haberler

Nature'ı ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır.En iyi deneyim için, tarayıcının daha yeni bir sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz.Aynı zamanda Desteğin sürekliliğini sağlamak için stilleri ve JavaScript'i olmayan siteleri görüntüleyeceğiz.
Katkı maddeleri ve düşük sıcaklıkta baskı işlemleri, çeşitli güç tüketen ve güç tüketen elektronik cihazları esnek alt tabakalar üzerine düşük maliyetle entegre edebilir. Bununla birlikte, bu cihazlardan komple elektronik sistemlerin üretimi genellikle güç elektroniği cihazlarının çeşitli çalışma voltajları arasında dönüşüm yapmasını gerektirir. Cihazlar.Pasif bileşenler (endüktörler, kapasitörler ve dirençler), güç elektroniği ve diğer birçok uygulamada vazgeçilmez olan filtreleme, kısa süreli enerji depolama ve voltaj ölçümü gibi işlevleri yerine getirir. dirençler ve RLC devreleri esnek plastik yüzeyler üzerine serigrafi baskı ile üretilir ve güç elektroniği cihazlarında kullanılabilmesi için indüktörlerin seri direncini en aza indirecek tasarım sürecini rapor eder. Basılı indüktör ve direnç daha sonra boost regülatör devresine dahil edilir. Organik ışık yayan diyotlar ve esnek lityum iyon piller. Voltaj regülatörleri, diyotlara aküden güç sağlamak için kullanılır; bu, baskılı pasif bileşenlerin DC-DC dönüştürücü uygulamalarında geleneksel yüzeye monte bileşenlerin yerini alma potansiyelini gösterir.
Son yıllarda giyilebilir ve geniş alanlı elektronik ürünlerde ve Nesnelerin İnterneti1,2'de çeşitli esnek cihazların uygulamaları geliştirilmiştir. Bunlar arasında fotovoltaik 3, piezoelektrik 4 ve termoelektrik 5 gibi enerji hasat cihazları; piller (6, 7) gibi enerji depolama cihazları; ve sensörler (8, 9, 10, 11, 12) ve ışık kaynakları (13) gibi güç tüketen cihazlar. Bireysel enerji kaynakları ve yüklerde büyük ilerleme kaydedilmiş olmasına rağmen, bu bileşenlerin eksiksiz bir elektronik sistemde birleştirilmesi genellikle güç elektroniğinin güç kaynağı davranışı ile yük gereksinimleri arasındaki uyumsuzluğun üstesinden gelin. Örneğin, bir pil şarj durumuna göre değişken bir voltaj üretir. Yük sabit bir voltaj gerektiriyorsa veya pilin üretebileceği voltajdan daha yüksek bir voltaj gerektiriyorsa, güç elektroniği gereklidir Güç elektroniği, anahtarlama ve kontrol işlevlerini gerçekleştirmek için aktif bileşenlerin (transistörlerin) yanı sıra pasif bileşenleri de (indüktörler, kapasitörler ve dirençler) kullanır. Örneğin, bir anahtarlama regülatör devresinde, her anahtarlama döngüsü sırasında enerjiyi depolamak için bir indüktör kullanılır. , voltaj dalgalanmasını azaltmak için bir kapasitör kullanılır ve geri besleme kontrolü için gereken voltaj ölçümü bir direnç bölücü kullanılarak yapılır.
Giyilebilir cihazlar için uygun olan güç elektroniği cihazları (nabız oksimetresi 9 gibi) birkaç volt ve birkaç miliamper gerektirir, genellikle yüzlerce kHz ila birkaç MHz frekans aralığında çalışır ve birkaç μH ve birkaç μH endüktansı gerektirir ve μF kapasitansı Sırasıyla 14. Bu devreleri üretmenin geleneksel yöntemi, ayrı bileşenleri sert bir baskılı devre kartına (PCB) lehimlemektir. Güç elektroniği devrelerinin aktif bileşenleri genellikle tek bir silikon entegre devre (IC) halinde birleştirilirken, pasif bileşenler genellikle harici, ya özel devrelere izin veriyor ya da gerekli endüktans ve kapasitans silikonda uygulanamayacak kadar büyük.
Geleneksel PCB tabanlı üretim teknolojisiyle karşılaştırıldığında, elektronik cihazların ve devrelerin eklemeli baskı işlemi yoluyla üretilmesi, basitlik ve maliyet açısından birçok avantaja sahiptir. Birincisi, devrenin birçok bileşeni, kontaklar için metaller gibi aynı malzemeleri gerektirdiğinden ve ara bağlantılar sayesinde baskı, nispeten daha az işlem adımı ve daha az malzeme kaynağıyla birden fazla bileşenin aynı anda üretilmesine olanak tanır15. Fotolitografi ve gravür gibi çıkarımlı süreçlerin yerine ilave süreçlerin kullanılması, süreç karmaşıklığını ve malzeme israfını daha da azaltır16, 17, Ek olarak, baskıda kullanılan düşük sıcaklıklar esnek ve ucuz plastik alt tabakalarla uyumludur ve geniş alanlar üzerindeki elektronik cihazları (16, 20) kaplamak için yüksek hızlı rulodan ruloya üretim işlemlerinin kullanılmasına olanak tanır. Uygulamalar için Basılı bileşenlerle tam anlamıyla gerçekleştirilemeyen bu uygulamalardan dolayı, yüzey montaj teknolojisi (SMT) bileşenlerinin baskılı bileşenlerin yanındaki esnek alt tabakalara (21, 22, 23) düşük sıcaklıklarda bağlandığı hibrit yöntemler geliştirilmiştir. Ek süreçlerin faydalarını elde etmek ve devrenin genel esnekliğini artırmak için mümkün olduğunca çok sayıda SMT bileşeninin basılı benzerleriyle değiştirilmesi gerekiyor. Esnek güç elektroniğini gerçekleştirmek için SMT aktif bileşenleri ve serigrafi baskılı pasif bileşenlerin bir kombinasyonunu önerdik. hacimli SMT indüktörlerinin düzlemsel spiral indüktörlerle değiştirilmesine özel önem verilmektedir. Baskılı elektronik üretimine yönelik çeşitli teknolojiler arasında serigrafi, büyük film kalınlığı nedeniyle (metal özelliklerin seri direncini en aza indirmek için gerekli olan) pasif bileşenler için özellikle uygundur. ) ve santimetre seviyesindeki alanları kaplarken bile yüksek baskı hızı. Aynı durum bazen de geçerlidir. Malzeme 24.
