albisteak

Gehigarriek eta tenperatura baxuko inprimatze-prozesuek energia kontsumitzen duten eta energia kontsumitzen duten hainbat gailu elektroniko integra ditzakete substratu malguetan kostu txikian. Hala ere, gailu hauetatik sistema elektroniko osoak ekoizteko normalean potentzia-gailu elektronikoak behar dira funtzionamendu-tentsio ezberdinen artean bihurtzeko. gailuak.Osagai pasiboek —induzigailuak, kondentsadoreak eta erresistentziak— funtzioak betetzen dituzte, hala nola iragazketa, energia biltegiratzea eta tentsioa neurtzea, ezinbestekoak diren potentzia elektronikan eta beste hainbat aplikaziotan. Artikulu honetan, induktoreak, kondentsadoreak, erresistentzia eta RLC zirkuituak serigrafiatutako plastikozko substratu malguetan, eta diseinu-prozesuaren berri eman induzituen serie-erresistentzia minimizatzeko, potentziako gailu elektronikoetan erabili ahal izateko. Ondoren, inprimatutako induktorea eta erresistentzia boost-erreguladorearen zirkuituan sartzen dira. Fabrikazioa argi-igorle organikoko diodoak eta litio-ioizko bateria malguak. Tentsio-erregulatzaileak bateriatik diodoak elikatzeko erabiltzen dira, inprimatutako osagai pasiboek DC-DC bihurgailuen aplikazioetan gainazaleko muntatutako osagai tradizionalak ordezkatzeko duten potentziala erakutsiz.
Azken urteotan, hainbat gailu malguren aplikazioa garatu da produktu elektroniko eramangarrietan eta eremu handietan eta Gauzen Interneten1,2. Horien artean daude energia biltzeko gailuak, hala nola 3 fotovoltaikoa, 4 piezoelektrikoa eta 5 termoelektrikoa; energia biltegiratzeko gailuak, hala nola bateriak 6, 7; eta energia kontsumitzen duten gailuak, hala nola 8, 9, 10, 11, 12 eta argi iturriak sentsoreak 13. Energia iturri eta karga indibidualetan aurrerapen handiak egin diren arren, osagai horiek sistema elektroniko oso batean konbinatzeak potentzia-elektronika behar du normalean. elikadura-horniduraren portaeraren eta karga-eskakizunen arteko bat-etortzerik eza gainditzea.Adibidez, bateria batek tentsio aldakorra sortzen du bere karga-egoeraren arabera. Kargak tentsio konstantea behar badu, edo bateriak sor dezakeen tentsioa baino handiagoa, potentzia-elektronika behar da. .Potentzia-elektronikak osagai aktiboak (transistoreak) erabiltzen ditu kommutazio- eta kontrol-funtzioak egiteko, baita osagai pasiboak ere (induzitzaileak, kondentsadoreak eta erresistentziak).Esaterako, kommutazio-erreguladore-zirkuitu batean, induktore bat erabiltzen da kommutazio-ziklo bakoitzean energia gordetzeko. , kondentsadore bat erabiltzen da tentsio-uhina murrizteko, eta feedback-a kontrolatzeko beharrezkoa den tentsio-neurketa erresistentzia-zatitzailea erabiliz egiten da.
Gailu eramangarrietarako egokiak diren potentzia-gailu elektronikoek (adibidez, 9 pultsu-oximetroak) hainbat volt eta hainbat miliampere behar dituzte, normalean ehunka kHz-tik zenbait MHz arteko maiztasun-tartean funtzionatzen dute eta hainbat μH eta hainbat μH induktantzia eta kapazitatea μF da. 14 hurrenez hurren.Zirkuitu hauek fabrikatzeko metodo tradizionala osagai diskretuak zirkuitu inprimatutako plaka zurrun bati (PCB) saltzea da. Potentzia-zirkuitu elektronikoen osagai aktiboak normalean siliziozko zirkuitu integratu (IC) bakar batean konbinatzen diren arren, osagai pasiboak izan ohi dira. kanpokoa, zirkuitu pertsonalizatuak ahalbidetuz, edo beharrezko induktantzia eta kapazitantzia handiegiak direlako silizioan ezartzeko.
PCBetan oinarritutako fabrikazio-teknologi tradizionalarekin alderatuta, gailu elektronikoak eta zirkuituak fabrikatzeak inprimaketa gehigarriaren prozesuaren bidez abantaila ugari ditu sinpletasunari eta kostuari dagokionez. Lehenik eta behin, zirkuituaren osagai askok material berdinak behar dituztelako, kontaktuetarako metalak adibidez. eta interkonexioak, inprimatzeak osagai anitz fabrikatzea ahalbidetzen du aldi berean, prozesatzeko urrats nahiko gutxirekin eta material iturri gutxiagorekin15.Prozesu gehigarrien erabilerak kenketa-prozesuak ordezkatzeko, hala nola fotolitografia eta grabatua, are gehiago murrizten ditu prozesuaren konplexutasuna eta material-hondakinak16, 17, 18, eta 19.Gainera, inprimaketan erabiltzen diren tenperatura baxuak bateragarriak dira plastikozko substratu malgu eta merkeekin, abiadura handiko roll-to-roll fabrikazio-prozesuak erabiltzeko aukera ematen baitute gailu elektronikoak 16, 20 eremu handietan estaltzeko.Aplikazioetarako osagai inprimatuekin guztiz gauzatu ezin direnak, metodo hibridoak garatu dira, zeinetan gainazaleko muntaketa-teknologia (SMT) osagaiak tenperatura baxuetan inprimatutako osagaien ondoan substratu malguekin konektatzen diren 21, 22, 23. Ikuspegi hibrido honetan, oraindik ere badago. beharrezkoa da ahalik eta SMT osagai gehien inprimatutako kontrakoekin ordezkatzea prozesu gehigarrien onurak lortzeko eta zirkuituaren malgutasun orokorra areagotzeko. Potentzia-elektronika malgua gauzatzeko, SMT osagai aktiboen eta serigrafiatutako pasiboen konbinazioa proposatu dugu. osagaiak, arreta berezia jarriz SMT induktore handiak espiral planoko induktoreekin ordezkatzean. Inprimatutako elektronika fabrikatzeko hainbat teknologien artean, serigrafia osagai pasiboetarako bereziki egokia da filmaren lodiera handia delako (metalezko ezaugarrien serie erresistentzia gutxitzeko beharrezkoa dena). ) eta inprimatze-abiadura handia, zentimetro-mailako eremuak estaltzen dituztenean ere Gauza bera gertatzen da batzuetan.Materiala 24.
