nieuws

Bedankt voor uw bezoek aan Nature. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden wij u aan een nieuwere versie van de browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Tegelijkertijd Om voortdurende ondersteuning te garanderen, geven we sites weer zonder stijlen en JavaScript.
Additieven en drukprocessen bij lage temperaturen kunnen verschillende stroomverbruikende en stroomverbruikende elektronische apparaten tegen lage kosten op flexibele substraten integreren. De productie van complete elektronische systemen uit deze apparaten vereist echter meestal vermogenselektronische apparaten die de verschillende bedrijfsspanningen van de apparaten kunnen omzetten. de apparaten. Passieve componenten (inductoren, condensatoren en weerstanden) voeren functies uit zoals filtering, energieopslag op korte termijn en spanningsmeting, die essentieel zijn in vermogenselektronica en vele andere toepassingen. In dit artikel introduceren we inductoren, condensatoren, weerstanden en RLC-circuits gezeefdrukt op flexibele plastic substraten, en rapporteren het ontwerpproces om de serieweerstand van inductoren te minimaliseren, zodat ze kunnen worden gebruikt in vermogenselektronische apparaten. De gedrukte inductor en weerstand worden vervolgens opgenomen in het boostregulatorcircuit. van organische lichtgevende diodes en flexibele lithium-ionbatterijen. Er worden spanningsregelaars gebruikt om de diodes vanuit de batterij van stroom te voorzien, wat het potentieel aantoont van geprinte passieve componenten om traditionele opbouwcomponenten in DC-DC-omzettertoepassingen te vervangen.
De afgelopen jaren is de toepassing van verschillende flexibele apparaten in draagbare elektronische producten en elektronische producten met een groot oppervlak en het internet der dingen1,2 ontwikkeld. Hiertoe behoren apparaten voor het oogsten van energie, zoals fotovoltaïsche 3, piëzo-elektrische 4 en thermo-elektrische 5; energieopslaginrichtingen, zoals batterijen 6, 7; en stroomverbruikende apparaten, zoals sensoren 8, 9, 10, 11, 12 en lichtbronnen 13. Hoewel er grote vooruitgang is geboekt op het gebied van individuele energiebronnen en belastingen, vereist het combineren van deze componenten tot een compleet elektronisch systeem meestal vermogenselektronica om elke discrepantie tussen het voedingsgedrag en de belastingsvereisten overwinnen. Een batterij genereert bijvoorbeeld een variabele spanning op basis van de laadtoestand. Als de belasting een constante spanning vereist, of hoger dan de spanning die de batterij kan genereren, is vermogenselektronica vereist Vermogenselektronica gebruikt actieve componenten (transistors) om schakel- en besturingsfuncties uit te voeren, evenals passieve componenten (inductoren, condensatoren en weerstanden). In een schakelend regelcircuit wordt bijvoorbeeld een inductor gebruikt om energie op te slaan tijdens elke schakelcyclus Er wordt een condensator gebruikt om de spanningsrimpel te verminderen, en de spanningsmeting die nodig is voor feedbackregeling wordt gedaan met behulp van een weerstandsdeler.
Vermogenselektronische apparaten die geschikt zijn voor draagbare apparaten (zoals pulsoximeter 9) vereisen verschillende volt en enkele milliampère, werken meestal in het frequentiebereik van honderden kHz tot enkele MHz, en vereisen enkele μH en enkele μH inductantie en de capaciteit μF is 14 respectievelijk. De traditionele methode voor het vervaardigen van deze circuits is het solderen van afzonderlijke componenten op een stijve printplaat (PCB). Hoewel de actieve componenten van vermogenselektronische schakelingen meestal worden gecombineerd in een enkel silicium geïntegreerd circuit (IC), zijn passieve componenten meestal extern, waardoor aangepaste circuits mogelijk zijn, of omdat de vereiste inductie en capaciteit te groot zijn om in silicium te implementeren.
Vergeleken met de traditionele op PCB's gebaseerde productietechnologie heeft de productie van elektronische apparaten en circuits via het additieve printproces veel voordelen in termen van eenvoud en kosten. Ten eerste omdat veel componenten van het circuit dezelfde materialen vereisen, zoals metalen voor contacten en onderlinge verbindingen maakt printen het mogelijk meerdere componenten tegelijkertijd te vervaardigen, met relatief weinig verwerkingsstappen en minder materiaalbronnen15. Het gebruik van additieve processen ter vervanging van subtractieve processen zoals fotolithografie en etsen vermindert de procescomplexiteit en materiaalverspilling verder16, 17, 18 en 19. Bovendien zijn de lage temperaturen die bij het printen worden gebruikt, compatibel met flexibele en goedkope plastic substraten, waardoor het gebruik van snelle roll-to-roll-productieprocessen mogelijk is om elektronische apparaten 16, 20 over grote oppervlakken te bedekken. Voor toepassingen die met geprinte componenten niet volledig gerealiseerd kunnen worden, zijn er hybride methoden ontwikkeld waarbij Surface Mount Technology (SMT) componenten bij lage temperaturen naast de geprinte componenten op flexibele substraten 21, 22, 23 worden aangesloten. Bij deze hybride aanpak is het nog steeds Het is noodzakelijk om zoveel mogelijk SMT-componenten te vervangen door gedrukte tegenhangers om de voordelen van extra processen te verkrijgen en de algehele flexibiliteit van het circuit te vergroten. Om flexibele vermogenselektronica te realiseren, hebben we een combinatie van actieve SMT-componenten en gezeefdrukte passieve componenten voorgesteld componenten, met speciale nadruk op het vervangen van omvangrijke SMT-inductoren door vlakke spiraalinductoren. Van de verschillende technologieën voor de productie van gedrukte elektronica is zeefdruk bijzonder geschikt voor passieve componenten vanwege de grote filmdikte (wat nodig is om de serieweerstand van metalen onderdelen te minimaliseren ) en hoge printsnelheid, zelfs bij het bedekken van gebieden op centimeterniveau. Soms geldt hetzelfde. Materiaal 24.
