новости

Благодарим вас за посещение Nature. Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать более новую версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В то же время , чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайты без стилей и JavaScript.
Добавки и процессы низкотемпературной печати позволяют интегрировать различные энергоемкие и энергоемкие электронные устройства на гибких подложках с низкой стоимостью. Однако производство полных электронных систем из этих устройств обычно требует, чтобы силовые электронные устройства преобразовывали различные рабочие напряжения устройства. Пассивные компоненты — катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы — выполняют такие функции, как фильтрация, кратковременное хранение энергии и измерение напряжения, которые необходимы в силовой электронике и многих других приложениях. В этой статье мы представляем катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы и схемы RLC, напечатанные методом трафаретной печати на гибких пластиковых подложках, и сообщают о процессе проектирования, чтобы минимизировать последовательное сопротивление индукторов, чтобы их можно было использовать в силовых электронных устройствах. Напечатанный индуктор и резистор затем включаются в схему повышающего регулятора. Производство органических светодиодов и гибких литий-ионных аккумуляторов. Регуляторы напряжения используются для питания диодов от батареи, демонстрируя потенциал печатных пассивных компонентов для замены традиционных компонентов поверхностного монтажа в преобразователях постоянного тока.
В последние годы получили развитие применение различных гибких устройств в портативных электронных устройствах и электронных устройствах большой площади, а также в Интернете вещей1,2. К ним относятся устройства сбора энергии, такие как фотоэлектрические 3, пьезоэлектрические 4 и термоэлектрические 5; устройства накопления энергии, например батареи 6, 7; и энергопотребляющие устройства, такие как датчики 8, 9, 10, 11, 12 и источники света 13. Хотя в отдельных источниках энергии и нагрузках достигнут большой прогресс, объединение этих компонентов в полную электронную систему обычно требует силовой электроники для устранить любое несоответствие между поведением источника питания и требованиями нагрузки. Например, батарея генерирует переменное напряжение в зависимости от состояния ее заряда. Если нагрузка требует постоянного напряжения или напряжения, превышающего напряжение, которое может генерировать батарея, требуется силовая электроника. .В силовой электронике используются активные компоненты (транзисторы) для выполнения функций переключения и управления, а также пассивные компоненты (индукторы, конденсаторы и резисторы). Например, в схеме импульсного регулятора дроссель используется для хранения энергии во время каждого цикла переключения. Для уменьшения пульсаций напряжения используется конденсатор, а измерение напряжения, необходимое для управления с обратной связью, осуществляется с помощью резисторного делителя.
Силовые электронные устройства, подходящие для носимых устройств (например, пульсоксиметр 9), требуют напряжения в несколько вольт и нескольких миллиампер, обычно работают в диапазоне частот от сотен кГц до нескольких МГц и требуют индуктивности в несколько мкГн и нескольких мкГн. Емкость мкФ равна 14 соответственно. Традиционный метод изготовления этих схем заключается в пайке дискретных компонентов на жесткую печатную плату (PCB). Хотя активные компоненты силовых электронных схем обычно объединяются в одну кремниевую интегральную схему (ИС), пассивные компоненты обычно состоят из внешний, либо позволяющий использовать специальные схемы, либо потому, что требуемые индуктивность и емкость слишком велики для реализации в кремнии.
По сравнению с традиционной технологией производства на основе печатных плат производство электронных устройств и схем с помощью процесса аддитивной печати имеет много преимуществ с точки зрения простоты и стоимости. Во-первых, поскольку для многих компонентов схемы требуются одни и те же материалы, например металлы для контактов. и взаимосвязей, печать позволяет производить несколько компонентов одновременно с относительно небольшим количеством этапов обработки и меньшим количеством источников материалов15. Использование аддитивных процессов для замены субтрактивных процессов, таких как фотолитография и травление, еще больше снижает сложность процесса и количество отходов материала16, 17, 18 и 19. Кроме того, низкие температуры, используемые при печати, совместимы с гибкими и недорогими пластиковыми подложками, что позволяет использовать высокоскоростные процессы производства с рулона на рулон для покрытия электронных устройств 16, 20 на больших площадях. которые не могут быть полностью реализованы с помощью печатных компонентов, были разработаны гибридные методы, в которых компоненты технологии поверхностного монтажа (SMT) соединяются с гибкими подложками 21, 22, 23 рядом с печатными компонентами при низких температурах. В этом гибридном подходе все еще необходимо заменить как можно больше компонентов SMT печатными аналогами, чтобы получить преимущества дополнительных процессов и повысить общую гибкость схемы. Чтобы реализовать гибкую силовую электронику, мы предложили комбинацию активных компонентов SMT и пассивных компонентов с трафаретной печатью. компонентов, с особым упором на замену громоздких индукторов SMT плоскими спиральными индукторами. Среди различных технологий производства печатной электроники трафаретная печать особенно подходит для пассивных компонентов из-за большой толщины пленки (которая необходима для минимизации последовательного сопротивления металлических элементов). ) и высокая скорость печати, даже при покрытии сантиметровых площадей. То же самое иногда бывает.Материал 24.
