жаңалықтар

Nature сайтына кіргеніңіз үшін рахмет. Сіз пайдаланып жатқан шолғыш нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе үшін шолғыштың жаңарақ нұсқасын пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). , үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайттарды стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Қоспалар мен төмен температуралы басып шығару процестері әртүрлі қуатты тұтынатын және қуатты тұтынатын электрондық құрылғыларды икемді негіздерде төмен бағамен біріктіре алады. Дегенмен, осы құрылғылардан толық электрондық жүйелерді өндіру әдетте әртүрлі жұмыс кернеулері арасында түрлендіру үшін қуатты электрондық құрылғыларды қажет етеді. құрылғылар. Пассивті құрамдас бөліктер — индукторлар, конденсаторлар және резисторлар — қуат электроникасы мен басқа да көптеген қолданбаларда маңызды болып табылатын сүзу, қысқа мерзімді энергия сақтау және кернеуді өлшеу сияқты функцияларды орындайды. Бұл мақалада біз индукторлар, конденсаторлар, резисторлар мен RLC схемалары икемді пластикалық негіздерде экранда басып шығарылады және индукторлардың сериялық кедергісін барынша азайту үшін жобалау процесін хабарлаңыз, осылайша оларды қуатты электрондық құрылғыларда пайдалануға болады. Басып шығарылған индуктор мен резистор содан кейін күшейткіш реттегіш тізбегіне қосылады. Өндіріс органикалық жарық диодтары мен икемді литий-ионды батареялардың. Кернеу реттегіштері диодтарды аккумулятордан қуаттандыру үшін пайдаланылады, бұл тұрақты ток түрлендіргішінің қолданбаларында дәстүрлі беткі қондырғы компоненттерін ауыстыру үшін басып шығарылған пассивті компоненттердің әлеуетін көрсетеді.
Соңғы жылдары әртүрлі икемді құрылғыларды киюге болатын және кең аумақты электрондық өнімдерде және заттар Интернетінде1,2 қолдану дамыды. Оларға фотоэлектрлік 3, пьезоэлектрлік 4 және термоэлектрлік 5 сияқты энергия жинау құрылғылары жатады; энергия сақтау құрылғылары, мысалы, батареялар 6, 7; және датчиктер 8, 9, 10, 11, 12 және жарық көздері сияқты қуатты тұтынатын құрылғылар 13. Жеке қуат көздері мен жүктемелерде үлкен прогреске қол жеткізілгенімен, бұл компоненттерді толық электрондық жүйеге біріктіру әдетте қуат электроникасын қажет етеді. қуат көзінің әрекеті мен жүктеме талаптары арасындағы кез келген сәйкессіздікті жеңу. Мысалы, аккумулятор заряд күйіне сәйкес айнымалы кернеуді жасайды. Жүктеме тұрақты кернеуді қажет етсе немесе батарея тудыратын кернеуден жоғары болса, қуат электроникасы қажет. .Қуат электроникасы коммутациялық және басқару функцияларын орындау үшін белсенді компоненттерді (транзисторларды), сондай-ақ пассивті компоненттерді (индукторлар, конденсаторлар және резисторлар) пайдаланады.Мысалы, коммутациялық реттегіштің тізбегінде әрбір коммутация циклі кезінде энергияны сақтау үшін индуктор қолданылады. , кернеу толқынын азайту үшін конденсатор пайдаланылады, ал кері байланысты басқару үшін қажетті кернеуді өлшеу резистор бөлгішінің көмегімен жүзеге асырылады.
Тағатын құрылғыларға (мысалы, импульстік оксиметр 9) жарамды қуатты электрондық құрылғылар бірнеше вольт пен бірнеше миллиамперді қажет етеді, әдетте жүздеген кГц-тен бірнеше МГц жиілік диапазонында жұмыс істейді және бірнеше μH және бірнеше μH индуктивтілікті қажет етеді және сыйымдылық μF 14 сәйкес. Бұл схемаларды жасаудың дәстүрлі әдісі дискретті компоненттерді қатты баспа схемасына (ПХБ) дәнекерлеу болып табылады. Қуат электронды схемаларының белсенді компоненттері әдетте бір кремний интегралдық схемасына (IC) біріктірілгенімен, әдетте пассивті компоненттер сыртқы, не реттелетін тізбектерге мүмкіндік береді, немесе қажетті индуктивтілік пен сыйымдылық кремнийде іске асыру үшін тым үлкен болғандықтан.
Дәстүрлі ПХД негізіндегі өндіріс технологиясымен салыстырғанда, электронды құрылғылар мен схемаларды қосымша басып шығару процесі арқылы жасау қарапайымдылығы мен құны бойынша көптеген артықшылықтарға ие. Біріншіден, схеманың көптеген құрамдас бөліктері бірдей материалдарды қажет етеді, мысалы, контактілерге арналған металдар. және өзара байланыстар, басып шығару салыстырмалы түрде аз өңдеу қадамдарымен және материалдардың аз көздерімен бір уақытта бірнеше құрамдастарды өндіруге мүмкіндік береді15. Фотолитография және сызу сияқты субтрактивті процестерді ауыстыру үшін аддитивті процестерді пайдалану процестің күрделілігін және материал қалдықтарын одан әрі азайтады16, 17, 18, және 19.Сонымен қатар, басып шығаруда қолданылатын төмен температуралар икемді және арзан пластикалық негіздерге сәйкес келеді, бұл үлкен аумақтарда 16, 20 электрондық құрылғыларды жабу үшін жоғары жылдамдықты орамнан орамға өндіру процестерін пайдалануға мүмкіндік береді. Қолданбалар үшін басып шығарылған компоненттермен толығымен жүзеге асырылмайтын, гибридті әдістер әзірленді, онда беттік орнату технологиясы (SMT) компоненттері төмен температурада басып шығарылған компоненттердің жанында икемді субстраттарға 21, 22, 23 қосылады. Бұл гибридтік тәсілде ол әлі де бар. Қосымша процестердің артықшылықтарын алу және схеманың жалпы икемділігін арттыру үшін мүмкіндігінше көп SMT құрамдастарын басып шығарылған аналогтармен ауыстыру қажет. Икемді қуат электроникасын жүзеге асыру үшін біз SMT белсенді компоненттері мен экранда басылған пассивті комбинациясын ұсындық. құрамдас бөліктерде үлкен көлемді SMT индукторларын жазық спираль индукторларымен ауыстыруға ерекше назар аударылады. Басып шығарылатын электрониканы өндіруге арналған әртүрлі технологиялардың ішінде экранды басып шығару үлкен пленка қалыңдығына байланысты (бұл металл элементтерінің сериялық кедергісін азайту үшін қажет) пассивті компоненттер үшін өте қолайлы. ) және жоғары басып шығару жылдамдығы, тіпті сантиметрлік аумақтарды жабу кезінде де солай болады. 24-материал.