Güç elektroniği ekipmanının pasif bileşenlerinin kaybı en aza indirilmelidir çünkü devrenin verimliliği, sisteme güç sağlamak için gereken enerji miktarını doğrudan etkiler. Bu, özellikle uzun bobinlerden oluşan baskılı indüktörler için zordur ve bu nedenle yüksek serilere duyarlıdır. direnç.Bu nedenle, baskılı bobinlerin direncini (25, 26, 27, 28) en aza indirmek için bazı çabalar sarf edilmiş olsa da, güç elektroniği cihazları için hala yüksek verimli baskılı pasif bileşenlerin eksikliği vardır. Bugüne kadar birçok baskılı pasif rapor edildi esnek alt tabakalar üzerindeki bileşenler, radyo frekansı tanımlama (RFID) veya enerji toplama amacıyla rezonans devrelerinde çalışacak şekilde tasarlanmıştır 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Diğerleri malzeme veya üretim süreci geliştirmeye odaklanır ve genel bileşenleri gösterir 26, 32, 33, 34, belirli uygulamalar için optimize edilmemiştir. Buna karşılık, voltaj regülatörleri gibi güç elektroniği devreleri genellikle tipik baskılı pasif cihazlardan daha büyük bileşenler kullanır ve rezonans gerektirmez, bu nedenle farklı bileşen tasarımları gerekir.
Burada, güç elektroniği ile ilgili frekanslarda en küçük seri direnç ve yüksek performansı elde etmek için μH aralığında serigrafi baskılı indüktörlerin tasarımını ve optimizasyonunu tanıtıyoruz. Çeşitli bileşen değerlerine sahip ekran baskılı indüktörler, kapasitörler ve dirençler üretilmektedir. Esnek plastik yüzeyler üzerinde. Bu bileşenlerin esnek elektronik ürünler için uygunluğu ilk olarak basit bir RLC devresinde gösterilmiştir. Baskılı indüktör ve direnç daha sonra bir güçlendirme regülatörü oluşturmak üzere IC ile entegre edilir. Son olarak, organik bir ışık yayan diyot (OLED) ) ve esnek bir lityum iyon pil üretilir ve OLED'e pilden güç sağlamak için bir voltaj regülatörü kullanılır.
Güç elektroniği için baskılı indüktörler tasarlamak amacıyla, ilk olarak Mohan ve diğerleri tarafından önerilen mevcut tabaka modeline dayalı olarak bir dizi indüktör geometrisinin endüktansını ve DC direncini tahmin ettik. 35 ve modelin doğruluğunu teyit etmek için farklı geometrilerde üretilmiş indüktörler. Bu çalışmada, çokgen geometriye kıyasla daha düşük bir dirençle daha yüksek bir endüktans (36) elde edilebildiği için indüktör için dairesel bir şekil seçilmiştir. Mürekkebin etkisi Direnç üzerindeki baskı döngülerinin türü ve sayısı belirlenir. Bu sonuçlar daha sonra minimum DC direnci için optimize edilmiş 4,7 μH ve 7,8 μH indüktörleri tasarlamak için ampermetre modeliyle birlikte kullanıldı.
Spiral indüktörlerin endüktansı ve DC direnci çeşitli parametrelerle açıklanabilir: dış çap do, dönüş genişliği w ve aralık s, dönüş sayısı n ve iletken levha direnci Rsheet. Şekil 1a serigrafi baskılı dairesel bir indüktörün fotoğrafını gösterir. n = 12 ile endüktansını belirleyen geometrik parametreleri göstermektedir. Mohan ve ark.'nın ampermetre modeline göre. Şekil 35'te, endüktans bir dizi indüktör geometrisi için hesaplanır; burada
(a) Geometrik parametreleri gösteren serigrafi baskılı indüktörün fotoğrafı. Çap 3 cm'dir. Çeşitli indüktör geometrilerinin endüktansı (b) ve DC direnci (c). Çizgiler ve işaretler sırasıyla hesaplanan ve ölçülen değerlere karşılık gelir. (d,e) L1 ve L2 indüktörlerinin DC dirençleri sırasıyla Dupont 5028 ve 5064H gümüş mürekkepleriyle serigrafi baskıdır. (f,g) Sırasıyla Dupont 5028 ve 5064H tarafından serigrafi baskı yapılan filmlerin SEM mikrografları.
