noticias

Grazas por visitar Nature. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada para CSS. Para unha mellor experiencia, recomendámosche que utilices unha versión máis recente do navegador (ou desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Ao mesmo tempo , para garantir o apoio continuo, mostraremos sitios sen estilos e JavaScript.
Os aditivos e os procesos de impresión a baixa temperatura poden integrar varios dispositivos electrónicos que consumen e consumen enerxía en substratos flexibles a baixo custo. Non obstante, a produción de sistemas electrónicos completos a partir destes dispositivos require normalmente que os dispositivos electrónicos de enerxía poidan converterse entre as distintas tensións de funcionamento de os dispositivos.Os compoñentes pasivos (indutores, capacitores e resistencias) realizan funcións como filtrado, almacenamento de enerxía a curto prazo e medición de tensión, que son esenciais na electrónica de potencia e en moitas outras aplicacións. Neste artigo presentamos indutores, capacitores, resistencias e circuítos RLC serigrafiados en substratos plásticos flexibles e informan do proceso de deseño para minimizar a resistencia en serie dos indutores para que se poidan utilizar en dispositivos electrónicos de potencia. O indutor e a resistencia impresos incorpóranse entón ao circuíto do regulador de impulso.Fabricación de díodos orgánicos emisores de luz e baterías flexibles de iones de litio.Os reguladores de voltaxe utilízanse para alimentar os díodos da batería, demostrando o potencial dos compoñentes pasivos impresos para substituír os compoñentes tradicionais de montaxe en superficie nas aplicacións de conversores DC-DC.
Nos últimos anos, desenvolveuse a aplicación de varios dispositivos flexibles en produtos electrónicos portátiles e de gran superficie e Internet das cousas1,2. Estes inclúen dispositivos de captación de enerxía, como a fotovoltaica 3, piezoeléctrica 4 e termoeléctrica 5;dispositivos de almacenamento de enerxía, como baterías 6, 7;e dispositivos consumidores de enerxía, como os sensores 8, 9, 10, 11, 12 e fontes de luz 13. Aínda que se realizaron grandes avances nas fontes e cargas de enerxía individuais, a combinación destes compoñentes nun sistema electrónico completo require normalmente unha electrónica de potencia para superar calquera desajuste entre o comportamento da fonte de alimentación e os requisitos de carga. Por exemplo, unha batería xera unha tensión variable segundo o seu estado de carga. Se a carga require unha tensión constante, ou superior á que pode xerar a batería, requírese electrónica de potencia. .A electrónica de potencia utiliza compoñentes activos (transistores) para realizar funcións de conmutación e control, así como compoñentes pasivos (indutores, capacitores e resistencias).Por exemplo, nun circuíto regulador de conmutación utilízase un indutor para almacenar enerxía durante cada ciclo de conmutación. , utilízase un capacitor para reducir a ondulación de tensión e a medición de tensión necesaria para o control de retroalimentación realízase mediante un divisor de resistencia.
Os dispositivos electrónicos de potencia que son axeitados para dispositivos portátiles (como oxímetro de pulso 9) requiren varios voltios e varios miliamperios, normalmente funcionan no intervalo de frecuencias de centos de kHz a varios MHz e requiren varios μH e varios μH de inductancia e A capacitancia μF é 14 respectivamente.O método tradicional de fabricación destes circuítos consiste en soldar compoñentes discretos a unha placa de circuíto impreso ríxido (PCB). Aínda que os compoñentes activos dos circuítos electrónicos de potencia adoitan combinarse nun único circuíto integrado de silicio (IC), os compoñentes pasivos adoitan ser externo, xa sexa permitindo circuítos personalizados, ou porque a inductancia e a capacidade necesarias son demasiado grandes para ser implementadas en silicio.
En comparación coa tecnoloxía de fabricación tradicional baseada en PCB, a fabricación de dispositivos electrónicos e circuítos mediante o proceso de impresión aditiva ten moitas vantaxes en termos de sinxeleza e custo. En primeiro lugar, xa que moitos compoñentes do circuíto requiren os mesmos materiais, como metais para contactos. e interconexións, a impresión permite fabricar varios compoñentes ao mesmo tempo, con relativamente poucos pasos de procesamento e menos fontes de materiais15. O uso de procesos aditivos para substituír procesos subtractivos como a fotolitografía e o gravado reduce aínda máis a complexidade do proceso e o desperdicio de material16, 17, 18 e 19.Ademais, as baixas temperaturas utilizadas na impresión son compatibles con substratos plásticos flexibles e económicos, o que permite o uso de procesos de fabricación de rolo a rolo de alta velocidade para cubrir dispositivos electrónicos 16, 20 en grandes áreas.Para aplicacións que non se poden realizar completamente con compoñentes impresos, desenvolvéronse métodos híbridos nos que os compoñentes da tecnoloxía de montaxe en superficie (SMT) están conectados a substratos flexibles 21, 22, 23 xunto aos compoñentes impresos a baixas temperaturas. Neste enfoque híbrido, aínda é necesario substituír tantos compoñentes SMT como sexa posible con contrapartes impresas para obter os beneficios de procesos adicionais e aumentar a flexibilidade global do circuíto. Para realizar unha electrónica de potencia flexible, propuxemos unha combinación de compoñentes activos SMT e pasivos serigrafiados. compoñentes, con especial énfase na substitución de indutores SMT voluminosos por indutores espirais planos. Entre as diversas tecnoloxías para a fabricación de produtos electrónicos impresos, a serigrafía é especialmente adecuada para compoñentes pasivos debido ao seu gran grosor de película (que é necesario para minimizar a resistencia en serie das características metálicas). ) e alta velocidade de impresión, mesmo cando se cubren zonas de centímetro O mesmo ocorre ás veces.Material 24.
