berita

Terima kasih kerana melawati Nature.Versi penyemak imbas yang anda gunakan mempunyai sokongan terhad untuk CSS.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan versi penyemak imbas yang lebih baharu (atau matikan mod keserasian dalam Internet Explorer).Pada masa yang sama , untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Bahan tambahan dan proses pencetakan suhu rendah boleh mengintegrasikan pelbagai peranti elektronik yang menggunakan kuasa dan menggunakan kuasa pada substrat fleksibel pada kos yang rendah. Walau bagaimanapun, pengeluaran sistem elektronik yang lengkap daripada peranti ini biasanya memerlukan peranti elektronik kuasa untuk menukar antara pelbagai voltan operasi bagi peranti.Komponen pasif—aruh, kapasitor dan perintang—melaksanakan fungsi seperti penapisan, penyimpanan tenaga jangka pendek dan pengukuran voltan, yang penting dalam elektronik kuasa dan banyak aplikasi lain. Dalam artikel ini, kami memperkenalkan induktor, kapasitor, perintang dan litar RLC dicetak skrin pada substrat plastik fleksibel, dan laporkan proses reka bentuk untuk meminimumkan rintangan siri induktor supaya ia boleh digunakan dalam peranti elektronik kuasa . Induktor dan perintang yang dicetak kemudiannya dimasukkan ke dalam litar pengatur rangsangan. Pembuatan diod pemancar cahaya organik dan bateri litium-ion yang fleksibel. Pengawal selia voltan digunakan untuk menjana kuasa diod daripada bateri, menunjukkan potensi komponen pasif bercetak untuk menggantikan komponen lekap permukaan tradisional dalam aplikasi penukar DC-DC.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, aplikasi pelbagai peranti fleksibel dalam produk elektronik boleh pakai dan kawasan besar dan Internet of Things1,2 telah dibangunkan. Ini termasuk peranti penuaian tenaga, seperti fotovoltaik 3, piezoelektrik 4, dan termoelektrik 5; peranti storan tenaga, seperti bateri 6, 7; dan peranti yang menggunakan kuasa, seperti penderia 8, 9, 10, 11, 12, dan sumber cahaya 13. Walaupun kemajuan besar telah dicapai dalam sumber tenaga dan beban individu, menggabungkan komponen ini ke dalam sistem elektronik yang lengkap biasanya memerlukan elektronik kuasa untuk mengatasi sebarang ketidakpadanan antara gelagat bekalan kuasa dan keperluan beban. Contohnya, bateri menjana voltan berubah mengikut keadaan casnya. Jika beban memerlukan voltan malar, atau lebih tinggi daripada voltan yang boleh dihasilkan oleh bateri, elektronik kuasa diperlukan .Elektronik kuasa menggunakan komponen aktif (transistor) untuk melaksanakan fungsi pensuisan dan kawalan, serta komponen pasif (aruh, kapasitor dan perintang). Contohnya, dalam litar pengatur pensuisan, induktor digunakan untuk menyimpan tenaga semasa setiap kitaran pensuisan. , kapasitor digunakan untuk mengurangkan riak voltan, dan pengukuran voltan yang diperlukan untuk kawalan maklum balas dilakukan menggunakan pembahagi perintang.
Peranti elektronik kuasa yang sesuai untuk peranti boleh pakai (seperti oksimeter nadi 9) memerlukan beberapa volt dan beberapa miliamp, biasanya beroperasi dalam julat frekuensi ratusan kHz hingga beberapa MHz, dan memerlukan beberapa kearuhan μH dan beberapa μH dan Kemuatan μF ialah 14 masing-masing.Kaedah tradisional pembuatan litar ini adalah dengan memateri komponen diskret ke papan litar bercetak tegar (PCB). Walaupun komponen aktif litar elektronik kuasa biasanya digabungkan menjadi litar bersepadu (IC) silikon tunggal, komponen pasif biasanya luaran, sama ada membenarkan litar tersuai, atau kerana kearuhan dan kemuatan yang diperlukan terlalu besar untuk dilaksanakan dalam silikon .
Berbanding dengan teknologi pembuatan berasaskan PCB tradisional, pembuatan peranti elektronik dan litar melalui proses pencetakan tambahan mempunyai banyak kelebihan dari segi kesederhanaan dan kos. Pertama, kerana banyak komponen litar memerlukan bahan yang sama, seperti logam untuk kenalan dan interkoneksi, percetakan membolehkan berbilang komponen dihasilkan pada masa yang sama, dengan langkah pemprosesan yang agak sedikit dan sumber bahan yang lebih sedikit15.Penggunaan proses aditif untuk menggantikan proses tolak seperti fotolitografi dan etsa mengurangkan lagi kerumitan proses dan sisa bahan16, 17, 18, dan 19.Selain itu, suhu rendah yang digunakan dalam percetakan adalah serasi dengan substrat plastik yang fleksibel dan murah, membolehkan penggunaan proses pembuatan roll-to-roll berkelajuan tinggi untuk meliputi peranti elektronik 16, 20 di kawasan yang luas.Untuk aplikasi yang tidak dapat direalisasikan sepenuhnya dengan komponen bercetak, kaedah hibrid telah dibangunkan di mana komponen teknologi pelekap permukaan (SMT) disambungkan kepada substrat fleksibel 21, 22, 23 bersebelahan dengan komponen bercetak pada suhu rendah. Dalam pendekatan hibrid ini, ia masih diperlukan untuk menggantikan seberapa banyak komponen SMT yang mungkin dengan rakan bercetak untuk mendapatkan faedah proses tambahan dan meningkatkan fleksibiliti keseluruhan litar. Untuk merealisasikan elektronik kuasa fleksibel, kami telah mencadangkan gabungan komponen aktif SMT dan pasif bercetak skrin komponen, dengan penekanan khusus untuk menggantikan induktor SMT yang besar dengan induktor lingkaran satah. Antara pelbagai teknologi untuk pembuatan elektronik bercetak, percetakan skrin amat sesuai untuk komponen pasif kerana ketebalan filemnya yang besar (yang diperlukan untuk meminimumkan rintangan siri ciri logam ) dan kelajuan cetakan yang tinggi, walaupun ketika meliputi kawasan paras sentimeter Begitu juga pada masa-masa tertentu.Bahan 24.
