νέα

Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη για CSS. Για την καλύτερη εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε μια νεότερη έκδοση του προγράμματος περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Ταυτόχρονα , για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα εμφανίζουμε ιστότοπους χωρίς στυλ και JavaScript.
Τα πρόσθετα και οι διαδικασίες εκτύπωσης χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να ενσωματώσουν διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές που καταναλώνουν και κατανάλωση ενέργειας σε εύκαμπτα υποστρώματα με χαμηλό κόστος. Ωστόσο, η παραγωγή πλήρων ηλεκτρονικών συστημάτων από αυτές τις συσκευές συνήθως απαιτεί ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος για τη μετατροπή μεταξύ των διαφόρων τάσεων λειτουργίας Οι συσκευές. Τα παθητικά εξαρτήματα —επαγωγείς, πυκνωτές και αντιστάσεις— εκτελούν λειτουργίες όπως φιλτράρισμα, βραχυπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας και μέτρηση τάσης, που είναι απαραίτητες στα ηλεκτρονικά ισχύος και σε πολλές άλλες εφαρμογές. Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζουμε επαγωγείς, πυκνωτές, αντιστάσεις και κυκλώματα RLC τυπώνονται με οθόνη σε εύκαμπτα πλαστικά υποστρώματα και αναφέρουν τη διαδικασία σχεδιασμού για την ελαχιστοποίηση της αντίστασης σειράς των επαγωγέων έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος. Το τυπωμένο επαγωγέα και η αντίσταση ενσωματώνονται στη συνέχεια στο κύκλωμα ρυθμιστή ενίσχυσης. Κατασκευή από οργανικές διόδους εκπομπής φωτός και εύκαμπτες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι ρυθμιστές τάσης χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των διόδων από την μπαταρία, αποδεικνύοντας τη δυνατότητα των τυπωμένων παθητικών εξαρτημάτων να αντικαταστήσουν τα παραδοσιακά εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης σε εφαρμογές μετατροπέων DC-DC.
Τα τελευταία χρόνια, έχει αναπτυχθεί η εφαρμογή διαφόρων ευέλικτων συσκευών σε φορετά και μεγάλης περιοχής ηλεκτρονικά προϊόντα και το Internet of Things1,2. Αυτές περιλαμβάνουν συσκευές συλλογής ενέργειας, όπως φωτοβολταϊκά 3, πιεζοηλεκτρικά 4 και θερμοηλεκτρικά 5. συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, όπως μπαταρίες 6, 7. και συσκευές που καταναλώνουν ενέργεια, όπως αισθητήρες 8, 9, 10, 11, 12 και πηγές φωτός. να ξεπεραστεί οποιαδήποτε αναντιστοιχία μεταξύ της συμπεριφοράς του τροφοδοτικού και των απαιτήσεων φορτίου. Για παράδειγμα, μια μπαταρία παράγει μια μεταβλητή τάση ανάλογα με την κατάσταση φόρτισής της. Εάν το φορτίο απαιτεί σταθερή τάση ή υψηλότερη από την τάση που μπορεί να παράγει η μπαταρία, απαιτούνται ηλεκτρονικά ηλεκτρικά .Τα ηλεκτρονικά ισχύος χρησιμοποιούν ενεργά εξαρτήματα (τρανζίστορ) για την εκτέλεση λειτουργιών μεταγωγής και ελέγχου, καθώς και παθητικά εξαρτήματα (επαγωγείς, πυκνωτές και αντιστάσεις). Για παράδειγμα, σε ένα κύκλωμα ρυθμιστή μεταγωγής, χρησιμοποιείται ένας επαγωγέας για την αποθήκευση ενέργειας κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου μεταγωγής , ένας πυκνωτής χρησιμοποιείται για τη μείωση του κυματισμού τάσης και η μέτρηση της τάσης που απαιτείται για τον έλεγχο της ανάδρασης γίνεται με τη χρήση ενός διαιρέτη αντίστασης.
Οι ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος που είναι κατάλληλες για φορητές συσκευές (όπως το παλμικό οξύμετρο 9) απαιτούν αρκετά βολτ και αρκετά milliamp, συνήθως λειτουργούν στην περιοχή συχνοτήτων από εκατοντάδες kHz έως αρκετά MHz και απαιτούν αρκετά μH και αρκετά μH επαγωγή και Η χωρητικότητα μF είναι 14 αντίστοιχα. Η παραδοσιακή μέθοδος κατασκευής αυτών των κυκλωμάτων είναι η συγκόλληση διακριτών εξαρτημάτων σε μια άκαμπτη πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Αν και τα ενεργά συστατικά των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων ισχύος συνήθως συνδυάζονται σε ένα ενιαίο ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου (IC), τα παθητικά στοιχεία είναι συνήθως εξωτερικό, είτε επιτρέποντας προσαρμοσμένα κυκλώματα είτε επειδή η απαιτούμενη αυτεπαγωγή και χωρητικότητα είναι πολύ μεγάλες για να εφαρμοστούν σε πυρίτιο.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή τεχνολογία κατασκευής που βασίζεται σε PCB, η κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών και κυκλωμάτων μέσω της διαδικασίας πρόσθετης εκτύπωσης έχει πολλά πλεονεκτήματα όσον αφορά την απλότητα και το κόστος. Πρώτον, επειδή πολλά στοιχεία του κυκλώματος απαιτούν τα ίδια υλικά, όπως μέταλλα για επαφές και διασυνδέσεις, η εκτύπωση επιτρέπει την ταυτόχρονη κατασκευή πολλαπλών εξαρτημάτων, με σχετικά λίγα στάδια επεξεργασίας και λιγότερες πηγές υλικών15. Η χρήση προσθετικών διεργασιών για την αντικατάσταση των αφαιρετικών διεργασιών όπως η φωτολιθογραφία και η χάραξη μειώνει περαιτέρω την πολυπλοκότητα της διαδικασίας και τα απόβλητα υλικών16, 17, 18, και 19.Επιπλέον, οι χαμηλές θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται στην εκτύπωση είναι συμβατές με εύκαμπτα και φθηνά πλαστικά υποστρώματα, επιτρέποντας τη χρήση διαδικασιών παραγωγής roll-to-roll υψηλής ταχύτητας για την κάλυψη ηλεκτρονικών συσκευών 16, 20 σε μεγάλες περιοχές. Για εφαρμογές που δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν πλήρως με τυπωμένα εξαρτήματα, έχουν αναπτυχθεί υβριδικές μέθοδοι στις οποίες τα εξαρτήματα τεχνολογίας επιφανειακής τοποθέτησης (SMT) συνδέονται με εύκαμπτα υποστρώματα 21, 22, 23 δίπλα στα τυπωμένα εξαρτήματα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε αυτήν την υβριδική προσέγγιση, εξακολουθεί να απαραίτητο για την αντικατάσταση όσο το δυνατόν περισσότερων στοιχείων SMT με τυπωμένα αντίστοιχα για να ληφθούν τα πλεονεκτήματα πρόσθετων διαδικασιών και να αυξηθεί η συνολική ευελιξία του κυκλώματος. Προκειμένου να πραγματοποιηθούν ευέλικτα ηλεκτρονικά ισχύος, έχουμε προτείνει έναν συνδυασμό ενεργών εξαρτημάτων SMT και παθητικής εκτύπωσης οθόνης εξαρτήματα, με ιδιαίτερη έμφαση στην αντικατάσταση ογκωδών επαγωγέων SMT με επίπεδους σπειροειδείς επαγωγείς. Μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών για την κατασκευή έντυπων ηλεκτρονικών ειδών, η μεταξοτυπία είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για παθητικά εξαρτήματα λόγω του μεγάλου πάχους του φιλμ (το οποίο είναι απαραίτητο για την ελαχιστοποίηση της αντίστασης σειράς των μεταλλικών χαρακτηριστικών ) και υψηλή ταχύτητα εκτύπωσης, ακόμα και όταν καλύπτονται περιοχές σε επίπεδο εκατοστών Το ίδιο ισχύει κατά καιρούς. Υλικό 24.
