warta

Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan winates kanggo CSS. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake versi browser sing luwih anyar (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). , kanggo mesthekake dhukungan terus, kita bakal nampilake situs tanpa gaya lan JavaScript.
Aditif lan pangolahan printing suhu rendah bisa nggabungake macem-macem piranti elektronik sing nggunakake daya lan daya ing substrat fleksibel kanthi biaya sing murah.Nanging, produksi sistem elektronik lengkap saka piranti kasebut biasane mbutuhake piranti elektronik daya kanggo ngowahi antarane macem-macem voltase operasi piranti.Komponèn pasif-induktor, kapasitor, lan resistor-nindakake fungsi kayata nyaring, panyimpenan energi short-term, lan pangukuran voltase, kang penting ing electronics daya lan akeh aplikasi liyane. Ing artikel iki, kita introduce induktor, kapasitor, resistor lan sirkuit RLC layar-dicithak ing landasan plastik fleksibel, lan laporan proses desain kanggo nyilikake resistance seri saka induktor supaya padha bisa digunakake ing daya piranti elektronik .Induktor dicithak lan resistor banjur digabung menyang sirkuit ngedongkrak regulator. saka dioda pemancar cahya organik lan baterei lithium-ion fleksibel. Regulator voltase digunakake kanggo nguwasani dioda saka baterei, nuduhake potensial komponen pasif sing dicithak kanggo ngganti komponen gunung permukaan tradisional ing aplikasi konverter DC-DC.
Ing taun-taun pungkasan, aplikasi macem-macem piranti fleksibel ing produk elektronik sing bisa dipakai lan gedhe lan Internet of Things1,2 wis dikembangake. Iki kalebu piranti panen energi, kayata photovoltaic 3, piezoelektrik 4, lan thermoelectric 5; piranti panyimpenan energi, kayata baterei 6, 7; lan piranti sing nganggo daya, kayata sensor 8, 9, 10, 11, 12, lan sumber cahya 13. Sanadyan kemajuan gedhe wis digawe ing sumber energi lan beban individu, nggabungake komponen kasebut dadi sistem elektronik sing lengkap biasane mbutuhake elektronika daya ngatasi mismatch antarane prilaku sumber daya lan syarat mbukak.Contone, baterei ngasilake voltase variabel miturut negara daya. .Elektronik daya nggunakake komponen aktif (transistor) kanggo nindakake fungsi ngoper lan kontrol, uga komponen pasif (induktor, kapasitor, lan resistor).Contone, ing sirkuit regulator switching, induktor digunakake kanggo nyimpen energi sajrone saben siklus ngoper. , kapasitor digunakake kanggo ngurangi ripple voltase, lan pangukuran voltase dibutuhake kanggo kontrol saran wis rampung nggunakake divider resistor.
Piranti elektronik daya sing cocog kanggo piranti sing bisa dipakai (kayata pulse oximeter 9) mbutuhake sawetara volt lan sawetara milliamps, biasane beroperasi ing sawetara frekuensi atusan kHz nganti sawetara MHz, lan mbutuhake sawetara μH lan sawetara μH induktansi lan Kapasitansi μF yaiku 14. Cara tradisional manufaktur sirkuit iki yaiku solder komponen diskrit menyang papan sirkuit dicithak kaku (PCB). Sanajan komponen aktif sirkuit elektronik daya biasane digabung dadi siji sirkuit terpadu silikon (IC), komponen pasif biasane external, salah siji ngijini sirkuit adat, utawa amarga induktansi dibutuhake lan kapasitansi gedhe banget kanggo dipun ginakaken ing silikon.
Dibandhingake karo teknologi Manufaktur basis PCB tradisional, Manufaktur piranti elektronik lan sirkuit liwat proses printing aditif wis akeh kaluwihan ing syarat-syarat gamblang lan cost.First, wiwit akeh komponen saka sirkuit mbutuhake bahan padha, kayata logam kanggo kontak. lan interconnections, printing ngidini macem-macem komponen bisa diprodhuksi ing wektu sing padha, karo relatif sawetara langkah Processing lan sumber kurang saka materials15. Panggunaan pangolahan aditif kanggo ngganti pangolahan subtractive kayata photolithography lan etching luwih nyuda kerumitan proses lan waste material16, 17, 18, lan 19. Kajaba iku, suhu kurang sing digunakake ing percetakan kompatibel karo substrat plastik sing fleksibel lan murah, saéngga nggunakake proses manufaktur roll-to-roll kanthi kacepetan dhuwur kanggo nutupi piranti elektronik 16, 20 ing wilayah gedhe. Kanggo aplikasi sing ora bisa diwujudake kanthi komponen sing dicithak, metode hibrida wis dikembangake ing ngendi komponen teknologi permukaan (SMT) disambungake menyang substrat fleksibel 21, 22, 23 ing jejere komponen sing dicithak ing suhu sing kurang. Ing pendekatan hibrida iki, isih perlu kanggo ngganti minangka akeh komponen SMT sabisa karo mitra dicithak kanggo njupuk keuntungan saka pangolahan tambahan lan nambah keluwesan sakabèhé saka sirkuit. Supaya éling electronics daya fleksibel, kita wis ngajokaken kombinasi komponen aktif SMT lan layar-dicetak pasif. komponen, kanthi emphasis khusus kanggo ngganti induktor SMT gedhe banget karo induktor spiral planar. Antarane macem-macem teknologi kanggo manufaktur elektronik dicithak, printing layar utamané cocok kanggo komponen pasif amarga saka kekandelan film gedhe (sing perlu kanggo nyilikake resistance seri fitur logam. ) lan kacepetan printing dhuwur, sanajan nutupi area tingkat centimeter.