Kehilangan komponen pasif peralatan elektronik kuasa mesti diminimumkan, kerana kecekapan litar secara langsung mempengaruhi jumlah tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan sistem. Ini amat mencabar untuk induktor bercetak yang terdiri daripada gegelung panjang, yang oleh itu terdedah kepada siri tinggi rintangan.Oleh itu, walaupun beberapa usaha telah dibuat untuk meminimumkan rintangan 25, 26, 27, 28 gegelung bercetak, masih terdapat kekurangan komponen pasif bercetak berkecekapan tinggi untuk peranti elektronik kuasa. Sehingga kini, ramai yang melaporkan pasif bercetak komponen pada substrat fleksibel direka bentuk untuk beroperasi dalam litar resonan untuk pengenalpastian frekuensi radio (RFID) atau tujuan penuaian tenaga 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Yang lain memfokuskan pada pembangunan bahan atau proses pembuatan dan menunjukkan komponen generik 26, 32, 33, 34 yang tidak dioptimumkan untuk aplikasi tertentu. Sebaliknya, litar elektronik kuasa seperti pengawal selia voltan sering menggunakan komponen yang lebih besar daripada peranti pasif bercetak biasa dan tidak memerlukan resonans, jadi reka bentuk komponen yang berbeza diperlukan.
Di sini, kami memperkenalkan reka bentuk dan pengoptimuman induktor cetak skrin dalam julat μH untuk mencapai rintangan siri terkecil dan prestasi tinggi pada frekuensi yang berkaitan dengan elektronik kuasa. Induktor, kapasitor dan perintang cetakan skrin dengan pelbagai nilai komponen dihasilkan pada substrat plastik fleksibel. Kesesuaian komponen ini untuk produk elektronik fleksibel mula-mula ditunjukkan dalam litar RLC ringkas. Induktor dan perintang yang dicetak kemudian disepadukan dengan IC untuk membentuk pengawal selia rangsangan. Akhirnya, diod pemancar cahaya organik (OLED ) dan bateri litium-ion yang fleksibel dihasilkan, dan pengawal selia voltan digunakan untuk menghidupkan OLED daripada bateri.
Untuk mereka bentuk induktor bercetak untuk elektronik kuasa, kami mula-mula meramalkan induktansi dan rintangan DC bagi satu siri geometri induktor berdasarkan model lembaran semasa yang dicadangkan dalam Mohan et al. 35, dan induktor fabrikasi geometri yang berbeza untuk mengesahkan ketepatan model. Dalam kerja ini, bentuk bulat telah dipilih untuk induktor kerana kearuhan yang lebih tinggi 36 boleh dicapai dengan rintangan yang lebih rendah berbanding dengan geometri poligon. Pengaruh dakwat jenis dan bilangan kitaran cetakan pada rintangan ditentukan. Keputusan ini kemudiannya digunakan dengan model ammeter untuk mereka bentuk induktor 4.7 μH dan 7.8 μH yang dioptimumkan untuk rintangan DC minimum.
Kearuhan dan rintangan DC bagi induktor lingkaran boleh diterangkan melalui beberapa parameter: diameter luar do, lebar pusingan w dan jarak s, bilangan lilitan n, dan rintangan helaian konduktor Lembaran R. Rajah 1a menunjukkan foto induktor bulat bercetak skrin sutera dengan n = 12, menunjukkan parameter geometri yang menentukan kearuhannya.Menurut model ammeter Mohan et al. 35, kearuhan dikira untuk satu siri geometri induktor, di mana
(a) Foto induktor bercetak skrin menunjukkan parameter geometri. Diameter ialah 3 cm. Kearuhan (b) dan rintangan DC (c) pelbagai geometri induktor. Garis dan tanda sepadan dengan nilai yang dikira dan diukur, masing-masing. (d,e) Rintangan DC bagi induktor L1 dan L2 masing-masing dicetak skrin dengan dakwat perak Dupont 5028 dan 5064H.(f,g) Mikrograf SEM bagi skrin filem yang dicetak oleh Dupont 5028 dan 5064H, masing-masing.
Pada frekuensi tinggi, kesan kulit dan kemuatan parasit akan mengubah rintangan dan kearuhan induktor mengikut nilai DCnya. Induktor dijangka berfungsi pada frekuensi yang cukup rendah sehingga kesan ini boleh diabaikan, dan peranti berkelakuan sebagai kearuhan malar. dengan rintangan malar dalam siri.Oleh itu, dalam kerja ini, kami menganalisis hubungan antara parameter geometri, kearuhan, dan rintangan DC, dan menggunakan keputusan untuk mendapatkan kearuhan yang diberikan dengan rintangan DC terkecil.
