nyheter

Tack för att du besöker Nature. Webbläsarversionen du använder har begränsat stöd för CSS. För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en nyare version av webbläsaren (eller stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). Samtidigt , för att säkerställa fortsatt support kommer vi att visa webbplatser utan stilar och JavaScript.
Tillsatser och lågtemperaturutskriftsprocesser kan integrera olika energiförbrukande och energiförbrukande elektroniska enheter på flexibla substrat till låg kostnad. Men produktionen av kompletta elektroniska system från dessa enheter kräver vanligtvis kraftelektroniska enheter för att konvertera mellan de olika driftsspänningarna på enheterna.Passiva komponenter – induktorer, kondensatorer och resistorer – utför funktioner som filtrering, kortsiktig energilagring och spänningsmätning, som är väsentliga i kraftelektronik och många andra applikationer. I den här artikeln introducerar vi induktorer, kondensatorer, resistorer och RLC-kretsar screentryckta på flexibla plastsubstrat, och rapporterar designprocessen för att minimera serieresistansen hos induktorer så att de kan användas i kraftelektroniska enheter. Den tryckta induktorn och resistorn inkorporeras sedan i boost-regulatorkretsen. Tillverkning av organiska lysdioder och flexibla litiumjonbatterier. Spänningsregulatorer används för att driva dioderna från batteriet, vilket visar potentialen hos tryckta passiva komponenter för att ersätta traditionella ytmonterade komponenter i DC-DC-omvandlarapplikationer.
Under de senaste åren har tillämpningen av olika flexibla enheter i bärbara och stora elektroniska produkter och Internet of Things1,2 utvecklats. Dessa inkluderar energiskördande enheter, såsom solceller 3, piezoelektriska 4 och termoelektriska 5; energilagringsanordningar, såsom batterier 6, 7; och energiförbrukande anordningar, såsom sensorer 8, 9, 10, 11, 12 och ljuskällor 13. Även om stora framsteg har gjorts när det gäller individuella energikällor och belastningar, kräver att kombinera dessa komponenter till ett komplett elektroniskt system vanligtvis kraftelektronik för att övervinna eventuella missförhållanden mellan strömförsörjningsbeteende och belastningskrav. Till exempel genererar ett batteri en variabel spänning enligt dess laddningstillstånd. Om belastningen kräver en konstant spänning, eller högre än den spänning som batteriet kan generera, krävs kraftelektronik .Kraftelektronik använder aktiva komponenter (transistorer) för att utföra omkopplings- och styrfunktioner, såväl som passiva komponenter (induktorer, kondensatorer och motstånd). Till exempel, i en omkopplingsregulatorkrets, används en induktor för att lagra energi under varje omkopplingscykel , en kondensator används för att reducera spänningsrippel, och spänningsmätningen som krävs för återkopplingskontroll görs med hjälp av en motståndsdelare.
Kraftelektroniska enheter som är lämpliga för bärbara enheter (som pulsoximeter 9) kräver flera volt och flera milliampere, fungerar vanligtvis i frekvensområdet hundratals kHz till flera MHz, och kräver flera μH och flera μH induktans och Kapacitansen μF är 14 respektive. Den traditionella metoden för tillverkning av dessa kretsar är att löda diskreta komponenter till ett styvt kretskort (PCB). extern, antingen tillåter anpassade kretsar, eller för att den erforderliga induktansen och kapacitansen är för stor för att implementeras i kisel.
Jämfört med den traditionella PCB-baserade tillverkningstekniken har tillverkningen av elektroniska apparater och kretsar genom additiv tryckprocess många fördelar när det gäller enkelhet och kostnad. För det första, eftersom många komponenter i kretsen kräver samma material, såsom metaller för kontakter och sammankopplingar, gör utskrift att flera komponenter kan tillverkas samtidigt, med relativt få bearbetningssteg och färre materialkällor15. Användningen av additiva processer för att ersätta subtraktiva processer som fotolitografi och etsning minskar ytterligare processkomplexitet och materialspill16, 17, 18, och 19. Dessutom är de låga temperaturerna som används vid tryckning kompatibla med flexibla och billiga plastsubstrat, vilket möjliggör användning av höghastighets rulle-till-rulle-tillverkningsprocesser för att täcka elektroniska enheter 16, 20 över stora ytor. som inte kan realiseras fullt ut med tryckta komponenter, har hybridmetoder utvecklats där komponenter för ytmonteringsteknik (SMT) kopplas till flexibla substrat 21, 22, 23 bredvid de tryckta komponenterna vid låga temperaturer. I denna hybridmetod är det fortfarande nödvändigt att ersätta så många SMT-komponenter som möjligt med tryckta motsvarigheter för att erhålla fördelarna med ytterligare processer och öka kretsens övergripande flexibilitet. För att förverkliga flexibel kraftelektronik har vi föreslagit en kombination av SMT-aktiva komponenter och screentryckta passiva komponenter komponenter, med särskild tonvikt på att ersätta skrymmande SMT-induktorer med plana spiralinduktorer. Bland de olika teknologierna för tillverkning av tryckt elektronik är screentryck särskilt lämpligt för passiva komponenter på grund av dess stora filmtjocklek (vilket är nödvändigt för att minimera serieresistansen hos metalldetaljer ) och hög utskriftshastighet, även när den täcker områden på centimeternivå. Samma sak gäller ibland. Material 24.
