Aktualności

Dziękujemy za odwiedzenie Nature. Wersja przeglądarki, której używasz, obsługuje w ograniczonym zakresie CSS. Aby uzyskać najlepsze efekty, zalecamy użycie nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). Jednocześnie , aby zapewnić ciągłość wsparcia, będziemy wyświetlać witryny bez stylów i JavaScript.
Dodatki i procesy drukowania w niskich temperaturach umożliwiają integrację różnych energochłonnych i energochłonnych urządzeń elektronicznych na elastycznych podłożach przy niskich kosztach. Jednakże produkcja kompletnych systemów elektronicznych z tych urządzeń zwykle wymaga, aby urządzenia energoelektroniczne konwertowały pomiędzy różnymi napięciami roboczymi urządzenia. Elementy pasywne — cewki indukcyjne, kondensatory i rezystory — pełnią takie funkcje, jak filtrowanie, krótkotrwałe magazynowanie energii i pomiar napięcia, które są niezbędne w energoelektronice i wielu innych zastosowaniach. W tym artykule przedstawiamy cewki indukcyjne, kondensatory, rezystory i obwody RLC wydrukowane metodą sitodruku na elastycznych podłożach z tworzyw sztucznych oraz opisz proces projektowania mający na celu zminimalizowanie rezystancji szeregowej cewek, tak aby można je było stosować w urządzeniach energoelektronicznych. Wydrukowana cewka indukcyjna i rezystor są następnie włączane do obwodu regulatora doładowania. Produkcja organicznych diod elektroluminescencyjnych i elastycznych akumulatorów litowo-jonowych.Do zasilania diod z akumulatora wykorzystywane są regulatory napięcia, co pokazuje potencjał drukowanych elementów pasywnych w zastępowaniu tradycyjnych elementów do montażu powierzchniowego w zastosowaniach z przetwornicami DC-DC.
W ostatnich latach rozwinęło się zastosowanie różnych elastycznych urządzeń w produktach elektronicznych do noszenia i wielkopowierzchniowych oraz w Internecie rzeczy1,2. Należą do nich urządzenia do pozyskiwania energii, takie jak fotowoltaiczne 3, piezoelektryczne 4 i termoelektryczne 5;urządzenia do magazynowania energii, takie jak baterie 6, 7;oraz urządzenia energochłonne, takie jak czujniki 8, 9, 10, 11, 12 i źródła światła 13. Chociaż w zakresie poszczególnych źródeł energii i odbiorników poczyniono ogromne postępy, połączenie tych elementów w kompletny system elektroniczny zwykle wymaga od energoelektroniki przezwyciężyć wszelkie rozbieżności między zachowaniem zasilacza a wymaganiami obciążenia. Na przykład akumulator generuje napięcie zmienne w zależności od stanu naładowania. Jeśli obciążenie wymaga stałego napięcia lub wyższego niż napięcie, które może wygenerować akumulator, wymagane są energoelektroniki .Elektronika wykorzystuje elementy aktywne (tranzystory) do wykonywania funkcji przełączania i sterowania, a także elementy pasywne (cewki indukcyjne, kondensatory i rezystory). Na przykład w obwodzie regulatora przełączającego cewka służy do magazynowania energii podczas każdego cyklu przełączania , kondensator służy do zmniejszenia tętnienia napięcia, a pomiar napięcia wymagany do sterowania ze sprzężeniem zwrotnym odbywa się za pomocą dzielnika rezystorowego.
Urządzenia energoelektroniczne, które nadają się do noszenia (takie jak pulsoksymetr 9), wymagają kilku woltów i kilku miliamperów, zwykle działają w zakresie częstotliwości od setek kHz do kilku MHz i wymagają kilku μH i kilku μH indukcyjności, a pojemność μF wynosi 14. Tradycyjna metoda wytwarzania tych obwodów polega na lutowaniu dyskretnych elementów na sztywnej płytce drukowanej (PCB). Chociaż aktywne elementy obwodów energoelektronicznych są zwykle łączone w pojedynczy krzemowy układ scalony (IC), elementy pasywne są zwykle zewnętrzne, albo umożliwiające niestandardowe obwody, albo ponieważ wymagana indukcyjność i pojemność są zbyt duże, aby można je było zastosować w krzemie.
W porównaniu z tradycyjną technologią produkcji opartą na PCB, produkcja urządzeń i obwodów elektronicznych w procesie druku addytywnego ma wiele zalet pod względem prostoty i kosztów. Po pierwsze, ponieważ wiele elementów obwodu wymaga tych samych materiałów, np. metali na styki i wzajemnych połączeń, druk umożliwia jednoczesną produkcję wielu komponentów, przy stosunkowo niewielkiej liczbie etapów przetwarzania i mniejszej liczbie źródeł materiałów15. Zastosowanie procesów addytywnych w celu zastąpienia procesów subtraktywnych, takich jak fotolitografia i trawienie, dodatkowo zmniejsza złożoność procesu i straty materiałowe16, 17, 18 i 19. Ponadto niskie temperatury stosowane w druku są kompatybilne z elastycznymi i niedrogimi podłożami z tworzyw sztucznych, umożliwiając zastosowanie szybkich procesów produkcyjnych „z roli na rolę” do pokrycia urządzeń elektronicznych 16, 20 na dużych obszarach. Do zastosowań których nie można w pełni zrealizować przy użyciu elementów drukowanych, opracowano metody hybrydowe, w których elementy w technologii montażu powierzchniowego (SMT) są łączone z elastycznymi podłożami 21, 22, 23 obok drukowanych elementów w niskich temperaturach. W tym podejściu hybrydowym nadal konieczna jest wymiana jak największej liczby elementów SMT na drukowane odpowiedniki, aby uzyskać korzyści wynikające z dodatkowych procesów i zwiększyć ogólną elastyczność obwodu. Aby zrealizować elastyczną energoelektronikę, zaproponowaliśmy połączenie elementów aktywnych SMT i pasywnych drukowanych metodą sitodruku komponentów, ze szczególnym naciskiem na wymianę nieporęcznych cewek SMT na płaskie cewki spiralne. Spośród różnych technologii produkcji elektroniki drukowanej, sitodruk jest szczególnie odpowiedni dla elementów pasywnych ze względu na dużą grubość powłoki (która jest konieczna do zminimalizowania rezystancji szeregowej elementów metalowych ) i dużą prędkość druku, nawet przy pokrywaniu obszarów centymetrowych. Czasami to samo się zdarza. Materiał 24.