Kearuhan dan rintangan dikira untuk satu siri parameter geometri yang boleh direalisasikan dengan percetakan skrin, dan dijangkakan kearuhan dalam julat μH akan dihasilkan. Diameter luar 3 dan 5 cm, lebar garisan 500 dan 1000 mikron , dan pelbagai lilitan dibandingkan.Dalam pengiraan, diandaikan bahawa rintangan helaian ialah 47 mΩ/□, yang sepadan dengan lapisan konduktor mikroflake perak Dupont 5028 tebal 7 μm yang dicetak dengan skrin 400 mesh dan tetapan w = s. nilai kearuhan dan rintangan yang dikira ditunjukkan dalam Rajah 1b dan c, masing-masing. Model meramalkan bahawa kedua-dua kearuhan dan rintangan meningkat apabila diameter luar dan bilangan lilitan meningkat, atau apabila lebar garis berkurangan.
Untuk menilai ketepatan ramalan model, induktor pelbagai geometri dan induktansi telah dibuat pada substrat polietilena tereftalat (PET). Nilai kearuhan dan rintangan yang diukur ditunjukkan dalam Rajah 1b dan c. Walaupun rintangan menunjukkan beberapa sisihan daripada nilai yang dijangkakan, terutamanya disebabkan oleh perubahan dalam ketebalan dan keseragaman dakwat yang didepositkan, induktansi menunjukkan persetujuan yang sangat baik dengan model.
Keputusan ini boleh digunakan untuk merekabentuk induktor dengan kearuhan yang diperlukan dan rintangan DC minimum.Sebagai contoh, katakan kearuhan 2 μH diperlukan. Rajah 1b menunjukkan bahawa kearuhan ini boleh direalisasikan dengan diameter luar 3 cm, lebar garis sebanyak 500 μm, dan 10 lilitan. Kearuhan yang sama juga boleh dijana menggunakan diameter luar 5 cm, lebar garisan 500 μm dan 5 lilitan atau lebar garisan 1000 μm dan 7 lilitan (seperti yang ditunjukkan dalam rajah). Membandingkan rintangan ketiga-tiga ini geometri yang mungkin dalam Rajah 1c, boleh didapati bahawa rintangan terendah bagi induktor 5 cm dengan lebar garisan 1000 μm ialah 34 Ω, iaitu kira-kira 40% lebih rendah daripada dua yang lain. Proses reka bentuk umum untuk mencapai kearuhan yang diberikan dengan rintangan minimum diringkaskan seperti berikut: Pertama, pilih diameter luar maksimum yang dibenarkan mengikut kekangan ruang yang dikenakan oleh aplikasi. Kemudian, lebar garisan hendaklah sebesar mungkin sambil masih mencapai kearuhan yang diperlukan untuk mendapatkan kadar isian yang tinggi (Persamaan (3)).
Dengan meningkatkan ketebalan atau menggunakan bahan dengan kekonduksian yang lebih tinggi untuk mengurangkan rintangan kepingan filem logam, rintangan DC boleh dikurangkan lagi tanpa menjejaskan kearuhan.Dua induktor, yang parameter geometrinya diberikan dalam Jadual 1, dipanggil L1 dan L2, dihasilkan dengan bilangan salutan yang berbeza untuk menilai perubahan rintangan. Apabila bilangan salutan dakwat bertambah, rintangan berkurangan secara berkadar seperti yang dijangkakan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1d dan e, yang masing-masing merupakan induktor L1 dan L2. Rajah 1d dan e menunjukkan bahawa dengan menggunakan 6 lapisan salutan, rintangan boleh dikurangkan sehingga 6 kali, dan pengurangan maksimum rintangan (50-65%) berlaku antara lapisan 1 dan lapisan 2. Oleh kerana setiap lapisan dakwat adalah agak nipis, skrin dengan saiz grid yang agak kecil (400 baris setiap inci) digunakan untuk mencetak induktor ini, yang membolehkan kita mengkaji kesan ketebalan konduktor pada rintangan. Selagi ciri corak kekal lebih besar daripada resolusi minimum grid, a ketebalan (dan rintangan) yang serupa boleh dicapai dengan lebih cepat dengan mencetak bilangan salutan yang lebih kecil dengan saiz grid yang lebih besar.Kaedah ini boleh digunakan untuk mencapai rintangan DC yang sama seperti induktor bersalut 6 yang dibincangkan di sini, tetapi dengan kelajuan pengeluaran yang lebih tinggi.
Rajah 1d dan e juga menunjukkan bahawa dengan menggunakan dakwat serpihan perak yang lebih konduktif DuPont 5064H, rintangan dikurangkan sebanyak dua faktor. Daripada mikrograf SEM bagi filem yang dicetak dengan dua dakwat (Rajah 1f, g), ia boleh dilihat bahawa kekonduksian dakwat 5028 yang lebih rendah adalah disebabkan saiz zarahnya yang lebih kecil dan kehadiran banyak lompang antara zarah dalam filem yang dicetak. Sebaliknya, 5064H mempunyai kepingan yang lebih besar dan tersusun rapat, menjadikannya berkelakuan lebih dekat kepada pukal perak.Walaupun filem yang dihasilkan oleh dakwat ini lebih nipis daripada dakwat 5028, dengan satu lapisan 4 μm dan 6 lapisan 22 μm, peningkatan kekonduksian adalah mencukupi untuk mengurangkan rintangan keseluruhan.
