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Gli additivi e i processi di stampa a bassa temperatura possono integrare vari dispositivi elettronici ad alto consumo energetico su substrati flessibili a basso costo. Tuttavia, la produzione di sistemi elettronici completi da questi dispositivi di solito richiede dispositivi elettronici di potenza per la conversione tra le varie tensioni operative di i dispositivi. I componenti passivi (induttori, condensatori e resistori) svolgono funzioni come il filtraggio, l'accumulo di energia a breve termine e la misurazione della tensione, che sono essenziali nell'elettronica di potenza e in molte altre applicazioni. In questo articolo presentiamo induttori, condensatori, resistori e circuiti RLC serigrafati su substrati di plastica flessibili e riportano il processo di progettazione per ridurre al minimo la resistenza in serie degli induttori in modo che possano essere utilizzati in dispositivi elettronici di potenza. L'induttore e il resistore stampati vengono quindi incorporati nel circuito del regolatore boost.Produzione di diodi organici emettitori di luce e batterie flessibili agli ioni di litio. I regolatori di tensione vengono utilizzati per alimentare i diodi della batteria, dimostrando il potenziale dei componenti passivi stampati per sostituire i tradizionali componenti a montaggio superficiale nelle applicazioni di convertitori CC-CC.
Negli ultimi anni è stata sviluppata l'applicazione di vari dispositivi flessibili in prodotti elettronici indossabili e di grandi dimensioni e nell'Internet delle cose1,2. Questi includono dispositivi di raccolta di energia, come fotovoltaico 3, piezoelettrico 4 e termoelettrico 5; dispositivi di accumulo di energia, come batterie 6, 7; e dispositivi che consumano energia, come sensori 8, 9, 10, 11, 12 e sorgenti luminose 13. Sebbene siano stati compiuti grandi progressi nelle singole fonti e carichi di energia, la combinazione di questi componenti in un sistema elettronico completo di solito richiede che l'elettronica di potenza superare qualsiasi discrepanza tra il comportamento dell'alimentatore e i requisiti del carico. Ad esempio, una batteria genera una tensione variabile in base al suo stato di carica. Se il carico richiede una tensione costante, o superiore alla tensione che la batteria può generare, è necessaria l'elettronica di potenza L'elettronica di potenza utilizza componenti attivi (transistor) per eseguire funzioni di commutazione e controllo, nonché componenti passivi (induttori, condensatori e resistori). Ad esempio, in un circuito regolatore di commutazione, un induttore viene utilizzato per immagazzinare energia durante ogni ciclo di commutazione , viene utilizzato un condensatore per ridurre l'ondulazione di tensione e la misurazione della tensione richiesta per il controllo del feedback viene eseguita utilizzando un partitore resistivo.
I dispositivi elettronici di potenza adatti per dispositivi indossabili (come il pulsossimetro 9) richiedono diversi volt e diversi milliampere, solitamente funzionano nell'intervallo di frequenza da centinaia di kHz a diversi MHz e richiedono diversi μH e diversi μH induttanza e la capacità μF è 14 rispettivamente. Il metodo tradizionale di produzione di questi circuiti consiste nel saldare componenti discreti su un circuito stampato rigido (PCB). Sebbene i componenti attivi dei circuiti elettronici di potenza siano solitamente combinati in un singolo circuito integrato (IC) in silicio, i componenti passivi sono solitamente esterno, consentendo circuiti personalizzati o perché l'induttanza e la capacità richieste sono troppo grandi per essere implementate nel silicio.
Rispetto alla tradizionale tecnologia di produzione basata su PCB, la produzione di dispositivi e circuiti elettronici attraverso il processo di stampa additiva presenta molti vantaggi in termini di semplicità e costi. Innanzitutto, poiché molti componenti del circuito richiedono gli stessi materiali, come i metalli per i contatti e interconnessioni, la stampa consente di produrre più componenti contemporaneamente, con relativamente poche fasi di lavorazione e meno fonti di materiali15. L’uso di processi additivi per sostituire processi sottrattivi come la fotolitografia e l’incisione riduce ulteriormente la complessità del processo e gli sprechi di materiale16, 17, 18 e 19. Inoltre, le basse temperature utilizzate nella stampa sono compatibili con substrati plastici flessibili ed economici, consentendo l'uso di processi di produzione roll-to-roll ad alta velocità per coprire dispositivi elettronici 16, 20 su vaste aree. Per applicazioni che non possono essere completamente realizzati con componenti stampati, sono stati sviluppati metodi ibridi in cui i componenti con tecnologia a montaggio superficiale (SMT) sono collegati a substrati flessibili 21, 22, 23 accanto ai componenti stampati a basse temperature. In questo approccio ibrido, è ancora necessario sostituire il maggior numero possibile di componenti SMT con controparti stampate per ottenere i vantaggi di processi aggiuntivi e aumentare la flessibilità complessiva del circuito. Per realizzare elettronica di potenza flessibile, abbiamo proposto una combinazione di componenti attivi SMT e passivi serigrafati componenti, con particolare attenzione alla sostituzione degli ingombranti induttori SMT con induttori a spirale planare. Tra le varie tecnologie per la produzione di componenti elettronici stampati, la serigrafia è particolarmente adatta per componenti passivi a causa del suo ampio spessore del film (necessario per ridurre al minimo la resistenza in serie delle caratteristiche metalliche ) e un'elevata velocità di stampa, anche quando si coprono aree a livello di centimetri. Lo stesso vale a volte. Materiale 24.