Mundhut komponen pasif saka peralatan elektronik daya kudu nyilikake, amarga efisiensi sirkuit langsung mengaruhi jumlah energi sing dibutuhake kanggo daya sistem. Iki utamané tantangan kanggo induktor dicithak dumadi saka gulungan dawa, kang mulane rentan kanggo seri dhuwur. resistance.Mulane, senadyan sawetara efforts wis digawe kanggo nyilikake resistance 25, 26, 27, 28 saka gulungan sing dicithak, isih ana kekurangan komponen pasif dicithak kanthi efisiensi dhuwur kanggo piranti elektronik daya. Nganti saiki, akeh sing kacarita pasif dicithak. komponen ing substrat fleksibel dirancang kanggo operate ing sirkuit resonansi kanggo identifikasi frekuensi radio (RFID) utawa tujuan panen energi 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Liyane fokus ing pangembangan materi utawa proses manufaktur lan nuduhake komponen umum 26, 32, 33, 34 sing ora dioptimalake kanggo aplikasi tartamtu. Ing kontras, sirkuit elektronik daya kayata regulator voltase asring nggunakake komponen sing luwih gedhe tinimbang piranti pasif sing dicithak lan ora mbutuhake resonansi, mula desain komponen sing beda dibutuhake.
Ing kene, kita ngenalake desain lan optimalisasi induktor sing dicithak layar ing kisaran μH kanggo entuk resistensi seri paling cilik lan kinerja dhuwur ing frekuensi sing ana gandhengane karo elektronika daya. Induktor, kapasitor, lan resistor sing dicithak layar kanthi macem-macem nilai komponen diprodhuksi ing substrat plastik fleksibel.Kesesuaian komponen kasebut kanggo produk elektronik fleksibel pisanan dituduhake ing sirkuit RLC sing prasaja. Induktor lan resistor sing dicithak banjur digabungake karo IC kanggo mbentuk regulator dorongan. Pungkasan, dioda pemancar cahya organik (OLED). ) lan baterei lithium-ion fleksibel diprodhuksi, lan regulator voltase digunakake kanggo daya OLED saka baterei.
Kanggo ngrancang induktor sing dicithak kanggo elektronika daya, kita prédhiksi induktansi lan resistensi DC saka seri geometri induktor adhedhasar model lembaran saiki sing diusulake ing Mohan et al. 35, lan induktor digawe saka geometri sing beda-beda kanggo ngonfirmasi akurasi model. Ing karya iki, wangun bunder dipilih kanggo induktor amarga induktansi sing luwih dhuwur 36 bisa digayuh kanthi resistensi sing luwih murah dibandhingake karo geometri poligonal. Pengaruh tinta jinis lan nomer siklus printing ing resistance ditemtokake.Asil iki banjur digunakake karo model ammeter kanggo desain 4,7 μH lan 7,8 μH induktor optimized kanggo resistance DC minimal.
Induktansi lan resistansi DC saka induktor spiral bisa diterangake kanthi sawetara paramèter: diameter njaba do, jembaré w lan spasi s, jumlah giliran n, lan resistensi lembar konduktor Rsheet. Gambar 1a nuduhake foto induktor bunder sing dicithak layar sutra kanthi n = 12, nuduhake paramèter geometris sing nemtokake induktansi.Miturut model ammeter Mohan et al. 35, induktansi diwilang kanggo seri geometri induktor, ngendi
(a) Foto induktor sing dicithak layar sing nuduhake paramèter geometris. Dhiameteré 3 cm. Induktansi (b) lan resistensi DC (c) saka macem-macem geometri induktor. Garis lan tandha cocog karo nilai sing diwilang lan diukur. (d,e) Resistansi DC saka induktor L1 lan L2 dicetak nganggo tinta perak Dupont 5028 lan 5064H. (f,g) Mikrograf SEM saka layar film sing dicithak dening Dupont 5028 lan 5064H.
Ing frekuensi dhuwur, efek kulit lan kapasitansi parasit bakal ngganti resistensi lan induktansi induktor miturut nilai DC. kanthi resistensi konstan ing seri.Mulane, ing karya iki, kita nganalisa hubungan antarane paramèter geometris, induktansi, lan resistensi DC, lan nggunakake asil kanggo entuk induktansi sing diwenehake kanthi resistensi DC sing paling cilik.