Потери пассивных компонентов силового электронного оборудования должны быть сведены к минимуму, поскольку эффективность схемы напрямую влияет на количество энергии, необходимой для питания системы. Это особенно сложно для печатных индукторов, состоящих из длинных катушек, которые, следовательно, восприимчивы к многочисленным последовательным сопротивление. Поэтому, хотя были предприняты некоторые усилия по минимизации сопротивления 25, 26, 27, 28 печатных катушек, все еще ощущается нехватка высокоэффективных печатных пассивных компонентов для силовых электронных устройств. На сегодняшний день многие сообщили о печатных пассивных компонентах. Компоненты на гибких подложках предназначены для работы в резонансных цепях для радиочастотной идентификации (RFID) или сбора энергии 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Другие сосредоточены на разработке материалов или производственных процессов и демонстрируют типовые компоненты. 26, 32, 33, 34, которые не оптимизированы для конкретных приложений. Напротив, силовые электронные схемы, такие как регуляторы напряжения, часто используют компоненты большего размера, чем типичные печатные пассивные устройства, и не требуют резонанса, поэтому требуются другие конструкции компонентов.
Здесь мы представляем разработку и оптимизацию индукторов с трафаретной печатью в диапазоне мкГн для достижения наименьшего последовательного сопротивления и высоких характеристик на частотах, связанных с силовой электроникой. Производятся индукторы с трафаретной печатью, конденсаторы и резисторы с различными номиналами компонентов. на гибких пластиковых подложках. Пригодность этих компонентов для гибких электронных продуктов была впервые продемонстрирована в простой схеме RLC. Печатный индуктор и резистор затем интегрируются с ИС, образуя повышающий регулятор. Наконец, органический светоизлучающий диод (OLED) ) и гибкую литий-ионную батарею, а для питания OLED от батареи используется стабилизатор напряжения.
Чтобы разработать печатные индукторы для силовой электроники, мы сначала спрогнозировали индуктивность и сопротивление постоянному току ряда геометрий индукторов на основе текущей модели листа, предложенной Моханом и др. 35, и изготовленные индукторы различной геометрии для подтверждения точности модели. В этой работе для индуктора была выбрана круглая форма, поскольку более высокая индуктивность 36 может быть достигнута при меньшем сопротивлении по сравнению с многоугольной геометрией. Влияние чернил Определяется тип и количество циклов печати по сопротивлению. Эти результаты затем были использованы с моделью амперметра для разработки индукторов 4,7 мкГн и 7,8 мкГн, оптимизированных для минимального сопротивления постоянному току.
Индуктивность и сопротивление постоянному току спиральных индукторов можно описать несколькими параметрами: внешним диаметром do, шириной витков w и расстоянием s, числом витков n и сопротивлением листа проводника Rsheet. На рисунке 1а показано фото круглого индуктора, напечатанного методом шелкографии. с n = 12, показывающими геометрические параметры, определяющие его индуктивность. Согласно модели амперметра Мохана и др. 35, индуктивность рассчитывается для ряда геометрий индуктора, где
(а) Фотография трафаретного индуктора с указанием геометрических параметров. Диаметр 3 см. Индуктивность (б) и сопротивление постоянному току (в) индукторов различной геометрии. Линии и метки соответствуют расчетным и измеренным значениям соответственно. (d,e) Сопротивления постоянного тока индукторов L1 и L2 напечатаны методом трафаретной печати серебряными чернилами Dupont 5028 и 5064H соответственно. (f,g) СЭМ-микрофотографии пленок, напечатанные методом трафаретной печати Dupont 5028 и 5064H соответственно.
На высоких частотах скин-эффект и паразитная емкость изменяют сопротивление и индуктивность индуктора в соответствии с его значением постоянного тока. Ожидается, что индуктор будет работать на достаточно низкой частоте, чтобы эти эффекты были незначительными, и устройство вел себя как постоянная индуктивность. с постоянным сопротивлением последовательно. Поэтому в данной работе мы проанализировали связь между геометрическими параметрами, индуктивностью и сопротивлением постоянному току и использовали результаты для получения заданной индуктивности с наименьшим сопротивлением постоянному току.
