Neiegkeeten

Thank you for visiting Nature.D'Browser Versioun déi Dir benotzt huet limitéiert Ënnerstëtzung fir CSS.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech eng nei Versioun vum Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).Zur selwechter Zäit , Fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir Siten ouni Stiler a JavaScript weisen.
Additiven a Low-Temperatur Dréckprozesser kënne verschidde Stroum- a Kraaft-Konsuméiere elektronesch Apparater op flexibel Substrate zu niddrege Käschten integréieren. Allerdéngs erfuerdert d'Produktioun vu komplette elektronesche Systemer aus dësen Apparater normalerweis Kraaftelektronesch Geräter fir tëscht de verschiddene Betribsspannungen ze konvertéieren. d'Apparater.Passive Komponenten-Induktoren, Kondensatoren a Widderstänn maachen Funktiounen wéi Filteren, kuerzfristeg Energielagerung a Spannungsmiessung, déi essentiell sinn an der Kraaftelektronik a vill aner Uwendungen.An dësem Artikel stelle mir Induktoren, Kondensatoren, resistors an RLC Kreesleef Écran-gedréckt op flexibel Plastik Substrater, a Rapport den Design Prozess der Serie Resistenz vun inductors ze minimiséieren, sou datt se an Muecht elektronesch Apparater benotzt ginn.The gedréckt inductor a resistor sinn dann an der Boost regulator Circuit agebaut. vun organeschen Liichtdioden a flexibel Lithium-Ion Batterien. Spannungsreegler gi benotzt fir d'Dioden aus der Batterie z'erhalen, wat d'Potenzial vu gedréckte passive Komponenten demonstréiere fir traditionell Uewerflächmontagekomponenten an DC-DC Konverter Uwendungen ze ersetzen.
An de leschte Joren ass d'Applikatioun vu verschiddenen flexibelen Apparater an wearable a grouss Beräich elektronesch Produiten an Internet vun Saachen entwéckelt ginn1,2.Dës enthalen Energie Recolte Apparater, wéi photovoltaic 3, piezoelectric 4, an thermoelectric 5; Energiespeichergeräter, wéi Batterien 6, 7; a Kraaftverbrauchen Apparater, wéi Sensoren 8, 9, 10, 11, 12, a Liichtquellen 13. Obwuel grouss Fortschrëtter an eenzelne Energiequellen a Lasten gemaach ginn ass, erfuerdert d'Kombinatioun vun dëse Komponenten an e komplette elektronesche System normalerweis Kraaftelektronik fir iwwerwannen all Mëssverständnis tëscht Energieversuergung Verhalen a Laascht Ufuerderunge. Zum Beispill, eng Batterie generéiert eng variabel Volt no hirem Zoustand vun charge. Wann d'Laascht eng konstant Volt verlaangt, oder méi héich wéi d'Spannung, datt d'Batterie generéiere kann, Muecht elektronesch sinn néideg .Power Elektronik benotzt aktiv Komponenten (Transistoren) fir Schalt- a Kontrollfunktiounen auszeféieren, souwéi passiv Komponenten (Induktoren, Kondensatoren a Widderstand). , e Kondensator gëtt benotzt fir d'Spannungsrippel ze reduzéieren, an d'Spannungsmessung, déi fir d'Feedback-Kontroll erfuerderlech ass, gëtt mat engem Widderstandsdeeler gemaach.
Power elektronesch Geräter déi gëeegent sinn fir wearable Geräter (wéi Pulsoximeter 9) erfuerderen e puer Volt a e puer Milliampere, funktionnéieren normalerweis am Frequenzbereich vun Honnerte vu kHz bis e puer MHz, a erfuerderen e puer μH a e puer μH Induktioun an d'Kapazitéit μF ass 14 respektiv.D'traditionell Method fir dës Kreesleef ze fabrizéieren ass fir diskret Komponenten op e steife gedréckte Circuit Board (PCB) ze solderen.Obwuel déi aktiv Komponente vu Stroumelektronesche Circuiten normalerweis an engem eenzegen Silicon-Integrated Circuit (IC) kombinéiert sinn, sinn passiv Komponenten normalerweis extern, entweder erlaabt personaliséiert Circuiten, oder well déi erfuerderlech Induktanzen a Kapazitéit ze grouss sinn fir a Silizium ëmzesetzen.
