اخبار

از بازدید شما از Nature متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از نسخه جدیدتر مرورگر استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر خاموش کنید). در عین حال. ، برای اطمینان از پشتیبانی مستمر، سایت هایی را بدون سبک و جاوا اسکریپت نمایش خواهیم داد.
افزودنی‌ها و فرآیندهای چاپ در دمای پایین می‌توانند دستگاه‌های مختلف الکترونیکی پرمصرف و پرمصرف را بر روی بسترهای انعطاف‌پذیر با هزینه کم ادغام کنند. با این حال، تولید سیستم‌های الکترونیکی کامل از این دستگاه‌ها معمولاً نیازمند دستگاه‌های الکترونیکی قدرت برای تبدیل بین ولتاژهای کاری مختلف است. قطعات غیرفعال - سلف ها، خازن ها و مقاومت ها - عملکردهایی مانند فیلتر کردن، ذخیره انرژی کوتاه مدت و اندازه گیری ولتاژ را انجام می دهند که در الکترونیک قدرت و بسیاری از کاربردهای دیگر ضروری است. در این مقاله سلف ها، خازن ها، مقاومت‌ها و مدارهای RLC روی لایه‌های پلاستیکی انعطاف‌پذیر چاپ می‌شوند و فرآیند طراحی را گزارش می‌کنند تا مقاومت سری سلف‌ها را به حداقل برسانند تا بتوان از آنها در دستگاه‌های الکترونیکی قدرت استفاده کرد. سلف و مقاومت چاپی سپس در مدار تنظیم کننده تقویت کننده گنجانده می‌شوند. ساخت از دیودهای ساطع کننده نور آلی و باتری های لیتیوم یون انعطاف پذیر. تنظیم‌کننده‌های ولتاژ برای تغذیه دیودها از باتری استفاده می‌شوند که پتانسیل قطعات غیرفعال چاپی را برای جایگزینی اجزای نصب سطحی سنتی در برنامه‌های مبدل DC-DC نشان می‌دهد.
در سال‌های اخیر، کاربرد دستگاه‌های انعطاف‌پذیر مختلف در محصولات الکترونیکی پوشیدنی و بزرگ و اینترنت اشیاء1،2 توسعه یافته است. اینها شامل دستگاه‌های برداشت انرژی، مانند فتوولتائیک 3، پیزوالکتریک 4، و ترموالکتریک 5 می‌شود. دستگاه های ذخیره انرژی، مانند باتری های 6، 7؛ و دستگاه های مصرف کننده انرژی مانند حسگرهای 8، 9، 10، 11، 12 و منابع نوری 13. اگرچه پیشرفت زیادی در منابع انرژی و بارهای جداگانه صورت گرفته است، ترکیب این اجزا در یک سیستم الکترونیکی کامل معمولاً نیازمند الکترونیک قدرت است. بر هرگونه عدم تطابق بین رفتار منبع تغذیه و مورد نیاز بار غلبه کنید. برای مثال، یک باتری با توجه به وضعیت شارژ خود ولتاژ متغیری تولید می کند. اگر بار به ولتاژ ثابت یا بالاتر از ولتاژی که باتری می تواند تولید کند نیاز دارد، الکترونیک قدرت مورد نیاز است. الکترونیک قدرت از اجزای فعال (ترانزیستورها) برای انجام عملکردهای سوئیچینگ و کنترل و همچنین از اجزای غیرفعال (سلف، خازن و مقاومت) استفاده می کند. به عنوان مثال، در مدار تنظیم کننده سوئیچینگ، یک سلف برای ذخیره انرژی در طول هر سیکل سوئیچینگ استفاده می شود. ، برای کاهش موج ولتاژ از خازن استفاده می شود و اندازه گیری ولتاژ مورد نیاز برای کنترل فیدبک با استفاده از تقسیم کننده مقاومت انجام می شود.
دستگاه های الکترونیکی قدرتی که برای دستگاه های پوشیدنی مناسب هستند (مانند پالس اکسی متر 9) به چندین ولت و چندین میلی آمپر نیاز دارند، معمولاً در محدوده فرکانسی صدها کیلوهرتز تا چندین مگاهرتز کار می کنند و به چند میکروH و چند میکروH اندوکتانس نیاز دارند و ظرفیت میکروF است. روش سنتی ساخت این مدارها، لحیم کردن اجزای مجزا به یک برد مدار چاپی صلب (PCB) است. اگرچه اجزای فعال مدارهای الکترونیکی قدرت معمولاً در یک مدار مجتمع سیلیکونی (IC) ترکیب می شوند، اجزای غیرفعال معمولاً خارجی، یا اجازه مدارهای سفارشی را می دهد، یا به این دلیل که اندوکتانس و خازن مورد نیاز برای پیاده سازی در سیلیکون بسیار بزرگ است.
