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L'additivi è i prucessi di stampa à bassa temperatura ponu integrà diversi apparecchi elettronichi chì cunsumanu energia è chì cunsumanu energia nantu à sustrati flessibili à low cost.However, a produzzione di sistemi elettronichi cumpleti da sti dispusitivi di solitu esige apparecchi elettronichi di putenza per cunvertisce trà e diverse tensioni di funziunamentu di i dispusitivi. Cumpunenti passivi-inductors, capacitors, è resistors-realizà funzioni cum'è filtru, almacenamentu d'energia à cortu tempu, è misurazione di tensione, chì sò essenziali in l'elettronica di putenza è parechje altre applicazioni. resistors è circuiti RLC serigrafiati nantu à sustrati plastichi flessibili, è rappurtate u prucessu di cuncepimentu per minimizzà a resistenza di serie di induttori in modu chì ponu esse usatu in i dispositi elettronici di putere. L'inductor stampatu è a resistenza sò tandu incorporati in u circuitu di regulatore di spinta. diodi organici emettitori di luce e batterie flessibili agli ioni di litio. I regulatori di tensione sò usati per alimentà i diodi da a bateria, dimustrendu u putenziale di cumpunenti passivi stampati per rimpiazzà i cumpunenti tradiziunali di superficia in l'applicazioni di cunvertitori DC-DC.
Nta l'ultimi anni, l'appiecazione di parechji dispusitivi flessibili in i prudutti elettronichi wearable è di grande area è l'Internet of Things1,2 hè statu sviluppatu. Questi includenu i dispusitivi di cugliera d'energia, cum'è fotovoltaic 3, piezoelectric 4, è termoelectric 5; dispusitivi di almacenamentu di energia, cum'è batterie 6, 7; è i dispusitivi chì cunsumanu energia, cum'è sensors 8, 9, 10, 11, 12, è fonti di luce 13.Anchi si hè statu fattu un grande prugressu in e fonti d'energia individuali è carichi, cumminendu sti cumpunenti in un sistema elettronicu cumpletu, di solitu abbisogna l'elettronica di putenza. superà ogni discrepanza trà u cumpurtamentu di l'alimentazione è i requisiti di carica. Per esempiu, una batteria genera una tensione variabile secondu u so statu di carica. Se a carica richiede una tensione constante, o più altu ch'è a tensione chì a batteria pò generà, l'elettronica di putenza hè necessaria. .L'elettronica di putenza usanu cumpunenti attivi (transistors) per eseguisce funzioni di cambiamentu è di cuntrollu, è ancu di cumpunenti passivi (induttori, condensatori è resistori). , un condensatore hè utilizatu per riduce l'ondulazione di tensione, è a misurazione di tensione necessaria per u cuntrollu di feedback hè fatta cù un divisore di resistenza.
L'apparecchi elettronici di putenza chì sò adattati per i dispositi purtati (cum'è l'oximetru di pulso 9) necessitanu parechji volti è parechji milliamps, generalmente operanu in a gamma di frequenze da centinaia di kHz à parechji MHz, è necessitanu parechji μH è parechji μH induttanza è A capacità μF hè 14 rispettivamente. U metudu tradiziunale di fabricazione di sti circuiti hè di saldare cumpunenti discreti à un circuitu stampatu rigidu (PCB). Ancu s'è i cumpunenti attivi di i circuiti elettronichi di putenza sò generalmente cumminati in un unicu circuitu integratu di silicuu (IC), i cumpunenti passivi sò generalmente. esterni, sia chì permettenu circuiti persunalizati, sia perchè l'induttanza è a capacità necessaria sò troppu grande per esse implementate in siliciu.
In cunfrontu cù a tecnulugia di fabricazione tradiziunale basata in PCB, a fabricazione di i dispositi elettronichi è di i circuiti per mezu di u prucessu di stampa additiva hà assai vantaghji in termini di simplicità è costu. Prima, postu chì parechji cumpunenti di u circuitu necessitanu i stessi materiali, cum'è metalli per i cuntatti. è interconnessioni, stampa permette à parechji cumpunenti per esse fabbricati à u listessu tempu, cù relativamente pochi passi di trasfurmazioni è menu fonti di materiali15. L'usu di prucessi additivi per rimpiazzà i prucessi sottrattivi, cum'è a fotolitografia è l'incisione, riduce ancu a cumplessità di u prucessu è i rifiuti di materiale16, 17, 18, è 19.In più, i bassu temperature utilizati in a stampa sò cumpatibili cù sustrati plastichi flexibles è di prezzu, chì permettenu l'usu di prucessi di fabricazione roll-to-roll d'alta velocità per copre i dispositi elettronici 16, 20 nantu à grandi spazii. chì ùn pò micca esse realizatu cumplettamente cù cumpunenti stampati, i metudi hibridi sò stati sviluppati in quale i cumpunenti di a tecnulugia di superficia (SMT) sò cunnessi à sustrati flessibili 21, 22, 23 accantu à i cumpunenti stampati à bassa temperature.In questu approcciu hibridu, hè sempre. necessariu di rimpiazzà quant'è più cumpunenti SMT pussibule cù i contraparti stampati per ottene i benefici di prucessi supplementari è aumentà a flessibilità generale di u circuitu. In ordine per realizà l'elettronica di putenza flexible, avemu prupostu una cumminazione di cumpunenti attivi SMT è passivi stampati in serigrafia. cumpunenti, cù un enfasi particulari nantu à rimpiazzà induttori SMT voluminosi cù induttori spirali planari. À mezu à e diverse tecnulugia per a fabricazione di l'elettronica stampata, a serigrafia hè particularmente adattata per i cumpunenti passivi per via di u so grossu spessore di film (chì hè necessariu per minimizzà a resistenza di serie di caratteristiche metalliche). ) è alta velocità di stampa, ancu quandu copre zoni à livellu centimetru U stessu hè veru à volte.Materiale 24.