Yüksek frekanslarda cilt etkisi ve parazitik kapasitans, DC değerine göre indüktörün direncini ve endüktansını değiştirecektir. İndüktörün bu etkilerin ihmal edilebilecek kadar düşük bir frekansta çalışması beklenir ve cihaz sabit bir endüktans gibi davranır. Bu nedenle bu çalışmada geometrik parametreler, endüktans ve DC direnci arasındaki ilişkiyi analiz ettik ve sonuçları en küçük DC direnciyle belirli bir endüktansı elde etmek için kullandık.
Serigrafi baskı ile gerçekleştirilebilecek bir dizi geometrik parametre için endüktans ve direnç hesaplanır ve μH aralığında endüktansın oluşması beklenir. Dış çaplar 3 ve 5 cm, çizgi genişlikleri 500 ve 1000 mikrondur. Hesaplamada, levha direncinin 47 mΩ/□ olduğu varsayılmıştır; bu, 400 mesh ekran ile basılmış 7 μm kalınlığındaki Dupont 5028 gümüş mikroflake iletken katmanına karşılık gelir ve w = s ayarı yapılır. hesaplanan endüktans ve direnç değerleri sırasıyla Şekil 1b ve c'de gösterilmektedir. Model, dış çap ve dönüş sayısı arttıkça veya çizgi genişliği azaldıkça hem endüktansın hem de direncin artacağını öngörüyor.
Model tahminlerinin doğruluğunu değerlendirmek için, polietilen tereftalat (PET) substrat üzerinde çeşitli geometri ve endüktanslara sahip indüktörler üretildi. Ölçülen endüktans ve direnç değerleri Şekil 1b ve c'de gösterilmektedir. Direnç, bazı sapmalar gösterse de Beklenen değer, esas olarak biriken mürekkebin kalınlığı ve tekdüzeliğindeki değişikliklerden dolayı, endüktans modelle çok iyi bir uyum gösterdi.
Bu sonuçlar, gerekli endüktansa ve minimum DC direncine sahip bir indüktör tasarlamak için kullanılabilir. Örneğin, 2 μH'lik bir endüktansın gerekli olduğunu varsayalım. Şekil 1b, bu endüktansın 3 cm dış çap, çizgi genişliği ile gerçekleştirilebileceğini göstermektedir. 500 μm ve 10 tur. Aynı endüktans, 5 cm dış çap, 500 μm çizgi genişliği ve 5 tur veya 1000 μm çizgi genişliği ve 7 tur (şekilde gösterildiği gibi) kullanılarak da üretilebilir. Bu üçünün dirençlerinin karşılaştırılması Şekil 1c'deki olası geometriler dikkate alındığında, 1000 μm çizgi genişliğine sahip 5 cm'lik bir indüktörün en düşük direncinin 34 Ω olduğu, diğer ikisinden yaklaşık %40 daha düşük olduğu bulunabilir.Belirli bir endüktansı elde etmek için genel tasarım süreci minimum direnç şu şekilde özetlenmiştir: Öncelikle uygulamanın gerektirdiği alan kısıtlamalarına göre izin verilen maksimum dış çapı seçin. Ardından, yüksek dolum oranı elde etmek için gerekli endüktansı elde ederken çizgi genişliği mümkün olduğu kadar büyük olmalıdır. (denklem (3)).
Metal filmin levha direncini azaltmak için kalınlığı arttırılarak veya iletkenliği daha yüksek bir malzeme kullanılarak, endüktansı etkilemeden DC direnci daha da azaltılabilir. Geometrik parametreleri Tablo 1'de verilen L1 ve L2 olarak adlandırılan iki indüktör, Dirençteki değişimi değerlendirmek için farklı kaplama sayılarıyla üretilmektedir. Mürekkep kaplama sayısı arttıkça direnç, sırasıyla L1 ve L2 indüktörleri olan Şekil 1d ve e'de gösterildiği gibi beklendiği gibi orantılı olarak azalır. Şekil 1d ve e 6 kat kaplama uygulandığında direncin 6 kata kadar azaltılabileceğini ve dirençteki maksimum azalmanın (%50-65) katman 1 ile katman 2 arasında gerçekleştiğini göstermektedir. Her bir mürekkep katmanı nispeten ince olduğundan, Bu indüktörleri yazdırmak için nispeten küçük ızgara boyutuna (inç başına 400 satır) sahip bir ekran kullanılır, bu da iletken kalınlığının direnç üzerindeki etkisini incelememize olanak tanır. Desen özellikleri ızgaranın minimum çözünürlüğünden daha büyük kaldığı sürece, bir daha büyük ızgara boyutuna sahip daha az sayıda kaplama basılarak benzer kalınlık (ve direnç) daha hızlı elde edilebilir. Bu yöntem, burada tartışılan 6 kaplamalı indüktörle aynı DC direncini ancak daha yüksek üretim hızıyla elde etmek için kullanılabilir.
Şekil 1d ve e ayrıca daha iletken gümüş pul mürekkep DuPont 5064H kullanıldığında direncin iki kat azaldığını göstermektedir. İki mürekkeple basılan filmlerin SEM mikrograflarından (Şekil 1f, g), 5028 mürekkebinin daha düşük iletkenliğinin, daha küçük parçacık boyutundan ve basılı filmdeki parçacıklar arasında çok sayıda boşluğun bulunmasından kaynaklandığı görüldü. Öte yandan, 5064H, daha büyük, daha yakın düzenlenmiş pullara sahiptir ve bu da onun topluya daha yakın davranmasını sağlar. gümüş. Bu mürekkebin ürettiği film, 5028 mürekkebinden daha ince olmasına rağmen, 4 μm'lik tek katman ve 22 μm'lik 6 katmandan oluşan iletkenlikteki artış, genel direnci azaltmak için yeterlidir.