Am Verglach mat der traditioneller PCB-baséierter Fabrikatiounstechnologie huet d'Fabrikatioun vun elektroneschen Apparater a Circuiten duerch den additive Drockprozess vill Virdeeler wat d'Einfachheet an d'Käschte ugeet. Éischtens, well vill Komponenten vum Circuit déiselwecht Materialien erfuerderen, wéi Metalle fir Kontakter. an interconnections, Dréckerei erlaabt Multiple Komponente gläichzäiteg hiergestallt ginn, mat relativ wéineg Veraarbechtung Schrëtt a manner Quelle vun Materialien15.The Gebrauch vun additive Prozesser subtractive Prozesser wéi photolithography ze ersetzen an Ätz weider reduzéiert Prozess Komplexitéit a Material Offall16, 17, 18, an 19.Zousätzlech sinn déi niddreg Temperaturen, déi am Drock benotzt ginn, kompatibel mat flexibelen a preiswerte Plastikssubstrater, déi d'Benotzung vu High-Speed-Roll-to-Roll Fabrikatiounsprozesser erlaben fir elektronesch Geräter 16, 20 iwwer grouss Flächen ze decken.Fir Uwendungen déi net voll mat gedréckte Komponenten realiséiere kënnen, goufen Hybridmethoden entwéckelt, an deenen d'Surface Mount Technologie (SMT) Komponente mat flexiblen Substrate 21, 22, 23 nieft de gedréckte Komponenten bei niddregen Temperaturen verbonne sinn.An dëser Hybrid Approche ass et nach ëmmer néideg fir esou vill SMT Komponenten wéi méiglech mat gedréckte Géigeparteien ze ersetzen fir d'Virdeeler vun zousätzleche Prozesser ze kréien an d'allgemeng Flexibilitéit vum Circuit ze erhéijen. Komponenten, mat speziellen Akzent op d'Ersatz vun bulky SMT-Induktoren mat Planar Spiral-Induktoren. Ënnert de verschiddenen Technologien fir d'Fabrikatioun vun gedréckter Elektronik, Écran Dréckerei ass besonnesch gëeegent fir passiv Komponente wéinst senger grousser Filmdicke (wat néideg ass fir d'Serieresistenz vu Metallfeatures ze minimiséieren ) an héich Drockgeschwindegkeet, och wann Dir Zonen op Zentimeter Niveau ofdeckt Datselwecht gëlt heiansdo.Material 24.
De Verloscht vun passiv Komponente vun Muecht elektronesch Ausrüstung muss miniméiert ginn, well d'Effizienz vum Circuit direkt d'Quantitéit vun Energie beaflosst, déi néideg ass fir de System z'ënnerstëtzen. Resistenz.Dofir, obwuel e puer Efforte gemaach gi fir d'Resistenz 25, 26, 27, 28 vun de gedréckte Coils ze minimiséieren, gëtt et nach ëmmer e Mangel u héicheffizient gedréckte passive Komponenten fir elektresch elektronesch Geräter. Komponenten op flexiblen Substrate sinn entwéckelt fir a Resonanzkreesser fir Radiofrequenz Identifikatioun (RFID) oder Energie Erntezwecker ze bedreiwen 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31.Aner konzentréieren sech op Material- oder Fabrikatiounsprozessentwécklung a weisen generesch Komponenten 26, 32, 33, 34 déi net fir spezifesch Uwendungen optimiséiert sinn. Am Géigesaz, Kraaftelektronesch Circuiten wéi Spannungsreegler benotzen dacks méi grouss Komponenten wéi typesch gedréckte passive Geräter an erfuerderen keng Resonanz, sou datt verschidde Komponentdesigner erfuerderlech sinn.
Hei presentéiere mir den Design an d'Optimiséierung vun Écran-gedréckte Induktoren am μH-Bereich fir déi klengst Serieresistenz an héich Leeschtung bei Frequenzen am Zesummenhang mat der Kraaftelektronik z'erreechen. op flexiblen Plastikssubstrater.D'Eegenheet vun dëse Komponenten fir flexibel elektronesch Produkter gouf fir d'éischt an engem einfachen RLC Circuit bewisen.De gedréckte Induktor a Widderstand ginn dann mam IC integréiert fir e Boostregulator ze bilden.Endlech ass eng organesch Liichtdiode (OLED) ) an eng flexibel Lithium-Ion Batterie ginn hiergestallt, an e Spannungsregulator gëtt benotzt fir d'OLED vun der Batterie z'erliewen.
Fir gedréckte Induktoren fir Kraaftelektronik ze designen, hu mir als éischt d'Induktioun an d'DC Resistenz vun enger Serie vun Induktorgeometrien virausgesot baséiert op dem aktuellen Blatmodell, deen am Mohan et al proposéiert gouf. 35, a fabrizéiert Induktoren vu verschiddene Geometrien fir d'Genauegkeet vum Modell ze bestätegen.An dëser Aarbecht gouf eng kreesfërmeg Form fir den Induktor gewielt, well eng méi héich Induktanz 36 mat enger méi niddereger Resistenz am Verglach zu enger polygonaler Geometrie.Den Afloss vun Tënt erreecht ginn. Typ an Zuel vun Dréckerei Zyklen op Resistenz gëtt bestëmmt. Dës Resultater goufen dann mat der Ammeter Modell benotzt 4,7 μH an 7,8 μH inductors optimiséiert fir Minimum DC Resistenz ze designen.
D'Induktanzen an d'DC Resistenz vun de Spiralinduktoren kënnen duerch verschidde Parameter beschriwwe ginn: baussenzegen Duerchmiesser do, Wendbreet w an Abstand s, Zuel vun Wendungen n, an Dirigentplackresistenz Rsheet. mat n = 12, déi geometresch Parameteren weisen, déi seng Induktioun bestëmmen.No dem Ammetermodell vu Mohan et al. 35, der inductance berechent fir eng Serie vun inductor Geometrie, wou
(a) Eng Foto vun der Écran-gedréckt inductor weist de geometreschen Parameteren.Den Duerchmiesser ass 3 cm.Inductance (b) an DC Resistenz (c) vun verschiddenen inductor geometries. D'Linnen an Marken entspriechen berechent a gemooss Wäerter, respektiv. (d,e) D'DC Resistenz vun inductors L1 an L2 sinn Écran gedréckt mat Dupont 5028 an 5064H Sëlwer Tënt, bzw.