A perda de compoñentes pasivos dos equipos electrónicos de potencia debe minimizarse, porque a eficiencia do circuíto afecta directamente a cantidade de enerxía necesaria para alimentar o sistema. Isto é especialmente desafiante para indutores impresos compostos por bobinas longas, que polo tanto son susceptibles a altas series. Polo tanto, aínda que se fixeron algúns esforzos para minimizar a resistencia 25, 26, 27, 28 das bobinas impresas, aínda faltan compoñentes pasivos impresos de alta eficiencia para dispositivos electrónicos de potencia. os compoñentes en substratos flexibles están deseñados para funcionar en circuítos resonantes para a identificación por radiofrecuencia (RFID) ou con fins de captación de enerxía 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Outros céntranse no desenvolvemento de materiais ou procesos de fabricación e mostran compoñentes xenéricos. 26, 32, 33, 34 que non están optimizados para aplicacións específicas. Pola contra, os circuítos electrónicos de potencia, como os reguladores de voltaxe, adoitan usar compoñentes máis grandes que os dispositivos pasivos impresos típicos e non requiren resonancia, polo que son necesarios deseños de compoñentes diferentes.
Aquí, presentamos o deseño e a optimización de indutores serigrafiados no rango μH para acadar a menor resistencia en serie e un alto rendemento en frecuencias relacionadas coa electrónica de potencia. Fabbráronse indutores, capacitores e resistencias serigrafiados con varios valores de compoñentes. en substratos plásticos flexibles. A idoneidade destes compoñentes para produtos electrónicos flexibles demostrouse por primeira vez nun simple circuíto RLC. O indutor e a resistencia impresos intégranse despois co IC para formar un regulador de impulso. Finalmente, un díodo emisor de luz orgánico (OLED). ) e unha batería flexible de iones de litio, e utilízase un regulador de voltaxe para alimentar o OLED desde a batería.
Para deseñar indutores impresos para electrónica de potencia, primeiro predimos a inductancia e a resistencia de CC dunha serie de xeometrías de indutoras baseadas no modelo de folla actual proposto en Mohan et al.35, e fabricaron indutores de diferentes xeometrías para confirmar A precisión do modelo.Neste traballo escolleuse unha forma circular para o indutor porque pódese conseguir unha maior inductancia 36 cunha menor resistencia en comparación cunha xeometría poligonal. A influencia da tinta. determínase o tipo e o número de ciclos de impresión sobre a resistencia. Despois, estes resultados utilizáronse co modelo de amperímetro para deseñar indutores de 4,7 μH e 7,8 μH optimizados para unha resistencia CC mínima.
A inductancia e a resistencia DC dos indutores en espiral pódense describir mediante varios parámetros: diámetro exterior do, ancho de xiro w e separación s, número de voltas n e resistencia da folla condutora Rsheet. A figura 1a mostra unha foto dun indutor circular impreso en serigrafía. con n = 12, mostrando os parámetros xeométricos que determinan a súa inductancia.Segundo o modelo amperímetro de Mohan et al.35, a inductancia calcúlase para unha serie de xeometrías indutoras, onde
(a) Unha foto do indutor serigrafiado que amosa os parámetros xeométricos. O diámetro é de 3 cm. Inductancia (b) e resistencia DC (c) de varias xeometrías do indutor. As liñas e marcas corresponden a valores calculados e medidos, respectivamente. (d,e) As resistencias DC dos indutores L1 e L2 están serigrafiadas con tintas prata Dupont 5028 e 5064H, respectivamente. (f,g) Micrografías SEM das películas serigrafiadas por Dupont 5028 e 5064H, respectivamente.