Η απώλεια παθητικών εξαρτημάτων του ηλεκτρονικού εξοπλισμού ισχύος πρέπει να ελαχιστοποιηθεί, επειδή η απόδοση του κυκλώματος επηρεάζει άμεσα την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την τροφοδοσία του συστήματος. Αυτό είναι ιδιαίτερα δύσκολο για τυπωμένους επαγωγείς που αποτελούνται από μεγάλα πηνία, τα οποία είναι επομένως ευαίσθητα σε υψηλές σειρές αντίσταση. Ως εκ τούτου, αν και έχουν γίνει κάποιες προσπάθειες για να ελαχιστοποιηθεί η αντίσταση 25, 26, 27, 28 των τυπωμένων πηνίων, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη τυπωμένων παθητικών εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης για ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος. Μέχρι σήμερα, πολλοί ανέφεραν τυπωμένα παθητικά εξαρτήματα σε εύκαμπτα υποστρώματα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε κυκλώματα συντονισμού για αναγνώριση ραδιοσυχνοτήτων (RFID) ή για σκοπούς συγκομιδής ενέργειας 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Άλλα εστιάζουν στην ανάπτυξη υλικού ή διαδικασίας παραγωγής και παρουσιάζουν γενικά εξαρτήματα 26, 32, 33, 34 που δεν είναι βελτιστοποιημένα για συγκεκριμένες εφαρμογές. Αντίθετα, τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος όπως οι ρυθμιστές τάσης χρησιμοποιούν συχνά μεγαλύτερα εξαρτήματα από τις τυπικές τυπωμένες παθητικές συσκευές και δεν απαιτούν συντονισμό, επομένως απαιτούνται διαφορετικά σχέδια εξαρτημάτων.
Εδώ, εισάγουμε τη σχεδίαση και τη βελτιστοποίηση των μεταξοτυπωμένων επαγωγέων στην περιοχή μH για την επίτευξη της μικρότερης αντίστασης σειράς και υψηλής απόδοσης σε συχνότητες που σχετίζονται με ηλεκτρονικά ισχύος. σε εύκαμπτα πλαστικά υποστρώματα. Η καταλληλότητα αυτών των εξαρτημάτων για εύκαμπτα ηλεκτρονικά προϊόντα αποδείχθηκε για πρώτη φορά σε ένα απλό κύκλωμα RLC. Το τυπωμένο πηνίο και η αντίσταση ενσωματώνονται στη συνέχεια με το IC για να σχηματίσουν έναν ρυθμιστή ενίσχυσης. Τέλος, μια οργανική δίοδος εκπομπής φωτός (OLED ) και μια εύκαμπτη μπαταρία ιόντων λιθίου κατασκευάζεται και ένας ρυθμιστής τάσης χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία της OLED από την μπαταρία.
Προκειμένου να σχεδιάσουμε τυπωμένα πηνία για ηλεκτρονικά ισχύος, πρώτα προβλέψαμε την επαγωγή και την αντίσταση συνεχούς ρεύματος μιας σειράς γεωμετριών επαγωγέων με βάση το τρέχον μοντέλο φύλλου που προτείνεται στους Mohan et al. 35, και κατασκευάστηκαν επαγωγείς διαφορετικών γεωμετριών για επιβεβαίωση της ακρίβειας του μοντέλου. Σε αυτή την εργασία, επιλέχθηκε ένα κυκλικό σχήμα για τον επαγωγέα επειδή μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη αυτεπαγωγή 36 με χαμηλότερη αντίσταση σε σύγκριση με μια πολυγωνική γεωμετρία. Η επίδραση του μελανιού προσδιορίζεται ο τύπος και ο αριθμός των κύκλων εκτύπωσης στην αντίσταση. Αυτά τα αποτελέσματα στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν με το μοντέλο αμπερόμετρου για τον σχεδιασμό επαγωγέων 4,7 μH και 7,8 μH βελτιστοποιημένων για ελάχιστη αντίσταση DC.
Η επαγωγή και η αντίσταση συνεχούς ρεύματος των σπειροειδών επαγωγέων μπορούν να περιγραφούν από διάφορες παραμέτρους: εξωτερική διάμετρος do, πλάτος περιστροφής w και απόσταση s, αριθμός στροφών n και αντίσταση φύλλου αγωγού Rsheet. Το σχήμα 1a δείχνει μια φωτογραφία ενός κυκλικού επαγωγέα τυπωμένου σε μεταξοτυπία με n = 12, δείχνοντας τις γεωμετρικές παραμέτρους που καθορίζουν την αυτεπαγωγή του.Σύμφωνα με το μοντέλο αμπερόμετρου των Mohan et al. 35, η αυτεπαγωγή υπολογίζεται για μια σειρά από γεωμετρίες επαγωγέα, όπου
(α) Μια φωτογραφία του τυπωμένου πηνίου που δείχνει τις γεωμετρικές παραμέτρους. Η διάμετρος είναι 3 cm. Επαγωγή (b) και αντίσταση συνεχούς ρεύματος (c) διαφόρων γεωμετριών πηνίου. Οι γραμμές και τα σημάδια αντιστοιχούν σε υπολογισμένες και μετρούμενες τιμές, αντίστοιχα. (δ,ε) Οι αντιστάσεις συνεχούς ρεύματος των επαγωγέων L1 και L2 εκτυπώνονται με μελάνια αργύρου Dupont 5028 και 5064H, αντίστοιχα.
Σε υψηλές συχνότητες, το φαινόμενο του δέρματος και η παρασιτική χωρητικότητα θα αλλάξουν την αντίσταση και την επαγωγή του επαγωγέα σύμφωνα με την τιμή DC του. Ο επαγωγέας αναμένεται να λειτουργεί σε αρκετά χαμηλή συχνότητα ώστε αυτά τα φαινόμενα να είναι αμελητέα και η συσκευή να συμπεριφέρεται ως σταθερή επαγωγή με σταθερή αντίσταση σε σειρά. Επομένως, σε αυτή την εργασία, αναλύσαμε τη σχέση μεταξύ γεωμετρικών παραμέτρων, επαγωγής και αντίστασης συνεχούς ρεύματος και χρησιμοποιήσαμε τα αποτελέσματα για να λάβουμε μια δεδομένη αυτεπαγωγή με τη μικρότερη αντίσταση DC.