Bei héijer Frequenzen wäert d'Hauteffekt an d'parasitär Kapazitéit d'Resistenz an d'Induktioun vum Induktor änneren no sengem DC-Wäert. D'Induktor gëtt erwaart mat enger genuch niddereger Frequenz ze schaffen, datt dës Effekter vernoléisseg sinn, an den Apparat verhält sech als konstant Induktioun. mat engem konstante Resistenz an Serie.Dofir, an dëser Aarbecht, mir analyséiert d'Relatioun tëscht geometreschen Parameteren, inductance, an DC Resistenz, an d'Resultater benotzt fir eng bestëmmte inductance mat de klengste DC Resistenz ze kréien.
D'Induktanz an d'Resistenz gi fir eng Rei vu geometreschen Parameteren berechent, déi duerch Écran-Dréckerei realiséiert kënne ginn, an et gëtt erwaart datt d'Induktanzen am μH-Beräich generéiert ginn.Déi baussenzegen Duerchmiesser vun 3 a 5 cm, d'Linnbreet vu 500 an 1000 Mikron. , a verschidde Wendunge verglach.An der Berechnung gëtt ugeholl datt d'Blattresistenz 47 mΩ/□ ass, wat zu enger 7 μm décker Dupont 5028 Sëlwer Mikroflake Dirigentschicht gedréckt mat engem 400 Mesh Bildschierm an Astellung w = s.Den berechent inductance an Resistenz Wäerter sinn an der Figur 1b an c gewisen, respektiv. De Modell virausgesot, datt souwuel inductance an Resistenz Erhéijung wéi de baussenzegen Duerchmiesser an d'Zuel vun de Wendungen Erhéijung, oder wéi d'Linn Breet erofgoen.
Fir d'Genauegkeet vun de Modellprevisiounen ze evaluéieren, goufen Induktoren vu verschiddene Geometrien an Induktanzen op engem Polyethylenterephthalat (PET) Substrat fabrizéiert. den erwaarten Wäert, haaptsächlech wéinst Ännerungen an der Dicke an der Uniformitéit vun der deposéierter Tënt, huet d'Induktioun ganz gutt Accord mam Modell gewisen.
Dës Resultater kënne benotzt ginn fir en Induktor mat der erfuerderter Induktioun an der Minimum DC Resistenz ze designen. Zum Beispill, ugeholl datt eng Induktioun vun 2 μH erfuerderlech ass.Figur 1b weist datt dës Induktioun mat engem baussenzegen Duerchmiesser vun 3 cm, enger Linn Breet realiséiert ka ginn. vun 500 μm, an 10 Wendungen.Déi selwecht Induktioun kann och mat 5 cm baussenzegen Duerchmiesser, 500 μm Linnebreet a 5 Wendungen oder 1000 μm Linnebreet a 7 Wendungen generéiert ginn (wéi an der Figur).Vergläicht d'Resistenz vun dësen dräi. méiglech Geometrien an der Figur 1c, kann et fonnt ginn datt déi niddregst Resistenz vun engem 5 cm Induktor mat enger Linn Breet vun 1000 μm 34 Ω ass, wat ongeféier 40% méi niddereg ass wéi déi aner zwee. mat engem Minimum Resistenz ass wéi follegt zesummegefaasst: Éischtens, wielt de maximal zulässlechen baussenzegen Duerchmiesser no de Raum Aschränkungen vun der Applikatioun opgezwong.Da soll d'Linn Breet esou grouss wéi méiglech sinn iwwerdeems nach déi néideg inductance erreechen eng héich Fëllung Taux ze kréien (Equatioun (3)).
Duerch d'Erhéijung vun der Dicke oder e Material mat méi héijer Konduktivitéit ze benotzen fir d'Blattresistenz vum Metallfilm ze reduzéieren, kann d'DC-Resistenz weider reduzéiert ginn ouni d'Induktioun ze beaflossen. si fabrizéiert mat verschiddenen Zuelen vun coatings der Ännerung vun Resistenz ze evaluéieren.Wéi d'Zuel vun Tënt coatings Erhéijunge, der Resistenz hëlt proportional erof wéi erwaart, wéi an der Figuren 1d an e gewisen, déi inductors L1 an L2, respektiv.Figuren 1d an e weisen datt andeems Dir 6 Schichten Beschichtung applizéiert, kann d'Resistenz bis zu 6 Mol reduzéiert ginn, an déi maximal Reduktioun vun der Resistenz (50-65%) geschitt tëscht Schicht 1 an Schicht 2. Well all Tëntschicht relativ dënn ass, ass eng Écran mat enger relativ klenger Gittergréisst (400 Zeilen pro Zoll) gëtt benotzt fir dës Induktoren ze drécken, wat eis erlaabt den Effekt vun der Dirigentdicke op d'Resistenz ze studéieren.Soulaang d'Musterfunktiounen méi grouss bleiwen wéi d'Mindestléisung vum Gitter, eng ähnlech Dicke (a Resistenz) kann méi séier erreecht ginn andeems Dir eng méi kleng Zuel vu Beschichtungen mat enger méi grousser Gittergréisst dréckt. Dës Methode kann benotzt ginn fir déiselwecht DC-Resistenz ze erreechen wéi de 6-beschichtete Induktor hei diskutéiert, awer mat enger méi héijer Produktiounsgeschwindegkeet.