A altas frecuencias, o efecto pel e a capacitancia parasitaria cambiarán a resistencia e a inductancia do indutor segundo o seu valor de CC. Espérase que o indutor funcione a unha frecuencia suficientemente baixa para que estes efectos sexan insignificantes e o dispositivo compórtase como unha inductancia constante. cunha resistencia constante en serie.Por iso, neste traballo, analizouse a relación entre parámetros xeométricos, inductancia e resistencia DC, e utilizouse os resultados para obter unha determinada inductancia coa menor resistencia DC.
A inductancia e a resistencia calcúlanse para unha serie de parámetros xeométricos que se poden realizar mediante serigrafía, e espérase que se xere inductancia no rango μH. Os diámetros exteriores de 3 e 5 cm, os anchos de liña de 500 e 1000 micras. , e compáranse varias voltas. No cálculo, asúmese que a resistencia da folla é de 47 mΩ/□, o que corresponde a unha capa condutora de micrococos prata Dupont 5028 de 7 μm de espesor impresa cunha pantalla de malla 400 e configurando w = s.O Os valores calculados de inductancia e resistencia móstranse na figura 1b e c, respectivamente. O modelo prevé que tanto a inductancia como a resistencia aumentan a medida que aumentan o diámetro exterior e o número de espiras, ou a medida que diminúe o ancho da liña.
Para avaliar a precisión das predicións do modelo, fabricáronse indutores de varias xeometrías e inductancias sobre un substrato de polietileno tereftalato (PET). Os valores de inductancia e resistencia medidos móstranse na Figura 1b e c. Aínda que a resistencia mostrou algunha desviación de o valor esperado, debido principalmente a cambios no grosor e uniformidade da tinta depositada, a inductancia mostrou un moi bo acordo co modelo.
Estes resultados pódense usar para deseñar un indutor coa inductancia necesaria e a resistencia mínima de CC. Por exemplo, supoñamos que se precisa unha inductancia de 2 μH. A figura 1b mostra que esta inductancia pódese realizar cun diámetro exterior de 3 cm, un ancho de liña. de 500 μm e 10 espiras.A mesma inductancia tamén se pode xerar utilizando 5 cm de diámetro exterior, 500 μm de ancho de liña e 5 espiras ou 1000 μm de ancho de liña e 7 espiras (como se mostra na figura). Comparando as resistencias destes tres posibles xeometrías na Figura 1c, pódese atopar que a menor resistencia dun indutor de 5 cm cunha anchura de liña de 1000 μm é de 34 Ω, o que é un 40 % máis baixo que os outros dous. O proceso de deseño xeral para acadar unha determinada inductancia cunha resistencia mínima resúmese do seguinte xeito: En primeiro lugar, seleccione o diámetro exterior máximo permitido segundo as limitacións de espazo impostas pola aplicación. A continuación, o ancho da liña debe ser o maior posible mentres se consegue a inductancia necesaria para obter unha alta taxa de recheo. (Ecuación (3)).
Aumentando o grosor ou empregando un material con maior condutividade para reducir a resistencia da chapa da película metálica, pódese reducir aínda máis a resistencia de CC sen afectar á inductancia. Dous indutores, cuxos parámetros xeométricos se dan na Táboa 1, denominados L1 e L2, están fabricados con diferentes números de revestimentos para avaliar o cambio de resistencia. A medida que aumenta o número de revestimentos de tinta, a resistencia diminúe proporcionalmente como se espera, como se mostra nas figuras 1d e e, que son indutores L1 e L2, respectivamente.Figuras 1d e e mostrar que aplicando 6 capas de revestimento, a resistencia pode reducirse ata 6 veces, e a redución máxima da resistencia (50-65%) prodúcese entre a capa 1 e a capa 2. Dado que cada capa de tinta é relativamente delgada, un Para imprimir estes indutores utilízase unha pantalla cun tamaño de reixa relativamente pequeno (400 liñas por polgada), o que nos permite estudar o efecto do grosor do condutor sobre a resistencia. un grosor (e resistencia) semellante pódese conseguir máis rápido imprimindo un número menor de revestimentos cun tamaño de reixa maior. Este método pódese usar para conseguir a mesma resistencia DC que o indutor de 6 revestimentos que se comenta aquí, pero cunha velocidade de produción maior.
As figuras 1d e e tamén mostran que ao usar a tinta de escamas de prata máis condutora DuPont 5064H, a resistencia redúcese nun factor de dous. A partir das micrografías SEM das películas impresas coas dúas tintas (figura 1f, g), pódese visto que a menor condutividade da tinta 5028 débese ao seu menor tamaño de partícula e á presenza de moitos baleiros entre as partículas na película impresa. Por outra banda, a 5064H ten escamas máis grandes e máis próximas, o que fai que se comporte máis preto da masa. prata.Aínda que a película producida por esta tinta é máis delgada que a tinta 5028, cunha única capa de 4 μm e 6 capas de 22 μm, o aumento da condutividade é suficiente para reducir a resistencia global.