La perdita di componenti passivi delle apparecchiature elettroniche di potenza deve essere ridotta al minimo, poiché l'efficienza del circuito influisce direttamente sulla quantità di energia richiesta per alimentare il sistema. Ciò è particolarmente impegnativo per gli induttori stampati composti da bobine lunghe, che sono quindi suscettibili a serie elevate resistenza.Pertanto, nonostante siano stati compiuti alcuni sforzi per ridurre al minimo la resistenza 25, 26, 27, 28 delle bobine stampate, mancano ancora componenti passivi stampati ad alta efficienza per dispositivi elettronici di potenza. Ad oggi, molti hanno riportato componenti passivi stampati i componenti su substrati flessibili sono progettati per funzionare in circuiti risonanti per l'identificazione a radiofrequenza (RFID) o per scopi di raccolta di energia 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Altri si concentrano sullo sviluppo di materiali o processi di produzione e mostrano componenti generici 26, 32, 33, 34 che non sono ottimizzati per applicazioni specifiche. Al contrario, i circuiti elettronici di potenza come i regolatori di tensione spesso utilizzano componenti più grandi rispetto ai tipici dispositivi passivi stampati e non richiedono risonanza, quindi sono necessarie progettazioni di componenti diverse.
Qui presentiamo la progettazione e l'ottimizzazione degli induttori serigrafati nella gamma μH per ottenere la resistenza in serie più piccola e prestazioni elevate alle frequenze correlate all'elettronica di potenza. Vengono prodotti induttori, condensatori e resistori serigrafati con vari valori dei componenti su substrati di plastica flessibili. L'idoneità di questi componenti per prodotti elettronici flessibili è stata dimostrata per la prima volta in un semplice circuito RLC. L'induttore e il resistore stampati vengono quindi integrati con l'IC per formare un regolatore boost. Infine, un diodo organico a emissione di luce (OLED ) e una batteria flessibile agli ioni di litio vengono prodotti e viene utilizzato un regolatore di tensione per alimentare l'OLED dalla batteria.
Per progettare induttori stampati per l'elettronica di potenza, abbiamo prima previsto l'induttanza e la resistenza CC di una serie di geometrie di induttori basati sull'attuale modello a foglio proposto in Mohan et al. 35 e induttori fabbricati di diverse geometrie per confermare l'accuratezza del modello. In questo lavoro, è stata scelta una forma circolare per l'induttore perché è possibile ottenere un'induttanza 36 più elevata con una resistenza inferiore rispetto a una geometria poligonale. L'influenza dell'inchiostro vengono determinati il ​​tipo e il numero di cicli di stampa sulla resistenza. Questi risultati sono stati poi utilizzati con il modello dell'amperometro per progettare induttori da 4,7 μH e 7,8 μH ottimizzati per una resistenza CC minima.
L'induttanza e la resistenza CC degli induttori a spirale possono essere descritte da diversi parametri: diametro esterno do, larghezza di spira w e spaziatura s, numero di spire n e resistenza del foglio conduttore Rsheet. La Figura 1a mostra una foto di un induttore circolare serigrafato con n = 12, che mostra i parametri geometrici che ne determinano l'induttanza. Secondo il modello amperometrico di Mohan et al. 35, l'induttanza viene calcolata per una serie di geometrie di induttori, dove
(a) Una foto dell'induttore serigrafato che mostra i parametri geometrici. Il diametro è 3 cm. Induttanza (b) e resistenza CC (c) di varie geometrie dell'induttore. Le linee e i segni corrispondono rispettivamente ai valori calcolati e misurati. (d, e) Le resistenze CC degli induttori L1 e L2 sono serigrafate rispettivamente con inchiostri argento Dupont 5028 e 5064H. (f, g) Micrografie SEM delle pellicole serigrafate rispettivamente da Dupont 5028 e 5064H.
Alle alte frequenze, l'effetto pelle e la capacità parassita modificheranno la resistenza e l'induttanza dell'induttore in base al suo valore CC. Si prevede che l'induttore funzioni a una frequenza sufficientemente bassa da rendere questi effetti trascurabili e il dispositivo si comporta come un'induttanza costante con una resistenza costante in serie. Pertanto, in questo lavoro, abbiamo analizzato la relazione tra parametri geometrici, induttanza e resistenza CC e utilizzato i risultati per ottenere una determinata induttanza con la resistenza CC più piccola.