D'Figuren 1d an e weisen och datt duerch d'Benotzung vun der méi konduktiver Sëlwerflake Tënt DuPont 5064H d'Resistenz ëm e Faktor vun zwee reduzéiert gëtt.Vun den SEM Mikrographe vun de Filmer, déi mat den zwee Tënten gedréckt sinn (Figure 1f, g), kann et sinn gesinn, datt déi ënnescht Konduktivitéit vun der 5028 Tënt wéinst senger méi kleng Partikelgréisst an der Präsenz vu ville Void tëscht de Partikelen am gedréckte Film ass.Op der anerer Säit, 5064H huet méi grouss, méi enk arrangéiert flakes, mécht et méi no un bulk behuelen. Sëlwer.Obwuel de Film, deen vun dëser Tënt produzéiert gëtt, méi dënn ass wéi den 5028 Tënt, mat enger eenzeger Schicht vu 4 μm a 6 Schichten vun 22 μm, ass d'Erhéijung vun der Konduktivitéit genuch fir d'Gesamtresistenz ze reduzéieren.
Schlussendlech, obwuel d'Induktioun (Equatioun (1)) vun der Unzuel vun de Wendungen (w + s) hänkt, hänkt d'Resistenz (Equatioun (5)) nëmmen vun der Linn Breet w.Duerfir, andeems w relativ zu s eropgeet, d'Resistenz. kënne weider reduzéiert ginn.Déi zwee zousätzlech Induktoren L3 a L4 sinn entwéckelt fir w = 2s an e groussen äusseren Duerchmiesser ze hunn, wéi an der Tabell 1. Dës Induktoren ginn mat 6 Schichten DuPont 5064H Beschichtung hiergestallt, wéi virdru gewisen, fir de héchst Leeschtung.D'Induktioun vum L3 ass 4,720 ± 0,002 μH an d'Resistenz ass 4,9 ± 0,1 Ω, während d'Induktioun vum L4 7,839 ± 0,005 μH an 6,9 ± 0,1 Ω ass, déi am Viraus gutt mat dem Modell entspriechen. Erhéijung vun der Dicke, Konduktivitéit a w / s, dat heescht datt de L / R Verhältnis ëm méi wéi eng Uerdnung vun der Magnitude relativ zum Wäert an der Figur 1 eropgaang ass.
Obwuel niddereg DC Resistenz villverspriechend ass, Evaluatioun vun der suitability vun inductors fir Muecht elektronesch Ausrüstung, déi am kHz-MHz Gamme Fonctiounen verlaangt Charakteriséierung op AC Frequenzen. , bleift d'Resistenz ongeféier konstant bei sengem DC Wäert, iwwerdeems d'Reaktanz linear mat Frequenz eropgeet, dat heescht datt d'Induktioun konstant ass wéi erwaart.D'Selbstresonanzfrequenz gëtt definéiert wéi d'Frequenz bei där d'Impedanz vun induktiv op kapazitiv ännert, mat L3 ass 35,6 ± 0,3 MHz an L4 ass 24,3 ± 0,6 MHz. bei Frequenzen vun 11 respektiv 16 MHz.D'Induktioun vun e puer μH an de relativ héije Q bei MHz Frequenzen maachen dës Induktoren genuch fir traditionell Surface-Mount Induktoren an Low-Power DC-DC Konverter ze ersetzen.
Déi gemoossene Resistenz R an d'Reaktanz X (a) a Qualitéitsfaktor Q (b) vun den Induktoren L3 a L4 si mat der Frequenz verbonnen.
Fir de Foussofdrock ze minimiséieren, dee fir eng bestëmmte Kapazitéit erfuerderlech ass, ass et am beschten Kondensatortechnologie mat enger grousser spezifescher Kapazitéit ze benotzen, déi gläich ass wéi d'Dielektresch Konstante ε gedeelt duerch d'Dicke vum Dielektrikum.An dëser Aarbecht hu mir Bariumtitanat Komposit gewielt. wéi d'dielectric well et eng méi héich epsilon wéi aner Léisung-veraarbecht organesch dielectrics.D'dielectric Layer ass Écran gedréckt tëscht den zwee Sëlwer Dirigenten eng Metal-dielektresch-Metal Struktur ze bilden.Capacitors mat verschiddene Gréissten an Zentimeter, wéi an der Figur 3a gewisen. , gi mat zwee oder dräi Schichten vun dielektrescher Tënt hiergestallt fir eng gutt Ausbezuelung z'erhalen.Figure 3b weist e Querschnitt SEM-Mikrograph vun engem representativen Kondensator, deen mat zwou Schichten vun dielectric gemaach ass, mat enger totaler dielektrescher Dicke vun 21 μm. sinn een-Schicht a sechs-Schicht 5064H respektiv.Mikrogroße Barium-Titanat-Partikel sinn am SEM-Bild ze gesinn, well déi méi hell Beräicher vun der däischterer organescher Binder ëmgi sinn.D'dielektresch Tënt naass déi ënnescht Elektrode gutt a bildt eng kloer Interface mat der gedréckte Metallfilm, wéi an der Illustratioun mat méi héijer Vergréisserung gewisen.
(a) Eng Foto vun engem capacitor mat fënnef verschiddene Beräicher. (b) Querschnitt SEM micrograph vun engem capacitor mat zwee Schichten vun dielectric, weist Barium titanate dielektresch a Sëlwer Elektroden. (c) Capacitances vun capacitors mat 2 an 3 Barium titanate. dielektresch Schichten a verschidde Beräicher, gemooss op 1 MHz.(d) D'Relatioun tëscht der Kapazitéit, ESR a Verloschtfaktor vun engem 2,25 cm2 Kondensator mat 2 Schichten vun dielektresche Beschichtungen a Frequenz.