در مقایسه با فناوری تولید سنتی مبتنی بر PCB، ساخت دستگاه‌ها و مدارهای الکترونیکی از طریق فرآیند چاپ افزودنی مزایای زیادی از نظر سادگی و هزینه دارد. و اتصالات متقابل، چاپ اجازه می دهد تا چندین جزء به طور همزمان با مراحل پردازش نسبتاً کم و منابع کمتر مواد تولید شوند. 18 و 19. علاوه بر این، دماهای پایین مورد استفاده در چاپ با بسترهای پلاستیکی انعطاف‌پذیر و ارزان سازگار است و امکان استفاده از فرآیندهای تولید رول به رول با سرعت بالا را برای پوشش دستگاه‌های الکترونیکی 16، 20 در مناطق بزرگ فراهم می‌کند. که به طور کامل با اجزای چاپی قابل تحقق نیست، روش‌های ترکیبی توسعه داده شده‌اند که در آن اجزای تکنولوژی نصب سطحی (SMT) به بسترهای انعطاف‌پذیر 21، 22، 23 در کنار اجزای چاپی در دماهای پایین متصل می‌شوند. در این رویکرد ترکیبی، هنوز برای به دست آوردن مزایای فرآیندهای اضافی و افزایش انعطاف‌پذیری کلی مدار، تا حد امکان بسیاری از قطعات SMT را با نمونه‌های چاپی جایگزین می‌کنیم. به منظور تحقق بخشیدن به الکترونیک قدرت انعطاف‌پذیر، ما ترکیبی از اجزای فعال SMT و غیرفعال چاپ روی صفحه را پیشنهاد کرده‌ایم. قطعات، با تاکید ویژه بر جایگزینی سلف های SMT حجیم با سلف های مارپیچی مسطح. در میان فن آوری های مختلف برای تولید لوازم الکترونیکی چاپی، چاپ صفحه به ویژه برای قطعات غیرفعال مناسب است زیرا ضخامت لایه بالایی دارد (که برای به حداقل رساندن مقاومت سری ویژگی های فلزی ضروری است. ) و سرعت چاپ بالا، حتی در هنگام پوشاندن نواحی سطح سانتی متری، در مواقعی هم همینطور است. مواد 24.
از دست دادن اجزای غیرفعال تجهیزات الکترونیکی قدرت باید به حداقل برسد، زیرا راندمان مدار مستقیماً بر مقدار انرژی مورد نیاز برای تغذیه سیستم تأثیر می‌گذارد. بنابراین، اگرچه تلاش هایی برای به حداقل رساندن مقاومت 25، 26، 27، 28 سیم پیچ های چاپی انجام شده است، اما هنوز مولفه های غیرفعال چاپی با کارایی بالا برای دستگاه های الکترونیکی قدرت وجود ندارد. اجزای روی بسترهای انعطاف پذیر برای عملکرد در مدارهای تشدید برای شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) یا اهداف برداشت انرژی طراحی شده اند. 26، 32، 33، 34 که برای کاربردهای خاص بهینه نشده اند. در مقابل، مدارهای الکترونیکی قدرت مانند تنظیم کننده های ولتاژ اغلب از قطعات بزرگتر نسبت به دستگاه های غیرفعال چاپی معمولی استفاده می کنند و نیازی به رزونانس ندارند، بنابراین طراحی اجزای مختلف مورد نیاز است.
در اینجا طراحی و بهینه سازی سلف های چاپ شده با صفحه نمایش در محدوده μH را برای دستیابی به کمترین مقاومت سری و عملکرد بالا در فرکانس های مربوط به الکترونیک قدرت معرفی می کنیم. سلف ها، خازن ها و مقاومت های چاپ صفحه نمایش با مقادیر اجزای مختلف تولید می شوند. بر روی بسترهای پلاستیکی انعطاف پذیر. مناسب بودن این اجزا برای محصولات الکترونیکی انعطاف پذیر ابتدا در یک مدار RLC ساده نشان داده شد. سلف و مقاومت چاپی سپس با آی سی ادغام می شوند تا یک تنظیم کننده تقویت کننده ایجاد کنند. در نهایت، یک دیود ساطع کننده نور آلی (OLED) ) و یک باتری لیتیوم یون انعطاف پذیر تولید می شود و یک تنظیم کننده ولتاژ برای تغذیه OLED از باتری استفاده می شود.
به منظور طراحی سلف های چاپی برای الکترونیک قدرت، ابتدا اندوکتانس و مقاومت DC یک سری از هندسه های سلف را بر اساس مدل ورق فعلی ارائه شده در موهان و همکاران پیش بینی کردیم. 35 و سلف های هندسه های مختلف برای تأیید صحت مدل ساخته شد. در این کار، شکل دایره ای برای سلف انتخاب شد زیرا می توان اندوکتانس 36 بالاتری را با مقاومت کمتر در مقایسه با هندسه چند ضلعی به دست آورد. تأثیر جوهر نوع و تعداد چرخه‌های چاپ بر روی مقاومت تعیین می‌شود. این نتایج سپس با مدل آمپرمتر برای طراحی سلف‌های 4.7 μH و 7.8 μH بهینه‌سازی شده برای حداقل مقاومت DC مورد استفاده قرار گرفت.
اندوکتانس و مقاومت DC سلف های مارپیچی را می توان با پارامترهای مختلفی توصیف کرد: قطر خارجی do، عرض چرخش w و فاصله s، تعداد چرخش n، و مقاومت صفحه هادی Rsheet. با n = 12، نشان دادن پارامترهای هندسی تعیین کننده اندوکتانس آن. با توجه به مدل آمپرمتر Mohan و همکاران. در شکل 35، اندوکتانس برای یک سری از هندسه های سلف محاسبه می شود، که در آن
(الف) عکسی از سلف چاپ شده با صفحه نمایش که پارامترهای هندسی را نشان می دهد. قطر 3 سانتی متر است. اندوکتانس (b) و مقاومت DC (c) هندسه های مختلف سلف. خطوط و علائم به ترتیب با مقادیر محاسبه شده و اندازه گیری شده مطابقت دارند. (د، ه) مقاومت‌های DC سلف‌های L1 و L2 به ترتیب با جوهرهای نقره دوپونت 5028 و 5064H چاپ می‌شوند.