A perdita di cumpunenti passivi di l'equipaggiu elettronicu di putenza deve esse minimizzata, perchè l'efficienza di u circuitu affetta direttamente a quantità di energia necessaria per alimentà u sistema. Questu hè soprattuttu sfida per induttori stampati cumposti da bobine longu, chì sò dunque suscettibili à alta serie. Resistance.Therefore, ancu s'è certi sforzi sò stati fatti per minimizzà a resistenza 25, 26, 27, 28 di e bobine stampate, ci hè sempre una mancanza di cumpunenti passivi stampati d'alta efficienza per i dispositi elettronici di putenza. i cumpunenti nantu à sustrati flessibili sò pensati per operare in circuiti risonanti per l'identificazione di radiofrequenza (RFID) o scopi di cugliera d'energia 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. L'altri si focalizeghjanu nantu à u sviluppu di materiale o di prucessu di fabricazione è mostranu cumpunenti generici. 26, 32, 33, 34 chì ùn sò micca ottimisati per applicazioni specifiche. In cuntrastu, i circuiti elettronichi di putenza, cum'è i regulatori di tensione, spessu usanu cumpunenti più grossi cà i dispositi passivi stampati tipici è ùn anu micca bisognu di risonanza, cusì sò richiesti diversi disinni di cumpunenti.
Quì, introducemu u disignu è l'ottimisazione di induttori serigrafati in a gamma μH per ottene a più chjuca resistenza di serie è un altu rendimentu à frequenze ligate à l'elettronica di putenza. Induttori, condensatori è resistori stampati in serigrafia cù diversi valori di cumpunenti sò fabbricati. nantu à sustrati plastichi flessibili. L'adattabilità di questi cumpunenti per i prudutti elettronici flessibili hè stata prima dimustrata in un circuitu RLC simplice. L'induttore stampatu è a resistenza sò integrati dopu cù l'IC per furmà un regulatore di spinta. ) è una bateria flexible di lithium-ion sò fabbricati, è un regulatore di tensione hè utilizatu per alimentà l'OLED da a bateria.
Per cuncepisce induttori stampati per l'elettronica di putenza, avemu prima predichendu l'induttanza è a resistenza DC di una serie di geometrie inductori basate nantu à u mudellu di foglia attuale prupostu in Mohan et al. 35, è fabricate induttori di diverse geometrie per cunfirmà A precisione di u mudellu. In questu travagliu, una forma circular hè stata scelta per l'inductor perchè una inductance più alta 36 pò esse ottenuta cù una resistenza più bassa paragunata à una geometria poligonale. L'influenza di tinta. tipu è nùmeru di ciculi di stampa nantu à a resistenza hè determinata. Questi risultati sò stati tandu utilizati cù u mudellu ammeteru per designà induttori 4,7 μH è 7,8 μH ottimizzati per a resistenza minima DC.
L'induttanza è a resistenza DC di induttori spirali ponu esse descritte da parechji paràmetri: diametru esternu do, larghezza di volta w è spaziatura s, nùmeru di giri n, è resistenza di foglia di cunduttore Rsheet.Figura 1a mostra una foto di un inductor circular stampatu in serigrafia. cù n = 12, chì mostra i paràmetri geomettichi chì determinanu a so inductance.Secunnu u mudellu ammeteru di Mohan et al. 35, l'induttanza hè calculata per una seria di geometrii induttori, induve
(a) Una foto di l'inductor stampatu in schermu chì mostra i paràmetri geometrichi. U diametru hè 3 cm. Inductance (b) è resistenza DC (c) di diverse geometries inductor. I linii è i marchi currispondenu à i valori calculati è misurati, rispettivamente. (d, e) E resistenze DC di l'induttori L1 è L2 sò stampate cù inchiostri d'argentu Dupont 5028 è 5064H, rispettivamente. (f, g) Micrografie SEM di i filmi stampati da Dupont 5028 è 5064H, rispettivamente.