Индуктивность и сопротивление рассчитываются для ряда геометрических параметров, которые могут быть реализованы с помощью трафаретной печати, и ожидается, что будет создана индуктивность в диапазоне мкГн. Наружные диаметры 3 и 5 см, ширина линий 500 и 1000 микрон. , и сравниваются различные витки. В расчете предполагается, что поверхностное сопротивление равно 47 мОм/□, что соответствует слою серебряного микрочешуйчатого проводника Dupont 5028 толщиной 7 мкм, напечатанному с помощью экрана 400 меш и настройки w = s. рассчитанные значения индуктивности и сопротивления показаны на рисунках 1b и c соответственно. Модель предсказывает, что как индуктивность, так и сопротивление увеличиваются по мере увеличения внешнего диаметра и количества витков или при уменьшении ширины линии.
Чтобы оценить точность предсказаний модели, индукторы различной геометрии и индуктивности были изготовлены на подложке из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Измеренные значения индуктивности и сопротивления показаны на рисунках 1б и в. Хотя сопротивление показало некоторое отклонение от ожидаемое значение, в основном из-за изменений толщины и однородности нанесенных чернил, индуктивность показала очень хорошее соответствие с моделью.
Эти результаты можно использовать для проектирования дросселя с необходимой индуктивностью и минимальным сопротивлением постоянному току. Например, предположим, что требуется индуктивность 2 мкГн. На рисунке 1б показано, что эту индуктивность можно реализовать с внешним диаметром 3 см, шириной линии 500 мкм и 10 витков. Такую же индуктивность можно также создать, используя внешний диаметр 5 см, ширину линии 500 мкм и 5 витков или ширину линии 1000 мкм и 7 витков (как показано на рисунке). Сравнивая сопротивления этих трех возможных геометрических форм на рисунке 1c, можно обнаружить, что наименьшее сопротивление индуктора диаметром 5 см с шириной линии 1000 мкм составляет 34 Ом, что примерно на 40% ниже, чем у двух других. Общий процесс проектирования для достижения заданной индуктивности с минимальным сопротивлением суммируется следующим образом: во-первых, выберите максимально допустимый внешний диаметр в соответствии с ограничениями по пространству, налагаемыми приложением. Затем ширина линии должна быть как можно большей, при этом сохраняя необходимую индуктивность для получения высокой скорости заполнения. (Уравнение (3)).
Увеличивая толщину или используя материал с более высокой проводимостью для уменьшения поверхностного сопротивления металлической пленки, можно дополнительно уменьшить сопротивление постоянному току, не влияя на индуктивность. Два индуктора, геометрические параметры которых приведены в таблице 1, называются L1 и L2, изготавливаются с разным количеством покрытий для оценки изменения сопротивления. По мере увеличения количества чернильных покрытий сопротивление пропорционально уменьшается, как и ожидалось, как показано на рисунках 1d и e, которые представляют собой индукторы L1 и L2 соответственно. Рисунки 1d и e показывают, что при нанесении 6 слоев покрытия стойкость можно снизить до 6 раз, причем максимальное снижение стойкости (50-65%) происходит между слоем 1 и слоем 2. Поскольку каждый слой чернил относительно тонкий, Для печати этих индукторов используется экран с относительно небольшим размером сетки (400 линий на дюйм), что позволяет изучить влияние толщины проводника на сопротивление. Пока особенности рисунка остаются больше минимального разрешения сетки, аналогичная толщина (и сопротивление) может быть достигнута быстрее, если напечатать меньшее количество покрытий с большим размером сетки. Этот метод можно использовать для достижения того же сопротивления постоянному току, что и обсуждаемый здесь индуктор с 6 покрытиями, но с более высокой скоростью производства.
На рисунках 1d и e также показано, что при использовании более проводящих серебряных чешуйчатых чернил DuPont 5064H сопротивление снижается в два раза. Судя по микрофотографиям, полученным с помощью СЭМ, пленок, напечатанных двумя красками (рис. 1f, g), можно сделать вывод: Видно, что более низкая проводимость чернил 5028 обусловлена ​​меньшим размером частиц и наличием большого количества пустот между частицами в печатной пленке. С другой стороны, 5064H имеет более крупные и более близко расположенные хлопья, что делает его более похожим на объемный. серебро. Хотя пленка, создаваемая этими чернилами, тоньше, чем чернила 5028, с одним слоем 4 мкм и 6 слоями по 22 мкм, увеличения проводимости достаточно, чтобы снизить общее сопротивление.
Наконец, хотя индуктивность (уравнение (1)) зависит от числа витков (w + s), сопротивление (уравнение (5)) зависит только от ширины линии w. Поэтому, увеличивая w относительно s, сопротивление могут быть дополнительно уменьшены. Два дополнительных индуктора L3 и L4 имеют w = 2 с и большой внешний диаметр, как показано в Таблице 1. Эти индукторы изготавливаются с 6 слоями покрытия DuPont 5064H, как было показано ранее, для обеспечения наивысшая производительность. Индуктивность L3 составляет 4,720 ± 0,002 мкГн, а сопротивление 4,9 ± 0,1 Ом, а индуктивность L4 составляет 7,839 ± 0,005 мкГн и 6,9 ± 0,1 Ом, что хорошо согласуется с предсказанием модели. Благодаря увеличение толщины, проводимости и w/s, это означает, что соотношение L/R увеличилось более чем на порядок относительно значения на рисунке 1.