D'Kapazitéit ass proportional zum erwaarten Gebitt. Wéi an der Figur 3c gewisen, ass d'spezifesch Kapazitéit vun der Zwee-Schicht-Dielektrik 0,53 nF / cm2, an déi spezifesch Kapazitéit vun der Dräi-Schicht-Dielektrik ass 0,33 nF / cm2. capacitance an dissipation Faktor (DF) goufen och bei verschiddenen Frequenzen gemooss, wéi an der Figur 3d gewisen, fir engem 2,25 cm2 capacitor mat zwou Schichten vun dielectric.Mir fonnt, datt d'capacitance relativ flaach war am Frequenz Beräich vun Interessi, Erhéijung vun 20% Vun 1 bis 10 MHz, während am selwechte Beräich, DF vun 0,013 op 0,023 eropgaang ass. duerch de Kondensator verbraucht gëtt.Dëse Verloscht gëtt normalerweis ausgedréckt als d'frequenzabhängeg gläichwäerteg Serieresistenz (ESR) a Serie mat dem Kondensator verbonnen, wat gläich wéi DF/ωC ass.Wéi an der Figur 3d gewisen, fir Frequenzen méi wéi 1 MHz, ESR ass manner wéi 1,5 Ω, a fir Frequenzen méi wéi 4 MHz ass ESR manner wéi 0,5 Ω. nF capacitance Gamme an niddereg Verloscht vun dëse capacitors maachen hinnen gëeegent fir aner Uwendungen, wéi Filtere an Resonanz Circuit .Verschidde Methoden kënne benotzt ginn d'capacitance ze vergréisseren.A méi héich dielectric konstante Erhéijunge der spezifesch capacitance 37; zum Beispill, kann dëst duerch Erhéijung vun der Konzentratioun vun Barium titanate Partikelen an der Tënt erreecht ginn.A méi kleng dielektresch deck kann benotzt ginn, obwuel dat verlaangt eng ënnen Elektrode mat enger méi niddereg roughness wéi engem Écran-gedréckt Sëlwer flake.Thinner, manner roughness capacitor Schichten kënnen duerch Tëntendrock 31 oder Gravure Dréckerei 10 deposéiert ginn, déi mat engem Écran Dréckerei Prozess kombinéiert ginn.Endlech, multiple ofwiesselnd Schichten vun Metal an dielectric kann gestapelt a gedréckt a parallel verbonne ginn, doduerch d'Kapacitanz 34 pro Eenheet Beräich Erhéijung .
E Spannungsdeeler, deen aus engem Pair vu Widderstänn besteet, gëtt normalerweis benotzt fir Spannungsmessungen ze maachen, déi fir Feedback Kontroll vun engem Spannungsregulator erfuerderlech sinn. d'Apparater kleng ass.Hei gouf festgestallt datt d'Blatresistenz vun der eenzeger Schirmgedréckte Kuelestofftënt 900 Ω/□ war. Dës Informatioun gëtt benotzt fir zwee linear Widderstänn (R1 a R2) an e Serpentinresistor (R3) ze designen ) mat nominale Widderstänn vun 10 kΩ, 100 kΩ, an 1,5 MΩ. D'Resistenz tëscht den nominale Wäerter gëtt erreecht andeems zwee oder dräi Schichten Tënt gedréckt ginn, wéi an der Figur 4, a Fotoe vun den dräi Widderstänn.Maacht 8- 12 Echantillon vun all Typ; an alle Fäll, d'Standard deviation vun der Resistenz ass 10% oder manner.D'Resistenz Ännerung vun Echantillon mat zwee oder dräi Schichten vun Beschichtung éischter liicht méi kleng wéi déi vun Echantillon mat enger Schicht vun coating.Déi kleng Ännerung vun der gemooss Resistenz. an déi enk Accord mat der nominale Wäert weisen datt aner Widderstänn an dësem Beräich direkt duerch d'Ännerung vun der Widderstandsgeometrie kritt kënne ginn.
Dräi verschidde resistor geometries mat verschidden Zuelen vun carbon resistive Tënt coatings.D'Foto vun dräi resistors ass op der rietser gewisen.
RLC Circuits si klassesch Léierbuch Beispiller vu Widderstands-, Induktor- a Kondensatorkombinatiounen, déi benotzt gi fir d'Behuele vu passive Komponenten ze demonstréieren an z'iwwerpréiwen, déi an echte gedréckte Circuiten integréiert sinn. 25 kΩ Widderstand ass parallel mat hinnen verbonnen.D'Foto vum flexiblen Circuit ass an der Figur 5a gewisen.De Grond fir dës speziell Serie-Parallell Kombinatioun ze wielen ass datt säi Verhalen duerch jiddereng vun den dräi verschiddene Frequenzkomponenten bestëmmt gëtt, sou datt de Leeschtung vun all Komponent kann beliicht ginn an evaluéiert.Bedenkt der 7 Ω Serie Resistenz vun der inductor an der 1,3 Ω ESR vun der capacitor, der erwaart Frequenz Äntwert vum Circuit war berechent. De Circuit Diagramm ass an der Figur 5b gewisen, an der berechent. Impedanz Amplituden a Phase a gemoossene Wäerter ginn an de Figuren 5c an d gewisen. Bei nidderegen Frequenzen bedeit déi héich Impedanz vum Kondensator datt d'Behuele vum Circuit duerch den 25 kΩ Resistor bestëmmt gëtt.Wéi d'Frequenz eropgeet den LC Wee geet erof; dat ganzt Circuitverhalen ass kapazitiv bis d'Resonanzfrequenz 2,0 MHz ass. Iwwer der Resonanzfrequenz dominéiert d'induktiv Impedanz.Figur 5 weist däitlech den exzellenten Accord tëscht berechenten a gemoossene Wäerter am ganze Frequenzbereich. Dëst bedeit datt de Modell benotzt gëtt. hei (wou Induktoren a Kondensatoren ideal Komponente mat Serieresistenz sinn) ass korrekt fir Circuitverhalen op dës Frequenzen virauszesoen.
