новини

Добавките и процесите на нискотемпературен печат могат да интегрират различни енергоемки и енергоемки електронни устройства върху гъвкави субстрати на ниска цена. Въпреки това, производството на цялостни електронни системи от тези устройства обикновено изисква захранващи електронни устройства за преобразуване между различните работни напрежения на устройствата. Пасивните компоненти – индуктори, кондензатори и резистори – изпълняват функции като филтриране, краткотрайно съхранение на енергия и измерване на напрежението, които са от съществено значение в силовата електроника и много други приложения. В тази статия представяме индуктори, кондензатори, резистори и RLC вериги, отпечатани със ситопечат върху гъвкави пластмасови субстрати, и докладват процеса на проектиране за минимизиране на серийното съпротивление на индукторите, така че да могат да се използват в силови електронни устройства. След това отпечатаните индуктор и резистор се включват във веригата на регулатора на усилване. Производство на органични светодиоди и гъвкави литиево-йонни батерии. Регулаторите на напрежението се използват за захранване на диодите от батерията, демонстрирайки потенциала на отпечатаните пасивни компоненти да заменят традиционните компоненти за повърхностен монтаж в DC-DC конверторни приложения.
През последните години беше разработено приложението на различни гъвкави устройства в носими и големи електронни продукти и Интернет на нещата1,2. Те включват устройства за събиране на енергия, като фотоволтаични 3, пиезоелектрични 4 и термоелектрически 5; устройства за съхранение на енергия, като батерии 6, 7; и устройства, консумиращи енергия, като сензори 8, 9, 10, 11, 12 и източници на светлина 13. Въпреки че е постигнат голям напредък в отделните енергийни източници и товари, комбинирането на тези компоненти в цялостна електронна система обикновено изисква силова електроника за преодоляване на всяко несъответствие между поведението на електрозахранването и изискванията за натоварване. Например батерията генерира променливо напрежение според състоянието си на зареждане. Ако товарът изисква постоянно напрежение или по-високо от напрежението, което батерията може да генерира, е необходима силова електроника Силовата електроника използва активни компоненти (транзистори) за извършване на превключващи и контролни функции, както и пасивни компоненти (бобини, кондензатори и резистори). Например във верига на превключващ регулатор индукторът се използва за съхраняване на енергия по време на всеки цикъл на превключване , се използва кондензатор за намаляване на пулсациите на напрежението, а измерването на напрежението, необходимо за контрол на обратната връзка, се извършва с помощта на резисторен делител.
Захранващите електронни устройства, които са подходящи за носими устройства (като пулсов оксиметър 9), изискват няколко волта и няколко милиампера, обикновено работят в честотния диапазон от стотици kHz до няколко MHz и изискват няколко μH и няколко μH индуктивност и Капацитетът μF е 14 съответно. Традиционният метод за производство на тези схеми е за запояване на отделни компоненти към твърда печатна платка (PCB). Въпреки че активните компоненти на силовите електронни схеми обикновено се комбинират в една силиконова интегрална схема (IC), пасивните компоненти обикновено се външни, или позволяващи персонализирани вериги, или защото изискваната индуктивност и капацитет са твърде големи, за да бъдат внедрени в силиций.
В сравнение с традиционната производствена технология, базирана на печатни платки, производството на електронни устройства и вериги чрез адитивния печатен процес има много предимства по отношение на простотата и разходите. Първо, тъй като много компоненти на веригата изискват едни и същи материали, като метали за контакти и взаимовръзки, печатът позволява да се произвеждат множество компоненти едновременно, с относително малко стъпки на обработка и по-малко източници на материали15. Използването на адитивни процеси за заместване на субтрактивни процеси като фотолитография и ецване допълнително намалява сложността на процеса и материалните отпадъци16, 17, 18 и 19. Освен това ниските температури, използвани при печатане, са съвместими с гъвкави и евтини пластмасови субстрати, което позволява използването на високоскоростни производствени процеси от ролка до ролка за покриване на електронни устройства 16, 20 върху големи площи. За приложения които не могат да бъдат напълно реализирани с отпечатани компоненти, са разработени хибридни методи, при които компонентите на технологията за повърхностен монтаж (SMT) са свързани към гъвкави субстрати 21, 22, 23 до отпечатаните компоненти при ниски температури. В този хибриден подход все още е е необходимо да се заменят възможно най-много SMT компоненти с печатни двойници, за да се извлекат ползите от допълнителните процеси и да се увеличи цялостната гъвкавост на веригата. За да реализираме гъвкава силова електроника, ние предложихме комбинация от SMT активни компоненти и пасивни със ситопечат компоненти, със специален акцент върху замяната на обемисти SMT индуктори с планарни спирални индуктори. Сред различните технологии за производство на печатна електроника, ситопечатът е особено подходящ за пасивни компоненти поради голямата дебелина на филма (което е необходимо за минимизиране на серийното съпротивление на метални елементи ) и висока скорост на печат, дори когато покривате области с ниво на сантиметър. Същото е вярно понякога.Материал 24.