Finalmente, aínda que a inductancia (ecuación (1)) depende do número de voltas (w + s), a resistencia (ecuación (5)) depende só do ancho de liña w. Polo tanto, ao aumentar w en relación a s, a resistencia pode reducirse aínda máis. Os dous indutores adicionais L3 e L4 están deseñados para ter w = 2s e un gran diámetro exterior, como se mostra na táboa 1. Estes indutores están fabricados con 6 capas de revestimento DuPont 5064H, como se mostra anteriormente, para proporcionar o maior rendemento. A inductancia de L3 é de 4,720 ± 0,002 μH e a resistencia de 4,9 ± 0,1 Ω, mentres que a inductancia de L4 é de 7,839 ± 0,005 μH e 6,9 ​​± 0,1 Ω, que concordan ben co modelo para a predición. aumento de espesor, condutividade e w/s, isto significa que a relación L/R aumentou en máis dunha orde de magnitude en relación co valor da Figura 1.
Aínda que a baixa resistencia de CC é prometedora, avaliar a idoneidade dos indutores para equipos electrónicos de potencia que operan no rango kHz-MHz require caracterización en frecuencias de CA. A figura 2a mostra a dependencia da frecuencia da resistencia e reactancia de L3 e L4. Para frecuencias inferiores a 10 MHz. , a resistencia permanece aproximadamente constante no seu valor DC, mentres que a reactancia aumenta linealmente coa frecuencia, o que significa que a inductancia é constante como se esperaba. A frecuencia de autorresonancia defínese como a frecuencia á que a impedancia cambia de indutiva a capacitiva, con L3 sendo 35,6 ± 0,3 MHz e L4 sendo 24,3 ± 0,6 MHz. A dependencia da frecuencia do factor de calidade Q (igual a ωL/R) móstrase na figura 2b. L3 e L4 conseguen os factores de calidade máximos de 35 ± 1 e 33 ± 1 a frecuencias de 11 e 16 MHz, respectivamente. A inductancia duns poucos μH e as frecuencias relativamente altas de Q en MHz fan que estes indutores sexan suficientes para substituír os indutores tradicionais de montaxe en superficie nos conversores DC-DC de baixa potencia.
A resistencia R medida e a reactancia X (a) e o factor de calidade Q (b) dos indutores L3 e L4 están relacionados coa frecuencia.
Para minimizar a pegada necesaria para unha capacitancia determinada, o mellor é utilizar a tecnoloxía de capacitores cunha gran capacidade específica, que é igual á constante dieléctrica ε dividida polo espesor do dieléctrico. Neste traballo escollemos un composto de titanato de bario. como dieléctrico porque ten un épsilon máis alto que outros dieléctricos orgánicos procesados ​​en solución.A capa dieléctrica está serigrafiada entre os dous condutores de prata para formar unha estrutura metal-dieléctrico-metal.Condensadores con varios tamaños en centímetros, como se mostra na figura 3a. , son fabricados utilizando dúas ou tres capas de tinta dieléctrica para manter un bo rendemento. A figura 3b mostra unha micrografía SEM en sección transversal dun condensador representativo feito con dúas capas de dieléctrico, cun espesor dieléctrico total de 21 μm.Os electrodos superior e inferior son 5064H dunha capa e seis capas respectivamente. As partículas de titanato de bario do tamaño dun micro son visibles na imaxe SEM porque as áreas máis brillantes están rodeadas polo aglutinante orgánico máis escuro. A tinta dieléctrica molla ben o electrodo inferior e forma unha interface clara co película metálica impresa, como se mostra na ilustración con maior aumento.
(a) Unha foto dun capacitor con cinco áreas diferentes. (b) Micrografía SEM de sección transversal dun capacitor con dúas capas de dieléctrico, que mostra o dieléctrico de titanato de bario e os electrodos de prata. (c) Capacitancias dos capacitores con 2 e 3 titanato de bario. capas dieléctricas e diferentes áreas, medidas a 1 MHz.(d) A relación entre a capacidade, ESR e factor de perda dun capacitor de 2,25 cm2 con 2 capas de revestimentos dieléctricos e frecuencia.