Akhirnya, walaupun kearuhan (persamaan (1)) bergantung pada bilangan lilitan (w + s), rintangan (persamaan (5)) hanya bergantung pada lebar garis w. Oleh itu, dengan meningkatkan w relatif kepada s, rintangan boleh dikurangkan lagi.Dua induktor tambahan L3 dan L4 direka bentuk untuk mempunyai w = 2s dan diameter luar yang besar, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1. Induktor ini dihasilkan dengan 6 lapisan salutan DuPont 5064H, seperti yang ditunjukkan sebelum ini, untuk menyediakan prestasi tertinggi.Kearuhan L3 ialah 4.720 ± 0.002 μH dan rintangan ialah 4.9 ± 0.1 Ω, manakala kearuhan L4 ialah 7.839 ± 0.005 μH dan 6.9 ± 0.1 Ω, yang sesuai dengan ramalan. peningkatan dalam ketebalan, kekonduksian dan w/s, ini bermakna nisbah L/R telah meningkat lebih daripada susunan magnitud berbanding nilai dalam Rajah 1.
Walaupun rintangan DC yang rendah menjanjikan, menilai kesesuaian induktor untuk peralatan elektronik kuasa yang beroperasi dalam julat kHz-MHz memerlukan pencirian pada frekuensi AC. Rajah 2a menunjukkan pergantungan frekuensi bagi rintangan dan reaktans L3 dan L4. Untuk frekuensi di bawah 10 MHz , rintangan kekal kira-kira malar pada nilai DCnya, manakala tindak balas meningkat secara linear dengan kekerapan, yang bermaksud bahawa kearuhan adalah malar seperti yang dijangkakan. Kekerapan resonan diri ditakrifkan sebagai frekuensi di mana impedans berubah daripada induktif kepada kapasitif, dengan L3 ialah 35.6 ± 0.3 MHz dan L4 ialah 24.3 ± 0.6 MHz. Kebergantungan frekuensi faktor kualiti Q (sama dengan ωL/R) ditunjukkan dalam Rajah 2b.L3 dan L4 mencapai faktor kualiti maksimum 35 ± 1 dan 33 ± 1 pada frekuensi 11 dan 16 MHz, masing-masing. Kearuhan beberapa μH dan Q yang agak tinggi pada frekuensi MHz menjadikan induktor ini mencukupi untuk menggantikan induktor pelekap permukaan tradisional dalam penukar DC-DC berkuasa rendah.
Rintangan yang diukur R dan reaktans X (a) dan faktor kualiti Q (b) bagi induktor L3 dan L4 adalah berkaitan dengan kekerapan.
Untuk meminimumkan jejak yang diperlukan untuk kemuatan tertentu, sebaiknya gunakan teknologi kapasitor dengan kapasitans khusus yang besar, yang sama dengan pemalar dielektrik ε dibahagikan dengan ketebalan dielektrik. Dalam kerja ini, kami memilih komposit barium titanate. sebagai dielektrik kerana ia mempunyai epsilon yang lebih tinggi daripada dielektrik organik yang diproses penyelesaian lain. Lapisan dielektrik dicetak skrin antara dua konduktor perak untuk membentuk struktur logam-dielektrik-logam.Kapasitor dengan pelbagai saiz dalam sentimeter, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3a , dihasilkan menggunakan dua atau tiga lapisan dakwat dielektrik untuk mengekalkan hasil yang baik. Rajah 3b menunjukkan mikrograf SEM keratan rentas bagi kapasitor wakil yang dibuat dengan dua lapisan dielektrik, dengan jumlah ketebalan dielektrik 21 μm. Elektrod atas dan bawah adalah satu lapisan dan enam lapisan masing-masing 5064H. Zarah barium titanat bersaiz mikro kelihatan dalam imej SEM kerana kawasan yang lebih cerah dikelilingi oleh pengikat organik yang lebih gelap. Dakwat dielektrik membasahi elektrod bawah dengan baik dan membentuk antara muka yang jelas dengan filem logam bercetak, seperti yang ditunjukkan dalam ilustrasi dengan pembesaran yang lebih tinggi.
(a) Foto kapasitor dengan lima kawasan yang berbeza.(b) Mikrograf SEM keratan rentas kapasitor dengan dua lapisan dielektrik, menunjukkan dielektrik barium titanat dan elektrod perak.(c) Kapasitansi kapasitor dengan 2 dan 3 barium titanat lapisan dielektrik dan kawasan berbeza, diukur pada 1 MHz.(d) Hubungan antara kemuatan, ESR, dan faktor kehilangan pemuat 2.25 cm2 dengan 2 lapisan salutan dielektrik dan frekuensi.