Қуатты электронды жабдықтың пассивті құрамдас бөліктерінің жоғалуын барынша азайту керек, өйткені тізбектің тиімділігі жүйені қуаттандыруға қажетті энергия мөлшеріне тікелей әсер етеді. Бұл әсіресе ұзын катушкалардан тұратын басып шығарылған индукторлар үшін қиын, сондықтан олар жоғары серияларға сезімтал. қарсылық.Сондықтан, басып шығарылған катушкалардың 25, 26, 27, 28 кедергісін азайту үшін кейбір күш-жігер жұмсалғанымен, қуатты электронды құрылғыларға арналған жоғары тиімді басып шығарылған пассивті компоненттер әлі де жетіспейді. Бүгінгі күні көптеген басып шығарылған пассивті деп хабарлады. икемді астарлардағы құрамдас бөліктер радиожиілік сәйкестендіру (RFID) немесе энергия жинау мақсаттары үшін резонанстық тізбектерде жұмыс істеуге арналған Арнайы қолданбалар үшін оңтайландырылмаған 26, 32, 33, 34. Керісінше, кернеу реттегіштері сияқты қуат электрондық схемалары әдеттегі басып шығарылатын пассивті құрылғыларға қарағанда үлкенірек құрамдастарды жиі пайдаланады және резонансты қажет етпейді, сондықтан әртүрлі құрамдас конструкциялар қажет.
Мұнда біз қуатты электроникаға қатысты жиіліктерде ең кіші сериялық кедергіге және жоғары өнімділікке қол жеткізу үшін μH диапазонында экранда басып шығарылған индукторлардың дизайны мен оңтайландыруын енгіземіз. Экранмен басып шығарылған индукторлар, конденсаторлар және әртүрлі құрамдас мәндері бар резисторлар шығарылады. икемді пластикалық негіздерде. Бұл компоненттердің икемді электрондық өнімдерге жарамдылығы алдымен қарапайым RLC тізбегінде көрсетілді. Басып шығарылған индуктор мен резистор күшейткіш реттегішті қалыптастыру үшін IC-мен біріктірілген. Соңында, органикалық жарық шығаратын диод (OLED) ) және икемді литий-ионды батарея шығарылады және OLED-ді батареядан қуаттандыру үшін кернеу реттегіші пайдаланылады.
Қуат электроникасы үшін басып шығарылған индукторларды жобалау үшін біз алдымен Мохан және т.б. ұсынылған ағымдағы парақ үлгісіне негізделген индуктивті геометриялар сериясының индуктивтілігі мен тұрақты ток кедергісін болжадық. 35 және модельдің дәлдігін растау үшін әртүрлі геометриялық индуктивті индукторлар. Бұл жұмыста индукциялық катушка үшін дөңгелек пішін таңдалды, себебі көпбұрышты геометриямен салыстырғанда 36 төмен қарсылықпен жоғары индуктивтілікке қол жеткізуге болады. Сияның әсері кедергідегі басып шығару циклдерінің түрі мен саны анықталады. Бұл нәтижелер ең төменгі тұрақты ток кедергісі үшін оңтайландырылған 4,7 мкГ және 7,8 мкН индукторларды жобалау үшін амперметр үлгісімен бірге пайдаланылды.
Спиральды индуктивті индукторлардың индуктивтілігі мен тұрақты ток кедергісін бірнеше параметрлермен сипаттауға болады: сыртқы диаметр do, бұрылыс ені w және аралық s, бұрылыстар саны n және өткізгіш парағының кедергісі Rsheet. 1a суретте жібек экранда басылған дөңгелек индуктордың фотосы көрсетілген. n = 12, оның индуктивтілігін анықтайтын геометриялық параметрлерді көрсетеді. Мохан және т.б. амперметр моделіне сәйкес. 35, индуктивтілік индуктивті геометриялық қатарлар үшін есептеледі, мұнда
(a) Геометриялық параметрлерді көрсететін экранда басып шығарылған индуктордың фотосы. Диаметрі 3 см. Индуктивті геометрияның әртүрлі индуктивтілігі (b) және тұрақты ток кедергісі (c). Сызықтар мен белгілер тиісінше есептелген және өлшенген мәндерге сәйкес келеді. (d,e) L1 және L2 индукторларының тұрақты ток кедергілері тиісінше Dupont 5028 және 5064H күміс сияларымен экранда басып шығарылады. (f,g) тиісінше Dupont 5028 және 5064H басып шығарған пленкалар экранының SEM микросуреттері.
Жоғары жиілікте тері әсері және паразиттік сыйымдылық тұрақты ток мәніне сәйкес индуктордың кедергісі мен индуктивтілігін өзгертеді. Индуктор жеткілікті төмен жиілікте жұмыс істейді деп күтілуде, бұл әсерлер елеусіз болады және құрылғы тұрақты индуктивтілік ретінде әрекет етеді. тұрақты кедергісі бар. Сондықтан бұл жұмыста геометриялық параметрлер, индуктивтілік және тұрақты ток кедергісі арасындағы байланысты талдадық және алынған нәтижелерді тұрақты ток кедергісі ең аз берілген индуктивтілікті алу үшін қолдандық.