Potentzia-ekipo elektronikoen osagai pasiboen galera minimizatu behar da, zirkuituaren eraginkortasunak zuzenean eragiten baitu sistema elikatzeko behar den energia-kopuruan. Hau bereziki zaila da bobina luzez osatutako induzitzaile inprimatuentzat, eta, beraz, serie altuak jasan ditzakete. erresistentzia.Hori dela eta, inprimatutako bobinen 25, 26, 27, 28 erresistentzia gutxitzeko ahalegin batzuk egin badira ere, oraindik eraginkortasun handiko osagai pasibo inprimatuak falta dira potentziako gailu elektronikoetarako. Orain arte, askok inprimatutako pasiboen berri eman dute. Substratu malguetako osagaiak erresonantzia-zirkuituetan funtzionatzeko diseinatuta daude irrati-maiztasunaren identifikaziorako (RFID) edo energia biltzeko helburuetarako 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Beste batzuk material edo fabrikazio prozesuen garapenean oinarritzen dira eta osagai generikoak erakusten dituzte. 26, 32, 33, 34 aplikazio zehatzetarako optimizatuta ez daudenak. Aitzitik, potentzia-zirkuitu elektronikoek, esate baterako, tentsio-erreguladoreek, askotan inprimatutako gailu pasibo tipikoak baino osagai handiagoak erabiltzen dituzte eta ez dute erresonantziarik behar, beraz, osagaien diseinu desberdinak behar dira.
Hemen, serigrafiatutako induzigailuen diseinua eta optimizazioa aurkezten dugu μH barrutian, serieko erresistentzia txikiena eta errendimendu altua lortzeko potentzia-elektronikari lotutako maiztasunetan. plastikozko substratu malguetan.Produktu elektroniko malguetarako osagai hauen egokitasuna RLC zirkuitu sinple batean frogatu zen lehenik. Inprimatutako induktorea eta erresistentzia IC-arekin integratzen dira, indartze-erregulatzaile bat osatzeko. Azkenik, argi-igorle-diodo organiko bat (OLED ) eta litio-ioizko bateria malgu bat fabrikatzen dira, eta tentsio erregulatzaile bat erabiltzen da OLEDa bateriatik elikatzeko.
Potentzia-elektronikarako inprimatutako induktoreak diseinatzeko, Mohan et al-ek proposatutako egungo xafla-ereduan oinarritutako indukzio geometria batzuen induktantzia eta DC erresistentzia aurreikusten genuen. 35, eta geometria desberdinetako induktoreak fabrikatu zituzten ereduaren zehaztasuna baieztatzeko.Lan honetan, induktorearen forma zirkularra aukeratu zen, induktantzia 36 handiagoa lor daitekeelako erresistentzia txikiagoarekin geometria poligonal batekin alderatuta.Tintaren eragina. Erresistentzian inprimatze-ziklo mota eta kopurua zehazten da. Ondoren, emaitza hauek amperemetroaren ereduarekin erabili ziren DC erresistentzia minimorako optimizatutako 4,7 μH eta 7,8 μH-ko induktoreak diseinatzeko.
Induktantzia eta DC erresistentzia espiral induktoreen hainbat parametroren bidez deskriba daitezke: kanpoko diametroa do, biraren zabalera w eta tartea s, bira kopurua n eta xafla eroalearen erresistentzia Rsheet. n = 12rekin, bere induktantzia zehazten duten parametro geometrikoak erakutsiz.Mohan et al-en amperemetroaren ereduaren arabera. 35, induktantzia induktore geometria batzuentzat kalkulatzen da, non
(a) Parametro geometrikoak erakusten dituen serigrafiatutako induzituaren argazkia.Diametroa 3 cm-koa da.Induktantzia (b) eta DC erresistentzia (c) hainbat induktore geometria.Marra eta markak kalkulatutako eta neurtutako balioei dagozkie, hurrenez hurren. (d,e) L1 eta L2 induzigailuen DC erresistentziak Dupont 5028 eta 5064H zilarrezko tintekin serigrafiatuta daude, hurrenez hurren.(f,g) Dupont 5028 eta 5064H-k serigrafiatutako filmen SEM mikrografiak, hurrenez hurren.
Maiztasun altuetan, azalaren efektuak eta kapazitantzia parasitoak induktorearen erresistentzia eta induktanza aldatuko ditu bere DC balioaren arabera. Induktoreak maiztasun nahiko baxuan lan egitea espero da, efektu horiek arbuiagarriak izan daitezen, eta gailuak induktantzia konstante gisa jokatzen du. serieko erresistentzia konstantearekin.Hori dela eta, lan honetan, parametro geometrikoen, induktantziaren eta DC erresistentziaren arteko erlazioa aztertu dugu, eta emaitzak DC erresistentzia txikiena duen induktantzia jakin bat lortzeko erabili ditugu.