(a) Eng Foto vun engem Écran-gedréckt RLC Circuit datt eng Serie Kombinatioun vun engem 8 μH inductor an engem 0,8 nF capacitor parallel mat engem 25 kΩ resistor benotzt.(b) Circuit Modell dorënner Serie Resistenz vun inductor an capacitor.(c) d) Impedanzamplitude (c) a Phase (d) vum Circuit.
Schlussendlech sinn gedréckte Induktoren a Widderstänn am Boostregulator implementéiert.Den IC deen an dëser Demonstratioun benotzt gëtt ass Microchip MCP1640B14, deen e PWM-baséiert Synchron-Boost-Regler mat enger Operatiounsfrequenz vu 500 kHz ass. 4,7 μH Induktor an zwee Kondensatoren (4,7 μF an 10 μF) ginn als Energiespeicherelementer benotzt, an e Paar Widderstande ginn benotzt fir d'Ausgangsspannung vun der Feedbackkontrolle ze moossen. Wielt de Resistenzwäert fir d'Ausgangsspannung op 5 V unzepassen. De Circuit gëtt op der PCB hiergestallt, a seng Leeschtung gëtt bannent der Belaaschtungsresistenz an dem Input Spannungsberäich vun 3 bis 4 V gemooss fir d'Lithium-Ion Batterie a verschiddene Ladezoustand ze simuléieren. Effizienz vun SMT-Induktoren a Widderstänn.SMT-Kondensatore ginn an alle Fäll benotzt, well d'Kapazitéit, déi fir dës Applikatioun néideg ass, ze grouss ass fir mat gedréckte Kondensatoren ofgeschloss ze ginn.
(a) Diagramm vum Spannungsstabiliséierschalter.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, an (d) Welleformen vum Stroum, déi an den Induktor fléissen, d'Inputspannung ass 4,0 V, d'Laaschtresistenz ass 1 kΩ, an de gedréckte Induktor gëtt benotzt fir ze moossen.Surface mount resistors and capacitors are used for this measurement.(e) Fir verschidde Lastresistenz an Inputspannungen, d'Effizienz vun de Spannungsreegler Circuiten mat all Surface Mount Komponenten a gedréckte Induktoren a Widderstänn.(f ) D'Effizienz Verhältnis vun Uewerfläch Montéierung an gedréckt Circuit gewisen an (e).
Fir 4.0 V Input Spannung an 1000 Ω Lastresistenz sinn d'Wellenformen, déi mat gedréckte Induktoren gemooss ginn, an der Figur 6b-d gewisen. D'Induktorspannung ass Vin-Vsw.Figure 6d weist de Stroum, deen an den Induktor fléisst. D'Effizienz vum Circuit mat SMT a gedréckte Komponenten gëtt an der Figur 6e als Funktioun vun der Inputspannung an der Lastresistenz gewisen, an der Figur 6f weist d'Effizienzverhältnis. vun gedréckte Komponenten op SMT Komponenten.D'Effizienz, déi mat SMT Komponenten gemooss gëtt, ass ähnlech wéi den erwaarten Wäert, deen am Informatiounsblat vum Hiersteller uginn 14.Bei héijen Inputstroum (niddereg Belaaschtungsresistenz a gerénger Inputspannung) ass d'Effizienz vun de gedréckte Induktoren wesentlech manner wéi déi vun SMT-Induktoren wéinst der méi héijer Serieresistenz.Allerdéngs mat méi héijer Inputspannung a méi héijen Ausgangsstroum gëtt de Resistenzverloscht manner wichteg, an d'Leeschtung vun de gedréckte Induktoren fänkt un déi vun SMT-Induktoren un.Fir Lastresistenz >500 Ω a Vin = 4,0 V oder > 750 Ω a Vin = 3,5 V, d'Effizienz vun gedréckte Induktoren ass méi wéi 85% vun SMT Induktoren.
D'Vergläiche vun der aktueller Welleform an der Figur 6d mat dem gemoossene Kraaftverloscht weist datt de Resistenzverloscht am Induktor d'Haaptursaach vum Ënnerscheed an der Effizienz tëscht dem gedréckte Circuit an dem SMT Circuit ass, wéi erwaart. Input Volt an 1000 Ω Lastresistenz sinn 30,4 mW an 25,8 mW fir Circuiten mat SMT Komponenten, an 33,1 mW an 25,2 mW fir Circuiten mat gedréckte Komponenten. Circuit mat SMT Komponenten.Den RMS-Induktorstroum aus der Welleform an der Figur 6d berechent ass 25,6 mA. Well seng Serieresistenz 4,9 Ω ass, ass den erwaartene Kraaftverloscht 3,2 mW. Dëst ass 96% vum gemoossene 3,4 mW DC Stroumdifferenz. kee bedeitende Effizienz Ënnerscheed gëtt tëscht hinnen observéiert.
