nijs

Tankewol foar it besykjen fan Nature.De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde stipe foar CSS. Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in nijere ferzje fan 'e browser brûke (of de kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer útsette). Tagelyk , Om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy siden sjen litte sûnder stilen en JavaScript.
Additiven en lege-temperatuer printsjen prosessen kinne yntegrearje ferskate enerzjy- en macht-konsumint elektroanyske apparaten op fleksibele substraten by lege kosten. De produksje fan folsleine elektroanyske systemen út dizze apparaten meastal fereasket macht elektroanyske apparaten te konvertearjen tusken de ferskate bestjoeringssysteem spanningen fan de apparaten.Passive komponinten-inductors, capacitors, en wjerstannen-fiere funksjes lykas filterjen, koarte-termyn enerzjy opslach, en spanning mjitting, dy't essinsjeel binne yn macht elektroanika en in protte oare applikaasjes.In dit artikel, wy yntrodusearje inductors, capacitors, wjerstannen en RLC circuits skerm-printe op fleksibele plestik substraten, en rapportearje it ûntwerp proses te minimalisearjen de rige wjerstân fan inductors sadat se kinne brûkt wurde yn macht elektroanyske apparaten. fan organyske ljocht-emittearjende diodes en fleksibele lithium-ion-batterijen.Spanningsregulators wurde brûkt om de diodes fan 'e batterij te betsjinjen, en demonstrearje it potensjeel fan printe passive komponinten om tradisjonele oerflakbefestigingskomponinten te ferfangen yn DC-DC-konverterapplikaasjes.
Yn 'e ôfrûne jierren is de tapassing fan ferskate fleksibele apparaten yn wearbere en elektroanyske produkten mei grut gebiet en it Internet of Things1,2 ûntwikkele. Dizze omfetsje apparaten foar enerzjywinning, lykas fotovoltaïsche 3, piëzoelektryske 4 en thermoelektryske 5;enerzjy opslach apparaten, lykas batterijen 6, 7;en enerzjyferbrûkende apparaten, lykas sensoren 8, 9, 10, 11, 12, en ljochtboarnen 13. Hoewol't grutte foarútgong makke is yn yndividuele enerzjyboarnen en loads, it kombinearjen fan dizze komponinten yn in folslein elektroanysk systeem fereasket gewoanlik machtelektronika om oerwinne eltse mismatch tusken macht oanbod gedrach en lading easken. Bygelyks, in batterij generearret in fariabele spanning neffens syn steat fan lading. As de lading fereasket in konstante spanning, of heger as de spanning dat de batterij kin generearje, macht elektroanika binne nedich .Enerzjyelektronika brûkt aktive komponinten (transistors) foar it útfieren fan skeakel- en kontrôlefunksjes, lykas passive komponinten (induktors, kondensators en wjerstannen). , In kondensator wurdt brûkt om spanningsrimpel te ferminderjen, en de spanningsmjitting dy't nedich is foar feedbackkontrôle wurdt dien mei in wjerstândeler.
Power elektroanyske apparaten dy't geskikt binne foar wearable apparaten (lykas pulse oximeter 9) fereaskje ferskate volts en ferskate milliamps, meastal wurkje yn it frekwinsje berik fan hûnderten kHz oant ferskate MHz, en fereaskje ferskate μH en ferskate μH inductance en De capacitance μF is 14 respektivelik.De tradisjonele metoade foar it meitsjen fan dizze circuits is om diskrete komponinten te solderjen oan in stive printe circuit board (PCB). Hoewol't de aktive komponinten fan macht elektroanyske circuits wurde meastal kombinearre yn ien silisium yntegrearre circuit (IC), passive komponinten binne meastal ekstern, itsij tastean oanpaste circuits, of omdat de fereaske inductance en capacitance binne te grut om te wurde ymplementearre yn silisium.