Η επαγωγή και η αντίσταση υπολογίζονται για μια σειρά γεωμετρικών παραμέτρων που μπορούν να πραγματοποιηθούν με μεταξοτυπία, και αναμένεται ότι θα δημιουργηθεί επαγωγή στην περιοχή μH. Οι εξωτερικές διάμετροι 3 και 5 cm, τα πλάτη γραμμής 500 και 1000 μικρά , και συγκρίνονται διάφορες στροφές. Στον υπολογισμό, υποτίθεται ότι η αντίσταση του φύλλου είναι 47 mΩ/□, που αντιστοιχεί σε ένα στρώμα αγωγού μικρονιφάδων αργύρου Dupont 5028 πάχους 7 μm, τυπωμένο με οθόνη 400 mesh και ρύθμιση w = s. Οι υπολογισμένες τιμές αυτεπαγωγής και αντίστασης φαίνονται στο Σχήμα 1β και γ, αντίστοιχα. Το μοντέλο προβλέπει ότι τόσο η επαγωγή όσο και η αντίσταση αυξάνονται καθώς αυξάνεται η εξωτερική διάμετρος και ο αριθμός των στροφών ή καθώς μειώνεται το πλάτος της γραμμής.
Προκειμένου να αξιολογηθεί η ακρίβεια των προβλέψεων μοντέλων, επαγωγείς διαφόρων γεωμετριών και επαγωγικών επαγωγών κατασκευάστηκαν σε υπόστρωμα τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET). Οι μετρούμενες τιμές επαγωγής και αντίστασης φαίνονται στο Σχήμα 1β και γ. Αν και η αντίσταση έδειξε κάποια απόκλιση από την αναμενόμενη τιμή, κυρίως λόγω αλλαγών στο πάχος και την ομοιομορφία του αποτιθέμενου μελανιού, η επαγωγή έδειξε πολύ καλή συμφωνία με το μοντέλο.
Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό ενός επαγωγέα με την απαιτούμενη αυτεπαγωγή και την ελάχιστη αντίσταση συνεχούς ρεύματος. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι απαιτείται αυτεπαγωγή 2 μH. Το σχήμα 1β δείχνει ότι αυτή η αυτεπαγωγή μπορεί να πραγματοποιηθεί με εξωτερική διάμετρο 3 cm, πλάτος γραμμής 500 μm και 10 στροφές. Η ίδια αυτεπαγωγή μπορεί επίσης να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας εξωτερική διάμετρο 5 cm, πλάτος γραμμής 500 μm και 5 στροφές ή πλάτος γραμμής 1000 μm και 7 στροφές (όπως φαίνεται στο σχήμα). Συγκρίνοντας τις αντιστάσεις αυτών των τριών πιθανές γεωμετρίες στο σχήμα 1γ, μπορεί να βρεθεί ότι η χαμηλότερη αντίσταση ενός επαγωγέα 5 cm με πλάτος γραμμής 1000 μm είναι 34 Ω, που είναι περίπου 40% χαμηλότερη από τις άλλες δύο. Η γενική διαδικασία σχεδιασμού για την επίτευξη μιας δεδομένης επαγωγής με ελάχιστη αντίσταση συνοψίζεται ως εξής: Αρχικά, επιλέξτε τη μέγιστη επιτρεπόμενη εξωτερική διάμετρο σύμφωνα με τους περιορισμούς χώρου που επιβάλλονται από την εφαρμογή. Στη συνέχεια, το πλάτος της γραμμής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο, ενώ εξακολουθεί να επιτυγχάνεται η απαιτούμενη αυτεπαγωγή για να επιτευχθεί υψηλός ρυθμός πλήρωσης (εξίσωση (3)).
Αυξάνοντας το πάχος ή χρησιμοποιώντας ένα υλικό με υψηλότερη αγωγιμότητα για τη μείωση της αντίστασης φύλλου της μεταλλικής μεμβράνης, η αντίσταση DC μπορεί να μειωθεί περαιτέρω χωρίς να επηρεαστεί η επαγωγή. Δύο επαγωγείς, των οποίων οι γεωμετρικές παράμετροι δίνονται στον Πίνακα 1, που ονομάζονται L1 και L2 κατασκευάζονται με διαφορετικούς αριθμούς επιστρώσεων για την αξιολόγηση της αλλαγής της αντίστασης. Καθώς ο αριθμός των επικαλύψεων μελανιού αυξάνεται, η αντίσταση μειώνεται αναλογικά όπως αναμένεται, όπως φαίνεται στα σχήματα 1d και e, που είναι επαγωγείς L1 και L2, αντίστοιχα. Σχήματα 1d και e δείξετε ότι με την εφαρμογή 6 στρώσεων επίστρωσης, η αντίσταση μπορεί να μειωθεί έως και 6 φορές και η μέγιστη μείωση της αντίστασης (50-65%) συμβαίνει μεταξύ του στρώματος 1 και του στρώματος 2. Δεδομένου ότι κάθε στρώμα μελανιού είναι σχετικά λεπτό, Για την εκτύπωση αυτών των επαγωγέων χρησιμοποιείται οθόνη με σχετικά μικρό μέγεθος πλέγματος (400 γραμμές ανά ίντσα), που μας επιτρέπει να μελετήσουμε την επίδραση του πάχους του αγωγού στην αντίσταση. Εφόσον τα χαρακτηριστικά του σχεδίου παραμένουν μεγαλύτερα από την ελάχιστη ανάλυση του πλέγματος, παρόμοιο πάχος (και αντίσταση) μπορεί να επιτευχθεί γρηγορότερα με την εκτύπωση μικρότερου αριθμού επιστρώσεων με μεγαλύτερο μέγεθος πλέγματος. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη της ίδιας αντίστασης DC με τον επαγωγέα 6 επιστρώσεων που συζητείται εδώ, αλλά με μεγαλύτερη ταχύτητα παραγωγής.
Τα σχήματα 1d και e δείχνουν επίσης ότι χρησιμοποιώντας το πιο αγώγιμο μελάνι DuPont 5064H, η αντίσταση μειώνεται κατά δύο φορές. φαίνεται ότι η χαμηλότερη αγωγιμότητα του μελανιού 5028 οφείλεται στο μικρότερο μέγεθος σωματιδίων του και στην παρουσία πολλών κενών μεταξύ των σωματιδίων στην εκτυπωμένη μεμβράνη. Από την άλλη πλευρά, το 5064H έχει μεγαλύτερες, πιο στενά διατεταγμένες νιφάδες, που το κάνουν να συμπεριφέρεται πιο κοντά στον όγκο ασήμι. Αν και το φιλμ που παράγεται από αυτό το μελάνι είναι λεπτότερο από το μελάνι 5028, με ένα μόνο στρώμα 4 μm και 6 στρώματα των 22 μm, η αύξηση της αγωγιμότητας είναι επαρκής για τη μείωση της συνολικής αντίστασης.