Индуктивтілік пен қарсылық экранды басып шығару арқылы жүзеге асырылуы мүмкін геометриялық параметрлер қатары үшін есептеледі және μH диапазонында индуктивтілік пайда болады деп күтілуде. Сыртқы диаметрі 3 және 5 см, сызық ені 500 және 1000 мкм. , және әртүрлі бұрылыстар салыстырылады. Есептеу кезінде парақ кедергісі 47 мΩ/□ деп болжанады, ол 400 торлы экранмен басып шығарылған қалыңдығы 7 мкм Dupont 5028 күміс микрофлейк өткізгіш қабатына және w = s параметріне сәйкес келеді. есептелген индуктивтілік пен қарсылық мәндері сәйкесінше 1b және c-суретте көрсетілген. Модель сыртқы диаметр мен бұрылыстар саны артқан сайын немесе сызық ені азайған сайын индуктивтілік пен кедергі де артады деп болжайды.
Модельдік болжамдардың дәлдігін бағалау үшін полиэтилентерефталат (ПЭТ) астарында әртүрлі геометриялық және индуктивті индуктивті индукциялар жасалды. Өлшенген индуктивтілік пен қарсылық мәндері 1b және c-суретте көрсетілген. Қарсылық біршама ауытқуды көрсеткенімен күтілетін мән, негізінен тұндырылған сия қалыңдығы мен біркелкілігінің өзгеруіне байланысты, индуктивтілік үлгімен өте жақсы келісімді көрсетті.
Бұл нәтижелерді қажетті индуктивті және минималды тұрақты ток кедергісі бар индукторды жобалау үшін пайдалануға болады. Мысалы, 2 мкН индуктивтілік қажет делік. 1b суреті бұл индуктивтілікті сыртқы диаметрі 3 см, сызық ені арқылы жүзеге асыруға болатындығын көрсетеді. 500 мкм және 10 айналым. Дәл осындай индуктивтілікті сыртқы диаметрі 5 см, сызық ені 500 мкм және 5 айналым немесе 1000 мкм сызық ені және 7 айналым (суретте көрсетілгендей) арқылы да жасауға болады. Осы үшеуінің кедергілерін салыстыру 1c-суреттегі мүмкін геометриялар, ені 1000 мкм болатын 5 см индуктордың ең төменгі кедергісі 34 Ом болатынын анықтауға болады, бұл қалған екеуінен шамамен 40% төмен. Берілген индуктивтілікке жету үшін жалпы жобалау процесі минималды кедергісі бар төмендегідей қорытындыланады: Біріншіден, қолданба жүктеген кеңістік шектеулеріне сәйкес максималды рұқсат етілген сыртқы диаметрді таңдаңыз. Содан кейін, жоғары толтыру жылдамдығын алу үшін қажетті индуктивтілікке қол жеткізу кезінде сызық ені мүмкіндігінше үлкен болуы керек. ((3) теңдеу).
Металл пленканың парақ кедергісін азайту үшін қалыңдығын ұлғайту немесе өткізгіштігі жоғары материалды пайдалану арқылы тұрақты ток кедергісін индуктивтілікке әсер етпестен одан әрі азайтуға болады. Геометриялық параметрлері L1 және L2 деп аталатын 1-кестеде берілген екі индуктор, кедергінің өзгеруін бағалау үшін әртүрлі жабындар санымен дайындалады. Сия жабындарының саны артқан сайын қарсылық күтілгендей пропорционалды төмендейді, сәйкесінше L1 және L2 индукторлары болып табылатын 1d және e суреттерінде көрсетілгендей. 1d және e суреттері жабынның 6 қабатын қолдану арқылы қарсылықты 6 есеге дейін азайтуға болатынын және кедергінің максималды төмендеуі (50-65%) 1 қабат пен 2 қабат арасында болатынын көрсетіңіз. Сияның әрбір қабаты салыстырмалы түрде жұқа болғандықтан, Бұл индукторларды басып шығару үшін салыстырмалы түрде шағын тор өлшемі бар экран (дюйміне 400 жол) пайдаланылады, бұл бізге өткізгіш қалыңдығының кедергіге әсерін зерттеуге мүмкіндік береді. Үлгі мүмкіндіктері тордың минималды рұқсатынан үлкенірек болғанша, ұқсас қалыңдыққа (және қарсылыққа) үлкенірек тор өлшемі бар жабындардың азырақ санын басып шығару арқылы жылдамырақ қол жеткізуге болады. Бұл әдісті осы жерде талқыланған 6 қапталған индуктор сияқты тұрақты ток кедергісіне қол жеткізу үшін пайдалануға болады, бірақ өндіріс жылдамдығы жоғарырақ.
1d және e суреттері сонымен қатар DuPont 5064H өткізгіштігі жоғары күміс үлпек сиясын пайдалану арқылы кедергі екі есеге төмендейтінін көрсетеді. Екі сиямен басып шығарылған пленкалардың SEM микросуреттерінен (1f, g суреті) оны 5028 сиясының төмен өткізгіштігі оның кішірек бөлшектерінің өлшеміне және басып шығарылған пленкадағы бөлшектер арасында көптеген бос орындардың болуына байланысты екенін көрдік. Екінші жағынан, 5064H үлкенірек, тығыз орналасқан үлпектерге ие, бұл оны көлемді массаға жақындатады. күміс. Бұл сиямен жасалған пленка 5028 сияға қарағанда жұқа, бір қабаты 4 мкм және 6 қабаты 22 мкм болса да, өткізгіштіктің жоғарылауы жалпы кедергіні азайту үшін жеткілікті.
