisht kërkon elektronikën e fuqisë për të kapërceni çdo mospërputhje midis sjelljes së furnizimit me energji dhe kërkesave të ngarkesës. Për shembull, një bateri gjeneron një tension të ndryshueshëm sipas gjendjes së ngarkimit. Nëse ngarkesa kërkon një tension konstant ose më të lartë se voltazhi që mund të gjenerojë bateria, kërkohet elektronika e energjisë .Elektronika e fuqisë përdor komponentë aktivë (transistorë) për të kryer funksionet e komutimit dhe kontrollit, si dhe komponentë pasivë (induktorë, kondensatorë dhe rezistorë). Për shembull, në një qark rregullator komutues, një induktor përdoret për të ruajtur energjinë gjatë çdo cikli komutues , një kondensator përdoret për të reduktuar valëzimin e tensionit dhe matja e tensionit të kërkuar për kontrollin e reagimit bëhet duke përdorur një ndarës rezistence.
Pajisjet elektronike të fuqisë që janë të përshtatshme për pajisjet e veshura (siç është oksimetri pulsues 9) kërkojnë disa volt dhe disa miliamp, zakonisht funksionojnë në intervalin e frekuencës prej qindra kHz deri në disa MHz dhe kërkojnë disa μH dhe disa μH induktivitet dhe Kapaciteti μF është 14 përkatësisht. Metoda tradicionale e prodhimit të këtyre qarqeve është bashkimi i komponentëve diskrete në një tabelë të ngurtë të qarkut të printuar (PCB). Edhe pse përbërësit aktivë të qarqeve elektronike të fuqisë zakonisht kombinohen në një qark të vetëm silikoni të integruar (IC), komponentët pasivë zakonisht janë e jashtme, ose duke lejuar qarqe të personalizuara, ose për shkak se induktanca dhe kapaciteti i kërkuar janë shumë të mëdha për t'u zbatuar në silikon.
Krahasuar me teknologjinë tradicionale të prodhimit të bazuar në PCB, prodhimi i pajisjeve dhe qarqeve elektronike përmes procesit të printimit aditiv ka shumë përparësi në aspektin e thjeshtësisë dhe kostos. Së pari, pasi shumë komponentë të qarkut kërkojnë të njëjtat materiale, të tilla si metalet për kontakte dhe ndërlidhjet, printimi lejon që komponentë të shumtë të prodhohen në të njëjtën kohë, me relativisht pak hapa përpunimi dhe më pak burime materialesh15. Përdorimi i proceseve shtuese për të zëvendësuar proceset zbritëse si fotolitografia dhe gravurja redukton më tej kompleksitetin e procesit dhe mbetjet materiale16, 17, 18, dhe 19. Për më tepër, temperaturat e ulëta të përdorura në printim janë të pajtueshme me nënshtresat plastike fleksibël dhe të lira, duke lejuar përdorimin e proceseve të prodhimit rrotullues me shpejtësi të lartë për të mbuluar pajisjet elektronike 16, 20 në zona të mëdha. Për aplikime që nuk mund të realizohen plotësisht me komponentë të printuar, janë zhvilluar metoda hibride në të cilat komponentët e teknologjisë së montimit në sipërfaqe (SMT) lidhen me nënshtresat fleksibël 21, 22, 23 pranë komponentëve të printuar në temperatura të ulëta. Në këtë qasje hibride, është ende të nevojshme për të zëvendësuar sa më shumë komponentë SMT me homologë të printuar për të përfituar përfitimet e proceseve shtesë dhe për të rritur fleksibilitetin e përgjithshëm të qarkut. Për të realizuar elektronikën e energjisë fleksibël, ne kemi propozuar një kombinim të komponentëve aktivë SMT dhe pasive të printuar në ekran. komponentë, me theks të veçantë në zëvendësimin e induktorëve të rëndë SMT me induktorë spirale të rrafshët. Ndër teknologjitë e ndryshme për prodhimin e elektronikës së printuar, printimi në ekran është veçanërisht i përshtatshëm për komponentët pasivë për shkak të trashësisë së madhe të filmit (që është e nevojshme për të minimizuar rezistencën serike të veçorive metalike ) dhe shpejtësi të lartë printimi, edhe kur mbulohen zona në nivel centimetri. E njëjta gjë është e vërtetë ndonjëherë. Materiali 24.
Humbja e komponentëve pasivë të pajisjeve elektronike të fuqisë duhet të minimizohet, sepse efikasiteti i qarkut ndikon drejtpërdrejt në sasinë e energjisë së kërkuar për të fuqizuar sistemin. Kjo është veçanërisht sfiduese për induktorët e printuar të përbërë nga bobina të gjata, të cilat për këtë arsye janë të ndjeshme ndaj serive të larta rezistenca.Prandaj, edhe pse janë bërë disa përpjekje për të minimizuar rezistencën 25, 26, 27, 28 të bobinave të printuara, ka ende mungesë të komponentëve pasivë të printuar me efikasitet të lartë për pajisjet elektronike të fuqisë. Deri më sot, shumë kanë raportuar pasive të printuar komponentët në nënshtresa fleksibël janë projektuar për të funksionuar në qarqe rezonante për identifikimin e frekuencave radio (RFID) ose për qëllime të grumbullimit të energjisë 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Të tjerët fokusohen në zhvillimin e materialit ose procesit të prodhimit dhe tregojnë komponentë gjenerikë 26, 32, 33, 34 që nuk janë të optimizuara për aplikacione specifike. Në të kundërt, qarqet elektronike të fuqisë si rregullatorët e tensionit shpesh përdorin komponentë më të mëdhenj se pajisjet pasive tipike të printuara dhe nuk kërkojnë rezonancë, kështu që kërkohen dizajne të ndryshme të komponentëve.
