fréttir

Þakka þér fyrir að heimsækja Nature. Vafraútgáfan sem þú notar hefur takmarkaðan stuðning fyrir CSS. Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir nýrri útgáfu af vafranum (eða slökktu á samhæfisstillingu í Internet Explorer). Á sama tíma , til að tryggja áframhaldandi stuðning munum við birta síður án stíla og JavaScript.
Aukefni og lághitaprentunarferli geta samþætt ýmis rafeindatæki sem eyða orku og orku á sveigjanlegan undirlag með litlum tilkostnaði. Hins vegar þarf framleiðsla á fullkomnum rafeindakerfum úr þessum tækjum venjulega rafeindatæki til að breyta milli mismunandi rekstrarspenna á tækin. Óvirkir íhlutir — spólar, þéttar og viðnám - framkvæma aðgerðir eins og síun, skammtímaorkugeymslu og spennumælingar, sem eru nauðsynlegar í rafeindatækni og mörgum öðrum forritum. Í þessari grein kynnum við spóla, þétta, viðnám og RLC hringrás skjáprentuð á sveigjanlegt plast undirlag, og tilkynna hönnunarferlið til að lágmarka röð viðnám spóla þannig að hægt sé að nota þá í rafeindabúnaði. Prentað spóla og viðnám eru síðan felld inn í boost regulator hringrásina. Framleiðsla af lífrænum ljósdíóðum og sveigjanlegum litíumjónarafhlöðum. Spennujafnarar eru notaðir til að knýja díóðurnar frá rafhlöðunni og sýna fram á möguleika prentaðra óvirkra íhluta til að koma í stað hefðbundinna yfirborðsfestinga í DC-DC breytiforritum.
Á undanförnum árum hefur verið þróuð notkun ýmissa sveigjanlegra tækja í rafeindavörum sem hægt er að nota á stórum svæðum og Internet of Things1,2. Þar á meðal eru orkuöflunartæki, eins og ljósvökva 3, piezoelectric 4 og thermoelectric 5; orkugeymslutæki, eins og rafhlöður 6, 7; og orkunotkunartæki, svo sem skynjara 8, 9, 10, 11, 12 og ljósgjafa 13. Þrátt fyrir að miklar framfarir hafi orðið í einstökum orkugjöfum og álagi, þarf venjulega afl rafeindatækni til að sameina þessa íhluti í fullkomið rafeindakerfi. sigrast á misræmi milli hegðunar aflgjafa og hleðslukrafna. Til dæmis framleiðir rafhlaða breytilega spennu í samræmi við hleðsluástand hennar. Ef álagið krefst stöðugrar spennu, eða hærri en spennan sem rafhlaðan getur framleitt, þarf rafeindatækni .Afl rafeindatækni notar virka íhluti (síma) til að framkvæma rofa- og stjórnunaraðgerðir, svo og óvirka íhluti (spólur, þéttar og viðnám).Til dæmis, í rofastillingarrás, er inductor notaður til að geyma orku í hverri skiptilotu. , þétti er notaður til að draga úr spennugára og spennumælingin sem þarf til að stjórna endurgjöf er gerð með því að nota viðnámsskil.
Afl rafeindatæki sem henta fyrir tæki sem hægt er að klæðast (eins og púlsoxunarmæli 9) þurfa nokkur volt og nokkur milliampa, starfa venjulega á tíðnisviðinu frá hundruðum kHz til nokkurra MHz og krefjast nokkurra μH og nokkurra μH inductance og Rafmagnið μF er 14 í sömu röð. Hin hefðbundna aðferð við framleiðslu þessara hringrása er að lóða staka íhluti við stíft prentað hringrásarborð (PCB). Þó að virku íhlutir rafrása rafrása séu venjulega sameinaðir í eina samþætta sílikonrás (IC) eru óvirkir íhlutir venjulega ytri, annaðhvort sem leyfir sérsniðnar hringrásir, eða vegna þess að nauðsynleg inductance og rýmd eru of stór til að vera útfærð í sílikon.