Соңында, индуктивтілік (теңдеу (1)) бұрылыстар санына (w + s) байланысты болса да, қарсылық (теңдеу (5)) тек w сызық еніне байланысты. Сондықтан s қатысты w арттыру арқылы қарсылық одан әрі азайтуға болады. L3 және L4 қосымша екі индукторлары 1-кестеде көрсетілгендей, w = 2s және үлкен сыртқы диаметрі болуы үшін жасалған. Бұл индукторлар жоғарыда көрсетілгендей, DuPont 5064H жабынының 6 қабатымен жасалған. ең жоғары өнімділік. L3 индуктивтілігі 4,720 ± 0,002 μH және кедергісі 4,9 ± 0,1 Ом, ал L4 индуктивтілігі 7,839 ± 0,005 μH және 6,9 ± 0,1 Ом, бұл болжамға жақсы сәйкес келеді.D қалыңдығының, өткізгіштіктің және в/с ұлғаюы, бұл L/R қатынасы 1-суреттегі мәнге қатысты шама ретінен артық өскенін білдіреді.
Тұрақты токтың төмен кедергісі перспективалы болғанымен, кГц-МГц диапазонында жұмыс істейтін қуатты электронды жабдық үшін индукторлардың жарамдылығын бағалау айнымалы ток жиіліктерінде сипаттауды талап етеді. 2а-сурет L3 және L4 кедергісінің және реактивтіліктің жиілікке тәуелділігін көрсетеді. 10 МГц-тен төмен жиіліктер үшін , қарсылық тұрақты мәнінде шамамен тұрақты болып қалады, ал реактивтілік жиілік бойынша сызықты түрде артады, бұл индуктивтіліктің күтілгендей тұрақты екенін білдіреді. Өздігінен резонансты жиілік кедергі индуктивтіден сыйымдылыққа өзгеретін жиілік ретінде анықталады. L3 35,6 ± 0,3 МГц және L4 24,3 ± 0,6 МГц. Сапа факторының Q жиілігіне тәуелділігі (ωL/R тең) 2b-суретте көрсетілген.L3 және L4 35 ± 1 және 33 ± 1 ең жоғары сапа факторларына жетеді. тиісінше 11 және 16 МГц жиіліктерінде. Бірнеше μH индуктивтілігі және МГц жиіліктеріндегі салыстырмалы жоғары Q бұл индукторларды төмен қуатты тұрақты тұрақты ток түрлендіргіштеріндегі дәстүрлі үстіңгі индукторларды ауыстыру үшін жеткілікті етеді.
L3 және L4 индукторларының өлшенген кедергісі R және реактивтілік X (a) және сапа коэффициенті Q (b) жиілікке қатысты.
Берілген сыйымдылыққа қажетті ізді азайту үшін диэлектриктің қалыңдығына бөлінген ε диэлектрлік өтімділікке тең болатын үлкен меншікті сыйымдылығы бар конденсатор технологиясын қолданған дұрыс. Бұл жұмыста біз барий титанатты композитті таңдадық. диэлектрик ретінде, себебі ол басқа ерітіндімен өңделген органикалық диэлектриктерге қарағанда жоғары эпсилонға ие. Диэлектрик қабаты металл-диэлектрлік-металл құрылымын қалыптастыру үшін екі күміс өткізгіштер арасында экранда басылады. 3a суретінде көрсетілгендей сантиметрмен әртүрлі өлшемдері бар конденсаторлар , жақсы шығымдылықты сақтау үшін екі немесе үш диэлектрлік сияны қолдану арқылы өндіріледі. 3b-суретте жалпы диэлектрик қалыңдығы 21 мкм болатын екі қабат диэлектрикпен жасалған өкіл конденсатордың көлденең қимасы SEM микрографы көрсетілген. Жоғарғы және төменгі электродтар. сәйкесінше бір қабатты және алты қабатты 5064H болып табылады. Микрон өлшемді барий титанаты бөлшектері SEM кескінінде көрінеді, себебі ашық аймақтар күңгірт органикалық байланыстырғышпен қоршалған. Диэлектрлік сия төменгі электродты жақсы ылғалдандырады және электродпен айқын интерфейс жасайды. жоғары үлкейтілген суретте көрсетілгендей басып шығарылған металл пленка.
(а) Бес түрлі аумақтары бар конденсатордың фотосы.(b) барий титанатты диэлектрик пен күміс электродтары көрсетілген екі қабат диэлектриктері бар конденсатордың көлденең қимасы SEM микрографы.(c) 2 және 3 барий титанаты бар конденсаторлардың сыйымдылықтары 1 МГц жиілікте өлшенген диэлектрлік қабаттар мен әртүрлі аймақтар.(d) 2 қабат диэлектрлік жабындары бар 2,25 см2 конденсатордың сыйымдылығы, ESR және жоғалту коэффициенті арасындағы байланыс және жиілік.