Należy minimalizować straty elementów pasywnych sprzętu energoelektronicznego, ponieważ sprawność obwodu bezpośrednio wpływa na ilość energii potrzebnej do zasilania układu. Jest to szczególnie trudne w przypadku drukowanych cewek składających się z długich cewek, które z tego powodu są podatne na wysokie wartości szeregowe Dlatego też, chociaż podjęto pewne wysiłki, aby zminimalizować rezystancję 25, 26, 27, 28 cewek drukowanych, nadal brakuje drukowanych elementów pasywnych o wysokiej wydajności do urządzeń energoelektronicznych. Do chwili obecnej wiele doniesień o drukowanych elementach pasywnych komponenty na elastycznych podłożach są zaprojektowane do pracy w obwodach rezonansowych w celu identyfikacji radiowej (RFID) lub gromadzenia energii 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Inne skupiają się na rozwoju materiałów lub procesów produkcyjnych i przedstawiają komponenty ogólne 26, 32, 33, 34, które nie są zoptymalizowane pod kątem konkretnych zastosowań. Natomiast obwody energoelektroniczne, takie jak regulatory napięcia, często wykorzystują większe elementy niż typowe drukowane urządzenia pasywne i nie wymagają rezonansu, dlatego wymagane są różne konstrukcje komponentów.
Tutaj przedstawiamy projektowanie i optymalizację induktorów sitodrukowych w zakresie μH w celu uzyskania najmniejszej rezystancji szeregowej i wysokiej wydajności przy częstotliwościach związanych z elektroniką mocy. Produkowane są sitodrukowane cewki, kondensatory i rezystory o różnych wartościach składowych na elastycznych podłożach z tworzyw sztucznych. Przydatność tych komponentów do elastycznych produktów elektronicznych po raz pierwszy zademonstrowano w prostym obwodzie RLC. Drukowana cewka indukcyjna i rezystor są następnie integrowane z układem scalonym, tworząc regulator wzmocnienia. Na koniec organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED ) i elastyczny akumulator litowo-jonowy, a do zasilania OLED-a z akumulatora służy regulator napięcia.
Aby zaprojektować drukowane cewki indukcyjne do energoelektroniki, najpierw przewidzieliśmy indukcyjność i rezystancję prądu stałego szeregu geometrii cewek w oparciu o bieżący model arkusza zaproponowany przez Mohana i in.35 oraz wyprodukowane cewki indukcyjne o różnej geometrii, aby potwierdzić dokładność modelu. W tej pracy wybrano okrągły kształt cewki, ponieważ wyższą indukcyjność 36 można uzyskać przy niższym oporze w porównaniu z geometrią wielokątną. Wpływ atramentu określa się rodzaj i liczbę cykli drukowania na rezystancji. Wyniki te wykorzystano następnie w modelu amperomierza do zaprojektowania cewek 4,7 μH i 7,8 μH zoptymalizowanych pod kątem minimalnej rezystancji prądu stałego.
Indukcyjność i rezystancję DC cewek spiralnych można opisać kilkoma parametrami: średnicą zewnętrzną do, szerokością zwojów w i odstępami s, liczbą zwojów n i rezystancją arkusza przewodnika Rsheet. Rysunek 1a przedstawia zdjęcie okrągłej cewki drukowanej metodą sitodruku gdzie n = 12, pokazujące parametry geometryczne określające jego indukcyjność. Zgodnie z modelem amperomierza Mohana i in.35, indukcyjność jest obliczana dla szeregu geometrii cewki indukcyjnej, gdzie
(a) Zdjęcie induktora wykonane metodą sitodruku przedstawiające parametry geometryczne. Średnica wynosi 3 cm. Indukcyjność (b) i rezystancja prądu stałego (c) dla różnych geometrii induktora. Linie i znaki odpowiadają odpowiednio wartościom obliczonym i zmierzonym. (d, e) Rezystancje prądu stałego cewek L1 i L2 są drukowane metodą sitodruku odpowiednio srebrnymi atramentami Dupont 5028 i 5064H. (f, g) Mikrografie SEM folii drukowane sitodrukiem odpowiednio Dupont 5028 i 5064H.
Przy wysokich częstotliwościach efekt naskórkowości i pojemność pasożytnicza zmienią rezystancję i indukcyjność cewki indukcyjnej zgodnie z jej wartością prądu stałego. Oczekuje się, że cewka indukcyjna będzie pracować z wystarczająco niską częstotliwością, aby efekty te były pomijalne, a urządzenie zachowuje się jak stała indukcyjność ze stałym oporem połączonym szeregowo. Dlatego w tej pracy przeanalizowaliśmy zależność pomiędzy parametrami geometrycznymi, indukcyjnością i rezystancją prądu stałego i na podstawie wyników otrzymaliśmy zadaną indukcyjność przy najmniejszej rezystancji prądu stałego.