Í samanburði við hefðbundna PCB-undirstaða framleiðslutækni hefur framleiðsla rafeindatækja og rafrása í gegnum aukprentunarferlið marga kosti hvað varðar einfaldleika og kostnað. Í fyrsta lagi þar sem margir hlutir hringrásarinnar krefjast sömu efna, svo sem málma fyrir tengiliði. og samtengingar, prentun gerir kleift að framleiða marga íhluti á sama tíma, með tiltölulega fáum vinnsluþrepum og færri uppsprettum efna15. Notkun samsettra ferla til að koma í stað frádráttarferla eins og ljóslitafræði og ætingar dregur enn frekar úr ferli flókið og efnissóun16, 17, 18, og 19. Að auki er lágt hitastig sem notað er við prentun samhæft við sveigjanlegt og ódýrt plast undirlag, sem gerir kleift að nota háhraða rúlla-til-rúllu framleiðsluferla til að hylja rafeindatæki 16, 20 yfir stór svæði. sem ekki er hægt að gera að fullu með prentuðum íhlutum, blendingsaðferðir hafa verið þróaðar þar sem yfirborðsfestingartækni (SMT) íhlutir eru tengdir sveigjanlegu undirlagi 21, 22, 23 við hliðina á prentuðu íhlutunum við lágt hitastig. Í þessari blendingsaðferð er það enn nauðsynlegt að skipta út eins mörgum SMT íhlutum og mögulegt er fyrir prentaða hliðstæða til að fá ávinninginn af viðbótarferlum og auka heildarsveigjanleika hringrásarinnar. Til þess að átta okkur á sveigjanlegri rafeindatækni höfum við lagt til blöndu af SMT virkum íhlutum og skjáprentuðum óvirkum hlutum íhlutum, með sérstakri áherslu á að skipta út fyrirferðarmiklum SMT spólum fyrir plana spíral spóla. Meðal hinna ýmsu tækni til að framleiða prentuð rafeindatækni er skjáprentun sérstaklega hentug fyrir óvirka íhluti vegna mikillar filmuþykktar (sem er nauðsynlegt til að lágmarka röð viðnám málmþátta ) og mikill prenthraði, jafnvel þegar þekja svæði á sentímetrahæð Sama á stundum við. Efni 24.
Lágmarka verður tap á óvirkum íhlutum rafeindabúnaðar vegna þess að skilvirkni hringrásarinnar hefur bein áhrif á orkumagnið sem þarf til að knýja kerfið. Þetta er sérstaklega krefjandi fyrir prentaða spóla sem samanstanda af löngum spólum, sem eru því viðkvæmir fyrir háum röðum. Þess vegna, þó nokkur viðleitni hafi verið gerð til að lágmarka viðnám 25, 26, 27, 28 á prentuðu spólunum, þá er enn skortur á prentuðum óvirkum hlutum fyrir afl rafeindatæki. Hingað til hafa margir greint frá prentuðum óvirkum hlutum. íhlutir á sveigjanlegu hvarfefni eru hannaðir til að starfa í ómrásum til að bera kennsl á útvarpsbylgjur (RFID) eða orkuöflun 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Aðrir leggja áherslu á efnis- eða framleiðsluferlisþróun og sýna almenna íhluti 26, 32, 33, 34 sem eru ekki fínstillt fyrir tilteknar notkunir. Aftur á móti nota rafeindarásir eins og spennujafnarar oft stærri íhluti en dæmigerð prentuð óvirk tæki og þurfa ekki ómun, svo mismunandi íhlutahönnun er nauðsynleg.
Hér kynnum við hönnun og hagræðingu á skjáprentuðum spólum á μH-sviðinu til að ná minnstu röð viðnám og háum afköstum á tíðni tengdum rafeindatækni. Skjáprentaðir spólar, þéttar og viðnám með mismunandi íhlutagildi eru framleiddir á sveigjanlegum plasthvarfefnum. Fyrst var sýnt fram á hæfi þessara íhluta fyrir sveigjanlegar rafeindavörur í einfaldri RLC hringrás. Prentaða inductor og viðnám eru síðan samþætt við IC til að mynda örvunarjafnara. Að lokum, lífræn ljósdíóða (OLED) ) og sveigjanleg litíumjónarafhlaða eru framleidd og spennujafnari er notaður til að knýja OLED frá rafhlöðunni.
Til þess að hanna prentaða spóla fyrir rafeindatækni, spáðum við fyrst fyrir spuna og DC viðnám röð spóla rúmfræði byggt á núverandi blaðlíkani sem lagt er til í Mohan o.fl. 35, og framleiddir inductors af mismunandi rúmfræði til að staðfesta nákvæmni líkansins. Í þessu verki var hringlaga lögun valin fyrir inductor vegna þess að hægt er að ná hærri inductance 36 með minni viðnám samanborið við marghyrndar rúmfræði. Áhrif bleksins gerð og fjöldi prentunarlota á viðnám er ákvörðuð. Þessar niðurstöður voru síðan notaðar með ammeterslíkaninu til að hanna 4,7 μH og 7,8 μH inductors sem eru fínstilltir fyrir lágmarks DC viðnám.
Inductance og DC viðnám spíral inductors er hægt að lýsa með nokkrum breytum: ytra þvermál do, snúningsbreidd w og bil s, fjöldi snúninga n, og leiðara lak viðnám Rsheet.Mynd 1a sýnir mynd af silkiprentuðu hringlaga inductor. með n = 12, sem sýnir rúmfræðilegar færibreytur sem ákvarða inductance þess.Samkvæmt ammeterlíkani Mohan o.fl. 35, inductance er reiknað fyrir röð inductor rúmfræði, þar sem
(a) Ljósmynd af skjáprentaða spólunni sem sýnir rúmfræðilegar færibreytur. Þvermálið er 3 cm. Inductance (b) og DC viðnám (c) ýmissa inductor geometries. Línurnar og merkin samsvara reiknuðum og mældum gildum, í sömu röð. (d,e) Jafnstraumsviðnám spóla L1 og L2 eru skjáprentuð með Dupont 5028 og 5064H silfurbleki, í sömu röð. (f,g) SEM smámyndir af filmunum skjáprentaðar af Dupont 5028 og 5064H, í sömu röð.