À frequenze alte, l'effettu di a pelle è a capacità parasita cambianu a resistenza è l'induttanza di l'inductance secondu u so valore DC. L'inductor hè previstu di travaglià à una freccia abbastanza bassa chì questi effetti sò insignificanti, è u dispusitivu si cumporta cum'è una inductance constante. cun una resistenza custanti in serie.Per quessa, in stu travagliu, avemu analizatu a rilazioni trà paràmetri geomètrica, inductance, è resistenza DC, è usatu i risultati pè ottene una data inductance cù a più chjuca resistenza DC.
L'induttanza è a resistenza sò calculate per una seria di paràmetri geometrichi chì ponu esse realizati da serigrafia, è hè prevista chì l'induttanza in a gamma μH serà generata. I diametri esterni di 3 è 5 cm, a larghezza di linea di 500 è 1000 microns. , è parechji giri sò paragunati.In u calculu, si assume chì a resistenza di u fogliu hè 47 mΩ/□, chì currisponde à una strata di cunduttore microflake d'argentu Dupont 5028 di 7 μm di spessore stampata cù una schermu di 400 mesh è setting w = s.The I valori di inductance è resistenza calculati sò mostrati in Figura 1b è c, rispettivamente. U mudellu predice chì l'induttanza è a resistenza aumentanu cum'è u diametru esternu è u numeru di giri aumentanu, o cum'è a larghezza di a linea diminuisce.
Per evaluà l'accuratezza di e predizioni di mudelli, induttori di diverse geometrie è induttanza sò stati fabbricati nantu à un sustrato di polietilene tereftalato (PET). L'induttanza misurata è i valori di resistenza sò mostrati in Figura 1b è c. u valore previstu, soprattuttu per via di cambiamenti in u gruixu è l'uniformità di l'inchiostru dipositu, l'induttanza dimustrava assai bonu accordu cù u mudellu.
Questi risultati ponu esse usatu per designà un inductance cù l'induttanza necessaria è a resistenza minima DC. di 500 μm, è 10 turni. A stessa induttanza pò ancu esse generata cù 5 cm di diametru esternu, 500 μm di larghezza di linea è 5 volte o 1000 μm di larghezza di linea è 7 volte (cum'è mostra in a figura). geometries pussibuli in Figura 1c, si pò truvà chì a resistenza più bassu di un inductor di 5 cm cù una larghezza di linea di 1000 μm hè 34 Ω, chì hè circa 40% più bassu di l'altri dui. cù una resistenza minima hè riassuntu cum'è seguitu: Prima, selezziunate u diametru esternu massimu permissibile secondu a limitazione di u spaziu impostu da l'applicazione. Allora, a larghezza di a linea deve esse u più grande pussibule mentre ancu ottene l'induttanza necessaria per ottene una alta rata di riempimentu. (equazione (3)).
Aumentendu u gruixu o aduprendu un materiale cun conductività più altu per riduce a resistenza di foglia di u film metallicu, a resistenza DC pò esse ridutta più senza affettà l'induttanza. sò fabbricati cù parechji numeri di rivestimenti per evaluà u cambiamentu in a resistenza. Cum'è u numeru di rivestimenti di tinta aumenta, a resistenza diminuite proporzionalmente cum'è previstu, cum'è mostra in Figure 1d è e, chì sò induttori L1 è L2, rispettivamente.Figures 1d è e dimustrà chì cù l'applicazione di 6 strati di revestimentu, a resistenza pò esse ridutta finu à 6 volte, è a riduzzione massima di resistenza (50-65%) si trova trà a capa 1 è a capa 2. Siccomu ogni capa di tinta hè relativamente magre, un schermu cù una dimensione di griglia relativamente chjuca (400 linee per inch) hè utilizatu per stampà sti induttori, chì ci permette di studià l'effettu di u grossu di u cunduttore nantu à a resistenza. Finu à chì e caratteristiche di u mudellu fermanu più grande di a risoluzione minima di a griglia, un gruixu simili (è a resistenza) pò esse ottinutu più veloce da stampà un nùmeru più chjuca di rivestimenti cù una griglia size.This metudu pò esse usatu per ottene a stessa resistenza DC cum'è l'inductor 6-coated discutitu quì, ma cù una vitezza di pruduzzione più altu.
I figuri 1d è e mostranu ancu chì utilizendu a tinta di fiocchi d'argentu più conduttivi DuPont 5064H, a resistenza hè ridutta da un fattore di dui. vistu chì a conductività più bassa di a tinta 5028 hè duvuta à a so dimensione di particella più chjuca è a prisenza di parechji vuoti trà i particeddi in u film stampatu. Per d 'altra banda, 5064H hà fiocchi più grossi è più stretti disposti, facendu si cumportanu più vicinu à a massa. silver.Anche se a film prodotta da questa tinta hè più fina di a tinta 5028, cù una sola capa di 4 μm è 6 strati di 22 μm, l'aumentu di a conduttività hè abbastanza per riduce a resistenza generale.