Induktansi lan resistance diwilang kanggo seri paramèter geometris sing bisa diwujudake kanthi printing layar, lan samesthine bakal ngasilake induktansi ing kisaran μH. Dhiameter njaba 3 lan 5 cm, lebar garis 500 lan 1000 mikron , lan macem-macem giliran dibandhingake.Ing pitungan, dianggep sing resistance sheet punika 47 mΩ / □, kang cocog karo 7 μm nglukis Dupont 5028 lapisan konduktor microflake perak dicithak karo layar bolong 400 lan setelan w = s. nilai induktansi lan resistensi sing diwilang ditampilake ing Gambar 1b lan c, masing-masing. Model kasebut prédhiksi manawa induktansi lan resistensi mundhak nalika diameter njaba lan jumlah giliran mundhak, utawa nalika jembaré garis mudhun.
Kanggo ngevaluasi akurasi prediksi model, induktor saka macem-macem geometri lan induktansi digawe ing substrat polyethylene terephthalate (PET). Nilai induktansi lan resistensi sing diukur ditampilake ing Gambar 1b lan c. Nilai samesthine, utamané amarga owah-owahan ing kekandelan lan uniformity saka tinta setor, induktansi nuduhake persetujuan apik banget karo model.
Asil kasebut bisa digunakake kanggo ngrancang induktor kanthi induktansi sing dibutuhake lan resistensi DC minimal. Contone, umpamane induktansi 2 μH dibutuhake. Gambar 1b nuduhake yen induktansi iki bisa diwujudake kanthi diameter njaba 3 cm, jembar garis. saka 500 μm, lan 10 giliran. Induktansi sing padha uga bisa diasilake kanthi nggunakake diameter njaba 5 cm, jembaré garis 500 μm lan 5 giliran utawa jembaré garis 1000 μm lan 7 giliran (kaya sing ditampilake ing gambar). geometris bisa ing Figure 1c, bisa ditemokake yen resistensi paling murah saka induktor 5 cm kanthi jembar garis 1000 μm yaiku 34 Ω, yaiku udakara 40% luwih murah tinimbang loro liyane. Proses desain umum kanggo entuk induktansi sing diwenehake. karo resistance minimal wis rangkuman minangka nderek: First, pilih diameteripun njaba maksimum allowable miturut alangan spasi dileksanakake dening aplikasi.Banjur, jembaré baris kudu minangka gedhe sabisa nalika isih entuk induktansi sing dibutuhake kanggo entuk tingkat isi dhuwur. (Persamaan (3)).
Kanthi nambah kekandelan utawa nggunakake materi kanthi konduktivitas sing luwih dhuwur kanggo ngurangi resistance sheet saka film logam, resistance DC bisa luwih suda tanpa mengaruhi inductance.Two induktor, kang paramèter geometris diwenehi ing Tabel 1, disebut L1 lan L2, Diprodhuksi kanthi jumlah lapisan sing beda-beda kanggo ngevaluasi owah-owahan resistensi. Nalika jumlah lapisan tinta mundhak, resistensi mudhun kanthi proporsional kaya sing dikarepake, kaya sing ditampilake ing Gambar 1d lan e, yaiku induktor L1 lan L2. Gambar 1d lan e nuduhake yen kanthi nglamar 6 lapisan lapisan, resistance bisa suda nganti 6 kaping, lan abang maksimum ing resistance (50-65%) ana antarane lapisan 1 lan lapisan 2. Wiwit saben lapisan saka tinta punika relatif lancip, a layar karo ukuran kothak relatif cilik (400 garis saben inch) digunakake kanggo print induktor iki, kang ngidini kita kanggo sinau efek saka kekandelan konduktor ing resistance.Anggere fitur pola tetep luwih gedhe tinimbang resolusi minimal kothak, a kekandelan padha (lan resistance) bisa ngrambah luwih cepet dening Printing nomer cilik saka lapisan karo ukuran kothak luwih gedhe.Cara iki bisa digunakake kanggo entuk resistance DC padha karo induktor 6-dilapisi rembugan kene, nanging karo kacepetan produksi luwih.
Tokoh 1d lan e uga nuduhake yen kanthi nggunakake tinta serpihan perak sing luwih konduktif DuPont 5064H, resistensi dikurangi kanthi faktor loro. Saka mikrograf SEM saka film sing dicithak nganggo rong tinta (Gambar 1f, g), bisa dadi katon yen konduktivitas ngisor tinta 5028 amarga ukuran partikel sing luwih cilik lan ana akeh void ing antarane partikel ing film sing dicithak. perak.Sanajan film sing diprodhuksi dening tinta iki luwih tipis tinimbang tinta 5028, kanthi lapisan siji 4 μm lan 6 lapisan 22 μm, paningkatan konduktivitas cukup kanggo nyuda resistensi sakabèhé.