در فرکانس‌های بالا، اثر پوستی و ظرفیت انگلی، مقاومت و اندوکتانس سلف را با توجه به مقدار DC آن تغییر می‌دهد. انتظار می‌رود که سلف در فرکانس کافی پایین کار کند که این اثرات ناچیز باشد، و دستگاه مانند یک اندوکتانس ثابت رفتار می‌کند. با مقاومت ثابت به صورت سری. بنابراین، در این کار، ما رابطه بین پارامترهای هندسی، اندوکتانس و مقاومت DC را تجزیه و تحلیل کردیم و از نتایج برای به دست آوردن یک اندوکتانس معین با کمترین مقاومت DC استفاده کردیم.
اندوکتانس و مقاومت برای یک سری پارامترهای هندسی محاسبه می‌شوند که می‌توان با چاپ روی صفحه متوجه شد و انتظار می‌رود که اندوکتانس در محدوده μH ایجاد شود. در محاسبات، فرض بر این است که مقاومت ورق 47 mΩ/□ است، که مربوط به یک لایه هادی میکروفلیک نقره دوپونت 5028 با ضخامت 7 میکرومتر است که با صفحه 400 مش چاپ شده و دارای تنظیم w = s است. مقادیر اندوکتانس و مقاومت محاسبه‌شده به ترتیب در شکل 1b و c نشان داده شده‌اند. این مدل پیش‌بینی می‌کند که هر دو اندوکتانس و مقاومت با افزایش قطر خارجی و تعداد چرخش‌ها یا با کاهش عرض خط افزایش می‌یابند.
به منظور ارزیابی دقت پیش‌بینی‌های مدل، سلف‌هایی با هندسه‌ها و اندوکتانس‌های مختلف بر روی بستر پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) ساخته شدند. مقادیر اندوکتانس و مقاومت اندازه‌گیری‌شده در شکل 1b و c نشان داده شده‌اند. اگرچه مقاومت مقداری انحراف را نشان داد. مقدار مورد انتظار، عمدتاً به دلیل تغییر در ضخامت و یکنواختی جوهر رسوب‌شده، اندوکتانس مطابقت بسیار خوبی با مدل نشان داد.
این نتایج را می توان برای طراحی یک سلف با اندوکتانس مورد نیاز و حداقل مقاومت DC مورد استفاده قرار داد. برای مثال، فرض کنید اندوکتانس 2 μH مورد نیاز است. شکل 1b نشان می دهد که این اندوکتانس را می توان با قطر بیرونی 3 سانتی متر، عرض خط محقق کرد. 500 میکرومتر و 10 دور. همین اندوکتانس را می توان با استفاده از قطر خارجی 5 سانتی متر، عرض خط 500 میکرومتر و 5 دور یا 1000 میکرومتر عرض خط و 7 دور (مانند شکل) ایجاد کرد. مقایسه مقاومت های این سه هندسه های ممکن در شکل 1c، می توان دریافت که کمترین مقاومت یک سلف 5 سانتی متری با عرض خط 1000 میکرومتر، 34 Ω است که حدود 40 درصد کمتر از دو مورد دیگر است. فرآیند طراحی کلی برای دستیابی به یک اندوکتانس معین با حداقل مقاومت به صورت زیر خلاصه می شود: ابتدا حداکثر قطر خارجی مجاز را با توجه به محدودیت های فضای اعمال شده توسط برنامه انتخاب کنید. سپس عرض خط باید تا حد امکان بزرگ باشد در حالی که همچنان اندوکتانس مورد نیاز برای به دست آوردن نرخ پر شدن بالا به دست می آید. (معادله (3)).
با افزایش ضخامت یا استفاده از ماده ای با رسانایی بالاتر برای کاهش مقاومت ورق فیلم فلزی، می توان مقاومت DC را بدون تأثیر بر اندوکتانس کاهش داد. با تعداد پوشش‌های مختلف برای ارزیابی تغییر مقاومت تولید می‌شوند. همانطور که در شکل‌های 1d و e نشان داده شده است، همانطور که در شکل‌های 1d و e که به ترتیب سلف‌های L1 و L2 هستند، با افزایش تعداد پوشش‌های جوهر، مقاومت متناسب کاهش می‌یابد. نشان می دهد که با اعمال 6 لایه پوشش، مقاومت را می توان تا 6 برابر کاهش داد و حداکثر کاهش مقاومت (50-65٪) بین لایه 1 و لایه 2 رخ می دهد. از آنجایی که هر لایه جوهر نسبتاً نازک است، یک صفحه نمایش با اندازه شبکه نسبتاً کوچک (400 خط در هر اینچ) برای چاپ این سلف ها استفاده می شود که به ما امکان می دهد تأثیر ضخامت هادی بر مقاومت را مطالعه کنیم. تا زمانی که ویژگی های الگو بزرگتر از حداقل وضوح شبکه باقی بماند، یک ضخامت (و مقاومت) مشابه را می توان با چاپ تعداد کمتری از پوشش ها با اندازه شبکه بزرگتر سریعتر به دست آورد. از این روش می توان برای دستیابی به همان مقاومت DC مانند سلف 6 پوششی که در اینجا بحث شد، اما با سرعت تولید بالاتر استفاده کرد.
