notícies

Gràcies per visitar Nature. La versió del navegador que utilitzeu té un suport limitat per a CSS. Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu una versió més recent del navegador (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer). Al mateix temps , per garantir un suport continuat, mostrarem llocs sense estils ni JavaScript.
Els additius i els processos d'impressió a baixa temperatura poden integrar diversos dispositius electrònics que consumeixen i consumeixen energia en substrats flexibles a baix cost. No obstant això, la producció de sistemes electrònics complets a partir d'aquests dispositius sol requerir dispositius electrònics de potència per convertir entre les diferents tensions de funcionament de els dispositius. Els components passius (inductors, condensadors i resistències) realitzen funcions com ara el filtratge, l'emmagatzematge d'energia a curt termini i la mesura de tensió, que són essencials en l'electrònica de potència i moltes altres aplicacions. En aquest article, presentem inductors, condensadors, resistències i circuits RLC serigrafiats sobre substrats plàstics flexibles, i informen del procés de disseny per minimitzar la resistència en sèrie dels inductors de manera que es puguin utilitzar en dispositius electrònics de potència. L'inductor i la resistència imprès s'incorporen després al circuit del regulador d'impuls. Fabricació de díodes emissors de llum orgànics i bateries flexibles d'ions de liti. Els reguladors de tensió s'utilitzen per alimentar els díodes de la bateria, demostrant el potencial dels components passius impresos per substituir els components tradicionals de muntatge superficial en aplicacions de convertidors DC-DC.
En els darrers anys, s'ha desenvolupat l'aplicació de diversos dispositius flexibles en productes electrònics portàtils i de gran superfície i l'Internet de les coses1,2. Aquests inclouen dispositius de recollida d'energia, com ara fotovoltaics 3, piezoelèctrics 4 i termoelèctrics 5; dispositius d'emmagatzematge d'energia, com ara bateries 6, 7; i dispositius que consumeixen energia, com els sensors 8, 9, 10, 11, 12 i les fonts de llum 13. Tot i que s'han fet grans avenços en les fonts i càrregues d'energia individuals, la combinació d'aquests components en un sistema electrònic complet sol requereix electrònica de potència per superar qualsevol desajust entre el comportament de la font d'alimentació i els requisits de càrrega. Per exemple, una bateria genera una tensió variable segons el seu estat de càrrega. Si la càrrega requereix una tensió constant, o superior a la tensió que pot generar la bateria, es requereix electrònica de potència. .L'electrònica de potència utilitza components actius (transistors) per realitzar funcions de commutació i control, així com components passius (inductors, condensadors i resistències). Per exemple, en un circuit regulador de commutació, s'utilitza un inductor per emmagatzemar energia durant cada cicle de commutació. , s'utilitza un condensador per reduir la ondulació de tensió i la mesura de tensió necessària per al control de retroalimentació es fa mitjançant un divisor de resistència.
Els dispositius electrònics d'alimentació que són adequats per a dispositius portàtils (com ara l'oxímetre de pols 9) requereixen diversos volts i diversos mil·liampers, normalment funcionen en el rang de freqüències de centenars de kHz a diversos MHz i requereixen diversos μH i diversos μH inductància i la capacitat μF és 14 respectivament. El mètode tradicional de fabricació d'aquests circuits és soldar components discrets a una placa de circuit imprès (PCB) rígid. Tot i que els components actius dels circuits electrònics de potència solen combinar-se en un únic circuit integrat de silici (IC), els components passius solen ser extern, ja sigui permetent circuits personalitzats, o perquè la inductància i la capacitat requerides són massa grans per implementar-se en silici.
En comparació amb la tecnologia de fabricació tradicional basada en PCB, la fabricació de dispositius i circuits electrònics mitjançant el procés d'impressió additiva té molts avantatges en termes de simplicitat i cost. En primer lloc, ja que molts components del circuit requereixen els mateixos materials, com ara metalls per als contactes. i interconnexions, la impressió permet fabricar diversos components al mateix temps, amb relativament pocs passos de processament i menys fonts de materials15. L'ús de processos additius per substituir processos subtractius com la fotolitografia i el gravat redueix encara més la complexitat del procés i els residus de material16, 17, 18 i 19. A més, les baixes temperatures utilitzades en la impressió són compatibles amb substrats plàstics flexibles i econòmics, permetent l'ús de processos de fabricació de bobina a rotlle d'alta velocitat per cobrir dispositius electrònics 16, 20 en grans àrees. Per a aplicacions que no es poden realitzar completament amb components impresos, s'han desenvolupat mètodes híbrids en què els components de la tecnologia de muntatge en superfície (SMT) es connecten a substrats flexibles 21, 22, 23 al costat dels components impresos a baixes temperatures. En aquest enfocament híbrid, encara és És necessari substituir tants components SMT com sigui possible per homòlegs impresos per obtenir els avantatges de processos addicionals i augmentar la flexibilitat general del circuit. Per tal de realitzar una electrònica de potència flexible, hem proposat una combinació de components actius SMT i passius serigrafiats. components, amb especial èmfasi en la substitució d'inductors SMT voluminosos per inductors en espiral planar. Entre les diverses tecnologies per a la fabricació d'electrònica impresa, la serigrafia és especialment adequada per a components passius a causa del seu gran gruix de pel·lícula (que és necessari per minimitzar la resistència en sèrie de les característiques metàl·liques). ) i alta velocitat d'impressió, fins i tot quan es cobreixen zones de nivell centímetre El mateix passa de vegades.Material 24.