Загубата на пасивни компоненти на силово електронно оборудване трябва да бъде сведена до минимум, тъй като ефективността на веригата пряко влияе върху количеството енергия, необходимо за захранване на системата. Това е особено предизвикателство за печатните индуктори, съставени от дълги бобини, които следователно са податливи на високи серии Следователно, въпреки че са положени някои усилия за минимизиране на съпротивлението 25, 26, 27, 28 на печатните намотки, все още има липса на високоефективни печатни пасивни компоненти за силови електронни устройства. Към днешна дата много докладвани печатни пасивни компонентите върху гъвкави субстрати са проектирани да работят в резонансни вериги за радиочестотна идентификация (RFID) или за целите на събиране на енергия 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Други се фокусират върху развитието на материала или производствения процес и показват общи компоненти 26, 32, 33, 34, които не са оптимизирани за специфични приложения. За разлика от тях силовите електронни вериги като регулатори на напрежение често използват по-големи компоненти от типичните печатни пасивни устройства и не изискват резонанс, така че са необходими различни дизайни на компоненти.
Тук представяме дизайна и оптимизирането на ситопечатни индуктори в диапазона μH, за да постигнем най-малкото серийно съпротивление и висока производителност при честоти, свързани със силова електроника. Произвеждат се ситопечатни индуктори, кондензатори и резистори с различни стойности на компонентите върху гъвкави пластмасови субстрати. Пригодността на тези компоненти за гъвкави електронни продукти беше демонстрирана за първи път в проста RLC верига. Печатният индуктор и резистор след това се интегрират с IC, за да образуват регулатор на усилване. Накрая, органичен диод, излъчващ светлина (OLED ) и гъвкава литиево-йонна батерия се произвеждат и се използва регулатор на напрежението за захранване на OLED от батерията.
За да проектираме печатни индуктори за силова електроника, първо прогнозирахме индуктивността и постояннотоковото съпротивление на серия от геометрии на индуктори въз основа на текущия листов модел, предложен в Mohan et al. 35 и изработени индуктори с различни геометрии, за да се потвърди точността на модела. В тази работа е избрана кръгла форма за индуктора, тъй като може да се постигне по-висока индуктивност 36 с по-ниско съпротивление в сравнение с многоъгълна геометрия. Влиянието на мастилото типът и броят на печатните цикли на съпротивлението се определят. След това тези резултати бяха използвани с модела на амперметъра за проектиране на индуктори от 4,7 μH и 7,8 μH, оптимизирани за минимално съпротивление на постоянен ток.
Индуктивността и постояннотоковото съпротивление на спиралните индуктори могат да бъдат описани чрез няколко параметъра: външен диаметър do, ширина на навивка w и разстояние s, брой навивки n и съпротивление на проводниковия лист Rsheet. Фигура 1а показва снимка на отпечатан на копринен екран кръгъл индуктор с n = 12, показващ геометричните параметри, които определят неговата индуктивност. Според амперметърния модел на Mohan et al. 35, индуктивността се изчислява за серия от геометрии на индуктор, където
(a) Снимка на отпечатания индуктор, показваща геометричните параметри. Диаметърът е 3 cm. Индуктивност (b) и постояннотоково съпротивление (c) на различни геометрии на индуктора. Линиите и знаците съответстват съответно на изчислени и измерени стойности. (d, e) DC съпротивленията на индукторите L1 и L2 са ситоотпечатани съответно със сребърни мастила Dupont 5028 и 5064H. (f, g) SEM микрографии на филмите, отпечатани съответно от Dupont 5028 и 5064H.
При високи честоти скин-ефектът и паразитният капацитет ще променят съпротивлението и индуктивността на индуктора според неговата DC стойност. Очаква се индукторът да работи при достатъчно ниска честота, така че тези ефекти да са незначителни и устройството се държи като постоянна индуктивност с постоянно съпротивление в серия. Следователно в тази работа анализирахме връзката между геометричните параметри, индуктивността и съпротивлението на постоянен ток и използвахме резултатите, за да получим дадена индуктивност с най-малкото съпротивление на постоянен ток.