Son olarak, endüktans (denklem (1)) dönüş sayısına (w + s) bağlı olmasına rağmen, direnç (denklem (5)) yalnızca w çizgi genişliğine bağlıdır. Bu nedenle, w'yi s'ye göre artırarak, direnç Daha da azaltılabilir. İki ek indüktör L3 ve L4, Tablo 1'de gösterildiği gibi w = 2s ve geniş bir dış çapa sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu indüktörler, daha önce gösterildiği gibi, 6 kat DuPont 5064H kaplama ile üretilir. en yüksek performans. L3'ün endüktansı 4,720 ± 0,002 μH ve direnç 4,9 ± 0,1 Ω, L4'ün endüktansı ise 7,839 ± 0,005 μH ve 6,9 ​​± 0,1 Ω olup, bunlar model tahminiyle iyi bir uyum içindedir. kalınlık, iletkenlik ve w/s'deki artış, L/R oranının Şekil 1'deki değere göre bir kat daha fazla arttığı anlamına gelir.
Düşük DC direnci umut verici olsa da, kHz-MHz aralığında çalışan güç elektroniği ekipmanı için indüktörlerin uygunluğunun değerlendirilmesi, AC frekanslarında karakterizasyon gerektirir. Şekil 2a, L3 ve L4'ün direncinin ve reaktansının frekansa bağımlılığını göstermektedir. 10 MHz'in altındaki frekanslar için reaktans frekansla doğrusal olarak artarken direnç DC değerinde kabaca sabit kalır; bu, endüktansın beklendiği gibi sabit olduğu anlamına gelir. Kendi kendine rezonans frekansı, empedansın endüktiften kapasitife değiştiği frekans olarak tanımlanır. L3 35,6 ± 0,3 MHz ve L4 24,3 ± 0,6 MHz'dir. Q kalite faktörünün frekans bağımlılığı (ωL/R'ye eşit) Şekil 2b'de gösterilmektedir. L3 ve L4, 35 ± 1 ve 33 ± 1'lik maksimum kalite faktörlerine ulaşır sırasıyla 11 ve 16 MHz frekanslarında. Birkaç μH'lik endüktans ve MHz frekanslarındaki nispeten yüksek Q, bu indüktörleri, düşük güçlü DC-DC dönüştürücülerdeki geleneksel yüzeye monte indüktörlerin yerini almaya yeterli kılar.
L3 ve L4 indüktörlerinin ölçülen direnci R ve reaktansı X(a) ve kalite faktörü Q(b) frekansla ilişkilidir.
Belirli bir kapasitans için gereken ayak izini en aza indirmek amacıyla, dielektrik sabiti ε bölü dielektrik kalınlığına eşit olan büyük spesifik kapasitansa sahip kapasitör teknolojisini kullanmak en iyisidir. Bu çalışmada baryum titanat kompozitini seçtik diğer çözeltiyle işlenmiş organik dielektriklerden daha yüksek bir epsilon'a sahip olduğundan dielektrik olarak kullanılır. Dielektrik katman, metal-dielektrik-metal bir yapı oluşturmak için iki gümüş iletken arasına serigrafi baskıyla uygulanır. Şekil 3a'da gösterildiği gibi santimetre cinsinden çeşitli boyutlarda kapasitörler , iyi verimi korumak için iki veya üç kat dielektrik mürekkep kullanılarak üretilir. Şekil 3b, toplam dielektrik kalınlığı 21 μm olan iki kat dielektrik ile yapılmış temsili bir kapasitörün kesitsel SEM mikrografını gösterir. Üst ve alt elektrotlar sırasıyla tek katmanlı ve altı katmanlı 5064H'dir. Mikron boyutlu baryum titanat parçacıkları SEM görüntüsünde görülebilir çünkü daha parlak alanlar daha koyu organik bağlayıcıyla çevrelenmiştir. Dielektrik mürekkep, alt elektrotu iyice ıslatır ve elektrotla net bir arayüz oluşturur. resimde daha yüksek büyütmeyle gösterildiği gibi baskılı metal film.
(a) Beş farklı alana sahip bir kapasitörün fotoğrafı. (b) Baryum titanat dielektrik ve gümüş elektrotları gösteren, iki dielektrik katmanlı bir kapasitörün kesit SEM mikrografı. (c) 2 ve 3 baryum titanatlı kapasitörlerin kapasitansları 1 MHz'de ölçülen dielektrik katmanlar ve farklı alanlar.(d) 2 katmanlı dielektrik kaplamalı 2,25 cm2'lik bir kapasitörün kapasitansı, ESR'si ve kayıp faktörü ile frekans arasındaki ilişki.