Сыйымдылық күтілетін ауданға пропорционал. 3c-суретте көрсетілгендей, екі қабатты диэлектриктің меншікті сыйымдылығы 0,53 нФ/см2, ал үш қабатты диэлектриктің меншікті сыйымдылығы 0,33 нФ/см2. Бұл мәндер 13 диэлектрлік өтімділікке сәйкес келеді. сыйымдылық пен диссипация коэффициенті (DF) сонымен қатар 3d суретте көрсетілгендей, екі қабат диэлектриктері бар 2,25 см2 конденсатор үшін әртүрлі жиіліктерде өлшенді. Біз сыйымдылықтың қызығушылықтың жиілік диапазонында салыстырмалы түрде тегіс екенін анықтадық, ол 20%-ға артады. 1-ден 10 МГц-ке дейін, сол диапазонда DF 0,013-тен 0,023-ке дейін өсті. Диссипация коэффициенті энергияның жоғалуының айнымалы токтың әрбір циклінде сақталған энергияға қатынасы болғандықтан, DF 0,02 өңделген қуаттың 2% екенін білдіреді. конденсатор арқылы тұтынылады. Бұл жоғалту әдетте конденсатормен тізбектей жалғанған жиілікке тәуелді эквивалентті сериялық кедергі (ESR) ретінде көрсетіледі, ол DF/ωC тең. 3d суретінде көрсетілгендей, 1 МГц-тен жоғары жиіліктер үшін, ESR 1,5 Ом-нан төмен, ал 4 МГц-тен жоғары жиіліктер үшін ESR 0,5 Ом-нан төмен. Бұл конденсатор технологиясын пайдаланғанымен, тұрақты ток түрлендіргіштері үшін қажетті μF-сыныптағы конденсаторлар өте үлкен аумақты қажет етеді, бірақ 100 pF- nF сыйымдылық диапазоны және бұл конденсаторлардың төмен жоғалуы оларды сүзгілер және резонанстық тізбектер сияқты басқа қолданбалар үшін қолайлы етеді. Сыйымдылықты арттыру үшін әртүрлі әдістерді қолдануға болады. Жоғары диэлектрлік тұрақты меншікті сыйымдылықты арттырады 37; мысалы, бұған сиядағы барий титанаты бөлшектерінің концентрациясын арттыру арқылы қол жеткізуге болады. Диэлектриктің кішірек қалыңдығын пайдалануға болады, бірақ бұл үшін экранда басып шығарылған күміс үлпекке қарағанда кедір-бұдыры төмен төменгі электрод қажет. Жұқарақ, кедір-бұдырлығы төмен конденсатор қабаттарды экрандық басып шығару процесімен біріктіруге болатын сия бүріккіш басып шығару 31 немесе гравюралық басып шығару 10 арқылы қоюға болады. Соңында, металл мен диэлектриктің бірнеше ауыспалы қабаттарын қабаттап, басып шығаруға және параллель қосуға болады, осылайша бір аумаққа сыйымдылықты 34 арттырады. .
Кернеу реттегішінің кері байланысын басқару үшін қажетті кернеуді өлшеуді орындау үшін әдетте жұп резистордан тұратын кернеу бөлгіш пайдаланылады. Қолданбаның бұл түрі үшін басып шығарылған резистордың кедергісі kΩ-MΩ диапазонында болуы керек және арасындағы айырмашылық құрылғылар шағын. Мұнда бір қабатты экранда басылған көміртекті сия парағының кедергісі 900 Ом/□ болатыны анықталды. Бұл ақпарат екі сызықтық резисторды (R1 және R2) және серпентиндік резисторды (R3) жобалау үшін пайдаланылады. ) номиналды кедергілері 10 кОм, 100 кОм және 1,5 МОм. Номиналды мәндер арасындағы қарсылыққа 4-суретте көрсетілгендей екі немесе үш сия қабатын және үш қарсылықтың фотосуреттерін басып шығару арқылы қол жеткізіледі. 8- жасаңыз. Әр түрдің 12 үлгісі; барлық жағдайларда кедергінің стандартты ауытқуы 10% немесе одан аз болады. Екі немесе үш қабат жабыны бар үлгілердің кедергісінің өзгеруі бір қабат жабыны бар үлгілерге қарағанда сәл азырақ болады. Өлшенген кедергінің шамалы өзгеруі және номиналды мәнмен тығыз сәйкестік осы диапазондағы басқа кедергілерді резистор геометриясын өзгерту арқылы тікелей алуға болатынын көрсетеді.
Көміртекті резисторлық сия жабындарының әртүрлі саны бар үш түрлі резистор геометриясы. Үш резистордың фотосуреттері оң жақта көрсетілген.
RLC сұлбалары нақты баспа схемаларына біріктірілген пассивті компоненттердің әрекетін көрсету және тексеру үшін пайдаланылатын резистор, индуктор және конденсатор комбинацияларының классикалық оқулық мысалдары болып табылады. Бұл схемада 8 мкГ индуктор мен 0,8 нФ конденсатор тізбектей жалғанған және Олармен 25 кОм резистор параллель қосылған. Иілгіш тізбектің фотосы 5а-суретте көрсетілген. Бұл арнайы сериялы-параллельді комбинацияны таңдаудың себебі оның мінез-құлқы үш түрлі жиілік құрамдастарының әрқайсысымен анықталады, сондықтан әрбір құрамдастың өнімділігін бөліп көрсетуге және бағалауға болады. Индуктордың 7 Ом сериялы кедергісін және конденсатордың 1,3 Ом ESR кедергісін ескере отырып, тізбектің күтілетін жиілік реакциясы есептелді. Тізбек диаграммасы 5b-суретте көрсетілген және есептелген кедергі амплитудасы мен фазасы және өлшенген мәндері 5c және d суреттерінде көрсетілген. Төмен жиілікте конденсатордың жоғары кедергісі тізбектің әрекеті 25 кОм резистормен анықталатынын білдіреді. Жиілік артқан сайын кедергі LC жолы азаяды; резонанстық жиілік 2,0 МГц болғанша бүкіл тізбектің әрекеті сыйымды болады. Резонанстық жиіліктен жоғары индуктивті кедергі басым болады. 5-суретте барлық жиілік диапазонындағы есептелген және өлшенген мәндер арасындағы тамаша келісім анық көрсетілген. Бұл модельдің пайдаланылғанын білдіреді. мұнда (индукторлар мен конденсаторлар сериялық кедергісі бар тамаша құрамдас бөліктер болып табылады) осы жиіліктердегі тізбек әрекетін болжау үшін дәл.
(a) 25 кОм резистормен параллельде 8 мкГ индуктор мен 0,8 нФ конденсатордың сериялық комбинациясын пайдаланатын экранда басып шығарылған RLC тізбегінің фотосы.(b) Индуктор мен конденсатордың сериялық кедергісін қамтитын схема үлгісі.(c) ,d) Тізбектің кедергі амплитудасы (c) және фазасы (d).