L'induttanza e la resistenza vengono calcolate per una serie di parametri geometrici che possono essere realizzati mediante serigrafia e si prevede che venga generata un'induttanza nell'intervallo μH. I diametri esterni di 3 e 5 cm, la larghezza della linea di 500 e 1000 micron , e vengono confrontate varie spire. Nel calcolo, si presuppone che la resistenza del foglio sia 47 mΩ/□, che corrisponde a uno strato conduttore in microscaglie d'argento Dupont 5028 spesso 7 μm, stampato con uno schermo da 400 mesh e impostazione w = s. i valori di induttanza e resistenza calcolati sono mostrati rispettivamente nelle Figure 1b e c. Il modello prevede che sia l'induttanza che la resistenza aumentino all'aumentare del diametro esterno e del numero di spire, o al diminuire della larghezza della linea.
Per valutare l'accuratezza delle previsioni del modello, induttori di varie geometrie e induttanze sono stati fabbricati su un substrato di polietilene tereftalato (PET). I valori misurati di induttanza e resistenza sono mostrati nelle Figure 1b e c. Sebbene la resistenza abbia mostrato una certa deviazione da rispetto al valore atteso, principalmente a causa dei cambiamenti nello spessore e nell'uniformità dell'inchiostro depositato, l'induttanza ha mostrato un ottimo accordo con il modello.
Questi risultati possono essere utilizzati per progettare un induttore con l'induttanza richiesta e la resistenza CC minima. Ad esempio, supponiamo che sia richiesta un'induttanza di 2 μH. La Figura 1b mostra che questa induttanza può essere realizzata con un diametro esterno di 3 cm, una larghezza della linea di 500 μm e 10 spire. La stessa induttanza può essere generata anche utilizzando un diametro esterno di 5 cm, una larghezza di linea di 500 μm e 5 spire oppure una larghezza di linea di 1000 μm e 7 spire (come mostrato in figura). Confronto delle resistenze di questi tre possibili geometrie nella Figura 1c, si può scoprire che la resistenza più bassa di un induttore da 5 cm con una larghezza di linea di 1000 μm è 34 Ω, che è circa il 40% inferiore rispetto agli altri due. Il processo di progettazione generale per ottenere una determinata induttanza con una resistenza minima è riassunto come segue: Innanzitutto, selezionare il diametro esterno massimo consentito in base ai vincoli di spazio imposti dall'applicazione. Quindi, la larghezza della linea dovrebbe essere la più grande possibile pur raggiungendo l'induttanza richiesta per ottenere un tasso di riempimento elevato (equazione (3)).
Aumentando lo spessore o utilizzando un materiale con conduttività maggiore per ridurre la resistenza del foglio del film metallico, la resistenza DC può essere ulteriormente ridotta senza influenzare l'induttanza. Due induttori, i cui parametri geometrici sono riportati nella Tabella 1, chiamati L1 e L2, sono prodotti con un numero diverso di rivestimenti per valutare la variazione di resistenza. All'aumentare del numero di rivestimenti di inchiostro, la resistenza diminuisce proporzionalmente come previsto, come mostrato nelle Figure 1d ed e, che sono rispettivamente induttori L1 e L2. Figure 1d ed e mostrano che applicando 6 strati di rivestimento, la resistenza può essere ridotta fino a 6 volte e la riduzione massima della resistenza (50-65%) si verifica tra lo strato 1 e lo strato 2. Poiché ogni strato di inchiostro è relativamente sottile, a Per stampare questi induttori viene utilizzato uno schermo con una dimensione della griglia relativamente piccola (400 linee per pollice), che ci consente di studiare l'effetto dello spessore del conduttore sulla resistenza. Finché le caratteristiche del modello rimangono più grandi della risoluzione minima della griglia, un uno spessore (e una resistenza) simili può essere ottenuto più velocemente stampando un numero minore di rivestimenti con una dimensione della griglia maggiore. Questo metodo può essere utilizzato per ottenere la stessa resistenza CC dell'induttore a 6 rivestimenti discusso qui, ma con una velocità di produzione più elevata.
Le Figure 1d ed e mostrano inoltre che utilizzando l'inchiostro a scaglie d'argento più conduttivo DuPont 5064H, la resistenza viene ridotta di un fattore due. Dalle micrografie SEM delle pellicole stampate con i due inchiostri (Figura 1f, g), si può visto che la minore conduttività dell'inchiostro 5028 è dovuta alla dimensione delle particelle più piccole e alla presenza di molti vuoti tra le particelle nella pellicola stampata. D'altra parte, l'inchiostro 5064H ha scaglie più grandi e disposte più ravvicinate, che lo fanno comportare più vicino alla massa argento. Sebbene la pellicola prodotta da questo inchiostro sia più sottile dell'inchiostro 5028, con un singolo strato di 4 μm e 6 strati di 22 μm, l'aumento di conduttività è sufficiente a ridurre la resistenza complessiva.