Pungkasan, sanajan induktansi (persamaan (1)) gumantung saka jumlah giliran (w + s), resistensi (persamaan (5)) mung gumantung ing jembar garis w. Mula, kanthi nambah w relatif marang s, resistensi bisa luwih suda.Loro induktor tambahan L3 lan L4 dirancang kanggo duwe w = 2s lan diameteripun njaba gedhe, minangka ditampilake ing Tabel 1. Induktor iki diprodhuksi karo 6 lapisan DuPont 5064H lapisan, minangka ditampilake sadurungé, kanggo nyedhiyani Induktansi L3 yaiku 4.720 ± 0.002 μH lan resistensi 4.9 ± 0.1 Ω, dene induktansi L4 yaiku 7.839 ± 0.005 μH lan 6.9 ± 0.1 Ω, sing cocog karo prediksi. Tambah ing kekandelan, konduktivitas, lan w / s, iki tegese rasio L/R wis tambah luwih saka urutan magnitudo relatif kanggo Nilai ing Figure 1.
Senajan resistance DC kurang janjeni, ngevaluasi kesesuaian induktor kanggo peralatan elektronik daya sing operasi ing kisaran kHz-MHz mbutuhake karakterisasi ing frekuensi AC.Figure 2a nuduhake katergantungan frekuensi saka resistance lan reaktansi saka L3 lan L4.Kanggo frekuensi ngisor 10 MHz , resistance tetep kira-kira pancet ing Nilai DC, nalika reaktansi mundhak linearly karo frekuensi, kang tegese induktansi punika pancet kaya samesthine.Frekuensi resonansi mandhiri ditetepake minangka frekuensi ing kang owah-owahan impedansi saka induktif kanggo kapasitif, karo L3 yaiku 35,6 ± 0,3 MHz lan L4 yaiku 24,3 ± 0,6 MHz. Ketergantungan frekuensi faktor kualitas Q (padha karo ωL/R) ditampilake ing Gambar 2b.L3 lan L4 nggayuh faktor kualitas maksimal 35 ± 1 lan 33 ± 1 ing frekuensi saka 11 lan 16 MHz, mungguh.Induktansi saka sawetara μH lan Q relatif dhuwur ing frekuensi MHz nggawe induktor iki cukup kanggo ngganti induktor lumahing-gunung tradisional ing daya kurang DC-DC converters.
Rintangan sing diukur R lan reaktansi X (a) lan faktor kualitas Q (b) saka induktor L3 lan L4 ana hubungane karo frekuensi.
Kanggo nyilikake jejak sing dibutuhake kanggo kapasitansi sing diwenehake, luwih becik nggunakake teknologi kapasitor kanthi kapasitansi spesifik sing gedhe, sing padha karo konstanta dielektrik ε dibagi karo kekandelan dielektrik. Ing karya iki, kita milih komposit barium titanate. minangka dielektrik amarga nduweni epsilon sing luwih dhuwur tinimbang dielektrik organik sing diproses solusi liyane. Lapisan dielektrik dicithak layar ing antarane rong konduktor perak kanggo mbentuk struktur logam-dielektrik-logam.Kapasitor kanthi ukuran sing beda-beda ing sentimeter, kaya sing ditampilake ing Gambar 3a , sing diprodhuksi nggunakake loro utawa telung lapisan tinta dielektrik kanggo njaga asil apik.Figure 3b nuduhake cross-sectional SEM micrograph saka kapasitor wakil digawe karo rong lapisan saka dielektrik, karo kekandelan dielektrik total 21 μm.Elektroda ndhuwur lan ngisor. yaiku siji-lapisan lan enem-lapisan 5064H. Partikel barium titanate ukuran mikro katon ing gambar SEM amarga wilayah sing luwih cerah diubengi dening binder organik sing luwih peteng. film logam dicithak, minangka ditampilake ing ilustrasi karo magnification luwih.
(a) Foto kapasitor kanthi limang area sing beda.(b) Mikrograf SEM cross-sectional saka kapasitor kanthi rong lapisan dielektrik, nuduhake barium titanate dielektrik lan elektroda perak.(c) Kapasitansi kapasitor karo 2 lan 3 barium titanate lapisan dielektrik lan wilayah beda, diukur ing 1 MHz. (d) Hubungan antarane kapasitansi, ESR, lan faktor mundhut saka 2,25 cm2 kapasitor karo 2 lapisan lapisan dielektrik lan frekuensi.