Het verlies aan passieve componenten van vermogenselektronische apparatuur moet tot een minimum worden beperkt, omdat de efficiëntie van het circuit rechtstreeks van invloed is op de hoeveelheid energie die nodig is om het systeem van stroom te voorzien. Dit is vooral een uitdaging voor gedrukte inductoren die zijn samengesteld uit lange spoelen, die daarom gevoelig zijn voor hoge series Hoewel er enige pogingen zijn gedaan om de weerstand 25, 26, 27, 28 van de gedrukte spoelen te minimaliseren, is er daarom nog steeds een gebrek aan hoogefficiënte gedrukte passieve componenten voor vermogenselektronische apparaten. Tot op heden hebben velen geprinte passieve componenten gerapporteerd componenten op flexibele substraten zijn ontworpen om te werken in resonante circuits voor radiofrequentie-identificatie (RFID) of energieoogstdoeleinden 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Andere richten zich op de ontwikkeling van materialen of fabricageprocessen en tonen generieke componenten 26, 32, 33, 34 die niet zijn geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen. Vermogenelektronische circuits zoals spanningsregelaars gebruiken daarentegen vaak grotere componenten dan typische gedrukte passieve apparaten en vereisen geen resonantie, dus zijn verschillende componentontwerpen vereist.
Hier introduceren we het ontwerp en de optimalisatie van gezeefdrukte inductoren in het μH-bereik om de kleinste serieweerstand en hoge prestaties te bereiken bij frequenties die verband houden met vermogenselektronica. Er worden gezeefdrukte inductoren, condensatoren en weerstanden met verschillende componentwaarden vervaardigd op flexibele plastic substraten. De geschiktheid van deze componenten voor flexibele elektronische producten werd voor het eerst gedemonstreerd in een eenvoudig RLC-circuit. De gedrukte inductor en weerstand worden vervolgens geïntegreerd met het IC om een ​​boost-regelaar te vormen. Tenslotte een organische lichtemitterende diode (OLED ) en een flexibele lithium-ionbatterij worden vervaardigd, en er wordt een spanningsregelaar gebruikt om de OLED vanuit de batterij van stroom te voorzien.
Om gedrukte inductoren voor vermogenselektronica te ontwerpen, hebben we eerst de inductantie en gelijkstroomweerstand van een reeks inductorgeometrieën voorspeld op basis van het huidige plaatmodel voorgesteld door Mohan et al. 35, en vervaardigde inductoren met verschillende geometrieën om de nauwkeurigheid van het model te bevestigen. In dit werk werd voor de inductor een ronde vorm gekozen omdat een hogere inductantie 36 kan worden bereikt met een lagere weerstand vergeleken met een veelhoekige geometrie. De invloed van inkt het type en aantal printcycli op weerstand wordt bepaald. Deze resultaten werden vervolgens gebruikt met het ampèremetermodel om 4,7 μH en 7,8 μH inductoren te ontwerpen die waren geoptimaliseerd voor minimale DC-weerstand.
De inductie en DC-weerstand van spiraalvormige inductoren kunnen worden beschreven door verschillende parameters: buitendiameter do, draaibreedte w en afstand s, aantal windingen n en weerstand van de geleiderplaat Rsheet. Figuur 1a toont een foto van een met zeefdruk bedrukte cirkelvormige inductor met n = 12, waarbij de geometrische parameters worden weergegeven die de inductantie bepalen. Volgens het ampèremetermodel van Mohan et al. 35 wordt de inductantie berekend voor een reeks inductorgeometrieën, waarbij
(a) Een foto van de gezeefdrukte inductor met de geometrische parameters. De diameter is 3 cm. Inductantie (b) en DC-weerstand (c) van verschillende inductorgeometrieën. De lijnen en markeringen komen overeen met respectievelijk berekende en gemeten waarden. (d, e) De DC-weerstanden van inductoren L1 en L2 zijn gezeefdrukt met respectievelijk Dupont 5028 en 5064H zilverinkten. (f, g) SEM-microfoto's van de films gezeefdrukt door respectievelijk Dupont 5028 en 5064H.
Bij hoge frequenties zullen het skin-effect en de parasitaire capaciteit de weerstand en inductantie van de inductor veranderen op basis van de DC-waarde. Er wordt verwacht dat de inductor op een voldoende lage frequentie werkt zodat deze effecten verwaarloosbaar zijn, en het apparaat gedraagt ​​zich als een constante inductantie met een constante weerstand in serie. Daarom analyseerden we in dit werk de relatie tussen geometrische parameters, inductantie en DC-weerstand, en gebruikten we de resultaten om een ​​gegeven inductantie te verkrijgen met de kleinste DC-weerstand.