Хотя низкое сопротивление постоянному току является многообещающим, оценка пригодности катушек индуктивности для силового электронного оборудования, работающего в диапазоне кГц-МГц, требует характеризации на частотах переменного тока. На рисунке 2а показана частотная зависимость сопротивления и реактивного сопротивления L3 и L4. Для частот ниже 10 МГц , сопротивление остается примерно постоянным при своем значении постоянного тока, в то время как реактивное сопротивление увеличивается линейно с частотой, что означает, что индуктивность постоянна, как и ожидалось. L3 составляет 35,6 ± 0,3 МГц, а L4 составляет 24,3 ± 0,6 МГц. Частотная зависимость добротности Q (равная ωL/R) показана на рисунке 2b. L3 и L4 достигают максимальных добротностей 35 ± 1 и 33 ± 1. на частотах 11 и 16 МГц соответственно. Индуктивность в несколько мкГн и относительно высокая добротность на частотах МГц делают эти дроссели достаточными для замены традиционных дросселей поверхностного монтажа в преобразователях постоянного тока малой мощности.
Измеренные сопротивление R и реактивное сопротивление X (а) и добротность Q (б) катушек индуктивности L3 и L4 связаны с частотой.
Чтобы минимизировать занимаемую площадь, необходимую для заданной емкости, лучше всего использовать конденсаторную технологию с большой удельной емкостью, которая равна диэлектрической проницаемости ε, деленной на толщину диэлектрика. В данной работе мы выбрали композит из титаната бария. в качестве диэлектрика, потому что он имеет более высокое эпсилон, чем другие органические диэлектрики, обработанные в растворе. Диэлектрический слой наносится трафаретной печатью между двумя серебряными проводниками, образуя структуру металл-диэлектрик-металл. Конденсаторы различных размеров в сантиметрах, как показано на рисунке 3а. , изготавливаются с использованием двух или трех слоев диэлектрических чернил для обеспечения хорошего выхода. На рисунке 3b показана СЭМ-фотография поперечного сечения типичного конденсатора, изготовленного из двух слоев диэлектрика, с общей толщиной диэлектрика 21 мкм. Верхний и нижний электроды являются однослойными и шестислойными 5064H соответственно. Частицы титаната бария микронного размера видны на СЭМ-изображении, поскольку более яркие области окружены более темным органическим связующим. Диэлектрические чернила хорошо смачивают нижний электрод и образуют четкую границу раздела с напечатанная металлическая пленка, как показано на иллюстрации при большем увеличении.
(a) Фотография конденсатора с пятью различными областями. (b) Микрофотография конденсатора с двумя слоями диэлектрика в поперечном сечении, показывающая диэлектрик из титаната бария и серебряные электроды. (c) Емкости конденсаторов с 2 и 3 титанатами бария. диэлектрические слои и различные площади, измеренные на частоте 1 МГц. (d) Зависимость между емкостью, ESR и коэффициентом потерь конденсатора площадью 2,25 см2 с двумя слоями диэлектрического покрытия и частотой.
Емкость пропорциональна ожидаемой площади. Как показано на рисунке 3в, удельная емкость двухслойного диэлектрика составляет 0,53 нФ/см2, а удельная емкость трехслойного диэлектрика — 0,33 нФ/см2. Эти значения соответствуют диэлектрической проницаемости 13. емкость и коэффициент рассеяния (DF) также были измерены на разных частотах, как показано на рисунке 3d, для конденсатора площадью 2,25 см2 с двумя слоями диэлектрика. Мы обнаружили, что емкость была относительно ровной в интересующем диапазоне частот, увеличиваясь на 20% от 1 до 10 МГц, в то время как в том же диапазоне DF увеличивался от 0,013 до 0,023. Поскольку коэффициент рассеяния представляет собой отношение потерь энергии к энергии, запасенной в каждом цикле переменного тока, DF, равный 0,02, означает, что 2% обрабатываемой мощности Эти потери обычно выражаются как зависящее от частоты эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), включенное последовательно с конденсатором, которое равно DF/ωC. Как показано на рисунке 3d, для частот более 1 МГц ESR ниже 1,5 Ом, а для частот более 4 МГц ESR ниже 0,5 Ом. Несмотря на использование этой конденсаторной технологии, конденсаторы класса мкФ, необходимые для преобразователей постоянного тока, требуют очень большой площади, но 100 пФ- Диапазон емкости нФ и низкие потери этих конденсаторов делают их пригодными для других применений, таких как фильтры и резонансные схемы. Для увеличения емкости можно использовать различные методы. Более высокая диэлектрическая проницаемость увеличивает удельную емкость 37; например, этого можно достичь за счет увеличения концентрации частиц титаната бария в чернилах. Можно использовать диэлектрик меньшей толщины, хотя для этого требуется нижний электрод с меньшей шероховатостью, чем у серебряных чешуек с трафаретной печатью. Более тонкий конденсатор с меньшей шероховатостью. слои могут быть нанесены с помощью струйной печати 31 или глубокой печати 10, что можно комбинировать с процессом трафаретной печати. ​​Наконец, несколько чередующихся слоев металла и диэлектрика могут быть сложены, напечатаны и соединены параллельно, тем самым увеличивая емкость 34 на единицу площади. .