Serigrafiaren bidez gauza daitezkeen parametro geometriko batzuentzat induktantzia eta erresistentzia kalkulatzen dira, eta μH tarteko induktantzia sortuko dela espero da. 3 eta 5 cm-ko kanpoko diametroak, 500 eta 1000 mikrako lerro-zabalerak. , eta hainbat bira alderatzen dira.Kalkuluan, xaflaren erresistentzia 47 mΩ/□ dela suposatzen da, hau da, 7 μm-ko lodiera duen Dupont 5028 zilarrezko mikromaluta geruza eroale bati dagokio 400 sareko pantaila batekin inprimatuta eta w = s ezarrita. kalkulatutako induktantzia eta erresistentzia balioak 1b eta c irudian agertzen dira, hurrenez hurren. Ereduak aurreikusten du induktantzia eta erresistentzia handitzen direla kanpoko diametroa eta bira kopurua handitu ahala edo lerroaren zabalera txikiagotu ahala.
Ereduen iragarpenen zehaztasuna ebaluatzeko, hainbat geometria eta induktantziatako induktoreak fabrikatu ziren polietileno tereftalato (PET) substratu batean. Neurtutako induktantzia eta erresistentzia-balioak 1b eta c irudietan erakusten dira. espero den balioa, batez ere, metatutako tintaren lodieraren eta uniformetasunaren aldaketen ondorioz, induktantziak oso adostasun ona zuen ereduarekin.
Emaitza hauek behar den induktantzia eta DC erresistentzia minimoa dituen induktore bat diseinatzeko erabil daitezke.Adibidez, demagun 2 μH-ko induktanza bat behar dela.1b irudiak erakusten du induktantzia hori 3 cm-ko kanpoko diametro batekin gauza daitekeela, lerro-zabalera batekin. 500 μm-koa, eta 10 bira.Induktantzia bera ere sor daiteke 5 cm-ko kanpoko diametroa, 500 μm-ko marra-zabalera eta 5 bira edo 1000 μm-ko marra-zabalera eta 7 bira erabiliz (irudian agertzen den moduan).Hiru hauen erresistentziak alderatuz. 1c irudian posible diren geometriak, 1000 μm-ko lerro-zabalera duen 5 cm-ko induzigailu baten erresistentzia baxuena 34 Ω-koa dela aurki daiteke, hau da, beste biak baino % 40 inguru txikiagoa.Emandako induktantzia lortzeko diseinu-prozesu orokorra. erresistentzia minimo batekin honela laburbiltzen da: Lehenik eta behin, hautatu ahal den kanpoko diametro maximoa aplikazioak ezarritako espazio-mugaren arabera. Ondoren, lerroaren zabalera ahalik eta handiena izan behar da, behar den induktantzia lortuz betetze-tasa handia lortzeko. ((3) ekuazioa).
Lodiera handituz edo metalezko filmaren xafla erresistentzia murrizteko eroankortasun handiagoa duen material bat erabiliz, DC erresistentzia gehiago murriztu daiteke induktantzian eragin gabe.Bi induktore, zeinen parametro geometrikoak 1. taulan ageri diren, L1 eta L2 izenekoak, estaldura-kopuru ezberdinekin fabrikatzen dira erresistentzia-aldaketa ebaluatzeko.Tinta-estaldura kopurua handitzen den heinean, erresistentzia proportzionalki gutxitzen da espero zen moduan, 1d eta e irudietan ikusten den bezala, L1 eta L2 induktoreak, hurrenez hurren.1d eta e irudiak. erakutsi 6 estaldura aplikatuz, erresistentzia 6 aldiz murriztu daitekeela eta erresistentzia murrizketa maximoa (%50-65) 1. geruzaren eta 2. geruzaren artean gertatzen dela.Tinta geruza bakoitza nahiko mehea denez, a Sare-tamaina nahiko txikia duen pantaila (400 hazbeteko 400 lerrokoa) erabiltzen da induzitzaile hauek inprimatzeko, eta horrek eroaleen lodierak erresistentzian duen eragina aztertzeko aukera ematen digu. Ereduaren ezaugarriak sarearen gutxieneko bereizmena baino handiagoak izaten jarraitzen duten bitartean, antzeko lodiera (eta erresistentzia) azkarrago lor daiteke sare-tamaina handiagoko estaldura-kopuru txikiagoa inprimatuz.Metodo hau hemen eztabaidatutako 6 estalitako induktorearen DC erresistentzia bera lortzeko erabil daiteke, baina ekoizpen-abiadura handiagoarekin.
1d eta e irudiek ere erakusten dute DuPont 5064H zilarrezko malutaren tinta eroaleagoa erabiliz, erresistentzia bi aldiz murrizten dela. Bi tintekin inprimatutako filmen SEM mikrografietatik (1f, g irudia), izan daiteke ikusi da 5028 tintaren eroankortasun txikiagoa bere partikulen tamaina txikiagoa dela eta inprimatutako pelikulan partikulen artean hutsune asko egoteagatik gertatzen dela. Bestalde, 5064H-k maluta handiagoak eta hurbilagokoak ditu, eta horrek ontziratutik hurbilago jokatzen du. zilarra.Tinta honek sortzen duen filma 5028 tinta baino meheagoa den arren, 4 μm-ko geruza bakarrarekin eta 22 μm-ko 6 geruzarekin, eroankortasunaren igoera nahikoa da erresistentzia orokorra murrizteko.