Inductantie en weerstand worden berekend voor een reeks geometrische parameters die kunnen worden gerealiseerd door zeefdrukken, en er wordt verwacht dat inductantie in het μH-bereik zal worden gegenereerd. De buitendiameters van 3 en 5 cm, de lijnbreedtes van 500 en 1000 micron , en verschillende windingen worden vergeleken. Bij de berekening wordt aangenomen dat de plaatweerstand 47 mΩ/□ is, wat overeenkomt met een 7 μm dikke Dupont 5028 zilveren microflake-geleiderlaag bedrukt met een zeef van 400 mesh en instelling w = s. De De berekende inductantie- en weerstandswaarden worden respectievelijk weergegeven in figuur 1b en c. Het model voorspelt dat zowel de inductantie als de weerstand toenemen naarmate de buitendiameter en het aantal windingen toenemen, of naarmate de lijnbreedte afneemt.
Om de nauwkeurigheid van modelvoorspellingen te evalueren, werden inductoren met verschillende geometrieën en inductanties vervaardigd op een substraat van polyethyleentereftalaat (PET). De gemeten inductantie- en weerstandswaarden worden weergegeven in figuur 1b en c. Hoewel de weerstand enige afwijking vertoonde van Na de verwachte waarde, voornamelijk als gevolg van veranderingen in de dikte en uniformiteit van de afgezette inkt, vertoonde de inductantie een zeer goede overeenkomst met het model.
Deze resultaten kunnen worden gebruikt om een ​​inductor te ontwerpen met de vereiste inductantie en minimale DC-weerstand. Stel bijvoorbeeld dat een inductantie van 2 μH vereist is. Figuur 1b laat zien dat deze inductantie kan worden gerealiseerd met een buitendiameter van 3 cm, een lijnbreedte van 500 μm en 10 windingen. Dezelfde inductantie kan ook worden gegenereerd met een buitendiameter van 5 cm, 500 μm lijnbreedte en 5 windingen of 1000 μm lijnbreedte en 7 windingen (zoals weergegeven in de afbeelding). Vergelijking van de weerstanden van deze drie mogelijke geometrieën in figuur 1c kan worden gevonden dat de laagste weerstand van een inductor van 5 cm met een lijnbreedte van 1000 μm 34 Ω is, wat ongeveer 40% lager is dan de andere twee. Het algemene ontwerpproces om een ​​gegeven inductantie te bereiken met een minimale weerstand wordt als volgt samengevat: Selecteer eerst de maximaal toegestane buitendiameter volgens de ruimtebeperkingen die door de toepassing worden opgelegd. Vervolgens moet de lijnbreedte zo groot mogelijk zijn, terwijl toch de vereiste inductantie wordt bereikt om een ​​hoge vulsnelheid te verkrijgen (vergelijking (3)).
Door de dikte te vergroten of door een materiaal met een hogere geleidbaarheid te gebruiken om de plaatweerstand van de metaalfilm te verminderen, kan de DC-weerstand verder worden verlaagd zonder de inductantie te beïnvloeden. Twee inductoren, waarvan de geometrische parameters worden gegeven in Tabel 1, genaamd L1 en L2, zijn vervaardigd met verschillende aantallen coatings om de verandering in weerstand te evalueren. Naarmate het aantal inktcoatings toeneemt, neemt de weerstand proportioneel af zoals verwacht, zoals weergegeven in figuren 1d en e, die respectievelijk inductoren L1 en L2 zijn. Figuren 1d en e laten zien dat door het aanbrengen van 6 coatinglagen de weerstand tot wel 6 keer kan worden verminderd, en dat de maximale weerstandsvermindering (50-65%) optreedt tussen laag 1 en laag 2. Omdat elke inktlaag relatief dun is, kan een Voor het printen van deze inductoren wordt een scherm met een relatief kleine rastergrootte (400 lijnen per inch) gebruikt, waardoor we het effect van de dikte van de geleider op de weerstand kunnen bestuderen. Zolang de patroonkenmerken groter blijven dan de minimale resolutie van het raster, kan een een vergelijkbare dikte (en weerstand) kan sneller worden bereikt door een kleiner aantal coatings met een grotere rastergrootte te printen. Met deze methode kan dezelfde DC-weerstand worden bereikt als de hier besproken 6-coated inductor, maar met een hogere productiesnelheid.
Figuren 1d en e laten ook zien dat door gebruik te maken van de meer geleidende zilvervlokkeninkt DuPont 5064H, de weerstand met een factor twee wordt verminderd. Uit de SEM-microfoto's van de films bedrukt met de twee inkten (Figuur 1f, g), kan dit gezien dat de lagere geleidbaarheid van de 5028-inkt te wijten is aan de kleinere deeltjesgrootte en de aanwezigheid van veel holtes tussen de deeltjes in de gedrukte film. Aan de andere kant heeft 5064H grotere, dichter bij elkaar geplaatste vlokken, waardoor het zich dichter bij bulk gedraagt zilver. Hoewel de film geproduceerd door deze inkt dunner is dan de 5028-inkt, met een enkele laag van 4 μm en 6 lagen van 22 μm, is de toename van de geleidbaarheid voldoende om de algehele weerstand te verminderen.