Yn ferliking mei de tradisjonele PCB-basearre manufacturing technology, de fabrikaazje fan elektroanyske apparaten en circuits troch de additive printing proses hat in protte foardielen yn termen fan ienfâld en kosten. Earste, sûnt in protte ûnderdielen fan it circuit fereaskje deselde materialen, lykas metalen foar kontakten en interconnections, printsjen kinne meardere komponinten wurde produsearre tagelyk, mei relatyf pear ferwurkjen stappen en minder boarnen fan materialen15.It brûken fan additive prosessen te ferfangen subtraktive prosessen lykas photolithography en etsen fierder ferminderet proses kompleksiteit en materiaal ôffal16, 17, 18, en 19. Dêrnjonken binne de lege temperatueren brûkt yn printsjen kompatibel mei fleksibele en goedkeape plestik substraten, wêrtroch it gebrûk fan hege snelheid roll-to-roll produksjeprosessen om elektroanyske apparaten 16, 20 oer grutte gebieten te dekken. dat kin net folslein realisearre wurde mei printe komponinten, hybride metoaden binne ûntwikkele wêrby't oerflak mount technology (SMT) komponinten wurde ferbûn oan fleksibele substraten 21, 22, 23 neist de printe komponinten by lege temperatueren. Yn dizze hybride oanpak is it noch altyd nedich om safolle mooglik SMT-komponinten te ferfangen mei printe tsjinhingers om de foardielen fan ekstra prosessen te krijen en de algemiene fleksibiliteit fan it circuit te fergrutsjen. komponinten, mei spesjale klam op it ferfangen fan bulkige SMT-induktors mei planêre spiraal-ynduktors. Under de ferskate technologyen foar it meitsjen fan printe elektroanika is skermprint benammen geskikt foar passive komponinten fanwegen syn grutte filmdikte (wat nedich is om de searjeresistinsje fan metalen funksjes te minimalisearjen ) en hege printsnelheid, sels by it dekken fan gebieten op sintimeternivo Itselde jildt soms.Materiaal 24.
It ferlies fan passive komponinten fan macht elektroanyske apparatuer moat wurde minimalisearre, omdat de effisjinsje fan it circuit direkt beynfloedet de hoemannichte enerzjy nedich om macht it systeem. Dêrom, hoewol't guon ynspannings binne dien om te minimalisearjen de ferset 25, 26, 27, 28 fan 'e printe coils, der is noch in gebrek oan hege-effisjinsje printe passive komponinten foar macht elektroanyske apparaten. komponinten op fleksibele substraten binne ûntworpen om te operearjen yn resonânsjekringen foar radiofrekwinsje-identifikaasje (RFID) of enerzjywinningsdoelen 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. 26, 32, 33, 34 dy't net optimalisearre binne foar spesifike applikaasjes. Yn tsjinstelling, macht elektroanyske circuits lykas spanning tafersjochhâlders faak brûke gruttere komponinten as typyske printe passive apparaten en net nedich resonânsje, dus ferskillende komponint ûntwerpen binne nedich.
Hjir yntrodusearje wy it ûntwerp en optimalisearjen fan skermprinte induktors yn it μH-berik om de lytste searjeresistinsje en hege prestaasjes te berikken by frekwinsjes yn ferbân mei machtelektronika. op fleksibele plestik substraten.De geskiktheid fan dizze komponinten foar fleksibele elektroanyske produkten waard earst oantoand yn in ienfâldich RLC-sirkwy. De printe induktor en wjerstân wurde dan yntegreare mei de IC om in boostregulator te foarmjen. As lêste, in organyske ljocht-emittearjende diode (OLED) ) en in fleksibele lithium-ion-batterij wurde makke, en in spanningsregulator wurdt brûkt om de OLED fan 'e batterij te betsjinjen.
Om printe ynduktors foar machtelektroanika te ûntwerpen, foarsizze wy earst de induktânsje en DC-resistinsje fan in searje induktorgeometriën basearre op it hjoeddeistige blêdmodel foarsteld yn Mohan et al.35, en fabrisearre inductors fan ferskillende mjitkunde te befêstigjen De krektens fan it model.Yn dit wurk, in sirkelfoarm waard keazen foar de inductor omdat in hegere inductance 36 kin berikt wurde mei in legere wjerstân yn ferliking mei in polygonal geometry.De ynfloed fan inket type en oantal printing syklusen op wjerstân wurdt bepaald. Dizze resultaten waarden doe brûkt mei de ammeter model te ûntwerpen 4,7 μH en 7,8 μH inductors optimalisearre foar minimale DC ferset.
De inductance en DC ferset fan spiraal inductors kinne wurde beskreaun troch ferskate parameters: bûtenste diameter do, draai breedte w en spacing s, oantal bochten n, en conductor sheet ferset Rsheet.Figure 1a lit in foto fan in silk-screen printe circular inductor mei n = 12, toant de geometryske parameters dy't bepale syn inductance. Neffens de ammeter model fan Mohan et al.35, de inductance wurdt berekkene foar in rige fan inductor geometry, wêr
(a) In foto fan 'e skermprinte ynduktor dy't de geometryske parameters sjen litte. De diameter is 3 cm. Induktânsje (b) en DC-resistinsje (c) fan ferskate ynduktorgeometriën. De linen en marken oerienkomme mei respektivelik berekkene en mjitten wearden. (d, e) De DC wjerstannen fan inductors L1 en L2 wurde skerm printe mei Dupont 5028 en 5064H sulveren inket, respektivelik. (f, g) SEM micrographs fan de films skerm printe troch Dupont 5028 en 5064H, respektivelik.