Τέλος, αν και η αυτεπαγωγή (εξίσωση (1)) εξαρτάται από τον αριθμό των στροφών (w + s), η αντίσταση (εξίσωση (5)) εξαρτάται μόνο από το πλάτος γραμμής w. Επομένως, αυξάνοντας το w σε σχέση με το s, η αντίσταση μπορούν να μειωθούν περαιτέρω. Οι δύο πρόσθετοι επαγωγείς L3 και L4 έχουν σχεδιαστεί για να έχουν w = 2s και μεγάλη εξωτερική διάμετρο, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Αυτοί οι επαγωγείς κατασκευάζονται με 6 στρώσεις επίστρωσης DuPont 5064H, όπως φαίνεται προηγουμένως, για Η υψηλότερη απόδοση. Η αυτεπαγωγή του L3 είναι 4,720 ± 0,002 μH και η αντίσταση είναι 4,9 ± 0,1 Ω, ενώ η αυτεπαγωγή του L4 είναι 7,839 ± 0,005 μH και 6,9 ± 0,1 Ω, τα οποία συμφωνούν καλά με την πρόβλεψη του μοντέλου. αύξηση του πάχους, της αγωγιμότητας και του w/s, αυτό σημαίνει ότι ο λόγος L/R έχει αυξηθεί κατά περισσότερο από μια τάξη μεγέθους σε σχέση με την τιμή στο Σχήμα 1.
Αν και η χαμηλή αντίσταση DC είναι πολλά υποσχόμενη, η αξιολόγηση της καταλληλότητας των επαγωγέων για ηλεκτρονικό εξοπλισμό ισχύος που λειτουργεί στην περιοχή kHz-MHz απαιτεί χαρακτηρισμό σε συχνότητες AC. Το σχήμα 2a δείχνει την εξάρτηση από τη συχνότητα της αντίστασης και της αντίδρασης των L3 και L4. Για συχνότητες κάτω από 10 MHz , η αντίσταση παραμένει περίπου σταθερή στην τιμή DC της, ενώ η αντίσταση αυξάνεται γραμμικά με τη συχνότητα, πράγμα που σημαίνει ότι η αυτεπαγωγή είναι σταθερή όπως αναμένεται. Η αυτοσυντονιζόμενη συχνότητα ορίζεται ως η συχνότητα στην οποία η σύνθετη αντίσταση αλλάζει από επαγωγική σε χωρητική, με Το L3 είναι 35,6 ± 0,3 MHz και το L4 είναι 24,3 ± 0,6 MHz. Η εξάρτηση από τη συχνότητα του συντελεστή ποιότητας Q (ίση με ωL/R) φαίνεται στο σχήμα 2β. Τα L3 και L4 επιτυγχάνουν μέγιστους συντελεστές ποιότητας 35 ± 1 και 33 ± 1 σε συχνότητες 11 και 16 MHz, αντίστοιχα. Η επαγωγή λίγων μH και το σχετικά υψηλό Q στις συχνότητες MHz καθιστούν αυτούς τους επαγωγείς επαρκείς για να αντικαταστήσουν τους παραδοσιακούς επαγωγείς επιφανειακής τοποθέτησης σε μετατροπείς DC-DC χαμηλής ισχύος.
Η μετρούμενη αντίσταση R και η αντίδραση X (a) και ο συντελεστής ποιότητας Q (b) των επαγωγέων L3 και L4 σχετίζονται με τη συχνότητα.
Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί το αποτύπωμα που απαιτείται για μια δεδομένη χωρητικότητα, είναι καλύτερο να χρησιμοποιηθεί τεχνολογία πυκνωτή με μεγάλη ειδική χωρητικότητα, η οποία είναι ίση με τη διηλεκτρική σταθερά ε διαιρούμενη με το πάχος του διηλεκτρικού. Σε αυτήν την εργασία, επιλέξαμε σύνθετο τιτανικό βάριο ως το διηλεκτρικό επειδή έχει υψηλότερο έψιλον από άλλα οργανικά διηλεκτρικά επεξεργασμένα σε διάλυμα. Το διηλεκτρικό στρώμα τυπώνεται μεταξύ των δύο ασημένιων αγωγών για να σχηματίσει μια δομή μετάλλου-διηλεκτρικού-μετάλλου. Πυκνωτές με διάφορα μεγέθη σε εκατοστά, όπως φαίνεται στο σχήμα 3α , κατασκευάζονται με χρήση δύο ή τριών στρωμάτων διηλεκτρικού μελανιού για τη διατήρηση της καλής απόδοσης. Το σχήμα 3β δείχνει μια μικρογραφία διατομής SEM ενός αντιπροσωπευτικού πυκνωτή κατασκευασμένου με δύο στρώματα διηλεκτρικού, με συνολικό διηλεκτρικό πάχος 21 μm. Τα επάνω και κάτω ηλεκτρόδια είναι μίας στρώσης και έξι στρώσεων 5064H αντίστοιχα. Τα σωματίδια τιτανικού βαρίου μεγέθους μικρού είναι ορατά στην εικόνα SEM επειδή οι φωτεινότερες περιοχές περιβάλλονται από το πιο σκούρο οργανικό συνδετικό υλικό. Το διηλεκτρικό μελάνι βρέχει καλά το κάτω ηλεκτρόδιο και σχηματίζει μια σαφή διεπαφή με το τυπωμένο μεταλλικό φιλμ, όπως φαίνεται στην εικόνα με μεγαλύτερη μεγέθυνση.
(α) Μια φωτογραφία ενός πυκνωτή με πέντε διαφορετικές περιοχές. (β) Μικρογραφία διατομής SEM ενός πυκνωτή με δύο στρώματα διηλεκτρικού, που δείχνει διηλεκτρικά ηλεκτρόδια τιτανικού βαρίου και ηλεκτρόδια αργύρου. (γ) Χωρητικότητες πυκνωτών με 2 και 3 τιτανικό βάριο διηλεκτρικά στρώματα και διαφορετικές περιοχές, μετρημένες στο 1 MHz.(δ) Η σχέση μεταξύ της χωρητικότητας, του ESR και του συντελεστή απώλειας ενός πυκνωτή 2,25 cm2 με 2 στρώσεις διηλεκτρικών επιστρώσεων και της συχνότητας.