Делитель напряжения, состоящий из пары резисторов, обычно используется для измерения напряжения, необходимого для управления регулятором напряжения с обратной связью. Для этого типа применения сопротивление печатного резистора должно находиться в диапазоне кОм-МОм, а разница между устройства небольшие. Здесь было обнаружено, что поверхностное сопротивление однослойных углеродных чернил, напечатанных трафаретной печатью, составляло 900 Ом / □. Эта информация используется для проектирования двух линейных резисторов (R1 и R2) и змеевикового резистора (R3). ) с номинальными сопротивлениями 10 кОм, 100 кОм и 1,5 МОм. Сопротивление между номинальными значениями достигается путем печати двух или трех слоев чернил, как показано на рисунке 4, и фотографий трех сопротивлений. Сделайте 8- по 12 образцов каждого типа; во всех случаях стандартное отклонение сопротивления составляет 10% или меньше. Изменение сопротивления образцов с двумя или тремя слоями покрытия, как правило, немного меньше, чем у образцов с одним слоем покрытия. Небольшое изменение измеренного сопротивления и близкое соответствие номинальному значению указывает на то, что другие сопротивления в этом диапазоне могут быть получены непосредственно путем изменения геометрии резистора.
Три резистора различной геометрии с разным количеством покрытий из углеродных резистивных чернил. Фотографии трех резисторов показаны справа.
Схемы RLC представляют собой классические хрестоматийные примеры комбинаций резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, используемых для демонстрации и проверки поведения пассивных компонентов, интегрированных в реальные печатные схемы. В этой схеме дроссель 8 мкГн и конденсатор 0,8 нФ соединены последовательно, а Параллельно им подключается резистор сопротивлением 25 кОм. Фотография гибкой цепи показана на рисунке 5а. Причина выбора этой специальной последовательно-параллельной комбинации заключается в том, что ее поведение определяется каждой из трех различных частотных составляющих, так что можно выделить и оценить характеристики каждого компонента. Учитывая последовательное сопротивление катушки индуктивности 7 Ом и ESR конденсатора 1,3 Ом, была рассчитана ожидаемая частотная характеристика схемы. Принципиальная схема показана на рисунке 5b, а расчетные значения Амплитуда и фаза импеданса, а также измеренные значения показаны на рисунках 5в и г. На низких частотах высокое сопротивление конденсатора означает, что поведение цепи определяется резистором сопротивлением 25 кОм. С увеличением частоты сопротивление путь LC уменьшается; все поведение схемы является емкостным до тех пор, пока резонансная частота не достигнет 2,0 МГц. Выше резонансной частоты доминирует индуктивный импеданс. На рисунке 5 ясно показано отличное согласие между расчетными и измеренными значениями во всем диапазоне частот. Это означает, что используемая модель здесь (где катушки индуктивности и конденсаторы являются идеальными компонентами с последовательным сопротивлением) является точным для прогнозирования поведения схемы на этих частотах.
(a) Фотография RLC-схемы с трафаретной печатью, в которой используется последовательная комбинация катушки индуктивности 8 мкГн и конденсатора 0,8 нФ, соединенных параллельно с резистором 25 кОм. (b) Модель схемы, включая последовательное сопротивление катушки индуктивности и конденсатора. (c) ,г) Амплитуда импеданса (в) и фаза (г) цепи.
Наконец, в повышающем стабилизаторе реализованы печатные катушки индуктивности и резисторы. В этой демонстрации использована микросхема Microchip MCP1640B14, которая представляет собой синхронный повышающий стабилизатор на основе ШИМ с рабочей частотой 500 кГц. Принципиальная схема показана на рисунке 6a.A. Дроссель 4,7 мкГн и два конденсатора (4,7 мкФ и 10 мкФ) используются в качестве элементов накопления энергии, а пара резисторов используется для измерения выходного напряжения управления с обратной связью. Выберите значение сопротивления для регулировки выходного напряжения до 5 В. Схема изготовлена ​​на печатной плате, и ее характеристики измеряются в пределах сопротивления нагрузки и диапазона входного напряжения от 3 до 4 В для моделирования литий-ионного аккумулятора в различных состояниях зарядки. Эффективность печатных катушек индуктивности и резисторов сравнивается с эффективностью печатных катушек индуктивности и резисторов. эффективность индукторов и резисторов SMT. Конденсаторы SMT используются во всех случаях, поскольку емкость, необходимая для этого применения, слишком велика, чтобы ее можно было дополнить печатными конденсаторами.