By hege frekwinsjes sil de hûdeffekt en parasitêre kapasitânsje de wjerstân en induktinsje fan 'e induktor feroarje neffens syn DC-wearde. mei in konstante ferset yn series.Dêrom, yn dit wurk, wy analysearre de relaasje tusken geometryske parameters, inductance, en DC ferset, en brûkt de resultaten te krijen in opjûne inductance mei de lytste DC ferset.
Induktânsje en ferset wurde berekkene foar in searje geometryske parameters dy't realisearre wurde kinne troch skermprintsjen, en it wurdt ferwachte dat induktânsje yn it μH-berik generearre wurdt. , en ferskate bochten wurde fergelike.Yn de berekkening wurdt oannommen dat de blêdwjerstân 47 mΩ/□ is, wat oerienkomt mei in 7 μm dikke Dupont 5028 sulveren microflake kondukteurlaach printe mei in 400 mesh skerm en ynstelling w = s. berekkene inductance en ferset wearden wurde werjûn yn figuer 1b en c, respektivelik. It model foarseit dat sawol inductance en ferset tanimme as de bûtenste diameter en it oantal bochten tanimme, of as de line breedte ôfnimt.
Om de krektens fan modelfoarsizzings te evaluearjen, waarden induktors fan ferskate geometry's en induktansjes makke op in polyetyleentereftalaat (PET) substraat. de ferwachte wearde, benammen troch feroarings yn 'e dikte en uniformiteit fan' e dellein inkt, de inductance toande hiel goede oerienstimming mei it model.
Dizze resultaten kinne brûkt wurde om in inductor te ûntwerpen mei de fereaske induktânsje en minimale DC-resistinsje. Stel bygelyks dat in induktânsje fan 2 μH fereaske is. Figuer 1b lit sjen dat dizze induktânsje realisearre wurde kin mei in bûtendiameter fan 3 sm, in linebreedte fan 500 μm, en 10 bochten. Deselde induktânsje kin ek generearre wurde mei 5 sm bûtendiameter, 500 μm line breedte en 5 bochten of 1000 μm line breedte en 7 bochten (lykas werjûn yn 'e figuer). Fergelykjen fan de wjerstannen fan dizze trije mooglik geometry yn figuer 1c, kin fûn wurde dat de leechste wjerstân fan in 5 sm inductor mei in line breedte fan 1000 μm is 34 Ω, dat is likernôch 40% leger as de oare twa. mei in minimum ferset wurdt gearfette as folget: Selektearje earst de maksimale tastiene bûtendiameter neffens de romte beheiningen oplein troch de applikaasje. Dan, de line breedte moat wêze sa grut mooglik wylst noch it berikken fan de fereaske inductance te krijen in hege fill rate (Fergeliking (3)).
Troch it fergrutsjen fan de dikte of it brûken fan in materiaal mei hegere conductivity te ferminderjen de sheet ferset fan 'e metalen film, de DC ferset kin fierder fermindere sûnder ynfloed op de inductance.Two inductors, waans geometryske parameters wurde jûn yn Tabel 1, neamd L1 en L2, wurde produsearre mei ferskillende oantallen coatings te evaluearjen de feroaring yn ferset.As it oantal inket coatings nimt ta, de ferset nimt ôf proporsjoneel as ferwachte, lykas werjûn yn figueren 1d en e, dat binne inductors L1 en L2, respektivelik.Figuren 1d en e lit sjen dat troch it oanbringen fan 6 lagen coating, de wjerstân oant 6 kear fermindere wurde kin, en de maksimale fermindering fan wjerstân (50-65%) komt tusken laach 1 en laach 2. Sûnt elke laach fan inket is relatyf tin, in skerm mei in relatyf lyts rastergrutte (400 rigels per inch) wurdt brûkt om dizze induktors te printsjen, wêrtroch't wy it effekt fan kondukteurdikte op ferset studearje kinne. ferlykbere dikte (en ferset) kin berikt wurde flugger troch it printsjen fan in lytser oantal coatings mei in grutter grid grutte. Dizze metoade kin brûkt wurde om te kommen ta deselde DC ferset as de 6-coated inductor besprutsen hjir, mar mei in hegere produksje snelheid.
Figuren 1d en e litte ek sjen dat troch it brûken fan de mear konduktyf sulveren flakinkt DuPont 5064H, de wjerstân mei in faktor fan twa fermindere wurdt. sjoen dat de legere conductivity fan de 5028 inket is te tankjen oan syn lytsere dieltsje grutte en de oanwêzigens fan in protte leechten tusken de dieltsjes yn de printe film. Oan 'e oare kant, 5064H hat gruttere, mear nauwer gearstald flakes, wêrtroch't it gedrage tichter by bulk silver.Alhoewol't de film produsearre troch dizze inket is tinner as de 5028 inket, mei in inkele laach fan 4 μm en 6 lagen fan 22 μm, de ferheging fan conductivity is genôch te ferminderjen de totale wjerstân.