Индуктивността и съпротивлението се изчисляват за поредица от геометрични параметри, които могат да бъдат реализирани чрез ситопечат, и се очаква да се генерира индуктивност в диапазона μH. Външните диаметри от 3 и 5 cm, широчината на линията от 500 и 1000 микрона , и се сравняват различни навивки. При изчислението се приема, че съпротивлението на листа е 47 mΩ/□, което съответства на 7 μm дебел проводник от сребърни микролюспи Dupont 5028, отпечатан с 400 меша сито и настройка w = s. изчислените стойности на индуктивност и съпротивление са показани съответно на Фигура 1b и c. Моделът предвижда, че и индуктивността, и съпротивлението се увеличават с увеличаване на външния диаметър и броя на навивките или с намаляване на ширината на линията.
За да се оцени точността на прогнозите на модела, индуктори с различни геометрии и индуктивности бяха произведени върху субстрат от полиетилен терефталат (PET). Измерените стойности на индуктивност и съпротивление са показани на фигура 1b и c. Въпреки че съпротивлението показва известно отклонение от очакваната стойност, главно поради промените в дебелината и еднородността на отложеното мастило, индуктивността показа много добро съответствие с модела.
Тези резултати могат да се използват за проектиране на индуктор с необходимата индуктивност и минимално постоянно съпротивление. Например, да предположим, че е необходима индуктивност от 2 μH. Фигура 1b показва, че тази индуктивност може да бъде реализирана с външен диаметър от 3 cm, ширина на линията от 500 μm и 10 навивки. Същата индуктивност може да се генерира и при използване на 5 cm външен диаметър, 500 μm ширина на линията и 5 навивки или 1000 μm ширина на линията и 7 навивки (както е показано на фигурата). Сравняване на съпротивленията на тези три възможни геометрии на фигура 1c, може да се установи, че най-ниското съпротивление на 5 cm индуктор с ширина на линията 1000 μm е 34 Ω, което е около 40% по-ниско от другите две. Общият процес на проектиране за постигане на дадена индуктивност с минимално съпротивление се обобщава, както следва: Първо, изберете максималния допустим външен диаметър според пространствените ограничения, наложени от приложението. След това ширината на линията трябва да бъде възможно най-голяма, като същевременно се постига необходимата индуктивност, за да се получи висока степен на запълване (уравнение (3)).
Чрез увеличаване на дебелината или използване на материал с по-висока проводимост за намаляване на листовото съпротивление на металния филм, DC съпротивлението може да бъде намалено допълнително, без да се засяга индуктивността. Два индуктора, чиито геометрични параметри са дадени в таблица 1, наречени L1 и L2, се произвеждат с различен брой покрития, за да се оцени промяната в съпротивлението. Тъй като броят на мастилените покрития се увеличава, съпротивлението намалява пропорционално, както се очаква, както е показано на фигури 1d и e, които са съответно индуктори L1 и L2. Фигури 1d и e показват, че чрез нанасяне на 6 слоя покритие устойчивостта може да бъде намалена до 6 пъти, а максималното намаляване на устойчивостта (50-65%) се получава между слой 1 и слой 2. Тъй като всеки слой мастило е относително тънък, екран със сравнително малък размер на мрежата (400 реда на инч) се използва за отпечатване на тези индуктори, което ни позволява да изследваме ефекта от дебелината на проводника върху съпротивлението. Докато характеристиките на шаблона остават по-големи от минималната разделителна способност на мрежата, подобна дебелина (и съпротивление) може да се постигне по-бързо чрез отпечатване на по-малък брой покрития с по-голям размер на мрежата. Този метод може да се използва за постигане на същото съпротивление при постоянен ток като индуктора с 6 покрития, обсъждан тук, но с по-висока производствена скорост.
Фигури 1d и e показват също, че чрез използването на по-проводимото мастило със сребърни люспи DuPont 5064H съпротивлението е намалено с коефициент два. От SEM микрографи на филмите, отпечатани с двете мастила (Фигура 1f, g), може да се се вижда, че по-ниската проводимост на мастилото 5028 се дължи на по-малкия размер на частиците му и наличието на много кухини между частиците в отпечатания филм. От друга страна, 5064H има по-големи, по-тясно подредени люспи, което го прави по-близко до мастилото сребро. Въпреки че филмът, произведен от това мастило, е по-тънък от мастилото 5028, с един слой от 4 μm и 6 слоя от 22 μm, увеличението на проводимостта е достатъчно, за да намали общото съпротивление.