Infine, sebbene l'induttanza (equazione (1)) dipenda dal numero di spire (w + s), la resistenza (equazione (5)) dipende solo dalla larghezza della linea w. Pertanto, aumentando w rispetto a s, la resistenza può essere ulteriormente ridotto. I due induttori aggiuntivi L3 e L4 sono progettati per avere w = 2s e un diametro esterno ampio, come mostrato nella Tabella 1. Questi induttori sono realizzati con 6 strati di rivestimento DuPont 5064H, come mostrato in precedenza, per fornire la massime prestazioni. L'induttanza di L3 è 4,720 ± 0,002 μH e la resistenza è 4,9 ± 0,1 Ω, mentre l'induttanza di L4 è 7,839 ± 0,005 μH e 6,9 ​​± 0,1 Ω, che sono in buon accordo con la previsione del modello. A causa del aumento di spessore, conduttività e w/s, ciò significa che il rapporto L/R è aumentato di più di un ordine di grandezza rispetto al valore nella Figura 1.
Sebbene la bassa resistenza CC sia promettente, la valutazione dell'idoneità degli induttori per apparecchiature elettroniche di potenza funzionanti nella gamma kHz-MHz richiede la caratterizzazione alle frequenze CA. La Figura 2a mostra la dipendenza dalla frequenza della resistenza e della reattanza di L3 e L4. Per frequenze inferiori a 10 MHz , la resistenza rimane più o meno costante al suo valore CC, mentre la reattanza aumenta linearmente con la frequenza, il che significa che l'induttanza è costante come previsto. La frequenza di autorisonanza è definita come la frequenza alla quale l'impedenza cambia da induttiva a capacitiva, con L3 è 35,6 ± 0,3 MHz e L4 è 24,3 ± 0,6 MHz. La dipendenza dalla frequenza del fattore di qualità Q (uguale a ωL/R) è mostrata nella Figura 2b. L3 e L4 raggiungono fattori di qualità massimi di 35 ± 1 e 33 ± 1 alle frequenze di 11 e 16 MHz, rispettivamente. L'induttanza di pochi μH e il Q relativamente elevato alle frequenze MHz rendono questi induttori sufficienti a sostituire i tradizionali induttori a montaggio superficiale nei convertitori CC-CC a bassa potenza.
La resistenza misurata R e la reattanza X (a) e il fattore di qualità Q (b) degli induttori L3 e L4 sono correlati alla frequenza.
Per ridurre al minimo l'ingombro richiesto per una determinata capacità, è meglio utilizzare la tecnologia dei condensatori con una grande capacità specifica, pari alla costante dielettrica ε divisa per lo spessore del dielettrico. In questo lavoro, abbiamo scelto il composito di titanato di bario come dielettrico perché ha un epsilon più elevato rispetto ad altri dielettrici organici solubilizzati. Lo strato dielettrico è serigrafato tra i due conduttori d'argento per formare una struttura metallo-dielettrico-metallo. Condensatori di varie dimensioni in centimetri, come mostrato in Figura 3a , sono prodotti utilizzando due o tre strati di inchiostro dielettrico per mantenere una buona resa. La Figura 3b mostra una micrografia SEM in sezione trasversale di un condensatore rappresentativo realizzato con due strati di dielettrico, con uno spessore dielettrico totale di 21 μm. Gli elettrodi superiore e inferiore sono rispettivamente 5064H a uno strato e sei strati. Le particelle di titanato di bario di dimensioni micron sono visibili nell'immagine SEM perché le aree più luminose sono circondate dal legante organico più scuro. L'inchiostro dielettrico bagna bene l'elettrodo inferiore e forma un'interfaccia chiara con l'elettrodo pellicola metallica stampata, come mostrato nell'illustrazione con ingrandimento maggiore.
(a) Una foto di un condensatore con cinque aree diverse. (b) Micrografia SEM in sezione trasversale di un condensatore con due strati di dielettrico, che mostra dielettrico di titanato di bario ed elettrodi d'argento. (c) Capacità di condensatori con 2 e 3 titanato di bario strati dielettrici e aree diverse, misurati a 1 MHz. (d) La relazione tra capacità, ESR e fattore di perdita di un condensatore da 2,25 cm2 con 2 strati di rivestimenti dielettrici e frequenza.