Indukcyjność i rezystancja są obliczane dla szeregu parametrów geometrycznych, które można uzyskać za pomocą sitodruku i oczekuje się, że zostanie wygenerowana indukcyjność w zakresie μH. Średnice zewnętrzne 3 i 5 cm, szerokość linii 500 i 1000 mikronów i porównuje się różne zwoje. W obliczeniach przyjmuje się, że rezystancja arkusza wynosi 47 mΩ/□, co odpowiada warstwie przewodzącej wykonanej ze srebra Dupont 5028 w postaci mikropłatków o grubości 7 μm, wydrukowanej za pomocą siatki o oczkach 400 i ustawieniu w = s. obliczone wartości indukcyjności i rezystancji pokazano odpowiednio na rysunkach 1b i c. Model przewiduje, że zarówno indukcyjność, jak i rezystancja rosną wraz ze wzrostem średnicy zewnętrznej i liczby zwojów lub wraz ze spadkiem szerokości linii.
Aby ocenić dokładność przewidywań modelu, na podłożu z politereftalanu etylenu (PET) wyprodukowano cewki indukcyjne o różnej geometrii i indukcyjności. Zmierzone wartości indukcyjności i rezystancji pokazano na rysunkach 1b i c. Chociaż rezystancja wykazywała pewne odchylenie od wartości oczekiwanej, głównie ze względu na zmiany grubości i jednorodności osadzonego atramentu, indukcyjność wykazała bardzo dobrą zgodność z modelem.
Wyniki te można wykorzystać do zaprojektowania cewki indukcyjnej o wymaganej indukcyjności i minimalnej rezystancji prądu stałego. Załóżmy na przykład, że wymagana jest indukcyjność 2 μH. Rysunek 1b pokazuje, że tę indukcyjność można uzyskać przy średnicy zewnętrznej 3 cm i szerokości linii 500 μm i 10 zwojów. Tę samą indukcyjność można również wygenerować przy użyciu średnicy zewnętrznej 5 cm, szerokości linii 500 μm i 5 zwojów lub szerokości linii 1000 μm i 7 zwojów (jak pokazano na rysunku). Porównanie rezystancji tych trzech możliwych geometrii na rysunku 1c można stwierdzić, że najniższa rezystancja cewki indukcyjnej o średnicy 5 cm i szerokości linii 1000 µm wynosi 34 Ω, czyli o około 40% mniej niż w przypadku pozostałych dwóch. Ogólny proces projektowania mający na celu osiągnięcie danej indukcyjności o minimalnym oporze można podsumować w następujący sposób: Najpierw należy wybrać maksymalną dopuszczalną średnicę zewnętrzną zgodnie z ograniczeniami przestrzennymi narzuconymi przez aplikację. Następnie szerokość linii powinna być tak duża, jak to możliwe, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej indukcyjności, aby uzyskać wysoki współczynnik wypełnienia (Równanie (3)).
Zwiększając grubość lub stosując materiał o wyższej przewodności w celu zmniejszenia rezystancji folii metalowej, rezystancję prądu stałego można jeszcze bardziej zmniejszyć bez wpływu na indukcyjność. Dwie cewki indukcyjne, których parametry geometryczne podano w tabeli 1, zwane L1 i L2, są produkowane z różną liczbą powłok w celu oceny zmiany rezystancji. Wraz ze wzrostem liczby powłok atramentowych oporność maleje proporcjonalnie zgodnie z oczekiwaniami, jak pokazano na rysunkach 1d i e, które są odpowiednio cewkami indukcyjnymi L1 i L2. Rysunki 1d i e pokazują, że nakładając 6 warstw powłoki, można zmniejszyć opór nawet 6-krotnie, a maksymalne zmniejszenie oporu (50-65%) występuje pomiędzy warstwą 1 i warstwą 2. Ponieważ każda warstwa atramentu jest stosunkowo cienka, Do drukowania tych cewek stosuje się ekran o stosunkowo małej siatce (400 linii na cal), co pozwala na badanie wpływu grubości przewodnika na rezystancję. Dopóki cechy wzoru pozostają większe niż minimalna rozdzielczość siatki, podobną grubość (i rezystancję) można osiągnąć szybciej, drukując mniejszą liczbę powłok z większym rozmiarem siatki. Metodę tę można zastosować do uzyskania tej samej rezystancji DC, co omawiana tutaj cewka z 6 powłokami, ale przy większej szybkości produkcji.
Rysunki 1d i e pokazują również, że dzięki zastosowaniu bardziej przewodzącego atramentu DuPont 5064H w postaci płatków srebra opór zmniejsza się dwukrotnie. Z mikrofotografii SEM folii zadrukowanych dwoma tuszami (rysunek 1f, g) można zaobserwowano, że niższa przewodność atramentu 5028 wynika z jego mniejszego rozmiaru cząstek i obecności wielu pustych przestrzeni pomiędzy cząsteczkami w zadrukowanej folii. Z drugiej strony atrament 5064H ma większe, bliżej ułożone płatki, dzięki czemu zachowuje się bardziej objętościowo srebro. Chociaż folia wytworzona tym tuszem jest cieńsza niż tusz 5028, składa się z pojedynczej warstwy o grubości 4 μm i 6 warstw o ​​grubości 22 μm, wzrost przewodności jest wystarczający, aby zmniejszyć całkowity opór.