(а) Схема цепи стабилизации напряжения. (б–г) (б) Vout, (в) Vsw и (г) формы тока, протекающего в индуктор, входное напряжение 4,0 В, сопротивление нагрузки 1 кОм, Для измерения используется печатный индуктор. Для этого измерения используются резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа. (e) Для различных сопротивлений нагрузки и входных напряжений эффективность схем регулятора напряжения с использованием всех компонентов поверхностного монтажа, а также печатных индукторов и резисторов. (f) ) Соотношение эффективности поверхностного монтажа и печатной схемы показано на (e).
Для входного напряжения 4,0 В и сопротивления нагрузки 1000 Ом формы сигналов, измеренные с использованием печатных индукторов, показаны на рисунках 6b-d. На рисунке 6c показано напряжение на выводе Vsw микросхемы; напряжение индуктора равно Vin-Vsw. На рисунке 6d показан ток, текущий в индуктор. Эффективность схемы с SMT и печатными компонентами показана на рисунке 6e как функция входного напряжения и сопротивления нагрузки, а на рисунке 6f показан коэффициент эффективности. печатных компонентов на компоненты SMT. Эффективность, измеренная с использованием компонентов SMT, аналогична ожидаемому значению, указанному в паспорте производителя 14. При высоком входном токе (низкое сопротивление нагрузки и низкое входное напряжение) эффективность печатных индукторов значительно ниже, чем чем у индукторов SMT из-за более высокого последовательного сопротивления. Однако при более высоком входном напряжении и более высоком выходном токе потери сопротивления становятся менее важными, и производительность печатных индукторов начинает приближаться к характеристикам индукторов SMT. Для сопротивлений нагрузки> 500 Ом и Vin = 4,0 В или >750 Ом и Vin = 3,5 В, эффективность печатных индукторов превышает 85% индукторов SMT.
Сравнение формы сигнала тока на рисунке 6d с измеренными потерями мощности показывает, что, как и ожидалось, потери на сопротивление в дросселе являются основной причиной разницы в эффективности между печатной схемой и схемой SMT. Входная и выходная мощность измерены при 4,0 В. входное напряжение и сопротивление нагрузки 1000 Ом составляют 30,4 мВт и 25,8 мВт для схем с SMT-компонентами и 33,1 мВт и 25,2 мВт для схем с печатными компонентами. Таким образом, потери печатной схемы составляют 7,9 мВт, что на 3,4 мВт выше, чем у схем с печатными компонентами. Схема с компонентами SMT. Среднеквадратичный ток дросселя, рассчитанный по форме сигнала на рисунке 6d, составляет 25,6 мА. Поскольку ее последовательное сопротивление составляет 4,9 Ом, ожидаемые потери мощности составляют 3,2 мВт. Это составляет 96% от измеренной разницы мощности постоянного тока в 3,4 мВт. Кроме того, схема изготовлена ​​с использованием печатных индукторов и печатных резисторов, а также печатных индукторов и резисторов SMT, и существенной разницы в эффективности между ними не наблюдается.
Затем на гибкой печатной плате изготавливается стабилизатор напряжения (печать схемы и характеристики SMT-компонентов показаны на дополнительном рисунке S1) и подключается между гибкой литий-ионной батареей в качестве источника питания и матрицей OLED в качестве нагрузки. По данным Лохнера и др. 9 При производстве OLED каждый пиксель OLED потребляет ток 0,6 мА при напряжении 5 В. В аккумуляторе используются оксид лития-кобальта и графит в качестве катода и анода соответственно, и он изготавливается методом ракельного покрытия, что является наиболее распространенным методом печати на аккумуляторах.7 Емкость аккумулятора составляет 16 мАч, а напряжение во время теста — 4,0 В. На рисунке 7 показана фотография схемы на гибкой печатной плате, питающей три OLED-пикселя, соединенных параллельно. Демонстрация продемонстрировала потенциал печатных силовых компонентов для интеграции с другими гибкие и органичные устройства для формирования более сложных электронных систем.
Фотография схемы стабилизатора напряжения на гибкой печатной плате с использованием печатных катушек индуктивности и резисторов, с использованием гибких литий-ионных батарей для питания трех органических светодиодов.