La capacità è proporzionale all'area prevista. Come mostrato nella Figura 3c, la capacità specifica del dielettrico a due strati è 0,53 nF/cm2 e la capacità specifica del dielettrico a tre strati è 0,33 nF/cm2. Questi valori corrispondono a una costante dielettrica di 13. sono stati misurati anche la capacità e il fattore di dissipazione (DF) a frequenze diverse, come mostrato nella Figura 3d, per un condensatore da 2,25 cm2 con due strati di dielettrico. Abbiamo scoperto che la capacità era relativamente piatta nell'intervallo di frequenza di interesse, aumentando del 20% da 1 a 10 MHz, mentre nello stesso intervallo, DF è aumentato da 0,013 a 0,023. Poiché il fattore di dissipazione è il rapporto tra la perdita di energia e l'energia immagazzinata in ciascun ciclo CA, un DF di 0,02 significa che il 2% della potenza gestita dal condensatore viene consumato. Questa perdita è solitamente espressa come resistenza in serie equivalente (ESR) dipendente dalla frequenza in serie con il condensatore, che è uguale a DF/ωC. Come mostrato nella Figura 3d, per frequenze superiori a 1 MHz, ESR è inferiore a 1,5 Ω e per frequenze superiori a 4 MHz, l'ESR è inferiore a 0,5 Ω. Sebbene utilizzando questa tecnologia di condensatori, i condensatori di livello μF richiesti per i convertitori CC-CC richiedono un'area molto ampia, ma i 100 pF-nF l'intervallo di capacità e la bassa perdita di questi condensatori li rendono adatti per altre applicazioni, come filtri e circuiti risonanti. Vari metodi possono essere utilizzati per aumentare la capacità. Una costante dielettrica più elevata aumenta la capacità specifica 37; ad esempio, ciò può essere ottenuto aumentando la concentrazione di particelle di titanato di bario nell'inchiostro. È possibile utilizzare uno spessore dielettrico inferiore, sebbene ciò richieda un elettrodo inferiore con una rugosità inferiore rispetto a un fiocco d'argento serigrafato. Condensatore più sottile e con rugosità inferiore gli strati possono essere depositati mediante stampa a getto d'inchiostro 31 o stampa rotocalco 10, che può essere combinata con un processo di serigrafia. Infine, più strati alternati di metallo e dielettrico possono essere impilati, stampati e collegati in parallelo, aumentando così la capacità 34 per unità di area .
Un partitore di tensione composto da una coppia di resistori viene solitamente utilizzato per eseguire la misurazione della tensione richiesta per il controllo di retroazione di un regolatore di tensione. Per questo tipo di applicazione, la resistenza del resistore stampato dovrebbe essere nell'intervallo kΩ-MΩ e la differenza tra i dispositivi sono piccoli. In questo caso, si è scoperto che la resistenza del foglio dell'inchiostro al carbonio serigrafato a strato singolo era di 900 Ω/□. Queste informazioni vengono utilizzate per progettare due resistori lineari (R1 e R2) e un resistore a serpentina (R3 ) con resistenze nominali di 10 kΩ, 100 kΩ e 1,5 MΩ. La resistenza tra i valori nominali si ottiene stampando due o tre strati di inchiostro, come mostrato nella Figura 4, e le foto delle tre resistenze. Fai 8- 12 campioni di ogni tipo; in tutti i casi, la deviazione standard della resistenza è pari o inferiore al 10%. La variazione di resistenza dei campioni con due o tre strati di rivestimento tende ad essere leggermente inferiore a quella dei campioni con uno strato di rivestimento. La piccola variazione nella resistenza misurata e lo stretto accordo con il valore nominale indicano che altre resistenze in questo intervallo possono essere ottenute direttamente modificando la geometria del resistore.
Tre diverse geometrie di resistori con diversi numeri di rivestimenti di inchiostro resistivo al carbonio. La foto di tre resistori è mostrata a destra.
I circuiti RLC sono classici esempi da manuale di combinazioni di resistore, induttore e condensatore utilizzati per dimostrare e verificare il comportamento dei componenti passivi integrati in circuiti stampati reali. In questo circuito, un induttore da 8 μH e un condensatore da 0,8 nF sono collegati in serie e un In parallelo ad essi è collegata una resistenza da 25 kΩ. La foto del circuito flessibile è mostrata in Figura 5a. Il motivo per scegliere questa speciale combinazione serie-parallelo è che il suo comportamento è determinato da ciascuna delle tre diverse componenti di frequenza, in modo che il è possibile evidenziare e valutare le prestazioni di ciascun componente. Considerando la resistenza in serie di 7 Ω dell'induttore e l'ESR di 1,3 Ω del condensatore, è stata calcolata la risposta in frequenza prevista del circuito. Lo schema del circuito è mostrato nella Figura 5b e il valore calcolato l'ampiezza e la fase dell'impedenza e i valori misurati sono mostrati nelle Figure 5c e d. Alle basse frequenze, l'elevata impedenza del condensatore significa che il comportamento del circuito è determinato dal resistore da 25 kΩ. All'aumentare della frequenza, l'impedenza di il percorso LC diminuisce; l'intero comportamento del circuito è capacitivo fino a quando la frequenza di risonanza è di 2,0 MHz. Al di sopra della frequenza di risonanza prevale l'impedenza induttiva. La Figura 5 mostra chiaramente l'eccellente accordo tra i valori calcolati e misurati nell'intero intervallo di frequenza. Ciò significa che il modello utilizzato qui (dove induttori e condensatori sono componenti ideali con resistenza in serie) è accurato per prevedere il comportamento del circuito a queste frequenze.