شکل‌های 1d و e همچنین نشان می‌دهند که با استفاده از جوهر پولکی نقره‌ای رساناتر DuPont 5064H، مقاومت به میزان دو برابر کاهش می‌یابد. از میکروگراف‌های SEM فیلم‌های چاپ شده با دو جوهر (شکل 1f، g)، می‌توان مشاهده می شود که رسانایی کمتر جوهر 5028 به دلیل اندازه ذرات کوچکتر آن و وجود حفره های زیاد بین ذرات در فیلم چاپ شده است. از طرف دیگر، 5064H دارای تکه های بزرگتر و نزدیک تر است که باعث می شود رفتاری نزدیک به حجیم داشته باشد. نقره ای. اگرچه فیلم تولید شده توسط این جوهر نازک تر از جوهر 5028 است، با یک لایه 4 میکرومتر و 6 لایه 22 میکرومتر، افزایش رسانایی برای کاهش مقاومت کلی کافی است.
در نهایت، اگرچه اندوکتانس (معادله (1)) به تعداد چرخش ها (w + s) بستگی دارد، مقاومت (معادله (5)) فقط به عرض خط w بستگی دارد. بنابراین، با افزایش w نسبت به s، مقاومت همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، دو سلف اضافی L3 و L4 به گونه ای طراحی شده اند که w = 2s و قطر بیرونی زیادی داشته باشند. بالاترین عملکرد. اندوکتانس L3 0.002 ± 4.720 μH و مقاومت 0.1 ± 4.9 Ω است، در حالی که اندوکتانس L4 0.005 ± 7.839 μH و 0.1 ± 6.9 Ω است که با پیش بینی مدل مطابقت خوبی دارند. افزایش ضخامت، رسانایی و w/s، این بدان معنی است که نسبت L/R نسبت به مقدار در شکل 1 بیش از یک مرتبه بزرگی افزایش یافته است.
اگرچه مقاومت DC پایین امیدوارکننده است، ارزیابی مناسب بودن سلف‌ها برای تجهیزات الکترونیکی قدرتی که در محدوده kHz-MHz کار می‌کنند، نیازمند مشخصه‌یابی در فرکانس‌های AC است. شکل 2a وابستگی فرکانس مقاومت و راکتانس L3 و L4 را نشان می‌دهد. برای فرکانس‌های زیر 10 مگاهرتز. مقاومت تقریباً در مقدار DC خود ثابت می ماند، در حالی که راکتانس به صورت خطی با فرکانس افزایش می یابد، به این معنی که اندوکتانس همانطور که انتظار می رود ثابت است. فرکانس خود تشدید به عنوان فرکانسی که در آن امپدانس از القایی به خازنی تغییر می کند، تعریف می شود. L3 0.3 ± 35.6 مگاهرتز و L4 0.6 ± 24.3 مگاهرتز است. وابستگی فرکانس ضریب کیفیت Q (برابر با ωL/R) در شکل 2b نشان داده شده است. به ترتیب در فرکانس‌های 11 و 16 مگاهرتز. اندوکتانس چند میکروH و Q نسبتاً بالا در فرکانس‌های مگاهرتز، این سلف‌ها را برای جایگزینی سلف‌های سنتی روی سطح در مبدل‌های DC-DC کم مصرف کافی می‌سازد.
مقاومت اندازه گیری شده R و راکتانس X (a) و ضریب کیفیت Q (b) سلف های L3 و L4 با فرکانس مرتبط هستند.
به منظور به حداقل رساندن ردپای مورد نیاز برای یک ظرفیت معین، بهتر است از فناوری خازن با ظرفیت خازنی بزرگ استفاده شود که برابر با ثابت دی الکتریک ε تقسیم بر ضخامت دی الکتریک است. در این کار، کامپوزیت تیتانات باریم را انتخاب کردیم. به عنوان دی الکتریک زیرا دارای اپسیلون بالاتری نسبت به سایر دی الکتریک های آلی فرآوری شده با محلول است. لایه دی الکتریک بین دو هادی نقره ای روی صفحه نمایش داده می شود تا ساختار فلز-دی الکتریک-فلزی را تشکیل دهد. خازن هایی با اندازه های مختلف در سانتی متر، همانطور که در شکل 3a نشان داده شده است. ، با استفاده از دو یا سه لایه جوهر دی الکتریک برای حفظ عملکرد خوب تولید می شوند. شکل 3b یک میکروگراف SEM مقطعی از یک خازن نماینده ساخته شده با دو لایه دی الکتریک، با ضخامت کلی دی الکتریک 21 میکرومتر را نشان می دهد. الکترودهای بالا و پایین به ترتیب یک لایه و شش لایه 5064H هستند. ذرات باریم تیتانات در اندازه میکرونی در تصویر SEM قابل مشاهده هستند زیرا نواحی روشن تر توسط چسب آلی تیره تر احاطه شده اند. جوهر دی الکتریک الکترود پایینی را به خوبی خیس می کند و یک رابط شفاف با الکترود تشکیل می دهد. فیلم فلزی چاپ شده، همانطور که در تصویر با بزرگنمایی بالاتر نشان داده شده است.