Kapasiti adalah berkadar dengan kawasan yang dijangkakan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3c, kemuatan tentu bagi dielektrik dua lapisan ialah 0.53 nF/cm2, dan kemuatan tentu bagi dielektrik tiga lapisan ialah 0.33 nF/cm2. Nilai-nilai ini sepadan dengan pemalar dielektrik 13. kemuatan dan faktor pelesapan (DF) juga diukur pada frekuensi yang berbeza, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3d, untuk kapasitor 2.25 cm2 dengan dua lapisan dielektrik. Kami mendapati bahawa kapasitansi agak rata dalam julat frekuensi yang diminati, meningkat sebanyak 20% daripada 1 hingga 10 MHz, manakala dalam julat yang sama, DF meningkat daripada 0.013 kepada 0.023. Memandangkan faktor pelesapan ialah nisbah kehilangan tenaga kepada tenaga yang disimpan dalam setiap kitaran AC, DF sebanyak 0.02 bermakna 2% daripada kuasa dikendalikan oleh kapasitor dimakan. Kehilangan ini biasanya dinyatakan sebagai rintangan siri setara (ESR) bergantung kepada frekuensi yang disambungkan secara bersiri dengan kapasitor, yang sama dengan DF/ωC. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3d, untuk frekuensi yang lebih besar daripada 1 MHz, ESR adalah lebih rendah daripada 1.5 Ω, dan untuk frekuensi yang lebih besar daripada 4 MHz, ESR adalah lebih rendah daripada 0.5 Ω. Walaupun menggunakan teknologi kapasitor ini, kapasitor kelas μF yang diperlukan untuk penukar DC-DC memerlukan kawasan yang sangat besar, tetapi 100 pF- Julat kemuatan nF dan kehilangan rendah kapasitor ini menjadikannya sesuai untuk aplikasi lain, seperti penapis dan litar resonan .Pelbagai kaedah boleh digunakan untuk meningkatkan kemuatan. Pemalar dielektrik yang lebih tinggi meningkatkan kapasitans khusus 37; contohnya, ini boleh dicapai dengan meningkatkan kepekatan zarah barium titanat dalam dakwat. Ketebalan dielektrik yang lebih kecil boleh digunakan, walaupun ini memerlukan elektrod bawah dengan kekasaran yang lebih rendah daripada kepingan perak bercetak skrin. Kapasitor kekasaran yang lebih nipis dan lebih rendah lapisan boleh didepositkan dengan pencetakan inkjet 31 atau pencetakan gravure 10, yang boleh digabungkan dengan proses percetakan skrin.Akhir sekali, pelbagai lapisan berselang-seli logam dan dielektrik boleh disusun dan dicetak dan disambung secara selari, dengan itu meningkatkan kapasiti 34 seunit luas. .
Pembahagi voltan yang terdiri daripada sepasang perintang biasanya digunakan untuk melakukan pengukuran voltan yang diperlukan untuk kawalan maklum balas pengatur voltan. Untuk jenis aplikasi ini, rintangan perintang yang dicetak hendaklah dalam julat kΩ-MΩ, dan perbezaan antara perantinya kecil. Di sini, didapati rintangan helaian dakwat karbon cetakan skrin satu lapisan ialah 900 Ω/□. Maklumat ini digunakan untuk mereka bentuk dua perintang linear (R1 dan R2) dan perintang serpentin (R3). ) dengan rintangan nominal 10 kΩ, 100 kΩ, dan 1.5 MΩ. Rintangan antara nilai nominal dicapai dengan mencetak dua atau tiga lapisan dakwat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, dan foto bagi tiga rintangan. Buat 8- 12 sampel setiap jenis; dalam semua kes, sisihan piawai rintangan ialah 10% atau kurang. Perubahan rintangan sampel dengan dua atau tiga lapisan salutan cenderung sedikit lebih kecil daripada sampel dengan satu lapisan salutan. Perubahan kecil dalam rintangan yang diukur dan persetujuan rapat dengan nilai nominal menunjukkan bahawa rintangan lain dalam julat ini boleh diperoleh secara langsung dengan mengubah suai geometri perintang.
Tiga geometri perintang berbeza dengan bilangan salutan dakwat rintangan karbon yang berbeza. Foto ketiga-tiga perintang ditunjukkan di sebelah kanan.
Litar RLC ialah contoh buku teks klasik gabungan perintang, induktor dan kapasitor yang digunakan untuk menunjukkan dan mengesahkan kelakuan komponen pasif yang disepadukan ke dalam litar bercetak sebenar. Dalam litar ini, induktor 8 μH dan kapasitor 0.8 nF disambung secara bersiri, dan Perintang 25 kΩ disambungkan selari dengannya. Foto litar fleksibel ditunjukkan dalam Rajah 5a. Sebab untuk memilih gabungan siri-selari khas ini ialah kelakuannya ditentukan oleh setiap tiga komponen frekuensi yang berbeza, supaya prestasi setiap komponen boleh diserlahkan dan dinilai.Memandangkan rintangan siri 7 Ω induktor dan 1.3 Ω ESR kapasitor, tindak balas frekuensi yang dijangkakan bagi litar telah dikira. Gambar rajah litar ditunjukkan dalam Rajah 5b, dan yang dikira amplitud dan fasa impedans dan nilai yang diukur ditunjukkan dalam Rajah 5c dan d. Pada frekuensi rendah, galangan tinggi kapasitor bermakna kelakuan litar ditentukan oleh perintang 25 kΩ. Apabila frekuensi meningkat, impedans bagi laluan LC berkurangan; keseluruhan kelakuan litar adalah kapasitif sehingga frekuensi resonans ialah 2.0 MHz. Di atas frekuensi resonans, impedans induktif mendominasi. Rajah 5 jelas menunjukkan persetujuan yang sangat baik antara nilai yang dikira dan diukur merentas keseluruhan julat frekuensi. Ini bermakna model yang digunakan di sini (di mana induktor dan kapasitor adalah komponen yang ideal dengan rintangan siri) adalah tepat untuk meramalkan kelakuan litar pada frekuensi ini.