S'ha de minimitzar la pèrdua de components passius dels equips electrònics de potència, ja que l'eficiència del circuit afecta directament la quantitat d'energia necessària per alimentar el sistema. Això és especialment difícil per als inductors impresos composts per bobines llargues, que per tant són susceptibles a sèries altes. Per tant, tot i que s'han fet alguns esforços per minimitzar la resistència 25, 26, 27, 28 de les bobines impreses, encara hi ha una manca de components passius impresos d'alta eficiència per als dispositius electrònics de potència. els components en substrats flexibles estan dissenyats per funcionar en circuits ressonants per a la identificació de radiofreqüència (RFID) o per a la recollida d'energia 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Altres se centren en el desenvolupament de materials o processos de fabricació i mostren components genèrics. 26, 32, 33, 34 que no estan optimitzats per a aplicacions específiques. En canvi, els circuits electrònics de potència com els reguladors de tensió sovint utilitzen components més grans que els dispositius passius impresos típics i no requereixen ressonància, de manera que es requereixen dissenys de components diferents.
Aquí, introduïm el disseny i l'optimització d'inductors serigrafiats en el rang μH per aconseguir la resistència en sèrie més petita i un alt rendiment a freqüències relacionades amb l'electrònica de potència. Es fabriquen inductors, condensadors i resistències serigrafiats amb diversos valors de components. en substrats de plàstic flexible. La idoneïtat d'aquests components per a productes electrònics flexibles es va demostrar per primera vegada en un circuit RLC simple. L'inductor i la resistència impresos s'integren després amb l'IC per formar un regulador de reforç. Finalment, un díode emissor de llum orgànic (OLED ) i es fabriquen una bateria d'ió de liti flexible i s'utilitza un regulador de tensió per alimentar l'OLED des de la bateria.
Per tal de dissenyar inductors impresos per a electrònica de potència, primer vam predir la inductància i la resistència de corrent continu d'una sèrie de geometries d'inductors basant-nos en el model de full actual proposat a Mohan et al. 35, i van fabricar inductors de diferents geometries per confirmar la precisió del model. En aquest treball, es va triar una forma circular per a l'inductor perquè es pot aconseguir una inductància 36 més alta amb una resistència menor en comparació amb una geometria poligonal. La influència de la tinta Es determina el tipus i el nombre de cicles d'impressió sobre la resistència. A continuació, aquests resultats es van utilitzar amb el model d'amperímetre per dissenyar inductors de 4,7 μH i 7,8 μH optimitzats per a una resistència de CC mínima.
La inductància i la resistència de corrent continu dels inductors en espiral es poden descriure mitjançant diversos paràmetres: diàmetre exterior do, amplada de volta w i espai s, nombre de voltes n i resistència de la làmina conductora Rsheet. La figura 1a mostra una foto d'un inductor circular estampat en serigrafia. amb n = 12, mostrant els paràmetres geomètrics que determinen la seva inductància.Segons el model amperímetre de Mohan et al. 35, la inductància es calcula per a una sèrie de geometries de l'inductor, on
(a) Una foto de l'inductor serigrafiat que mostra els paràmetres geomètrics. El diàmetre és de 3 cm. Inductància (b) i resistència DC (c) de diverses geometries de l'inductor. Les línies i marques corresponen a valors calculats i mesurats, respectivament. (d, e) Les resistències de corrent continu dels inductors L1 i L2 estan serigrafiades amb tintes de plata Dupont 5028 i 5064H, respectivament. (f, g) Micrografies SEM de les pel·lícules serigrafiades per Dupont 5028 i 5064H, respectivament.
A freqüències altes, l'efecte de pell i la capacitat paràsitca canviaran la resistència i la inductància de l'inductor segons el seu valor de CC. S'espera que l'inductor funcioni a una freqüència prou baixa perquè aquests efectes siguin insignificants i el dispositiu es comporta com una inductància constant. amb una resistència constant en sèrie. Per tant, en aquest treball hem analitzat la relació entre paràmetres geomètrics, inductància i resistència de corrent continu, i hem utilitzat els resultats per obtenir una inductància determinada amb la menor resistència de corrent continu.