Wreszcie, chociaż indukcyjność (równanie (1)) zależy od liczby zwojów (w + s), rezystancja (równanie (5)) zależy tylko od szerokości linii w. Dlatego zwiększając w względem s, rezystancja można jeszcze bardziej zredukować. Dwie dodatkowe cewki L3 i L4 zaprojektowano tak, aby miały w = 2s i dużą średnicę zewnętrzną, jak pokazano w tabeli 1. Cewki te są produkowane z 6 warstwami powłoki DuPont 5064H, jak pokazano wcześniej, w celu zapewnienia najwyższa wydajność. Indukcyjność L3 wynosi 4,720 ± 0,002 μH, a rezystancja 4,9 ± 0,1 Ω, podczas gdy indukcyjność L4 wynosi 7,839 ± 0,005 μH i 6,9 ± 0,1 Ω, co dobrze zgadza się z przewidywaniami modelu. wzrost grubości, przewodności i w/s, oznacza to, że stosunek L/R wzrósł o ponad rząd wielkości w stosunku do wartości na rysunku 1.
Chociaż niska rezystancja prądu stałego jest obiecująca, ocena przydatności cewek indukcyjnych do sprzętu energoelektronicznego pracującego w zakresie kHz-MHz wymaga scharakteryzowania przy częstotliwościach prądu przemiennego. Rysunek 2a pokazuje zależność częstotliwościową rezystancji i reaktancji L3 i L4. Dla częstotliwości poniżej 10 MHz , rezystancja pozostaje w przybliżeniu stała przy wartości prądu stałego, podczas gdy reaktancja rośnie liniowo wraz z częstotliwością, co oznacza, że ​​indukcyjność jest stała zgodnie z oczekiwaniami. Częstotliwość rezonansu własnego definiuje się jako częstotliwość, przy której impedancja zmienia się z indukcyjnej na pojemnościową, przy czym L3 wynosi 35,6 ± 0,3 MHz, a L4 wynosi 24,3 ± 0,6 MHz. Zależność częstotliwościową współczynnika jakości Q (równą ωL/R) pokazano na rysunku 2b. L3 i L4 osiągają maksymalne współczynniki jakości 35 ± 1 i 33 ± 1 przy częstotliwościach odpowiednio 11 i 16 MHz. Indukcyjność rzędu kilku μH i stosunkowo wysokie Q przy częstotliwościach MHz sprawiają, że cewki te wystarczą do zastąpienia tradycyjnych cewek do montażu powierzchniowego w przetwornicach DC-DC małej mocy.
Zmierzona rezystancja R i reaktancja X (a) oraz współczynnik jakości Q (b) cewek indukcyjnych L3 i L4 są powiązane z częstotliwością.
Aby zminimalizować powierzchnię wymaganą dla danej pojemności, najlepiej zastosować technologię kondensatorów o dużej pojemności właściwej, która jest równa stałej dielektrycznej ε podzielonej przez grubość dielektryka. W tej pracy wybraliśmy kompozyt tytanianu baru jako dielektryk, ponieważ ma wyższy epsilon niż inne dielektryki organiczne przetwarzane w roztworze. Warstwa dielektryczna jest drukowana metodą sitodruku pomiędzy dwoma srebrnymi przewodnikami, tworząc strukturę metal-dielektryk-metal. Kondensatory o różnych rozmiarach w centymetrach, jak pokazano na rysunku 3a , są produkowane przy użyciu dwóch lub trzech warstw tuszu dielektrycznego, aby zachować dobrą wydajność. Rysunek 3b przedstawia mikrografię SEM przekroju poprzecznego reprezentatywnego kondensatora wykonanego z dwóch warstw dielektryka, o całkowitej grubości dielektryka wynoszącej 21 μm. Elektrody górna i dolna są odpowiednio jednowarstwowe i sześciowarstwowe 5064H. Cząsteczki tytanianu baru wielkości mikronów są widoczne na obrazie SEM, ponieważ jaśniejsze obszary są otoczone ciemniejszym spoiwem organicznym. Atrament dielektryczny dobrze zwilża dolną elektrodę i tworzy wyraźną granicę międzyfazową z zadrukowana folia metalowa, jak pokazano na ilustracji przy większym powiększeniu.
(a) Zdjęcie kondensatora z pięcioma różnymi obszarami. (b) Mikrofotografia SEM przekrojowa kondensatora z dwiema warstwami dielektryka, przedstawiająca dielektryk z tytanianu baru i elektrody srebrne. (c) Pojemność kondensatorów z 2 i 3 tytanianem baru warstwy dielektryczne i różne obszary, mierzone przy częstotliwości 1 MHz. d) Zależność pomiędzy pojemnością, ESR i współczynnikiem strat kondensatora o powierzchni 2,25 cm2 z 2 warstwami dielektryka i częstotliwością.