Мы продемонстрировали напечатанные методом трафаретной печати индукторы, конденсаторы и резисторы различных номиналов на гибких подложках из ПЭТ с целью замены компонентов поверхностного монтажа в силовом электронном оборудовании. Мы показали, что, создав спираль большого диаметра, скорость заполнения и соотношение ширины линии к ширине пространства, а также с использованием толстого слоя чернил с низким сопротивлением. Эти компоненты интегрированы в полностью напечатанную и гибкую схему RLC и демонстрируют предсказуемое электрическое поведение в диапазоне частот кГц-МГц, что является самым большим интерес к силовой электронике.
Типичными случаями использования печатных силовых электронных устройств являются носимые или интегрированные в продукт гибкие электронные системы, питающиеся от гибких перезаряжаемых батарей (таких как литий-ионные), которые могут генерировать переменное напряжение в зависимости от уровня заряда. Если нагрузка (включая печать и органическое электронное оборудование) требует постоянного напряжения или напряжения, превышающего выходное напряжение батареи, требуется регулятор напряжения. По этой причине печатные катушки индуктивности и резисторы интегрируются с традиционными кремниевыми микросхемами в повышающий стабилизатор для питания OLED постоянным напряжением. 5 В от аккумуляторного источника питания переменного напряжения. В определенном диапазоне тока нагрузки и входного напряжения эффективность этой схемы превышает 85% эффективности схемы управления с использованием индукторов и резисторов поверхностного монтажа. Несмотря на материальную и геометрическую оптимизацию, резистивные потери в дросселе по-прежнему являются ограничивающим фактором для производительности схемы при высоких уровнях тока (входной ток более 10 мА). Однако при более низких токах потери в дросселе уменьшаются, и общая производительность ограничивается эффективностью. Поскольку многие печатные и органические устройства требуют относительно низких токов, например, небольшие OLED-дисплеи, использованные в нашей демонстрации, печатные силовые индукторы можно считать подходящими для таких приложений. Используя ИС, предназначенные для обеспечения максимальной эффективности при более низких уровнях тока, может быть достигнут более высокий общий КПД преобразователя.
В этой работе стабилизатор напряжения построен на основе традиционной печатной платы, гибкой печатной платы и технологии пайки компонентов поверхностного монтажа, а печатный компонент изготавливается на отдельной подложке. Однако для изготовления экрана используются низкотемпературные и высоковязкие чернила. печатные пленки должны позволять печатать пассивные компоненты, а также соединения между устройством и контактными площадками компонентов поверхностного монтажа на любой подложке. Это, в сочетании с использованием существующих низкотемпературных проводящих клеев для компонентов поверхностного монтажа, позволит вся схема будет построена на недорогих подложках (таких как ПЭТ) без необходимости субтрактивных процессов, таких как травление печатной платы. Таким образом, пассивные компоненты с трафаретной печатью, разработанные в этой работе, помогают проложить путь к гибким электронным системам, которые интегрируют энергию и нагрузки. с высокопроизводительной силовой электроникой, использованием недорогих подложек, в основном аддитивными процессами и минимальным количеством компонентов для поверхностного монтажа.
С помощью трафаретного принтера Asys ASP01M и экрана из нержавеющей стали, предоставленного Dynamesh Inc., все слои пассивных компонентов были напечатаны методом трафаретной печати на гибкой подложке из ПЭТ толщиной 76 мкм. Размер ячейки металлического слоя составляет 400 линий на дюйм и 250 линий на дюйм. линий на дюйм для диэлектрического слоя и слоя сопротивления. Используйте ракель с усилием 55 Н, скоростью печати 60 мм/с, расстоянием разрыва 1,5 мм и ракелем Serilor с твердостью 65 (для металлов и резистивных материалов). слоев) или 75 (для диэлектрических слоев) для трафаретной печати.
Проводящие слои — индукторы и контакты конденсаторов и резисторов — печатаются серебряными микрочешуйчатыми чернилами DuPont 5082 или DuPont 5064H. Резистор печатается углеродным проводником DuPont 7082. В качестве диэлектрика конденсатора используется проводящий компаунд BT-101, диэлектрик из титаната бария. используется. Каждый слой диэлектрика производится с использованием двухпроходного (мокрого-мокрого) цикла печати для улучшения однородности пленки. Для каждого компонента было исследовано влияние нескольких циклов печати на производительность и изменчивость компонента. Образцы, изготовленные с использованием Несколько покрытий из одного и того же материала сушились при 70 °C в течение 2 минут между слоями. После нанесения последнего слоя каждого материала образцы подвергались сушке при 140 °C в течение 10 минут, чтобы обеспечить полное высыхание. Функция автоматического выравнивания экрана. Принтер используется для выравнивания последующих слоев. Контакт с центром индуктора достигается за счет прорезания сквозного отверстия на центральной площадке и трафаретной печати следов на обратной стороне подложки чернилами DuPont 5064H. Для соединения печатного оборудования также используется технология Dupont. Трафаретная печать 5064H. Чтобы отобразить напечатанные компоненты и компоненты SMT на гибкой печатной плате, показанной на рисунке 7, напечатанные компоненты соединяются с помощью проводящей эпоксидной смолы Circuit Works CW2400, а компоненты SMT соединяются традиционной пайкой.