И накрая, въпреки че индуктивността (уравнение (1)) зависи от броя на навивките (w + s), съпротивлението (уравнение (5)) зависи само от ширината на линията w. Следователно, чрез увеличаване на w спрямо s, съпротивлението могат да бъдат допълнително намалени. Двата допълнителни индуктора L3 и L4 са проектирани да имат w = 2s и голям външен диаметър, както е показано в таблица 1. Тези индуктори са произведени с 6 слоя покритие DuPont 5064H, както е показано по-рано, за да осигурят най-висока производителност. Индуктивността на L3 е 4,720 ± 0,002 μH и съпротивлението е 4,9 ± 0,1 Ω, докато индуктивността на L4 е 7,839 ± 0,005 μH и 6,9 ± 0,1 Ω, които са в добро съответствие с прогнозата на модела. Поради увеличаване на дебелината, проводимостта и w/s, това означава, че съотношението L/R се е увеличило с повече от един порядък спрямо стойността на фигура 1.
Въпреки че ниското съпротивление на постоянен ток е обещаващо, оценката на пригодността на индукторите за силово електронно оборудване, работещо в диапазона kHz-MHz, изисква характеризиране при AC честоти. Фигура 2а показва честотната зависимост на съпротивлението и реактивното съпротивление на L3 и L4. За честоти под 10 MHz , съпротивлението остава приблизително постоянно при своята DC стойност, докато реактивното съпротивление нараства линейно с честотата, което означава, че индуктивността е постоянна, както се очаква. Саморезонансната честота се определя като честотата, при която импедансът се променя от индуктивен към капацитивен, с L3 е 35,6 ± 0,3 MHz, а L4 е 24,3 ± 0,6 MHz. Честотната зависимост на качествения фактор Q (равна на ωL/R) е показана на фигура 2b. L3 и L4 постигат максимални качествени фактори от 35 ± 1 и 33 ± 1 при честоти съответно 11 и 16 MHz. Индуктивността от няколко μH и относително високото Q при честоти MHz правят тези индуктори достатъчни, за да заменят традиционните индуктори за повърхностен монтаж в DC-DC преобразуватели с ниска мощност.
Измереното съпротивление R и реактивно съпротивление X (a) и качествен фактор Q (b) на индукторите L3 и L4 са свързани с честотата.
За да се сведе до минимум отпечатъкът, необходим за даден капацитет, най-добре е да се използва кондензаторна технология с голям специфичен капацитет, който е равен на диелектричната константа ε, разделена на дебелината на диелектрика. В тази работа ние избрахме композитен бариев титанат като диелектрик, тъй като има по-висок епсилон от други органични диелектрици, обработени с разтвор. Диелектричният слой е ситопечат между двата сребърни проводника, за да образува структура метал-диелектрик-метал. Кондензатори с различни размери в сантиметри, както е показано на фигура 3a , се произвеждат с помощта на два или три слоя диелектрично мастило, за да се поддържа добър добив. Фигура 3b показва напречно сечение на SEM микроснимка на представителен кондензатор, направен с два слоя диелектрик, с обща дебелина на диелектрика от 21 μm. Горният и долният електроди са съответно еднослойни и шестслойни 5064H. Частиците бариев титанат с микронни размери се виждат в SEM изображението, тъй като по-светлите зони са заобиколени от по-тъмното органично свързващо вещество. Диелектричното мастило намокря добре долния електрод и образува ясен интерфейс с отпечатан метален филм, както е показано на илюстрацията с по-голямо увеличение.
(a) Снимка на кондензатор с пет различни области. (b) Напречно сечение SEM микроснимка на кондензатор с два слоя диелектрик, показващ диелектрик от бариев титанат и сребърни електроди. (c) Капацитет на кондензатори с 2 и 3 бариев титанат диелектрични слоеве и различни области, измерени при 1 MHz. (d) Връзката между капацитета, ESR и фактора на загуба на 2,25 cm2 кондензатор с 2 слоя диелектрични покрития и честота.