Këtu, ne prezantojmë dizajnin dhe optimizimin e induktorëve të printuar në ekran në gamën μH për të arritur rezistencën më të vogël të serisë dhe performancën më të lartë në frekuencat që lidhen me elektronikën e energjisë. Prodhohen induktorë, kondensatorë dhe rezistorë të printuar në ekran me vlera të ndryshme përbërës në nënshtresa plastike fleksibël. Përshtatshmëria e këtyre komponentëve për produkte elektronike fleksibël u demonstrua fillimisht në një qark të thjeshtë RLC. Indukti i printuar dhe rezistenca integrohen më pas me IC për të formuar një rregullator të rritjes. Më në fund, një diodë organike që lëshon dritë (OLED ) dhe një bateri fleksibël litium-jon janë prodhuar dhe një rregullator tensioni përdoret për të fuqizuar OLED nga bateria.
Për të dizajnuar induktorë të printuar për elektronikën e fuqisë, ne fillimisht parashikuam induktivitetin dhe rezistencën DC të një sërë gjeometrish të induktorëve bazuar në modelin aktual të fletës së propozuar në Mohan et al. 35, dhe induktorë të fabrikuar të gjeometrive të ndryshme për të konfirmuar saktësinë e modelit. Në këtë punë, një formë rrethore u zgjodh për induktorin sepse një induktivitet më i lartë 36 mund të arrihet me një rezistencë më të ulët në krahasim me një gjeometri poligonale. Ndikimi i bojës Përcaktohet lloji dhe numri i cikleve të printimit në rezistencë. Këto rezultate u përdorën më pas me modelin e ampermetrit për të projektuar induktorë 4,7 μH dhe 7,8 μH të optimizuar për rezistencën minimale DC.
Induktiviteti dhe rezistenca DC e induktorëve spirale mund të përshkruhen nga disa parametra: diametri i jashtëm do, gjerësia e kthesës w dhe hapësira s, numri i kthesave n dhe rezistenca e fletës së përcjellësit R. Figura 1a tregon një foto të një induktori rrethor të printuar me ekran mëndafshi me n = 12, duke treguar parametrat gjeometrikë që përcaktojnë induktivitetin e tij.Sipas modelit të ampermetrit të Mohan et al. 35, induktanca llogaritet për një seri gjeometrish induktor, ku
(a) Një foto e induktorit të printuar në ekran që tregon parametrat gjeometrikë. Diametri është 3 cm. Induktanca (b) dhe rezistenca DC (c) e gjeometrive të ndryshme të induktorit. Vijat dhe shenjat korrespondojnë me vlerat e llogaritura dhe të matura, përkatësisht. (d,e) Rezistencat DC të induktorëve L1 dhe L2 janë të printuara në ekran me bojëra argjendi Dupont 5028 dhe 5064H, përkatësisht. (f,g) mikrografë SEM të ekranit të filmave të printuara nga Dupont 5028 dhe 5064H, përkatësisht.
Në frekuenca të larta, efekti i lëkurës dhe kapaciteti parazitar do të ndryshojnë rezistencën dhe induktancën e induktorit sipas vlerës së tij DC. Induktori pritet të punojë në një frekuencë mjaft të ulët që këto efekte të jenë të papërfillshme dhe pajisja të sillet si një induktancë konstante me një rezistencë konstante në seri. Prandaj, në këtë punë, ne analizuam marrëdhënien midis parametrave gjeometrikë, induktivitetit dhe rezistencës DC, dhe përdorëm rezultatet për të marrë një induktivitet të caktuar me rezistencën më të vogël DC.
Induktiviteti dhe rezistenca llogariten për një sërë parametrash gjeometrikë që mund të realizohen me printim në ekran dhe pritet që të gjenerohet induktiviteti në intervalin μH. Diametrat e jashtëm 3 dhe 5 cm, gjerësia e linjës 500 dhe 1000 mikron , dhe krahasohen kthesat e ndryshme. Në llogaritje, supozohet se rezistenca e fletës është 47 mΩ/□, e cila korrespondon me një shtresë përcjellëse mikroflake argjendi Dupont 5028 me trashësi 7 μm, të printuar me një ekran 400 mesh dhe vendosjen w = s. Vlerat e llogaritura të induktivitetit dhe rezistencës tregohen përkatësisht në Figurën 1b dhe c. Modeli parashikon që si induktiviteti ashtu edhe rezistenca rriten me rritjen e diametrit të jashtëm dhe numrin e kthesave, ose me zvogëlimin e gjerësisë së linjës.
Për të vlerësuar saktësinë e parashikimeve të modelit, induktorët e gjeometrive dhe induktancave të ndryshme janë fabrikuar në një substrat polietileni tereftalat (PET). Vlerat e matura të induktivitetit dhe rezistencës janë paraqitur në Figurën 1b dhe c. Edhe pse rezistenca tregoi një devijim nga vlera e pritur, kryesisht për shkak të ndryshimeve në trashësinë dhe uniformitetin e bojës së depozituar, induktiviteti tregoi përputhje shumë të mirë me modelin.