(الف) عکسی از یک خازن با پنج ناحیه مختلف. (ب) میکروگراف SEM مقطعی یک خازن با دو لایه دی الکتریک، که الکترودهای دی الکتریک و نقره تیتانات باریم را نشان می دهد. (ج) ظرفیت خازن های با تیتانات باریم 2 و 3 لایه های دی الکتریک و نواحی مختلف، اندازه گیری شده در 1 مگاهرتز. (د) رابطه بین ظرفیت خازن، ESR، و ضریب تلفات یک خازن 2.25 سانتی متر مربع با 2 لایه پوشش دی الکتریک و فرکانس.
ظرفیت ظرفیت متناسب با منطقه مورد انتظار است. همانطور که در شکل 3c نشان داده شده است، ظرفیت ویژه دی الکتریک دو لایه 0.53 nF/cm2 است و ظرفیت ویژه دی الکتریک سه لایه 0.33 nF/cm2 است. این مقادیر مربوط به ثابت دی الکتریک 13 است. ظرفیت خازنی و ضریب اتلاف (DF) نیز در فرکانس های مختلف اندازه گیری شد، همانطور که در شکل 3d نشان داده شده است، برای یک خازن 2.25 سانتی متر مربع با دو لایه دی الکتریک. ما متوجه شدیم که ظرفیت خازن در محدوده فرکانس مورد علاقه نسبتاً مسطح بود و 20٪ افزایش یافت. از 1 تا 10 مگاهرتز، در حالی که در همان محدوده، DF از 0.013 به 0.023 افزایش یافته است. از آنجایی که ضریب اتلاف نسبت اتلاف انرژی به انرژی ذخیره شده در هر چرخه AC است، DF 0.02 به این معنی است که 2٪ از توان اداره می شود. توسط خازن مصرف می شود. این تلفات معمولاً به صورت مقاومت سری معادل وابسته به فرکانس (ESR) که به صورت سری با خازن متصل است بیان می شود که برابر است با DF/ωC. همانطور که در شکل 3d نشان داده شده است، برای فرکانس های بیشتر از 1 مگاهرتز، ESR کمتر از 1.5 Ω است و برای فرکانس‌های بیشتر از 4 مگاهرتز، ESR کمتر از 0.5 Ω است. اگرچه با استفاده از این فناوری خازن، خازن‌های کلاس μF مورد نیاز برای مبدل‌های DC-DC به مساحت بسیار زیادی نیاز دارند، اما 100 pF- محدوده خازنی nF و تلفات کم این خازن ها آنها را برای کاربردهای دیگر مانند فیلترها و مدارهای تشدید مناسب می کند. روش های مختلفی می توان برای افزایش ظرفیت استفاده کرد. ثابت دی الکتریک بالاتر، ظرفیت ویژه را افزایش می دهد 37. به عنوان مثال، این را می توان با افزایش غلظت ذرات تیتانات باریم در جوهر به دست آورد. می توان از ضخامت دی الکتریک کمتری استفاده کرد، اگرچه برای این کار نیاز به الکترود پایینی با زبری کمتر از یک پولک نقره ای چاپ شده روی صفحه است. خازن نازک تر و زبری کمتر. لایه ها را می توان با چاپ جوهر افشان 31 یا چاپ گراور 10 رسوب داد، که می تواند با فرآیند چاپ روی صفحه ترکیب شود. در نهایت، چندین لایه متناوب از فلز و دی الکتریک را می توان روی هم چیده و چاپ کرد و به صورت موازی به هم متصل کرد، در نتیجه ظرفیت خازنی را 34 در واحد سطح افزایش داد. .
یک تقسیم کننده ولتاژ متشکل از یک جفت مقاومت معمولاً برای انجام اندازه گیری ولتاژ مورد نیاز برای کنترل بازخورد یک تنظیم کننده ولتاژ استفاده می شود. برای این نوع کاربرد، مقاومت مقاومت چاپ شده باید در محدوده kΩ-MΩ باشد و تفاوت بین دستگاه ها کوچک هستند. در اینجا، مشخص شد که مقاومت ورق جوهر کربن تک لایه چاپ شده با صفحه نمایشگر 900 Ω/□ است. این اطلاعات برای طراحی دو مقاومت خطی (R1 و R2) و یک مقاومت سرپانتین (R3) استفاده می شود. ) با مقاومت های اسمی 10 کیلو اهم، 100 کیلو اهم و 1.5 MΩ. مقاومت بین مقادیر اسمی با چاپ دو یا سه لایه جوهر، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، و عکس های سه مقاومت به دست می آید. 12 نمونه از هر نوع؛ در همه موارد، انحراف استاندارد مقاومت 10 درصد یا کمتر است. تغییر مقاومت نمونه‌های با دو یا سه لایه پوشش کمی کمتر از نمونه‌های با یک لایه پوشش است. تغییر کوچک در مقاومت اندازه‌گیری شده و توافق نزدیک با مقدار اسمی نشان می دهد که مقاومت های دیگر در این محدوده را می توان مستقیماً با اصلاح هندسه مقاومت به دست آورد.
سه هندسه مقاومت متفاوت با تعداد پوشش های مختلف جوهر مقاوم کربن. عکس سه مقاومت در سمت راست نشان داده شده است.