Капацитетът е пропорционален на очакваната площ. Както е показано на фигура 3c, специфичният капацитет на двуслойния диелектрик е 0,53 nF/cm2, а специфичният капацитет на трислойния диелектрик е 0,33 nF/cm2. Тези стойности съответстват на диелектрична константа от 13. капацитетът и коефициентът на разсейване (DF) също бяха измерени при различни честоти, както е показано на фигура 3d, за 2,25 cm2 кондензатор с два слоя диелектрик. Установихме, че капацитетът е относително плосък в честотния диапазон от интерес, увеличавайки се с 20% от 1 до 10 MHz, докато в същия диапазон DF се увеличава от 0,013 на 0,023. Тъй като коефициентът на разсейване е съотношението на загубата на енергия към енергията, съхранена във всеки AC цикъл, DF от 0,02 означава, че 2% от управляваната мощност от кондензатора се консумира. Тази загуба обикновено се изразява като зависимото от честотата еквивалентно серийно съпротивление (ESR) последователно с кондензатора, което е равно на DF/ωC. Както е показано на фигура 3d, за честоти, по-големи от 1 MHz, ESR е по-нисък от 1,5 Ω, а за честоти, по-големи от 4 MHz, ESR е по-нисък от 0,5 Ω. Въпреки че използват тази кондензаторна технология, кондензаторите на ниво μF, необходими за DC-DC преобразуватели, изискват много голяма площ, но 100 pF-nF обхватът на капацитета и ниската загуба на тези кондензатори ги правят подходящи за други приложения, като филтри и резонансни вериги. Могат да се използват различни методи за увеличаване на капацитета. По-високата диелектрична константа увеличава специфичния капацитет 37; например, това може да се постигне чрез увеличаване на концентрацията на частици бариев титанат в мастилото. Може да се използва по-малка дебелина на диелектрика, въпреки че това изисква долен електрод с по-ниска грапавост от ситопечатната сребърна люспа. По-тънък кондензатор с по-ниска грапавост слоевете могат да бъдат нанесени чрез мастиленоструен печат 31 или дълбок печат 10, които могат да се комбинират с процес на ситопечат. Накрая, множество редуващи се слоеве от метал и диелектрик могат да бъдат подредени и отпечатани и свързани паралелно, като по този начин се увеличава капацитетът 34 на единица площ .
Делител на напрежение, съставен от двойка резистори, обикновено се използва за извършване на измерване на напрежението, необходимо за контрол на обратната връзка на регулатор на напрежение. За този тип приложение съпротивлението на отпечатания резистор трябва да бъде в диапазона kΩ-MΩ и разликата между устройствата са малки. Тук беше установено, че листовото съпротивление на еднослойното ситопечатно въглеродно мастило е 900 Ω/□. Тази информация се използва за проектиране на два линейни резистора (R1 и R2) и змиевиден резистор (R3 ) с номинални съпротивления от 10 kΩ, 100 kΩ и 1,5 MΩ. Съпротивлението между номиналните стойности се постига чрез отпечатване на два или три слоя мастило, както е показано на фигура 4, и снимки на трите съпротивления. Направете 8- 12 проби от всеки тип; във всички случаи стандартното отклонение на съпротивлението е 10% или по-малко. Промяната на съпротивлението на проби с два или три слоя покритие има тенденция да бъде малко по-малка от тази на пробите с един слой покритие. Малката промяна в измереното съпротивление и близкото съответствие с номиналната стойност показват, че други съпротивления в този диапазон могат да бъдат получени директно чрез модифициране на геометрията на резистора.
Три различни геометрии на резистора с различен брой покрития с въглеродно резистивно мастило. Снимката на три резистора е показана вдясно.
RLC веригите са класически учебни примери за комбинации от резистор, индуктор и кондензатор, използвани за демонстриране и проверка на поведението на пасивни компоненти, интегрирани в реални печатни схеми. В тази схема индуктор 8 μH и кондензатор 0,8 nF са свързани последователно и 25 kΩ резистор е свързан паралелно с тях. Снимката на гъвкавата верига е показана на фигура 5a. Причината за избора на тази специална последователно-паралелна комбинация е, че нейното поведение се определя от всеки от трите различни честотни компонента, така че производителността на всеки компонент може да бъде подчертана и оценена. Като се има предвид серийното съпротивление от 7 Ω на индуктора и 1,3 Ω ESR на кондензатора, очакваната честотна характеристика на веригата беше изчислена. Схемата на веригата е показана на фигура 5b и изчислената амплитудата и фазата на импеданса и измерените стойности са показани на фигури 5c и d. При ниски честоти високият импеданс на кондензатора означава, че поведението на веригата се определя от резистора 25 kΩ. С увеличаването на честотата импедансът на пътят на LC намалява; цялото поведение на веригата е капацитивно, докато резонансната честота е 2,0 MHz. Над резонансната честота доминира индуктивният импеданс. Фигура 5 ясно показва отличното съответствие между изчислените и измерените стойности в целия честотен диапазон. Това означава, че използваният модел тук (където индукторите и кондензаторите са идеални компоненти с последователно съпротивление) е точен за прогнозиране на поведението на веригата при тези честоти.
(a) Снимка на ситопечатна RLC верига, която използва последователна комбинация от 8 μH индуктор и 0,8 nF кондензатор в паралел с резистор 25 kΩ. (b) Модел на верига, включително серийно съпротивление на индуктор и кондензатор. (c) ,d) Амплитудата на импеданса (c) и фазата (d) на веригата.