Këto rezultate mund të përdoren për të projektuar një induktor me induktivitetin e kërkuar dhe rezistencën minimale DC. Për shembull, supozoni se kërkohet një induktancë prej 2 μH. Figura 1b tregon se kjo induktancë mund të realizohet me një diametër të jashtëm 3 cm, një gjerësi vije prej 500 μm dhe 10 rrotullime. E njëjta induktancë mund të gjenerohet gjithashtu duke përdorur diametrin e jashtëm 5 cm, gjerësinë e linjës 500 μm dhe 5 kthesa ose 1000 μm gjerësinë e linjës dhe 7 rrotullime (siç tregohet në figurë). Krahasimi i rezistencave të këtyre tre gjeometritë e mundshme në figurën 1c, mund të gjendet se rezistenca më e ulët e një induktori 5 cm me gjerësi vije prej 1000 μm është 34 Ω, që është rreth 40% më e ulët se dy të tjerat. Procesi i përgjithshëm i projektimit për të arritur një induktivitet të caktuar me një rezistencë minimale përmblidhet si më poshtë: Së pari, zgjidhni diametrin maksimal të lejueshëm të jashtëm sipas kufizimeve të hapësirës të vendosura nga aplikacioni. Më pas, gjerësia e linjës duhet të jetë sa më e madhe që të jetë e mundur duke arritur ende induktivitetin e kërkuar për të marrë një shkallë të lartë mbushjeje (ekuacioni (3)).
Duke rritur trashësinë ose duke përdorur një material me përçueshmëri më të lartë për të reduktuar rezistencën e fletës së filmit metalik, rezistenca DC mund të reduktohet më tej pa ndikuar në induktivitetin. Dy induktorë, parametrat gjeometrikë të të cilëve janë dhënë në tabelën 1, të quajtur L1 dhe L2. janë prodhuar me numër të ndryshëm veshjesh për të vlerësuar ndryshimin e rezistencës. Me rritjen e numrit të veshjeve të bojës, rezistenca zvogëlohet proporcionalisht siç pritej, siç tregohet në figurat 1d dhe e, të cilët janë përkatësisht induktorët L1 dhe L2. Figura 1d dhe e tregojnë se duke aplikuar 6 shtresa të veshjes, rezistenca mund të zvogëlohet deri në 6 herë, dhe ulja maksimale e rezistencës (50-65%) ndodh midis shtresës 1 dhe shtresës 2. Meqenëse çdo shtresë boje është relativisht e hollë, një ekrani me një madhësi rrjeti relativisht të vogël (400 rreshta për inç) përdoret për të printuar këta induktorë, gjë që na lejon të studiojmë efektin e trashësisë së përcjellësit në rezistencë. Për sa kohë që tiparet e modelit mbeten më të mëdha se rezolucioni minimal i rrjetit, një trashësi (dhe rezistencë) e ngjashme mund të arrihet më shpejt duke shtypur një numër më të vogël veshjesh me një madhësi më të madhe rrjeti. Kjo metodë mund të përdoret për të arritur të njëjtën rezistencë DC si induktori me 6 veshje të diskutuar këtu, por me një shpejtësi prodhimi më të lartë.
Figura 1d dhe e tregojnë gjithashtu se duke përdorur bojën më përçuese të argjendit DuPont 5064H, rezistenca zvogëlohet me një faktor prej dy. Nga mikrografët SEM të filmave të printuar me dy bojërat (Figura 1f, g), mund të shihet se përçueshmëria më e ulët e bojës 5028 është për shkak të madhësisë së saj më të vogël të grimcave dhe pranisë së shumë zbrazëtirave midis grimcave në filmin e printuar. Nga ana tjetër, 5064H ka thekon më të mëdhenj, të rregulluar më afër, duke e bërë atë të sillet më afër masës argjendi.Megjithëse filmi i prodhuar nga kjo bojë është më i hollë se boja 5028, me një shtresë të vetme prej 4 μm dhe 6 shtresa 22 μm, rritja e përçueshmërisë është e mjaftueshme për të reduktuar rezistencën e përgjithshme.
Së fundi, megjithëse induktiviteti (ekuacioni (1)) varet nga numri i rrotullimeve (w + s), rezistenca (ekuacioni (5)) varet vetëm nga gjerësia e linjës w. Prandaj, duke rritur w në raport me s, rezistenca mund të reduktohen më tej. Dy induktorët shtesë L3 dhe L4 janë projektuar që të kenë w = 2s dhe një diametër të madh të jashtëm, siç tregohet në tabelën 1. Këta induktorë janë prodhuar me 6 shtresa të veshjes DuPont 5064H, siç u tregua më parë, për të siguruar performanca më e lartë. Induktiviteti i L3 është 4,720 ± 0,002 μH dhe rezistenca është 4,9 ± 0,1 Ω, ndërsa induktiviteti i L4 është 7,839 ± 0,005 μH dhe 6,9 ​​± 0,1 Ω, të cilat janë në përputhje të mirë me parashikimin e modelit. Rritja e trashësisë, përçueshmërisë dhe w/s, kjo do të thotë se raporti L/R është rritur me më shumë se një rend i madhësisë në lidhje me vlerën në Figurën 1.