La inductància i la resistència es calculen per a una sèrie de paràmetres geomètrics que es poden realitzar mitjançant serigrafia, i s'espera que es generi una inductància en el rang μH. Els diàmetres exteriors de 3 i 5 cm, les amplades de línia de 500 i 1000 micres. , i es comparen diverses voltes. En el càlcul, s'assumeix que la resistència de la làmina és de 47 mΩ/□, que correspon a una capa conductora de microescacs de plata Dupont 5028 de 7 μm de gruix impresa amb una pantalla de malla de 400 i ajustant w = s. els valors calculats d'inductància i resistència es mostren a la figura 1b i c, respectivament. El model prediu que tant la inductància com la resistència augmenten a mesura que augmenten el diàmetre exterior i el nombre de voltes, o quan disminueix l'amplada de la línia.
Per avaluar la precisió de les prediccions del model, es van fabricar inductors de diverses geometries i inductàncies sobre un substrat de tereftalat de polietilè (PET). Els valors mesurats d'inductància i resistència es mostren a la figura 1b i c. Tot i que la resistència va mostrar alguna desviació de el valor esperat, principalment a causa dels canvis en el gruix i la uniformitat de la tinta dipositada, la inductància mostrava una molt bona concordança amb el model.
Aquests resultats es poden utilitzar per dissenyar un inductor amb la inductància requerida i la resistència mínima de CC. Per exemple, suposem que es requereix una inductància de 2 μH. La figura 1b mostra que aquesta inductància es pot realitzar amb un diàmetre exterior de 3 cm, una amplada de línia. de 500 μm i 10 voltes. La mateixa inductància també es pot generar utilitzant 5 cm de diàmetre exterior, 500 μm d'amplada de línia i 5 voltes o 1000 μm d'amplada de línia i 7 espires (com es mostra a la figura). Comparant les resistències d'aquests tres geometries possibles a la figura 1c, es pot trobar que la resistència més baixa d'un inductor de 5 cm amb una amplada de línia de 1000 μm és de 34 Ω, que és aproximadament un 40% més baix que els altres dos. El procés de disseny general per aconseguir una inductància determinada amb una resistència mínima es resumeix de la següent manera: En primer lloc, seleccioneu el diàmetre exterior màxim admissible d'acord amb les restriccions d'espai imposades per l'aplicació. A continuació, l'amplada de la línia ha de ser tan gran com sigui possible tot assolint la inductància necessària per obtenir una taxa d'ompliment alta. (Equació (3)).
Augmentant el gruix o utilitzant un material amb una conductivitat més alta per reduir la resistència de la làmina de la pel·lícula metàl·lica, la resistència DC es pot reduir encara més sense afectar la inductància. Dos inductors, els paràmetres geomètrics dels quals es donen a la taula 1, anomenats L1 i L2, es fabriquen amb diferents nombres de recobriments per avaluar el canvi de resistència. A mesura que augmenta el nombre de recobriments de tinta, la resistència disminueix proporcionalment com s'esperava, tal com es mostra a les figures 1d i e, que són inductors L1 i L2, respectivament. Figures 1d i e mostren que aplicant 6 capes de recobriment, la resistència es pot reduir fins a 6 vegades, i la reducció màxima de la resistència (50-65%) es produeix entre la capa 1 i la capa 2. Atès que cada capa de tinta és relativament prima, un Per imprimir aquests inductors s'utilitza una pantalla amb una mida de quadrícula relativament petita (400 línies per polzada), la qual cosa ens permet estudiar l'efecte del gruix del conductor sobre la resistència. Mentre les característiques del patró siguin més grans que la resolució mínima de la graella, un un gruix (i una resistència) similars es poden aconseguir més ràpidament imprimint un nombre més petit de recobriments amb una mida de quadrícula més gran. Aquest mètode es pot utilitzar per aconseguir la mateixa resistència de corrent continu que l'inductor de 6 recobriments que es parla aquí, però amb una velocitat de producció més alta.
Les figures 1d i e també mostren que utilitzant la tinta de flocs de plata més conductora DuPont 5064H, la resistència es redueix en un factor de dos. A partir de les micrografies SEM de les pel·lícules impreses amb les dues tintes (figura 1f, g), es pot S'ha vist que la menor conductivitat de la tinta 5028 es deu a la seva mida de partícula més petita i a la presència de molts buits entre les partícules de la pel·lícula impresa. plata.Tot i que la pel·lícula produïda per aquesta tinta és més fina que la tinta 5028, amb una sola capa de 4 μm i 6 capes de 22 μm, l'augment de la conductivitat és suficient per reduir la resistència global.