Förlusten av passiva komponenter i kraftelektronikutrustning måste minimeras, eftersom kretsens effektivitet direkt påverkar mängden energi som krävs för att driva systemet. Detta är särskilt utmanande för tryckta induktorer som består av långa spolar, som därför är känsliga för höga serier Därför, även om vissa ansträngningar har gjorts för att minimera resistansen 25, 26, 27, 28 i de tryckta spolarna, finns det fortfarande en brist på högeffektiva tryckta passiva komponenter för kraftelektronikenheter. Hittills har många rapporterat tryckta passiva komponenter. komponenter på flexibla substrat är designade för att fungera i resonanskretsar för radiofrekvensidentifiering (RFID) eller energiskörd 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Andra fokuserar på material- eller tillverkningsprocessutveckling och visar generiska komponenter 26, 32, 33, 34 som inte är optimerade för specifika applikationer. Däremot använder kraftelektroniska kretsar som spänningsregulatorer ofta större komponenter än vanliga tryckta passiva enheter och kräver inte resonans, så olika komponentdesigner krävs.
Här introducerar vi design och optimering av screentryckta induktorer i μH-området för att uppnå minsta serieresistans och hög prestanda vid frekvenser relaterade till kraftelektronik. Skärmtryckta induktorer, kondensatorer och motstånd med olika komponentvärden tillverkas på flexibla plastsubstrat. Dessa komponenters lämplighet för flexibla elektroniska produkter demonstrerades först i en enkel RLC-krets. Den tryckta induktorn och resistorn integreras sedan med IC:n för att bilda en boostregulator. Slutligen en organisk ljusemitterande diod (OLED) ) och ett flexibelt litiumjonbatteri tillverkas, och en spänningsregulator används för att driva OLED från batteriet.
För att designa tryckta induktorer för kraftelektronik, förutspådde vi först induktansen och DC-resistansen för en serie induktorgeometrier baserade på den nuvarande arkmodellen som föreslagits i Mohan et al. 35, och tillverkade induktorer av olika geometrier för att bekräfta modellens noggrannhet. I detta arbete valdes en cirkulär form för induktorn eftersom en högre induktans 36 kan uppnås med ett lägre motstånd jämfört med en polygonal geometri. Inverkan av bläck Typ och antal utskriftscykler på resistans bestäms. Dessa resultat användes sedan med amperemetermodellen för att designa 4,7 μH och 7,8 μH induktorer optimerade för minsta DC-resistans.
Induktansen och likströmsresistansen hos spiralinduktorer kan beskrivas med flera parametrar: ytterdiameter do, varvbredd w och avstånd s, antal varv n och ledarskivans resistans Rsheet. Figur 1a visar ett foto av en silkescreentryckt cirkulär induktor med n = 12, vilket visar de geometriska parametrarna som bestämmer dess induktans. Enligt amperemetermodellen av Mohan et al. 35, beräknas induktansen för en serie induktorgeometrier, där
(a) Ett foto av den screentryckta induktorn som visar de geometriska parametrarna. Diametern är 3 cm. Induktans (b) och DC-resistans (c) för olika induktorgeometrier. Linjerna och markeringarna motsvarar beräknade respektive uppmätta värden. (d,e) DC-resistanserna för induktorerna L1 och L2 är screentryckta med Dupont 5028 respektive 5064H silverbläck. (f,g) SEM-mikrofotografier av filmerna screentryckta av Dupont 5028 respektive 5064H.
Vid höga frekvenser kommer hudeffekten och den parasitiska kapacitansen att ändra resistansen och induktansen hos induktorn i enlighet med dess DC-värde. Induktorn förväntas arbeta med en tillräckligt låg frekvens att dessa effekter är försumbara, och enheten beter sig som en konstant induktans med ett konstant motstånd i serie. Därför analyserade vi i detta arbete sambandet mellan geometriska parametrar, induktans och DC-resistans, och använde resultaten för att erhålla en given induktans med minsta DC-resistans.