Azkenik, induktantzia ((1) ekuazioa) bira-kopuruaren (w + s) araberakoa den arren, erresistentzia ((5) ekuazioa) w lerro-zabaleraren araberakoa da soilik.Hori dela eta, w s-rekin alderatuz gero, erresistentzia. gehiago murriztu daiteke. L3 eta L4 bi induzigailu osagarriak w = 2s eta kanpoko diametro handia izateko diseinatuta daude, 1. taulan erakusten den moduan. Indukzio hauek DuPont 5064H estalduraren 6 geruzekin fabrikatzen dira, lehen erakutsi bezala, errendimendurik handiena.L3-ren induktantzia 4,720 ± 0,002 μH-koa da eta erresistentzia 4,9 ± 0,1 Ω-koa, L4-ren induktantzia, berriz, 7,839 ± 0,005 μH eta 6,9 ± 0,1 Ω-koa, ereduarekin bat datozenak iragarpenarekin. lodiera, eroankortasuna eta w/s handitzea, horrek esan nahi du L/R erlazioa 1. irudiko balioarekiko magnitude ordena bat baino gehiago handitu dela.
DC erresistentzia baxua itxaropentsua den arren, kHz-MHz tartean funtzionatzen duten potentzia-ekipo elektronikoetarako induzitzaileen egokitasuna ebaluatzeak AC maiztasunetan karakterizatzea eskatzen du. , erresistentzia gutxi gorabehera konstante mantentzen da bere DC balioan, erreaktantzia maiztasunarekin linealki handitzen den bitartean, horrek esan nahi du induktantzia konstantea dela espero zen bezala.Maiztasun auto-ersonantea inpedantzia induktibotik kapazitibora aldatzen den maiztasuna bezala definitzen da. L3 35,6 ± 0,3 MHz izanik eta L4 24,3 ± 0,6 MHz. Q kalitate-faktorearen (ωL/R berdina) maiztasunaren menpekotasuna 2b irudian ageri da. L3 eta L4 35 ± 1 eta 33 ± 1-eko kalitate-faktore maximoak lortzen dira. 11 eta 16 MHz-ko maiztasunetan, hurrenez hurren.μH gutxi batzuen induktantziak eta Q nahiko altua MHz-ko maiztasunek nahikoa egiten dute induktore hauek potentzia baxuko DC-DC bihurgailuetan gainazaleko ohiko induktoreak ordezkatzeko.
Neurtutako R erresistentzia eta X (a) erreaktantzia eta Q (b) kalitate-faktorea L3 eta L4 induzigailuen maiztasunarekin erlazionatuta daude.
Kapazitate jakin baterako behar den aztarna minimizatzeko, hobe da kapazitate espezifiko handiko kondentsadoreen teknologia erabiltzea, hau da, dielektrikoaren lodierarekin zatitutako ε konstante dielektrikoaren berdina. Lan honetan, bario titanatozko konposatua aukeratu dugu. dielektriko gisa dielektriko gisa dielektriko dielektrikoek baino epsiloi handiagoa baitu.Geruza dielektrikoa zilarrezko bi eroaleen artean serigrafiatuta dago, metal-dielektriko-metal egitura bat osatzeko.Zentimetrotan hainbat tamaina dituzten kondentsadoreak, 3a irudian ikusten den moduan. , tinta dielektriko bizpahiru geruza erabiliz fabrikatzen dira etekin ona mantentzeko. 3b irudian bi geruza dielektrikoz egindako kondentsadore adierazgarri baten SEM mikrografia bat erakusten da, guztira 21 μm-ko lodiera dielektrikoarekin.Goiko eta beheko elektrodoak. geruza bakarrekoak eta sei geruzakoak dira 5064H hurrenez hurren. Mikron tamainako bario titanato partikulak ikusgai daude SEM irudian, eremu distiratsuak aglutinatzaile organiko ilunagoak inguratzen dituztelako. Tinta dielektrikoak beheko elektrodoa ondo bustitzen du eta interfaze argia osatzen du. inprimatutako metalezko filma, ilustrazioan ikusten den bezala, handitze handiagoarekin.
(a) Bost eremu ezberdin dituen kondentsadore baten argazkia. (b) Bi geruza dielektriko dituen kondentsadore baten SEM zeharkako mikrografia, bario titanato dielektrikoa eta zilarrezko elektrodoak erakutsiz. (c) 2 eta 3 bario titanato duten kondentsadoreen kapazitateak geruza dielektrikoak eta eremu desberdinak, 1 MHz-n neurtuta.(d) 2,25 cm2-ko kondentsadorearen 2,25 cm2-ko kondentsadorearen 2,25 cm2-ko kondentsadorearen 2 geruza dielektrikoen eta maiztasunaren arteko erlazioa.