Kapasitas kasebut sebanding karo area sing dikarepake. Minangka ditampilake ing Figure 3c, kapasitansi spesifik saka dielektrik rong lapisan yaiku 0,53 nF / cm2, lan kapasitansi spesifik saka dielektrik telung lapisan yaiku 0,33 nF / cm2. Nilai kasebut cocog karo konstanta dielektrik 13. kapasitansi lan faktor boros (DF) padha uga diukur ing frekuensi beda, minangka ditampilake ing Figure 3d, kanggo 2,25 cm2 kapasitor karo rong lapisan saka dielectric.We ketemu sing kapasitansi relatif warata ing sawetara frekuensi saka kapentingan, nambah dening 20% saka 1 kanggo 10 MHz, nalika ing sawetara padha, DF tambah saka 0,013 kanggo 0,023. Wiwit faktor boros punika rasio mundhut energi kanggo energi sing disimpen ing saben siklus AC, DF saka 0,02 tegese 2% saka daya ditangani. dening kapasitor dikonsumsi. Mundhut iki biasane ditulis minangka resistensi seri sing padha karo frekuensi gumantung (ESR) sing disambungake ing seri karo kapasitor, sing padha karo DF / ωC. Kaya sing dituduhake ing Figure 3d, kanggo frekuensi luwih saka 1 MHz, ESR luwih murah tinimbang 1,5 Ω, lan kanggo frekuensi luwih saka 4 MHz, ESR luwih murah tinimbang 0,5 Ω. Sanajan nggunakake teknologi kapasitor iki, kapasitor kelas μF sing dibutuhake kanggo konverter DC-DC mbutuhake area sing gedhe banget, nanging 100 pF- sawetara kapasitansi nF lan mundhut kurang saka kapasitor iki nggawe cocok kanggo aplikasi liyane, kayata saringan lan sirkuit resonansi .Various cara bisa digunakake kanggo nambah kapasitansi.A pancet dielektrik luwih mundhak kapasitansi tartamtu 37; contone,, iki bisa ngrambah dening nambah konsentrasi partikel barium titanate ing ink.A kekandelan dielektrik cilik bisa digunakake, sanajan iki mbutuhake elektroda ngisor karo roughness luwih murah tinimbang flake perak dicithak layar.Tipis, kapasitor roughness ngisor. lapisan bisa setor dening printing inkjet 31 utawa gravure printing 10, kang bisa digabungake karo proses printing layar. Akhire, sawetara lapisan bolak-balik saka logam lan dielektrik bisa dibandhingke lan dicithak lan disambungake ing podo karo, mangkono nambah kapasitansi 34 saben unit area. .
Pembagi tegangan sing kasusun saka sepasang resistor biasane digunakake kanggo nindakake pangukuran voltase sing dibutuhake kanggo kontrol umpan balik saka regulator voltase. Kanggo aplikasi jinis iki, resistensi resistor sing dicithak kudu ana ing kisaran kΩ-MΩ, lan beda antarane piranti kasebut cilik. Ing kene, ditemokake yen resistensi lembaran tinta karbon sing dicithak layar siji-lapisan yaiku 900 Ω / □. Informasi iki digunakake kanggo ngrancang loro resistor linier (R1 lan R2) lan resistor serpentine (R3). ) kanthi resistensi nominal 10 kΩ, 100 kΩ, lan 1,5 MΩ. Resistansi antarane nilai nominal digayuh kanthi nyithak loro utawa telung lapisan tinta, kaya sing ditampilake ing Gambar 4, lan foto saka telung resistensi kasebut. Gawe 8- 12 sampel saben jinis; ing kabeh kasus, standar deviasi saka resistance 10% utawa kurang. Owah-owahan resistance saka conto karo loro utawa telung lapisan lapisan cenderung rada cilik tinimbang conto karo siji lapisan saka lapisan. Owah-owahan cilik ing resistance diukur. lan persetujuan cedhak karo nilai nominal nuduhake yen resistances liyane ing sawetara iki bisa langsung dijupuk dening ngowahi geometri resistor.
Telung geometris resistor sing beda karo macem-macem lapisan tinta resistif karbon. Foto saka telung resistor ditampilake ing sisih tengen.
Sirkuit RLC minangka conto buku teks klasik saka kombinasi resistor, induktor, lan kapasitor sing digunakake kanggo nduduhake lan verifikasi prilaku komponen pasif sing digabungake menyang sirkuit cetak nyata. Ing sirkuit iki, induktor 8 μH lan kapasitor 0,8 nF disambungake kanthi seri, lan Resistor 25 kΩ disambungake kanthi podo karo. Foto sirkuit fleksibel ditampilake ing Gambar 5a. Alesan kanggo milih kombinasi seri-paralel khusus iki yaiku prilaku ditemtokake dening saben telung komponen frekuensi sing beda, supaya kinerja saben komponèn bisa disorot lan dievaluasi.Ngelingi 7 Ω resistance seri saka induktor lan 1.3 Ω ESR saka kapasitor, respon frekuensi samesthine sirkuit wis diwilang. Diagram sirkuit ditampilake ing Figure 5b, lan diwilang. amplitudo impedansi lan fase lan nilai diukur ditampilake ing Gambar 5c lan d. Ing frekuensi kurang, impedansi dhuwur saka kapasitor tegese prilaku sirkuit ditemtokake dening resistor 25 kΩ. Nalika frekuensi mundhak, impedansi saka path LC sudo; prilaku sirkuit kabeh kapasitif nganti frekuensi resonansi yaiku 2.0 MHz. Ndhuwur frekuensi resonansi, impedansi induktif ndominasi. Gambar 5 kanthi jelas nuduhake persetujuan sing apik banget antarane nilai sing diwilang lan diukur ing kabeh rentang frekuensi. Iki tegese model sing digunakake kene (ngendi induktor lan kapasitor minangka komponen becik karo resistance seri) akurat kanggo prédhiksi prilaku sirkuit ing frekuensi iki.