Pojemność jest proporcjonalna do oczekiwanej powierzchni.Jak pokazano na rysunku 3c, pojemność właściwa dielektryka dwuwarstwowego wynosi 0,53 nF/cm2, a pojemność właściwa dielektryka trójwarstwowego wynosi 0,33 nF/cm2. Wartości te odpowiadają stałej dielektrycznej wynoszącej 13. pojemność i współczynnik rozproszenia (DF) zmierzono także przy różnych częstotliwościach, jak pokazano na rysunku 3d, dla kondensatora o powierzchni 2,25 cm2 z dwiema warstwami dielektryka. Stwierdziliśmy, że pojemność w interesującym zakresie częstotliwości była stosunkowo płaska i zwiększała się o 20% od 1 do 10 MHz, w tym samym zakresie, DF wzrósł z 0,013 do 0,023. Ponieważ współczynnik rozproszenia jest stosunkiem strat energii do energii zmagazynowanej w każdym cyklu prądu przemiennego, DF wynoszący 0,02 oznacza, że ​​2% obsługiwanej mocy przez kondensator jest zużywany. Stratę tę wyraża się zwykle jako zależną od częstotliwości równoważną rezystancję szeregową (ESR) połączoną szeregowo z kondensatorem, równą DF/ωC. Jak pokazano na rysunku 3d, dla częstotliwości większych niż 1 MHz, ESR jest niższy niż 1,5 Ω, a dla częstotliwości większych niż 4 MHz ESR jest niższy niż 0,5 Ω. Pomimo zastosowania tej technologii kondensatorów, kondensatory klasy μF wymagane w przetwornicach DC-DC wymagają bardzo dużej powierzchni, ale 100 pF- Zakres pojemności nF i niskie straty tych kondensatorów sprawiają, że nadają się one do innych zastosowań, takich jak filtry i obwody rezonansowe. W celu zwiększenia pojemności można zastosować różne metody. Wyższa stała dielektryczna zwiększa pojemność właściwą 37;można to osiągnąć na przykład poprzez zwiększenie stężenia cząstek tytanianu baru w tuszu. Można zastosować mniejszą grubość dielektryka, chociaż wymaga to dolnej elektrody o mniejszej chropowatości niż płatki srebra drukowane metodą sitodruku. Cieńszy kondensator o niższej chropowatości warstwy można nakładać za pomocą druku atramentowego 31 lub druku wklęsłego 10, co można połączyć z procesem sitodruku. Wreszcie, wiele naprzemiennych warstw metalu i dielektryka można układać w stosy, drukować i łączyć równolegle, zwiększając w ten sposób pojemność 34 na jednostkę powierzchni .
Dzielnik napięcia składający się z pary rezystorów jest zwykle używany do pomiaru napięcia wymaganego do sterowania regulatorem napięcia ze sprzężeniem zwrotnym. W tego typu zastosowaniach rezystancja drukowanego rezystora powinna mieścić się w zakresie kΩ-MΩ, a różnica między urządzenia są małe. Tutaj stwierdzono, że rezystancja arkusza jednowarstwowego sitodrukowego atramentu węglowego wynosiła 900 Ω/□. Informacje te wykorzystano do zaprojektowania dwóch rezystorów liniowych (R1 i R2) oraz rezystora serpentynowego (R3 ) o rezystancjach nominalnych 10 kΩ, 100 kΩ i 1,5 MΩ. Rezystancję pomiędzy wartościami nominalnymi uzyskuje się poprzez wydrukowanie dwóch lub trzech warstw atramentu, jak pokazano na rysunku 4, i zdjęcia trzech rezystancji. Wykonaj 8- 12 próbek każdego typu;we wszystkich przypadkach odchylenie standardowe rezystancji wynosi 10% lub mniej. Zmiana rezystancji próbek z dwiema lub trzema warstwami powłoki jest zwykle nieco mniejsza niż próbek z jedną warstwą powłoki. Niewielka zmiana zmierzonej rezystancji a ścisła zgodność z wartością nominalną wskazuje, że inne rezystancje w tym zakresie można bezpośrednio uzyskać modyfikując geometrię rezystora.
Trzy różne geometrie rezystorów z różną liczbą powłok atramentowych odpornych na węgiel. Zdjęcia trzech rezystorów pokazano po prawej stronie.
Obwody RLC to klasyczne, podręcznikowe przykłady kombinacji rezystorów, cewek i kondensatorów, stosowane do demonstracji i weryfikacji zachowania elementów pasywnych zintegrowanych z rzeczywistymi obwodami drukowanymi. W tym obwodzie cewka indukcyjna 8 μH i kondensator 0,8 nF są połączone szeregowo, a Równolegle do nich podłączony jest rezystor 25 kΩ. Zdjęcie elastycznego obwodu pokazano na rysunku 5a. Powodem wyboru tej specjalnej kombinacji szeregowo-równoległej jest to, że jej zachowanie jest określone przez każdą z trzech różnych składowych częstotliwości, tak że wydajność każdego elementu można wyróżnić i ocenić. Uwzględniając rezystancję szeregową 7 Ω cewki indukcyjnej i 1,3 Ω ESR kondensatora, obliczono oczekiwaną charakterystykę częstotliwościową obwodu. Schemat obwodu pokazano na rysunku 5b, a obliczoną amplitudę i fazę impedancji oraz zmierzone wartości pokazano na rysunkach 5c i d. Przy niskich częstotliwościach wysoka impedancja kondensatora oznacza, że ​​o zachowaniu obwodu decyduje rezystor 25 kΩ. Wraz ze wzrostem częstotliwości impedancja ścieżka LC maleje;zachowanie całego obwodu ma charakter pojemnościowy do momentu, gdy częstotliwość rezonansowa wyniesie 2,0 MHz. Powyżej częstotliwości rezonansowej dominuje impedancja indukcyjna. Rysunek 5 wyraźnie pokazuje doskonałą zgodność pomiędzy wartościami obliczonymi i zmierzonymi w całym zakresie częstotliwości. Oznacza to, że zastosowany model tutaj (gdzie cewki indukcyjne i kondensatory są idealnymi komponentami z rezystancją szeregową) jest dokładny w przewidywaniu zachowania obwodu przy tych częstotliwościach.
(a) Zdjęcie wydrukowanego metodą sitodruku obwodu RLC, w którym zastosowano szeregową kombinację cewki indukcyjnej 8 μH i kondensatora 0,8 nF równolegle z rezystorem 25 kΩ. (b) Model obwodu obejmujący rezystancję szeregową cewki indukcyjnej i kondensatora. (c ,d) Amplituda impedancji (c) i faza (d) obwodu.