Η χωρητικότητα είναι ανάλογη με την αναμενόμενη περιοχή. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3γ, η ειδική χωρητικότητα του διηλεκτρικού δύο στρωμάτων είναι 0,53 nF/cm2 και η ειδική χωρητικότητα του διηλεκτρικού τριών στρωμάτων είναι 0,33 nF/cm2. Αυτές οι τιμές αντιστοιχούν σε διηλεκτρική σταθερά 13. Η Η χωρητικότητα και ο συντελεστής διάχυσης (DF) μετρήθηκαν επίσης σε διαφορετικές συχνότητες, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3δ, για έναν πυκνωτή 2,25 cm2 με δύο στρώματα διηλεκτρικού. Βρήκαμε ότι η χωρητικότητα ήταν σχετικά επίπεδη στο εύρος συχνοτήτων ενδιαφέροντος, αυξανόμενη κατά 20% από 1 έως 10 MHz, ενώ στο ίδιο εύρος, το DF αυξήθηκε από 0,013 σε 0,023. Δεδομένου ότι ο συντελεστής διάχυσης είναι ο λόγος της απώλειας ενέργειας προς την ενέργεια που αποθηκεύεται σε κάθε κύκλο AC, ένα DF 0,02 σημαίνει ότι το 2% της ισχύος που διακινείται από τον πυκνωτή καταναλώνεται. Αυτή η απώλεια εκφράζεται συνήθως ως η εξαρτώμενη από τη συχνότητα αντίσταση ισοδύναμης σειράς (ESR) που συνδέεται σε σειρά με τον πυκνωτή, η οποία είναι ίση με DF/ωC. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3δ, για συχνότητες μεγαλύτερες από 1 MHz, Το ESR είναι χαμηλότερο από 1,5 Ω και για συχνότητες μεγαλύτερες από 4 MHz, το ESR είναι χαμηλότερο από 0,5 Ω. Αν και χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνολογία πυκνωτών, οι πυκνωτές κατηγορίας μF που απαιτούνται για μετατροπείς DC-DC απαιτούν πολύ μεγάλη περιοχή, αλλά τα 100 pF- Το εύρος χωρητικότητας nF και η χαμηλή απώλεια αυτών των πυκνωτών τους καθιστούν κατάλληλους για άλλες εφαρμογές, όπως φίλτρα και κυκλώματα συντονισμού. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες μέθοδοι για την αύξηση της χωρητικότητας. Μια υψηλότερη διηλεκτρική σταθερά αυξάνει την ειδική χωρητικότητα 37. για παράδειγμα, αυτό μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας τη συγκέντρωση των σωματιδίων τιτανικού βαρίου στο μελάνι. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μικρότερο διηλεκτρικό πάχος, αν και αυτό απαιτεί ένα ηλεκτρόδιο κάτω με μικρότερη τραχύτητα από ένα τυπωμένο με οθόνη νιφάδα ασημιού. Λεπτότερος πυκνωτής χαμηλότερης τραχύτητας Τα στρώματα μπορούν να εναποτεθούν με εκτύπωση inkjet 31 ή εκτύπωση γκραβούρα 10, η οποία μπορεί να συνδυαστεί με μια διαδικασία μεταξοτυπίας. Τέλος, πολλαπλά εναλλασσόμενα στρώματα μετάλλου και διηλεκτρικού μπορούν να στοιβάζονται και να εκτυπωθούν και να συνδεθούν παράλληλα, αυξάνοντας έτσι την χωρητικότητα 34 ανά μονάδα επιφάνειας .
Ένας διαιρέτης τάσης που αποτελείται από ένα ζεύγος αντιστάσεων χρησιμοποιείται συνήθως για την εκτέλεση μέτρησης τάσης που απαιτείται για τον έλεγχο ανάδρασης ενός ρυθμιστή τάσης. Για αυτόν τον τύπο εφαρμογής, η αντίσταση της τυπωμένης αντίστασης πρέπει να είναι στην περιοχή kΩ-MΩ και η διαφορά μεταξύ οι συσκευές είναι μικρές.Εδώ, διαπιστώθηκε ότι η αντίσταση φύλλου του μελανιού άνθρακα τυπωμένου με οθόνη μονής στρώσης ήταν 900 Ω/□. Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό δύο γραμμικών αντιστάσεων (R1 και R2) και μιας οφιοειδούς αντίστασης (R3 ) με ονομαστικές αντιστάσεις 10 kΩ, 100 kΩ και 1,5 MΩ. Η αντίσταση μεταξύ των ονομαστικών τιμών επιτυγχάνεται με την εκτύπωση δύο ή τριών στρώσεων μελανιού, όπως φαίνεται στο σχήμα 4, και φωτογραφίες των τριών αντιστάσεων. Κάντε 8- 12 δείγματα κάθε τύπου. σε όλες τις περιπτώσεις, η τυπική απόκλιση της αντίστασης είναι 10% ή μικρότερη. Η αλλαγή αντίστασης των δειγμάτων με δύο ή τρία στρώματα επίστρωσης τείνει να είναι ελαφρώς μικρότερη από εκείνη των δειγμάτων με ένα στρώμα επίστρωσης. Η μικρή αλλαγή στη μετρούμενη αντίσταση και η στενή συμφωνία με την ονομαστική τιμή δείχνει ότι άλλες αντιστάσεις σε αυτό το εύρος μπορούν να ληφθούν άμεσα τροποποιώντας τη γεωμετρία της αντίστασης.
Τρεις διαφορετικές γεωμετρίες αντιστάσεων με διαφορετικούς αριθμούς επικαλύψεων μελανιού με αντίσταση άνθρακα. Η φωτογραφία τριών αντιστάσεων εμφανίζεται στα δεξιά.
Τα κυκλώματα RLC είναι κλασικά παραδείγματα συνδυασμών αντιστάσεων, πηνίων και πυκνωτών που χρησιμοποιούνται για την επίδειξη και την επαλήθευση της συμπεριφοράς παθητικών στοιχείων που είναι ενσωματωμένα σε πραγματικά τυπωμένα κυκλώματα. Σε αυτό το κύκλωμα, ένας επαγωγέας 8 μH και ένας πυκνωτής 0,8 nF συνδέονται σε σειρά και Η αντίσταση 25 kΩ συνδέεται παράλληλα με αυτές. Η φωτογραφία του εύκαμπτου κυκλώματος φαίνεται στο σχήμα 5α. Ο λόγος για την επιλογή αυτού του ειδικού συνδυασμού σειράς-παράλληλων είναι ότι η συμπεριφορά του καθορίζεται από καθένα από τα τρία διαφορετικά στοιχεία συχνότητας, έτσι ώστε η Η απόδοση κάθε εξαρτήματος μπορεί να επισημανθεί και να αξιολογηθεί. Λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση σειράς 7 Ω του επαγωγέα και τα 1,3 Ω ESR του πυκνωτή, υπολογίστηκε η αναμενόμενη απόκριση συχνότητας του κυκλώματος. Το διάγραμμα κυκλώματος φαίνεται στο Σχήμα 5β και η υπολογισμένη Το πλάτος της σύνθετης αντίστασης και η φάση και οι μετρούμενες τιμές φαίνονται στα σχήματα 5γ και δ. Σε χαμηλές συχνότητες, η υψηλή σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή σημαίνει ότι η συμπεριφορά του κυκλώματος καθορίζεται από την αντίσταση 25 kΩ. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η σύνθετη αντίσταση του η διαδρομή LC μειώνεται. ολόκληρη η συμπεριφορά του κυκλώματος είναι χωρητική έως ότου η συχνότητα συντονισμού είναι 2,0 MHz. Πάνω από τη συχνότητα συντονισμού κυριαρχεί η επαγωγική αντίσταση. Το σχήμα 5 δείχνει ξεκάθαρα την εξαιρετική συμφωνία μεταξύ υπολογισμένων και μετρούμενων τιμών σε όλο το εύρος συχνοτήτων. Αυτό σημαίνει ότι το μοντέλο που χρησιμοποιείται εδώ (όπου οι επαγωγείς και οι πυκνωτές είναι ιδανικά εξαρτήματα με αντίσταση σειράς) είναι ακριβές για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του κυκλώματος σε αυτές τις συχνότητες.
(α) Μια φωτογραφία ενός κυκλώματος εκτύπωσης οθόνης RLC που χρησιμοποιεί έναν σειριακό συνδυασμό ενός επαγωγέα 8 μH και ενός πυκνωτή 0,8 nF παράλληλα με μια αντίσταση 25 kΩ. (β) Μοντέλο κυκλώματος συμπεριλαμβανομένης της αντίστασης σειράς επαγωγέα και πυκνωτή.(c ,δ) Το πλάτος της σύνθετης αντίστασης (γ) και η φάση (δ) του κυκλώματος.