Duerno gëtt de Spannungsregulator op der flexibeler PCB fabrizéiert (d'Dréckerei vum Circuit an d'SMT Komponentleistung ginn an der Supplementary Figur S1 gewisen) a verbonne tëscht der flexibeler Lithium-Ion Batterie als Energiequell an der OLED-Array als Laascht. Lochner et al. 9 Fir OLEDs ze fabrizéieren, verbraucht all OLED Pixel 0,6 mA bei 5 V. D'Batterie benotzt Lithium Kobaltoxid a Graphit als Kathode respektiv Anode, a gëtt duerch Dokter Blade Beschichtung hiergestallt, wat déi allgemeng Batterie Drockmethod ass.7 D'Batteriekapazitéit ass 16mAh, an d'Spannung während dem Test ass 4.0V.Figure 7 weist eng Foto vum Circuit op der flexibeler PCB, déi dräi OLED Pixel parallel verbonne sinn. flexibel an organesch Apparater fir méi komplex elektronesch Systemer ze bilden.
Eng Foto vum Spannungsregulatorkreeslaf op engem flexiblen PCB mat gedréckte Induktoren a Widderstänn, déi flexibel Lithium-Ion-Batterien benotzt fir dräi organesch LEDs z'entwéckelen.
Mir hunn Écran gedréckte Induktoren, Kondensatoren a Widderstänn mat enger Rei vu Wäerter op flexiblen PET-Substrate gewisen, mam Zil d'Uewerflächemontagekomponenten an der elektrescher Ausrüstung z'ersetzen. , a Linn Breet-Raum Breet Verhältnis, an duerch d'Benotzung vun enger décke Layer vun niddereg-resistant Tënt.Dës Komponente sinn integréiert an engem voll gedréckt a flexibel RLC Circuit a weisen prévisibel elektrescht Verhalen am kHz-MHz Frequenz Beräich, déi vun gréissten ass. Interesse fir Kraaftelektronik.
Typesch Benotzungsfäll fir gedréckte Kraaftelektronesch Geräter sinn wearable oder produktintegréiert flexibel elektronesch Systemer, ugedriwwen duerch flexibel nofëllbar Batterien (wéi Lithium-Ion), déi variabel Spannungen no dem Ladungszoustand generéiere kënnen. organesch elektronesch Ausrüstung) erfuerdert eng konstant Spannung oder méi héich wéi d'Spannungsausgang vun der Batterie, e Spannungsregulator ass erfuerderlech. Aus dësem Grond sinn gedréckte Induktoren a Widderstande mat traditionelle Silizium ICs an e Boostregulator integréiert fir d'OLED mat enger konstanter Spannung z'erhalen. vun 5 V vun enger Variabel Volt Batterie Muecht Fourniture.Bannent engem bestëmmte Beräich vun Laascht aktuell an Input Volt, d'Effizienz vun dësem Circuit iwwerschratt 85% vun der Effizienz vun engem Kontroll Circuit benotzt Surface mount inductors a resistors.Trotz Material a geometreschen optimizations, resistive Verloschter am Induktor sinn nach ëmmer de limitéierende Faktor fir d'Performance vum Circuit bei héije Stroumniveauen (Input Stroum méi wéi ongeféier 10 mA). Wéi och ëmmer, bei méi nidderegen Stroum sinn d'Verloschter am Induktor reduzéiert, an d'Gesamtleistung ass limitéiert duerch d'Effizienz. vun der IC.Well vill gedréckt an organesch Apparater relativ niddereg Stréim erfuerderen, wéi déi kleng OLEDs, déi an eiser Demonstratioun benotzt ginn, kënne gedréckte Kraaftinduktoren als gëeegent fir sou Applikatiounen ugesi ginn. Andeems Dir ICs benotzt, déi entwéckelt sinn fir déi héchst Effizienz op nidderegen Stroumniveauen ze hunn, méi héich allgemeng Konvertereffizienz kann erreecht ginn.
An dëser Aarbecht ass de Spannungsregulator op der traditioneller PCB gebaut, flexibel PCB an Surface Mount Component soldering Technologie, während de gedréckte Komponent op engem getrennten Substrat hiergestallt gëtt. gedréckte Filmer sollen passiv Komponenten erlaben, wéi och d'Verbindung tëscht dem Apparat an der Surface Mount Komponent Kontakt Pads, op all Substrat gedréckt ze ginn. de ganze Circuit op preiswerte Substrate (wéi PET) gebaut ze ginn ouni de Besoin fir subtraktive Prozesser wéi PCB Ätzen.Dofir hëllefen d'Bildschirmgedréckte passive Komponenten, déi an dëser Aarbecht entwéckelt goufen, de Wee fir flexibel elektronesch Systemer ze baneen, déi Energie a Lasten integréieren mat High-Performance Power Elektronik, mat preiswerte Substrate, haaptsächlech additiv Prozesser a minimal D'Zuel vun Uewerflächemontagekomponenten.
Mat Asys ASP01M Bildschirmdrucker an engem Edelstahlbildschierm geliwwert vun Dynamesh Inc., goufen all Schichten vu passive Komponenten op engem flexiblen PET-Substrat mat enger Dicke vu 76 μm gedréckt. Linnen pro Zoll fir d'dielektresch Schicht an d'Resistenzschicht.Benotz eng Squeegee Kraaft vu 55 N, eng Dréckgeschwindegkeet vun 60 mm/s, eng Bruchdistanz vun 1,5 mm an eng Serilor Squeegee mat enger Hardness vu 65 (fir Metall a resistiv) Schichten) oder 75 (fir dielektresch Schichten) fir Écran Dréckerei.