И накрая, отпечатаните индуктори и резистори са внедрени в усилващия регулатор. Използваната в тази демонстрация интегрална схема е Microchip MCP1640B14, който е базиран на PWM синхронен усилващ регулатор с работна честота 500 kHz. Схемата на веригата е показана на фигура 6a.A 4,7 μH индуктор и два кондензатора (4,7 μF и 10 μF) се използват като елементи за съхранение на енергия и двойка резистори се използват за измерване на изходното напрежение на управлението на обратната връзка. Изберете стойността на съпротивлението, за да регулирате изходното напрежение на 5 V. Веригата е произведена на печатна платка и нейната производителност се измерва в рамките на съпротивлението на натоварване и диапазона на входното напрежение от 3 до 4 V, за да се симулира литиево-йонната батерия в различни състояния на зареждане. Ефективността на печатните индуктори и резистори се сравнява с ефективност на SMT индуктори и резистори. SMT кондензатори се използват във всички случаи, тъй като капацитетът, необходим за това приложение, е твърде голям, за да бъде завършен с печатни кондензатори.
(a) Диаграма на верига за стабилизиране на напрежението. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw и (d) Форма на вълните на тока, протичащ в индуктора, входното напрежение е 4,0 V, съпротивлението на натоварване е 1 kΩ, и печатният индуктор се използва за измерване. За това измерване се използват резистори и кондензатори за повърхностен монтаж. (e) За различни съпротивления на натоварване и входни напрежения, ефективността на веригите на регулатора на напрежението, използващи всички компоненти за повърхностен монтаж и печатни индуктори и резистори. (f ) Коефициентът на ефективност на повърхностния монтаж и печатната схема, показан в (e).
За 4,0 V входно напрежение и 1000 Ω съпротивление на натоварване, вълновите форми, измерени с помощта на отпечатани индуктори, са показани на Фигура 6b-d. Фигура 6c показва напрежението на Vsw терминала на IC; напрежението на индуктора е Vin-Vsw. Фигура 6d показва тока, протичащ в индуктора. Ефективността на веригата със SMT и отпечатани компоненти е показана на фигура 6e като функция на входното напрежение и съпротивлението на натоварване, а фигура 6f показва коефициента на ефективност отпечатани компоненти към SMT компоненти. Ефективността, измерена с помощта на SMT компоненти, е подобна на очакваната стойност, дадена в информационния лист на производителя 14. При висок входен ток (ниско съпротивление на натоварване и ниско входно напрежение) ефективността на печатните индуктори е значително по-ниска от тази на SMT индукторите поради по-високото серийно съпротивление. Въпреки това, с по-високо входно напрежение и по-висок изходен ток, загубата на съпротивление става по-малко важна и производителността на печатните индуктори започва да се доближава до тази на SMT индукторите. За съпротивления на натоварване >500 Ω и Vin = 4,0 V или >750 Ω и Vin = 3,5 V, ефективността на печатните индуктори е по-голяма от 85% от SMT индукторите.
Сравняването на текущата форма на вълната на фигура 6d с измерената загуба на мощност показва, че загубата на съпротивление в индуктора е основната причина за разликата в ефективността между печатната схема и SMT веригата, както се очаква. Входната и изходната мощност, измерени при 4,0 V входното напрежение и съпротивлението на натоварване от 1000 Ω са 30,4 mW и 25,8 mW за вериги със SMT компоненти и 33,1 mW и 25,2 mW за вериги с печатни компоненти. Следователно загубата на печатната схема е 7,9 mW, което е с 3,4 mW по-високо от верига с SMT компоненти. RMS индукторният ток, изчислен от формата на вълната на фигура 6d, е 25,6 mA. Тъй като неговото серийно съпротивление е 4,9 Ω, очакваната загуба на мощност е 3,2 mW. Това е 96% от измерената 3,4 mW DC разлика в мощността. Освен това веригата е произведена с печатни индуктори и печатни резистори и печатни индуктори и SMT резистори, и не се наблюдава съществена разлика в ефективността между тях.
След това регулаторът на напрежението се изработва върху гъвкавата печатна платка (производителността на печатащата верига и SMT компонентите са показани на допълнителна фигура S1) и се свързва между гъвкавата литиево-йонна батерия като източник на захранване и OLED матрицата като товар. Според Lochner et al. 9 За производството на OLED всеки OLED пиксел консумира 0,6 mA при 5 V. Батерията използва литиево-кобалтов оксид и графит съответно като катод и анод и е произведена чрез нанасяне на покритие на ножа, което е най-разпространеният метод за печат на батерии.7 капацитетът на батерията е 16 mAh, а напрежението по време на теста е 4,0 V. Фигура 7 показва снимка на веригата на гъвкавата печатна платка, захранваща три OLED пиксела, свързани паралелно. Демонстрацията демонстрира потенциала на отпечатаните захранващи компоненти да бъдат интегрирани с други гъвкави и органични устройства за образуване на по-сложни електронни системи.