Uteinlik, hoewol't de induktânsje (fergeliking (1)) hinget ôf fan it oantal bochten (w + s), hinget de wjerstân (fergeliking (5)) allinich ôf fan 'e linebreedte w.Dêrom, troch it fergrutsjen fan w relatyf oan s, de wjerstân De twa ekstra induktors L3 en L4 binne ûntwurpen om w = 2s en in grutte bûtendiameter te hawwen, lykas werjûn yn Tabel 1. Dizze induktors wurde makke mei 6 lagen DuPont 5064H-coating, lykas earder toand, om de heechste prestaasjes.De induktânsje fan L3 is 4,720 ± 0,002 μH en de wjerstân is 4,9 ± 0,1 Ω, wylst de induktânsje fan L4 7,839 ± 0,005 μH en 6,9 ± 0,1 Ω is, dy't yn goed oerienstimming binne mei it model. ferheging fan dikte, konduktiviteit en w / s, dit betsjut dat de L / R-ferhâlding mei mear as in folchoarder fan grutte is tanommen relatyf oan de wearde yn figuer 1.
Hoewol't lege DC ferset is belofte, evaluearje de geskiktheid fan inductors foar macht elektroanyske apparatuer dy't operearje yn de kHz-MHz berik karakterisearring by AC frequency.Figure 2a toant de frekwinsje ôfhinklikens fan it ferset en reactance fan L3 en L4.For frekwinsjes ûnder 10 MHz , bliuwt de wjerstân rûchwei konstant op syn DC-wearde, wylst de reaktânsje lineêr ferheget mei frekwinsje, wat betsjut dat de induktânsje konstant is lykas ferwachte. L3 is 35,6 ± 0,3 MHz en L4 is 24,3 ± 0,6 MHz. by frekwinsjes fan respektivelik 11 en 16 MHz. De induktânsje fan in pear μH en de relatyf hege Q by MHz-frekwinsjes meitsje dizze induktors genôch om tradisjonele oerflak-mount-induktors te ferfangen yn DC-DC-omsetters mei lege macht.
De mjitten wjerstân R en reaktânsje X (a) en kwaliteitsfaktor Q (b) fan induktors L3 en L4 binne relatearre oan frekwinsje.
Om de foetôfdruk dy't nedich is foar in opjûne kapasitânsje te minimalisearjen, is it it bêste om kondensatortechnology te brûken mei in grutte spesifike kapasitânsje, dy't gelyk is oan de dielektrike konstante ε dield troch de dikte fan it dielektrike. Yn dit wurk hawwe wy keazen foar bariumtitanate-komposit as de dielectric omdat it hat in hegere epsilon as oare oplossing-ferwurke organyske dielectrics.The dielectric laach wurdt skerm printe tusken de twa sulveren diriginten te foarmjen in metaal-dielektrysk-metaal struktuer. Capacitors mei ferskate maten yn sintimeter, lykas werjûn yn figuer 3a , wurde makke mei twa of trije lagen fan dielektrike inket om in goede opbringst te behâlden.Figure 3b lit in dwerstrochsneed SEM-mikrograaf sjen fan in represintative kondensator makke mei twa lagen fan dielektrike, mei in totale dielektryske dikte fan 21 μm.De boppe- en ûnderste elektroden binne respektivelik ien- en seis-laach 5064H. Mikrongrutte bariumtitanate-dieltsjes binne sichtber yn 'e SEM-ôfbylding, om't de helderdere gebieten wurde omjûn troch de dûnkere organyske binder. printe metalen film, lykas werjûn yn 'e yllustraasje mei hegere fergrutting.
(a) In foto fan in capacitor mei fiif ferskillende gebieten. (b) Cross-sectional SEM micrograph fan in capacitor mei twa lagen fan dielectric, showing barium titanate dielectric en sulveren elektroden. (c) Capacitances fan capacitances mei 2 en 3 barium titanate dielectric lagen en ferskillende gebieten, metten op 1 MHz. (d) De relaasje tusken de capacitance, ESR, en ferlies faktor fan in 2,25 cm2 capacitor mei 2 lagen fan dielectric coatings en frekwinsje.