Tenslotte, hoewel de inductantie (vergelijking (1)) afhangt van het aantal windingen (w + s), hangt de weerstand (vergelijking (5)) alleen af ​​van de lijnbreedte w. Daarom, door w te vergroten ten opzichte van s, wordt de weerstand kan verder worden verkleind. De twee extra inductoren L3 en L4 zijn ontworpen om w = 2s en een grote buitendiameter te hebben, zoals weergegeven in Tabel 1. Deze inductoren zijn vervaardigd met 6 lagen DuPont 5064H-coating, zoals eerder weergegeven, om de hoogste prestaties. De inductantie van L3 is 4,720 ± 0,002 μH en de weerstand is 4,9 ± 0,1 Ω, terwijl de inductantie van L4 7,839 ± 0,005 μH en 6,9 ± 0,1 Ω is, wat goed overeenkomt met de modelvoorspelling. Vanwege de toename in dikte, geleidbaarheid en w/s betekent dit dat de L/R-verhouding met meer dan een orde van grootte is toegenomen ten opzichte van de waarde in figuur 1.
Hoewel een lage DC-weerstand veelbelovend is, vereist het evalueren van de geschiktheid van inductoren voor vermogenselektronische apparatuur die in het kHz-MHz-bereik werkt karakterisering bij AC-frequenties. Figuur 2a toont de frequentieafhankelijkheid van de weerstand en reactantie van L3 en L4. Voor frequenties onder 10 MHz blijft de weerstand ongeveer constant op de DC-waarde, terwijl de reactantie lineair toeneemt met de frequentie, wat betekent dat de inductantie constant is zoals verwacht. De zelfresonante frequentie wordt gedefinieerd als de frequentie waarbij de impedantie verandert van inductief naar capacitief, waarbij L3 is 35,6 ± 0,3 MHz en L4 is 24,3 ± 0,6 MHz. De frequentieafhankelijkheid van de kwaliteitsfactor Q (gelijk aan ωL/R) wordt weergegeven in figuur 2b. L3 en L4 bereiken maximale kwaliteitsfactoren van 35 ± 1 en 33 ± 1 bij frequenties van respectievelijk 11 en 16 MHz. De inductie van enkele μH en de relatief hoge Q bij MHz-frequenties maken deze inductoren voldoende om traditionele opbouwinductoren in DC-DC-converters met laag vermogen te vervangen.
De gemeten weerstand R en reactantie X (a) en kwaliteitsfactor Q (b) van inductoren L3 en L4 zijn gerelateerd aan de frequentie.
Om de voetafdruk die nodig is voor een bepaalde capaciteit te minimaliseren, is het het beste om condensatortechnologie te gebruiken met een grote specifieke capaciteit, die gelijk is aan de diëlektrische constante ε gedeeld door de dikte van het diëlektricum. In dit werk hebben we gekozen voor bariumtitanaatcomposiet als het diëlektricum omdat het een hogere epsilon heeft dan andere in oplossing verwerkte organische diëlektrica. De diëlektrische laag wordt gezeefdrukt tussen de twee zilveren geleiders om een ​​metaal-diëlektrische-metaalstructuur te vormen. Condensatoren met verschillende afmetingen in centimeters, zoals weergegeven in figuur 3a , worden vervaardigd met behulp van twee of drie lagen diëlektrische inkt om een ​​goede opbrengst te behouden. Figuur 3b toont een SEM-microfoto in dwarsdoorsnede van een representatieve condensator gemaakt met twee lagen diëlektricum, met een totale diëlektrische dikte van 21 μm. De bovenste en onderste elektroden zijn respectievelijk éénlaags en zeslaags 5064H. Bariumtitanaatdeeltjes van microngrootte zijn zichtbaar in het SEM-beeld omdat de helderdere gebieden omgeven zijn door het donkerdere organische bindmiddel. De diëlektrische inkt bevochtigt de onderste elektrode goed en vormt een duidelijk grensvlak met de bedrukte metaalfilm, zoals weergegeven in de afbeelding met hogere vergroting.
(a) Een foto van een condensator met vijf verschillende gebieden. (b) SEM-microfoto in dwarsdoorsnede van een condensator met twee lagen diëlektricum, met bariumtitanaat-diëlektricum en zilverelektroden. (c) Capaciteiten van condensatoren met 2 en 3 bariumtitanaat diëlektrische lagen en verschillende gebieden, gemeten bij 1 MHz. (d) De relatie tussen de capaciteit, ESR en verliesfactor van een condensator van 2,25 cm2 met 2 lagen diëlektrische coatings en frequentie.