Finalment, encara que la inductància (equació (1)) depèn del nombre de voltes (w + s), la resistència (equació (5)) depèn només de l'amplada de línia w. Per tant, augmentant w respecte a s, la resistència es poden reduir encara més. Els dos inductors addicionals L3 i L4 estan dissenyats per tenir w = 2s i un gran diàmetre exterior, tal com es mostra a la taula 1. Aquests inductors es fabriquen amb 6 capes de recobriment DuPont 5064H, com es mostra anteriorment, per proporcionar la rendiment més alt. La inductància de L3 és de 4,720 ± 0,002 μH i la resistència és de 4,9 ± 0,1 Ω, mentre que la inductància de L4 és de 7,839 ± 0,005 μH i 6,9 ± 0,1 Ω, que estan d'acord amb el model de predicció. augment de gruix, conductivitat i w/s, això significa que la relació L/R ha augmentat en més d'un ordre de magnitud en relació amb el valor de la figura 1.
Tot i que la baixa resistència de CC és prometedora, avaluar la idoneïtat dels inductors per a equips electrònics de potència que operen en el rang kHz-MHz requereix caracterització a freqüències de CA. La figura 2a mostra la dependència de la freqüència de la resistència i la reactància de L3 i L4. Per a freqüències inferiors a 10 MHz. , la resistència es manté aproximadament constant al seu valor de CC, mentre que la reactància augmenta linealment amb la freqüència, el que significa que la inductància és constant com s'esperava. La freqüència d'autoressonància es defineix com la freqüència a la qual la impedància canvia d'inductiu a capacitiu, amb L3 és de 35,6 ± 0,3 MHz i L4 és de 24,3 ± 0,6 MHz. La dependència de la freqüència del factor de qualitat Q (igual a ωL/R) es mostra a la figura 2b. L3 i L4 aconsegueixen factors de qualitat màxims de 35 ± 1 i 33 ± 1 a freqüències d'11 i 16 MHz, respectivament. La inductància d'uns pocs μH i les freqüències relativament altes de Q a MHz fan que aquests inductors siguin suficients per substituir els inductors tradicionals de muntatge superficial en convertidors DC-DC de baixa potència.
La resistència mesurada R i la reactància X (a) i el factor de qualitat Q (b) dels inductors L3 i L4 estan relacionats amb la freqüència.
Per tal de minimitzar l'empremta necessària per a una capacitat determinada, el millor és utilitzar la tecnologia de condensadors amb una gran capacitat específica, que és igual a la constant dielèctrica ε dividida pel gruix del dielèctric. En aquest treball, hem escollit un compost de titanat de bari. com el dielèctric perquè té un èpsilon més alt que altres dielèctrics orgànics processats en solució. La capa dielèctrica està serigrafiada entre els dos conductors de plata per formar una estructura metall-dielèctrica-metall. Condensadors amb diverses mides en centímetres, com es mostra a la figura 3a. , es fabriquen utilitzant dues o tres capes de tinta dielèctrica per mantenir un bon rendiment. La figura 3b mostra una micrografia SEM de secció transversal d'un condensador representatiu fet amb dues capes de dielèctric, amb un gruix dielèctric total de 21 μm. Els elèctrodes superior i inferior són 5064H d'una capa i de sis capes respectivament. Les partícules de titanat de bari de mida micron són visibles a la imatge SEM perquè les zones més brillants estan envoltades per l'aglutinant orgànic més fosc. La tinta dielèctrica mulla bé l'elèctrode inferior i forma una interfície clara amb el pel·lícula metàl·lica impresa, com es mostra a la il·lustració amb un augment més elevat.
(a) Una foto d'un condensador amb cinc àrees diferents. (b) Micrografia SEM de secció transversal d'un condensador amb dues capes de dielèctric, que mostra elèctrodes de plata i dielèctrics de titanat de bari. (c) Capacitàncies de condensadors amb titanat de bari 2 i 3 capes dielèctriques i diferents àrees, mesurades a 1 MHz.(d) La relació entre la capacitat, ESR i factor de pèrdua d'un condensador de 2,25 cm2 amb 2 capes de recobriments dielèctrics i freqüència.