A capacitancia é proporcional á área esperada.Como se mostra na Figura 3c, a capacidade específica do dieléctrico de dúas capas é de 0,53 nF/cm2 e a capacidade específica do dieléctrico de tres capas é de 0,33 nF/cm2. Estes valores corresponden a unha constante dieléctrica de 13. Tamén se mediron a capacidade e o factor de disipación (DF) a diferentes frecuencias, como se mostra na Figura 3d, para un capacitor de 2,25 cm2 con dúas capas de dieléctrico. Descubrimos que a capacitancia era relativamente plana no rango de frecuencias de interese, aumentando un 20 %. de 1 a 10 MHz, mentres que no mesmo rango, DF aumentou de 0,013 a 0,023. Dado que o factor de disipación é a relación entre a perda de enerxía e a enerxía almacenada en cada ciclo de CA, un DF de 0,02 significa que o 2% da potencia que se manexa. polo capacitor consúmese. Esta perda adoita expresarse como a resistencia en serie equivalente (ESR) dependente da frecuencia conectada en serie co capacitor, que é igual a DF/ωC. Como se mostra na figura 3d, para frecuencias superiores a 1 MHz, ESR é inferior a 1,5 Ω, e para frecuencias superiores a 4 MHz, ESR é inferior a 0,5 Ω. Aínda que se usa esta tecnoloxía de capacitores, os capacitores de clase μF necesarios para os conversores DC-DC requiren unha área moi grande, pero os 100 pF- O rango de capacidade nF e a baixa perda destes capacitores fanos axeitados para outras aplicacións, como filtros e circuítos resonantes. Pódense usar varios métodos para aumentar a capacidade. Unha constante dieléctrica máis alta aumenta a capacidade específica 37;por exemplo, isto pódese conseguir aumentando a concentración de partículas de titanato de bario na tinta.Pódese utilizar un grosor dieléctrico menor, aínda que isto require un eléctrodo inferior cunha rugosidade menor que unha escama de prata serigrafiada.Condensador máis fino e de menor rugosidade. as capas pódense depositar mediante impresión inxección de tinta 31 ou impresión en huecograbado 10, que se pode combinar cun proceso de serigrafía. Finalmente, pódense apilar e imprimir varias capas alternas de metal e dieléctrico e conectarse en paralelo, aumentando así a capacitancia 34 por unidade de área. .
Normalmente úsase un divisor de tensión composto por un par de resistencias para realizar a medición de tensión necesaria para o control de retroalimentación dun regulador de tensión. Para este tipo de aplicacións, a resistencia da resistencia impresa debe estar no rango kΩ-MΩ e a diferenza entre os dispositivos son pequenos. Aquí comprobouse que a resistencia da folla de tinta de carbono serigrafiada dunha soa capa era de 900 Ω/□. Esta información utilízase para deseñar dúas resistencias lineais (R1 e R2) e unha resistencia serpentina (R3). ) con resistencias nominais de 10 kΩ, 100 kΩ e 1,5 MΩ. A resistencia entre os valores nominais conséguese imprimindo dúas ou tres capas de tinta, como se mostra na figura 4, e fotos das tres resistencias. Fai 8- 12 mostras de cada tipo;en todos os casos, a desviación estándar da resistencia é do 10 % ou menos. O cambio de resistencia das mostras con dúas ou tres capas de revestimento tende a ser lixeiramente menor que o das mostras cunha capa de revestimento. O pequeno cambio na resistencia medida e a estreita concordancia co valor nominal indican que outras resistencias deste rango poden obterse directamente modificando a xeometría da resistencia.
Tres xeometrías de resistencias diferentes con diferentes números de revestimentos de tinta de carbono resistentes. As fotos das tres resistencias móstranse á dereita.
Os circuítos RLC son exemplos clásicos de combinacións de resistencias, indutoras e capacitores que se usan para demostrar e verificar o comportamento dos compoñentes pasivos integrados en circuítos impresos reais. Neste circuíto, un indutor de 8 μH e un capacitor de 0,8 nF conéctanse en serie e un Un resistor de 25 kΩ está conectado en paralelo con eles. A foto do circuíto flexible móstrase na figura 5a. O motivo para elixir esta combinación especial serie-paralelo é que o seu comportamento está determinado por cada unha das tres compoñentes de frecuencia diferentes, de xeito que o Pódese destacar e avaliar o rendemento de cada compoñente. Considerando a resistencia en serie de 7 Ω do indutor e a ESR de 1,3 Ω do capacitor, calculouse a resposta en frecuencia esperada do circuíto. O diagrama do circuíto móstrase na figura 5b e o cálculo calculado. A amplitude da impedancia e a fase e os valores medidos móstranse nas figuras 5c e d. En baixas frecuencias, a alta impedancia do capacitor significa que o comportamento do circuíto está determinado pola resistencia de 25 kΩ. A medida que aumenta a frecuencia, a impedancia de o camiño LC diminúe;todo o comportamento do circuíto é capacitivo ata que a frecuencia de resonancia é de 2,0 MHz. Por riba da frecuencia de resonancia, domina a impedancia indutiva. A figura 5 mostra claramente o excelente acordo entre os valores calculados e medidos en toda a gama de frecuencias. Isto significa que o modelo utilizado aquí (onde os indutores e os capacitores son compoñentes ideais con resistencia en serie) é preciso para predecir o comportamento do circuíto a estas frecuencias.
(a) Unha foto dun circuíto RLC serigrafiado que usa unha combinación en serie dun indutor de 8 μH e un capacitor de 0,8 nF en paralelo cunha resistencia de 25 kΩ. (b) Modelo de circuíto que inclúe a resistencia en serie do indutor e do capacitor.(c) ,d) A amplitude da impedancia (c) e a fase (d) do circuíto.