(a) Foto sirkuit RLC sing dicithak layar sing nggunakake kombinasi seri saka induktor 8 μH lan kapasitor 0,8 nF sing sejajar karo resistor 25 kΩ.(b) Model sirkuit kalebu resistensi seri induktor lan kapasitor.(c ,d) Amplitudo impedansi (c) lan fase (d) sirkuit.
Pungkasan, induktor lan resistor sing dicithak dileksanakake ing regulator boost. IC sing digunakake ing demonstrasi iki yaiku Microchip MCP1640B14, yaiku regulator dorongan sinkron berbasis PWM kanthi frekuensi operasi 500 kHz. Diagram sirkuit ditampilake ing Gambar 6a.A 4.7 μH induktor lan rong kapasitor (4.7 μF lan 10 μF) digunakake minangka unsur panyimpenan energi, lan sepasang resistor digunakake kanggo ngukur voltase output kontrol umpan balik. Pilih nilai resistance kanggo nyetel voltase output kanggo 5 V. Sirkuit iki diprodhuksi ing PCB, lan kinerja diukur ing resistance mbukak lan sawetara voltase input saka 3 kanggo 4 V kanggo simulasi baterei lithium-ion ing macem-macem negara pangisian daya. Efisiensi induktor lan resistor dicithak dibandhingake karo efisiensi induktor lan resistor SMT.Kapasitor SMT digunakake ing kabeh kasus amarga kapasitansi sing dibutuhake kanggo aplikasi iki gedhe banget kanggo rampung karo kapasitor sing dicithak.
(a) Diagram sirkuit stabilisasi voltase.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, lan (d) Bentuk gelombang arus sing mili menyang induktor, tegangan input 4,0 V, resistensi beban 1 kΩ, lan induktor sing dicithak digunakake kanggo ngukur. Resistor lan kapasitor sing dipasang ing permukaan digunakake kanggo pangukuran iki. (e) Kanggo macem-macem resistensi beban lan voltase input, efisiensi sirkuit pengatur voltase nggunakake kabeh komponen gunung permukaan lan induktor lan resistor sing dicithak.(f ) Ing rasio efficiency saka lumahing gunung lan dicithak sirkuit ditampilake ing (e).
Kanggo voltase input 4.0 V lan resistensi beban 1000 Ω, bentuk gelombang sing diukur nggunakake induktor dicithak ditampilake ing Gambar 6b-d. Gambar 6c nuduhake tegangan ing terminal Vsw saka IC; voltase induktor punika Vin-Vsw.Figure 6d nuduhake saiki mili menyang induktor.Efisiensi sirkuit karo SMT lan komponen dicithak ditampilake ing Figure 6e minangka fungsi saka voltase input lan resistance mbukak, lan Figure 6f nuduhake rasio efficiency saka komponen dicithak kanggo komponen SMT.Efisiensi sing diukur nggunakake komponen SMT padha karo nilai samesthine diwenehi ing sheet data pabrikan 14.Ing saiki input dhuwur (resistensi mbukak kurang lan voltase input kurang), efficiency saka induktor dicithak Ngartekno luwih murah tinimbang sing saka induktor SMT amarga resistance seri sing luwih dhuwur.Nanging, kanthi voltase input sing luwih dhuwur lan saiki output sing luwih dhuwur, mundhut resistance dadi kurang penting, lan kinerja induktor sing dicithak wiwit nyedhaki induktor SMT. Kanggo resistensi beban> 500 Ω lan Vin = 4.0 V utawa> 750 Ω lan Vin = 3.5 V, efisiensi induktor sing dicithak luwih saka 85% induktor SMT.
Mbandhingake gelombang saiki ing Figure 6d karo mundhut daya sing diukur nuduhake yen mundhut resistance ing induktor minangka panyebab utama bedane efisiensi antarane sirkuit dicithak lan sirkuit SMT, kaya sing dikarepake. Daya input lan output diukur ing 4.0 V voltase input lan resistensi beban 1000 Ω yaiku 30,4 mW lan 25,8 mW kanggo sirkuit karo komponen SMT, lan 33,1 mW lan 25,2 mW kanggo sirkuit karo komponen sing dicithak. sirkuit karo komponen SMT.Saiki induktor RMS diwilang saka gelombang ing Figure 6d punika 25,6 mA. Wiwit resistance seri sawijining 4.9 Ω, mundhut daya samesthine 3.2 mW. Iki 96% saka diukur 3.4 mW DC beda daya. Kajaba iku, sirkuit diprodhuksi karo induktor dicithak lan resistor dicithak lan induktor dicithak lan resistor SMT, lan ora ana prabédan efisiensi sing signifikan ing antarane.