La capacitat és proporcional a l'àrea esperada. Com es mostra a la figura 3c, la capacitat específica del dielèctric de dues capes és de 0,53 nF/cm2 i la capacitat específica del dielèctric de tres capes és de 0,33 nF/cm2. Aquests valors corresponen a una constant dielèctrica de 13. La capacitat i el factor de dissipació (DF) també es van mesurar a diferents freqüències, com es mostra a la figura 3d, per a un condensador de 2,25 cm2 amb dues capes de dielèctric. Hem trobat que la capacitat era relativament plana en el rang de freqüències d'interès, augmentant un 20% d'1 a 10 MHz, mentre que en el mateix rang, DF va augmentar de 0,013 a 0,023. Atès que el factor de dissipació és la relació entre la pèrdua d'energia i l'energia emmagatzemada en cada cicle de CA, un DF de 0,02 significa que el 2% de la potència gestionada es consumeix pel condensador. Aquesta pèrdua sol expressar-se com la resistència sèrie equivalent (ESR) dependent de la freqüència connectada en sèrie amb el condensador, que és igual a DF/ωC. Tal com es mostra a la figura 3d, per a freqüències superiors a 1 MHz, L'ESR és inferior a 1,5 Ω, i per a freqüències superiors a 4 MHz, l'ESR és inferior a 0,5 Ω. Tot i que s'utilitzen aquesta tecnologia de condensadors, els condensadors de classe μF necessaris per als convertidors DC-DC requereixen una àrea molt gran, però els 100 pF- El rang de capacitat nF i la baixa pèrdua d'aquests condensadors els fan adequats per a altres aplicacions, com ara filtres i circuits ressonants. Es poden utilitzar diversos mètodes per augmentar la capacitat. Una constant dielèctrica més alta augmenta la capacitat específica 37; per exemple, això es pot aconseguir augmentant la concentració de partícules de titanat de bari a la tinta. Es pot utilitzar un gruix dielèctric més petit, tot i que això requereix un elèctrode inferior amb una rugositat menor que una escama de plata serigrafiada. Un condensador més prim i de menor rugositat. les capes es poden dipositar mitjançant la impressió d'injecció de tinta 31 o la impressió de gravat 10, que es poden combinar amb un procés d'impressió de pantalla. Finalment, es poden apilar i imprimir múltiples capes alternes de metall i dielèctric i connectar-se en paral·lel, augmentant així la capacitat de 34 per unitat d'àrea. .
Normalment s'utilitza un divisor de tensió compost per un parell de resistències per realitzar la mesura de tensió necessària per al control de retroalimentació d'un regulador de tensió. Per a aquest tipus d'aplicació, la resistència de la resistència impresa hauria d'estar en el rang kΩ-MΩ i la diferència entre els dispositius són petits. Aquí, es va trobar que la resistència a la làmina de la tinta de carboni serigrafiada d'una sola capa era de 900 Ω/□. Aquesta informació s'utilitza per dissenyar dues resistències lineals (R1 i R2) i una resistència serpentina (R3). ) amb resistències nominals de 10 kΩ, 100 kΩ i 1,5 MΩ. La resistència entre els valors nominals s'aconsegueix imprimint dues o tres capes de tinta, com es mostra a la figura 4, i fotos de les tres resistències. Fes 8- 12 mostres de cada tipus; en tots els casos, la desviació estàndard de la resistència és del 10% o menys. El canvi de resistència de mostres amb dues o tres capes de recobriment tendeix a ser lleugerament més petit que el de mostres amb una capa de recobriment. El petit canvi en la resistència mesurada i l'estreta concordança amb el valor nominal indiquen que altres resistències d'aquest rang es poden obtenir directament modificant la geometria de la resistència.
Tres geometries de resistències diferents amb diferents nombres de recobriments de tinta resistents de carboni. Les fotos de les tres resistències es mostren a la dreta.
Els circuits RLC són exemples clàssics de llibres de text de combinacions de resistències, inductors i condensadors que s'utilitzen per demostrar i verificar el comportament dels components passius integrats en circuits impresos reals. En aquest circuit, un inductor de 8 μH i un condensador de 0,8 nF es connecten en sèrie i un La resistència de 25 kΩ està connectada en paral·lel amb ells. La foto del circuit flexible es mostra a la figura 5a. El motiu per triar aquesta combinació especial sèrie-paral·lel és que el seu comportament està determinat per cadascun dels tres components de freqüència diferents, de manera que el es pot destacar i avaluar el rendiment de cada component. Tenint en compte la resistència en sèrie de 7 Ω de l'inductor i l'ESR d'1,3 Ω del condensador, es va calcular la resposta de freqüència esperada del circuit. El diagrama del circuit es mostra a la figura 5b i el calcula L'amplitud i la fase de la impedància i els valors mesurats es mostren a les figures 5c i d. A baixes freqüències, l'alta impedància del condensador significa que el comportament del circuit està determinat per la resistència de 25 kΩ. A mesura que augmenta la freqüència, la impedància de el camí LC disminueix; tot el comportament del circuit és capacitiu fins que la freqüència de ressonància és de 2,0 MHz. Per sobre de la freqüència de ressonància, domina la impedància inductiva. La figura 5 mostra clarament l'excel·lent acord entre els valors calculats i mesurats en tot el rang de freqüències. Això significa que el model utilitzat aquí (on els inductors i els condensadors són components ideals amb resistència en sèrie) és precís per predir el comportament del circuit a aquestes freqüències.
(a) Una foto d'un circuit RLC serigrafiat que utilitza una combinació en sèrie d'un inductor de 8 μH i un condensador de 0,8 nF en paral·lel amb una resistència de 25 kΩ. (b) Model de circuit que inclou la resistència en sèrie de l'inductor i el condensador. (c) ,d) L'amplitud de la impedància (c) i la fase (d) del circuit.