(a) Foto litar RLC bercetak skrin yang menggunakan gabungan siri induktor 8 μH dan kapasitor 0.8 nF selari dengan perintang 25 kΩ.(b) Model litar termasuk rintangan siri induktor dan kapasitor.(c ,d) Amplitud impedans (c) dan fasa (d) litar.
Akhir sekali, induktor dan perintang bercetak dilaksanakan dalam pengatur rangsangan. IC yang digunakan dalam demonstrasi ini ialah Microchip MCP1640B14, iaitu pengatur rangsangan segerak berasaskan PWM dengan frekuensi operasi 500 kHz. Rajah litar ditunjukkan dalam Rajah 6a.A Induktor 4.7 μH dan dua kapasitor (4.7 μF dan 10 μF) digunakan sebagai elemen simpanan tenaga, dan sepasang perintang digunakan untuk mengukur voltan keluaran kawalan maklum balas. Pilih nilai rintangan untuk melaraskan voltan keluaran kepada 5 V. Litar ini dihasilkan pada PCB, dan prestasinya diukur dalam rintangan beban dan julat voltan input 3 hingga 4 V untuk mensimulasikan bateri litium-ion dalam pelbagai keadaan pengecasan. Kecekapan induktor dan perintang bercetak dibandingkan dengan kecekapan induktor dan perintang SMT.Kapasitor SMT digunakan dalam semua kes kerana kemuatan yang diperlukan untuk aplikasi ini terlalu besar untuk dilengkapkan dengan kapasitor bercetak.
(a) Gambar rajah litar penstabil voltan.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, dan (d) Bentuk gelombang arus yang mengalir ke dalam induktor, voltan masukan ialah 4.0 V, rintangan beban ialah 1 kΩ, dan induktor bercetak digunakan untuk mengukur. Perintang dan kapasitor pelekap permukaan digunakan untuk pengukuran ini.(e) Untuk pelbagai rintangan beban dan voltan masukan, kecekapan litar pengatur voltan menggunakan semua komponen pelekap permukaan dan induktor dan perintang bercetak.(f ) Nisbah kecekapan pemasangan permukaan dan litar bercetak ditunjukkan dalam (e).
Untuk voltan input 4.0 V dan rintangan beban 1000 Ω, bentuk gelombang yang diukur menggunakan induktor bercetak ditunjukkan dalam Rajah 6b-d. Rajah 6c menunjukkan voltan pada terminal Vsw IC; voltan induktor ialah Vin-Vsw.Rajah 6d menunjukkan arus yang mengalir ke dalam induktor.Kecekapan litar dengan SMT dan komponen bercetak ditunjukkan dalam Rajah 6e sebagai fungsi voltan masukan dan rintangan beban, dan Rajah 6f menunjukkan nisbah kecekapan komponen bercetak kepada komponen SMT. Kecekapan yang diukur menggunakan komponen SMT adalah serupa dengan nilai jangkaan yang diberikan dalam helaian data pengilang 14. Pada arus input tinggi (rintangan beban rendah dan voltan masukan rendah), kecekapan induktor bercetak jauh lebih rendah daripada induktor SMT disebabkan oleh rintangan siri yang lebih tinggi.Walau bagaimanapun, dengan voltan masukan yang lebih tinggi dan arus keluaran yang lebih tinggi, kehilangan rintangan menjadi kurang penting, dan prestasi induktor bercetak mula menghampiri induktor SMT.Untuk rintangan beban >500 Ω dan Vin = 4.0 V atau >750 Ω dan Vin = 3.5 V, kecekapan induktor bercetak lebih besar daripada 85% induktor SMT.
Membandingkan bentuk gelombang semasa dalam Rajah 6d dengan kehilangan kuasa yang diukur menunjukkan bahawa kehilangan rintangan dalam induktor adalah punca utama perbezaan kecekapan antara litar bercetak dan litar SMT, seperti yang dijangkakan. Kuasa input dan output diukur pada 4.0 V voltan input dan rintangan beban 1000 Ω ialah 30.4 mW dan 25.8 mW untuk litar dengan komponen SMT, dan 33.1 mW dan 25.2 mW untuk litar dengan komponen bercetak. Oleh itu, kehilangan litar bercetak ialah 7.9 mW, iaitu 3.4 mW lebih tinggi daripada litar dengan komponen SMT.Arus induktor RMS yang dikira daripada bentuk gelombang dalam Rajah 6d ialah 25.6 mA. Oleh kerana rintangan sirinya ialah 4.9 Ω, kehilangan kuasa yang dijangkakan ialah 3.2 mW. Ini adalah 96% daripada perbezaan kuasa DC 3.4 mW yang diukur. Di samping itu, litar ini dihasilkan dengan induktor bercetak dan perintang bercetak serta induktor bercetak dan perintang SMT, dan tiada perbezaan kecekapan yang ketara diperhatikan antara mereka.