Við háa tíðni munu húðáhrif og sníkjurýmd breyta viðnám og spólu spólunnar í samræmi við DC gildi þess. Gert er ráð fyrir að sprautan virki á nægilega lágri tíðni að þessi áhrif séu hverfandi og tækið hegðar sér sem stöðug sprautun. með stöðugri viðnám í röð. Þess vegna, í þessari vinnu, greindum við sambandið milli rúmfræðilegra breytu, inductance og DC viðnám, og notuðum niðurstöðurnar til að fá tiltekna inductance með minnstu DC viðnám.
Inductance og viðnám eru reiknuð út fyrir röð af rúmfræðilegum breytum sem hægt er að gera með skjáprentun og gert er ráð fyrir að inductance á μH-sviðinu verði mynduð. Ytri þvermál 3 og 5 cm, línubreidd 500 og 1000 míkron , og ýmsar beygjur bornar saman.Í útreikningnum er gert ráð fyrir að viðnám blaðsins sé 47 mΩ/□, sem samsvarar 7 μm þykku Dupont 5028 silfur örflöguleiðaralagi prentað með 400 möskva skjá og stillingu w = s. Reiknuð inductance og viðnám gildi eru sýnd á mynd 1b og c, í sömu röð. Líkanið spáir því að bæði inductance og viðnám aukist eftir því sem ytra þvermál og fjöldi snúninga eykst, eða eftir því sem línubreiddin minnkar.
Til þess að meta nákvæmni líkanspár voru framleiddir sprautar með ýmsum rúmfræði og spjöldum á pólýetýlen tereftalat (PET) undirlag. Mæld sprautu- og viðnámsgildi eru sýnd á mynd 1b og c. Þó viðnámið hafi sýnt nokkur frávik frá væntanlegt gildi, aðallega vegna breytinga á þykkt og einsleitni bleksins, sýndi inductance mjög gott samræmi við líkanið.
Þessar niðurstöður er hægt að nota til að hanna spólu með tilskildum inductance og lágmarks DC viðnám. Segjum til dæmis að þörf sé á inductance upp á 2 μH. Mynd 1b sýnir að þetta inductance er hægt að ná með ytra þvermáli 3 cm, línubreidd upp á 500 μm og 10 snúninga. Sömu spólu er einnig hægt að búa til með því að nota 5 cm ytra þvermál, 500 μm línubreidd og 5 snúninga eða 1000 μm línubreidd og 7 snúninga (eins og sýnt er á myndinni). Samanburður viðnám þessara þriggja mögulegar rúmfræði á mynd 1c, má finna að lægsta viðnám 5 cm inductor með línubreidd 1000 μm er 34 Ω, sem er um 40% lægra en hinar tvær. Almennt hönnunarferlið til að ná tiltekinni inductance með lágmarksviðnámi er dregið saman sem hér segir: Í fyrsta lagi skal velja hámarks leyfilegt ytra þvermál í samræmi við plásstakmarkanir sem umsóknin setur. Síðan ætti línubreiddin að vera eins stór og mögulegt er en samt sem áður ná nauðsynlegri inductance til að ná háum fyllingarhraða (Jafna (3)).
Með því að auka þykktina eða nota efni með meiri leiðni til að draga úr lakviðnám málmfilmunnar er hægt að minnka DC viðnámið enn frekar án þess að það hafi áhrif á inductance. eru framleidd með mismunandi fjölda húðunar til að meta breytinguna á viðnáminu. Þegar fjöldi blekhúða eykst minnkar viðnámið hlutfallslega eins og búist var við, eins og sýnt er á myndum 1d og e, sem eru spólar L1 og L2, í sömu röð.Mynd 1d og e sýna að með því að setja á 6 lög af húðun er hægt að minnka viðnámið um allt að 6 sinnum og hámarkslækkun á viðnám (50-65%) á sér stað á milli lags 1 og lags 2. Þar sem hvert lag af bleki er tiltölulega þunnt, a skjár með tiltölulega lítilli riststærð (400 línur á tommu) er notaður til að prenta þessar spólur, sem gerir okkur kleift að rannsaka áhrif leiðaraþykktar á viðnám. Svo lengi sem mynstureinkennin haldast stærri en lágmarksupplausn ristarinnar, a svipaðri þykkt (og viðnám) er hægt að ná hraðar með því að prenta minni fjölda húðunar með stærri riststærð. Þessa aðferð er hægt að nota til að ná sömu DC viðnám og 6-húðaður inductor sem fjallað er um hér, en með meiri framleiðsluhraða.
Myndir 1d og e sýna einnig að með því að nota meira leiðandi silfurflögublek DuPont 5064H, minnkar viðnámið um tvo þátt. Frá SEM smámyndum af filmunum sem prentaðar eru með blekunum tveimur (Mynd 1f, g), er hægt að séð að lægri leiðni 5028 bleksins stafar af minni kornastærð þess og tilvist margra tóma milli agnanna í prentuðu filmunni. Á hinn bóginn hefur 5064H stærri, betur raðað flögur, sem gerir það að verkum að það hegðar sér nær lausu silfur.Þó filman sem framleitt er af þessu bleki sé þynnri en 5028 blekið, með einu lagi 4 μm og 6 lögum af 22 μm, er aukningin á leiðni nægjanleg til að draga úr heildarviðnáminu.