Induktans och resistans beräknas för en serie geometriska parametrar som kan realiseras genom screentryck, och det förväntas att induktans i μH-området kommer att genereras. Ytterdiametrarna 3 och 5 cm, linjebredderna 500 och 1000 mikron , och olika varv jämförs. I beräkningen antas det att plåtresistansen är 47 mΩ/□, vilket motsvarar ett 7 μm tjockt Dupont 5028 silver microflake-ledarskikt tryckt med en 400 mesh skärm och inställningen w = s. beräknade induktans- och resistansvärden visas i figur 1b respektive c. Modellen förutspår att både induktans och resistans ökar när ytterdiametern och antalet varv ökar, eller när linjebredden minskar.
För att utvärdera noggrannheten i modellförutsägelser tillverkades induktorer med olika geometrier och induktanser på ett polyetylentereftalat (PET) substrat. De uppmätta induktans- och resistansvärdena visas i figur 1b och c. Även om motståndet visade en viss avvikelse från det förväntade värdet, främst beroende på förändringar i tjockleken och enhetligheten hos det avsatta bläcket, visade induktansen mycket god överensstämmelse med modellen.
Dessa resultat kan användas för att designa en induktans med den erforderliga induktansen och minsta DC-resistans. Anta till exempel att en induktans på 2 μH krävs. Figur 1b visar att denna induktans kan realiseras med en ytterdiameter på 3 cm, en linjebredd på 500 μm och 10 varv. Samma induktans kan också genereras med 5 cm ytterdiameter, 500 μm linjebredd och 5 varv eller 1000 μm linjebredd och 7 varv (som visas i figuren). Jämför motstånden för dessa tre varv möjliga geometrier i figur 1c, kan det konstateras att det lägsta motståndet för en 5 cm induktor med en linjebredd på 1000 μm är 34 Ω, vilket är cirka 40 % lägre än de andra två. Den allmänna designprocessen för att uppnå en given induktans med ett minimalt motstånd sammanfattas enligt följande: Välj först den maximalt tillåtna ytterdiametern enligt de utrymmesbegränsningar som tillämpas av applikationen. Sedan bör linjebredden vara så stor som möjligt samtidigt som den erforderliga induktansen uppnås för att få en hög fyllningsgrad (ekvation (3)).
Genom att öka tjockleken eller använda ett material med högre konduktivitet för att minska metallfilmens plåtresistans kan DC-resistansen minskas ytterligare utan att påverka induktansen.Två induktorer, vars geometriska parametrar anges i Tabell 1, kallade L1 och L2, tillverkas med olika antal beläggningar för att utvärdera förändringen i resistans. När antalet bläckbeläggningar ökar minskar resistansen proportionellt som förväntat, som visas i figur 1d och e, som är induktorerna L1 respektive L2.Figur 1d och e visa att genom att applicera 6 lager av beläggning kan motståndet minskas med upp till 6 gånger, och den maximala minskningen av motståndet (50-65%) sker mellan lager 1 och lager 2. Eftersom varje lager av bläck är relativt tunt, en skärm med en relativt liten rutstorlek (400 linjer per tum) används för att skriva ut dessa induktorer, vilket gör att vi kan studera effekten av ledartjocklek på resistansen. Så länge som mönsteregenskaperna förblir större än rutnätets minsta upplösning, liknande tjocklek (och motstånd) kan uppnås snabbare genom att skriva ut ett mindre antal beläggningar med en större rutstorlek. Denna metod kan användas för att uppnå samma DC-resistans som den 6-belagda induktorn som diskuteras här, men med en högre produktionshastighet.
Figurerna 1d och e visar också att genom att använda det mer ledande silverflake-bläcket DuPont 5064H reduceras motståndet med en faktor två. Från SEM-mikrofotografier av filmerna tryckta med de två bläcken (Figur 1f, g) kan det sett att den lägre konduktiviteten hos 5028-bläcket beror på dess mindre partikelstorlek och närvaron av många tomrum mellan partiklarna i den tryckta filmen. Å andra sidan har 5064H större, mer tätt anordnade flingor, vilket gör att den beter sig närmare bulk silver. Även om filmen som produceras av detta bläck är tunnare än 5028-bläcket, med ett enda lager på 4 μm och 6 lager på 22 μm, är ökningen av konduktiviteten tillräcklig för att minska det totala motståndet.