Finalmente, os indutores e resistencias impresos están implementados no regulador de impulso. O IC usado nesta demostración é Microchip MCP1640B14, que é un regulador de impulso síncrono baseado en PWM cunha frecuencia de funcionamento de 500 kHz. O diagrama de circuíto móstrase na Figura 6a.A. Úsanse indutor de 4,7 μH e dous capacitores (4,7 μF e 10 μF) como elementos de almacenamento de enerxía, e úsanse un par de resistencias para medir a tensión de saída do control de retroalimentación. Seleccione o valor da resistencia para axustar a tensión de saída a 5 V. O circuíto está fabricado no PCB e o seu rendemento mídese dentro da resistencia de carga e o rango de tensión de entrada de 3 a 4 V para simular a batería de ión-litio en varios estados de carga. A eficiencia dos indutores e resistencias impresos compárase coa eficiencia dos indutores e resistencias SMT.Os capacitores SMT utilízanse en todos os casos porque a capacidade necesaria para esta aplicación é demasiado grande para completarse con capacitores impresos.
(a) Diagrama do circuíto estabilizador de tensión. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw e (d) Formas de onda da corrente que flúe no indutor, a tensión de entrada é de 4,0 V, a resistencia de carga é de 1 kΩ, e utilízase o indutor impreso para medir. Para esta medición utilízanse resistencias e capacitores de montaxe en superficie.(e) Para varias resistencias de carga e tensións de entrada, a eficiencia dos circuítos reguladores de tensión que utilizan todos os compoñentes de montaxe en superficie e indutores e resistencias impresos.(f ) A relación de eficiencia do montaxe en superficie e do circuíto impreso que se indica en (e).
Para unha tensión de entrada de 4,0 V e unha resistencia de carga de 1000 Ω, as formas de onda medidas mediante indutores impresos móstranse na Figura 6b-d. A Figura 6c mostra a tensión no terminal Vsw do CI;a tensión do indutor é Vin-Vsw. A figura 6d mostra a corrente que flúe cara ao indutor. A eficiencia do circuíto con SMT e compoñentes impresos móstrase na figura 6e en función da tensión de entrada e a resistencia de carga, e a figura 6f mostra a relación de eficiencia. de compoñentes impresos a compoñentes SMT.A eficiencia medida usando compoñentes SMT é similar ao valor esperado que se indica na folla de datos do fabricante 14.A alta corrente de entrada (baixa resistencia de carga e baixa tensión de entrada), a eficiencia dos indutores impresos é significativamente inferior á a dos indutores SMT debido á maior resistencia en serie. Non obstante, cunha maior tensión de entrada e maior corrente de saída, a perda de resistencia faise menos importante e o rendemento dos indutores impresos comeza a achegarse ao dos indutores SMT. Para resistencias de carga > 500 Ω e Vin = 4,0 V ou >750 Ω e Vin = 3,5 V, a eficiencia dos indutores impresos é superior ao 85% dos indutores SMT.
Comparando a forma de onda actual da Figura 6d coa perda de potencia medida, amosa que a perda de resistencia no indutor é a principal causa da diferenza de eficiencia entre o circuíto impreso e o circuíto SMT, como se esperaba. A potencia de entrada e saída medida a 4,0 V. a tensión de entrada e a resistencia de carga de 1000 Ω son 30,4 mW e 25,8 mW para circuítos con compoñentes SMT, e 33,1 mW e 25,2 mW para circuítos con compoñentes impresos. Polo tanto, a perda do circuíto impreso é de 7,9 mW, o que é 3,4 mW superior á circuíto con compoñentes SMT.A corrente RMS do indutor calculada a partir da forma de onda da figura 6d é de 25,6 mA.Dado que a súa resistencia en serie é de 4,9 Ω, a perda de potencia esperada é de 3,2 mW. Isto é o 96% da diferenza de potencia de CC medida de 3,4 mW. Ademais, o circuíto está fabricado con indutores impresos e resistencias impresas e indutores impresos e resistencias SMT, e non se observan diferenzas significativas de eficiencia entre eles.
A continuación, o regulador de voltaxe fábricase na PCB flexible (a impresión do circuíto e o rendemento dos compoñentes SMT móstranse na Figura complementaria S1) e conéctase entre a batería flexible de iones de litio como fonte de enerxía e a matriz OLED como carga.Segundo Lochner et al.9 Para fabricar OLED, cada píxel OLED consome 0,6 mA a 5 V. A batería usa óxido de cobalto de litio e grafito como cátodo e ánodo, respectivamente, e está fabricada mediante un revestimento de raspador, que é o método de impresión de batería máis común.7 a capacidade da batería é de 16 mAh e a tensión durante a proba é de 4,0 V. A figura 7 mostra unha foto do circuíto no PCB flexible, que alimenta tres píxeles OLED conectados en paralelo. A demostración demostrou o potencial dos compoñentes de enerxía impresos para integrarse con outros. dispositivos flexibles e orgánicos para formar sistemas electrónicos máis complexos.