Kapazitatea espero den eremuarekiko proportzionala da. 3c irudian ikusten den bezala, bi geruzako dielektrikoaren kapazitate espezifikoa 0,53 nF/cm2 da, eta hiru geruzako dielektrikoaren kapazitate espezifikoa 0,33 nF/cm2. Balio hauek 13ko konstante dielektriko bati dagozkio. kapazitatea eta xahutze-faktorea (DF) ere maiztasun ezberdinetan neurtu ziren, 3d irudian ikusten den moduan, bi geruza dielektrikoko 2,25 cm2-ko kondentsadore baterako.Kontatu genuen kapazitatea nahiko laua zela interesgarri den maiztasun-eremuan, %20 handituz. 1-10 MHz-era, tarte berean, berriz, DF 0,013-tik 0,023-ra igo zen. Dissipazio-faktorea AC ziklo bakoitzean metatutako energia-galeren eta energiaren arteko erlazioa denez, 0,02-ko DF batek kudeatzen duen potentziaren % 2 dela esan nahi du. kondentsadorearen bidez kontsumitzen da.Galera hau kondentsadorearekin seriean dagoen maiztasunaren menpeko serie baliokidearen erresistentzia (ESR) bezala adierazi ohi da, hau da, DF/ωC berdina. 1,5 Ω baino txikiagoa da, eta 4 MHz-tik gorako maiztasunetan, ESR 0,5 Ω baino txikiagoa da.Kondentsadore-teknologia hau erabilita ere, DC-DC bihurgailuek behar dituzten μF mailako kondentsadoreek eremu oso handia behar dute, baina 100 pF-nF kapazitate-barrutia eta kondentsadore hauen galera txikiak beste aplikazio batzuetarako egokiak bihurtzen ditu, hala nola iragazkiak eta erresonantzia-zirkuituetarako .Hainbat metodo erabil daitezke kapazitatea handitzeko.Konstante dielektriko handiagoak kapazitate espezifikoa handitzen du 37; adibidez, tintan bario titanato partikulen kontzentrazioa handituz lor daiteke.Lodiera dielektriko txikiagoa erabil daiteke, nahiz eta horretarako serigrafiatutako zilarrezko maluta baino zimurtasun txikiagoa duen beheko elektrodo bat behar den.Zurmurtasun meheagoa eta baxuagoko kondentsadorea. geruzak tintazko inprimaketa 31 edo grabazio inprimaketa 10 bidez metatu daitezke, eta hori serigrafia prozesu batekin konbina daiteke. Azkenik, metal eta dielektriko geruza alternatibo ugari pilatu eta inprimatu eta paraleloan konektatu daitezke, eta horrela 34 kapazitatea areagotu daiteke unitate bakoitzeko. .
Erresistentzia-parez osatutako tentsio-banatzaile bat erabili ohi da tentsio-erregulagailu baten feedback-kontrolerako beharrezkoa den tentsio-neurketa egiteko. gailuak txikiak dira.Hemen, geruza bakarreko serigrafiatutako karbono tintaren xafla-erresistentzia 900 Ω/□ zela aurkitu zen. Informazio hau bi erresistentzia lineal (R1 eta R2) eta sugezko erresistentzia bat (R3) diseinatzeko erabiltzen da. ) 10 kΩ, 100 kΩ eta 1,5 MΩ-ko erresistentzia nominalekin. Balio nominalen arteko erresistentzia bizpahiru geruza tinta inprimatuz lortzen da, 4. irudian ikusten den bezala, eta hiru erresistentzien argazkiak. Egin 8- Mota bakoitzeko 12 lagin; kasu guztietan, erresistentziaren desbideratze estandarra % 10ekoa edo txikiagoa da. Bi edo hiru estaldura duten laginen erresistentzia-aldaketa estaldura-geruza bat duten laginen erresistentzia-aldaketa apur bat txikiagoa izan ohi da. Neurtutako erresistentziaren aldaketa txikia eta balio nominalarekiko adostasun estuak adierazten du tarte horretako beste erresistentzia batzuk zuzenean lor daitezkeela erresistentziaren geometria aldatuz.
Hiru erresistentzia geometria ezberdin karbonozko tinta estaldura erresistenteen kopuru ezberdinekin. Hiru erresistentzien argazkia ageri da eskuinaldean.
RLC zirkuituak benetako zirkuitu inprimatuetan integratutako osagai pasiboen portaera frogatzeko eta egiaztatzeko erabiltzen diren erresistentzia, induktore eta kondentsadoreen konbinazioen adibide klasikoak dira. 25 kΩ erresistentzia haiekin paraleloan konektatzen da. Zirkuitu malguaren argazkia 5a irudian ageri da. Serie-paralelo konbinazio berezi hau aukeratzearen arrazoia da bere portaera hiru maiztasun-osagai desberdinetako bakoitzak zehazten duela, beraz, osagai bakoitzaren errendimendua nabarmendu eta ebaluatu daiteke.Induzigailuaren 7 Ω serieko erresistentzia eta kondentsadorearen 1,3 Ω ESR kontuan hartuta, zirkuituaren espero den maiztasun-erantzuna kalkulatu da. Zirkuitu-diagrama 5b irudian ageri da, eta kalkulatutakoa. inpedantzia anplitudea eta fasea eta neurtutako balioak 5c eta d irudietan ageri dira. Maiztasun baxuetan, kondentsadorearen inpedantzia altuak esan nahi du zirkuituaren portaera 25 kΩ-eko erresistentziak zehazten duela. Maiztasuna handitu ahala, inpedantziaren LC bidea gutxitzen da; zirkuitu osoa portaera kapazitiboa da erresonantzia-maiztasuna 2,0 MHz-koa izan arte. Erresonantzia-maiztasunaren gainetik, inpedantzia induktiboa da nagusi. 5. irudiak argi erakusten du kalkulatutako eta neurtutako balioen arteko adostasun bikaina maiztasun-tarte osoan zehar. Horrek esan nahi du erabilitako eredua dela. hemen (induzitzaileak eta kondentsadoreak serieko erresistentzia duten osagai idealak diren) zehatza da maiztasun horietan zirkuituaren portaera iragartzeko.
(a) 8 μH-ko induktorearen eta 0,8 nF-ko kondentsadorearen serie-konbinazio bat erabiltzen duen RLC serigrafiatutako zirkuitu baten argazki bat 25 kΩ-ko erresistentzia batekin paraleloan. (b) Induktorearen eta kondentsadorearen serieko erresistentzia barne. ,d) Zirkuituaren inpedantzia-anplitudea (c) eta fasea (d).