Megjithëse rezistenca e ulët DC është premtuese, vlerësimi i përshtatshmërisë së induktorëve për pajisjet elektronike të fuqisë që funksionojnë në rangun kHz-MHz kërkon karakterizim në frekuencat AC. Figura 2a tregon varësinë nga frekuenca e rezistencës dhe reaktancës së L3 dhe L4. Për frekuencat nën 10 MHz , rezistenca mbetet përafërsisht konstante në vlerën e saj DC, ndërsa reaktanca rritet në mënyrë lineare me frekuencën, që do të thotë se induktiviteti është konstant siç pritej. L3 është 35,6 ± 0,3 MHz dhe L4 është 24,3 ± 0,6 MHz. Varësia nga frekuenca e faktorit të cilësisë Q (e barabartë me ωL/R) është paraqitur në figurën 2b. L3 dhe L4 arrijnë faktorët maksimal të cilësisë prej 35 ± 1 dhe 33 ± 1 në frekuencat përkatësisht 11 dhe 16 MHz. Induktiviteti i disa μH dhe Q relativisht i lartë në frekuencat MHz i bëjnë këta induktorë të mjaftueshëm për të zëvendësuar induktorët tradicionalë të montimit në sipërfaqe në konvertuesit DC-DC me fuqi të ulët.
Rezistenca e matur R dhe reaktansa X (a) dhe faktori i cilësisë Q (b) të induktorëve L3 dhe L4 janë të lidhura me frekuencën.
Për të minimizuar gjurmën e kërkuar për një kapacitet të caktuar, është më mirë të përdoret teknologjia e kondensatorit me një kapacitet të madh specifik, i cili është i barabartë me konstantën dielektrike ε të ndarë me trashësinë e dielektrikës. Në këtë punë, ne zgjodhëm përbërjen e titanatit të bariumit. si dielektrik sepse ka një epsilon më të lartë se dielektrikët e tjerë organikë të përpunuar me tretësirë. Shtresa dielektrike shtypet në ekran midis dy përçuesve argjendi për të formuar një strukturë metal-dielektrik-metal. Kondensatorë me madhësi të ndryshme në centimetra, siç tregohet në figurën 3a , janë prodhuar duke përdorur dy ose tre shtresa boje dielektrike për të ruajtur rendimentin e mirë. Figura 3b tregon një mikrografë SEM me seksion kryq të një kondensatori përfaqësues të bërë me dy shtresa dielektrike, me një trashësi totale dielektrike prej 21 μm. Elektrodat e sipërme dhe të poshtme janë përkatësisht 5064H me një shtresë dhe me gjashtë shtresa. Grimcat titanate të bariumit me madhësi mikro janë të dukshme në imazhin SEM sepse zonat më të ndritshme janë të rrethuara nga lidhësi organik më i errët. Boja dielektrike lag mirë elektrodën e poshtme dhe formon një ndërfaqe të qartë me film metalik i printuar, siç tregohet në ilustrim me zmadhim më të lartë.
(a) Një foto e një kondensatori me pesë zona të ndryshme. (b) Mikrografi SEM me prerje tërthore të një kondensatori me dy shtresa dielektrike, që tregon elektroda dielektrike me titanat bariumi dhe argjendi. (c) Kapacitetet e kondensatorëve me 2 dhe 3 titanat bariumi Shtresat dielektrike dhe zona të ndryshme, të matura në 1 MHz.(d) Marrëdhënia midis kapacitetit, ESR dhe faktorit të humbjes së një kondensatori 2,25 cm2 me 2 shtresa veshjesh dielektrike dhe frekuencës.
Kapaciteti është proporcional me sipërfaqen e pritur. Siç tregohet në figurën 3c, kapaciteti specifik i dielektrikut me dy shtresa është 0,53 nF/cm2, dhe kapaciteti specifik i dielektrikut me tre shtresa është 0,33 nF/cm2. Këto vlera korrespondojnë me një konstante dielektrike prej 13. kapaciteti dhe faktori i shpërndarjes (DF) u matën gjithashtu në frekuenca të ndryshme, siç tregohet në figurën 3d, për një kondensator 2,25 cm2 me dy shtresa dielektrike. Ne zbuluam se kapaciteti ishte relativisht i sheshtë në intervalin e frekuencës së interesit, duke u rritur me 20% nga 1 në 10 MHz, ndërsa në të njëjtin interval, DF u rrit nga 0,013 në 0,023. Meqenëse faktori i shpërndarjes është raporti i humbjes së energjisë me energjinë e ruajtur në çdo cikël AC, një DF prej 0,02 do të thotë se 2% e fuqisë së përpunuar nga kondensatori konsumohet. Kjo humbje zakonisht shprehet si rezistencë seri ekuivalente e varur nga frekuenca (ESR) në seri me kondensatorin, e cila është e barabartë me DF/ωC. Siç tregohet në figurën 3d, për frekuenca më të mëdha se 1 MHz, ESR është më e ulët se 1,5 Ω, dhe për frekuenca më të mëdha se 4 MHz, ESR është më e ulët se 0,5 Ω. Edhe pse duke përdorur këtë teknologji kondensator, kondensatorët e nivelit μF të kërkuar për konvertuesit DC-DC kërkojnë një zonë shumë të madhe, por 100 pF-nF Gama e kapacitetit dhe humbja e ulët e këtyre kondensatorëve i bëjnë ata të përshtatshëm për aplikime të tjera, si filtra dhe qarqe rezonante. Mund të përdoren metoda të ndryshme për të rritur kapacitetin. Një konstante dielektrike më e lartë rrit kapacitetin specifik 37; për shembull, kjo mund të arrihet duke rritur përqendrimin e grimcave të titanatit të bariumit në bojë. Mund të përdoret një trashësi dielektrike më e vogël, megjithëse kjo kërkon një elektrodë fundore me vrazhdësi më të ulët se një flake argjendi e printuar në ekran. Kondensator më i hollë dhe me vrazhdësi më të ulët shtresat mund të depozitohen me printim inkjet 31 ose printim gravure 10, i cili mund të kombinohet me një proces printimi me ekran. Më në fund, shtresa të shumta të alternuara të metalit dhe dielektrikut mund të grumbullohen dhe printohen dhe lidhen paralelisht, duke rritur kështu kapacitetin 34 për njësi sipërfaqe .