Að lokum, þó að inductance (jöfnu (1)) fari eftir fjölda snúninga (w + s), þá er viðnámið (jöfnu (5)) aðeins háð línubreidd w. Þess vegna, með því að auka w miðað við s, viðnámið Hægt er að minnka enn frekar. Hinir tveir viðbótarspólarnir L3 og L4 eru hannaðir til að hafa w = 2s og stórt ytra þvermál, eins og sýnt er í töflu 1. Þessir spólar eru framleiddir með 6 lögum af DuPont 5064H húðun, eins og sýnt er áðan, til að veita hæsta afköst.Inductance L3 er 4,720 ± 0,002 μH og viðnámið er 4,9 ± 0,1 Ω, á meðan inductance L4 er 7,839 ± 0,005 μH og 6,9 ± 0,1 Ω, sem eru í góðu samræmi við líkanið. aukning á þykkt, leiðni og v/s, þetta þýðir að L/R hlutfallið hefur aukist um meira en stærðargráðu miðað við gildið á mynd 1.
Þótt lágt DC viðnám lofi góðu, þarf að meta hæfi inductors fyrir rafeindabúnað sem starfar á kHz-MHz sviðinu lýsingu við AC tíðni. Mynd 2a sýnir tíðniháð viðnám og viðbragð L3 og L4. Fyrir tíðni undir 10 MHz , viðnámið helst nokkurn veginn stöðugt á DC gildi sínu, en viðnámið eykst línulega með tíðninni, sem þýðir að inductance er stöðugt eins og búist var við. Sjálfsómunartíðnin er skilgreind sem tíðnin sem viðnámið breytist frá inductive í rafrýmd, með L3 er 35,6 ± 0,3 MHz og L4 er 24,3 ± 0,6 MHz. Tíðniháð gæðastuðlins Q (jafnt ωL/R) er sýnd á mynd 2b. L3 og L4 ná hámarksgæðastuðlum 35 ± 1 og 33 ± 1 við tíðni 11 og 16 MHz, í sömu röð. Inductance nokkurra μH og tiltölulega hár Q við MHz ​​tíðni gera þessir inductors nægja til að koma í stað hefðbundinna yfirborðsfesta spóla í lág-afl DC-DC breytum.
Mæld viðnám R og viðnám X (a) og gæðastuðull Q (b) spóla L3 og L4 tengjast tíðni.
Til þess að lágmarka það fótspor sem þarf fyrir tiltekið rýmd er best að nota þéttatækni með stórum tilteknum rýmum, sem er jöfn rafstuðul ε deilt með þykkt díselmagnsins. Í þessari vinnu völdum við baríumtítanat samsett efni. sem rafmagn vegna þess að það hefur hærra epsilon en önnur lífræn rafefni sem eru unnin í lausnum. Rafmagnslagið er skjáprentað á milli silfurleiðara tveggja til að mynda málm-rafmagns-málm uppbyggingu. Þétti með mismunandi stærðum í sentimetrum, eins og sýnt er á mynd 3a , eru framleidd með því að nota tvö eða þrjú lög af rafdrifnu bleki til að viðhalda góðri afrakstur.Mynd 3b sýnir þversniðs SEM smásjá af dæmigerðum þétti sem er gerður með tveimur lögum af rafdrifnu efni, með heildarrafmagnsþykkt 21 μm.Efri og neðri rafskautin eru eins lags og sex laga 5064H í sömu röð. Míkronstærð baríumtítanat agnir eru sýnilegar á SEM myndinni vegna þess að bjartari svæðin eru umkringd dekkra lífræna bindiefninu. Rafmagnsblekið bleytir botnskautið vel og myndar skýrt tengi við prentuð málmfilma, eins og sýnt er á myndinni með meiri stækkun.
(a) Ljósmynd af þétti með fimm mismunandi svæðum. (b) Þversniðs SEM smámynd af þétti með tveimur lögum af díselefni, sem sýnir baríum títanat díselefni og silfur rafskaut. (c) Rýmd þétta með 2 og 3 baríum títanati rafmagnslög og mismunandi svæði, mæld við 1 MHz. (d) Sambandið milli rafrýmds, ESR, og tapstuðuls 2,25 cm2 þétta með 2 lögum af rafhleðsluhúð og tíðni.