Τέλος, οι τυπωμένοι επαγωγείς και οι αντιστάσεις εφαρμόζονται στον ρυθμιστή ενίσχυσης. Το IC που χρησιμοποιείται σε αυτήν την επίδειξη είναι το Microchip MCP1640B14, το οποίο είναι ένας σύγχρονος ρυθμιστής ενίσχυσης που βασίζεται σε PWM με συχνότητα λειτουργίας 500 kHz. Το διάγραμμα κυκλώματος φαίνεται στο σχήμα 6a.A Ως στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας χρησιμοποιούνται επαγωγέας 4,7 μH και δύο πυκνωτές (4,7 μF και 10 μF) και ένα ζεύγος αντιστάσεων χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της τάσης εξόδου του ελέγχου ανάδρασης. Επιλέξτε την τιμή αντίστασης για να ρυθμίσετε την τάση εξόδου στα 5 V. Το κύκλωμα κατασκευάζεται στο PCB και η απόδοσή του μετράται εντός της αντίστασης φορτίου και της τάσης εισόδου από 3 έως 4 V για την προσομοίωση της μπαταρίας ιόντων λιθίου σε διάφορες καταστάσεις φόρτισης. Η απόδοση των τυπωμένων επαγωγέων και αντιστάσεων συγκρίνεται με την απόδοση των πηνίων και των αντιστάσεων SMT. Οι πυκνωτές SMT χρησιμοποιούνται σε όλες τις περιπτώσεις επειδή η χωρητικότητα που απαιτείται για αυτήν την εφαρμογή είναι πολύ μεγάλη για να συμπληρωθεί με τυπωμένους πυκνωτές.
(α) Διάγραμμα κυκλώματος σταθεροποίησης τάσης. (b–d) (β) Vout, (γ) Vsw και (δ) Κυματομορφές του ρεύματος που ρέει στον επαγωγέα, η τάση εισόδου είναι 4,0 V, η αντίσταση φορτίου είναι 1 kΩ, Για τη μέτρηση χρησιμοποιείται αντιστάσεις και πυκνωτές επιφανειακής βάσης. (ε) Για διάφορες αντιστάσεις φορτίου και τάσεις εισόδου, η απόδοση των κυκλωμάτων ρυθμιστή τάσης που χρησιμοποιούν όλα τα εξαρτήματα επιφανειακής βάσης και τυπωμένα πηνία και αντιστάσεις.(στ. ) Ο λόγος απόδοσης της επιφανειακής τοποθέτησης και του τυπωμένου κυκλώματος που φαίνεται στο (ε).
Για τάση εισόδου 4,0 V και αντίσταση φορτίου 1000 Ω, οι κυματομορφές που μετρήθηκαν με χρήση τυπωμένων επαγωγέων φαίνονται στο σχήμα 6β-δ. Το σχήμα 6γ δείχνει την τάση στον ακροδέκτη Vsw του IC. η τάση του επαγωγέα είναι Vin-Vsw. Το σχήμα 6δ δείχνει το ρεύμα που ρέει στον επαγωγέα. Η απόδοση του κυκλώματος με SMT και τυπωμένα εξαρτήματα φαίνεται στο Σχήμα 6e ως συνάρτηση της τάσης εισόδου και της αντίστασης φορτίου, και το Σχήμα 6f δείχνει τον λόγο απόδοσης τυπωμένων εξαρτημάτων σε εξαρτήματα SMT. Η απόδοση που μετράται με χρήση στοιχείων SMT είναι παρόμοια με την αναμενόμενη τιμή που δίνεται στο φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή 14. Σε υψηλό ρεύμα εισόδου (χαμηλή αντίσταση φορτίου και χαμηλή τάση εισόδου), η απόδοση των τυπωμένων επαγωγέων είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των επαγωγέων SMT λόγω της υψηλότερης αντίστασης σειράς. Ωστόσο, με υψηλότερη τάση εισόδου και υψηλότερο ρεύμα εξόδου, η απώλεια αντίστασης γίνεται λιγότερο σημαντική και η απόδοση των τυπωμένων επαγωγέων αρχίζει να πλησιάζει αυτή των επαγωγέων SMT. Για αντιστάσεις φορτίου >500 Ω και Vin = 4,0 V ή >750 Ω και Vin = 3,5 V, η απόδοση των τυπωμένων επαγωγέων είναι μεγαλύτερη από το 85% των επαγωγέων SMT.
Η σύγκριση της κυματομορφής ρεύματος στο Σχήμα 6δ με τη μετρούμενη απώλεια ισχύος δείχνει ότι η απώλεια αντίστασης στον επαγωγέα είναι η κύρια αιτία της διαφοράς στην απόδοση μεταξύ του τυπωμένου κυκλώματος και του κυκλώματος SMT, όπως αναμενόταν. Η ισχύς εισόδου και εξόδου μετρήθηκε στα 4,0 V Η τάση εισόδου και η αντίσταση φορτίου 1000 Ω είναι 30,4 mW και 25,8 mW για κυκλώματα με εξαρτήματα SMT και 33,1 mW και 25,2 mW για κυκλώματα με τυπωμένα εξαρτήματα. Ως εκ τούτου, η απώλεια του τυπωμένου κυκλώματος είναι 7,9 mW, δηλαδή 3,4 mW υψηλότερη από την κύκλωμα με εξαρτήματα SMT. Το ρεύμα πηνίου RMS που υπολογίζεται από την κυματομορφή στο σχήμα 6δ είναι 25,6 mA. Δεδομένου ότι η αντίσταση σειράς είναι 4,9 Ω, η αναμενόμενη απώλεια ισχύος είναι 3,2 mW. Αυτό είναι το 96% της μετρούμενης διαφοράς ισχύος 3,4 mW συνεχούς ρεύματος. Επιπλέον, το κύκλωμα κατασκευάζεται με τυπωμένους επαγωγείς και τυπωμένους αντιστάσεις και τυπωμένους επαγωγείς και αντιστάσεις SMT και δεν παρατηρείται σημαντική διαφορά απόδοσης μεταξύ τους.
Στη συνέχεια, ο ρυθμιστής τάσης κατασκευάζεται στο εύκαμπτο PCB (η εκτύπωση του κυκλώματος και η απόδοση του εξαρτήματος SMT φαίνονται στο Συμπληρωματικό Σχήμα S1) και συνδέεται μεταξύ της εύκαμπτης μπαταρίας ιόντων λιθίου ως πηγή ενέργειας και της συστοιχίας OLED ως φορτίου. Σύμφωνα με τους Lochner et al. 9 Για την κατασκευή OLED, κάθε εικονοστοιχείο OLED καταναλώνει 0,6 mA στα 5 V. Η μπαταρία χρησιμοποιεί οξείδιο του κοβαλτίου και γραφίτη λιθίου ως κάθοδο και άνοδο, αντίστοιχα, και κατασκευάζεται με επίστρωση ιατρικής λεπίδας, η οποία είναι η πιο κοινή μέθοδος εκτύπωσης μπαταρίας.7 Η χωρητικότητα της μπαταρίας είναι 16 mAh και η τάση κατά τη διάρκεια της δοκιμής είναι 4,0 V. Το σχήμα 7 δείχνει μια φωτογραφία του κυκλώματος στο εύκαμπτο PCB, που τροφοδοτεί τρία εικονοστοιχεία OLED συνδεδεμένα παράλληλα. Η επίδειξη έδειξε τη δυνατότητα ενσωμάτωσης των εκτυπωμένων στοιχείων ισχύος με άλλα ευέλικτες και οργανικές συσκευές για να σχηματίσουν πιο πολύπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα.