Infine, ancu s'è l'induttanza (equazione (1)) dipende da u numeru di giri (w + s), a resistenza (equazione (5)) dipende solu da a larghezza di linea w. Per quessa, aumentendu w relative à s, a resistenza. ponu esse ridotti ancu più. I dui induttori supplementari L3 è L4 sò designati per avè w = 2s è un grande diametru esternu, cum'è mostra in a Tabella 1. Questi induttori sò fabbricati cù 6 strati di revestimentu DuPont 5064H, cum'è mostratu prima, per furnisce u più altu rendiment.L'induttanza di L3 hè 4.720 ± 0.002 μH è a resistenza hè 4.9 ± 0.1 Ω, mentri l'induttanza di L4 hè 7.839 ± 0.005 μH è 6.9 ± 0.1 Ω, chì sò in bonu accordu cù u mudellu di prediczione. Aumentu di u grossu, di a conductività è di w/s, questu significa chì u rapportu L/R hà aumentatu di più di un ordine di grandezza relative à u valore in Figura 1.
Ancu s'è a bassa resistenza DC hè promettente, a valutazione di l'idoneità di l'induttori per l'equipaggiu elettronicu di putenza chì operanu in a gamma kHz-MHz richiede una carattarizazione in frequencies AC. A figura 2a mostra a dependenza di frequenza di a resistenza è a reattanza di L3 è L4. , a resistenza ferma apprussimatamente constante à u so valore DC, mentri a reattanza aumenta linearmente cù a frequenza, chì significa chì l'induttanza hè custante cum'è l'aspittava. L3 essendu 35.6 ± 0.3 MHz è L4 essendu 24.3 ± 0.6 MHz. A dependenza di frequenza di u fattore di qualità Q (uguale à ωL/R) hè mostrata in a Figura 2b. L3 è L4 ghjunghjenu fatturi di qualità massimi di 35 ± 1 è 33 ± 1. à frequenze di 11 è 16 MHz, rispettivamente. L'induttanza di uni pochi μH è a Q relativamente alta à frequenze MHz facenu questi induttori abbastanza per rimpiazzà induttori tradiziunali di superficia in cunvertitori DC-DC di bassa putenza.
A resistenza misurata R è a reattanza X (a) è u fattore di qualità Q (b) di l'induttori L3 è L4 sò ligati à a frequenza.
Per minimizzà l'impronta necessaria per una capacità data, hè megliu utilizà a tecnulugia di condensatore cù una grande capacità specifica, chì hè uguale à a constant dielettrica ε divisu da u grossu di u dielectric. cum'è u dielettricu perchè hà un epsilon più altu ch'è l'altri dielectrics.The dielettricu organicu trattatu suluzione. U stratu dielettricu hè stampatu à schermu trà i dui cunduttori d'argentu per furmà una struttura metallica-dielettrica-metallica. Condensatori cù diverse dimensioni in centimetri, cum'è mostra in Figura 3a , sò fabbricati cù dui o trè strati di tinta dielettrica per mantene un bonu rendimentu. A figura 3b mostra un micrografu SEM transversale di un condensatore rappresentativu fattu cù dui strati di dielettricu, cù un grossu dielettricu tutale di 21 μm. L'elettrodi superiore è inferiore. sò una strata è sei strati 5064H rispettivamente. Particelle di titanate di bario micron-sized sò visibili in l'imaghjini SEM perchè i zoni più brillanti sò circundati da u binder organicu più scuru. L'inchiostru dielettricu wet l'elettrodu di fondu bè è forma una interfaccia chjara cù u film di metallu stampatu, cum'è mostra in l'illustrazione cù un ingrandimentu più altu.
(a) Una foto di un condensatore cù cinque aree diverse. (b) Micrografia SEM trasversale di un condensatore cù dui strati di dielettricu, chì mostra dielettricu di titanatu di bario è elettrodi d'argentu. (c) Capacità di condensatori cù 2 è 3 titanate di bario. strati dielettricu è zoni diffirenti, misurata à 1 MHz. (d) A relazione trà a capacità, ESR, è u fattore di perdita di un capacitor 2,25 cm2 cù 2 strati di rivestimenti dielettrici è frequenza.