Një ndarës tensioni i përbërë nga një palë rezistencash zakonisht përdoret për të kryer matjen e tensionit të kërkuar për kontrollin e reagimit të një rregullatori të tensionit. Për këtë lloj aplikimi, rezistenca e rezistencës së printuar duhet të jetë në intervalin kΩ-MΩ, dhe diferenca midis pajisja është e vogël.Këtu, u zbulua se rezistenca e fletës së bojës karboni të printuar me ekran me një shtresë ishte 900 Ω/□. Ky informacion përdoret për të projektuar dy rezistorë linearë (R1 dhe R2) dhe një rezistencë gjarpri (R3 ) me rezistenca nominale 10 kΩ, 100 kΩ dhe 1,5 MΩ. Rezistenca ndërmjet vlerave nominale arrihet duke shtypur dy ose tre shtresa boje, siç tregohet në figurën 4, dhe fotot e tre rezistencave. Bëni 8- 12 mostra të secilit lloj; në të gjitha rastet, devijimi standard i rezistencës është 10% ose më pak. Ndryshimi i rezistencës së mostrave me dy ose tre shtresa veshjeje tenton të jetë pak më i vogël se ai i kampioneve me një shtresë veshjeje. Ndryshimi i vogël në rezistencën e matur dhe marrëveshja e ngushtë me vlerën nominale tregon se rezistenca të tjera në këtë diapazon mund të merren drejtpërdrejt duke modifikuar gjeometrinë e rezistencës.
Tre gjeometri të ndryshme rezistencash me numra të ndryshëm të veshjeve të bojës rezistente ndaj karbonit. Fotografia e tre rezistorëve është paraqitur në të djathtë.
Qarqet RLC janë shembuj klasikë të teksteve shkollore të kombinimeve të rezistencës, induktorit dhe kondensatorit të përdorur për të demonstruar dhe verifikuar sjelljen e komponentëve pasivë të integruar në qarqe reale të printuara. Në këtë qark, një induktor 8 μH dhe një kondensator 0,8 nF janë të lidhur në seri, dhe një Rezistenca 25 kΩ është e lidhur paralelisht me to. Fotografia e qarkut fleksibël është paraqitur në figurën 5a. Arsyeja e zgjedhjes së këtij kombinimi të veçantë seri-paralel është se sjellja e tij përcaktohet nga secili prej tre komponentëve të ndryshëm të frekuencës, në mënyrë që performanca e secilit komponent mund të nënvizohet dhe vlerësohet. Duke marrë parasysh rezistencën e serisë 7 Ω të induktorit dhe ESR 1,3 Ω të kondensatorit, është llogaritur përgjigja e pritshme e frekuencës së qarkut. Diagrami i qarkut është paraqitur në figurën 5b, dhe llogaritja Amplituda dhe faza e rezistencës dhe vlerat e matura tregohen në figurat 5c dhe d. Në frekuenca të ulëta, impedanca e lartë e kondensatorit do të thotë që sjellja e qarkut përcaktohet nga rezistenca 25 kΩ. Me rritjen e frekuencës, impedanca e rruga LC zvogëlohet; e gjithë sjellja e qarkut është kapacitiv derisa frekuenca rezonante të jetë 2.0 MHz. Mbi frekuencën e rezonancës dominon impedanca induktive. Figura 5 tregon qartë përputhjen e shkëlqyer midis vlerave të llogaritura dhe të matura në të gjithë diapazonin e frekuencës. Kjo do të thotë se modeli i përdorur këtu (ku induktorët dhe kondensatorët janë komponentë idealë me rezistencë serike) është e saktë për parashikimin e sjelljes së qarkut në këto frekuenca.
(a) Një foto e një qarku RLC të printuar në ekran që përdor një kombinim seri të një induktori 8 μH dhe një kondensatori 0,8 nF paralelisht me një rezistencë 25 kΩ. (b) Modeli i qarkut duke përfshirë rezistencën serike të induktorit dhe kondensatorit. (c ,d) Amplituda e impedancës (c) dhe faza (d) e qarkut.