Rafmagnið er í réttu hlutfalli við væntanlegt svæði. Eins og sýnt er á mynd 3c, er sértæka rafrýmd tveggja laga rafstraumsins 0,53 nF/cm2, og sértæka rafrýmd þriggja laga rafstraumsins er 0,33 nF/cm2. Þessi gildi samsvara rafstuðli upp á 13. rýmd og dreifingarstuðull (DF) voru einnig mældir á mismunandi tíðni, eins og sýnt er á mynd 3d, fyrir 2,25 cm2 þétta með tveimur lögum af rafeindamagni. úr 1 til 10 MHz, en á sama bili jókst DF úr 0,013 í 0,023. Þar sem losunarstuðullinn er hlutfall orkutaps og orku sem er geymd í hverri AC lotu, þýðir DF upp á 0,02 að 2% af afli sem er meðhöndlað Þetta tap er venjulega gefið upp sem tíðniháð jafngildi raðviðnám (ESR) sem er tengd í röð við þéttann, sem er jöfn DF/ωC. Eins og sýnt er á mynd 3d, fyrir tíðni hærri en 1 MHz, ESR er lægra en 1,5 Ω og fyrir tíðni hærri en 4 MHz er ESR lægra en 0,5 Ω. Þó að þessi þéttatækni sé notuð, þurfa μF-flokkar þéttar sem þarf fyrir DC-DC breytir mjög stórt svæði, en 100 pF- nF rafrýmd svið og lítið tap á þessum þéttum gera þá hentuga fyrir önnur forrit, svo sem síur og ómun hringrás. Ýmsar aðferðir er hægt að nota til að auka rýmd.Hærri rafstuðull eykur sérstaka rýmd 37; til dæmis er hægt að ná þessu með því að auka styrk baríumtítanat agna í blekinu. Hægt er að nota minni rafþykkt, þó að það krefjist botnrafskauts með lægri grófleika en skjáprentaða silfurflögu. Þynnri þétti með lægri grófleika Hægt er að setja lög með bleksprautuprentun 31 eða dýptarprentun 10, sem hægt er að sameina með skjáprentunarferli. Að lokum er hægt að stafla og prenta mörg lög til skiptis af málmi og rafeinda og tengja samhliða, og auka þannig rýmdina 34 á hverja flatarmálseiningu .
Spennuskilur sem samanstendur af pari af viðnámum er venjulega notaður til að framkvæma spennumælingar sem þarf til að stjórna endurgjöf spennujafnarans. Fyrir þessa tegund notkunar ætti viðnám prentaðs viðnáms að vera á bilinu kΩ-MΩ og munurinn á milli tækin eru lítil.Hér kom í ljós að lakviðnám eins lags skjáprentaðs kolefnisbleksins var 900 Ω/□. Þessar upplýsingar eru notaðar til að hanna tvo línulega viðnám (R1 og R2) og serpentínuviðnám (R3) ) með nafnviðnám 10 kΩ, 100 kΩ og 1,5 MΩ. Viðnámið á milli nafngildanna er náð með því að prenta tvö eða þrjú lög af bleki, eins og sýnt er á mynd 4, og myndir af viðnámunum þremur. Gerðu 8- 12 sýni af hverri gerð; í öllum tilfellum er staðalfrávik viðnámsins 10% eða minna. Viðnámsbreyting sýna með tvö eða þrjú lög af húðun hefur tilhneigingu til að vera aðeins minni en sýni með einu lagi af húðun. Lítil breyting á mældu viðnámi og náið samræmi við nafngildið gefur til kynna að önnur viðnám á þessu sviði sé hægt að fá beint með því að breyta rúmfræði viðnámsins.
Þrjár mismunandi rúmfræði viðnáms með mismunandi fjölda kolefnisviðnáms blekhúða. Myndirnar af viðnámunum þremur eru sýndar til hægri.
RLC hringrásir eru klassísk kennslubókardæmi um samsetningar viðnáms, spólu og þétta sem notaðar eru til að sýna fram á og sannreyna hegðun óvirkra íhluta sem eru innbyggðir í raunverulegar prentaðar rafrásir. Í þessari hringrás eru 8 μH inductor og 0,8 nF þéttir tengdir í röð, og a 25 kΩ viðnám er tengt samhliða þeim. Myndin af sveigjanlegu hringrásinni er sýnd á mynd 5a. Ástæðan fyrir því að velja þessa sérstöku röð-samhliða samsetningu er sú að hegðun hennar ræðst af hverjum hinna þriggja mismunandi tíðniþátta, þannig að Hægt er að auðkenna og meta frammistöðu hvers íhluta. Með hliðsjón af 7 Ω röð viðnám spólunnar og 1,3 Ω ESR þéttans var reiknað út vænt tíðniviðbrögð rásarinnar. viðnám amplitude og fasa og mæld gildi eru sýnd á myndum 5c og d. Við lága tíðni þýðir mikil viðnám þéttans að hegðun hringrásarinnar ræðst af 25 kΩ viðnáminu. Þegar tíðnin eykst, eykst viðnám LC leiðin minnkar; öll hringrásarhegðunin er rafrýmd þar til ómunatíðnin er 2,0 MHz. Fyrir ofan ómuntíðnina ræður inductive viðnámið ríkjum. Mynd 5 sýnir greinilega frábært samræmi milli reiknaðra og mældra gilda yfir allt tíðnisviðið. Þetta þýðir að líkanið sem notað er hér (þar sem spólar og þéttar eru tilvalin íhlutir með röð viðnám) er nákvæm til að spá fyrir um hegðun hringrásar á þessum tíðnum.