De capaciteit is evenredig met het verwachte oppervlak. Zoals weergegeven in figuur 3c is de specifieke capaciteit van het tweelaags diëlektricum 0,53 nF/cm2, en de specifieke capaciteit van het drielaags diëlektricum 0,33 nF/cm2. Deze waarden komen overeen met een diëlektrische constante van 13. capaciteit en dissipatiefactor (DF) werden ook gemeten bij verschillende frequenties, zoals weergegeven in figuur 3d, voor een condensator van 2,25 cm2 met twee lagen diëlektricum. We ontdekten dat de capaciteit relatief vlak was in het betreffende frequentiebereik, toenemend met 20% van 1 tot 10 MHz, terwijl in hetzelfde bereik de DF toenam van 0,013 naar 0,023. Omdat de dissipatiefactor de verhouding is tussen het energieverlies en de energie die in elke AC-cyclus wordt opgeslagen, betekent een DF van 0,02 dat 2% van het verwerkte vermogen door de condensator wordt verbruikt. Dit verlies wordt meestal uitgedrukt als de frequentie-afhankelijke equivalente serieweerstand (ESR) die in serie is verbonden met de condensator, die gelijk is aan DF/ωC. Zoals weergegeven in figuur 3d, geldt voor frequenties groter dan 1 MHz: ESR is lager dan 1,5 Ω, en voor frequenties groter dan 4 MHz is ESR lager dan 0,5 Ω. Hoewel deze condensatortechnologie wordt gebruikt, vereisen de condensatoren van de μF-klasse die nodig zijn voor DC-DC-omzetters een zeer groot oppervlak, maar de 100 pF-condensatoren vereisen een zeer groot oppervlak. Het nF-capaciteitsbereik en het lage verlies van deze condensatoren maken ze geschikt voor andere toepassingen, zoals filters en resonantiecircuits. Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt om de capaciteit te vergroten. Een hogere diëlektrische constante verhoogt de specifieke capaciteit 37; Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door de concentratie van bariumtitanaatdeeltjes in de inkt te verhogen. Er kan een kleinere diëlektrische dikte worden gebruikt, hoewel hiervoor een onderelektrode nodig is met een lagere ruwheid dan een gezeefdrukte zilvervlok. Dunnere condensator met lagere ruwheid lagen kunnen worden afgezet door inkjetprinten 31 of diepdruk 10, wat kan worden gecombineerd met een zeefdrukproces. Ten slotte kunnen meerdere afwisselende lagen metaal en diëlektricum worden gestapeld en parallel worden afgedrukt en verbonden, waardoor de capaciteit 34 per oppervlakte-eenheid wordt vergroot .
Een spanningsdeler bestaande uit een paar weerstanden wordt meestal gebruikt om de spanningsmeting uit te voeren die nodig is voor de feedbackregeling van een spanningsregelaar. Voor dit type toepassing moet de weerstand van de gedrukte weerstand in het kΩ-MΩ-bereik liggen, en het verschil tussen het apparaat is klein. Hier bleek dat de plaatweerstand van de enkellaags gezeefdrukte koolstofinkt 900 Ω/□ was. Deze informatie wordt gebruikt om twee lineaire weerstanden (R1 en R2) en een kronkelige weerstand (R3) te ontwerpen. ) met nominale weerstanden van 10 kΩ, 100 kΩ en 1,5 MΩ. De weerstand tussen de nominale waarden wordt bereikt door twee of drie lagen inkt af te drukken, zoals weergegeven in figuur 4, en foto's van de drie weerstanden. Maak 8- 12 monsters van elk type; in alle gevallen is de standaardafwijking van de weerstand 10% of minder. De weerstandsverandering van monsters met twee of drie coatinglagen is doorgaans iets kleiner dan die van monsters met één laag coating. De kleine verandering in de gemeten weerstand en de nauwe overeenkomst met de nominale waarde geeft aan dat andere weerstanden in dit bereik direct kunnen worden verkregen door de weerstandsgeometrie te wijzigen.
Drie verschillende weerstandsgeometrieën met verschillende aantallen koolstofresistente inktcoatings. De foto van drie weerstanden wordt rechts weergegeven.
RLC-circuits zijn klassieke schoolvoorbeelden van weerstands-, inductor- en condensatorcombinaties die worden gebruikt om het gedrag van passieve componenten die in echte gedrukte schakelingen zijn geïntegreerd, aan te tonen en te verifiëren. In dit circuit zijn een 8 μH-inductor en een 0,8 nF-condensator in serie geschakeld, en een Er is een weerstand van 25 kΩ parallel mee geschakeld. De foto van het flexibele circuit is weergegeven in figuur 5a. De reden om voor deze speciale serie-parallelcombinatie te kiezen is dat het gedrag ervan wordt bepaald door elk van de drie verschillende frequentiecomponenten, zodat de De prestaties van elke component kunnen worden benadrukt en geëvalueerd. Rekening houdend met de serieweerstand van 7 Ω van de inductor en de ESR van 1,3 Ω van de condensator, werd de verwachte frequentierespons van het circuit berekend. Het schakelschema wordt weergegeven in figuur 5b, en de berekende impedantieamplitude en fase en gemeten waarden worden weergegeven in figuren 5c en d. Bij lage frequenties betekent de hoge impedantie van de condensator dat het gedrag van de schakeling wordt bepaald door de weerstand van 25 kΩ. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de impedantie van het LC-pad neemt af; het gehele circuitgedrag is capacitief totdat de resonantiefrequentie 2,0 MHz bedraagt. Boven de resonantiefrequentie domineert de inductieve impedantie. Figuur 5 laat duidelijk de uitstekende overeenkomst zien tussen berekende en gemeten waarden over het gehele frequentiebereik. Dit betekent dat het gebruikte model hier (waar inductoren en condensatoren ideale componenten zijn met serieweerstand) is nauwkeurig voor het voorspellen van circuitgedrag bij deze frequenties.
(a) Een foto van een gezeefdrukt RLC-circuit dat gebruik maakt van een seriecombinatie van een 8 μH-inductor en een 0,8 nF-condensator parallel met een weerstand van 25 kΩ. (b) Circuitmodel inclusief serieweerstand van inductor en condensator. (c ,d) De impedantieamplitude (c) en fase (d) van het circuit.