مدارهای RLC نمونه‌های کتاب درسی کلاسیک از ترکیب‌های مقاومت، سلف و خازن هستند که برای نشان دادن و تأیید رفتار اجزای غیرفعال ادغام شده در مدارهای چاپی واقعی استفاده می‌شوند. در این مدار، یک سلف 8 μH و یک خازن 0.8 nF به صورت سری وصل شده‌اند. مقاومت 25 کیلو اهم به صورت موازی با آنها وصل شده است. عکس مدار انعطاف پذیر در شکل 5a نشان داده شده است. عملکرد هر جزء را می توان برجسته و ارزیابی کرد. با توجه به مقاومت سری 7 Ω سلف و 1.3 Ω ESR خازن، پاسخ فرکانس مورد انتظار مدار محاسبه شد. نمودار مدار در شکل 5b نشان داده شده است، و محاسبه شده دامنه امپدانس و فاز و مقادیر اندازه گیری شده در شکل 5c و d نشان داده شده است. در فرکانس های پایین، امپدانس بالای خازن به این معنی است که رفتار مدار توسط مقاومت 25 کیلو اهم تعیین می شود. با افزایش فرکانس، امپدانس مسیر LC کاهش می یابد. کل رفتار مدار تا زمانی که فرکانس تشدید 2.0 مگاهرتز باشد خازنی است. بالاتر از فرکانس تشدید، امپدانس القایی غالب است. شکل 5 به وضوح تطابق عالی بین مقادیر محاسبه شده و اندازه گیری شده را در کل محدوده فرکانس نشان می دهد. این بدان معنی است که مدل مورد استفاده در اینجا (که در آن سلف ها و خازن ها اجزای ایده آل با مقاومت سری هستند) برای پیش بینی رفتار مدار در این فرکانس ها دقیق است.
(الف) عکسی از یک مدار RLC چاپ شده با صفحه نمایش که از ترکیب سری یک سلف 8 μH و یک خازن 0.8 nF به موازات یک مقاومت 25 کیلو اهم استفاده می کند. (ب) مدل مدار شامل مقاومت سری سلف و خازن. (c) ,د) دامنه امپدانس (c) و فاز (d) مدار.
در نهایت، سلف‌ها و مقاومت‌های چاپی در تنظیم‌کننده بوست اجرا می‌شوند. آی‌سی مورد استفاده در این نمایش Microchip MCP1640B14 است که یک تنظیم‌کننده بوست سنکرون مبتنی بر PWM با فرکانس کاری 500 کیلوهرتز است. نمودار مدار در شکل 6a.A نشان داده شده است. سلف 4.7 μH و دو خازن (4.7 μF و 10 μF) به عنوان عناصر ذخیره انرژی استفاده می شود و یک جفت مقاومت برای اندازه گیری ولتاژ خروجی کنترل بازخورد استفاده می شود. مقدار مقاومت را برای تنظیم ولتاژ خروجی روی 5 ولت انتخاب کنید. مدار بر روی PCB ساخته می شود و عملکرد آن در مقاومت بار و محدوده ولتاژ ورودی 3 تا 4 ولت اندازه گیری می شود تا باتری لیتیوم یونی در حالت های شارژ مختلف شبیه سازی شود. راندمان سلف ها و مقاومت های چاپی با راندمان سلف ها و مقاومت های SMT. از خازن های SMT در همه موارد استفاده می شود زیرا ظرفیت خازن مورد نیاز برای این کاربرد بسیار زیاد است و نمی توان آن را با خازن های چاپی تکمیل کرد.
(الف) نمودار مدار تثبیت کننده ولتاژ. (b–d) (ب) Vout، (ج) Vsw، و (د) شکل موج جریانی که به سلف می‌رود، ولتاژ ورودی 4.0 ولت، مقاومت بار 1 کیلو اهم است. و از سلف چاپی برای اندازه گیری استفاده می شود. مقاومت ها و خازن های نصب سطحی برای این اندازه گیری استفاده می شود. ) نسبت بازده نصب سطحی و مدار چاپی نشان داده شده در (ه).
برای ولتاژ ورودی 4.0 ولت و مقاومت بار 1000 Ω، شکل موج های اندازه گیری شده با استفاده از سلف های چاپی در شکل 6b-d نشان داده شده است. شکل 6c ولتاژ را در ترمینال Vsw IC نشان می دهد. ولتاژ سلف Vin-Vsw است. شکل 6d جریان ورودی به سلف را نشان می دهد. راندمان مدار با SMT و اجزای چاپ شده در شکل 6e به عنوان تابعی از ولتاژ ورودی و مقاومت بار نشان داده شده است، و شکل 6f نسبت بازده را نشان می دهد. راندمان اندازه گیری شده با استفاده از اجزای SMT مشابه مقدار مورد انتظار داده شده در برگه اطلاعات سازنده است. با این حال، با ولتاژ ورودی بالاتر و جریان خروجی بالاتر، کاهش مقاومت اهمیت کمتری پیدا می‌کند و عملکرد سلف‌های چاپی به عملکرد سلف‌های SMT نزدیک می‌شود. برای مقاومت‌های بار >500 Ω و Vin. = 4.0 ولت یا > 750 Ω و Vin = 3.5 ولت، راندمان سلف های چاپی بیشتر از 85 درصد سلف های SMT است.