Μια φωτογραφία του κυκλώματος του ρυθμιστή τάσης σε ένα εύκαμπτο PCB που χρησιμοποιεί τυπωμένα πηνία και αντιστάσεις, χρησιμοποιώντας εύκαμπτες μπαταρίες ιόντων λιθίου για την τροφοδοσία τριών οργανικών LED.
Δείξαμε τυπωμένα πηνία, πυκνωτές και αντιστάσεις με μια σειρά τιμών σε εύκαμπτα υποστρώματα PET, με στόχο την αντικατάσταση εξαρτημάτων επιφανειακής στήριξης σε ηλεκτρονικά ηλεκτρικά μηχανήματα. Έχουμε δείξει ότι σχεδιάζοντας μια σπείρα με μεγάλη διάμετρο, ρυθμό πλήρωσης , και αναλογία πλάτους γραμμής-χώρου, και χρησιμοποιώντας ένα παχύ στρώμα μελανιού χαμηλής αντίστασης. Αυτά τα εξαρτήματα είναι ενσωματωμένα σε ένα πλήρως τυπωμένο και ευέλικτο κύκλωμα RLC και παρουσιάζουν προβλέψιμη ηλεκτρική συμπεριφορά στο εύρος συχνοτήτων kHz-MHz, το οποίο είναι το μέγιστο ενδιαφέρον για τα ηλεκτρονικά ισχύος.
Τυπικές περιπτώσεις χρήσης για ηλεκτρονικές συσκευές έντυπης ισχύος είναι ευέλικτα ηλεκτρονικά συστήματα που φοριούνται ή ενσωματώνονται σε προϊόν, που τροφοδοτούνται από εύκαμπτες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες (όπως ιόντων λιθίου), οι οποίες μπορούν να δημιουργήσουν μεταβλητές τάσεις ανάλογα με την κατάσταση φόρτισης. Εάν το φορτίο (συμπεριλαμβανομένης της εκτύπωσης και οργανικός ηλεκτρονικός εξοπλισμός) απαιτεί σταθερή τάση ή υψηλότερη από την τάση εξόδου από την μπαταρία, απαιτείται ρυθμιστής τάσης. Για το λόγο αυτό, τα τυπωμένα πηνία και οι αντιστάσεις ενσωματώνονται με παραδοσιακά IC πυριτίου σε έναν ρυθμιστή ενίσχυσης για την τροφοδοσία της OLED με σταθερή τάση 5 V από τροφοδοτικό μπαταρίας μεταβλητής τάσης. Μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος ρεύματος φορτίου και τάσης εισόδου, η απόδοση αυτού του κυκλώματος υπερβαίνει το 85% της απόδοσης ενός κυκλώματος ελέγχου που χρησιμοποιεί επαγωγείς και αντιστάσεις επιφανειακής στήριξης. Παρά το υλικό και τις γεωμετρικές βελτιστοποιήσεις, οι απώλειες αντίστασης στον επαγωγέα εξακολουθούν να είναι ο περιοριστικός παράγοντας για την απόδοση του κυκλώματος σε υψηλά επίπεδα ρεύματος (ρεύμα εισόδου μεγαλύτερο από περίπου 10 mA). Ωστόσο, σε χαμηλότερα ρεύματα, οι απώλειες στον επαγωγέα μειώνονται και η συνολική απόδοση περιορίζεται από την απόδοση του IC. Δεδομένου ότι πολλές έντυπες και οργανικές συσκευές απαιτούν σχετικά χαμηλά ρεύματα, όπως τα μικρά OLED που χρησιμοποιούνται στην επίδειξή μας, τα τυπωμένα πηνία ισχύος μπορούν να θεωρηθούν κατάλληλα για τέτοιες εφαρμογές. μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη συνολική απόδοση μετατροπέα.
Σε αυτή την εργασία, ο ρυθμιστής τάσης βασίζεται στην παραδοσιακή τεχνολογία συγκόλλησης PCB, εύκαμπτου PCB και επιφανειακής τοποθέτησης εξαρτημάτων, ενώ το τυπωμένο εξάρτημα κατασκευάζεται σε ξεχωριστό υπόστρωμα. Ωστόσο, τα μελάνια χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλού ιξώδους που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή οθόνης Οι τυπωμένες μεμβράνες θα πρέπει να επιτρέπουν στα παθητικά εξαρτήματα, καθώς και στη διασύνδεση μεταξύ της συσκευής και των επιφανειών επαφής εξαρτημάτων στήριξης, να εκτυπώνονται σε οποιοδήποτε υπόστρωμα. ολόκληρο το κύκλωμα θα κατασκευαστεί σε φθηνά υποστρώματα (όπως το PET) χωρίς την ανάγκη αφαιρετικών διεργασιών όπως η χάραξη PCB. Ως εκ τούτου, τα παθητικά εξαρτήματα που εκτυπώνονται σε οθόνη που αναπτύχθηκαν σε αυτό το έργο βοηθούν να ανοίξει ο δρόμος για ευέλικτα ηλεκτρονικά συστήματα που ενσωματώνουν ενέργεια και φορτία με ηλεκτρονικά υψηλής απόδοσης ισχύος, με χρήση φθηνών υποστρωμάτων, κυρίως διεργασιών πρόσθετων και ελάχιστου αριθμού εξαρτημάτων επιφανειακής βάσης.
Χρησιμοποιώντας τον εκτυπωτή οθόνης Asys ASP01M και μια οθόνη από ανοξείδωτο χάλυβα που παρέχεται από τη Dynamesh Inc., όλα τα στρώματα παθητικών εξαρτημάτων τυπώθηκαν με οθόνη σε ένα εύκαμπτο υπόστρωμα PET με πάχος 76 μm. Το μέγεθος πλέγματος του μεταλλικού στρώματος είναι 400 γραμμές ανά ίντσα και 250 γραμμές ανά ίντσα για το διηλεκτρικό στρώμα και το στρώμα αντίστασης. Χρησιμοποιήστε δύναμη μάκτρου 55 N, ταχύτητα εκτύπωσης 60 mm/s, απόσταση θραύσης 1,5 mm και μάκτρο Serilor με σκληρότητα 65 (για μέταλλο και αντίσταση στρώσεις) ή 75 (για διηλεκτρικές στρώσεις) για μεταξοτυπία.