A capacità hè proporzionale à l'area prevista. Comu mostra in a Figura 3c, a capacità specifica di u dielettricu di dui strati hè 0,53 nF / cm2, è a capacità specifica di u dielettricu di trè strati hè 0,33 nF / cm2. Questi valori currispondenu à una constant dielettrica di 13. A capacità è u fattore di dissipazione (DF) sò stati misurati ancu in frequenze diverse, cum'è mostra in a Figura 3d, per un condensatore di 2,25 cm2 cù dui strati di dielectric.Avemu trovu chì a capacità era relativamente flat in a freccia di freccia d'interessu, aumentendu da 20% da 1 à 10 MHz, mentre chì in u stessu intervallu, DF hà aumentatu da 0,013 à 0,023. Siccomu u fattore di dissipazione hè u rapportu di perdita di energia à l'energia almacenata in ogni ciculu AC, un DF di 0,02 significa chì 2% di u putere trattatu da u condensatore hè cunsumatu. Sta perdita hè generalmente spressione cum'è a resistenza di serie equivalente (ESR) dipendente da a freccia in serie cù u condensatore, chì hè uguali à DF / ωC. As mostra in a Figura 3d, per frequenzi più grande di 1 MHz, ESR. hè più bassu di 1,5 Ω, è per frequenze più grande di 4 MHz, ESR hè più bassu di 0,5 Ω. Ancu se utilizendu sta tecnulugia di condensatori, i condensatori di livellu μF necessarii per i cunvertitori DC-DC necessitanu una zona assai grande, ma u 100 pF-nF. gamma capacitance è bassu perdita di sti capacitors li facenu adattatu per altri appiicazioni, cum'è filtri è circuiti resonant .Various metudi pò ièssiri usatu a cresce u capacitance.A custanti dielectric supiriuri cresce u capacitance specifichi 37; per esempiu, questu pò esse rializatu da l'aumentu di a cuncentrazione di particeddi di titanate di bario in l'inchiostru. Un grossu dielettricu più chjucu pò esse usatu, ancu s'ellu hè bisognu di un elettrodu di fondu cù una rugosità più bassa chì un flake d'argentu serigrafatu. strati ponu esse dipositu da stampa inkjet 31 o stampa gravure 10, chì pò esse cumminata cù un prucessu di stampa di serigrafia. Infine, parechji strati alternati di metalli è dielettrici ponu esse impilati è stampati è cunnessi in parallelu, aumentendu cusì a capacità di 34 per unità di area. .
Un divisore di tensione cumpostu da un paru di resistori hè di solitu usatu per realizà a misurazione di tensione necessaria per u cuntrollu di feedback di un regulatore di tensione. i dispusitivi hè small.Here, hè statu trovu chì a resistenza foglia di l'inchiostru di carbone stampatu in una sola capa era 900 Ω / □.Questa infurmazione hè aduprata per designà dui resistori lineari (R1 è R2) è una resistenza serpentina (R3). ) cù resistenze nominali di 10 kΩ, 100 kΩ, è 1,5 MΩ. A resistenza trà i valori nominali hè ottenuta da stampendu dui o trè strati di tinta, cum'è mostra in a Figura 4, è e foto di e trè resistenze. 12 campioni di ogni tipu; in tutti i casi, a deviazione standard di a resistenza hè di 10% o menu. U cambiamentu di resistenza di i campioni cù dui o trè strati di revestimentu tende à esse ligeramente più chjuca di quelli di mostra cù una capa di revestimentu. U picculu cambiamentu in a resistenza misurata. è l'accordu strettu cù u valore nominale indicanu chì altre resistenze in questa gamma ponu esse direttamente ottenute mudificà a geometria di a resistenza.
Trè geometria di resistori diffirenti cù parechji numeri di revestimenti di tinta di carbone resistivi. A foto di trè resistori hè mostrata à a diritta.
I circuiti RLC sò esempi classici di testi di cumminazzioni di resistori, induttori è capacitori utilizati per dimustrà è verificà u cumpurtamentu di cumpunenti passivi integrati in circuiti stampati reali. A resistenza di 25 kΩ hè cunnessa in parallelu cù elli. A foto di u circuitu flexible hè mostrata in Figura 5a. U mutivu di a scelta di sta cumminazione seria-parallela speciale hè chì u so cumpurtamentu hè determinatu da ognuna di i trè cumpunenti di freccia diffirenti, cusì chì A prestazione di ogni cumpunente pò esse evidenziata è evaluata. In cunsiderà a resistenza di a serie 7 Ω di l'induttore è l'ESR 1,3 Ω di u condensatore, a risposta di frequenza prevista di u circuitu hè stata calculata. U schema di circuitu hè mostratu in Figura 5b, è u calculu hè statu calculatu. L'amplitude di l'impedenza è a fasa è i valori misurati sò mostrati in Figure 5c è d. À frequenze bassu, l'impedenza alta di u condensatore significa chì u cumpurtamentu di u circuitu hè determinatu da a resistenza di 25 kΩ. Quandu a frequenza aumenta, l'impedenza di a strada LC diminuisce; u cumpurtamentu di u circuitu tutale hè capacitivu finu à chì a frequenza di risonanza hè 2.0 MHz. Sopra a frequenza di risonanza, l'impedenza induttiva domina. A figura 5 mostra chjaramente l'accordu eccellente trà i valori calculati è misurati in tutta a gamma di freccia. Questu significa chì u mudellu utilizatu. quì (induve induttori è condensatori sò cumpunenti ideali cù resistenza in serie) hè precisu per predichendu u cumpurtamentu di u circuitu à queste frequenze.