Kemudian pengatur voltan dibuat pada PCB fleksibel (pencetakan litar dan prestasi komponen SMT ditunjukkan dalam Rajah Tambahan S1) dan disambungkan antara bateri litium-ion fleksibel sebagai sumber kuasa dan tatasusunan OLED sebagai beban. Menurut Lochner et al. 9 Untuk mengeluarkan OLED, setiap piksel OLED menggunakan 0.6 mA pada 5 V. Bateri menggunakan litium kobalt oksida dan grafit sebagai katod dan anod, masing-masing, dan dihasilkan oleh salutan bilah doktor, yang merupakan kaedah pencetakan bateri yang paling biasa.7 kapasiti bateri ialah 16mAh, dan voltan semasa ujian ialah 4.0V. Rajah 7 menunjukkan foto litar pada PCB fleksibel, menjana kuasa tiga piksel OLED yang disambung secara selari. Demonstrasi menunjukkan potensi komponen kuasa bercetak untuk disepadukan dengan yang lain peranti fleksibel dan organik untuk membentuk sistem elektronik yang lebih kompleks.
Foto litar pengatur voltan pada PCB fleksibel menggunakan induktor dan perintang bercetak, menggunakan bateri litium-ion fleksibel untuk menggerakkan tiga LED organik.
Kami telah menunjukkan induktor, kapasitor dan perintang bercetak skrin dengan julat nilai pada substrat PET fleksibel, dengan matlamat menggantikan komponen pelekap permukaan dalam peralatan elektronik kuasa. Kami telah menunjukkan bahawa dengan mereka bentuk lingkaran dengan diameter besar, kadar pengisian , dan nisbah lebar ruang lebar talian, dan dengan menggunakan lapisan tebal dakwat rintangan rendah. Komponen ini disepadukan ke dalam litar RLC yang dicetak dan fleksibel sepenuhnya dan mempamerkan kelakuan elektrik yang boleh diramal dalam julat frekuensi kHz-MHz, yang paling hebat. minat kepada elektronik kuasa.
Kes penggunaan biasa untuk peranti elektronik kuasa bercetak ialah sistem elektronik fleksibel boleh pakai atau bersepadu produk, dikuasakan oleh bateri boleh dicas semula yang fleksibel (seperti litium-ion), yang boleh menjana voltan berubah mengikut keadaan cas. Jika beban (termasuk percetakan dan peralatan elektronik organik) memerlukan voltan malar atau lebih tinggi daripada keluaran voltan oleh bateri, pengawal selia voltan diperlukan. Atas sebab ini, induktor dan perintang bercetak disepadukan dengan IC silikon tradisional ke dalam pengawal selia rangsangan untuk menggerakkan OLED dengan voltan malar sebanyak 5 V daripada bekalan kuasa bateri voltan berubah. Dalam julat arus beban dan voltan input tertentu, kecekapan litar ini melebihi 85% daripada kecekapan litar kawalan menggunakan induktor dan perintang pelekap permukaan. Walaupun pengoptimuman bahan dan geometri, kerugian perintang dalam induktor masih menjadi faktor pengehad untuk prestasi litar pada tahap arus tinggi (arus input lebih besar daripada kira-kira 10 mA). Walau bagaimanapun, pada arus yang lebih rendah, kerugian dalam induktor dikurangkan, dan prestasi keseluruhan dihadkan oleh kecekapan daripada IC. Memandangkan banyak peranti bercetak dan organik memerlukan arus yang agak rendah, seperti OLED kecil yang digunakan dalam demonstrasi kami, induktor kuasa bercetak boleh dianggap sesuai untuk aplikasi tersebut. Dengan menggunakan IC yang direka untuk mempunyai kecekapan tertinggi pada tahap arus yang lebih rendah, kecekapan penukar keseluruhan yang lebih tinggi boleh dicapai.
Dalam kerja ini, pengawal selia voltan dibina pada PCB tradisional, PCB fleksibel dan teknologi pematerian komponen pelekap permukaan, manakala komponen bercetak dihasilkan pada substrat yang berasingan.Walau bagaimanapun, dakwat suhu rendah dan kelikatan tinggi digunakan untuk menghasilkan skrin- filem bercetak harus membenarkan komponen pasif, serta sambung antara peranti dan pad sesentuh komponen pelekap permukaan, dicetak pada mana-mana substrat. Ini, digabungkan dengan penggunaan pelekat konduktif suhu rendah sedia ada untuk komponen pelekap permukaan, akan membolehkan keseluruhan litar yang akan dibina di atas substrat yang murah (seperti PET) tanpa memerlukan proses penolakan seperti etsa PCB.Oleh itu, komponen pasif bercetak skrin yang dibangunkan dalam kerja ini membantu membuka jalan kepada sistem elektronik fleksibel yang mengintegrasikan tenaga dan beban dengan elektronik kuasa berprestasi tinggi, menggunakan substrat yang murah, terutamanya proses tambahan dan minimum Bilangan komponen pemasangan permukaan.
Menggunakan pencetak skrin Asys ASP01M dan skrin keluli tahan karat yang disediakan oleh Dynamesh Inc., semua lapisan komponen pasif dicetak skrin pada substrat PET fleksibel dengan ketebalan 76 μm. Saiz jaringan lapisan logam ialah 400 garisan setiap inci dan 250 garisan setiap inci untuk lapisan dielektrik dan lapisan rintangan.Gunakan daya penyepit 55 N, kelajuan cetakan 60 mm/s, jarak pecah 1.5 mm dan penyepit Serilor dengan kekerasan 65 (untuk logam dan rintangan lapisan) atau 75 (untuk lapisan dielektrik) untuk percetakan skrin.