Azkenik, inprimatutako induktoreak eta erresistentziak inplementatzen dira boost-erregulagailuan.Froga honetan erabilitako IC-a Microchip MCP1640B14 da, hau da, PWMn oinarritutako boost-erreguladore sinkronoa, 500 kHz-ko maiztasun funtzionamenduarekin. Zirkuitu-diagrama 6a.A irudian ageri da. 4,7 μH-ko induktore eta bi kondentsadore (4,7 μF eta 10 μF) energia biltegiratzeko elementu gisa erabiltzen dira, eta erresistentzia pare bat feedback-kontrolaren irteera-tentsioa neurtzeko.Hautatu erresistentzia-balioa irteera-tentsioa 5 V-ra doitzeko. Zirkuitua PCBn fabrikatzen da, eta bere errendimendua karga-erresistentziaren eta 3 eta 4 V bitarteko sarrerako tentsio-barrutian neurtzen da, litio-ioizko bateria hainbat karga-egoeretan simulatzeko. SMT induktoreen eta erresistentzien eraginkortasuna.SMT kondentsadoreak kasu guztietan erabiltzen dira, aplikazio honetarako behar den kapazitatea handiegia delako inprimatutako kondentsadoreekin osatzeko.
(a) Tentsioaren egonkortze-zirkuituaren diagrama. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw eta (d) Induktorera isurtzen den korrontearen uhin formak, sarrerako tentsioa 4,0 V-koa da, karga-erresistentzia 1 kΩ da, eta inprimatutako induktorea erabiltzen da neurtzeko.Azalean muntatzeko erresistentzia eta kondentsadoreak erabiltzen dira neurketa honetarako.(e) Hainbat karga-erresistentzia eta sarrera-tentsioetarako, tentsio-erregulatzaile-zirkuituen eraginkortasuna gainazaleko muntaketa-osagai guztiak eta inprimatutako induktore eta erresistentzia erabiliz.(f) ) (e) atalean agertzen den gainazaleko muntaketaren eta zirkuitu inprimatuaren eraginkortasun-erlazioa.
4,0 V-ko sarrerako tentsiorako eta 1000 Ω-ko karga-erresistentziarako, inprimatutako induktoreen bidez neurtutako uhin-formak 6b-d irudian ageri dira.6c irudian ICren Vsw terminaleko tentsioa ikusten da; induzigailuaren tentsioa Vin-Vsw da.6d irudian induzitorean sartzen den korrontea erakusten da.SMT eta osagai inprimatuekin zirkuituaren eraginkortasuna 6e irudian sarrerako tentsioaren eta karga-erresistentziaren arabera ageri da, eta 6f irudiak eraginkortasun-erlazioa erakusten du. inprimatutako osagaiak SMT osagaietara.SMT osagaiak erabiliz neurtutako eraginkortasuna fabrikatzailearen datu-orrian emandako espero den balioaren antzekoa da 14.Sarrerako korronte handian (karga erresistentzia txikia eta sarrerako tentsio baxua), inprimatutako induktoreen eraginkortasuna nabarmen txikiagoa da. SMT induzitzaileena serie erresistentzia handiagoa dela eta.Hala ere, sarrerako tentsio handiagoarekin eta irteerako korronte handiagoarekin, erresistentzia galerak garrantzi gutxiago hartzen du, eta inprimatutako induzituen errendimendua SMT induzitzaileenera hurbiltzen hasten da. Karga-erresistentzietarako >500 Ω eta Vin = 4,0 V edo >750 Ω eta Vin = 3,5 V, inprimatutako induzigailuen eraginkortasuna SMT induzitzaileen % 85 baino handiagoa da.
6d irudiko korronte uhin-forma neurtutako potentzia-galerekin alderatuz gero, induzitzailearen erresistentzia-galera dela zirkuitu inprimatuaren eta SMT zirkuituaren arteko eraginkortasun-diferentziaren kausa nagusia, espero bezala. Sarrera eta irteerako potentzia 4,0 V-tan neurtuta sarrerako tentsioa eta 1000 Ω-ko karga-erresistentzia 30,4 mW eta 25,8 mW dira SMT osagaiak dituzten zirkuituetarako, eta 33,1 mW eta 25,2 mW osagai inprimatuak dituzten zirkuituetarako. Horregatik, zirkuitu inprimatuaren galera 7,9 mW da, hau da, 3,4 mW handiagoa. SMT osagaiak dituen zirkuitua.6d irudiko uhin-formatik kalkulatutako RMS induktoreko korrontea 25,6 mA da. Bere serieko erresistentzia 4,9 Ω-koa denez, espero den potentzia-galera 3,2 mW-koa da. Hau da neurtutako 3,4 mW-ko DC potentzia-diferentziaren % 96. Gainera, zirkuitua inprimatutako induktoreekin eta inprimatutako erresistentziekin eta inprimatutako induktorekin eta SMT erresistentziekin fabrikatzen da, eta ez da haien artean eraginkortasun-desberdintasun nabarmenik ikusten.
Ondoren, tentsio-erregulatzailea PCB malguaren gainean fabrikatzen da (zirkuituaren inprimaketa eta SMT osagaien errendimendua S1 irudi osagarrian erakusten dira) eta litio-ioizko bateria malguaren artean konektatzen da energia iturri gisa eta OLED arrayaren artean karga gisa. Lochner et al. 9 OLEDak fabrikatzeko, OLED pixel bakoitzak 0,6 mA kontsumitzen du 5 V-tan. Bateriak litio kobalto oxidoa eta grafitoa erabiltzen ditu katodo eta anodo gisa, hurrenez hurren, eta blade estalduraz fabrikatzen da, hau da, bateria inprimatzeko metodo ohikoena.7 bateriaren edukiera 16 mAh-koa da, eta proban zehar tentsioa 4.0V-koa da. 7. irudian zirkuituaren argazki bat erakusten da PCB malguaren gainean, paraleloan konektatuta dauden hiru OLED pixel elikatzen dituena. Erakusketak frogatu zuen inprimatutako potentzia-osagaiek beste batzuekin integratzeko duten potentziala. gailu malgu eta organikoak sistema elektroniko konplexuagoak osatzeko.