(a) Una foto di un circuitu RLC serigrafatu chì usa una combinazione di serie di un induttore di 8 μH è un condensatore di 0,8 nF in parallelu cù una resistenza di 25 kΩ. (b) Modellu di circuitu chì include a resistenza in serie di induttore è condensatore. (c) ,d) L'amplitude d'impedenza (c) è a fase (d) di u circuitu.
Infine, induttori stampati è resistori sò implementati in u regulatore di spinta. L'IC utilizatu in questa manifestazione hè Microchip MCP1640B14, chì hè un regulatore di impulsu sincronu basatu in PWM cù una frequenza operativa di 500 kHz. U schema di circuitu hè mostratu in Figura 6a.A. 4.7 μH inductor è dui capacitors (4.7 μF è 10 μF) sò usati cum'è elementi di almacenamento di energia, è un paru di resistori sò usati per misurà a tensione di output di u cuntrollu di feedback.Select u valore di resistenza per aghjustà a tensione di output à 5 V. U circuitu hè fabbricatu nantu à u PCB, è u so rendimentu hè misuratu in a resistenza di carica è in a gamma di tensione d'ingressu da 3 à 4 V per simulà a bateria di lithium-ion in diversi stati di carica. efficienza di induttori SMT è resistors.SMT capacitors sò usati in tutti i casi perchè a capacità necessaria per sta dumanda hè troppu grande per esse cumpletu cù capacitors stampati.
(a) Schema di u circuitu stabilizzatore di tensione. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw, è (d) Forme d'onda di corrente chì scorri in l'induttore, a tensione d'ingressu hè 4.0 V, a resistenza di carica hè 1 kΩ, è l'induttore stampatu hè utilizatu per misurà. Resistori è condensatori di superficia sò usati per questa misurazione. (e) Per diverse resistenze di carica è tensioni d'ingressu, l'efficienza di i circuiti di regulatori di tensione chì utilizanu tutti i cumpunenti di superficia è induttori stampati è resistori (f). ) U rapportu di efficienza di a muntagna in superficia è u circuitu stampatu indicatu in (e).
Per a tensione di input 4.0 V è a resistenza di carica 1000 Ω, e forme d'onda misurate cù induttori stampati sò mostrati in Figura 6b-d. A Figura 6c mostra a tensione à u terminal Vsw di l'IC; a tensione di l'inductor hè Vin-Vsw.Figura 6d mostra u currente chì scorri in l'inductor.L'efficienza di u circuitu cù SMT è cumpunenti stampati hè mostratu in Figura 6e cum'è una funzione di tensione di input è resistenza di carica, è Figura 6f mostra u rapportu di efficienza. di cumpunenti stampati à cumpunenti SMT. L'efficienza misurata cù i cumpunenti SMT hè simile à u valore previstu datu in a scheda di dati di u fabricatore 14.At currenti d'ingressu altu (resistenza di carica bassa è tensione d'ingressu bassu), l'efficienza di induttori stampati hè significativamente più bassu chè quellu di induttori SMT per via di a resistenza di serie più altu. Tuttavia, cù una tensione d'entrata più alta è una corrente di output più alta, a perdita di resistenza diventa menu impurtante, è a prestazione di induttori stampati principia à avvicinassi à quella di induttori SMT. = 4.0 V o> 750 Ω è Vin = 3.5 V, l'efficienza di induttori stampati hè più grande di 85% di induttori SMT.
Paragunendu a forma d'onda attuale in a Figura 6d cù a perdita di putenza misurata mostra chì a perdita di resistenza in l'inductor hè a causa principale di a diffarenza di efficienza trà u circuitu stampatu è u circuitu SMT, cum'è l'aspittava. A putenza di input è output misurata à 4.0 V. A tensione di input è a resistenza di carica 1000 Ω sò 30,4 mW è 25,8 mW per i circuiti cù cumpunenti SMT, è 33,1 mW è 25,2 mW per i circuiti cù cumpunenti stampati. circuitu cù cumpunenti SMT. U currente induttore RMS calculatu da a forma d'onda in Figura 6d hè 25,6 mA. Siccomu a so resistenza di serie hè 4,9 Ω, a perdita di putenza prevista hè 3,2 mW. Questu hè u 96% di a differenza di putenza DC misurata 3,4 mW. In più, u circuitu hè fabricatu cù induttori stampati è resistori stampati è induttori stampati è resistori SMT, è ùn hè micca osservata differenza significativa di efficienza trà elli.