Ten slotte zijn in de boostregelaar gedrukte inductoren en weerstanden geïmplementeerd. De IC die in deze demonstratie wordt gebruikt is Microchip MCP1640B14, een op PWM gebaseerde synchrone boostregelaar met een werkfrequentie van 500 kHz. Het schakelschema wordt weergegeven in figuur 6a.A Een inductor van 4,7 μH en twee condensatoren (4,7 μF en 10 μF) worden gebruikt als energieopslagelementen, en een paar weerstanden worden gebruikt om de uitgangsspanning van de feedbackregeling te meten. Selecteer de weerstandswaarde om de uitgangsspanning in te stellen op 5 V. Het circuit is op de printplaat vervaardigd en de prestaties ervan worden gemeten binnen de belastingsweerstand en het ingangsspanningsbereik van 3 tot 4 V om de lithium-ionbatterij in verschillende laadtoestanden te simuleren. De efficiëntie van gedrukte inductoren en weerstanden wordt vergeleken met de efficiëntie van SMT-inductoren en weerstanden. SMT-condensatoren worden in alle gevallen gebruikt omdat de capaciteit die voor deze toepassing nodig is te groot is om te worden aangevuld met gedrukte condensatoren.
(a) Diagram van spanningsstabilisatiecircuit. (b – d) (b) Vout, (c) Vsw en (d) Golfvormen van stroom die in de inductor vloeit, de ingangsspanning is 4,0 V, de belastingsweerstand is 1 kΩ, en de gedrukte inductor wordt gebruikt om te meten. Voor deze meting worden opbouwweerstanden en condensatoren gebruikt. (e) Voor verschillende belastingsweerstanden en ingangsspanningen, de efficiëntie van spanningsregelaarcircuits die gebruik maken van alle opbouwcomponenten en gedrukte inductoren en weerstanden. (f ) De efficiëntieverhouding van opbouwmontage en printplaat weergegeven in (e).
Voor een ingangsspanning van 4,0 V en een belastingsweerstand van 1000 Ω worden de golfvormen gemeten met behulp van gedrukte inductoren weergegeven in figuur 6b-d. Figuur 6c toont de spanning aan de Vsw-aansluiting van het IC; de inductorspanning is Vin-Vsw. Figuur 6d toont de stroom die in de inductor vloeit. De efficiëntie van het circuit met SMT en gedrukte componenten wordt getoond in figuur 6e als een functie van ingangsspanning en belastingsweerstand, en figuur 6f toont de efficiëntieverhouding van gedrukte componenten naar SMT-componenten. De efficiëntie gemeten met behulp van SMT-componenten is vergelijkbaar met de verwachte waarde gegeven in gegevensblad 14 van de fabrikant. Bij hoge ingangsstroom (lage belastingsweerstand en lage ingangsspanning) is de efficiëntie van gedrukte inductoren aanzienlijk lager dan die van SMT-inductoren vanwege de hogere serieweerstand. Bij een hogere ingangsspanning en hogere uitgangsstroom wordt het weerstandsverlies echter minder belangrijk en beginnen de prestaties van gedrukte inductoren die van SMT-inductoren te benaderen. Voor belastingsweerstanden> 500 Ω en Vin = 4,0 V of >750 Ω en Vin = 3,5 V, is de efficiëntie van gedrukte inductoren groter dan 85% van die van SMT-inductoren.
Vergelijking van de huidige golfvorm in figuur 6d met het gemeten vermogensverlies laat zien dat het weerstandsverlies in de inductor de belangrijkste oorzaak is van het verschil in efficiëntie tussen de gedrukte schakeling en het SMT-circuit, zoals verwacht. Het ingangs- en uitgangsvermogen gemeten bij 4,0 V ingangsspanning en 1000 Ω belastingsweerstand zijn 30,4 mW en 25,8 mW voor circuits met SMT-componenten, en 33,1 mW en 25,2 mW voor circuits met gedrukte componenten. Daarom is het verlies van de gedrukte schakeling 7,9 mW, wat 3,4 mW hoger is dan de circuit met SMT-componenten. De RMS-inductorstroom berekend op basis van de golfvorm in figuur 6d is 25,6 mA. Aangezien de serieweerstand 4,9 Ω bedraagt, bedraagt ​​het verwachte vermogensverlies 3,2 mW. Dit is 96% van het gemeten gelijkstroomvermogensverschil van 3,4 mW. Bovendien is de schakeling vervaardigd met gedrukte inductoren en gedrukte weerstanden en gedrukte inductoren en SMT-weerstanden, en er wordt geen significant efficiëntieverschil tussen hen waargenomen.
Vervolgens wordt de spanningsregelaar op de flexibele PCB gefabriceerd (de print- en SMT-componentprestaties van het circuit worden weergegeven in aanvullende figuur S1) en verbonden tussen de flexibele lithium-ionbatterij als stroombron en de OLED-array als belasting. Volgens Lochner et al. 9 Om OLED's te vervaardigen, verbruikt elke OLED-pixel 0,6 mA bij 5 V. De batterij gebruikt respectievelijk lithiumkobaltoxide en grafiet als kathode en anode, en wordt vervaardigd door middel van rakelcoating, wat de meest gebruikelijke printmethode voor batterijen is.7 De De batterijcapaciteit is 16 mAh en de spanning tijdens de test is 4,0 V. Figuur 7 toont een foto van het circuit op de flexibele PCB, dat drie parallel geschakelde OLED-pixels van stroom voorziet. De demonstratie demonstreerde het potentieel van gedrukte voedingscomponenten om te worden geïntegreerd met andere flexibele en organische apparaten om complexere elektronische systemen te vormen.