De kapasiteit is evenredich mei it ferwachte gebiet.Lykas werjûn yn figuer 3c, is de spesifike kapasiteit fan de twa-laach dielectric 0,53 nF / cm2, en de spesifike capacitance fan de trije-laach dielectric is 0,33 nF / cm2. capacitance en dissipation faktor (DF) waarden ek metten op ferskillende frekwinsjes, lykas werjûn yn figuer 3d, foar in 2,25 cm2 capacitor mei twa lagen fan dielectric. fan 1 oan 10 MHz, wylst yn itselde berik, DF ferhege fan 0,013 oan 0,023.Sûnt de dissipaasje faktor is de ferhâlding fan enerzjy ferlies oan de enerzjy opslein yn eltse AC syklus, in DF fan 0,02 betsjut dat 2% fan de macht behannele troch de capacitor wurdt konsumearre. Dit ferlies wurdt meastal útdrukt as de frekwinsje-ôfhinklike ekwivalint rige wjerstân (ESR) ferbûn yn rige mei de capacitor, dat is lyk oan DF / ωC. As werjûn yn figuer 3d, foar frekwinsjes grutter as 1 MHz, ESR is leger as 1,5 Ω, en foar frekwinsjes grutter as 4 MHz, ESR is leger as 0,5 Ω. nF capacitance berik en lege ferlies fan dizze capacitors meitsje se geskikt foar oare tapassings, lykas filters en resonânsjefel circuits. Ferskate metoaden kinne brûkt wurde om te fergrutsjen de capacitance. In hegere dielectric konstante fergruttet de spesifike capacitance 37;bygelyks, dit kin berikt wurde troch it fergrutsjen fan de konsintraasje fan barium titanate dieltsjes yn 'e inket. In lytsere dielectric dikte kin brûkt wurde, hoewol't dit fereasket in boaiem elektrodes mei in legere rûchheid as in skerm-printe sulveren flake. Thinner, legere rûchheid capacitor lagen kinne wurde dellein troch inkjet printing 31 of gravure printing 10, dat kin wurde kombinearre mei in skerm printing proses. Ta beslút, meardere wikseljende lagen fan metaal en dielectric kin wurde steapele en printe en ferbûn parallel, dêrmei fergrutsjen de capacitance 34 per ienheid gebiet .
In spanning divider gearstald út in pear wjerstannen wurdt meastentiids brûkt foar it útfieren fan spanning mjitting nedich foar feedback kontrôle fan in spanning regulator. de apparaten is lyts. Hjir, it waard fûn dat de sheet wjerstân fan de single-laach skerm-printe koalstof inket wie 900 Ω / □. Dizze ynformaasje wurdt brûkt foar it ûntwerpen fan twa lineêre wjerstannen (R1 en R2) en in serpentine wjerstân (R3) ) mei nominale wjerstannen fan 10 kΩ, 100 kΩ, en 1,5 MΩ. De wjerstân tusken de nominale wearden wurdt berikt troch it printsjen fan twa of trije lagen fan inket, lykas werjûn yn figuer 4, en foto's fan de trije wjerstannen. Meitsje 8- 12 samples fan elk type;yn alle gefallen is de standertdeviaasje fan 'e wjerstân 10% of minder. De wjerstânsferoaring fan samples mei twa of trije lagen coating hat de neiging om wat lytser te wêzen as dy fan samples mei ien laach coating. De lytse feroaring yn 'e mjitten wjerstân en de nauwe oerienkomst mei de nominale wearde jouwe oan dat oare wjerstannen yn dit berik direkt kinne wurde krigen troch it wizigjen fan de wjerstângeometry.
Trije ferskillende wjerstannen geometry mei ferskillende oantallen koalstof resistive inket coatings. De foto's fan de trije wjerstannen binne werjûn oan de rjochterkant.
RLC-sirkels binne klassike learboekfoarbylden fan wjerstannen, induktor en kondensatorkombinaasjes dy't brûkt wurde om it gedrach fan passive komponinten yntegreare yn echte printe circuits te demonstrearjen en te ferifiearjen. 25 kΩ wjerstannen is ferbûn yn parallel mei harren.De foto fan de fleksibele circuit wurdt werjûn yn figuer 5a. De reden foar it kiezen fan dizze spesjale rige-parallel kombinaasje is dat syn gedrach wurdt bepaald troch elk fan de trije ferskillende frekwinsje komponinten, sadat de prestaasjes fan elke komponint kin wurde markearre en evaluearre. Oerwagende de 7 Ω rige wjerstân fan de inductor en de 1,3 Ω ESR fan de capacitor, de ferwachte frekwinsje antwurd fan it circuit waard berekkene. impedance amplitude en faze en mjitten wearden wurde werjûn yn figueren 5c en d.By lege frekwinsjes, de hege impedance fan de capacitor betsjut dat it gedrach fan it circuit wurdt bepaald troch de 25 kΩ wjerstân.As de frekwinsje ferheget, de impedance fan it LC-paad nimt ôf;it hiele circuitgedrach is kapasityf oant de resonânsjefrekwinsje 2,0 MHz is. Boppe de resonânsjefrekwinsje dominearret de induktive impedânsje. Figuer 5 lit dúdlik de treflike oerienkomst sjen tusken berekkene en mjitten wearden oer it hiele frekwinsjeberik. Dit betsjut dat it brûkte model hjir (dêr't inductors en capacitors binne ideale komponinten mei rige ferset) is akkuraat foar foarsizze circuit gedrach op dizze frekwinsjes.