Slutligen, även om induktansen (ekvation (1)) beror på antalet varv (w + s), beror motståndet (ekvation (5)) endast på linjebredden w. Därför, genom att öka w relativt s, motståndet kan reduceras ytterligare. De två extra induktorerna L3 och L4 är designade att ha w = 2s och en stor ytterdiameter, som visas i tabell 1. Dessa induktorer är tillverkade med 6 lager av DuPont 5064H-beläggning, som visats tidigare, för att ge högsta prestanda. Induktansen för L3 är 4,720 ± 0,002 μH och resistansen är 4,9 ± 0,1 Ω, medan induktansen för L4 är 7,839 ± 0,005 μH och 6,9 ± 0,1 Ω, vilket stämmer väl överens med modellen. ökning i tjocklek, konduktivitet och w/s betyder detta att L/R-förhållandet har ökat med mer än en storleksordning i förhållande till värdet i figur 1.
Även om låg likströmsresistans är lovande, kräver utvärdering av lämpligheten av induktorer för kraftelektronik som arbetar i kHz-MHz-området karakterisering vid AC-frekvenser. Figur 2a visar frekvensberoendet för resistansen och reaktansen hos L3 och L4. För frekvenser under 10 MHz , förblir resistansen ungefär konstant vid sitt DC-värde, medan reaktansen ökar linjärt med frekvensen, vilket innebär att induktansen är konstant som förväntat. Den självresonansfrekvensen definieras som den frekvens vid vilken impedansen ändras från induktiv till kapacitiv, med L3 är 35,6 ± 0,3 MHz och L4 är 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvensberoendet för kvalitetsfaktorn Q (lika med ωL/R) visas i figur 2b. L3 och L4 uppnår maximala kvalitetsfaktorer på 35 ± 1 och 33 ± 1 vid frekvenser på 11 respektive 16 MHz. Induktansen på några μH och den relativt höga Q vid MHz-frekvenserna gör att dessa induktorer är tillräckliga för att ersätta traditionella ytmonterade induktorer i lågeffekts DC-DC-omvandlare.
Den uppmätta resistansen R och reaktansen X (a) och kvalitetsfaktorn Q (b) för induktorerna L3 och L4 är relaterade till frekvensen.
För att minimera det fotavtryck som krävs för en given kapacitans är det bäst att använda kondensatorteknik med en stor specifik kapacitans, som är lika med dielektricitetskonstanten ε dividerat med dielektrikumets tjocklek. I detta arbete valde vi bariumtitanatkomposit som dielektrikum eftersom det har en högre epsilon än andra lösningsbearbetade organiska dielektrika. Det dielektriska skiktet är screentryckt mellan de två silverledarna för att bilda en metall-dielektrisk-metallstruktur.Kondensatorer med olika storlekar i centimeter, som visas i figur 3a , tillverkas med två eller tre lager dielektriskt bläck för att bibehålla god avkastning. Figur 3b visar ett tvärsnitts SEM-mikrofotografi av en representativ kondensator gjord med två lager dielektrisk, med en total dielektrisk tjocklek på 21 μm. Topp- och bottenelektroderna är ettskikts respektive sexskikts 5064H. Bariumtitanatpartiklar i mikrostorlek är synliga i SEM-bilden eftersom de ljusare områdena omges av det mörkare organiska bindemedlet. Det dielektriska bläcket väter bottenelektroden väl och bildar ett tydligt gränssnitt med tryckt metallfilm, som visas i illustrationen med högre förstoring.
(a) Ett foto av en kondensator med fem olika områden. (b) Tvärsnitts-SEM-mikrofotografi av en kondensator med två lager dielektrikum, som visar bariumtitanat-dielektriska och silverelektroder. (c) Kapacitanser för kondensatorer med 2 och 3 bariumtitanat dielektriska skikt och olika områden, mätt vid 1 MHz.(d) Förhållandet mellan kapacitansen, ESR och förlustfaktorn för en 2,25 cm2 kondensator med 2 skikt av dielektriska beläggningar och frekvens.