Снимка на веригата на регулатора на напрежение върху гъвкава печатна платка, използваща печатни индуктори и резистори, използвайки гъвкави литиево-йонни батерии за захранване на три органични светодиода.
Показахме ситопечатни индуктори, кондензатори и резистори с диапазон от стойности върху гъвкави PET субстрати, с цел замяна на компоненти за повърхностен монтаж в силово електронно оборудване. Показахме, че чрез проектиране на спирала с голям диаметър, скоростта на запълване , и съотношението ширина на линията към ширина на пространството и чрез използване на дебел слой мастило с ниско съпротивление. Тези компоненти са интегрирани в напълно отпечатана и гъвкава RLC верига и проявяват предвидимо електрическо поведение в честотния диапазон kHz-MHz, който е най-голям интерес към силовата електроника.
Типични случаи на използване на печатни захранващи електронни устройства са носими или интегрирани в продукта гъвкави електронни системи, захранвани от гъвкави акумулаторни батерии (като литиево-йонни), които могат да генерират променливи напрежения според състоянието на заряд. Ако товарът (включително печат и органично електронно оборудване) изисква постоянно напрежение или по-високо от изходното напрежение от батерията, необходим е регулатор на напрежението. Поради тази причина печатните индуктори и резистори са интегрирани с традиционни силициеви интегрални схеми в усилващ регулатор за захранване на OLED с постоянно напрежение от 5 V от захранване на батерия с променливо напрежение. В рамките на определен диапазон от ток на натоварване и входно напрежение, ефективността на тази верига надхвърля 85% от ефективността на управляваща верига, използваща индуктори и резистори за повърхностен монтаж. Въпреки материалните и геометрични оптимизации, резистивните загуби в индуктора все още са ограничаващият фактор за производителността на веригата при високи нива на ток (входящ ток, по-голям от около 10 mA). Въпреки това, при по-ниски токове, загубите в индуктора са намалени и цялостната производителност е ограничена от ефективността на IC. Тъй като много печатни и органични устройства изискват относително ниски токове, като например малките OLED, използвани в нашата демонстрация, печатните захранващи индуктори могат да се считат за подходящи за такива приложения. Чрез използване на IC, проектирани да имат най-висока ефективност при по-ниски нива на ток, може да се постигне по-висока обща ефективност на конвертора.
В тази работа регулаторът на напрежението е изграден върху традиционната печатна платка, гъвкава печатна платка и технология за запояване на компоненти за повърхностен монтаж, докато отпечатаният компонент се произвежда върху отделен субстрат. Но нискотемпературните мастила с висок вискозитет, използвани за производството на сито- отпечатаните филми трябва да позволяват пасивните компоненти, както и взаимовръзката между устройството и контактните подложки на компонента за повърхностен монтаж, да бъдат отпечатани върху всякакъв субстрат. Това, съчетано с използването на съществуващи нискотемпературни проводими лепила за компоненти за повърхностен монтаж, ще позволи цялата верига да бъде изградена върху евтини субстрати (като PET) без необходимост от субтрактивни процеси като ецване на печатни платки. Ето защо пасивните компоненти със ситопечат, разработени в тази работа, помагат да се проправи пътя за гъвкави електронни системи, които интегрират енергия и товари с високопроизводителна силова електроника, използвайки евтини субстрати, главно адитивни процеси и минимален брой компоненти за повърхностен монтаж.
С помощта на ситопринтер Asys ASP01M и сито от неръждаема стомана, предоставено от Dynamesh Inc., всички слоеве пасивни компоненти бяха ситоотпечатани върху гъвкав PET субстрат с дебелина 76 μm. Размерът на мрежата на металния слой е 400 линии на инч и 250 линии на инч за диелектричния слой и съпротивителния слой. Използвайте сила на чистачката от 55 N, скорост на печат 60 mm/s, разстояние на скъсване 1,5 mm и чистачка Serilor с твърдост 65 (за метал и резистивни слоеве) или 75 (за диелектрични слоеве) за ситопечат.