(a) In foto fan in skermprinte RLC circuit dat brûkt in rige kombinaasje fan in 8 μH inductor en in 0,8 nF capacitor parallel mei in 25 kΩ wjerstân.(b) Circuit model ynklusyf rige wjerstân fan inductor en capacitor.(c) , d) De impedansamplitude (c) en faze (d) fan it circuit.
De IC brûkt yn dizze demonstraasje is Microchip MCP1640B14, dat is in PWM-basearre syngroane boost-regulator mei in wurkfrekwinsje fan 500 kHz. It circuitdiagram wurdt werjûn yn figuer 6a.A 4.7 μH inductor en twa capacitors (4.7 μF en 10 μF) wurde brûkt as enerzjy opslach eleminten, en in pear wjerstannen wurde brûkt om te mjitten de útfier spanning fan de feedback kontrôle. Selektearje de wjerstân wearde te passen de útfier spanning oan 5 V. It circuit wurdt produsearre op 'e PCB, en syn prestaasjes wurde mjitten binnen de lading ferset en de ynfier spanning berik fan 3 oant 4 V te simulearjen de lithium-ion batterij yn ferskate opladen steaten. effisjinsje fan SMT inductors en wjerstannen. SMT capacitors wurde brûkt yn alle gefallen omdat de capacitance nedich foar dizze applikaasje is te grut om te foltôgjen mei printe capacitors.
(a) Diagram fan spanningsstabilisearjende sirkwy.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, en (d) Golffoarmen fan stroom dy't yn 'e induktor streamt, de ynfierspanning is 4,0 V, de loadweerstand is 1 kΩ, en de printe inductor wurdt brûkt om te mjitten. Surface mount wjerstannen en capacitors wurde brûkt foar dizze mjitting. (e) Foar ferskate load wjerstannen en ynfier spanningen, de effisjinsje fan spanning regulator circuits mei help fan alle oerflak mount komponinten en printe inductors en wjerstannen. (f ) De effisjinsje ratio fan oerflak mount en printe circuit werjûn yn (e).
Foar 4.0 V ynfier spanning en 1000 Ω load wjerstân, de golffoarmen mjitten mei help fan printe inductors wurde werjûn yn figuer 6b-d. Figuer 6c toant de spanning op de Vsw terminal fan de IC;de inductor spanning is Vin-Vsw.Figure 6d toant de hjoeddeiske streamt yn de inductor.De effisjinsje fan it circuit mei SMT en printe komponinten wurdt werjûn yn figuer 6e as funksje fan ynfier spanning en load ferset, en figuer 6f toant de effisjinsje ratio fan printe komponinten nei SMT-komponinten.De effisjinsje mjitten mei SMT-komponinten is fergelykber mei de ferwachte wearde jûn yn it gegevensblêd fan 'e fabrikant 14. By hege ynfierstroom (lege loadresistinsje en lege ynfierspanning) is de effisjinsje fan printe induktors signifikant leger as dy fan SMT-induktors troch de hegere searjeresistinsje. By hegere ynputspanning en hegere útfierstroom wurdt lykwols fersetferlies minder wichtich, en begjint de prestaasjes fan printe induktors dy fan SMT-induktors te benaderjen. = 4.0 V of> 750 Ω en Vin = 3.5 V, de effisjinsje fan printe inductors is grutter dan 85% fan SMT inductors.
It fergelykjen fan de hjoeddeistige golffoarm yn figuer 6d mei it mjitten krêftferlies lit sjen dat it fersetferlies yn 'e ynduktor de wichtichste oarsaak is fan it ferskil yn effisjinsje tusken it printe circuit en it SMT-circuit, lykas ferwachte. ynputspanning en 1000 Ω loadresistinsje binne 30,4 mW en 25,8 mW foar circuits mei SMT-komponinten, en 33,1 mW en 25,2 mW foar circuits mei printe komponinten. circuit mei SMT komponinten. De RMS inductor hjoeddeistige berekkene út de golffoarm yn figuer 6d is 25,6 mA.Sûnt syn searje ferset is 4,9 Ω, it ferwachte macht ferlies is 3,2 mW. Dit is 96% fan de mjitten 3,4 mW DC macht ferskil. gjin signifikante effisjinsjeferskil wurdt waarnommen tusken har.