(a) Ljósmynd af skjáprentaðri RLC hringrás sem notar raðsamsetningu 8 μH inductor og 0,8 nF þétta samhliða 25 kΩ viðnám.(b) Hringrásarlíkan þar á meðal raðviðnám sprautu og þétta.(c) ,d) Viðnámsamplitude (c) og fasi (d) hringrásarinnar.
Að lokum eru prentaðir spólar og viðnám útfærð í aukastýringunni. IC sem notað er í þessari sýnikennslu er Microchip MCP1640B14, sem er PWM-undirstaða samstilltur örvunarjafnari með notkunartíðni 500 kHz. Hringrásarmyndin er sýnd á mynd 6a.A 4,7 μH inductor og tveir þéttar (4,7 μF og 10 μF) eru notaðir sem orkugeymslueiningar og par af viðnámum er notað til að mæla útgangsspennu endurgjafastýringarinnar. Veldu viðnámsgildið til að stilla útgangsspennuna í 5 V. Hringrásin er framleidd á PCB og frammistaða hennar er mæld innan hleðsluviðnáms og inntaksspennusviðs 3 til 4 V til að líkja eftir litíumjónarafhlöðunni í ýmsum hleðsluástandi. Skilvirkni prentaðra inductors og viðnáms er borin saman við skilvirkni SMT inductors og resistors.SMT þéttar eru notaðir í öllum tilfellum vegna þess að rýmd sem krafist er fyrir þetta forrit er of stór til að vera fullbúin með prentuðum þéttum.
(a) Skýringarmynd yfir spennustöðugleikarásina.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, og (d) Bylgjuform straums sem flæðir inn í inductor, innspennan er 4,0 V, álagsviðnámið er 1 kΩ, og prentaði inductor er notaður til að mæla.Yfirborðsfestingarviðnám og þéttar eru notaðir við þessa mælingu.(e) Fyrir ýmsar álagsviðnám og innspennu, skilvirkni spennustillarrása sem nota alla yfirborðsfestingarhluta og prentaða spóla og viðnám.(f ) Nýtnihlutfall yfirborðsfestingar og prentaðrar hringrásar sýnt í (e).
Fyrir 4,0 V innspennu og 1000 Ω álagsviðnám eru bylgjulögin sem mæld eru með prentuðum spólum sýndar á mynd 6b-d. Mynd 6c sýnir spennuna á Vsw tengi IC; inductor spennan er Vin-Vsw.Mynd 6d sýnir strauminn sem flæðir inn í inductor.Nýmni hringrásarinnar með SMT og prentuðum íhlutum er sýnd á mynd 6e sem fall af innspennu og álagsviðnámi og mynd 6f sýnir skilvirknihlutfallið af prentuðum íhlutum til SMT íhluta. Nýtni sem mæld er með því að nota SMT íhluti er svipuð væntanlegu gildi sem gefið er upp í gagnablaði framleiðanda 14. Við mikinn innstraum (lítið álagsviðnám og lág innspennu) er skilvirkni prentaðra inductors verulega lægri en SMT spóla vegna hærri röð viðnáms. Hins vegar, með hærri innspennu og hærri útstreymi, verður viðnámstap minna mikilvægt og frammistaða prentaðra spóla fer að nálgast það hjá SMT spólum. Fyrir álagsviðnám >500 Ω og Vin = 4,0 V eða >750 Ω og Vin = 3,5 V, skilvirkni prentaðra spóla er meiri en 85% af SMT spólum.
Samanburður á straumbylgjuforminu á mynd 6d við mælda orkutapið sýnir að viðnámstapið í inductor er aðalorsök mismunar á skilvirkni milli prentuðu hringrásarinnar og SMT hringrásarinnar, eins og búist var við. Inntaks- og útgangsafl mæld við 4,0 V innspenna og 1000 Ω hleðsluviðnám er 30,4 mW og 25,8 mW fyrir rafrásir með SMT íhlutum og 33,1 mW og 25,2 mW fyrir rafrásir með prentuðum íhlutum. Þess vegna er tapið á prentuðu hringrásinni 7,9 mW, sem er 3,4 mW hærra en hringrás með SMT íhlutum. RMS inductor straumurinn reiknaður út frá bylgjuforminu á mynd 6d er 25,6 mA. Þar sem raðviðnám hennar er 4,9 Ω er áætlað afltap 3,2 mW. Þetta er 96% af mældum 3,4 mW DC aflmismun. Auk þess er hringrásin framleidd með prentuðum spólum og prentuðum viðnámum og prentuðum spólum og SMT viðnámum, og enginn marktækur skilvirkni munur sést á milli þeirra.
Þá er spennujafnarinn framleiddur á sveigjanlega PCB (prentun hringrásarinnar og SMT íhlutir eru sýndar á aukamynd S1) og tengdur á milli sveigjanlegu litíumjónarafhlöðunnar sem aflgjafa og OLED fylkisins sem álags. Samkvæmt Lochner o.fl. 9 Til að framleiða OLED-ljós eyðir hver OLED-díll 0,6 mA við 5 V. Rafhlaðan notar litíum kóbaltoxíð og grafít sem bakskaut og rafskaut, í sömu röð, og er framleitt með rakelhúðun, sem er algengasta rafhlöðuprentunaraðferðin.7 getu rafhlöðunnar er 16mAh og spennan meðan á prófun stendur er 4,0V.Mynd 7 sýnir mynd af hringrásinni á sveigjanlegu PCB, sem knýr þrjá OLED pixla sem eru tengdir samhliða. Sýningin sýndi möguleika prentaðra orkuíhluta til að vera samþættir öðrum sveigjanleg og lífræn tæki til að mynda flóknari rafeindakerfi.