Tentsio erregulatzailearen zirkuituaren argazkia PCB malgu batean inprimatutako induktoreak eta erresistentziak erabiliz, litio-ioizko bateria malguak erabiliz hiru LED organiko elikatzeko.
PET substratu malguetan serigrafiatutako induktoreak, kondentsadoreak eta erresistentziak balio sorta batekin erakutsi ditugu, potentziako ekipo elektronikoetan gainazaleko muntaketa-osagaiak ordezkatzeko helburuarekin. Diametro handiko espiral bat diseinatuz, betetze-abiadura erakutsi dugu. , eta lerro zabalera-espazio zabalera erlazioa, eta erresistentzia baxuko tinta geruza lodi bat erabiliz. Osagai hauek RLC zirkuitu guztiz inprimatu eta malgu batean integratzen dira eta kHz-MHz maiztasun-tartean aurreikus daitekeen portaera elektrikoa erakusten dute, hau da, handiena. Elektronika potentziatzeko interesa.
Inprimatutako potentziako gailu elektronikoen ohiko erabilera-kasuetako sistema elektroniko malguak eramangarriak edo produktuan integratuta daudenak dira, bateria kargagarri malguekin (adibidez, litio-ioiarekin) elikatzen direnak, karga-egoeraren arabera tentsio aldakorrak sor ditzaketenak. Karga baldin bada (inprimaketa eta barne). ekipamendu elektroniko organikoak) tentsio konstantea edo bateriaren irteerako tentsioa baino handiagoa behar du, tentsio erregulatzaile bat behar da. Hori dela eta, inprimatutako induktoreak eta erresistentziak siliziozko IC tradizionalekin integratzen dira boost-erreguladore batean OLEDa tentsio konstante batekin elikatzeko. 5 V-ko tentsio aldakorreko bateria-iturri batetik. Karga-korrontearen eta sarrerako tentsioaren tarte jakin baten barruan, zirkuitu honen eraginkortasunak gainazaleko induktoreak eta erresistentziak erabiliz kontrol-zirkuitu baten eraginkortasunaren % 85 gainditzen du. Optimizazio materialak eta geometrikoak izan arren, Induktorearen galera erresistenteak dira oraindik zirkuituaren errendimenduaren faktore mugatzailea korronte maila altuetan (sarrera-korrontea 10 mA inguru baino handiagoa). Hala ere, korronte baxuagoetan, induzigailuaren galerak murrizten dira eta errendimendu orokorra eraginkortasunaren arabera mugatzen da. IC-aren.Gailu inprimatu eta organiko askok korronte nahiko baxuak behar dituztenez, hala nola gure erakustaldian erabilitako OLED txikiak, inprimatutako potentzia-induzigailuak egokitzat jo daitezke aplikazioetarako. Korronte maila baxuagoetan eraginkortasun handiena izateko diseinatutako IC-ak erabiliz, bihurgailuaren eraginkortasun orokorra handiagoa lor daiteke.
Lan honetan, tentsio-erregulatzailea ohiko PCB, PCB malguaren eta gainazaleko osagaien soldadura teknologian eraikitzen da, inprimatutako osagaia substratu bereizi batean fabrikatzen den bitartean. Hala ere, pantaila ekoizteko erabiltzen diren tenperatura baxuko eta biskositate handiko tintak- inprimatutako filmek osagai pasiboak, baita gailuaren eta gainazaleko muntatzeko osagaien kontaktu-paden arteko interkonexioa ere, edozein substratutan inprimatzea ahalbidetu behar dute. Honek, gainazaleko osagaietarako dauden tenperatura baxuko itsasgarri eroaleen erabilerarekin konbinatuta, ahalbidetuko du. zirkuitu osoa substratu merkeen gainean eraikiko den (PET, esaterako) PCB grabaketa bezalako prozesu kengarrien beharrik gabe.Hori dela eta, lan honetan garatutako osagai pasibo serigrafiatuek energia eta kargak integratzen dituzten sistema elektroniko malguetarako bidea zabaltzen laguntzen dute. errendimendu handiko potentzia elektronikarekin, substratu merkeak erabiliz, batez ere prozesu gehigarriak eta gainazaleko muntatzeko osagaien kopurua minimoa.
Asys ASP01M serigrafia inprimagailua eta Dynamesh Inc.-ek emandako altzairu herdoilgaitzezko pantaila erabiliz, osagai pasiboen geruza guztiak serigrafiatu ziren 76 μm-ko lodiera duen PET substratu malgu batean. Metal-geruzaren sarearen tamaina 400 lerro hazbeteko eta 250 da. lerroak hazbeteko geruza dielektrikorako eta erresistentzia geruzarako. Erabili 55 N-ko arraska-indarra, 60 mm/s-ko inprimatze-abiadura, 1,5 mm-ko haustura-distantzia eta 65eko gogortasuna duen Serilor arrastoa (metal eta erresistenteetarako). geruzak) edo 75 (geruza dielektrikoetarako) serigrafiarako.