Kapacitansen är proportionell mot den förväntade arean. Som visas i figur 3c är den specifika kapacitansen för tvåskiktsdielektrikumet 0,53 nF/cm2, och den specifika kapacitansen för treskiktsdielektrikumet är 0,33 nF/cm2. Dessa värden motsvarar en dielektricitetskonstant på 13. kapacitans och dissipationsfaktor (DF) mättes också vid olika frekvenser, som visas i figur 3d, för en 2,25 cm2 kondensator med två lager dielektrikum. Vi fann att kapacitansen var relativt platt i det aktuella frekvensområdet och ökade med 20 % från 1 till 10 MHz, medan DF i samma intervall ökade från 0,013 till 0,023. Eftersom förlustfaktorn är förhållandet mellan energiförlust och energi som lagras i varje AC-cykel, betyder en DF på 0,02 att 2 % av den hanterade effekten av kondensatorn förbrukas. Denna förlust uttrycks vanligtvis som den frekvensberoende ekvivalenta serieresistansen (ESR) kopplad i serie med kondensatorn, vilket är lika med DF/ωC.Som visas i figur 3d, för frekvenser större än 1 MHz, ESR är lägre än 1,5 Ω, och för frekvenser större än 4 MHz är ESR lägre än 0,5 Ω. Även om man använder denna kondensatorteknologi kräver μF-klasskondensatorerna som krävs för DC-DC-omvandlare en mycket stor yta, men 100 pF- nF kapacitansintervall och låg förlust av dessa kondensatorer gör dem lämpliga för andra applikationer, såsom filter och resonanskretsar. Olika metoder kan användas för att öka kapacitansen. En högre dielektricitetskonstant ökar den specifika kapacitansen 37; till exempel kan detta uppnås genom att öka koncentrationen av bariumtitanatpartiklar i bläcket. En mindre dielektrisk tjocklek kan användas, även om detta kräver en bottenelektrod med lägre grovhet än en screentryckt silverflaka.Tunnare kondensator med lägre grovhet lager kan avsättas genom bläckstråletryck 31 eller djuptryck 10, vilket kan kombineras med en screentrycksprocess. Slutligen kan flera alternerande lager av metall och dielektrikum staplas och tryckas och kopplas parallellt, vilket ökar kapacitansen 34 per ytenhet .
En spänningsdelare som består av ett par motstånd används vanligtvis för att utföra spänningsmätning som krävs för återkopplingsstyrning av en spänningsregulator. För denna typ av tillämpning bör resistansen för det tryckta motståndet vara i kΩ-MΩ-området, och skillnaden mellan enheterna är små. Här fann man att arkresistansen för det enskiktiga screentryckta kolbläcket var 900 Ω/□. Denna information används för att designa två linjära motstånd (R1 och R2) och ett serpentinmotstånd (R3) ) med nominella resistanser på 10 kΩ, 100 kΩ och 1,5 MΩ. Motståndet mellan de nominella värdena uppnås genom att skriva ut två eller tre lager bläck, som visas i figur 4, och foton av de tre resistanserna. Gör 8- 12 prover av varje typ; i alla fall är standardavvikelsen för motståndet 10 % eller mindre. Resistansförändringen hos prover med två eller tre lager beläggning tenderar att vara något mindre än för prover med ett beläggningsskikt. Den lilla förändringen i den uppmätta resistansen och den nära överensstämmelsen med det nominella värdet indikerar att andra resistanser i detta område kan erhållas direkt genom att modifiera motståndsgeometrin.
Tre olika motståndsgeometrier med olika antal kolresistiva bläckbeläggningar. Fotot av tre motstånd visas till höger.
RLC-kretsar är klassiska läroboksexempel på kombinationer av motstånd, induktorer och kondensatorer som används för att demonstrera och verifiera beteendet hos passiva komponenter integrerade i riktiga tryckta kretsar. I denna krets är en 8 μH induktor och en 0,8 nF kondensator kopplade i serie, och en 25 kΩ-motstånd är parallellkopplat med dem. Fotot av den flexibla kretsen visas i figur 5a. Anledningen till att man väljer denna speciella serie-parallella kombination är att dess beteende bestäms av var och en av de tre olika frekvenskomponenterna, så att prestanda för varje komponent kan markeras och utvärderas. Med tanke på induktorns 7 Ω serieresistans och kondensatorns 1,3 Ω ESR beräknades kretsens förväntade frekvenssvar. Kretsschemat visas i figur 5b, och det beräknade impedansamplitud och fas och uppmätta värden visas i figurerna 5c och d. Vid låga frekvenser betyder kondensatorns höga impedans att kretsens beteende bestäms av 25 kΩ-motståndet. När frekvensen ökar, kommer impedansen av LC-vägen minskar; hela kretsens beteende är kapacitivt tills resonansfrekvensen är 2,0 MHz. Ovanför resonansfrekvensen dominerar den induktiva impedansen. Figur 5 visar tydligt den utmärkta överensstämmelsen mellan beräknade och uppmätta värden över hela frekvensområdet. Detta innebär att modellen som används här (där induktorer och kondensatorer är idealiska komponenter med serieresistans) är korrekt för att förutsäga kretsbeteende vid dessa frekvenser.