Finalment, els inductors i resistències impresos s'implementen al regulador d'impuls. L'IC utilitzat en aquesta demostració és Microchip MCP1640B14, que és un regulador d'augment síncron basat en PWM amb una freqüència de funcionament de 500 kHz. El diagrama de circuit es mostra a la figura 6a.A. S'utilitzen un inductor de 4,7 μH i dos condensadors (4,7 μF i 10 μF) com a elements d'emmagatzematge d'energia, i un parell de resistències s'utilitzen per mesurar la tensió de sortida del control de retroalimentació. Seleccioneu el valor de resistència per ajustar la tensió de sortida a 5 V. El circuit es fabrica a la PCB i el seu rendiment es mesura dins de la resistència de càrrega i el rang de tensió d'entrada de 3 a 4 V per simular la bateria d'ions de liti en diversos estats de càrrega. L'eficiència dels inductors i resistències impresos es compara amb el eficiència dels inductors i resistors SMT. Els condensadors SMT s'utilitzen en tots els casos perquè la capacitat necessària per a aquesta aplicació és massa gran per completar-la amb condensadors impresos.
(a) Diagrama del circuit d'estabilització de tensió. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw i (d) Formes d'ona del corrent que flueix a l'inductor, la tensió d'entrada és de 4,0 V, la resistència de càrrega és d'1 kΩ, i l'inductor imprès s'utilitza per mesurar. Per a aquesta mesura s'utilitzen resistències i condensadors de muntatge en superfície. (e) Per a diverses resistències de càrrega i tensions d'entrada, l'eficiència dels circuits reguladors de tensió que utilitzen tots els components de muntatge superficial i inductors i resistències impresos. (f ) La relació d'eficiència del muntatge en superfície i el circuit imprès que es mostra a (e).
Per a una tensió d'entrada de 4,0 V i una resistència de càrrega de 1000 Ω, les formes d'ona mesurades mitjançant inductors impresos es mostren a la figura 6b-d. La figura 6c mostra la tensió al terminal Vsw de l'IC; la tensió de l'inductor és Vin-Vsw. La figura 6d mostra el corrent que flueix a l'inductor. L'eficiència del circuit amb SMT i components impresos es mostra a la figura 6e en funció de la tensió d'entrada i la resistència de càrrega, i la figura 6f mostra la relació d'eficiència de components impresos a components SMT. L'eficiència mesurada amb components SMT és similar al valor esperat que es dóna a la fitxa tècnica del fabricant. 14. Amb un corrent d'entrada elevat (baixa resistència a la càrrega i baixa tensió d'entrada), l'eficiència dels inductors impresos és significativament menor que el dels inductors SMT a causa de la major resistència en sèrie. No obstant això, amb una tensió d'entrada més alta i un corrent de sortida més alt, la pèrdua de resistència es torna menys important i el rendiment dels inductors impresos comença a apropar-se al dels inductors SMT. Per a resistències de càrrega > 500 Ω i Vin = 4,0 V o >750 Ω i Vin = 3,5 V, l'eficiència dels inductors impresos és superior al 85% dels inductors SMT.
La comparació de la forma d'ona actual de la figura 6d amb la pèrdua de potència mesurada mostra que la pèrdua de resistència a l'inductor és la causa principal de la diferència d'eficiència entre el circuit imprès i el circuit SMT, com s'esperava. La potència d'entrada i sortida mesurada a 4,0 V la tensió d'entrada i la resistència de càrrega de 1000 Ω són 30,4 mW i 25,8 mW per a circuits amb components SMT, i 33,1 mW i 25,2 mW per a circuits amb components impresos. Per tant, la pèrdua del circuit imprès és de 7,9 mW, que és 3,4 mW superior a la circuit amb components SMT. El corrent d'inductor RMS calculat a partir de la forma d'ona de la figura 6d és de 25,6 mA. Com que la seva resistència en sèrie és de 4,9 Ω, la pèrdua de potència esperada és de 3,2 mW. Això és el 96% de la diferència de potència de CC mesurada de 3,4 mW. A més, el circuit es fabrica amb inductors impresos i resistències impreses i inductors impresos i resistències SMT, i no s'observa cap diferència significativa d'eficiència entre ells.
A continuació, el regulador de tensió es fabrica a la PCB flexible (la impressió del circuit i el rendiment dels components SMT es mostren a la figura suplementària S1) i es connecta entre la bateria flexible d'ions de liti com a font d'alimentació i la matriu OLED com a càrrega. Segons Lochner et al. 9 Per fabricar OLED, cada píxel OLED consumeix 0,6 mA a 5 V. La bateria utilitza òxid de cobalt de liti i grafit com a càtode i ànode, respectivament, i es fabrica amb un recobriment de raspador, que és el mètode d'impressió de bateria més comú.7 La capacitat de la bateria és de 16 mAh i la tensió durant la prova és de 4,0 V. La figura 7 mostra una foto del circuit a la PCB flexible, alimentant tres píxels OLED connectats en paral·lel. La demostració va demostrar el potencial dels components d'alimentació impresos per integrar-se amb altres dispositius flexibles i orgànics per formar sistemes electrònics més complexos.