Mynd af spennustillarrásinni á sveigjanlegu PCB með prentuðum spólum og viðnámum, með sveigjanlegum litíumjónarafhlöðum til að knýja þrjá lífræna LED.
Við höfum sýnt skjáprentaða spóla, þétta og viðnám með ýmsum gildum á sveigjanlegu PET undirlagi, með það að markmiði að skipta um yfirborðsfestingar í rafeindabúnaði. Við höfum sýnt það með því að hanna spíral með stórum þvermál, fyllingarhraða , og línubreiddar-rýmisbreiddarhlutfalli, og með því að nota þykkt lag af lágviðnámsbleki. Þessir íhlutir eru samþættir í fullprentaða og sveigjanlega RLC hringrás og sýna fyrirsjáanlega rafhegðun á kHz-MHz tíðnisviðinu, sem er mest áhuga á rafeindatækni.
Dæmigert notkunartilvik fyrir rafeindatæki á prentuðu afli eru sveigjanleg rafeindakerfi sem hægt er að nota eða samþætt vöruna, knúin áfram af sveigjanlegum endurhlaðanlegum rafhlöðum (svo sem litíumjón), sem geta myndað breytilega spennu í samræmi við hleðsluástandið. Ef álagið (þar á meðal prentun og lífræn rafeindabúnaður) krefst stöðugrar spennu eða hærri en spennuframleiðsla rafhlöðunnar, spennustillir er krafist. Af þessum sökum eru prentaðir spólar og viðnám samþætt hefðbundnum sílikon IC í boost regulator til að knýja OLED með stöðugri spennu af 5 V frá rafhlöðu aflgjafa með breytilegri spennu. Innan ákveðins sviðs hleðslustraums og innspennu er skilvirkni þessarar rásar yfir 85% af skilvirkni stýrirásar sem notar yfirborðsfesta spóla og viðnám. Þrátt fyrir efnis- og rúmfræðilega hagræðingu, Viðnámstap í spólunni er enn takmarkandi þátturinn fyrir frammistöðu hringrásar við há straumstig (inntaksstraumur meiri en um 10 mA). Hins vegar, við lægri strauma, minnka tapið í spólunni og heildarafköst takmarkast af skilvirkni af IC. Þar sem mörg prentuð og lífræn tæki þurfa tiltölulega lágan straum, eins og litlu OLED-ljósin sem notuð eru í sýnikennslu okkar, geta prentaðir aflgjafar talist hentugir fyrir slík forrit.Með því að nota IC sem eru hönnuð til að hafa sem mesta skilvirkni við lægri straumstig, hægt er að ná meiri heildar skilvirkni breytisins.
Í þessari vinnu er spennustillirinn byggður á hefðbundnu PCB, sveigjanlegu PCB og yfirborðsfestingar íhluta lóðunartækni, en prentaði íhluturinn er framleiddur á sérstöku undirlagi. Hins vegar er lághita- og hárseigja blekið sem notað er til að framleiða skjá- prentaðar kvikmyndir ættu að leyfa óvirka íhluti, sem og samtengingu milli tækisins og snertiflötanna fyrir yfirborðsfestingar íhluta, að vera prentuð á hvaða undirlag sem er. öll hringrásin sem á að byggja á ódýru undirlagi (eins og PET) án þess að þörf sé á frádráttarferlum eins og PCB ætingu. Þess vegna hjálpa skjáprentuðu óvirku íhlutirnir sem þróaðir eru í þessu verki til að ryðja brautina fyrir sveigjanleg rafeindakerfi sem samþætta orku og álag með afkastamikilli rafeindatækni, sem notar ódýrt hvarfefni, aðallega íblöndunarferli og lágmarksfjölda yfirborðsfestingarhluta.
Með því að nota Asys ASP01M skjáprentara og ryðfríu stálskjá sem Dynamesh Inc. útvegaði voru öll lög óvirkra íhluta skjáprentuð á sveigjanlegt PET undirlag með þykkt 76 μm. Möskvastærð málmlagsins er 400 línur á tommu og 250 línur á tommu fyrir rafmagnslagið og viðnámslagið. Notaðu 55 N straumkraft, prenthraða 60 mm/s, brotfjarlægð 1,5 mm og Serilor strauju með hörku 65 (fyrir málm og viðnám). lag) eða 75 (fyrir rafmagnslög) fyrir skjáprentun.