Allora u regulatore di tensione hè fabbricatu nantu à u PCB flessibile (a stampa di u circuitu è ​​a prestazione di i cumpunenti SMT sò mostrati in a Figura Supplementaria S1) è cunnessu trà a bateria flessibile di lithium-ion cum'è fonte di energia è l'array OLED cum'è carica. Sicondu Lochner et al. 9 Per fabricà OLEDs, ogni pixel OLED cunsuma 0.6 mA à 5 V. A bateria usa l'ossidu di cobalt di lithium è u grafite cum'è catodu è anodu, rispettivamente, è hè fabricatu da un revestimentu di lama di doctor, chì hè u metudu di stampa di bateria più cumuni. a capacità di a bateria hè 16mAh, è a tensione durante a prova hè 4.0V. A figura 7 mostra una foto di u circuitu nantu à u PCB flexible, chì alimenta trè pixel OLED cunnessi in parallel. dispusitivi flessibili è organici per furmà sistemi elettronici più cumplessi.
Una foto di u circuitu di regulatore di tensione nantu à un PCB flexible cù induttori stampati è resistori, utilizendu batterie di lithium-ion flexible per alimentà trè LED organici.
Avemu dimustratu induttori, condensatori è resistori stampati cù una gamma di valori nantu à sustrati PET flessibili, cù u scopu di rimpiazzà i cumpunenti di superficia di muntagna in l'equipaggiu elettronicu di putenza. , è u rapportu di larghezza di u spaziu di a linea, è utilizendu un grossu stratu di inchiostru di bassa resistenza. Questi cumpunenti sò integrati in un circuitu RLC cumpletamente stampatu è flessibile è mostranu un cumpurtamentu elettricu prevedibile in a gamma di frequenze kHz-MHz, chì hè di più grande. interessu à l'elettronica di putenza.
I casi d'usu tipici per i dispositi elettronichi di putenza stampati sò sistemi elettronici flessibili wearable o integrati in u produttu, alimentati da batterie rechargeable flexibles (cum'è lithium-ion), chì ponu generà tensioni variabili secondu u statu di carica. l'equipaggiu elettronicu organicu) necessita una tensione constante o più altu ch'è a tensione di output da a bateria, hè necessariu un regulatore di tensione. Per quessa, induttori stampati è resistori sò integrati cù IC di siliciu tradiziunale in un regulatore di spinta per alimentà l'OLED cù una tensione constante. di 5 V da un supply.In una certa gamma di corrente di carica è tensione d'ingressu, l'efficienza di stu circuitu supera u 85% di l'efficienza di un circuitu di cuntrollu cù induttori è resistori di superficia. e perdite resistive in l'inductor sò sempre u fattore limitante per u rendiment di u circuitu à livelli di corrente elevati (corrente d'entrata più grande di circa 10 mA). Tuttavia, à i currenti più bassi, i perditi in l'inductor sò ridotti, è u rendiment generale hè limitatu da l'efficienza. di l'IC.Since parechji dispusitivi stampati è organici necessitanu currenti relativamente bassu, cum'è i picculi OLED utilizati in a nostra dimustrazione, induttori di putenza stampati ponu esse cunsiderati adattati per tali applicazioni. più altu efficienza generale converter pò esse rializatu.
In questu travagliu, u regulatore di tensione hè custruitu nantu à u PCB tradiziunale, u PCB flexible è a tecnulugia di saldatura di cumpunenti di superficia, mentre chì u cumpunente stampatu hè fabbricatu nantu à un substrate separatu. I filmi stampati duveranu permette cumpunenti passivi, è ancu l'interconnessione trà u dispusitivu è i pads di cuntattu di i cumpunenti di a superficia, per esse stampati nantu à qualsiasi sustrato. Questu, cumminatu cù l'usu di adesivi conduttivi esistenti à bassa temperatura per i cumpunenti di superficia, permetterà. u circuitu tutale per esse custruitu nantu à sustrati di prezzu (cum'è PET) senza a necessità di prucessi sottrattivi cum'è l'incisione PCB. Per quessa, i cumpunenti passivi seri stampati sviluppati in stu travagliu aiutanu à apre a strada per sistemi elettronici flessibili chì integranu energia è carichi. cù l'elettronica di putenza d'altu rendiment, utilizendu sustrati di prezzu, principarmenti prucessi additivi è minimu U numaru di cumpunenti di superficia muntagna.
Utilizendu a stampante di schermu Asys ASP01M è una schernu d'acciaio inossidabile furnita da Dynamesh Inc., tutti i strati di cumpunenti passivi sò stati stampati nantu à un sustrato PET flexible cù un spessore di 76 μm. A dimensione di maglia di a strata metallica hè 400 linee per inch è 250. lines per inch per a strata dielettrica è a resistenza layer.Use una forza di squeegee di 55 N, una velocità di stampa di 60 mm / s, una distanza di rottura di 1,5 mm, è una squeegee Serilor cù una durezza di 65 (per metalli è resistivi). strati) o 75 (per strati dielettrici) per serigrafia.