Së fundi, induktorët dhe rezistorët e printuar janë implementuar në rregullatorin e rritjes. IC e përdorur në këtë demonstrim është Microchip MCP1640B14, i cili është një rregullator sinkron i rritjes i bazuar në PWM me një frekuencë funksionimi prej 500 kHz. Diagrami i qarkut është paraqitur në Figurën 6a.A Induktor 4,7 μH dhe dy kondensatorë (4,7 μF dhe 10 μF) përdoren si elementë të ruajtjes së energjisë dhe një palë rezistencash përdoren për të matur tensionin e daljes të kontrollit të reagimit. Zgjidhni vlerën e rezistencës për të rregulluar tensionin e daljes në 5 V. Qarku prodhohet në PCB dhe performanca e tij matet brenda rezistencës së ngarkesës dhe gamës së tensionit të hyrjes prej 3 deri në 4 V për të simuluar baterinë litium-jon në gjendje të ndryshme karikimi. Efikasiteti i induktorëve dhe rezistorëve të printuar krahasohet me efikasiteti i induktorëve dhe rezistorëve SMT. Kondensatorët SMT përdoren në të gjitha rastet sepse kapaciteti i kërkuar për këtë aplikacion është shumë i madh për t'u plotësuar me kondensatorë të printuar.
(a) Diagrami i qarkut stabilizues të tensionit. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw dhe (d) Format valore të rrymës që rrjedh në induktor, tensioni i hyrjes është 4.0 V, rezistenca e ngarkesës është 1 kΩ, dhe induktori i printuar përdoret për matje. Për këtë matje përdoren rezistorë dhe kondensatorë të montimit në sipërfaqe. (e) Për rezistenca të ndryshme ngarkese dhe tensione hyrëse, efikasiteti i qarqeve të rregullatorit të tensionit që përdorin të gjithë komponentët e montimit sipërfaqësor dhe induktorët dhe rezistorët e printuar.(f. ) Raporti i efikasitetit të montimit në sipërfaqe dhe qarkut të printuar i paraqitur në (e).
Për tensionin e hyrjes 4,0 V dhe rezistencën e ngarkesës 1000 Ω, format e valëve të matura duke përdorur induktorë të printuar janë paraqitur në Figurën 6b-d. Figura 6c tregon tensionin në terminalin Vsw të IC; voltazhi i induktorit është Vin-Vsw. Figura 6d tregon rrymën që rrjedh në induktor. Efikasiteti i qarkut me SMT dhe komponentët e printuar është paraqitur në figurën 6e si funksion i tensionit të hyrjes dhe rezistencës së ngarkesës, dhe Figura 6f tregon raportin e efikasitetit e komponentëve të printuar në komponentët SMT. Efikasiteti i matur duke përdorur komponentët SMT është i ngjashëm me vlerën e pritur të dhënë në fletën e të dhënave të prodhuesit 14. Në rrymë të lartë hyrëse (rezistencë e ulët e ngarkesës dhe tension i ulët në hyrje), efikasiteti i induktorëve të printuar është dukshëm më i ulët se ajo e induktorëve SMT për shkak të rezistencës më të lartë të serisë. Megjithatë, me tension më të lartë në hyrje dhe rrymë dalëse më të lartë, humbja e rezistencës bëhet më pak e rëndësishme dhe performanca e induktorëve të printuar fillon t'i afrohet asaj të induktorëve SMT. Për rezistenca të ngarkesës >500 Ω dhe Vin = 4.0 V ose >750 Ω dhe Vin = 3.5 V, efikasiteti i induktorëve të printuar është më i madh se 85% e induktorëve SMT.
Krahasimi i formës së valës së rrymës në figurën 6d me humbjen e matur të fuqisë tregon se humbja e rezistencës në induktor është shkaku kryesor i diferencës në efikasitet midis qarkut të printuar dhe qarkut SMT, siç pritej. Fuqia hyrëse dhe dalëse e matur në 4.0 V Tensioni i hyrjes dhe rezistenca e ngarkesës 1000 Ω janë 30,4 mW dhe 25,8 mW për qarqet me komponentë SMT dhe 33,1 mW dhe 25,2 mW për qarqet me komponentë të printuar. Prandaj, humbja e qarkut të printuar është 7,9 mW, që është 3,4 mW më e lartë se qark me komponentë SMT.Rryma e induktorit RMS e llogaritur nga forma valore në figurën 6d është 25.6 mA. Meqenëse rezistenca e tij serike është 4,9 Ω, humbja e pritshme e fuqisë është 3,2 mW. Kjo është 96% e diferencës së matur të fuqisë DC prej 3,4 mW. Përveç kësaj, qarku prodhohet me induktorë të printuar dhe rezistorë të printuar dhe induktorë të printuar dhe rezistorë SMT, dhe ndërmjet tyre nuk vërehet dallim i rëndësishëm në efikasitet.
Më pas, rregullatori i tensionit fabrikohet në PCB fleksibël (printimi i qarkut dhe performanca e komponentit SMT tregohen në figurën plotësuese S1) dhe lidhet midis baterisë fleksibël litium-jon si burim energjie dhe grupit OLED si ngarkesë. Sipas Lochner et al. 9 Për të prodhuar OLED, çdo piksel OLED konsumon 0,6 mA në 5 V. Bateria përdor oksid kobalti litium dhe grafit si katodë dhe anodë, përkatësisht, dhe prodhohet me veshjen e tehut doktor, që është metoda më e zakonshme e printimit të baterisë.7 Kapaciteti i baterisë është 16 mAh dhe voltazhi gjatë provës është 4.0 V. Figura 7 tregon një foto të qarkut në PCB fleksibël, duke fuqizuar tre pikselë OLED të lidhur paralelisht. Demonstrimi tregoi potencialin e komponentëve të energjisë së printuar për t'u integruar me të tjerë pajisje fleksibël dhe organike për të formuar sisteme elektronike më komplekse.