Dan wurdt de spanningsregulator makke op 'e fleksibele PCB (de printsjen fan it circuit en de prestaasjes fan 'e SMT-komponint wurde werjûn yn oanfoljende figuer S1) en ferbûn tusken de fleksibele lithium-ion-batterij as de krêftboarne en de OLED-array as de lading.Neffens Lochner et al.9 Om OLED's te meitsjen, verbruikt elke OLED-piksel 0,6 mA by 5 V. De batterij brûkt lithiumkobaltokside en grafyt as respektivelik de kathode en anode, en wurdt makke troch dokterblade-coating, dat is de meast foarkommende batterijprintmetoade. batterij kapasiteit is 16mAh, en de spanning tidens de test is 4.0V.Figure 7 toant in foto fan it circuit op de fleksibele PCB, powering trije OLED piksels ferbûn parallel. fleksibele en organyske apparaten om kompleksere elektroanyske systemen te foarmjen.
In foto fan de spanning regulator circuit op in fleksibele PCB mei help fan printe inductors en wjerstannen, mei help fan fleksibele lithium-ion batterijen foar macht trije organyske LEDs.
Wy hawwe skermprinte ynduktors, kondensatoren en wjerstannen sjen litten mei in ferskaat oan wearden op fleksibele PET-substraten, mei it doel om oerflakbefestigingskomponinten te ferfangen yn macht elektroanyske apparatuer. , en line breedte-romte breedte ratio, en troch it brûken fan in dikke laach fan lege-resistant inket. Dizze komponinten wurde yntegrearre yn in folslein printe en fleksibele RLC circuit en fertoane foarsisber elektryske gedrach yn de kHz-MHz frekwinsje berik, dat is fan grutste belangstelling foar macht elektroanika.
Typyske gebrûksgefallen foar printe macht elektroanyske apparaten binne wearable of produkt-yntegrearre fleksibele elektroanyske systemen, oandreaun troch fleksibele oplaadbare batterijen (lykas lithium-ion), dy't kin generearje fariabele spanningen neffens de steat fan lading. As de lading (ynklusyf printsjen en organyske elektroanyske apparatuer) fereasket in konstante spanning of heger as de spanningsútfier troch de batterij, in spanningsregulator is nedich. Om dizze reden wurde printe ynduktors en wjerstannen yntegreare mei tradisjonele silisium IC's yn in boostregulator om de OLED mei in konstante spanning te betsjinjen fan 5 V út in fariabele voltage batterij macht supply.Binnen in bepaald berik fan load hjoeddeistige en ynfier spanning, de effisjinsje fan dit circuit grutter 85% fan de effisjinsje fan in kontrôle circuit brûkend oerflak mount inductors en wjerstannen. Nettsjinsteande materiaal en geometryske optimizations, resistive ferliezen yn 'e ynduktor binne noch altyd de beheinende faktor foar circuitprestaasjes op hege stroomnivo's (ynputstream grutter as sawat 10 mA). By legere streamingen wurde lykwols de ferliezen yn 'e induktor fermindere, en de totale prestaasjes wurdt beheind troch de effisjinsje fan 'e IC.Sûnt in protte printe en organyske apparaten relatyf lege streamingen fereaskje, lykas de lytse OLED's dy't yn ús demonstraasje brûkt wurde, kinne printe krêftinduktors wurde beskôge as geskikt foar sokke applikaasjes. hegere totale converter effisjinsje kin wurde berikt.
Yn dit wurk, de spanning regulator is boud op de tradisjonele PCB, fleksibele PCB en oerflak mount komponint soldering technology, wylst de printe komponint wurdt produsearre op in aparte substraat. printe films moatte tastean passive komponinten, likegoed as de ûnderlinge ferbining tusken it apparaat en de oerflak mount komponint kontakt pads, wurde printe op alle substraat. it hiele circuit dat op goedkeape substraten (lykas PET) boud wurde sûnder de needsaak foar subtraktive prosessen lykas PCB-etsen. Dêrom helpe de skermprinte passive komponinten dy't yn dit wurk ûntwikkele binne, it paad foar fleksibele elektroanyske systemen dy't enerzjy en loads yntegrearje mei hege-optreden macht elektroanika, mei help fan goedkeape substrates, benammen additive prosessen en minimal It oantal oerflak mount komponinten.
Mei help fan Asys ASP01M skermprinter en in roestfrij stiel skerm levere troch Dynamesh Inc., waarden alle lagen fan passive komponinten skermprinte op in fleksibele PET-substraat mei in dikte fan 76 μm. De meshgrutte fan 'e metalen laach is 400 rigels per inch en 250 rigels per inch foar de diëlektryske laach en de wjerstânslaach. Brûk in squeegee-krêft fan 55 N, in printsnelheid fan 60 mm/s, in brekôfstân fan 1,5 mm, en in Serilor squeegee mei in hurdens fan 65 (foar metaal en resistyf) lagen) of 75 (foar dielektryske lagen) foar skermprintsjen.