Na koniec w regulatorze podwyższenia zaimplementowano drukowane cewki indukcyjne i rezystory. Układ scalony zastosowany w tej demonstracji to Microchip MCP1640B14, który jest synchronicznym regulatorem podwyższenia opartym na PWM i częstotliwością roboczą 500 kHz. Schemat obwodu pokazano na rysunku 6a.A Cewka indukcyjna 4,7 μH i dwa kondensatory (4,7 μF i 10 μF) służą jako elementy magazynujące energię, a para rezystorów służy do pomiaru napięcia wyjściowego sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. Wybierz wartość rezystancji, aby dostosować napięcie wyjściowe do 5 V. Obwód jest wykonany na płytce PCB, a jego działanie mierzone jest w zakresie rezystancji obciążenia i zakresu napięcia wejściowego od 3 do 4 V, co symuluje akumulator litowo-jonowy w różnych stanach ładowania. Sprawność drukowanych cewek i rezystorów jest porównywana z wydajność cewek i rezystorów SMT. Kondensatory SMT są stosowane we wszystkich przypadkach, ponieważ pojemność wymagana w tym zastosowaniu jest zbyt duża, aby można ją było uzupełnić kondensatorami drukowanymi.
(a) Schemat obwodu stabilizującego napięcie.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw oraz (d) Przebiegi prądu płynącego przez cewkę indukcyjną, napięcie wejściowe wynosi 4,0 V, rezystancja obciążenia 1 kΩ, a do pomiaru używa się drukowanej cewki indukcyjnej. Do pomiaru używa się rezystorów i kondensatorów do montażu powierzchniowego. (e) Dla różnych rezystancji obciążenia i napięć wejściowych, wydajność obwodów regulatorów napięcia wykorzystujących wszystkie elementy do montażu powierzchniowego oraz drukowane cewki indukcyjne i rezystory. (f ) Współczynnik wydajności montażu powierzchniowego i obwodu drukowanego pokazany w (e).
Dla napięcia wejściowego 4,0 V i rezystancji obciążenia 1000 Ω przebiegi zmierzone za pomocą drukowanych cewek pokazano na rysunku 6b-d. Rysunek 6c przedstawia napięcie na zacisku Vsw układu scalonego;napięcie cewki wynosi Vin-Vsw. Rysunek 6d przedstawia prąd płynący do cewki. Sprawność obwodu z SMT i elementami drukowanymi pokazano na rysunku 6e jako funkcję napięcia wejściowego i rezystancji obciążenia, a rysunek 6f pokazuje współczynnik sprawności elementów drukowanych do elementów SMT. Sprawność mierzona przy użyciu elementów SMT jest zbliżona do wartości oczekiwanej podanej w karcie katalogowej producenta 14. Przy dużym prądzie wejściowym (niska rezystancja obciążenia i niskie napięcie wejściowe) sprawność drukowanych cewek jest znacznie niższa niż w przypadku cewek SMT ze względu na wyższą rezystancję szeregową. Jednakże przy wyższym napięciu wejściowym i wyższym prądzie wyjściowym utrata rezystancji staje się mniej istotna, a wydajność cewek drukowanych zaczyna zbliżać się do parametrów cewek SMT. Dla rezystancji obciążenia > 500 Ω i Vin = 4,0 V lub >750 Ω i Vin = 3,5 V, sprawność cewek drukowanych jest większa niż 85% cewek SMT.
Porównanie przebiegu prądu na rysunku 6d ze zmierzoną stratą mocy pokazuje, że zgodnie z oczekiwaniami, utrata rezystancji w cewce jest główną przyczyną różnicy w wydajności pomiędzy obwodem drukowanym a obwodem SMT. Moc wejściowa i wyjściowa mierzona przy napięciu 4,0 V napięcie wejściowe i rezystancja obciążenia 1000 Ω wynoszą 30,4 mW i 25,8 mW dla obwodów z elementami SMT oraz 33,1 mW i 25,2 mW dla obwodów z elementami drukowanymi. Zatem strata obwodu drukowanego wynosi 7,9 mW, czyli jest o 3,4 mW większa niż obwód z elementami SMT. Prąd cewki RMS obliczony z przebiegu na rysunku 6d wynosi 25,6 mA.Ponieważ jego rezystancja szeregowa wynosi 4,9 Ω, oczekiwana strata mocy wynosi 3,2 mW. Stanowi to 96% zmierzonej różnicy mocy prądu stałego wynoszącej 3,4 mW. Ponadto obwód jest produkowany z drukowanymi cewkami indukcyjnymi i drukowanymi rezystorami oraz drukowanymi cewkami indukcyjnymi i rezystorami SMT, oraz nie obserwuje się między nimi istotnej różnicy w wydajności.
Następnie regulator napięcia jest wytwarzany na elastycznej płytce drukowanej (drukowanie obwodu i wydajność komponentów SMT pokazano na rysunku uzupełniającym S1) i podłączany pomiędzy elastyczną baterią litowo-jonową jako źródłem zasilania a matrycą OLED jako obciążeniem.Według Lochnera i in.9 Do produkcji diod OLED każdy piksel OLED zużywa 0,6 mA przy napięciu 5 V. Bateria wykorzystuje tlenek litu, kobaltu i grafit jako odpowiednio katodę i anodę i jest wytwarzana metodą powlekania raklami, co jest najpopularniejszą metodą drukowania na bateriach.7 pojemność akumulatora wynosi 16mAh, a napięcie podczas testu wynosi 4,0V. Rysunek 7 przedstawia zdjęcie obwodu na elastycznej płytce PCB, zasilającego trzy połączone równolegle piksele OLED. Demonstracja pokazała potencjał drukowanych elementów zasilających do integracji z innymi elastyczne i organiczne urządzenia, tworząc bardziej złożone systemy elektroniczne.