(a) Ett foto av en screentryckt RLC-krets som använder en seriekombination av en 8 μH induktor och en 0,8 nF kondensator parallellt med ett 25 kΩ motstånd.(b) Kretsmodell inklusive serieresistans för induktor och kondensator.(c) ,d) Kretsens impedansamplitud (c) och fas (d).
Slutligen är tryckta induktorer och motstånd implementerade i boostregulatorn. IC som används i denna demonstration är Microchip MCP1640B14, som är en PWM-baserad synkron boostregulator med en arbetsfrekvens på 500 kHz. Kretsschemat visas i figur 6a.A 4,7 μH induktor och två kondensatorer (4,7 μF och 10 μF) används som energilagringselement, och ett par motstånd används för att mäta utspänningen från återkopplingskontrollen. Välj resistansvärdet för att justera utspänningen till 5 V. Kretsen tillverkas på PCB, och dess prestanda mäts inom belastningsresistansen och inspänningsområdet på 3 till 4 V för att simulera litiumjonbatteriet i olika laddningstillstånd. Effektiviteten hos tryckta induktorer och motstånd jämförs med effektiviteten hos SMT-induktorer och motstånd. SMT-kondensatorer används i alla fall eftersom kapacitansen som krävs för denna applikation är för stor för att kompletteras med tryckta kondensatorer.
(a) Diagram över spänningsstabiliserande krets.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, och (d) Vågformer av ström som flyter in i induktorn, ingångsspänningen är 4,0 V, belastningsresistansen är 1 kΩ, och den tryckta induktorn används för att mäta. Ytmonterade motstånd och kondensatorer används för denna mätning.(e) För olika belastningsresistanser och ingångsspänningar, effektiviteten hos spänningsregulatorkretsar som använder alla ytmonterade komponenter och tryckta induktorer och motstånd.(f ) Effektivitetsförhållandet för ytmontering och tryckt krets som visas i (e).
För 4,0 V inspänning och 1000 Ω belastningsresistans visas vågformerna som mäts med tryckta induktorer i figur 6b-d. Figur 6c visar spänningen vid Vsw-terminalen på IC; induktorspänningen är Vin-Vsw. Figur 6d visar strömmen som flyter in i induktorn. Verkningsgraden för kretsen med SMT och tryckta komponenter visas i figur 6e som en funktion av ingångsspänning och belastningsresistans, och figur 6f visar effektivitetsförhållandet av tryckta komponenter till SMT-komponenter. Verkningsgraden uppmätt med SMT-komponenter liknar det förväntade värdet som anges i tillverkarens datablad 14. Vid hög ingångsström (lågt belastningsmotstånd och låg inspänning) är effektiviteten hos tryckta induktorer betydligt lägre än den för SMT-induktorer på grund av den högre serieresistansen. Men med högre inspänning och högre utström blir resistansförlusten mindre viktig och prestandan hos tryckta induktorer börjar närma sig den hos SMT-induktorer. För belastningsresistanser >500 Ω och Vin = 4,0 V eller >750 Ω och Vin = 3,5 V, effektiviteten hos tryckta induktorer är större än 85 % av SMT-induktorer.
Att jämföra strömvågformen i figur 6d med den uppmätta effektförlusten visar att resistansförlusten i induktorn är huvudorsaken till skillnaden i effektivitet mellan den tryckta kretsen och SMT-kretsen, som förväntat. Ingångs- och uteffekten uppmätt vid 4,0 V inspänning och 1000 Ω belastningsresistans är 30,4 mW och 25,8 mW för kretsar med SMT-komponenter och 33,1 mW och 25,2 mW för kretsar med tryckta komponenter. Därför är förlusten av den tryckta kretsen 7,9 mW, vilket är 3,4 mW högre än krets med SMT-komponenter. RMS-induktorströmmen beräknad från vågformen i figur 6d är 25,6 mA. Eftersom dess serieresistans är 4,9 Ω är den förväntade effektförlusten 3,2 mW. Detta är 96 % av den uppmätta 3,4 mW DC-effektskillnaden. Dessutom är kretsen tillverkad med tryckta induktorer och tryckta motstånd och tryckta induktorer och SMT-motstånd, och ingen signifikant effektivitetsskillnad observeras mellan dem.