Соңында, басып шығарылған индукторлар мен резисторлар күшейткіш реттегіште жүзеге асырылады. Бұл демонстрацияда пайдаланылатын IC Microchip MCP1640B14 болып табылады, ол 500 кГц жұмыс жиілігі бар PWM негізіндегі синхронды күшейткіш реттегіш болып табылады. Тізбек диаграммасы 6a.A суретінде көрсетілген. Энергияны сақтау элементтері ретінде 4,7 мкГ индуктор және екі конденсатор (4,7 мкФ және 10 мкФ) пайдаланылады, ал кері байланысты басқарудың шығыс кернеуін өлшеу үшін резисторлар жұбы қолданылады.Шығыс кернеуін 5 В-қа дейін реттеу үшін қарсылық мәнін таңдаңыз. Схема ПХД-да жасалған және оның өнімділігі әртүрлі зарядтау күйлерінде литий-ионды аккумуляторды имитациялау үшін жүктеме кедергісі мен кіріс кернеуінің 3-тен 4 В-қа дейінгі диапазонында өлшенеді. Басып шығарылған индукторлар мен резисторлардың тиімділігі SMT индукторлары мен резисторларының тиімділігі. SMT конденсаторлары барлық жағдайларда пайдаланылады, себебі бұл қолданбаға қажетті сыйымдылық басып шығарылған конденсаторлармен толтыру үшін тым үлкен.
(а) Кернеуді тұрақтандыру тізбегінің диаграммасы.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw және (d) Индукторға түсетін токтың толқын пішіндері, кіріс кернеуі 4,0 В, жүктеме кедергісі 1 кОм, және басып шығарылған индуктор өлшеу үшін пайдаланылады. Бұл өлшеу үшін беттік орнату резисторлары мен конденсаторлар пайдаланылады.(e) Әр түрлі жүктеме кедергілері мен кіріс кернеулері үшін, барлық беттік орнату компоненттерін және басып шығарылған индукторлар мен резисторларды пайдаланатын кернеу реттегіші тізбектерінің тиімділігі.(f) ) (e) тармағында көрсетілген беттік орнату және басып шығару схемасының тиімділік қатынасы.
4,0 В кіріс кернеуі және 1000 Ом жүктеме кедергісі үшін басып шығарылған индукторлар арқылы өлшенген толқын пішіндері 6b-d суретте көрсетілген. 6c суретте IC Vsw терминалындағы кернеу көрсетілген; индуктор кернеуі Vin-Vsw. 6d суретте индукторға түсетін ток көрсетілген. SMT және басып шығарылған компоненттері бар тізбектің ПӘК кіріс кернеуі мен жүктеме кедергісінің функциясы ретінде 6e суретте көрсетілген, ал 6f суретте тиімділік коэффициенті көрсетілген. SMT құрамдастарының көмегімен өлшенген тиімділік өндірушінің деректер парағында берілген күтілетін мәнге ұқсас. жоғары сериялық кедергіге байланысты SMT индукторларының индуктивтілігі. Дегенмен, кіріс кернеуі жоғары және шығыс тогы жоғары болған кезде, кедергі жоғалуы маңыздырақ болады және басып шығарылған индукторлардың өнімділігі SMT индукторларының өнімділігіне жақындай бастайды. Жүктеме кедергілері >500 Ом және Vin үшін = 4,0 В немесе >750 Ом және Vin = 3,5 В, басып шығарылған индукторлардың тиімділігі SMT индукторларының 85% -дан жоғары.
6d-суреттегі ток толқын пішінін өлшенген қуат жоғалтуымен салыстыру күтілгендей, индуктордағы кедергінің жоғалуы баспа тізбегі мен SMT тізбегі арасындағы тиімділік айырмашылығының негізгі себебі болып табылатынын көрсетеді. Кіріс және шығыс қуаты 4,0 В өлшенеді. кіріс кернеуі және 1000 Ом жүктеме кедергісі SMT құрамдастары бар тізбектер үшін 30,4 мВт және 25,8 мВт, ал басып шығарылған компоненттері бар тізбектер үшін 33,1 мВт және 25,2 мВт. Сондықтан баспа тізбегінің жоғалуы 4 мВт3-тен 7,9 мВт жоғары. SMT құрамдастары бар тізбек. 6d-суреттегі толқын пішіні бойынша есептелген RMS индукторлық ток 25,6 мА құрайды. Оның сериялық кедергісі 4,9 Ом болғандықтан, күтілетін қуат жоғалуы 3,2 мВт. Бұл өлшенген 3,4 мВт тұрақты ток қуат айырмашылығының 96% құрайды. Сонымен қатар, схема басып шығарылған индукторлармен және басып шығарылған резисторлармен және басып шығарылған индукторлармен және SMT резисторларымен жасалған және олардың арасында айтарлықтай тиімділік айырмашылығы байқалмайды.
Содан кейін кернеу реттегіші икемді ПХД-де жасалады (тізбектің басып шығаруы және SMT компонентінің өнімділігі қосымша S1 суретінде көрсетілген) және қуат көзі ретінде икемді литий-ионды батарея мен жүктеме ретінде OLED массиві арасында қосылады. Лохнер және т.б. 9 OLED дисплейлерін жасау үшін әрбір OLED пикселі 5 В кернеуінде 0,6 мА тұтынады. Батарея сәйкесінше катод және анод ретінде литий кобальт оксиді мен графитті пайдаланады және батареяны басып шығарудың ең кең таралған әдісі болып табылатын дәрігер пышақпен жабынымен жасалады.7 аккумулятордың сыйымдылығы 16 мАч, ал сынақ кезінде кернеу 4,0 В. 7-суретте параллель қосылған үш OLED пикселін қуаттайтын икемді ПХД-дағы схеманың фотосы көрсетілген. Демонстрация басып шығарылған қуат компоненттерінің басқа құрылғылармен біріктіру мүмкіндігін көрсетті. күрделі электронды жүйелерді қалыптастыру үшін икемді және органикалық құрылғылар.