Kapasitans beklenen alanla orantılıdır. Şekil 3c'de gösterildiği gibi iki katmanlı dielektrikin spesifik kapasitansı 0,53 nF/cm2, üç katmanlı dielektrikin spesifik kapasitansı 0,33 nF/cm2'dir. Bu değerler 13'lük dielektrik sabitine karşılık gelir. kapasitans ve dağılım faktörü (DF) de, Şekil 3d'de gösterildiği gibi, iki dielektrik katmanına sahip 2,25 cm2'lik bir kapasitör için farklı frekanslarda ölçülmüştür. Kapasitansın, ilgilenilen frekans aralığında nispeten düz olduğunu ve %20 arttığını bulduk. 1'den 10 MHz'e, aynı aralıktayken DF 0,013'ten 0,023'e yükseldi. Dağılma faktörü, enerji kaybının her AC döngüsünde depolanan enerjiye oranı olduğundan, 0,02'lik bir DF, kullanılan gücün %2'si anlamına gelir Bu kayıp genellikle kapasitöre seri bağlanan frekansa bağlı eşdeğer seri direnç (ESR) olarak ifade edilir ve bu değer DF/ωC'ye eşittir. Şekil 3d'de gösterildiği gibi 1 MHz'den büyük frekanslar için, ESR 1,5 Ω'dan düşüktür ve 4 MHz'den büyük frekanslar için ESR 0,5 Ω'dan düşüktür. Her ne kadar bu kapasitör teknolojisini kullanıyor olsa da DC-DC dönüştürücüler için gerekli olan μF sınıfı kapasitörler çok geniş bir alan gerektirir ancak 100 pF- nF kapasitans aralığı ve bu kapasitörlerin düşük kaybı, onları filtreler ve rezonans devreleri gibi diğer uygulamalar için uygun kılar. Kapasitansı arttırmak için çeşitli yöntemler kullanılabilir. Daha yüksek bir dielektrik sabiti, spesifik kapasitansı 37 artırır; örneğin bu, mürekkepteki baryum titanat parçacıklarının konsantrasyonunu artırarak başarılabilir. Daha küçük bir dielektrik kalınlık kullanılabilir, ancak bu, serigrafi baskılı gümüş puldan daha düşük pürüzlülüğe sahip bir alt elektrot gerektirir. Daha ince, daha düşük pürüzlü kapasitör katmanlar, serigrafi baskı işlemiyle birleştirilebilen mürekkep püskürtmeli baskı (31) veya gravür baskı (10) ile biriktirilebilir. Son olarak, çok sayıda alternatif metal ve dielektrik katmanları paralel olarak istiflenebilir, basılabilir ve bağlanabilir, böylece birim alan başına kapasite (34) arttırılabilir .
Bir voltaj regülatörünün geri besleme kontrolü için gerekli olan voltaj ölçümünü gerçekleştirmek için genellikle bir çift dirençten oluşan voltaj bölücü kullanılır. Bu tür bir uygulama için baskılı direncin direnci kΩ-MΩ aralığında olmalı ve aradaki fark cihazlar küçüktür. Burada tek katmanlı serigrafi baskı karbon mürekkebin tabaka direncinin 900 Ω/□ olduğu bulunmuştur. Bu bilgi iki doğrusal direnç (R1 ve R2) ve bir serpantin direnç (R3) tasarlamak için kullanılır. ) 10 kΩ, 100 kΩ ve 1,5 MΩ nominal dirençlerle. Nominal değerler arasındaki direnç, Şekil 4'te gösterildiği gibi iki veya üç kat mürekkep ve üç direncin fotoğrafları basılarak elde edilir. 8- Yapın Her türden 12 örnek; her durumda direncin standart sapması %10 veya daha azdır. İki veya üç katmanlı kaplamaya sahip numunelerin direnç değişimi, tek katmanlı kaplamaya sahip numunelerinkinden biraz daha küçük olma eğilimindedir. Ölçülen dirençteki küçük değişiklik ve nominal değerle yakın uyum, bu aralıktaki diğer dirençlerin, direnç geometrisini değiştirerek doğrudan elde edilebileceğini gösterir.
Farklı sayıda karbon dirençli mürekkep kaplamalı üç farklı direnç geometrisi. Üç direncin fotoğrafı sağda gösterilmektedir.
RLC devreleri, gerçek baskılı devrelere entegre edilmiş pasif bileşenlerin davranışını göstermek ve doğrulamak için kullanılan direnç, indüktör ve kapasitör kombinasyonlarının klasik ders kitabı örnekleridir. Bu devrede, 8 μH'lik bir indüktör ve 0,8 nF'lik bir kapasitör seri olarak bağlanır ve bir Bunlara paralel olarak 25 kΩ direnç bağlanır. Esnek devrenin fotoğrafı Şekil 5a'da gösterilmektedir. Bu özel seri-paralel kombinasyonun seçilmesinin nedeni, davranışının üç farklı frekans bileşeninin her biri tarafından belirlenmesidir, böylece Her bileşenin performansı vurgulanıp değerlendirilebilir. İndüktörün 7 Ω seri direnci ve kapasitörün 1,3 Ω ESR'si dikkate alınarak devrenin beklenen frekans tepkisi hesaplandı. Devre şeması Şekil 5b'de gösterilmektedir ve hesaplanan empedans genliği ve fazı ile ölçülen değerler Şekil 5c ve d'de gösterilmektedir. Düşük frekanslarda kapasitörün empedansının yüksek olması, devrenin davranışının 25 kΩ direnç tarafından belirlendiği anlamına gelir. Frekans arttıkça empedansı artar. LC yolu azalır; rezonans frekansı 2,0 MHz olana kadar tüm devre davranışı kapasitiftir. Rezonans frekansının üzerinde endüktif empedans hakimdir. Şekil 5, tüm frekans aralığı boyunca hesaplanan ve ölçülen değerler arasındaki mükemmel uyumu açıkça göstermektedir. Bu, kullanılan modelin kullanıldığı anlamına gelir. burada (indüktörler ve kapasitörler seri dirençli ideal bileşenlerdir) bu frekanslardaki devre davranışını tahmin etmek için doğrudur.
(a) 25 kΩ dirençle paralel olarak 8 μH indüktör ve 0,8 nF kapasitörün seri kombinasyonunu kullanan ekran baskılı RLC devresinin fotoğrafı.(b) İndüktör ve kapasitörün seri direncini içeren devre modeli.(c) ,d) Devrenin empedans genliği (c) ve fazı (d).