Sedan tillverkas spänningsregulatorn på det flexibla kretskortet (kretsens utskrifts- och SMT-komponentprestanda visas i tilläggsbild S1) och kopplas mellan det flexibla litiumjonbatteriet som strömkälla och OLED-matrisen som belastning. Enligt Lochner et al. 9 För att tillverka OLED:er förbrukar varje OLED-pixel 0,6 mA vid 5 V. Batteriet använder litiumkoboltoxid och grafit som katod respektive anod och tillverkas med rakelbeläggning, vilket är den vanligaste metoden för batteriutskrift.7 batterikapaciteten är 16mAh, och spänningen under testet är 4,0V. Figur 7 visar ett foto av kretsen på det flexibla kretskortet, som driver tre OLED-pixlar parallellkopplade. Demonstrationen visade potentialen hos tryckta strömkomponenter att integreras med andra flexibla och organiska enheter för att bilda mer komplexa elektroniska system.
Ett foto av spänningsregulatorkretsen på ett flexibelt PCB med tryckta induktorer och motstånd, med hjälp av flexibla litiumjonbatterier för att driva tre organiska lysdioder.
Vi har visat screentryckta induktorer, kondensatorer och resistorer med en rad värden på flexibla PET-substrat, med målet att ersätta ytmonterade komponenter i kraftelektronikutrustning. Vi har visat att genom att designa en spiral med stor diameter, fyllningshastighet , och linjebredd-mellanrumsbreddförhållande, och genom att använda ett tjockt lager av bläck med låg resistans. Dessa komponenter är integrerade i en fullt utskriven och flexibel RLC-krets och uppvisar förutsägbart elektriskt beteende i kHz-MHz frekvensområdet, vilket är av störst intresse för kraftelektronik.
Typiska användningsfall för elektroniska enheter med tryckt kraft är bärbara eller produktintegrerade flexibla elektroniska system, drivna av flexibla uppladdningsbara batterier (som litiumjon), som kan generera varierande spänningar beroende på laddningstillståndet. Om belastningen (inklusive utskrift och organisk elektronisk utrustning) kräver en konstant spänning eller högre än spänningen från batteriet, en spänningsregulator krävs. Av denna anledning är tryckta induktorer och motstånd integrerade med traditionella kisel-IC:er i en boostregulator för att driva OLED:n med en konstant spänning på 5 V från en batteriströmförsörjning med variabel spänning. Inom ett visst område av belastningsström och inspänning överstiger effektiviteten hos denna krets 85 % av effektiviteten hos en styrkrets som använder ytmonterade induktorer och motstånd. Trots material- och geometriska optimeringar, resistiva förluster i induktorn är fortfarande den begränsande faktorn för kretsprestanda vid höga strömnivåer (ingångsström större än ca 10 mA). Vid lägre strömmar reduceras dock förlusterna i induktorn, och den totala prestandan begränsas av effektiviteten av IC. Eftersom många tryckta och organiska enheter kräver relativt låga strömmar, såsom de små OLED:erna som används i vår demonstration, kan tryckta effektinduktorer anses lämpliga för sådana applikationer. Genom att använda IC:er utformade för att ha högsta effektivitet vid lägre strömnivåer, högre total omvandlareffektivitet kan uppnås.
I detta arbete bygger spänningsregulatorn på traditionell PCB, flexibel PCB och ytmonterad komponentlödningsteknik, medan den tryckta komponenten tillverkas på ett separat substrat. tryckta filmer bör tillåta att passiva komponenter, såväl som sammankopplingen mellan enheten och de ytmonterade komponenternas kontaktdynor, kan tryckas på vilket underlag som helst. Detta, i kombination med användningen av befintliga ledande lågtemperaturlim för ytmonterade komponenter, kommer att möjliggöra hela kretsen ska byggas på billiga substrat (som PET) utan behov av subtraktiva processer som PCB-etsning. Därför hjälper de screentryckta passiva komponenterna som utvecklats i detta arbete att bana väg för flexibla elektroniska system som integrerar energi och laster med högpresterande kraftelektronik, med hjälp av billiga substrat, främst additiva processer och minimalt antal ytmonteringskomponenter.
Med hjälp av Asys ASP01M screenskrivare och en skärm i rostfritt stål från Dynamesh Inc. screentrycktes alla lager av passiva komponenter på ett flexibelt PET-substrat med en tjocklek av 76 μm. Metallskiktets maskstorlek är 400 linjer per tum och 250 linjer linjer per tum för det dielektriska skiktet och motståndsskiktet. Använd en skrapakraft på 55 N, en utskriftshastighet på 60 mm/s, ett brottavstånd på 1,5 mm och en Serilor-skrapa med en hårdhet på 65 (för metall och resistiv) skikt) eller 75 (för dielektriska skikt) för screentryck.