Unha foto do circuíto do regulador de voltaxe nun PCB flexible usando indutores e resistencias impresos, usando baterías flexibles de iones de litio para alimentar tres LED orgánicos.
Amosamos indutores, capacitores e resistencias serigrafiados cun rango de valores en substratos flexibles de PET, co obxectivo de substituír compoñentes de montaxe en superficie en equipos electrónicos de potencia. Demostramos que deseñando unha espiral de gran diámetro, a taxa de recheo. , e a relación ancho-espazo de liña, e mediante o uso dunha capa grosa de tinta de baixa resistencia. Estes compoñentes están integrados nun circuíto RLC totalmente impreso e flexible e presentan un comportamento eléctrico previsible no rango de frecuencias kHz-MHz, que é o máis grande. interese pola electrónica de potencia.
Os casos de uso típicos dos dispositivos electrónicos de potencia impresos son sistemas electrónicos flexibles que se poden usar ou integrados no produto, alimentados por baterías flexibles recargables (como ión-litio), que poden xerar voltaxes variables segundo o estado de carga. Se a carga (incluída a impresión e equipos electrónicos orgánicos) require unha tensión constante ou superior á saída da batería, é necesario un regulador de voltaxe. Por este motivo, os indutores e resistencias impresos están integrados con circuitos integrados de silicio tradicionais nun regulador de impulso para alimentar o OLED cunha tensión constante. de 5 V dunha fonte de alimentación de batería de tensión variable. Dentro dun determinado rango de corrente de carga e tensión de entrada, a eficiencia deste circuíto supera o 85 % da eficiencia dun circuíto de control que utiliza indutores e resistencias de montaxe en superficie. A pesar das optimizacións materiais e xeométricas, as perdas resistivas no indutor aínda son o factor limitante para o rendemento do circuíto a altos niveis de corrente (corrente de entrada superior a uns 10 mA). Non obstante, a correntes máis baixas, as perdas no indutor redúcense e o rendemento global está limitado pola eficiencia. Dado que moitos dispositivos impresos e orgánicos requiren correntes relativamente baixas, como os pequenos OLED utilizados na nosa demostración, os indutores de potencia impresos poden considerarse axeitados para tales aplicacións. Ao usar circuitos integrados deseñados para ter a maior eficiencia a niveis de corrente máis baixos, pódese conseguir unha maior eficiencia global do conversor.
Neste traballo, o regulador de tensión está construído sobre a tecnoloxía tradicional de soldadura de compoñentes de montaxe en superficie, PCB flexible e PCB, mentres que o compoñente impreso está fabricado nun substrato separado. Non obstante, as tintas de baixa temperatura e alta viscosidade utilizadas para producir pantalla- As películas impresas deben permitir que os compoñentes pasivos, así como a interconexión entre o dispositivo e as almofadas de contacto dos compoñentes de montaxe en superficie, se impriman en calquera substrato. Isto, combinado co uso de adhesivos condutores de baixa temperatura existentes para os compoñentes de montaxe en superficie, permitirá Todo o circuíto debe construírse sobre substratos económicos (como PET) sen necesidade de procesos subtractivos como o gravado de PCB. Polo tanto, os compoñentes pasivos serigrafiados desenvolvidos neste traballo axudan a abrir o camiño para sistemas electrónicos flexibles que integren enerxía e cargas. con electrónica de potencia de alto rendemento, utilizando substratos económicos, principalmente procesos aditivos e mínimo O número de compoñentes de montaxe en superficie.
Usando a impresora de pantalla Asys ASP01M e unha pantalla de aceiro inoxidable proporcionada por Dynamesh Inc., todas as capas de compoñentes pasivos foron serigrafiadas nun substrato flexible de PET cun grosor de 76 μm. O tamaño da malla da capa metálica é de 400 liñas por polgada e 250 liñas por polgada para a capa dieléctrica e a capa de resistencia. Utilice unha forza da raspadora de 55 N, unha velocidade de impresión de 60 mm/s, unha distancia de corte de 1,5 mm e unha raspadora Serilor cunha dureza de 65 (para metal e resistiva). capas) ou 75 (para capas dieléctricas) para serigrafía.