Son olarak, güçlendirme regülatöründe baskılı indüktörler ve dirençler uygulanır. Bu gösterimde kullanılan IC, 500 kHz çalışma frekansına sahip PWM tabanlı senkron yükseltme regülatörü olan Microchip MCP1640B14'tür. Devre şeması Şekil 6a.A'da gösterilmektedir. Enerji depolama elemanı olarak 4,7 μH indüktör ve iki kapasitör (4,7 μF ve 10 μF) kullanılmış olup, geri besleme kontrolünün çıkış voltajını ölçmek için bir çift direnç kullanılmıştır. Çıkış voltajını 5 V'a ayarlamak için direnç değerini seçin. Devre PCB üzerinde üretilir ve performansı, çeşitli şarj durumlarında lityum iyon pili simüle etmek için yük direnci ve 3 ila 4 V giriş voltajı aralığında ölçülür. Basılı indüktörlerin ve dirençlerin verimliliği, SMT indüktörlerinin ve dirençlerinin verimliliği. Bu uygulama için gereken kapasitans, baskılı kapasitörlerle tamamlanamayacak kadar büyük olduğundan her durumda SMT kapasitörleri kullanılır.
(a) Gerilim dengeleme devresinin şeması.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw ve (d) İndüktöre akan akımın dalga biçimleri, giriş gerilimi 4,0 V, yük direnci 1 kΩ, ve baskılı indüktör ölçmek için kullanılır. Bu ölçüm için yüzeye monte dirençler ve kapasitörler kullanılır.(e) Çeşitli yük dirençleri ve giriş gerilimleri için, tüm yüzeye monte bileşenleri ve baskılı indüktör ve dirençleri kullanan voltaj regülatör devrelerinin verimliliği.(f ) (e)'de gösterilen yüzeye montaj ve baskılı devrenin verimlilik oranı.
4,0 V giriş voltajı ve 1000 Ω yük direnci için baskılı indüktörler kullanılarak ölçülen dalga formları Şekil 6b-d'de gösterilmektedir. Şekil 6c, IC'nin Vsw terminalindeki voltajı gösterir; indüktör voltajı Vin-Vsw'dir. Şekil 6d, indüktöre akan akımı göstermektedir. SMT ve baskılı bileşenlere sahip devrenin verimliliği, Şekil 6e'de giriş voltajı ve yük direncinin bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir ve Şekil 6f, verimlilik oranını göstermektedir. baskılı bileşenlerin SMT bileşenlerine dönüştürülmesi. SMT bileşenleri kullanılarak ölçülen verimlilik, üreticinin veri sayfasında 14 verilen beklenen değere benzer. Yüksek giriş akımında (düşük yük direnci ve düşük giriş voltajı), baskılı indüktörlerin verimliliği, baskılı indüktörlerin verimliliğinden önemli ölçüde düşüktür. Daha yüksek seri direnç nedeniyle SMT indüktörlerinki. Bununla birlikte, daha yüksek giriş voltajı ve daha yüksek çıkış akımıyla direnç kaybı daha az önemli hale gelir ve baskılı indüktörlerin performansı SMT indüktörlerinin performansına yaklaşmaya başlar. > 500 Ω ve Vin yük dirençleri için = 4,0 V veya >750 Ω ve Vin = 3,5 V, baskılı indüktörlerin verimliliği SMT indüktörlerin %85'inden daha yüksektir.
Şekil 6d'deki akım dalga formunun ölçülen güç kaybıyla karşılaştırılması, beklendiği gibi baskılı devre ile SMT devresi arasındaki verim farkının ana nedeninin indüktördeki direnç kaybı olduğunu göstermektedir. Giriş ve çıkış gücü 4,0 V olarak ölçülmüştür. giriş voltajı ve 1000 Ω yük direnci SMT bileşenli devreler için 30,4 mW ve 25,8 mW, baskılı bileşenli devreler için 33,1 mW ve 25,2 mW'dir. Dolayısıyla baskılı devre kaybı 7,9 mW olup, bu değer SMT bileşenli devrelerden 3,4 mW daha yüksektir. SMT bileşenlerine sahip devre. Şekil 6d'deki dalga formundan hesaplanan RMS endüktör akımı 25,6 mA'dır. Seri direnci 4,9 Ω olduğundan beklenen güç kaybı 3,2 mW olur. Bu ölçülen 3,4 mW DC güç farkının %96'sıdır. Ayrıca devre baskılı indüktör ve baskılı dirençler ile baskılı indüktör ve SMT dirençler ile imal edilmiştir. aralarında anlamlı bir verimlilik farkı görülmemektedir.
Daha sonra voltaj regülatörü esnek PCB üzerinde üretilir (devrenin baskısı ve SMT bileşen performansı Ek Şekil S1'de gösterilmektedir) ve güç kaynağı olarak esnek lityum iyon pil ile yük olarak OLED dizisi arasına bağlanır. Lochner ve arkadaşlarına göre. 9 OLED üretmek için her bir OLED pikseli 5 V'ta 0,6 mA tüketir. Pil, katot ve anot olarak sırasıyla lityum kobalt oksit ve grafit kullanır ve en yaygın pil yazdırma yöntemi olan doktor bıçağı kaplama ile üretilir.7 pil kapasitesi 16mAh ve test sırasındaki voltaj 4,0V'dur. Şekil 7, paralel bağlı üç OLED pikseline güç sağlayan esnek PCB üzerindeki devrenin fotoğrafını göstermektedir. Gösterim, basılı güç bileşenlerinin diğer güç bileşenleriyle entegre olma potansiyelini ortaya koymuştur. Daha karmaşık elektronik sistemler oluşturmak için esnek ve organik cihazlar.