(a) Una foto di un circuito RLC serigrafato che utilizza una combinazione in serie di un induttore da 8 μH e un condensatore da 0,8 nF in parallelo con un resistore da 25 kΩ. (b) Modello di circuito che include la resistenza in serie di induttore e condensatore. (c ,d) L'ampiezza dell'impedenza (c) e la fase (d) del circuito.
Infine, nel regolatore boost sono implementati induttori e resistori stampati. Il circuito integrato utilizzato in questa dimostrazione è Microchip MCP1640B14, un regolatore boost sincrono basato su PWM con una frequenza operativa di 500 kHz. Lo schema del circuito è mostrato nella Figura 6a.A Un induttore da 4,7 μH e due condensatori (4,7 μF e 10 μF) vengono utilizzati come elementi di accumulo dell'energia e una coppia di resistori viene utilizzata per misurare la tensione di uscita del controllo feedback. Selezionare il valore della resistenza per regolare la tensione di uscita su 5 V. Il circuito è realizzato sul PCB e le sue prestazioni vengono misurate entro la resistenza di carico e l'intervallo di tensione di ingresso da 3 a 4 V per simulare la batteria agli ioni di litio in vari stati di carica. L'efficienza degli induttori e dei resistori stampati viene confrontata con quella efficienza degli induttori e dei resistori SMT. I condensatori SMT vengono utilizzati in tutti i casi perché la capacità richiesta per questa applicazione è troppo grande per essere completata con condensatori stampati.
(a) Schema del circuito di stabilizzazione della tensione. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw e (d) Forme d'onda della corrente che scorre nell'induttore, la tensione di ingresso è 4,0 V, la resistenza di carico è 1 kΩ, e l'induttore stampato viene utilizzato per misurare. Per questa misurazione vengono utilizzati resistori e condensatori a montaggio superficiale. (e) Per varie resistenze di carico e tensioni di ingresso, l'efficienza dei circuiti regolatori di tensione che utilizzano tutti i componenti a montaggio superficiale e induttori e resistori stampati. (f ) Il rapporto di efficienza del montaggio superficiale e del circuito stampato mostrato in (e).
Per una tensione di ingresso di 4,0 V e una resistenza di carico di 1000 Ω, le forme d'onda misurate utilizzando induttori stampati sono mostrate nella Figura 6b-d. La Figura 6c mostra la tensione al terminale Vsw dell'IC; la tensione dell'induttore è Vin-Vsw. La Figura 6d mostra la corrente che scorre nell'induttore. L'efficienza del circuito con SMT e componenti stampati è mostrata nella Figura 6e in funzione della tensione di ingresso e della resistenza di carico, e la Figura 6f mostra il rapporto di efficienza dei componenti stampati ai componenti SMT. L'efficienza misurata utilizzando i componenti SMT è simile al valore atteso indicato nella scheda tecnica del produttore 14. Con corrente di ingresso elevata (bassa resistenza di carico e bassa tensione di ingresso), l'efficienza degli induttori stampati è significativamente inferiore a quella degli induttori SMT a causa della resistenza in serie più elevata. Tuttavia, con una tensione di ingresso e una corrente di uscita più elevate, la perdita di resistenza diventa meno importante e le prestazioni degli induttori stampati iniziano ad avvicinarsi a quelle degli induttori SMT. Per resistenze di carico > 500 Ω e Vin = 4,0 V o >750 Ω e Vin = 3,5 V, l'efficienza degli induttori stampati è superiore all'85% degli induttori SMT.
Confrontando la forma d'onda della corrente nella Figura 6d con la perdita di potenza misurata si vede che la perdita di resistenza nell'induttore è la causa principale della differenza di efficienza tra il circuito stampato e il circuito SMT, come previsto. La potenza in ingresso e in uscita misurata a 4,0 V tensione di ingresso e resistenza di carico di 1000 Ω sono 30,4 mW e 25,8 mW per circuiti con componenti SMT e 33,1 mW e 25,2 mW per circuiti con componenti stampati. Pertanto, la perdita del circuito stampato è di 7,9 mW, ovvero 3,4 mW superiore alla circuito con componenti SMT. La corrente dell'induttore RMS calcolata dalla forma d'onda nella Figura 6d è 25,6 mA. Poiché la sua resistenza in serie è 4,9 Ω, la perdita di potenza prevista è di 3,2 mW. Questo corrisponde al 96% della differenza di potenza CC misurata di 3,4 mW. Inoltre, il circuito è prodotto con induttori stampati e resistori stampati e induttori stampati e resistori SMT e tra loro non si osserva alcuna differenza significativa in termini di efficienza.