مقایسه شکل موج جریان در شکل 6d با تلفات توان اندازه‌گیری شده نشان می‌دهد که افت مقاومت در سلف علت اصلی تفاوت در راندمان بین مدار چاپی و مدار SMT است، همانطور که انتظار می‌رود. ولتاژ ورودی و مقاومت بار 1000 Ω 30.4 مگاوات و 25.8 مگاوات برای مدارهای دارای قطعات SMT و 33.1 مگاوات و 25.2 مگاوات برای مدارهای دارای قطعات چاپی است. بنابراین تلفات مدار چاپی 7.9 مگاوات است که 3.4 مگاوات بیشتر از مدار با اجزای SMT. جریان سلف RMS محاسبه شده از شکل موج در شکل 6d 25.6 میلی آمپر است. از آنجایی که مقاومت سری آن 4.9 Ω است، تلفات توان مورد انتظار 3.2 مگاوات است. این 96 درصد اختلاف توان DC 3.4 میلی‌واتی اندازه‌گیری شده است. علاوه بر این، مدار با سلف‌های چاپی و مقاومت‌های چاپی و سلف‌های چاپی و مقاومت‌های SMT ساخته می‌شود. تفاوت کارایی قابل توجهی بین آنها مشاهده نمی شود.
سپس تنظیم کننده ولتاژ روی PCB انعطاف پذیر ساخته می شود (چاپ مدار و عملکرد اجزای SMT در شکل تکمیلی S1 نشان داده شده است) و بین باتری لیتیوم یون انعطاف پذیر به عنوان منبع تغذیه و آرایه OLED به عنوان بار متصل می شود. به گفته لوشنر و همکاران. 9 برای تولید OLED، هر پیکسل OLED 0.6 میلی آمپر با ولتاژ 5 ولت مصرف می کند. باتری به ترتیب از اکسید کبالت لیتیوم و گرافیت به عنوان کاتد و آند استفاده می کند و با پوشش دکتر تیغه که رایج ترین روش چاپ باتری است، تولید می شود. ظرفیت باتری 16 میلی آمپر ساعت است و ولتاژ در طول آزمایش 4.0 ولت است. شکل 7 عکسی از مدار روی PCB انعطاف پذیر را نشان می دهد که به سه پیکسل OLED متصل به صورت موازی انرژی می دهد. این نمایش پتانسیل اجزای برق چاپی را برای ادغام با سایر قطعات نشان داد. دستگاه های انعطاف پذیر و ارگانیک برای تشکیل سیستم های الکترونیکی پیچیده تر.
عکسی از مدار تنظیم کننده ولتاژ روی یک PCB انعطاف پذیر با استفاده از سلف ها و مقاومت های چاپ شده، با استفاده از باتری های لیتیوم یون انعطاف پذیر برای تغذیه سه LED آلی.
ما سلف‌ها، خازن‌ها و مقاومت‌های چاپ‌شده روی صفحه نمایش را با طیف وسیعی از مقادیر روی بسترهای PET انعطاف‌پذیر با هدف جایگزینی اجزای نصب سطحی در تجهیزات الکترونیکی قدرت نشان داده‌ایم. ما نشان داده‌ایم که با طراحی یک مارپیچ با قطر زیاد، سرعت پر شدن و نسبت عرض خط به عرض خط، و با استفاده از یک لایه ضخیم از جوهر با مقاومت کم. این اجزا در یک مدار RLC کاملاً چاپی و انعطاف‌پذیر ادغام می‌شوند و رفتار الکتریکی قابل پیش‌بینی را در محدوده فرکانس kHz-MHz نشان می‌دهند که بیشترین میزان را دارد. علاقه به الکترونیک قدرت
موارد استفاده معمولی برای دستگاه‌های الکترونیکی با قدرت چاپی، سیستم‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر پوشیدنی یا یکپارچه با محصول هستند که با باتری‌های قابل شارژ قابل انعطاف (مانند لیتیوم یون) تغذیه می‌شوند، که می‌تواند ولتاژهای متغیری را با توجه به وضعیت شارژ تولید کند. اگر بار (از جمله چاپ و تجهیزات الکترونیکی ارگانیک) به ولتاژ ثابت یا بالاتر از ولتاژ خروجی توسط باتری نیاز دارند، یک تنظیم کننده ولتاژ مورد نیاز است. به همین دلیل، سلف ها و مقاومت های چاپی با آی سی های سیلیکونی سنتی در یک تنظیم کننده تقویت کننده ادغام می شوند تا OLED را با ولتاژ ثابت تغذیه کنند. 5 ولت از منبع تغذیه باتری با ولتاژ متغیر. در محدوده مشخصی از جریان بار و ولتاژ ورودی، بازده این مدار از 85 درصد راندمان مدار کنترل با استفاده از سلف‌ها و مقاومت‌های نصب سطحی فراتر می‌رود. علیرغم بهینه‌سازی مواد و هندسی تلفات مقاومتی در سلف هنوز عامل محدود کننده عملکرد مدار در سطوح جریان بالا (جریان ورودی بیشتر از حدود 10 میلی آمپر) است. با این حال، در جریان های پایین تر، تلفات در سلف کاهش می یابد و عملکرد کلی توسط بازده محدود می شود. از آنجایی که بسیاری از دستگاه‌های چاپی و ارگانیک به جریان‌های نسبتاً کم نیاز دارند، مانند OLED‌های کوچک مورد استفاده در نمایش ما، سلف‌های برق چاپی را می‌توان برای چنین کاربردهایی مناسب دانست. راندمان کلی مبدل بالاتری را می توان به دست آورد.