Τα αγώγιμα στρώματα —οι επαγωγείς και οι επαφές των πυκνωτών και των αντιστάσεων— εκτυπώνονται με DuPont 5082 ή DuPont 5064H ασημένιο μελάνι microflake. Η αντίσταση εκτυπώνεται με αγωγό άνθρακα DuPont 7082. Για τον πυκνωτή διηλεκτρικό διηλεκτρικό διηλεκτρικό ti101 χρησιμοποιείται.Κάθε στρώμα διηλεκτρικού παράγεται χρησιμοποιώντας έναν κύκλο εκτύπωσης δύο περασμάτων (υγρό-υγρό) για τη βελτίωση της ομοιομορφίας του φιλμ. Για κάθε συστατικό, εξετάστηκε η επίδραση πολλαπλών κύκλων εκτύπωσης στην απόδοση και τη μεταβλητότητα του εξαρτήματος. Δείγματα που έγιναν με πολλαπλές επιστρώσεις του ίδιου υλικού στέγνωσαν στους 70 °C για 2 λεπτά μεταξύ των επιστρώσεων. Μετά την εφαρμογή της τελευταίας στρώσης κάθε υλικού, τα δείγματα ψήθηκαν στους 140 °C για 10 λεπτά για να εξασφαλιστεί πλήρες στέγνωμα. Η λειτουργία αυτόματης ευθυγράμμισης της οθόνης Ο εκτυπωτής χρησιμοποιείται για την ευθυγράμμιση των επόμενων στρωμάτων. Η επαφή με το κέντρο του επαγωγέα επιτυγχάνεται με την κοπή μιας διαμπερούς οπής στο κεντρικό μαξιλαράκι και τα ίχνη εκτύπωσης στένσιλ στο πίσω μέρος του υποστρώματος με μελάνι DuPont 5064H. Η διασύνδεση μεταξύ του εξοπλισμού εκτύπωσης χρησιμοποιεί επίσης Dupont Εκτύπωση στένσιλ 5064H. Προκειμένου να εμφανιστούν τα τυπωμένα εξαρτήματα και τα εξαρτήματα SMT στο εύκαμπτο PCB που φαίνεται στην Εικόνα 7, τα τυπωμένα εξαρτήματα συνδέονται με αγώγιμο εποξειδικό Circuit Works CW2400 και τα εξαρτήματα SMT συνδέονται με παραδοσιακή συγκόλληση.
Οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου (LCO) και ηλεκτρόδια με βάση τον γραφίτη χρησιμοποιούνται ως κάθοδος και άνοδος της μπαταρίας, αντίστοιχα. Ο πολτός καθόδου είναι ένα μείγμα από 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% γραφίτη (KS6, Timcal), 2,5 % αιθάλη (Super P, Timcal) και 10% φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF, Kureha Corp.). ) Η άνοδος είναι ένα μείγμα από 84wt% γραφίτη, 4wt% αιθάλη και 13wt% PVDF. Η Ν-Μεθυλ-2-πυρρολιδόνη (NMP, Sigma Aldrich) χρησιμοποιείται για τη διάλυση του συνδετικού PVDF και τη διασπορά του πολτού. Ο πολτός ομογενοποιήθηκε με αναδεύοντας με μίξερ vortex όλη τη νύχτα. Ένα φύλλο από ανοξείδωτο χάλυβα πάχους 0,0005 ιντσών και ένα φύλλο νικελίου 10 μm χρησιμοποιούνται ως συλλέκτες ρεύματος για την κάθοδο και την άνοδο, αντίστοιχα. Το μελάνι τυπώνεται στον τρέχοντα συλλέκτη με μάκτρο με ταχύτητα εκτύπωσης 20 mm/s. Θερμάνετε το ηλεκτρόδιο σε φούρνο στους 80 °C για 2 ώρες για να αφαιρέσετε τον διαλύτη. Το ύψος του ηλεκτροδίου μετά την ξήρανση είναι περίπου 60 μm και με βάση το βάρος του ενεργού υλικού, η θεωρητική χωρητικότητα είναι 1,65 mAh /cm2.Τα ηλεκτρόδια κόπηκαν σε διαστάσεις 1,3 × 1,3 cm2 και θερμάνθηκαν σε φούρνο κενού στους 140°C όλη τη νύχτα, και στη συνέχεια σφραγίστηκαν με σακούλες laminate από αλουμίνιο σε ένα ντουλαπάκι γεμάτο με άζωτο. Ένα διάλυμα βάσης φιλμ πολυπροπυλενίου με άνοδος και κάθοδος και 1M LiPF6 σε EC/DEC (1:1) χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης μπαταρίας.
Το πράσινο OLED αποτελείται από πολυ(9,9-διοκτυλφθορενο-συν-n-(4-βουτυλφαινυλ)-διφαινυλαμίνη) (TFB) και πολυ((9,9-διοκτυλφθορενο-2,7- (2,1,3-βενζοθειαδιαζόλη- 4, 8-διυλ)) (F8BT) σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφεται στο Lochner et al.
Χρησιμοποιήστε το προφίλτρο γραφίδας Dektak για να μετρήσετε το πάχος του φιλμ. Το φιλμ κόπηκε για να προετοιμαστεί ένα δείγμα διατομής για διερεύνηση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Το πιστόλι εκπομπής πεδίου 3D FEI Quanta (FEG) SEM χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της δομής του εκτυπωμένου φιλμ και επιβεβαιώστε τη μέτρηση πάχους. Η μελέτη SEM διεξήχθη σε τάση επιτάχυνσης 20 keV και τυπική απόσταση εργασίας 10 mm.
Χρησιμοποιήστε ένα ψηφιακό πολύμετρο για τη μέτρηση της αντίστασης, της τάσης και του ρεύματος συνεχούς ρεύματος. Η αντίσταση AC των πηνίων, των πυκνωτών και των κυκλωμάτων μετράται χρησιμοποιώντας μετρητή Agilent E4980 LCR για συχνότητες κάτω από 1 MHz και ο αναλυτής δικτύου Agilent E5061A χρησιμοποιείται για τη μέτρηση συχνοτήτων άνω των 500 kH. Παλμογράφος Tektronix TDS 5034 για τη μέτρηση της κυματομορφής του ρυθμιστή τάσης.
Πώς να αναφέρετε αυτό το άρθρο: Ostfeld, AE, κ.λπ. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next ubiquitous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Ένα μέρος όπου οι ομάδες συναντούν τους ανθρώπους. Έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Ευρωπαϊκό Συνέδριο και Έκθεση 2015 για Σχεδιασμό, Αυτοματισμό και Δοκιμές, Γκρενόμπλ, Γαλλία. Σαν Χοσέ, Καλιφόρνια: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Μαρτίου- 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, τυπωμένες AC συσκευές συλλογής πιεζοηλεκτρικής ενέργειας. Προηγμένα ενεργειακά υλικά.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW γεννήτρια θερμοηλεκτρικής ενέργειας επίπεδης παχύρρευστης μεμβράνης εκτυπωμένης με διανομέα. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Μια ευέλικτη τυπωμένη μπαταρία υψηλών δυνατοτήτων που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία εκτυπωμένων ηλεκτρονικών συσκευών. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Οι τελευταίες εξελίξεις στις τυπωμένες ευέλικτες μπαταρίες: μηχανικές προκλήσεις, τεχνολογία εκτύπωσης και μελλοντικές προοπτικές. Energy technology.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. κ.λπ. Ένα σύστημα ανίχνευσης μεγάλης κλίμακας που συνδυάζει ηλεκτρονικές συσκευές μεγάλης περιοχής και IC CMOS για δομική παρακολούθηση της υγείας. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).