De conductive lagen-de inductors en de kontakten fan capacitors en wjerstannen-wurde printe mei DuPont 5082 of DuPont 5064H sulveren microflake inket.De wjerstân wurdt printe mei DuPont 7082 koalstof conductor. wurdt brûkt.Elke laach fan dielektrike wurdt produsearre mei in twa-pass (wet-wet) printsyklus om de uniformiteit fan 'e film te ferbetterjen. Foar elke komponint waard it effekt fan meardere printsyklusen op komponint prestaasjes en fariabiliteit ûndersocht. Samples makke mei meardere lagen fan itselde materiaal waarden droege by 70 ° C foar 2 minuten tusken coatings. Nei it oanbringen fan de lêste jas fan elk materiaal, de samples waarden bakt op 140 ° C foar 10 minuten om te garandearjen folslein drogen. De automatyske alignment funksje fan it skerm printer wurdt brûkt om align folgjende lagen.It kontakt mei it sintrum fan 'e inductor wurdt berikt troch snijden in troch gat op it sintrum pad en stencil printsjen spoaren op' e efterkant fan it substraat mei DuPont 5064H inket. Om de printe komponinten en SMT-komponinten te werjaan op 'e fleksibele PCB werjûn yn figuer 7, wurde de printe komponinten ferbûn mei Circuit Works CW2400 conductive epoksy, en de SMT-komponinten binne ferbûn troch tradisjonele soldering.
Lithium kobalt okside (LCO) en grafyt-basearre elektroden wurde brûkt as de kathode en anode fan de batterij, respektivelik. De kathode slurry is in mingsel fan 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafyt (KS6, Timcal), 2,5 % koalstofswart (Super P, Timcal) en 10% polyvinylidenfluoride (PVDF, Kureha Corp.).) De anode is in mingsel fan 84wt% grafyt, 4wt% carbon black en 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) wurdt brûkt om it PVDF-bindmiddel op te lossen en de slurry te fersprieden.De slurry waard homogenisearre troch In 0,0005 inch dikke roestfrij stiel folie en in 10 μm nikkelfolie wurde brûkt as stroomkollektors foar respektivelik de kathode en anode. mm / s. Heat de elektrode yn in oven op 80 ° C foar 2 oeren om it oplosmiddel te ferwiderjen. /cm2.De elektroden waarden ôfsnien yn dimensjes fan 1,3 × 1,3 cm2 en ferwaarme yn in fakuüm oven op 140 ° C oernachtsje, en dan waarden se fersegele mei aluminium laminaat bags yn in stikstof-folle wanten doaze. In oplossing fan polypropylene basis film mei anode en kathode en 1M LiPF6 yn EC / DEC (1: 1) wurdt brûkt as de batterij electrolyte.
Griene OLED bestiet út poly(9,9-dioktylfluorene-co-n-(4-butylfenyl)-difenylamine) (TFB) en poly((9,9-dioktylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazol-) 4,8-diyl)) (F8BT) neffens de proseduere sketst yn Lochner et al. 9.
Brûk Dektak stylus profiler om film dikte te mjitten. De film waard knipt om in dwerstrochsneedmonster te meitsjen foar ûndersyk troch skennen elektroanenmikroskopy (SEM). It FEI Quanta 3D fjildemisjepistoal (FEG) SEM wurdt brûkt om de struktuer fan 'e printe te karakterisearjen film en befêstigje de dikte mjitting.De SEM-stúdzje waard útfierd by in fersnellende spanning fan 20 keV en in typyske wurkôfstân fan 10 mm.
Brûk in digitale multimeter om DC-resistinsje, spanning en stroom te mjitten. De AC-impedânsje fan induktors, kondensators en circuits wurde mjitten mei Agilent E4980 LCR-meter foar frekwinsjes ûnder 1 MHz en Agilent E5061A netwurkanalysator wurdt brûkt foar it mjitten fan frekwinsjes boppe 500 kHz. Tektronix TDS 5034 oscilloskoop om de golffoarm fan 'e spanningsregulator te mjitten.
Hoe sitearje dit artikel: Ostfeld, AE, etc.Screen printing passive komponinten foar fleksibele macht elektroanyske equipment.science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Fleksibele elektroanika: it folgjende ubiquitous platfoarm.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: In plak dêr't groepen minsken moetsje. Paper publisearre op 'e 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 maart- 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 printe piezoelectric enerzjy rispinge apparaten.Avansearre enerzjy materialen.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printe flat dikke film thermoelectric enerzjy generator.J.Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL.
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA.
Hu, Y. etc.A grutskalige sensing systeem dat kombinearret grut-gebiet elektroanyske apparaten en CMOS ICs foar strukturele sûnens monitoring.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513-523 (2014).