Een foto van het spanningsregelaarcircuit op een flexibele PCB met behulp van gedrukte inductoren en weerstanden, met behulp van flexibele lithium-ionbatterijen om drie organische LED's van stroom te voorzien.
We hebben gezeefdrukte inductoren, condensatoren en weerstanden met een reeks waarden getoond op flexibele PET-substraten, met als doel opbouwcomponenten in vermogenselektronica-apparatuur te vervangen. We hebben aangetoond dat door het ontwerpen van een spiraal met een grote diameter de vulsnelheid en lijnbreedte-spatiebreedteverhouding, en door gebruik te maken van een dikke laag inkt met lage weerstand. Deze componenten zijn geïntegreerd in een volledig gedrukt en flexibel RLC-circuit en vertonen voorspelbaar elektrisch gedrag in het kHz-MHz-frequentiebereik, dat van het grootste belang is interesse in vermogenselektronica.
Typische gebruiksscenario's voor elektronische apparaten met gedrukt vermogen zijn draagbare of productgeïntegreerde flexibele elektronische systemen, aangedreven door flexibele oplaadbare batterijen (zoals lithium-ion), die variabele spanningen kunnen genereren afhankelijk van de laadtoestand. Als de belasting (inclusief afdrukken en organische elektronische apparatuur) vereist een constante spanning of hoger dan de spanning die door de batterij wordt afgegeven, een spanningsregelaar is vereist. Om deze reden worden gedrukte inductoren en weerstanden geïntegreerd met traditionele silicium IC's in een boostregelaar om de OLED van stroom te voorzien met een constante spanning van 5 V uit een batterijvoeding met variabele spanning. Binnen een bepaald bereik van de belastingsstroom en ingangsspanning overschrijdt de efficiëntie van dit circuit 85% van de efficiëntie van een stuurcircuit dat gebruik maakt van opbouwinductoren en weerstanden. Ondanks materiaal- en geometrische optimalisaties, weerstandsverliezen in de inductor zijn nog steeds de beperkende factor voor circuitprestaties bij hoge stroomniveaus (ingangsstroom groter dan ongeveer 10 mA). Bij lagere stromen worden de verliezen in de inductor echter verminderd en worden de algehele prestaties beperkt door de efficiëntie van de IC. Omdat veel gedrukte en organische apparaten relatief lage stromen vereisen, zoals de kleine OLED's die in onze demonstratie worden gebruikt, kunnen gedrukte stroominductoren als geschikt worden beschouwd voor dergelijke toepassingen. Door IC's te gebruiken die zijn ontworpen om de hoogste efficiëntie te hebben bij lagere stroomniveaus, Er kan een hoger algemeen conversierendement worden bereikt.
In dit werk is de spanningsregelaar gebouwd op de traditionele soldeertechnologie voor PCB's, flexibele PCB's en componenten voor opbouwmontage, terwijl de gedrukte component op een afzonderlijk substraat wordt vervaardigd. De inkten met lage temperatuur en hoge viscositeit die worden gebruikt om scherm- Geprinte films moeten het mogelijk maken dat passieve componenten, evenals de onderlinge verbinding tussen het apparaat en de contactvlakken van de componenten voor opbouwmontage, op elk substraat kunnen worden geprint. Dit, gecombineerd met het gebruik van bestaande, bij lage temperaturen geleidende lijmen voor componenten voor opbouwmontage, zal het mogelijk maken het hele circuit moet worden gebouwd op goedkope substraten (zoals PET) zonder de noodzaak van subtractieve processen zoals het etsen van PCB's. Daarom helpen de in dit werk ontwikkelde gezeefdrukte passieve componenten de weg vrij te maken voor flexibele elektronische systemen die energie en belastingen integreren met hoogwaardige vermogenselektronica, gebruik van goedkope substraten, voornamelijk additieve processen en een minimaal aantal opbouwcomponenten.
Met behulp van de Asys ASP01M zeefprinter en een roestvrijstalen zeef van Dynamesh Inc. werden alle lagen passieve componenten gezeefdrukt op een flexibel PET-substraat met een dikte van 76 μm. De maaswijdte van de metaallaag is 400 lijnen per inch en 250 lijnen per inch. lijnen per inch voor de diëlektrische laag en de weerstandslaag. Gebruik een rakelkracht van 55 N, een printsnelheid van 60 mm/s, een breekafstand van 1,5 mm en een Serilor-rakel met een hardheid van 65 (voor metaal en resistief lagen) of 75 (voor diëlektrische lagen) voor zeefdruk.