Banjur regulator voltase digawe ing PCB fleksibel (printing sirkuit lan kinerja komponen SMT ditampilake ing Gambar Tambahan S1) lan disambungake ing antarane baterei lithium-ion sing fleksibel minangka sumber daya lan susunan OLED minangka beban. Miturut Lochner et al. 9 Kanggo nggawe OLED, saben piksel OLED nggunakake 0,6 mA ing 5 V. Baterei nggunakake lithium kobalt oksida lan grafit minangka katoda lan anoda, lan diprodhuksi dening lapisan dokter blade, yaiku metode pencetakan baterei sing paling umum.7 kapasitas baterei punika 16mAh, lan voltase sak test punika 4.0V. Gambar 7 nuduhake foto sirkuit ing PCB fleksibel, daya telung piksel OLED disambungake ing podo karo. Demonstrasi nuduhake potensial komponen daya dicithak kanggo Integrasi karo liyane. piranti fleksibel lan organik kanggo mbentuk sistem elektronik sing luwih kompleks.
Foto sirkuit pengatur voltase ing PCB fleksibel nggunakake induktor lan resistor sing dicithak, nggunakake baterei lithium-ion fleksibel kanggo nguwasani telung LED organik.
Kita wis nampilake induktor, kapasitor lan resistor sing dicithak layar kanthi sawetara nilai ing substrat PET fleksibel, kanthi tujuan ngganti komponen gunung permukaan ing peralatan elektronik daya. , lan rasio jembar spasi-baris, lan kanthi nggunakake lapisan kandel saka tinta tahan kurang. Komponen kasebut digabungake menyang sirkuit RLC sing dicithak lan fleksibel lan nampilake prilaku listrik sing bisa diprediksi ing sawetara frekuensi kHz-MHz, sing paling gedhe. kapentingan kanggo elektronika daya.
Kasus panggunaan khas kanggo piranti elektronik daya sing dicithak yaiku sistem elektronik fleksibel sing bisa dipakai utawa terintegrasi karo produk, didhukung dening baterei sing bisa diisi ulang fleksibel (kayata lithium-ion), sing bisa ngasilake tegangan variabel miturut negara pangisian daya.Yen beban (kalebu printing lan peralatan elektronik organik) mbutuhake voltase konstan utawa luwih dhuwur tinimbang output voltase dening baterei, regulator voltase dibutuhake. Amarga iki, induktor lan resistor sing dicithak digabungake karo IC silikon tradisional dadi regulator dorongan kanggo nguwasani OLED kanthi voltase konstan. saka 5 V saka sumber daya baterei voltase variabel. Ing sawetara tartamtu saka mbukak saiki lan voltase input, efficiency sirkuit iki ngluwihi 85% saka efficiency saka sirkuit kontrol nggunakake lumahing gunung induktor lan resistor. Senadyan materi lan optimasi geometris, losses resistive ing induktor isih faktor matesi kanggo kinerja sirkuit ing tingkat saiki dhuwur (saiki input luwih saka bab 10 mA).Nanging, ing sapunika ngisor, losses ing induktor suda, lan kinerja sakabèhé diwatesi dening efficiency. saka IC. Amarga akeh piranti sing dicithak lan organik mbutuhake arus sing relatif sithik, kayata OLED cilik sing digunakake ing demonstrasi, induktor daya sing dicithak bisa dianggep cocok kanggo aplikasi kasebut. Kanthi nggunakake IC sing dirancang kanggo nduweni efisiensi paling dhuwur ing tingkat saiki sing luwih murah, efisiensi konverter sakabèhé sing luwih dhuwur bisa digayuh.
Ing karya iki, pengatur voltase dibangun ing PCB tradisional, PCB fleksibel lan lumahing Gunung komponen teknologi soldering, nalika komponèn dicithak diprodhuksi ing substrate.However kapisah, ing suhu kurang lan inks viskositas dhuwur digunakake kanggo gawé screen- film dicithak kudu ngidini komponen pasif, uga interconnection antarane piranti lan lumahing Gunung bantalan kontak komponen, bakal dicithak ing sembarang substrate.This, digabungake karo nggunakake ana adhesives konduktif suhu kurang kanggo komponen gunung lumahing, bakal ngidini. kabeh sirkuit sing bakal dibangun ing substrat murah (kayata PET) tanpa mbutuhake pangolahan subtractive kayata etching PCB. Mulane, komponen pasif sing dicithak layar sing dikembangake ing karya iki mbantu mbukak dalan kanggo sistem elektronik fleksibel sing nggabungake energi lan beban. karo elektronik daya dhuwur-kinerja, nggunakake substrat inexpensive, utamané aditif pangolahan lan minimal Jumlah lumahing gunung komponen.
Nggunakake printer layar Asys ASP01M lan layar stainless steel sing diwenehake dening Dynamesh Inc., kabeh lapisan komponen pasif dicithak layar ing substrat PET fleksibel kanthi kekandelan 76 μm. Ukuran bolong lapisan logam yaiku 400 garis saben inci lan 250 garis saben inch kanggo lapisan dielektrik lan lapisan resistance.Gunakake pasukan squeegee 55 N, kacepetan printing 60 mm / s, jarak break 1,5 mm, lan squeegee Serilor karo atose 65 (kanggo logam lan resistive). lapisan) utawa 75 (kanggo lapisan dielektrik) kanggo printing layar.