Zdjęcie obwodu regulatora napięcia na elastycznej płytce PCB z wykorzystaniem drukowanych cewek i rezystorów oraz elastycznych akumulatorów litowo-jonowych do zasilania trzech organicznych diod LED.
Pokazaliśmy sitodrukowane cewki, kondensatory i rezystory o różnym zakresie wartości na elastycznych podłożach PET, w celu zastąpienia elementów do montażu powierzchniowego w sprzęcie energoelektronicznym. Pokazaliśmy, że projektując spiralę o dużej średnicy, szybkość napełniania i stosunku szerokości linii do szerokości odstępu oraz przy użyciu grubej warstwy atramentu o niskiej rezystancji. Elementy te są zintegrowane w całkowicie wydrukowanym i elastycznym obwodzie RLC i wykazują przewidywalne zachowanie elektryczne w zakresie częstotliwości kHz-MHz, który jest największy zainteresowanie energoelektroniką.
Typowe przypadki użycia drukowanych urządzeń energoelektronicznych to elastyczne systemy elektroniczne do noszenia lub zintegrowane z produktem, zasilane elastycznymi akumulatorami (takimi jak litowo-jonowe), które mogą generować napięcia zmienne w zależności od stanu naładowania. Jeżeli obciążenie (w tym drukowanie i organiczny sprzęt elektroniczny) wymaga stałego napięcia lub wyższego niż napięcie wyjściowe akumulatora, wymagany jest regulator napięcia. Z tego powodu drukowane cewki i rezystory są zintegrowane z tradycyjnymi krzemowymi układami scalonymi w regulator doładowania, aby zasilać diodę OLED stałym napięciem 5 V z zasilacza akumulatorowego o zmiennym napięciu. W pewnym zakresie prądu obciążenia i napięcia wejściowego sprawność tego obwodu przekracza 85% sprawności obwodu sterującego wykorzystującego cewki i rezystory do montażu powierzchniowego. Pomimo optymalizacji materiałowych i geometrycznych, straty rezystancyjne w cewce są nadal czynnikiem ograniczającym wydajność obwodu przy wysokich poziomach prądu (prąd wejściowy większy niż około 10 mA). Jednakże przy niższych prądach straty w cewce są zmniejszone, a ogólna wydajność jest ograniczona przez wydajność układu scalonego. Ponieważ wiele urządzeń drukowanych i organicznych wymaga stosunkowo niskich prądów, takich jak małe diody OLED użyte w naszej demonstracji, drukowane cewki indukcyjne można uznać za odpowiednie do takich zastosowań. Dzięki zastosowaniu układów scalonych zaprojektowanych tak, aby miały najwyższą wydajność przy niższych poziomach prądu, można osiągnąć wyższą ogólną wydajność konwertera.
W tej pracy regulator napięcia zbudowany jest w oparciu o tradycyjną płytkę drukowaną, elastyczną płytkę drukowaną i technologię lutowania elementów do montażu powierzchniowego, natomiast element drukowany jest wytwarzany na osobnym podłożu. Jednakże tusze o niskiej temperaturze i wysokiej lepkości użyte do produkcji ekranów zadrukowane folie powinny umożliwiać drukowanie elementów pasywnych, a także połączeń między urządzeniem a polami stykowymi elementów do montażu powierzchniowego na dowolnym podłożu. To, w połączeniu z wykorzystaniem istniejących niskotemperaturowych klejów przewodzących do elementów do montażu powierzchniowego, umożliwi cały obwód można zbudować na niedrogich podłożach (takich jak PET) bez konieczności stosowania procesów subtraktywnych, takich jak trawienie PCB. Dlatego opracowane w tej pracy elementy pasywne wykonane metodą sitodruku pomagają utorować drogę elastycznym systemom elektronicznym integrującym energię i obciążenia z wysokowydajną elektroniką mocy, przy użyciu niedrogich podłoży, głównie procesów addytywnych i minimalnej liczby elementów do montażu powierzchniowego.
Przy użyciu drukarki sitowej Asys ASP01M i ekranu ze stali nierdzewnej dostarczonej przez firmę Dynamesh Inc. wszystkie warstwy elementów pasywnych zostały wydrukowane metodą sitodruku na elastycznym podłożu PET o grubości 76 μm. Rozmiar oczek warstwy metalowej wynosi 400 linii na cal i 250 linii na cal dla warstwy dielektrycznej i warstwy oporowej. Użyj ściągaczki o sile 55 N, prędkości drukowania 60 mm/s, odległości łamania 1,5 mm i rakli Serilor o twardości 65 (do metalu i materiałów rezystancyjnych warstw) lub 75 (w przypadku warstw dielektrycznych) w przypadku sitodruku.