Një foto e qarkut të rregullatorit të tensionit në një PCB fleksibël duke përdorur induktorë dhe rezistorë të printuar, duke përdorur bateri fleksibël litium-jon për të fuqizuar tre LED organikë.
Ne kemi treguar induktorë, kondensatorë dhe rezistorë të printuar në ekran me një sërë vlerash në nënshtresa PET fleksibël, me qëllim zëvendësimin e komponentëve të montimit sipërfaqësor në pajisjet elektronike të fuqisë. Ne kemi treguar se duke projektuar një spirale me diametër të madh, shpejtësinë e mbushjes , dhe raportin gjerësi-hapësirë ​​të linjës, dhe duke përdorur një shtresë të trashë boje me rezistencë të ulët. Këta komponentë janë integruar në një qark RLC plotësisht të printuar dhe fleksibël dhe shfaqin sjellje elektrike të parashikueshme në diapazonin e frekuencës kHz-MHz, i cili është më i madhi interes për elektronikën e fuqisë.
Rastet tipike të përdorimit për pajisjet elektronike me fuqi të printuar janë sisteme elektronike fleksibël të veshur ose të integruar në produkt, të mundësuar nga bateri fleksibël të rikarikueshme (të tilla si litium-jon), të cilat mund të gjenerojnë tensione të ndryshueshme sipas gjendjes së ngarkimit. Nëse ngarkesa (duke përfshirë printimin dhe pajisje elektronike organike) kërkon një tension konstant ose më të lartë se voltazhi i daljes nga bateria, kërkohet një rregullator tensioni. Për këtë arsye, induktorët dhe rezistorët e printuar janë integruar me IC-të tradicionale të silikonit në një rregullator përforcues për të fuqizuar OLED-in me një tension konstant prej 5 V nga një furnizim me energji baterie me tension të ndryshueshëm. Brenda një diapazoni të caktuar të rrymës së ngarkesës dhe tensionit të hyrjes, efikasiteti i këtij qarku tejkalon 85% të efikasitetit të një qarku kontrolli duke përdorur induktorë dhe rezistorë të montimit në sipërfaqe. Pavarësisht nga materiali dhe optimizimet gjeometrike, Humbjet rezistente në induktor janë ende faktori kufizues për performancën e qarkut në nivele të larta të rrymës (rryma hyrëse më e madhe se rreth 10 mA). Megjithatë, në rryma më të ulëta, humbjet në induktor zvogëlohen dhe performanca e përgjithshme kufizohet nga efikasiteti i IC. Meqenëse shumë pajisje të printuara dhe organike kërkojnë rryma relativisht të ulëta, si p.sh. OLED-et e vogla të përdorura në demonstrimin tonë, induktorët e printuar të energjisë mund të konsiderohen të përshtatshëm për aplikacione të tilla. Duke përdorur IC të krijuara për të pasur efikasitetin më të lartë në nivele më të ulëta të rrymës, mund të arrihet një efikasitet më i lartë i përgjithshëm i konvertuesit.
Në këtë punim, rregullatori i tensionit është ndërtuar mbi PCB-në tradicionale, PCB fleksibël dhe teknologjinë e saldimit të komponentëve të montimit në sipërfaqe, ndërsa komponenti i printuar është prodhuar në një nënshtresë të veçantë. Megjithatë, bojërat me temperaturë të ulët dhe viskozitet të lartë përdoren për prodhimin e ekranit filmat e printuar duhet të lejojnë që komponentët pasivë, si dhe ndërlidhja ndërmjet pajisjes dhe jastëkëve të kontaktit të komponentit të montimit në sipërfaqe, të printohen në çdo nënshtresë. Kjo, e kombinuar me përdorimin e ngjitësve ekzistues përçues me temperaturë të ulët për komponentët e montimit në sipërfaqe, do të lejojë i gjithë qarku do të ndërtohet mbi nënshtresa të lira (të tilla si PET) pa nevojën për procese zbritëse si gravimi i PCB-ve. Prandaj, komponentët pasivë të printuar në ekran të zhvilluar në këtë punë ndihmojnë në hapjen e rrugës për sisteme elektronike fleksibël që integrojnë energjinë dhe ngarkesat me elektronikë të fuqisë me performancë të lartë, duke përdorur nënshtresa të lira, kryesisht procese shtesë dhe numrin minimal të komponentëve të montimit në sipërfaqe.
Duke përdorur printerin e ekranit Asys ASP01M dhe një ekran prej çeliku të pandryshkshëm të ofruar nga Dynamesh Inc., të gjitha shtresat e komponentëve pasivë u printuan me ekran në një substrat fleksibël PET me një trashësi prej 76 μm. Madhësia e rrjetës së shtresës metalike është 400 rreshta për inç dhe 250 linja për inç për shtresën dielektrike dhe shtresën e rezistencës. Përdorni një forcë kruese prej 55 N, një shpejtësi printimi 60 mm/s, një distancë këputjeje prej 1,5 mm dhe një kruajtëse Serilor me fortësi 65 (për metal dhe rezistent shtresa) ose 75 (për shtresat dielektrike) për printim në ekran.