В качестве катода и анода батареи используются электроды на основе оксида лития-кобальта (LCO) и графита соответственно. Катодная суспензия представляет собой смесь 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% графита (KS6, Timcal), 2,5 % технического углерода (Super P, Timcal) и 10 % поливинилиденфторида (PVDF, Kureha Corp.). ) Анод представляет собой смесь 84% по весу графита, 4% по весу технического углерода и 13% по весу ПВДФ. N-Метил-2-пирролидон (NMP, Sigma Aldrich) используется для растворения связующего ПВДФ и диспергирования суспензии. перемешивание вихревой мешалкой в ​​течение ночи. Фольга из нержавеющей стали толщиной 0,0005 дюйма и никелевая фольга толщиной 10 мкм используются в качестве токосъемников для катода и анода соответственно. Чернила наносятся на токосъемник с помощью ракеля со скоростью печати 20 мм/с. Нагрейте электрод в печи при температуре 80 °C в течение 2 часов, чтобы удалить растворитель. Высота электрода после высыхания составляет около 60 мкм, а исходя из веса активного материала теоретическая емкость составляет 1,65 мАч. /см2. Электроды нарезали размерами 1,3 × 1,3 см2 и нагревали в вакуумной печи при температуре 140°С в течение ночи, а затем запечатывали алюминиевыми ламинатными пакетами в перчаточном боксе, наполненном азотом. Раствор полипропиленовой базовой пленки с анод и катод, а в качестве электролита батареи используется 1M LiPF6 в EC/DEC (1:1).
Зеленый OLED состоит из поли(9,9-диоктилфлуорен-ко-н-(4-бутилфенил)дифениламина) (TFB) и поли((9,9-диоктилфлуорен-2,7-(2,1,3-бензотиадиазол- 4,8-диил)) (F8BT) согласно методике, описанной Lochner et al. 9.
Используйте профилометр Dektak для измерения толщины пленки. Пленка была разрезана, чтобы подготовить образец поперечного сечения для исследования с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). СЭМ-пистолет FEI Quanta 3D (FEG) используется для характеристики структуры напечатанного материала. пленки и подтвердить измерение толщины. Исследование СЭМ проводилось при ускоряющем напряжении 20 кэВ и типичном рабочем расстоянии 10 мм.
Используйте цифровой мультиметр для измерения сопротивления постоянному току, напряжения и тока. Импеданс переменного тока катушек индуктивности, конденсаторов и цепей измеряется с помощью измерителя LCR Agilent E4980 для частот ниже 1 МГц, а анализатора цепей Agilent E5061A используется для измерения частот выше 500 кГц. Используйте цифровой мультиметр для измерения сопротивления постоянного тока, напряжения и тока. Осциллограф Tektronix TDS 5034 для измерения формы сигнала стабилизатора напряжения.
Как цитировать эту статью: Остфельд, А.Е. и др. Трафаретная печать пассивных компонентов для гибкого силового электронного оборудования. Наука. Представитель. 5, 15959; дои: 10.1038/srep15959 (2015).
Натан А. и др. Гибкая электроника: следующая повсеместная платформа. Процесс IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Рабай, Дж. М. Человеческая интранет: место, где группы встречаются с людьми. Статья опубликована на Европейской конференции и выставке по дизайну, автоматизации и тестированию 2015 года, Гренобль, Франция. Сан-Хосе, Калифорния: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 марта – 13).
Кребс, Ф.К. и т. д. Демонстратор OE-A OPV anno domini 2011. Energy Environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Али М., Пракаш Д., Зиллгер Т., Сингх П.К. и Хюблер, Печатные пьезоэлектрические устройства для сбора энергии переменного тока. Передовые энергетические материалы.4. 1300427 (2014).
Чен А., Мадан Д., Райт П.К. и Эванс Дж.В. Термоэлектрический генератор плоской толстой пленки с диспенсерной печатью. Дж. Микромеханика Микротехника 21, 104006 (2011).
Гайквад А.М., Стейнгарт Д.А., Нг, Т.Н., Шварц Д.Е. и Уайтинг Г.Л. Гибкая печатная батарея с высоким потенциалом, используемая для питания печатных электронных устройств. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Гайквад А.М., Ариас А.С. и Стейнгарт Д.А. Новейшие разработки в области печатных гибких батарей: механические проблемы, технология печати и перспективы на будущее. Энергетические технологии.3, 305–328 (2015).
Ху, Ю. и т. д. Крупномасштабная сенсорная система, которая сочетает в себе электронные устройства большой площади и КМОП-микросхемы для мониторинга состояния конструкций. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).