De geleidende lagen (de inductoren en de contacten van condensatoren en weerstanden) zijn bedrukt met DuPont 5082 of DuPont 5064H zilveren microflake-inkt. De weerstand is bedrukt met DuPont 7082 koolstofgeleider. Voor het diëlektricum van de condensator is de geleidende verbinding BT-101 bariumtitanaat diëlektricum wordt gebruikt. Elke laag diëlektricum wordt geproduceerd met behulp van een tweestaps (nat-nat) printcyclus om de uniformiteit van de film te verbeteren. Voor elk onderdeel werd het effect van meerdere printcycli op de prestaties en variabiliteit van de componenten onderzocht. Monsters gemaakt met meerdere coatings van hetzelfde materiaal werden tussen de coatings gedurende 2 minuten bij 70 °C gedroogd. Nadat de laatste laag van elk materiaal was aangebracht, werden de monsters gedurende 10 minuten bij 140 °C gebakken om volledige droging te garanderen. De automatische uitlijningsfunctie van het scherm printer wordt gebruikt om volgende lagen uit te lijnen. Het contact met het midden van de inductor wordt bereikt door een doorgaand gat in het middenkussen te snijden en sporen op de achterkant van het substraat te stencilen met DuPont 5064H-inkt. De onderlinge verbinding tussen printapparatuur maakt ook gebruik van Dupont 5064H stencilprinten. Om de gedrukte componenten en SMT-componenten op de flexibele PCB weer te geven, weergegeven in figuur 7, zijn de gedrukte componenten verbonden door Circuit Works CW2400 geleidende epoxy en zijn de SMT-componenten verbonden door traditioneel solderen.
Lithiumkobaltoxide (LCO) en op grafiet gebaseerde elektroden worden respectievelijk gebruikt als kathode en anode van de batterij. De kathodeslurry is een mengsel van 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafiet (KS6, Timcal), 2,5%. % roet (Super P, Timcal) en 10% polyvinylideenfluoride (PVDF, Kureha Corp.). ) De anode is een mengsel van 84 gew.% grafiet, 4 gew.% roet en 13 gew.% PVDF. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) wordt gebruikt om het PVDF-bindmiddel op te lossen en de slurry te dispergeren. De slurry werd gehomogeniseerd door gedurende de nacht roeren met een vortexmixer. Een roestvrijstalen folie van 0,0005 inch dik en een nikkelfolie van 10 μm worden gebruikt als stroomcollectoren voor respectievelijk de kathode en de anode. De inkt wordt met een rakel op de stroomcollector gedrukt met een printsnelheid van 20 mm/s. Verwarm de elektrode in een oven op 80 °C gedurende 2 uur om het oplosmiddel te verwijderen. De hoogte van de elektrode na drogen is ongeveer 60 μm, en gebaseerd op het gewicht van het actieve materiaal is de theoretische capaciteit 1,65 mAh /cm2. De elektroden werden in afmetingen van 1,3 x 1,3 cm2 gesneden en een nacht in een vacuümoven op 140°C verwarmd, en vervolgens werden ze afgesloten met aluminiumlaminaatzakken in een met stikstof gevulde handschoenenkast. Een oplossing van polypropyleenbasisfilm met anode en kathode en 1M LiPF6 in EC/DEC (1:1) worden gebruikt als accu-elektrolyt.
Groene OLED bestaat uit poly(9,9-dioctylfluoreen-co-n-(4-butylfenyl)-difenylamine) (TFB) en poly((9,9-dioctylfluoreen-2,7- (2,1,3-benzothiadiazool- 4, 8-diyl)) (F8BT) volgens de procedure beschreven in Lochner et al.
Gebruik de Dektak-stylusprofiler om de filmdikte te meten. De film werd gesneden om een ​​monster in dwarsdoorsnede voor te bereiden voor onderzoek met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM). Het FEI Quanta 3D-veldemissiepistool (FEG) SEM wordt gebruikt om de structuur van het afgedrukte materiaal te karakteriseren film en bevestig de diktemeting. Het SEM-onderzoek werd uitgevoerd bij een versnellingsspanning van 20 keV en een typische werkafstand van 10 mm.
Gebruik een digitale multimeter om de DC-weerstand, spanning en stroom te meten. De AC-impedantie van inductoren, condensatoren en circuits wordt gemeten met behulp van de Agilent E4980 LCR-meter voor frequenties onder 1 MHz en de Agilent E5061A-netwerkanalysator wordt gebruikt voor het meten van frequenties boven 500 kHz. Gebruik de Tektronix TDS 5034-oscilloscoop voor het meten van de golfvorm van de spanningsregelaar.
Citatie voor dit artikel: Ostfeld, AE, enz. Zeefdruk van passieve componenten voor flexibele vermogenselektronica.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexibele elektronica: het volgende alomtegenwoordige platform.Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Een plek waar groepen mensen ontmoeten.Paper gepubliceerd op de Europese conferentie en tentoonstelling over ontwerp, automatisering en testen 2015, Grenoble, Frankrijk.San Jose, Californië: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 maart 2015) 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV-demonstrator anno domini 2011.Energy Environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC bedrukte piëzo-elektrische energieoogstapparaten. Geavanceerde energiematerialen.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-gedrukte platte dikke film thermo-elektrische energiegenerator.J. Micromechanica Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Een flexibele, geprinte batterij met hoog potentieel die wordt gebruikt om gedrukte elektronische apparaten van stroom te voorzien.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA De nieuwste ontwikkelingen op het gebied van gedrukte flexibele batterijen: mechanische uitdagingen, printtechnologie en toekomstperspectieven.Energietechnologie.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc. Een grootschalig detectiesysteem dat elektronische apparaten met een groot oppervlak en CMOS IC's combineert voor structurele gezondheidsmonitoring.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).