Shtresat përçuese - induktorët dhe kontaktet e kondensatorëve dhe rezistorëve - janë printuar me bojë argjendi mikroflake DuPont 5082 ose DuPont 5064H. Rezistori printohet me përçues karboni DuPont 7082. Për kondensatorin dielektrik dielektrik B-T101 përdoret.Çdo shtresë dielektrike prodhohet duke përdorur një cikël printimi me dy kalime (lagësht-lagësht) për të përmirësuar uniformitetin e filmit. Për secilin komponent, u ekzaminua efekti i cikleve të shumta të printimit në performancën dhe ndryshueshmërinë e komponentit. Mostrat e bëra me shtresa të shumta të të njëjtit material u thanë në 70 °C për 2 minuta ndërmjet veshjeve. Pas aplikimit të shtresës së fundit të secilit material, mostrat u pjekën në 140 °C për 10 minuta për të siguruar tharje të plotë. Funksioni i shtrirjes automatike të ekranit printeri përdoret për të rreshtuar shtresat pasuese. Kontakti me qendrën e induktorit arrihet duke prerë një vrimë në pjesën qendrore dhe gjurmët e printimit të shablloneve në pjesën e pasme të nënshtresës me bojë DuPont 5064H. Ndërlidhja midis pajisjeve të printimit përdor gjithashtu Dupont Printimi i shabllonit 5064H. Për të shfaqur përbërësit e printuar dhe përbërësit SMT në PCB fleksibël të paraqitur në figurën 7, përbërësit e printuar lidhen duke përdorur epoksi përçues Circuit Works CW2400 dhe përbërësit SMT lidhen me saldim tradicional.
Oksidi i litiumit të kobaltit (LCO) dhe elektroda me bazë grafiti përdoren përkatësisht si katodë dhe anodë e baterisë. Lluri i katodës është një përzierje prej 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% grafit (KS6, Timcal), 2.5 % karboni i zi (Super P, Timcal) dhe 10% fluorid poliviniliden (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoda është një përzierje e grafitit 84 wt%, karbonit 4 wt% dhe PVDF 13 wt%. duke e trazuar me një mikser vorteksi gjatë natës. Një fletë metalike prej 0,0005 inç e trashë çeliku dhe një fletë nikeli 10 μm përdoren si grumbullues rrymash për katodën dhe anodën, përkatësisht. Boja printohet në kolektorin aktual me një kruajtëse me një shpejtësi printimi prej 20 mm/s. Nxehni elektrodën në furrë në 80 °C për 2 orë për të hequr tretësin. Lartësia e elektrodës pas tharjes është rreth 60 μm, dhe në bazë të peshës së materialit aktiv, kapaciteti teorik është 1.65 mAh /cm2. Elektrodat janë prerë në përmasa 1.3 × 1.3 cm2 dhe janë ngrohur në furrë me vakum në 140°C gjatë natës dhe më pas janë mbyllur me qese të laminuara prej alumini në një kuti dorezash të mbushur me azot. Një tretësirë ​​e filmit bazë polipropileni me anoda dhe katoda dhe 1M LiPF6 në EC/DEC (1:1) përdoret si elektrolit i baterisë.
OLED jeshile përbëhet nga poli(9,9-dioktilfluoren-ko-n-(4-butilfenil)-difenilaminë) (TFB) dhe poli((9,9-dioktilfluoren-2,7- (2,1,3-benzotiadiazol- 4, 8-diyl)) (F8BT) sipas procedurës së përshkruar në Lochner et al.
Përdorni profiluesin e stilolapsit Dektak për të matur trashësinë e filmit. Filmi u pre për të përgatitur një mostër të prerjes tërthore për hetim me anë të mikroskopit elektronik skanues (SEM). Arma e emetimit në terren 3D FEI Quanta (FEG) përdoret për të karakterizuar strukturën e printuar filmoni dhe konfirmoni matjen e trashësisë.Studimi SEM u krye me një tension përshpejtues prej 20 keV dhe një distancë tipike pune prej 10 mm.
Përdorni një multimetër dixhital për të matur rezistencën DC, tensionin dhe rrymën. Rezistenca AC e induktorëve, kondensatorëve dhe qarqeve matet duke përdorur njehsor Agilent E4980 LCR për frekuencat nën 1 MHz dhe analizatori i rrjetit Agilent E5061A përdoret për matjen e frekuencave mbi 500 kH Oshiloskop Tektronix TDS 5034 për të matur formën e valës së rregullatorit të tensionit.
Si të citojmë këtë artikull: Ostfeld, AE, etj. Printim me ekran të komponentëve pasivë për pajisje elektronike me fuqi fleksibël.shkencë.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Elektronikë fleksibël: platforma e ardhshme kudo.Procesi IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Një vend ku grupet takohen me njerëzit. Punim i botuar në Konferencën dhe Ekspozitën Evropiane 2015 mbi Projektimin, Automatizimin dhe Testimin, Grenoble, Francë. San Jose, Kaliforni: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 mars- 13).
Krebs, FC etj.OE-A demonstrues OPV anno domini 2011.Energy mjedis.shkencë.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC të printuara për grumbullimin e energjisë piezoelektrike. Materialet e avancuara të energjisë.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Gjenerator i energjisë termoelektrike me film të sheshtë të trashë të printuar me shpërndarës.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Një bateri fleksibël e printuar me potencial të lartë që përdoret për të fuqizuar pajisjet elektronike të printuara.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Zhvillimet më të fundit në bateritë fleksibël të printuara: sfidat mekanike, teknologjia e printimit dhe perspektivat e ardhshme. Teknologjia e energjisë.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etj. Një sistem sensori në shkallë të gjerë që kombinon pajisjet elektronike me sipërfaqe të madhe dhe IC-të CMOS për monitorimin e shëndetit strukturor. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).