Үш органикалық жарықдиодты қуаттандыру үшін икемді литий-ионды батареяларды қолданып, басып шығарылған индукторлар мен резисторларды пайдаланатын икемді ПХД-дағы кернеу реттегішінің тізбегінің фотосы.
Біз қуатты электронды жабдықтың үстіңгі бекіткіш компоненттерін ауыстыру мақсатында икемді PET субстраттарындағы мәндер ауқымы бар экранды басып шығарылған индукторларды, конденсаторларды және резисторларды көрсеттік. Біз үлкен диаметрі бар спиралды жобалау арқылы толтыру жылдамдығын көрсеттік. , және сызық ені-кеңістік ені қатынасы және төмен кедергісі бар сияның қалың қабатын пайдалану арқылы. Бұл құрамдас бөліктер толығымен басып шығарылған және икемді RLC тізбегіне біріктірілген және ең үлкен болып табылатын кГц-МГц жиілік диапазонында болжамды электрлік әрекетті көрсетеді. энергетикалық электроникаға қызығушылық.
Басып шығарылған қуатты электрондық құрылғыларды пайдаланудың әдеттегі жағдайлары заряд күйіне сәйкес айнымалы кернеулерді генерациялай алатын икемді қайта зарядталатын батареялармен (литий-ион сияқты) жұмыс істейтін, киілетін немесе өніммен біріктірілген икемді электрондық жүйелер болып табылады. Жүктеме (басып шығару және басып шығаруды қоса алғанда) органикалық электрондық жабдық) тұрақты кернеуді немесе батарея шығаратын кернеуден жоғарырақ кернеуді қажет етеді, кернеу реттегіші қажет. Осы себепті басып шығарылған индукторлар мен резисторлар OLED-ді тұрақты кернеумен қуаттау үшін күшейткіш реттегішке дәстүрлі кремний IC-мен біріктірілген. айнымалы кернеулі аккумуляторлық қуат көзінен 5 В. Жүктеме тогы мен кіріс кернеуінің белгілі бір диапазонында бұл тізбектің ПӘК-і беткі индукторлар мен резисторларды пайдаланатын басқару тізбегінің ПӘК-нің 85%-дан асады. Материалдық және геометриялық оңтайландыруларға қарамастан, индуктордағы резистивті жоғалтулар бұрынғысынша жоғары ток деңгейлерінде (кіріс тогы шамамен 10 мА астам) тізбектің өнімділігі үшін шектеуші фактор болып табылады. Алайда, төменгі токтарда индуктордағы шығындар азаяды, ал жалпы өнімділік ПӘК арқылы шектеледі. Көптеген басып шығарылған және органикалық құрылғылар салыстырмалы түрде төмен токтарды қажет ететіндіктен, мысалы, біздің демонстрацияда пайдаланылған шағын OLED дисплейлері, басып шығарылған қуат индукторларын мұндай қолданбалар үшін қолайлы деп санауға болады. Төменгі ток деңгейлерінде ең жоғары тиімділікке арналған IC пайдалану арқылы, жоғары жалпы түрлендіргіш тиімділігіне қол жеткізуге болады.
Бұл жұмыста кернеу реттегіші дәстүрлі ПХД, икемді ПХД және беткі монтаждық құрамдас дәнекерлеу технологиясына негізделген, ал басып шығарылған компонент бөлек субстратта дайындалады. Дегенмен, экранды өндіру үшін төмен температура және жоғары тұтқыр сиялар пайдаланылады. басып шығарылған пленкалар пассивті құрамдас бөліктерді, сондай-ақ құрылғы мен беткі монтаждау құрамдас бөліктері арасындағы өзара байланысты кез келген субстратқа басып шығаруға мүмкіндік беруі керек. Бұл беткі монтаждау компоненттері үшін қолданыстағы төмен температуралы өткізгіш желімдерді қолданумен біріктірілген Бүкіл схеманы ПХД өңдеу сияқты субтрактивті процестерді қажет етпей, қымбат емес субстраттарға (мысалы, PET) салу керек. Сондықтан, осы жұмыста әзірленген экранда басып шығарылған пассивті компоненттер энергия мен жүктемелерді біріктіретін икемді электронды жүйелерге жол ашуға көмектеседі. Қымбат емес субстраттарды, негізінен аддитивті процестерді және ең аз беттік орнату компоненттерін пайдаланатын жоғары өнімді қуат электроникасымен.
Asys ASP01M экранды принтерін және Dynamesh Inc. ұсынған тот баспайтын болаттан жасалған экранды пайдаланып, пассивті компоненттердің барлық қабаттары қалыңдығы 76 мкм болатын икемді PET субстратында экранда басылды. Металл қабаттың тор өлшемі дюйміне 400 жол және 250 Диэлектрик қабаты мен қарсылық қабаты үшін дюймге сызықтар. 55 Н ысқырғыш күшін, басып шығару жылдамдығы 60 мм/с, үзу қашықтығы 1,5 мм және қаттылығы 65 (металл және резистивті үшін) Serilor сырғышты пайдаланыңыз. қабаттар) немесе экранды басып шығару үшін 75 (диэлектрлік қабаттар үшін).