Geruza eroaleak —induzitzaileak eta kondentsadoreen eta erresistentzien kontaktuak— DuPont 5082 edo DuPont 5064H zilarrezko mikromaluta tintaz inprimatuta daude. Erresistentzia DuPont 7082 karbono eroalearekin inprimatuta dago. Kondentsadore dielektrikorako, BT-101 bario titanato dielektriko konposatu eroalea erabiltzen da.Dielektriko geruza bakoitza bi pasabide (heze-hezea) inprimaketa-ziklo baten bidez ekoizten da, filmaren uniformetasuna hobetzeko.Osagai bakoitzerako, hainbat inprimaketa-zikloek osagaien errendimenduan eta aldakortasunean duten eragina aztertu zen.Laginekin egindako laginak. material bereko hainbat estaldura 70 °C-tan lehortu ziren estalduraren artean 2 minutuz. Material bakoitzaren azken geruza aplikatu ondoren, laginak 140 °C-tan labean jarri ziren 10 minutuz, erabat lehortzeko. Pantailaren lerrokatze funtzio automatikoa inprimagailua ondorengo geruzak lerrokatzeko erabiltzen da. Induzitzailearen zentroarekiko kontaktua erdiko kustilean zulo bat ebakiz eta substratuaren atzealdean txantiloia inprimatzeko arrastoak DuPont 5064H tintarekin lortzen da. Inprimatzeko ekipoen arteko interkonexioak Dupont ere erabiltzen du. 5064H txantiloiaren inprimaketa. Inprimatutako osagaiak eta SMT osagaiak 7. Irudian erakusten den PCB malguan bistaratzeko, inprimatutako osagaiak Circuit Works CW2400 epoxi eroalearen bidez konektatzen dira, eta SMT osagaiak soldadura tradizionalez konektatzen dira.
Litio kobalto oxidoa (LCO) eta grafitoan oinarritutako elektrodoak bateriaren katodo eta anodo gisa erabiltzen dira, hurrenez hurren. Katodo-minda % 80 LCO (MTI Corp.), % 7,5 grafito (KS6, Timcal), 2,5 nahasketa bat da. % karbono beltza (Super P, Timcal) eta %10 polibinilideno fluoruroa (PVDF, Kureha Corp.). ) Anodoa % 84 pisuko grafitoaren, % 4 pisuko karbono beltzaren eta % 13 pisuko PVDFren nahasketa bat da. zurrunbilo nahasgailuarekin gau osoan nahastuz. 0,0005 hazbeteko lodiera duen altzairu herdoilgaitzezko paper bat eta 10 μm-ko nikel-paper bat erabiltzen dira katodoaren eta anodoaren korronte-kolektore gisa. mm/s.Berotu elektrodoa labean 80 °C-tan 2 orduz disolbatzailea kentzeko.Lehortu ondoren elektrodoaren altuera 60 μm ingurukoa da, eta material aktiboaren pisuaren arabera, edukiera teorikoa 1,65 mAh-koa da. /cm2.Elektrodoak 1,3 × 1,3 cm2-ko dimentsioetan moztu eta 140°C-ko hutsean berotzen ziren gau osoan zehar, eta, ondoren, aluminiozko laminatuzko poltsekin zigilatu zituzten nitrogenoz betetako eskularru-kutxa batean. anodoa eta katodoa eta 1M LiPF6 EC/DEC-n (1:1) bateriaren elektrolito gisa erabiltzen da.
OLED berdea poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) eta poli(9,9-dioctilfluoreno-2,7- (2,1,3-benzotiadiazol-) osatzen dute. 4, 8-diil)) (F8BT) Lochner et al.
Erabili Dektak arkatza profilatzailea filmaren lodiera neurtzeko. Filma moztu zen ebakitze-mikroskopia elektronikoaren bidez (SEM) ikertzeko zeharkako lagin bat prestatzeko. FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) SEM erabiltzen da inprimatutako egitura ezaugarritzeko. filma eta lodieraren neurketa berretsi. SEM azterketa 20 keV-ko tentsio azeleratzailean eta 10 mm-ko lan distantzia tipikoan egin zen.
Erabili multimetro digital bat DC erresistentzia, tentsioa eta korrontea neurtzeko. Induktoreen, kondentsadoreen eta zirkuituen AC inpedantzia Agilent E4980 LCR neurgailua erabiliz neurtzen da 1 MHz azpiko maiztasunetarako eta Agilent E5061A sare analizatzailea 500 kHz-tik gorako maiztasunak neurtzeko erabiltzen da. Erabili Tektronix TDS 5034 osziloskopioa tentsio-erregulatzailearen uhin-forma neurtzeko.
Nola aipatu artikulu hau: Ostfeld, AE, etab.Serigrafia osagai pasiboak potentzia malguko ekipo elektronikoetarako.zientzia.Errep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: the next ubiquitous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: A place where groups meet humans. 2015eko Diseinu, Automatizazio eta Saiakuntzei buruzko Europako Konferentzian eta Erakusketan argitaratutako papera, Grenoble, Frantzia.San Jose, Kalifornia: EDA Alliance.637-640 (2015, martxoaren 9an). 13).
Krebs, FC eta abar.OE-A OPV manifestatzailea anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC inprimatutako energia piezoelektrikoa biltzeko gailuak.Energia-material aurreratuak.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser bidez inprimatutako film lodi lauko energia termoelektrikoen sorgailua.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Inprimatutako gailu elektronikoak elikatzeko erabiltzen den potentzial handiko inprimatutako bateria malgua.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Inprimatutako bateria malguetan azken garapenak: erronka mekanikoak, inprimatze-teknologia eta etorkizuneko perspektibak.Energia teknologia.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etab.Eremu handiko gailu elektronikoak eta CMOS ICak konbinatzen dituen eskala handiko sentsazio-sistema, egitura-osasuna kontrolatzeko.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).