Déi konduktiv Schichten - d'Induktoren an d'Kontakter vu Kondensatoren a Widderstänn - gi mat DuPont 5082 oder DuPont 5064H Sëlwer Mikroflake Tënt gedréckt. De Resistor gëtt mat DuPont 7082 Kuelestoffleiter gedréckt. gëtt benotzt.All Layer vun dielectric ass produzéiert mat engem zwee-Pass (naass-naass) Dréckerei Zyklus fir d'Uniformitéit vum Film ze verbesseren.Fir all Komponent gouf den Effekt vu multiple Drockzyklen op Komponentleistung an Variabilitéit iwwerpréift.Samples made with Multiple Beschichtungen vum selwechte Material goufe bei 70 °C fir 2 Minutten tëscht de Beschichtungen getrocknegt.Nodeems de leschte Mantel vun all Material applizéiert gouf, goufen d'Proben bei 140 °C fir 10 Minuten gebak fir eng komplett Trocknung ze garantéieren. Drécker gëtt benotzt fir spéider Schichten ze alignéieren.De Kontakt mam Zentrum vum Induktor gëtt erreecht andeems en duerchschnëttlech Lach am Mëttelpad a Schabloundréckerspuren op der Réck vum Substrat mat DuPont 5064H Tënt geschnidden gëtt. 5064H Schabloun Dréckerei.Fir déi gedréckte Komponenten an SMT Komponenten op der flexibeler PCB an der Figur 7 ze weisen, sinn déi gedréckte Komponenten duerch Circuit Works CW2400 konduktiv Epoxy verbonnen, an d'SMT Komponenten sinn duerch traditionell Löt verbonnen.
Lithium Kobaltoxid (LCO) a graphite-baséiert Elektroden ginn als Kathode an Anode vun der Batterie benotzt, respektiv. D'Kathodeschlemm ass eng Mëschung aus 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% Grafit (KS6, Timcal), 2,5 % Kueleschwarz (Super P, Timcal) an 10% Polyvinylidenfluorid (PVDF, Kureha Corp.). ) D'Anode ass eng Mëschung aus 84wt% GRAPHITE, 4wt% carbon black an 13wt% PVDF. Iwwernuechtung mat engem Wirbelmixer réieren.Eng 0,0005 Zoll déck Edelstol Folie an eng 10 μm Nickelfolie ginn als Stroumkollektor fir d'Kathode an d'Anode benotzt.D'Tënt gëtt op de Stroumkollektor mat enger Squeegee bei enger Dréckgeschwindegkeet vun 20 gedréckt. mm/s.Hëtzt d'Elektrode an engem Ofen bei 80 °C fir 2 Stonnen fir de Léisungsmëttel ze entfernen.D'Héicht vun der Elektrode no der Trocknung ass ongeféier 60 μm, a baséiert op dem Gewiicht vum aktive Material ass déi theoretesch Kapazitéit 1,65 mAh /cm2.D'Elektroden goufen an Dimensiounen vun 1,3 × 1,3 cm2 geschnidden an iwwer Nuecht an engem Vakuumofen bei 140°C erhëtzt, an duerno goufen se mat Aluminiumlaminatbeutel an engem Stickstoffgefëllte Handschueschkëscht versiegelt.Eng Léisung vu Polypropylenbasisfilm mat Anode a Kathode an 1M LiPF6 an EC/DEC (1:1) gëtt als Batterieelektrolyt benotzt.
Gréng OLED besteet aus Poly(9,9-Dioctylfluoren-Co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) a Poly((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazol-) 4, 8-diyl)) (F8BT) no der Prozedur, déi am Lochner et al.
Benotzt Dektak Stylus Profiler fir Filmdicke ze moossen.De Film gouf geschnidden fir e Querschnittprobe fir d'Untersuchung ze preparéieren duerch Scannenelektronenmikroskopie (SEM). D'FEI Quanta 3D Feldemissiounsgewier (FEG) SEM gëtt benotzt fir d'Struktur vun der gedréckter ze charakteriséieren Film a confirméiert d'Dickemiessung.D'SEM-Studie gouf bei enger Beschleunigungsspannung vun 20 keV an enger typescher Aarbechtsdistanz vun 10 mm duerchgefouert.
Benotzt en digitale Multimeter fir DC Resistenz, Spannung a Stroum ze moossen. D'AC Impedanz vun Induktoren, Kondensatoren a Circuiten gi gemooss mat Agilent E4980 LCR Meter fir Frequenzen ënner 1 MHz an Agilent E5061A Netzwierkanalysator gëtt benotzt fir Frequenzen iwwer 500 kHz ze moossen. Tektronix TDS 5034 Oszilloskop fir d'Spannungsregulator Welleform ze moossen.
Wéi zitéiert dësen Artikel: Ostfeld, AE, etc.Screen printing passive components for flexible power electronic equipment.science.Rep. 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.Pabeier publizéiert op der 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, March 9- 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 piezoelectric energy harvesting devices.Advanced energy materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Spender-gedréckt flaach décke Film thermoelectric Energie Generator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL A flexible high-potential printed battery used to power printed electronic devices.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA The latest developments in printed flexible batterys: mechanical challenges, printing technology and future prospects.Energietechnologie.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc.A grouss-Skala Sensing System datt grouss Beräich elektronesch Apparater an CMOS ICs fir strukturell Gesondheet Iwwerwachung kombinéiert.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513-523 (2014).