I strati conduttivi - l'induttori è i cuntatti di i condensatori è resistori - sò stampati cù DuPont 5082 o DuPont 5064H inchiostru microflake d'argentu. A resistenza hè stampata cù DuPont 7082 cunduttore di carbone. hè utilizatu.Ogni stratu di dielettricu hè pruduciutu utilizendu un ciculu di stampa di dui passaghji (wet-wet) per migliurà l'uniformità di a film.Per ogni cumpunente, l'effettu di i cicli di stampa multiplici nantu à u rendiment è a variabilità di i cumpunenti hè statu esaminatu. parechji rivestimenti di u stessu materiale sò stati secchi à 70 ° C per 2 minuti trà i rivestimenti. Dopu l'applicazione di l'ultimu mantellu di ogni materiale, i campioni sò stati cotti à 140 ° C per 10 minuti per assicurà un seccu cumpletu. L'impresora hè aduprata per allineà i strati successivi. U cuntattu cù u centru di l'induttore hè ottenutu da tagliate un foru attraversu nantu à u pad centru è tracce di stampa stencil in u spinu di u sustrato cù tinta DuPont 5064H. L'interconnessione trà l'equipaggiu di stampa usa ancu Dupont. 5064H stencil printing.In ordine per vede i cumpunenti stampati è i cumpunenti SMT nantu à u PCB flexible mostratu in a Figura 7, i cumpunenti stampati sò cunnessi cù l'epoxy conductive Circuit Works CW2400, è i cumpunenti SMT sò cunnessi da a saldatura tradiziunale.
L'ossidu di cobalt di lithium (LCO) è l'elettrodi basati in grafite sò usati cum'è catodu è anodu di a bateria, rispettivamente. U cathode slurry hè una mistura di 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% grafite (KS6, Timcal), 2.5 % carbon black (Super P, Timcal) è 10% polyvinylidene fluorure (PVDF, Kureha Corp.). ) L'anodu hè una mistura di 84wt% graphite, 4wt% carbon black and 13wt% PVDF. N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) hè utilizatu per dissolve u ligatu PVDF è disperse u slurry.The slurry was homogenized by stirring with a vortex mixer overnight.A 0.0005 inch thicken steel foil and a 10 μm nickel foil sò usati cum'è cullettori currenti per u catodu è l'anodu, rispettivamente. L'inchiostru hè stampatu nantu à u cullettore attuale cù una squeegee à una velocità di stampa di 20. mm / s.Heat l'elettrodu in un fornu à 80 ° C per 2 ore per sguassà u solvent.L'altezza di l'elettrodu dopu à l'asciugatura hè di circa 60 μm, è basatu annantu à u pesu di u materiale attivu, a capacità teorica hè 1,65 mAh. / cm2.L'elettrodi sò stati tagliati in dimensioni di 1,3 × 1,3 cm2 è riscaldati in un fornu vacuum à 140 ° C per a notte, è dopu sò stati sigillati cù sacchetti di laminati d'aluminiu in una scatula di guanti di nitrogenu. anodu è catodu è 1M LiPF6 in EC / DEC (1: 1) hè utilizatu cum'è l'elettrolitu di a bateria.
L'OLED verde hè custituitu da poli(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) è poli((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole-). 4, 8-diyl)) (F8BT) secondu a prucedura descritta in Lochner et al 9.
Aduprate Dektak stylus profiler per misurà u spessore di film. A film hè stata tagliata per preparà una mostra trasversale per l'investigazione per microscopia elettronica à scanning (SEM). U SEM FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) hè utilizatu per caratterizà a struttura di u stampatu. filmu è cunfirmà a misura di spessore. U studiu SEM hè statu realizatu à una tensione accelerante di 20 keV è una distanza di travagliu tipica di 10 mm.
Aduprate un multimetru digitale per misurà a resistenza DC, a tensione è u currente. L'impedenza AC di induttori, condensatori è circuiti hè misurata cù u metru Agilent E4980 LCR per frequenze sottu 1 MHz è l'analizzatore di rete Agilent E5061A hè utilizatu per a misurazione di frequenze sopra 500 kHz. Oscilloscope Tektronix TDS 5034 per misurà a forma d'onda di u regulatore di tensione.
Cumu cita stu articulu: 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.Paper publicatu à a Conferenza è Exhibition Europea 2015 in 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 stampatu dispusitivi di cugliera di energia piezoelectric.Materiali avanzati di energia.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generatore di energia termoelettrica di film spessa stampata da dispenser.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Una batteria stampata flessibile d'altu potenziale utilizata per alimentà i dispositi elettronici stampati.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA L'ultimi sviluppi in batterie flexible stampate: sfidi meccanichi, tecnulugia di stampa è prospettive future. Tecnulugia energetica.3, 305-328 (2015).
Hu, Y. etc.Un sistema di sensazione di grande scala chì combina i dispositi elettronichi di grande area è CMOS ICs per u monitoraghju di a salute strutturale.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513-523 (2014).