As capas condutoras, os indutores e os contactos dos capacitores e resistencias, están impresas con tinta de micrococos prata DuPont 5082 ou DuPont 5064H. A resistencia está impresa con condutor de carbono DuPont 7082. Para o dieléctrico do capacitor, o composto condutor BT-101 dieléctrico de titanato de bario utilízase.Cada capa de dieléctrico prodúcese mediante un ciclo de impresión de dúas pasadas (húmido-húmido) para mellorar a uniformidade da película.Para cada compoñente, examinouse o efecto de múltiples ciclos de impresión sobre o rendemento e a variabilidade dos compoñentes.Mostras feitas con múltiples revestimentos do mesmo material secáronse a 70 °C durante 2 minutos entre revestimentos. Despois de aplicar a última capa de cada material, as mostras foron cocidas a 140 °C durante 10 minutos para garantir o secado completo. A función de aliñamento automático da pantalla A impresora utilízase para aliñar as capas posteriores. O contacto co centro do indutor conséguese cortando un orificio pasante na almofada central e trazos de impresión de stencil na parte posterior do substrato con tinta DuPont 5064H. A interconexión entre os equipos de impresión tamén usa Dupont. Impresión de stencil 5064H. Para mostrar os compoñentes impresos e os compoñentes SMT no PCB flexible que se mostra na Figura 7, os compoñentes impresos conéctanse mediante epoxi condutor Circuit Works CW2400 e os compoñentes SMT conéctanse mediante soldadura tradicional.
Óxido de cobalto de litio (LCO) e electrodos a base de grafito utilízanse como cátodo e ánodo da batería, respectivamente. A suspensión do cátodo é unha mestura de 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % de grafito (KS6, Timcal), 2,5 %. % de negro de carbón (Super P, Timcal) e 10 % de fluoruro de polivinilideno (PVDF, Kureha Corp.).) O ánodo é unha mestura de 84% en peso de grafito, 4% en peso de negro de carbón e 13% en peso de PVDF. A N-metil-2-pirrolidona (NMP, Sigma Aldrich) úsase para disolver o aglutinante de PVDF e dispersar a suspensión. A suspensión foi homoxeneizada mediante axitando cun mesturador de vórtice durante a noite. Unha folla de aceiro inoxidable de 0,0005 polgadas de espesor e unha lámina de níquel de 10 μm utilízanse como colectores de corrente para o cátodo e o ánodo, respectivamente. mm/s.Quenta o eléctrodo nun forno a 80 °C durante 2 horas para eliminar o disolvente.A altura do electrodo despois do secado é duns 60 μm, e en función do peso do material activo, a capacidade teórica é de 1,65 mAh. /cm2.Os electrodos cortáronse nunhas dimensións de 1,3 × 1,3 cm2 e quentáronse nun forno ao baleiro a 140 °C durante a noite, e despois seláronse con bolsas de laminado de aluminio nunha guantera chea de nitróxeno.Unha solución de película base de polipropileno con ánodo e cátodo e 1M LiPF6 en EC/DEC (1:1) utilízase como electrólito da batería.
O LED verde está formado por poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) e poli((9,9-dioctilfluoreno-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol-). 4, 8-diil)) (F8BT) segundo o procedemento descrito en Lochner et al. 9.
Use o perfilador de lápiz óptico Dektak para medir o grosor da película. A película foi cortada para preparar unha mostra de sección transversal para a súa investigación mediante microscopía electrónica de varrido (SEM). O SEM de pistola de emisión de campo 3D FEI Quanta (FEG) úsase para caracterizar a estrutura do impreso impreso. película e confirmar a medida do espesor.O estudo SEM realizouse a unha tensión de aceleración de 20 keV e unha distancia de traballo típica de 10 mm.
Use un multímetro dixital para medir a resistencia de CC, a tensión e a corrente. A impedancia de CA dos indutores, capacitores e circuítos mídese mediante o medidor Agilent E4980 LCR para frecuencias inferiores a 1 MHz e o analizador de rede Agilent E5061A úsase para medir frecuencias superiores a 500 kHz. Osciloscopio Tektronix TDS 5034 para medir a forma de onda do regulador de voltaxe.
Como citar este artigo: Ostfeld, AE, etc. Componentes pasivos de serigrafía para equipos electrónicos de potencia flexible.ciencia.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next ubicuous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: A place where groups meet humans. Documento publicado na Conferencia e Exposición Europea sobre Deseño, Automatización e Probas de 2015, Grenoble, Francia. San José, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 de marzo 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 & Hübler, Dispositivos de captación de enerxía piezoeléctrica impresos en CA.Materiais enerxéticos avanzados.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Xerador de enerxía termoeléctrica de película grosa plana e impreso en dispensador.J.Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Unha batería impresa flexible de alto potencial que se usa para alimentar dispositivos electrónicos impresos.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Os últimos desenvolvementos en baterías flexibles impresas: desafíos mecánicos, tecnoloxía de impresión e perspectivas de futuro. Tecnoloxía da enerxía.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.Un sistema de detección a gran escala que combina dispositivos electrónicos de gran área e CI CMOS para a vixilancia da saúde estrutural.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).