Üç organik LED'e güç sağlamak için esnek lityum iyon piller kullanan, baskılı indüktörler ve dirençler kullanan esnek bir PCB üzerindeki voltaj regülatör devresinin fotoğrafı.
Güç elektroniği ekipmanlarındaki yüzeye monte bileşenlerin yerini almak amacıyla esnek PET alt tabakalar üzerinde çeşitli değerlere sahip ekran baskılı indüktörler, kapasitörler ve dirençler gösterdik. Geniş çaplı bir spiral tasarlayarak dolum oranının yüksek olduğunu gösterdik. ve çizgi genişliği-boşluk genişliği oranı ve düşük dirençli kalın bir mürekkep tabakası kullanılarak. Bu bileşenler tamamen baskılı ve esnek bir RLC devresine entegre edilmiştir ve en büyük olan kHz-MHz frekans aralığında öngörülebilir elektriksel davranış sergiler. Güç elektroniğine ilgi.
Basılı güç elektroniği cihazlarının tipik kullanım durumları, şarj durumuna göre değişken voltajlar üretebilen, esnek şarj edilebilir pillerle (lityum-iyon gibi) güç sağlayan, giyilebilir veya ürüne entegre esnek elektronik sistemlerdir. organik elektronik ekipman) sabit bir voltaj veya pilin çıkışından daha yüksek bir voltaj gerektirdiğinde, bir voltaj regülatörü gereklidir. Bu nedenle, baskılı indüktörler ve dirençler, OLED'e sabit bir voltajla güç sağlamak için geleneksel silikon IC'lerle bir yükseltme regülatörüne entegre edilmiştir. Değişken voltajlı bir batarya güç kaynağından 5 V. Belirli bir yük akımı ve giriş voltajı aralığında, bu devrenin verimliliği, yüzeye monte indüktörler ve dirençler kullanan bir kontrol devresinin verimliliğinin %85'ini aşar. Malzeme ve geometrik optimizasyonlara rağmen, İndüktördeki dirençli kayıplar, yüksek akım seviyelerinde (giriş akımı yaklaşık 10 mA'den büyük) devre performansı için hala sınırlayıcı faktördür. Ancak daha düşük akımlarda, indüktördeki kayıplar azalır ve genel performans, verimlilikle sınırlanır. Gösterimizde kullanılan küçük OLED'ler gibi birçok basılı ve organik cihaz nispeten düşük akım gerektirdiğinden, baskılı güç indüktörlerinin bu tür uygulamalar için uygun olduğu düşünülebilir. Daha düşük akım seviyelerinde en yüksek verime sahip olacak şekilde tasarlanmış IC'ler kullanılarak, daha yüksek genel dönüştürücü verimliliği elde edilebilir.
Bu çalışmada, voltaj regülatörü geleneksel PCB, esnek PCB ve yüzeye monte bileşen lehimleme teknolojisi üzerine inşa edilirken, baskılı bileşen ayrı bir alt tabaka üzerinde üretilmektedir. Bununla birlikte, ekran üretmek için kullanılan düşük sıcaklık ve yüksek viskoziteli mürekkepler Basılı filmler, pasif bileşenlerin yanı sıra cihaz ile yüzeye montaj bileşeni temas pedleri arasındaki ara bağlantının herhangi bir alt tabaka üzerine basılmasına olanak tanımalıdır. Bu, yüzeye montaj bileşenleri için mevcut düşük sıcaklıkta iletken yapıştırıcıların kullanımıyla birleştirildiğinde, devrenin tamamı, PCB gravürü gibi eksiltici işlemlere gerek kalmadan ucuz alt tabakalar (PET gibi) üzerine kurulacak. Bu nedenle, bu çalışmada geliştirilen serigrafi baskılı pasif bileşenler, enerji ve yükleri entegre eden esnek elektronik sistemlerin önünü açmaya yardımcı oluyor yüksek performanslı güç elektroniği ile, ucuz alt tabakalar kullanılarak, esas olarak eklemeli işlemlerle ve minimum sayıda yüzeye monte bileşenle.
Asys ASP01M ekran yazıcısı ve Dynamesh Inc. tarafından sağlanan paslanmaz çelik ekran kullanılarak, pasif bileşenlerin tüm katmanları, 76 μm kalınlığında esnek bir PET alt tabaka üzerine serigrafi baskıya tabi tutuldu. Metal katmanın ağ boyutu, inç başına 400 satır ve 250 inçtir. dielektrik katman ve direnç katmanı için inç başına satır sayısı. 55 N'lik bir silecek kuvveti, 60 mm/s'lik bir baskı hızı, 1,5 mm'lik bir kopma mesafesi ve 65 sertliğe sahip bir Serilor silecek (metal ve dirençli için) kullanın. serigrafi baskı için) veya 75 (dielektrik katmanlar için).