Una foto del circuit regulador de tensió en una PCB flexible que utilitza inductors i resistències impresos, utilitzant bateries flexibles d'ions de liti per alimentar tres LED orgànics.
Hem mostrat inductors, condensadors i resistències serigrafiats amb un rang de valors en substrats de PET flexibles, amb l'objectiu de substituir components de muntatge superficial en equips electrònics de potència. Hem demostrat que dissenyant una espiral amb un gran diàmetre, la taxa d'ompliment , i la relació ample de línia-amplada d'espai, i utilitzant una capa gruixuda de tinta de baixa resistència. Aquests components s'integren en un circuit RLC totalment imprès i flexible i presenten un comportament elèctric previsible en el rang de freqüències kHz-MHz, que és el més gran. interès per l'electrònica de potència.
Els casos d'ús típics dels dispositius electrònics de potència impresos són sistemes electrònics flexibles que es poden portar o integrats en el producte, alimentats per bateries recarregables flexibles (com ara d'ions de liti), que poden generar voltatges variables segons l'estat de càrrega. Si la càrrega (inclosa la impressió i la equip electrònic orgànic) requereix una tensió constant o superior a la tensió de sortida de la bateria, es requereix un regulador de tensió. Per aquest motiu, els inductors i resistències impresos s'integren amb circuits integrats de silici tradicionals en un regulador d'impuls per alimentar l'OLED amb una tensió constant. de 5 V d'una font d'alimentació de bateria de tensió variable. Dins d'un determinat rang de corrent de càrrega i tensió d'entrada, l'eficiència d'aquest circuit supera el 85% de l'eficiència d'un circuit de control que utilitza inductors i resistències de muntatge superficial. Malgrat les optimitzacions geomètriques i materials, les pèrdues resistives a l'inductor segueixen sent el factor limitant per al rendiment del circuit a nivells de corrent elevats (corrent d'entrada superior a uns 10 mA). No obstant això, a corrents més baixes, les pèrdues a l'inductor es redueixen i el rendiment general està limitat per l'eficiència. de l'IC. Atès que molts dispositius impresos i orgànics requereixen corrents relativament baixos, com els OLED petits utilitzats a la nostra demostració, els inductors de potència impresos es poden considerar adequats per a aquestes aplicacions. Mitjançant l'ús de circuits integrats dissenyats per tenir la màxima eficiència a nivells de corrent més baixos, es pot aconseguir una major eficiència global del convertidor.
En aquest treball, el regulador de tensió es basa en la tecnologia tradicional de soldadura de PCB, PCB flexible i component de muntatge superficial, mentre que el component imprès es fabrica en un substrat separat. No obstant això, les tintes de baixa temperatura i alta viscositat que s'utilitzen per produir pantalla- Les pel·lícules impreses haurien de permetre que els components passius, així com la interconnexió entre el dispositiu i els coixinets de contacte dels components de muntatge superficial, s'imprimissin en qualsevol substrat. Això, combinat amb l'ús d'adhesius conductors de baixa temperatura existents per a components de muntatge superficial, permetrà tot el circuit es construirà sobre substrats econòmics (com PET) sense necessitat de processos subtractius com ara el gravat de PCB. Per tant, els components passius serigrafiats desenvolupats en aquest treball ajuden a obrir el camí per a sistemes electrònics flexibles que integren energia i càrregues. amb electrònica de potència d'alt rendiment, utilitzant substrats econòmics, principalment processos additius i mínim El nombre de components de muntatge superficial.
Utilitzant una impressora de pantalla Asys ASP01M i una pantalla d'acer inoxidable proporcionada per Dynamesh Inc., totes les capes de components passius es van serigrafiar sobre un substrat de PET flexible amb un gruix de 76 μm. La mida de la malla de la capa metàl·lica és de 400 línies per polzada i 250 línies per polzada per a la capa dielèctrica i la capa de resistència. Utilitzeu una força de raspador de 55 N, una velocitat d'impressió de 60 mm/s, una distància de ruptura d'1,5 mm i una rasqueta Serilor amb una duresa de 65 (per a metalls i resistius). capes) o 75 (per a capes dielèctriques) per a la serigrafia.