Lapisan pengalir—aruh dan sesentuh kapasitor dan perintang—dicetak dengan dakwat mikroflake perak DuPont 5082 atau DuPont 5064H. Perintang dicetak dengan konduktor karbon DuPont 7082. Untuk dielektrik kapasitor, sebatian konduktif BT-101 barium titanate dielektrik digunakan.Setiap lapisan dielektrik dihasilkan menggunakan kitaran cetakan dua-laluan (basah-basah) untuk meningkatkan keseragaman filem. Bagi setiap komponen, kesan kitaran cetakan berbilang pada prestasi komponen dan kebolehubahan telah diperiksa. Sampel dibuat dengan salutan berbilang bahan yang sama telah dikeringkan pada suhu 70 °C selama 2 minit antara salutan. Selepas menggunakan lapisan terakhir setiap bahan, sampel dibakar pada suhu 140 °C selama 10 minit untuk memastikan pengeringan lengkap. Fungsi penjajaran automatik skrin pencetak digunakan untuk menjajarkan lapisan berikutnya. Sentuhan dengan pusat induktor dicapai dengan memotong lubang tembus pada pad tengah dan jejak cetakan stensil di belakang substrat dengan dakwat DuPont 5064H. Saling sambungan antara peralatan percetakan juga menggunakan Dupont Percetakan stensil 5064H. Untuk memaparkan komponen bercetak dan komponen SMT pada PCB fleksibel yang ditunjukkan dalam Rajah 7, komponen bercetak disambungkan menggunakan epoksi konduktif Circuit Works CW2400, dan komponen SMT disambungkan dengan pematerian tradisional.
Litium kobalt oksida (LCO) dan elektrod berasaskan grafit digunakan sebagai katod dan anod bateri, masing-masing. Buburan katod ialah campuran 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% grafit (KS6, Timcal), 2.5 % karbon hitam (Super P, Timcal) dan 10% polyvinylidene fluoride (PVDF, Kureha Corp.). ) Anod ialah campuran 84wt% grafit, 4wt% karbon hitam dan 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) digunakan untuk melarutkan pengikat PVDF dan menyebarkan buburan. Buburan dihomogenkan oleh kacau dengan pengadun vorteks semalaman.Kerajang keluli tahan karat setebal 0.0005 inci dan kerajang nikel 10 μm digunakan sebagai pengumpul arus untuk katod dan anod, masing-masing. Dakwat dicetak pada pengumpul semasa dengan penyapu pada kelajuan cetakan 20 mm/s.Panaskan elektrod dalam ketuhar pada 80 °C selama 2 jam untuk mengeluarkan pelarut. Ketinggian elektrod selepas pengeringan adalah kira-kira 60 μm, dan berdasarkan berat bahan aktif, kapasiti teori ialah 1.65 mAh /cm2.Elektrod dipotong mengikut dimensi 1.3 × 1.3 cm2 dan dipanaskan dalam ketuhar vakum pada suhu 140°C semalaman, dan kemudiannya dimeteraikan dengan beg laminat aluminium dalam kotak sarung tangan berisi nitrogen. Larutan filem asas polipropilena dengan anod dan katod dan 1M LiPF6 dalam EC/DEC (1:1) digunakan sebagai elektrolit bateri.
OLED hijau terdiri daripada poli(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) dan poli((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) mengikut prosedur yang digariskan dalam Lochner et al.
Gunakan pemprofil stylus Dektak untuk mengukur ketebalan filem. Filem telah dipotong untuk menyediakan sampel keratan rentas untuk penyiasatan dengan mengimbas mikroskop elektron (SEM). FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) SEM digunakan untuk mencirikan struktur cetakan. filem dan sahkan ukuran ketebalan.Kajian SEM telah dijalankan pada voltan pecutan 20 keV dan jarak kerja biasa 10 mm.
Gunakan multimeter digital untuk mengukur rintangan DC, voltan dan arus. Impedans AC bagi induktor, kapasitor dan litar diukur menggunakan meter LCR Agilent E4980 untuk frekuensi di bawah 1 MHz dan penganalisis rangkaian Agilent E5061A digunakan untuk mengukur frekuensi melebihi 500 kHz. Gunakan Osiloskop Tektronix TDS 5034 untuk mengukur bentuk gelombang pengatur voltan.
Cara memetik artikel ini: Ostfeld, AE, dsb. Komponen pasif pencetakan skrin untuk peralatan elektronik kuasa fleksibel.sains.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Elektronik fleksibel: platform di mana-mana seterusnya.Proses IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Intranet Manusia: Tempat di mana kumpulan bertemu manusia. Kertas yang diterbitkan pada Persidangan dan Pameran Eropah 2015 mengenai Reka Bentuk, Automasi dan Pengujian, Grenoble, Perancis.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Mac- 13).
Krebs, FC dsb.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, peranti penuaian tenaga piezoelektrik bercetak AC.Bahan tenaga lanjutan.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW penjana tenaga termoelektrik filem tebal rata yang dicetak dispenser.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Bateri cetak berpotensi tinggi yang fleksibel digunakan untuk menjana kuasa peranti elektronik bercetak.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Perkembangan terkini dalam bateri fleksibel bercetak: cabaran mekanikal, teknologi percetakan dan prospek masa depan. Teknologi tenaga.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. dsb.Sistem penderiaan berskala besar yang menggabungkan peranti elektronik kawasan besar dan IC CMOS untuk pemantauan kesihatan struktur.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).