Lapisan konduktif - induktor lan kontak kapasitor lan resistor - dicithak nganggo tinta mikroflake perak DuPont 5082 utawa DuPont 5064H. Resistor dicithak nganggo konduktor karbon DuPont 7082. Kanggo dielektrik kapasitor, senyawa konduktif BT-101 barium titanate dielektrik digunakake.Saben lapisan dielektrik diprodhuksi nggunakake siklus printing loro-pass (udan-udan) kanggo nambah keseragaman film. Kanggo saben komponen, efek saka pirang-pirang siklus printing ing kinerja komponen lan variabilitas diteliti.Samples digawe karo pirang-pirang lapisan saka bahan sing padha dikeringake ing suhu 70 °C sajrone 2 menit ing antarane lapisan.Sawise ngetrapake lapisan pungkasan saben materi, conto kasebut dipanggang ing suhu 140 °C sajrone 10 menit kanggo njamin pangatusan lengkap. Fungsi alignment otomatis layar. printer digunakake kanggo kempal lapisan sakteruse. Kontak karo tengah induktor wis ngrambah dening nglereni liwat bolongan ing pad tengah lan printing ngambah stencil ing mburi landasan karo DuPont 5064H ink.The interconnection antarane peralatan printing uga nggunakake Dupont Printing stensil 5064H. Kanggo nampilake komponen dicithak lan komponen SMT ing PCB fleksibel ditampilake ing Figure 7, komponen dicithak disambungake nggunakake Circuit Works CW2400 konduktif epoxy, lan komponen SMT disambungake dening soldering tradisional.
Lithium kobalt oksida (LCO) lan elektroda adhedhasar grafit digunakake minangka katoda lan anoda baterei, masing-masing. Slurry katoda minangka campuran 80% LCO (MTI Corp.), grafit 7,5% (KS6, Timcal), 2,5 % karbon ireng (Super P, Timcal) lan 10% polyvinylidene fluoride (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoda minangka campuran grafit 84wt%, 4wt% karbon ireng lan 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) digunakake kanggo mbubarake binder PVDF lan mbubarake slurry. aduk karo mixer vortex sewengi.A 0,0005 inch nglukis stainless steel foil lan 10 μm nikel foil digunakake minangka kolektor saiki kanggo cathode lan anode, mungguh.Tinta dicithak ing kolektor saiki karo squeegee ing kacepetan printing saka 20 mm / s.Kalor elektroda ing open ing 80 °C kanggo 2 jam kanggo mbusak solvent.Ing dhuwur saka elektroda sawise pangatusan kira 60 μm, lan adhedhasar bobot saka materi aktif, kapasitas teori punika 1,65 mAh. /cm2.Elektroda dipotong dadi ukuran 1,3 × 1,3 cm2 lan digawe panas ing oven vakum ing 140 ° C sewengi, lan banjur disegel karo tas aluminium laminate ing kothak sarung tangan sing diisi nitrogen. Solusi saka film basa polypropylene karo anoda lan katoda lan 1M LiPF6 ing EC/DEC (1:1) digunakake minangka elektrolit baterei.
OLED ijo kasusun saka poli(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) lan poli((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) miturut prosedur kasebut ing Lochner et al.
Gunakake profiler stylus Dektak kanggo ngukur ketebalan film. Film kasebut dipotong kanggo nyiapake sampel cross-sectional kanggo diselidiki kanthi scanning mikroskop elektron (SEM). film lan konfirmasi pangukuran kekandelan.Studi SEM iki dilakokaké ing voltase nyepetake 20 keV lan kadohan apa khas 10 mm.
Gunakake multimeter digital kanggo ngukur resistensi, voltase lan arus DC. Impedansi AC saka induktor, kapasitor lan sirkuit diukur nggunakake meter Agilent E4980 LCR kanggo frekuensi ngisor 1 MHz lan analisa jaringan Agilent E5061A digunakake kanggo ngukur frekuensi ing ndhuwur 500 kHz. Tektronix TDS 5034 osiloskop kanggo ngukur bentuk gelombang regulator tegangan.
Carane nyebut artikel iki: Ostfeld, AE, etc.Screen printing komponen pasif kanggo peralatan elektronik daya fleksibel.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038 / srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Fleksibel electronics: the next ubiquitous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Panggonan ing ngendi klompok ketemu manungsa. Makalah diterbitake ing 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Maret- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116-4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC printed piezoelektrik piranti panen energi. Materi energi majeng.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printed flat film tebal termoelektrik energi generator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Baterei cetak potensial dhuwur fleksibel sing digunakake kanggo nguwasani piranti elektronik sing dicithak. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Perkembangan paling anyar ing baterei fleksibel sing dicithak: tantangan mekanik, teknologi cetak lan prospek ing mangsa ngarep. Teknologi energi.3, 305-328 (2015).
Hu, Y. etc.A sistem sensing ukuran gedhe sing nggabungke piranti elektronik area gedhe lan CMOS ICs kanggo ngawasi kesehatan struktural.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513-523 (2014).