Өткізгіш қабаттар — индукторлар мен конденсаторлар мен резисторлардың контактілері — DuPont 5082 немесе DuPont 5064H күміс микрофлейк сиясымен басылған. Резистор DuPont 7082 көміртекті өткізгішімен басылған. Диэлектрик конденсаторы үшін өткізгіш барий диэлектриктік қосылысы BT-10 титтанат пайдаланылады. Диэлектриктің әрбір қабаты пленканың біркелкілігін жақсарту үшін екі жолды (ылғалды-дымқыл) басып шығару циклін пайдаланып өндіріледі. Әрбір компонент үшін бірнеше басып шығару циклдерінің құрамдас өнімділігі мен өзгермелілігіне әсері зерттелді. Үлгілер бірдей материалдың бірнеше жабыны жабындар арасында 2 минут бойы 70 °C температурада кептірілді. Әрбір материалдың соңғы қабатын қолданғаннан кейін үлгілер толық кептіруді қамтамасыз ету үшін 140 °C температурада 10 минут пісірілді. Экранның автоматты туралау функциясы принтер келесі қабаттарды туралау үшін пайдаланылады. Индуктордың ортасымен байланыс DuPont 5064H сиясымен субстраттың артқы жағындағы трафареттік басып шығару іздерін және ортаңғы төсемдегі саңылауларды кесу арқылы қол жеткізіледі. Баспа жабдығы арасындағы өзара байланыс сонымен қатар Dupont жүйесін пайдаланады. 5064H трафаретімен басып шығару. 7-суретте көрсетілген икемді ПХД-де басып шығарылған компоненттер мен SMT құрамдастарын көрсету үшін басып шығарылған компоненттер Circuit Works CW2400 өткізгіш эпоксидті қолдану арқылы қосылады, ал SMT құрамдастары дәстүрлі дәнекерлеу арқылы қосылады.
Батареяның катоды мен аноды ретінде сәйкесінше литий кобальт оксиді (LCO) және графит негізіндегі электродтар пайдаланылады. Катодты суспензия 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% графит (KS6, Timcal), 2,5 қоспасы болып табылады. % көміртекті қара (Super P, Timcal) және 10% поливинилиденді фторид (PVDF, Kureha Corp.). ) Анод - салмағы 84% графит, 4 масса% көміртек және 13 масса% PVDF қоспасы.N-Метил-2-пирролидон (NMP, Sigma Aldrich) PVDF байланыстырғышын еріту және суспензияны тарату үшін қолданылады. түні бойы құйынды араластырғышпен араластыру. Қалыңдығы 0,0005 дюймдік баспайтын болаттан жасалған фольга және 10 мкм никель фольга катод пен анод үшін ток жинағыш ретінде пайдаланылады. Сия 20 басып шығару жылдамдығымен ысқырғышпен ағымдағы коллекторға басылады. мм/с.Еріткішті кетіру үшін электродты пеште 80 °C температурада 2 сағат бойы қыздырыңыз. Кептіруден кейінгі электродтың биіктігі шамамен 60 мкм, ал белсенді материалдың салмағына негізделген теориялық сыйымдылығы 1,65 мАч құрайды. /см2. Электродтар 1,3 × 1,3 см2 өлшемдерге кесіліп, түні бойы вакуумдық пеште 140 ° C температурада қыздырылды, содан кейін олар азот толтырылған қолғап қорапшасында алюминий ламинат пакеттерімен тығыздалған. Полипропилен пленкасының ерітіндісі аккумулятор электролиті ретінде анод пен катод және EC/DEC (1:1) ішіндегі 1M LiPF6 пайдаланылады.
Жасыл OLED поли(9,9-диоктилфторен-ко-n-(4-бутилфенил)-дифениламин) (TFB) және поли((9,9-диоктилфторен-2,7- (2,1,3-бензотиадиазол) 4, 8-diyl)) (F8BT) Lochner et al.
Пленка қалыңдығын өлшеу үшін Dektak стилус профилін пайдаланыңыз. Пленка сканерлеуші ​​электрондық микроскопия (SEM) арқылы зерттеуге көлденең қима үлгісін дайындау үшін кесілген. FEI Quanta 3D өрістік эмиссиялық пистолетті (FEG) SEM басып шығарылған материалдың құрылымын сипаттау үшін пайдаланылады. пленкаға түсіріп, қалыңдығын өлшеуді растаңыз. SEM зерттеуі 20 кВ жеделдету кернеуінде және 10 мм типтік жұмыс қашықтығында жүргізілді.
Тұрақты ток кедергісін, кернеуді және токты өлшеу үшін сандық мультиметрді пайдаланыңыз. Индукторлардың, конденсаторлардың және тізбектердің айнымалы ток кедергісі 1 МГц төмен жиіліктер үшін Agilent E4980 LCR өлшегішінің көмегімен өлшенеді және 500 кГц-тен жоғары жиіліктерді өлшеу үшін Agilent E5061A желілік анализаторы пайдаланылады. Кернеу реттегішінің толқын пішінін өлшеуге арналған Tektronix TDS 5034 осциллографы.
Бұл мақаланы қалай келтіруге болады: Ostfeld, AE, т. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Натан, А. және т.б. Икемді электроника: келесі барлық жерде қолданылатын платформа. Процесс IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Топтар адамдармен кездесетін орын. 2015 жылғы Еуропалық конференцияда және дизайн, автоматтандыру және сынақтар көрмесінде жарияланған қағаз, Гренобль, Франция. Сан-Хосе, Калифорния: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 наурыз- 13).
Krebs, FC т.б. OE-A OPV демонстраторы anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Али, М., Пракаш, Д., Циллгер, Т., Сингх, ПК & Хюблер, айнымалы токпен басып шығарылатын пьезоэлектрлік энергия жинау құрылғылары. Жетілдірілген энергетикалық материалдар.4. 1300427 (2014 ж.).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-басылған жалпақ қалың пленка термоэлектрлік энергия генераторы.J. Микромеханика Микроинженерия 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Басып шығарылған электрондық құрылғыларды қуаттандыру үшін пайдаланылатын икемді жоғары потенциалды басып шығарылған батарея. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA. Басылған икемді батареялардағы соңғы әзірлемелер: механикалық қиындықтар, басып шығару технологиясы және болашақ перспективалар. Энергия технологиясы.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. т.б. Үлкен аумақты электрондық құрылғылар мен құрылымдық денсаулық мониторингі үшін CMOS IC біріктіретін ауқымды зондтау жүйесі. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).