Leiðandi lögin — inductors og tengiliðir þétta og viðnáms — eru prentuð með DuPont 5082 eða DuPont 5064H silfur örflögu bleki. Viðnámið er prentað með DuPont 7082 kolefnisleiðara. Fyrir þétta dilectric, leiðandi efnasambandið BT-101 dielect barium er notað.Hvert lag af rafeindaefni er framleitt með því að nota tveggja passa (blaut-blaut) prentunarlotu til að bæta einsleitni filmunnar. Fyrir hvern íhlut var skoðuð áhrif margra prentunarlota á afköst og breytileika íhluta. Sýni gerð með margfeldi húðunar af sama efni voru þurrkuð við 70 °C í 2 mínútur á milli húðunar. Eftir að hafa borið á síðustu lögun hvers efnis voru sýnin bökuð við 140 °C í 10 mínútur til að tryggja fullkomna þurrkun.Sjálfvirk stillingaraðgerð skjásins prentari er notaður til að samræma síðari lög. Snertingin við miðju inductor er náð með því að skera gegnum gat á miðju púðanum og stencil prentunarspor á bakhlið undirlagsins með DuPont 5064H bleki. Samtengingin milli prentbúnaðar notar einnig Dupont 5064H stencil prentun. Til þess að birta prentaða íhluti og SMT íhluti á sveigjanlegu PCB sem sýnt er á mynd 7, eru prentuðu íhlutirnir tengdir með Circuit Works CW2400 leiðandi epoxý og SMT íhlutirnir eru tengdir með hefðbundinni lóðun.
Lithium cobalt oxíð (LCO) og grafít-undirstaða rafskaut eru notuð sem bakskaut og rafskaut rafhlöðunnar, í sömu röð. Bakskautslausnin er blanda af 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafít (KS6, Timcal), 2,5 % kolsvart (Super P, Timcal) og 10% pólývínýlídenflúoríð (PVDF, Kureha Corp.). ) Forskautið er blanda af 84wt% grafít, 4wt% kolsvarti og 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) er notað til að leysa upp PVDF bindiefnið og dreifa slurryinu.Gurðurinn var einsleitur með hrært með hvirfilhrærivél yfir nótt. 0,0005 tommu þykk ryðfríu stálþynna og 10 μm nikkelþynna eru notuð sem straumsafnarar fyrir bakskautið og rafskautið, hvort um sig. Blekið er prentað á straumsafnarann ​​með raksu á prenthraðanum 20 mm/s. Hitið rafskautið í ofni við 80 °C í 2 klukkustundir til að fjarlægja leysiefnið. Hæð rafskautsins eftir þurrkun er um 60 μm og miðað við þyngd virka efnisins er fræðileg afkastageta 1,65 mAh /cm2. Rafskautin voru skorin í stærðina 1,3 × 1,3 cm2 og hitað í lofttæmandi ofni við 140°C yfir nótt og síðan lokuð með állagskiptum pokum í köfnunarefnisfylltum hanskaboxi. Lausn af pólýprópýlen grunnfilmu með rafskaut og bakskaut og 1M LiPF6 í EC/DEC (1:1) er notað sem raflausn rafhlöðunnar.
Grænt OLED samanstendur af pólý(9,9-díoktýlflúoren-kó-n-(4-bútýlfenýl)-dífenýlamíni) (TFB) og pólý((9,9-díoktýlflúoren-2,7- (2,1,3-bensótíadíasól-) 4, 8-diyl)) (F8BT) samkvæmt aðferðinni sem lýst er í Lochner o.fl.
Notaðu Dektak stylus profiler til að mæla filmuþykkt. Filman var skorin til að undirbúa þversniðssýni til rannsóknar með rafeindasmásjá (SEM). FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) SEM er notuð til að einkenna uppbyggingu prentaða filmu og staðfestu þykktarmælinguna. SEM rannsóknin var gerð við hröðunarspennu 20 keV og dæmigerð vinnufjarlægð 10 mm.
Notaðu stafrænan margmæli til að mæla DC viðnám, spennu og straum. AC viðnám spóla, þétta og rafrása er mæld með Agilent E4980 LCR mæli fyrir tíðni undir 1 MHz og Agilent E5061A netgreiningartæki er notað til að mæla tíðni yfir 500 kHz. Notaðu Tektronix TDS 5034 sveiflusjá til að mæla bylgjuform spennujafnarans.
Hvernig á að vitna í þessa grein: Ostfeld, AE, osfrv.Skjáprentun óvirkir íhlutir fyrir sveigjanlegan rafeindabúnað.vísindi.Rep. 5, 15959; Doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. o.fl. Sveigjanleg rafeindatækni: næsti alls staðar nálægi vettvangur. Vinnsla IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Staður þar sem hópar hitta menn. Erindi birt á 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. mars- 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 prentuð tæki til uppskeru fyrir raforku. Háþróuð orkuefni.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-prentað flat þykk filmu hitaorkuframleiðandi.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Sveigjanleg prentuð rafhlaða með mikla möguleika sem notuð er til að knýja prentuð rafeindatæki.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Nýjasta þróunin í prentuðum sveigjanlegum rafhlöðum: vélrænar áskoranir, prenttækni og framtíðarhorfur.Orkutækni.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. o.s.frv. Stórtækt skynjunarkerfi sem sameinar stór svæði rafeindatækja og CMOS ICs fyrir skipulagsheilsueftirlit.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).