Les capes conductores (els inductors i els contactes de condensadors i resistències) estan impreses amb tinta microflake plateada DuPont 5082 o DuPont 5064H. La resistència s'imprimeix amb conductor de carboni DuPont 7082. Per al dielèctric del condensador, el compost conductor BT-101 dielèctric de titanat de bari s'utilitza. Cada capa de dielèctric es produeix mitjançant un cicle d'impressió de dues passades (humit-humit) per millorar la uniformitat de la pel·lícula. Per a cada component, es va examinar l'efecte de múltiples cicles d'impressió sobre el rendiment i la variabilitat dels components.Mostres fetes amb es van assecar múltiples recobriments del mateix material a 70 °C durant 2 minuts entre recobriments. Després d'aplicar l'última capa de cada material, les mostres es van coure a 140 °C durant 10 minuts per garantir un assecat complet. La funció d'alineació automàtica de la pantalla La impressora s'utilitza per alinear les capes posteriors. El contacte amb el centre de l'inductor s'aconsegueix tallant un forat passant al coixinet central i traces d'impressió de plantilla a la part posterior del substrat amb tinta DuPont 5064H. La interconnexió entre equips d'impressió també utilitza Dupont. Impressió de plantilla 5064H. Per mostrar els components impresos i els components SMT a la PCB flexible que es mostra a la figura 7, els components impresos es connecten mitjançant epoxi conductor Circuit Works CW2400 i els components SMT es connecten mitjançant soldadura tradicional.
L'òxid de cobalt de liti (LCO) i els elèctrodes basats en grafit s'utilitzen com a càtode i ànode de la bateria, respectivament. La pasta de càtode és una barreja de 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% de grafit (KS6, Timcal), 2,5 % de negre de carboni (Super P, Timcal) i 10% de fluorur de polivinilidè (PVDF, Kureha Corp.). ) L'ànode és una barreja de 84% en pes de grafit, 4% en pes de negre de carboni i 13% en pes de PVDF. La N-metil-2-pirrolidona (NMP, Sigma Aldrich) s'utilitza per dissoldre l'aglutinant de PVDF i dispersar la suspensió. La purín es va homogenitzar mitjançant remenant amb un mesclador de vòrtex durant la nit. Una làmina d'acer inoxidable de 0,0005 polzades de gruix i una làmina de níquel de 10 μm s'utilitzen com a col·lectors de corrent per al càtode i l'ànode, respectivament. La tinta s'imprimeix al col·lector de corrent amb una escobadora a una velocitat d'impressió de 20 mm/s. Escalfeu l'elèctrode en un forn a 80 °C durant 2 hores per eliminar el dissolvent. L'alçada de l'elèctrode després de l'assecat és d'uns 60 μm i, segons el pes del material actiu, la capacitat teòrica és d'1,65 mAh /cm2. Els elèctrodes es van tallar a unes dimensions d'1,3 × 1,3 cm2 i es van escalfar en un forn al buit a 140 °C durant la nit, i després es van tancar amb bosses de laminat d'alumini en una guantera plena de nitrogen. Una solució de pel·lícula base de polipropilè amb L'ànode i el càtode i 1M LiPF6 en EC/DEC (1:1) s'utilitza com a electròlit de la bateria.
L'OLED verd consta de poli(9,9-dioctilfluorè-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) i poli((9,9-dioctilfluorè-2,7- (2,1,3-benzotiadiazol-). 4, 8-diil)) (F8BT) segons el procediment descrit a Lochner et al 9.
Utilitzeu el perfilador de llapis de Dektak per mesurar el gruix de la pel·lícula. La pel·lícula es va tallar per preparar una mostra de secció transversal per a la investigació mitjançant microscòpia electrònica d'escaneig (SEM). La pistola d'emissió de camp 3D (FEG) FEI Quanta s'utilitza per caracteritzar l'estructura del material imprès. pel·lícula i confirmar la mesura del gruix. L'estudi SEM es va dur a terme a una tensió acceleradora de 20 keV i una distància de treball típica de 10 mm.
Utilitzeu un multímetre digital per mesurar la resistència, la tensió i el corrent de CC. La impedància de CA d'inductors, condensadors i circuits es mesura amb el mesurador LCR Agilent E4980 per a freqüències inferiors a 1 MHz i l'analitzador de xarxa Agilent E5061A s'utilitza per mesurar freqüències superiors a 500 kHz. Oscil·loscopi Tektronix TDS 5034 per mesurar la forma d'ona del regulador de tensió.
Com citar aquest article: Ostfeld, AE, etc. Components passius de serigrafia per a equips electrònics de potència flexible.ciència.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next ubiquat platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: A place where groups meet humans. Document publicat a la Conferència i Exposició Europea sobre Disseny, Automatització i Proves de 2015, Grenoble, França. San Jose, Califòrnia: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 de març de 2015). 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 i Hübler, Dispositius de recol·lecció d'energia piezoelèctrics impresos en CA. Materials energètics avançats.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generador d'energia termoelèctrica de pel·lícula gruixuda i plana imprès amb dispensador.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE i Whiting, GL Una bateria impresa flexible d'alt potencial que s'utilitza per alimentar dispositius electrònics impresos. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC i Steingart, DA Els últims desenvolupaments en bateries flexibles impreses: reptes mecànics, tecnologia d'impressió i perspectives de futur. Tecnologia energètica.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.Un sistema de detecció a gran escala que combina dispositius electrònics de gran àrea i CI CMOS per al monitoratge de la salut estructural.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).