İletken katmanlar (indüktörler ve kapasitörlerin ve dirençlerin kontakları) DuPont 5082 veya DuPont 5064H gümüş mikro pul mürekkeple basılmıştır. Direnç, DuPont 7082 karbon iletkenle basılmıştır. Kapasitör dielektrik için iletken bileşik BT-101 baryum titanat dielektrik kullanılır. Filmin homojenliğini artırmak için her bir dielektrik katmanı, iki geçişli (ıslak-ıslak) baskı döngüsü kullanılarak üretilir. Her bileşen için, çoklu baskı döngülerinin bileşen performansı ve değişkenliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. İle yapılan örnekler Aynı malzemenin birden fazla kaplaması, kaplamalar arasında 2 dakika boyunca 70 °C'de kurutuldu. Her malzemenin son katı uygulandıktan sonra, tam kurumanın sağlanması için numuneler 140 °C'de 10 dakika süreyle fırınlandı. Ekranın otomatik hizalama fonksiyonu yazıcı sonraki katmanları hizalamak için kullanılır. İndüktörün merkezi ile temas, orta tamponda bir delik açılarak ve alt tabakanın arkasında DuPont 5064H mürekkebi ile şablon baskı izleri kesilerek elde edilir. Baskı ekipmanı arasındaki ara bağlantı da Dupont'u kullanır 5064H şablon baskısı. Basılı bileşenleri ve SMT bileşenlerini Şekil 7'de gösterilen esnek PCB üzerinde görüntülemek için, yazdırılan bileşenler Circuit Works CW2400 iletken epoksi ile bağlanır ve SMT bileşenleri geleneksel lehimleme ile bağlanır.
Pilin katotu ve anodu olarak sırasıyla lityum kobalt oksit (LCO) ve grafit bazlı elektrotlar kullanılır. Katot bulamacı %80 LCO (MTI Corp.), %7,5 grafit (KS6, Timcal), %2,5 karışımından oluşur. % karbon siyahı (Super P, Timcal) ve %10 poliviniliden florür (PVDF, Kureha Corp.). ) Anot, ağırlıkça %84 grafit, ağırlıkça %4 karbon siyahı ve ağırlıkça %13 PVDF'den oluşan bir karışımdır. PVDF bağlayıcıyı çözmek ve bulamacı dağıtmak için N-Metil-2-pirolidon (NMP, Sigma Aldrich) kullanılır. Bulamaç, şu şekilde homojenleştirildi: vorteks karıştırıcı ile gece boyunca karıştırılıyor. Katot ve anot için akım toplayıcı olarak sırasıyla 0,0005 inç kalınlığında paslanmaz çelik folyo ve 10 μm nikel folyo kullanılıyor. Mürekkep, akım toplayıcının üzerine 20 baskı hızında bir silecek ile basılıyor. mm/s. Çözücüyü çıkarmak için elektrotu 80 °C'deki bir fırında 2 saat ısıtın. Kuruduktan sonra elektrotun yüksekliği yaklaşık 60 μm'dir ve aktif malzemenin ağırlığına bağlı olarak teorik kapasite 1,65 mAh'dir. /cm2. Elektrotlar 1,3 x 1,3 cm2 boyutlarında kesildi ve vakumlu fırında 140°C'de gece boyunca ısıtıldı ve daha sonra nitrojen dolu torpido gözünde alüminyum laminat torbalarla kapatıldı. Anot ve katot ve akü elektroliti olarak EC/DEC (1:1) cinsinden 1M LiPF6 kullanılır.
Yeşil OLED, poli(9,9-dioktilfloren-ko-n-(4-bütilfenil)-difenilamin) (TFB) ve poli((9,9-dioktilfloren-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol-)'den oluşur. 4,8-diil)) (F8BT), Lochner ve diğerleri 9'da açıklanan prosedüre göre.
Film kalınlığını ölçmek için Dektak prob ucu profil oluşturucuyu kullanın. Film, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile inceleme için bir kesit numunesi hazırlamak üzere kesildi. FEI Quanta 3D alan emisyon tabancası (FEG) SEM, basılan filmin yapısını karakterize etmek için kullanılır filme alın ve kalınlık ölçümünü onaylayın. SEM çalışması, 20 keV hızlanma voltajında ​​​​ve 10 mm'lik tipik çalışma mesafesinde gerçekleştirildi.
DC direncini, voltajı ve akımı ölçmek için dijital bir multimetre kullanın. İndüktörlerin, kapasitörlerin ve devrelerin AC empedansı, 1 MHz'in altındaki frekanslar için Agilent E4980 LCR metre kullanılarak ölçülür ve 500 kHz'in üzerindeki frekansları ölçmek için Agilent E5061A ağ analizörü kullanılır. Voltaj regülatörü dalga biçimini ölçmek için Tektronix TDS 5034 osiloskop.
Bu makaleden nasıl alıntı yapılır: Ostfeld, AE, vb.Esnek güç elektroniği ekipmanı için serigrafi pasif bileşenler.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. ve diğerleri.Esnek elektronikler: her yerde bulunan bir sonraki platform. Süreç IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM İnsan İntranet: Grupların insanlarla buluştuğu bir yer. 2015 Avrupa Tasarım, Otomasyon ve Test Konferansı ve Sergisinde yayınlanan makale, Grenoble, Fransa.San Jose, Kaliforniya: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Mart- 13).
Krebs, FC vb.OE-A OPV göstericisi anno domini 2011.Enerji ortamı.bilim.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC baskılı piezoelektrik enerji toplama cihazları.Gelişmiş enerji malzemeleri.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser baskılı düz kalın film termoelektrik enerji jeneratörü.J. Mikromekanik Mikromühendislik 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Basılı elektronik cihazlara güç sağlamak için kullanılan esnek, yüksek potansiyelli baskılı pil.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Basılı esnek pillerdeki en son gelişmeler: mekanik zorluklar, baskı teknolojisi ve geleceğe yönelik beklentiler.Enerji teknolojisi.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. vb. Yapısal sağlığın izlenmesi için geniş alanlı elektronik cihazları ve CMOS IC'leri birleştiren büyük ölçekli bir algılama sistemi.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).