Проводимите слоеве – индукторите и контактите на кондензаторите и резисторите – са отпечатани с DuPont 5082 или DuPont 5064H сребърно микрофлейково мастило. Резисторът е отпечатан с въглероден проводник DuPont 7082. За диелектрика на кондензатора, проводимото съединение BT-101 бариев титанат диелектрик Използва се всеки слой диелектрик, като се използва цикъл на печат с две преминавания (мокро-мокро), за да се подобри равномерността на филма. За всеки компонент беше изследван ефектът от множество цикли на печат върху производителността и променливостта на компонента. Проби, направени с множество покрития от един и същи материал бяха изсушени при 70 °C за 2 минути между покритията. След нанасяне на последния слой от всеки материал, пробите бяха изпечени при 140 °C за 10 минути, за да се осигури пълно изсъхване. Функцията за автоматично подравняване на екрана принтерът се използва за подравняване на следващите слоеве. Контактът с центъра на индуктора се постига чрез изрязване на проходен отвор в централната подложка и следи за печат на шаблон върху гърба на субстрата с мастило DuPont 5064H. Взаимната връзка между печатащото оборудване също използва Dupont 5064H шаблонен печат. За да се покажат отпечатаните компоненти и SMT компонентите върху гъвкавата печатна платка, показана на фигура 7, отпечатаните компоненти са свързани с помощта на проводяща епоксидна смола Circuit Works CW2400, а SMT компонентите са свързани чрез традиционно запояване.
Като катод и анод на батерията се използват съответно литиево-кобалтов оксид (LCO) и електроди на основата на графит. Катодната суспензия е смес от 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% графит (KS6, Timcal), 2,5 % сажди (Super P, Timcal) и 10% поливинилиден флуорид (PVDF, Kureha Corp.). ) Анодът е смес от 84wt% графит, 4wt% сажди и 13wt% PVDF. N-метил-2-пиролидон (NMP, Sigma Aldrich) се използва за разтваряне на PVDF свързващото вещество и диспергиране на суспензията. Суспензията се хомогенизира чрез разбъркване с вихров миксер за една нощ. Фолио от неръждаема стомана с дебелина 0,0005 инча и 10 μm никелово фолио се използват като токоотводи съответно за катода и анода. Мастилото се отпечатва върху токоприемника с чистачка при скорост на печат 20 mm/s. Загрейте електрода в пещ при 80 °C в продължение на 2 часа, за да отстраните разтворителя. Височината на електрода след изсушаване е около 60 μm, а въз основа на теглото на активния материал теоретичният капацитет е 1,65 mAh /cm2. Електродите се нарязват на размери 1,3 × 1,3 cm2 и се нагряват във вакуумна пещ при 140°C за една нощ, след което се запечатват с торби от алуминиев ламинат в пълна с азот жабка. Разтвор на полипропиленов основен филм с анод и катод и 1M LiPF6 в EC/DEC (1:1) се използва като електролит на батерията.
Зеленият OLED се състои от поли(9,9-диоктилфлуорен-ко-н-(4-бутилфенил)-дифениламин) (TFB) и поли((9,9-диоктилфлуорен-2,7-(2,1,3-бензотиадиазол- 4, 8-диил)) (F8BT) съгласно процедурата, описана в Lochner et al.
Използвайте Dektak stylus profiler за измерване на дебелината на филма. Филмът е изрязан, за да се подготви проба от напречно сечение за изследване чрез сканираща електронна микроскопия (SEM). FEI Quanta 3D пистолет за емисии на поле (FEG) SEM се използва за характеризиране на структурата на отпечатания филм и потвърдете измерването на дебелината. SEM изследването е проведено при ускоряващо напрежение от 20 keV и типично работно разстояние от 10 mm.
Използвайте цифров мултицет за измерване на постоянно съпротивление, напрежение и ток. AC импедансът на индуктори, кондензатори и вериги се измерва с помощта на измервателен уред Agilent E4980 LCR за честоти под 1 MHz, а мрежовият анализатор Agilent E5061A се използва за измерване на честоти над 500 kHz. Осцилоскоп Tektronix TDS 5034 за измерване на формата на вълната на регулатора на напрежение.
Как да цитирам тази статия: Ostfeld, AE и др. Пасивни компоненти за ситопечат за гъвкаво захранващо електронно оборудване.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Гъвкава електроника: следващата повсеместна платформа. Процес IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Място, където групите се срещат с хора. Доклад, публикуван на Европейската конференция и изложба за дизайн, автоматизация и тестване през 2015 г., Гренобъл, Франция. Сан Хосе, Калифорния: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 март- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV демонстратор anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC печатни пиезоелектрични устройства за събиране на енергия. Усъвършенствани енергийни материали.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Отпечатан с диспенсър плосък дебел филм термоелектрически генератор на енергия.J. Микромеханика Микроинженерство 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Гъвкава печатна батерия с висок потенциал, използвана за захранване на печатни електронни устройства. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Най-новите разработки в печатните гъвкави батерии: механични предизвикателства, технология за печат и бъдещи перспективи. Енергийни технологии.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. и др. Мащабна сензорна система, която съчетава електронни устройства с голяма площ и CMOS IC за структурно наблюдение на здравето. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).