Warstwy przewodzące — cewki indukcyjne oraz styki kondensatorów i rezystorów — są zadrukowane srebrnym tuszem mikropłatkowym DuPont 5082 lub DuPont 5064H. Rezystor jest zadrukowany przewodnikiem węglowym DuPont 7082. Jako dielektryk kondensatora stosuje się dielektryk tytanianu baru BT-101. Każda warstwa dielektryka jest wytwarzana przy użyciu dwuprzebiegowego cyklu drukowania (na mokro) w celu poprawy jednorodności folii. Dla każdego składnika zbadano wpływ wielokrotnych cykli drukowania na wydajność i zmienność elementu. Próbki wykonane z wielokrotne powłoki tego samego materiału suszono w temperaturze 70°C przez 2 minuty pomiędzy warstwami. Po nałożeniu ostatniej warstwy każdego materiału próbki wypalano w temperaturze 140°C przez 10 minut, aby zapewnić całkowite wyschnięcie. Funkcja automatycznego wyrównywania ekranu drukarka służy do wyrównywania kolejnych warstw. Kontakt ze środkiem induktora uzyskuje się poprzez wycięcie otworu przelotowego w podkładce środkowej i wydrukowanie śladów na tylnej stronie podłoża farbą DuPont 5064H. Połączenie między urządzeniami drukującymi również wykorzystuje Dupont Druk szablonowy 5064H. Aby wyświetlić drukowane komponenty i komponenty SMT na elastycznej płytce drukowanej pokazanej na rysunku 7, drukowane komponenty są łączone przy użyciu przewodzącej żywicy epoksydowej Circuit Works CW2400, a komponenty SMT są łączone tradycyjnym lutowaniem.
Jako katodę i anodę akumulatora stosowane są odpowiednio elektrody z tlenku litu i kobaltu (LCO) oraz na bazie grafitu. Zawiesina katodowa jest mieszaniną 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafitu (KS6, Timcal), 2,5 % sadzy (Super P, Timcal) i 10% polifluorku winylidenu (PVDF, Kureha Corp.).) Anoda jest mieszaniną 84% wag. grafitu, 4% wag. sadzy i 13% wag. PVDF. Do rozpuszczenia spoiwa PVDF i zdyspergowania zawiesiny stosuje się N-metylo-2-pirolidon (NMP, Sigma Aldrich). mieszanie w mieszalniku wirowym przez noc. Folia ze stali nierdzewnej o grubości 0,0005 cala i folia niklowa o grubości 10 μm służą jako kolektory prądu odpowiednio dla katody i anody. Atrament jest drukowany na kolektorze prądu za pomocą rakla z szybkością drukowania 20 mm/s. Podgrzewaj elektrodę w piekarniku w temperaturze 80 °C przez 2 godziny, aby usunąć rozpuszczalnik. Wysokość elektrody po wysuszeniu wynosi około 60 μm, a w oparciu o masę materiału aktywnego teoretyczna pojemność wynosi 1,65 mAh /cm2. Elektrody pocięto na kawałki o wymiarach 1,3 × 1,3 cm2 i ogrzewano w piecu próżniowym w temperaturze 140°C przez noc, a następnie zamknięto je w workach z laminatu aluminiowego w komorze rękawicowej wypełnionej azotem. Roztwór polipropylenowej folii bazowej z anoda i katoda oraz 1M LiPF6 w EC/DEC (1:1) są stosowane jako elektrolit akumulatora.
Zielony OLED składa się z poli(9,9-dioktylofluoreno-ko-n-(4-butylofenylo)-difenyloaminy) (TFB) i poli((9,9-dioktylofluoreno-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol- 4,8-diyl)) (F8BT) zgodnie z procedurą opisaną w Lochner i wsp. 9.
Do pomiaru grubości folii użyj profilera rysikowego Dektak. Folię pocięto w celu przygotowania próbki przekroju poprzecznego do badania za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Działo emisyjne pola FEI Quanta 3D (FEG) SEM służy do charakteryzowania struktury drukowanego materiału folii i potwierdzić pomiar grubości. Badania SEM przeprowadzono przy napięciu przyspieszającym 20 keV i typowej odległości roboczej 10 mm.
Do pomiaru rezystancji, napięcia i prądu prądu stałego użyj multimetru cyfrowego. Impedancję prądu przemiennego cewek, kondensatorów i obwodów mierzy się za pomocą miernika Agilent E4980 LCR dla częstotliwości poniżej 1 MHz, a analizator sieci Agilent E5061A służy do pomiaru częstotliwości powyżej 500 kHz. Użyj miernika Oscyloskop Tektronix TDS 5034 do pomiaru kształtu fali regulatora napięcia.
Jak cytować ten artykuł: Ostfeld, AE itp. Elementy pasywne do sitodruku do elastycznego sprzętu elektronicznego mocy.science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. i in. Elastyczna elektronika: kolejna wszechobecna platforma. Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: miejsce, w którym grupy spotykają się z ludźmi. Artykuł opublikowany podczas Europejskiej Konferencji i Wystawy poświęconej projektowaniu, automatyzacji i testowaniu w 2015 r., Grenoble, Francja. San Jose, Kalifornia: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 marca – 13).
Krebs, FC itp. Demonstrator OE-A OPV anno domini 2011. Środowisko energetyczne.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK i Hübler, piezoelektryczne urządzenia do gromadzenia energii drukowane prądem przemiennym. Zaawansowane materiały energetyczne.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generator energii termoelektrycznej o płaskiej, grubej folii z nadrukiem dyspenserowym.J.Mikromechanika Mikroinżynieria 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Elastyczna drukowana bateria o wysokim potencjale używana do zasilania drukowanych urządzeń elektronicznych. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC i Steingart, DA Najnowsze osiągnięcia w drukowanych elastycznych bateriach: wyzwania mechaniczne, technologia drukowania i perspektywy na przyszłość. Technologia energetyczna.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. itp. Wielkoskalowy system wykrywania, który łączy w sobie urządzenia elektroniczne o dużej powierzchni i układy scalone CMOS do monitorowania stanu konstrukcji.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).