Quindi il regolatore di tensione viene fabbricato sul PCB flessibile (la stampa del circuito e le prestazioni dei componenti SMT sono mostrati nella Figura supplementare S1) e collegato tra la batteria flessibile agli ioni di litio come fonte di alimentazione e l'array OLED come carico. Secondo Lochner et al. 9 Per produrre gli OLED, ciascun pixel OLED consuma 0,6 mA a 5 V. La batteria utilizza ossido di litio cobalto e grafite rispettivamente come catodo e anodo ed è prodotta mediante rivestimento con racla, che è il metodo di stampa più comune per batterie.7 la capacità della batteria è di 16 mAh e la tensione durante il test è di 4,0 V. La Figura 7 mostra una foto del circuito sul PCB flessibile, che alimenta tre pixel OLED collegati in parallelo. La dimostrazione ha dimostrato il potenziale di integrazione dei componenti di alimentazione stampati con altri dispositivi flessibili e organici per formare sistemi elettronici più complessi.
Una foto del circuito regolatore di tensione su un PCB flessibile che utilizza induttori e resistori stampati, utilizzando batterie flessibili agli ioni di litio per alimentare tre LED organici.
Abbiamo mostrato induttori, condensatori e resistori serigrafati con una gamma di valori su substrati flessibili in PET, con l'obiettivo di sostituire i componenti a montaggio superficiale nelle apparecchiature elettroniche di potenza. Abbiamo dimostrato che progettando una spirale di grande diametro, la velocità di riempimento e il rapporto larghezza della linea-larghezza dello spazio e utilizzando uno spesso strato di inchiostro a bassa resistenza. Questi componenti sono integrati in un circuito RLC completamente stampato e flessibile e mostrano un comportamento elettrico prevedibile nella gamma di frequenze kHz-MHz, che è la più grande interesse per l'elettronica di potenza.
I tipici casi d'uso dei dispositivi elettronici stampati sono i sistemi elettronici flessibili indossabili o integrati nel prodotto, alimentati da batterie flessibili ricaricabili (come agli ioni di litio), che possono generare tensioni variabili in base allo stato di carica. Se il carico (compresa la stampa e apparecchiature elettroniche organiche) richiede una tensione costante o superiore alla tensione in uscita dalla batteria, è necessario un regolatore di tensione. Per questo motivo, induttori e resistori stampati sono integrati con i tradizionali circuiti integrati al silicio in un regolatore boost per alimentare l'OLED con una tensione costante di 5 V da un alimentatore a batteria a tensione variabile. Entro un certo intervallo di corrente di carico e tensione di ingresso, l'efficienza di questo circuito supera l'85% dell'efficienza di un circuito di controllo che utilizza induttori e resistori a montaggio superficiale. Nonostante le ottimizzazioni materiali e geometriche, Le perdite resistive nell'induttore sono ancora il fattore limitante per le prestazioni del circuito a livelli di corrente elevati (corrente di ingresso maggiore di circa 10 mA). Tuttavia, a correnti più basse, le perdite nell'induttore sono ridotte e le prestazioni complessive sono limitate dall'efficienza del circuito integrato. Poiché molti dispositivi stampati e organici richiedono correnti relativamente basse, come i piccoli OLED utilizzati nella nostra dimostrazione, gli induttori di potenza stampati possono essere considerati adatti per tali applicazioni. Utilizzando circuiti integrati progettati per avere la massima efficienza a livelli di corrente inferiori, è possibile ottenere un'efficienza complessiva del convertitore più elevata.
In questo lavoro, il regolatore di tensione è costruito sulla tradizionale tecnologia di saldatura PCB, PCB flessibile e componenti a montaggio superficiale, mentre il componente stampato è prodotto su un substrato separato. Tuttavia, gli inchiostri a bassa temperatura e ad alta viscosità utilizzati per produrre schermi le pellicole stampate dovrebbero consentire la stampa su qualsiasi substrato di componenti passivi, nonché dell'interconnessione tra il dispositivo e i cuscinetti di contatto dei componenti a montaggio superficiale. Ciò, combinato con l'uso degli adesivi conduttivi a bassa temperatura esistenti per i componenti a montaggio superficiale, consentirà l'intero circuito deve essere costruito su substrati economici (come il PET) senza la necessità di processi sottrattivi come l'incisione del PCB. Pertanto, i componenti passivi serigrafati sviluppati in questo lavoro aiutano ad aprire la strada a sistemi elettronici flessibili che integrano energia e carichi con elettronica di potenza ad alte prestazioni, utilizzando substrati economici, principalmente processi additivi e un numero minimo di componenti a montaggio superficiale.
Utilizzando la stampante serigrafica Asys ASP01M e uno schermo in acciaio inossidabile fornito da Dynamesh Inc., tutti gli strati di componenti passivi sono stati serigrafati su un substrato PET flessibile con uno spessore di 76 μm. La dimensione della maglia dello strato metallico è di 400 linee per pollice e 250 linee per pollice per lo strato dielettrico e lo strato di resistenza. Utilizzare una forza della racla di 55 N, una velocità di stampa di 60 mm/s, una distanza di rottura di 1,5 mm e una racla Serilor con una durezza di 65 (per metallo e resistivo strati) o 75 (per strati dielettrici) per serigrafia.