De ledande skikten – induktorerna och kontakterna för kondensatorer och motstånd – är tryckta med DuPont 5082 eller DuPont 5064H silver microflake bläck. Motståndet är tryckt med DuPont 7082 kolledare. används. Varje lager av dielektrikum produceras med en två-pass (våt-våt) utskriftscykel för att förbättra likformigheten hos filmen. För varje komponent undersöktes effekten av flera utskriftscykler på komponentens prestanda och variabilitet. Prover gjorda med flera beläggningar av samma material torkades vid 70 °C i 2 minuter mellan beläggningarna. Efter applicering av det sista skiktet av varje material, gräddades proverna vid 140 °C i 10 minuter för att säkerställa fullständig torkning. Den automatiska inriktningsfunktionen för skärmen skrivaren används för att rikta in efterföljande lager. Kontakten med mitten av induktorn uppnås genom att skära ett genomgående hål i mittkudden och stenciltrycksspår på baksidan av substratet med DuPont 5064H-bläck. Sammankopplingen mellan utskriftsutrustning använder också Dupont 5064H stencilutskrift. För att visa de tryckta komponenterna och SMT-komponenterna på det flexibla PCB som visas i figur 7, är de tryckta komponenterna anslutna med Circuit Works CW2400 ledande epoxi, och SMT-komponenterna är anslutna med traditionell lödning.
Litiumkoboltoxid (LCO) och grafitbaserade elektroder används som katod respektive anod för batteriet. Katodslammet är en blandning av 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % grafit (KS6, Timcal), 2,5 % % kolsvart (Super P, Timcal) och 10 % polyvinylidenfluorid (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoden är en blandning av 84 viktprocent grafit, 4 viktprocent kolsvart och 13 viktprocent PVDF.N-Metyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) används för att lösa upp PVDF-bindemedlet och dispergera uppslamningen. omrörning med en virvelblandare över natten. En 0,0005 tum tjock rostfri stålfolie och en 10 μm nickelfolie används som strömavtagare för katoden respektive anoden. Bläcket trycks på strömavtagaren med en skrapa med en tryckhastighet på 20 mm/s. Värm upp elektroden i en ugn vid 80 °C i 2 timmar för att avlägsna lösningsmedlet. Höjden på elektroden efter torkning är ca 60 μm, och baserat på vikten av det aktiva materialet är den teoretiska kapaciteten 1,65 mAh /cm2. Elektroderna skars i dimensioner 1,3 × 1,3 cm2 och värmdes i en vakuumugn vid 140°C över natten, och sedan förseglades de med aluminiumlaminatpåsar i en kvävefylld handsklåda. En lösning av polypropenbasfilm med anod och katod och 1M LiPF6 i EC/DEC (1:1) används som batterielektrolyt.
Grön OLED består av poly(9,9-dioktylfluoren-co-n-(4-butylfenyl)-difenylamin) (TFB) och poly((9,9-dioktylfluoren-2,7- (2,1,3-bensotiadiazol-) 4, 8-diyl)) (F8BT) enligt proceduren som beskrivs i Lochner et al.
Använd Dektak stylus profiler för att mäta filmtjocklek. Filmen skars för att förbereda ett tvärsnittsprov för undersökning genom svepelektronmikroskopi (SEM). film och bekräfta tjockleksmätningen. SEM-studien utfördes vid en accelererande spänning på 20 keV och ett typiskt arbetsavstånd på 10 mm.
Använd en digital multimeter för att mäta DC-resistans, spänning och ström. AC-impedansen för induktorer, kondensatorer och kretsar mäts med Agilent E4980 LCR-mätare för frekvenser under 1 MHz och Agilent E5061A nätverksanalysator används för att mäta frekvenser över 500 kHz. Använd Tektronix TDS 5034 oscilloskop för att mäta spänningsregulatorns vågform.
Hur man citerar denna artikel: Ostfeld, AE, etc.Skärmtryck passiva komponenter för flexibel kraftelektronikutrustning.vetenskap.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Flexibel elektronik: nästa allestädes närvarande plattform. Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: En plats där grupper möter människor. Paper publicerat på 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, Frankrike. San Jose, Kalifornien: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 mars- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC-tryckta piezoelektriska energiinsamlingsanordningar.Avancerade energimaterial.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispensertryckt platt tjockfilms termoelektrisk energigenerator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Ett flexibelt tryckt batteri med hög potential som används för att driva tryckta elektroniska enheter.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Den senaste utvecklingen inom tryckta flexibla batterier: mekaniska utmaningar, tryckteknik och framtidsutsikter.Energiteknik.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.Ett storskaligt avkänningssystem som kombinerar stora elektroniska enheter och CMOS IC:er för strukturell hälsoövervakning.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).