Gli strati conduttivi, gli induttori e i contatti di condensatori e resistori, sono stampati con inchiostro microscagliato argento DuPont 5082 o DuPont 5064H. Il resistore è stampato con conduttore di carbonio DuPont 7082. Per il dielettrico del condensatore, il composto conduttivo BT-101 dielettrico al titanato di bario viene utilizzato. Ogni strato di dielettrico viene prodotto utilizzando un ciclo di stampa a due passaggi (bagnato-bagnato) per migliorare l'uniformità della pellicola. Per ciascun componente, è stato esaminato l'effetto di più cicli di stampa sulle prestazioni e sulla variabilità del componente. Campioni realizzati con più rivestimenti dello stesso materiale sono stati essiccati a 70 °C per 2 minuti tra un rivestimento e l'altro. Dopo aver applicato l'ultimo strato di ciascun materiale, i campioni sono stati cotti a 140 °C per 10 minuti per garantire un'asciugatura completa. La funzione di allineamento automatico dello schermo la stampante viene utilizzata per allineare gli strati successivi. Il contatto con il centro dell'induttore si ottiene tagliando un foro passante sul tampone centrale e tracciando la stampa con stencil sul retro del substrato con inchiostro DuPont 5064H. Anche l'interconnessione tra le apparecchiature di stampa utilizza Dupont Stampa con stencil 5064H. Per visualizzare i componenti stampati e i componenti SMT sul PCB flessibile mostrato nella Figura 7, i componenti stampati vengono collegati utilizzando la resina epossidica conduttiva Circuit Works CW2400 e i componenti SMT sono collegati mediante saldatura tradizionale.
L'ossido di litio cobalto (LCO) e gli elettrodi a base di grafite vengono utilizzati rispettivamente come catodo e anodo della batteria. L'impasto liquido del catodo è una miscela di 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafite (KS6, Timcal), 2,5 % nerofumo (Super P, Timcal) e 10% fluoruro di polivinilidene (PVDF, Kureha Corp.). ) L'anodo è una miscela di 84% in peso di grafite, 4% in peso di nero di carbonio e 13% in peso di PVDF. N-metil-2-pirrolidone (NMP, Sigma Aldrich) viene utilizzato per dissolvere il legante PVDF e disperdere l'impasto liquido. L'impasto liquido è stato omogeneizzato mediante mescolando con un miscelatore a vortice durante la notte. Un foglio di acciaio inossidabile spesso 0,0005 pollici e un foglio di nichel da 10 μm vengono utilizzati come collettori di corrente rispettivamente per il catodo e l'anodo. L'inchiostro viene stampato sul collettore di corrente con una spatola a una velocità di stampa di 20 mm/s.Riscaldare l'elettrodo in forno a 80 °C per 2 ore per rimuovere il solvente.L'altezza dell'elettrodo dopo l'essiccazione è di circa 60 μm e, in base al peso del materiale attivo, la capacità teorica è di 1,65 mAh /cm2. Gli elettrodi sono stati tagliati in dimensioni di 1,3 × 1,3 cm2 e riscaldati in un forno a vuoto a 140°C durante la notte, quindi sono stati sigillati con sacchetti laminati di alluminio in una scatola per guanti riempita di azoto. Una soluzione di film a base di polipropilene con anodo e catodo e 1M LiPF6 in EC/DEC (1:1) viene utilizzato come elettrolita della batteria.
L'OLED verde è costituito da poli(9,9-diottilfluorene-co-n-(4-butilfenil)-difenilammina) (TFB) e poli((9,9-diottilfluorene-2,7- (2,1,3-benzotiadiazolo- 4, 8-diil)) (F8BT) secondo la procedura delineata in Lochner et al 9.
Utilizzare il profilatore a stilo Dektak per misurare lo spessore della pellicola. La pellicola è stata tagliata per preparare un campione in sezione trasversale per l'analisi mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). La pistola a emissione di campo (FEG) FEI Quanta 3D viene utilizzata per caratterizzare la struttura della stampa film e confermare la misurazione dello spessore. Lo studio SEM è stato condotto con una tensione di accelerazione di 20 keV e una distanza di lavoro tipica di 10 mm.
Utilizza un multimetro digitale per misurare la resistenza, la tensione e la corrente CC. L'impedenza CA di induttori, condensatori e circuiti viene misurata utilizzando il misuratore LCR Agilent E4980 per frequenze inferiori a 1 MHz e l'analizzatore di rete Agilent E5061A viene utilizzato per misurare frequenze superiori a 500 kHz. Oscilloscopio Tektronix TDS 5034 per misurare la forma d'onda del regolatore di tensione.
Come citare questo articolo: Ostfeld, AE, ecc. Componenti passivi serigrafici per apparecchiature elettroniche di potenza flessibili.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
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