در این کار، تنظیم کننده ولتاژ بر روی PCB سنتی، PCB منعطف و فن آوری لحیم کاری قطعات نصب شده روی سطح ساخته شده است، در حالی که قطعه چاپی روی یک بستر جداگانه تولید می شود. فیلم‌های چاپی باید اجازه دهند اجزای غیرفعال و همچنین اتصال بین دستگاه و لنت‌های تماسی قطعات نصب سطحی، روی هر بستری چاپ شوند. کل مدار بر روی بسترهای ارزان قیمت (مانند PET) بدون نیاز به فرآیندهای کاهشی مانند اچ کردن PCB ساخته شود. بنابراین، اجزای غیرفعال چاپ شده با صفحه نمایش توسعه یافته در این کار به هموار کردن راه برای سیستم های الکترونیکی انعطاف پذیر که انرژی و بار را یکپارچه می کنند، کمک می کند. با الکترونیک قدرت با کارایی بالا، با استفاده از بسترهای ارزان قیمت، عمدتاً فرآیندهای افزودنی و حداقل تعداد قطعات نصب سطحی.
با استفاده از چاپگر صفحه Asys ASP01M و صفحه نمایش فولاد ضد زنگ ارائه شده توسط شرکت Dynamesh، تمام لایه های اجزای غیرفعال بر روی یک بستر قابل انعطاف PET با ضخامت 76 میکرومتر چاپ شدند. اندازه مش لایه فلزی 400 خط در اینچ و 250 خط است. خطوط در هر اینچ برای لایه دی الکتریک و لایه مقاومت. از نیروی اسکاج 55 نیوتن، سرعت چاپ 60 میلی متر بر ثانیه، فاصله شکست 1.5 میلی متر و اسکاج سریلور با سختی 65 (برای فلز و مقاومت) استفاده کنید. لایه ها) یا 75 (برای لایه های دی الکتریک) برای چاپ روی صفحه.
لایه‌های رسانا - سلف‌ها و تماس‌های خازن‌ها و مقاومت‌ها - با جوهر میکروفلیک نقره DuPont 5082 یا DuPont 5064H چاپ می‌شوند. مقاومت با هادی کربن DuPont 7082 چاپ می‌شود. برای خازن دی‌الکتریک دی‌الکتریک، ترکیب رسانای دی‌الکتریک T-Ti101. استفاده می شود. هر لایه دی الکتریک با استفاده از چرخه چاپ دو پاسی (تر و مرطوب) تولید می شود تا یکنواختی فیلم بهبود یابد. برای هر جزء، تأثیر چرخه های چاپ متعدد بر عملکرد و تغییرپذیری قطعه مورد بررسی قرار گرفت. نمونه های ساخته شده با چندین پوشش از یک ماده در دمای 70 درجه سانتیگراد به مدت 2 دقیقه بین پوشش ها خشک شد. پس از اعمال آخرین لایه هر ماده، نمونه ها در دمای 140 درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه پخته شدند تا از خشک شدن کامل اطمینان حاصل شود. عملکرد تراز خودکار صفحه نمایش از چاپگر برای تراز کردن لایه‌های بعدی استفاده می‌شود. تماس با مرکز سلف با بریدن یک سوراخ در قسمت مرکزی و آثار چاپ شابلون در پشت بستر با جوهر DuPont 5064H حاصل می‌شود. اتصال بین تجهیزات چاپ نیز از Dupont استفاده می‌کند. چاپ شابلون 5064H. برای نمایش اجزای چاپ شده و اجزای SMT بر روی PCB انعطاف پذیر نشان داده شده در شکل 7، اجزای چاپ شده توسط اپوکسی رسانای Circuit Works CW2400 به هم متصل می شوند و اجزای SMT با لحیم کاری سنتی به هم متصل می شوند.
اکسید لیتیوم کبالت (LCO) و الکترودهای مبتنی بر گرافیت به ترتیب به عنوان کاتد و آند باتری استفاده می شوند. ٪ کربن سیاه (Super P، Timcal) و 10٪ پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF، Kureha Corp.). آند مخلوطی از 84 درصد وزنی گرافیت، 4 درصد وزنی کربن سیاه و 13 درصد وزنی PVDF است. یک فویل فولادی ضد زنگ با ضخامت 0.0005 اینچ و یک فویل نیکل 10 میکرومتر به ترتیب به عنوان کلکتور جریان برای کاتد و آند استفاده می شود. جوهر با سرعت چاپ 20 روی کلکتور جریان با یک اسکاج چاپ می شود. میلی متر بر ثانیه الکترود را در فر 80 درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت گرم کنید تا حلال خارج شود. ارتفاع الکترود پس از خشک شدن حدود 60 میکرومتر است و بر اساس وزن ماده فعال، ظرفیت تئوری 1.65 میلی آمپر ساعت است. /cm2. الکترودها به ابعاد 1.3 × 1.3 سانتی‌متر مربع بریده شدند و یک شب در آون خلاء با دمای 140 درجه سانتی‌گراد گرم شدند و سپس با کیسه‌های لمینت آلومینیومی در جعبه دستکش پر از نیتروژن مهر و موم شدند. محلولی از فیلم پایه پلی پروپیلن با آند و کاتد و 1M LiPF6 در EC/DEC (1:1) به عنوان الکترولیت باتری استفاده می شود.
OLED سبز شامل پلی (9،9-دیوکتیل فلورن-کو-n-(4-بوتیل فنیل)-دی فنیل آمین) (TFB) و پلی (9،9-دیوکتیل فلورن-2،7- (2،1،3-بنزوتیادیازول- 4, 8-diyl)) (F8BT) با توجه به روش ذکر شده در Lochner و همکاران 9.
برای اندازه گیری ضخامت فیلم از پروفایلر قلم Dektak استفاده کنید. این فیلم برای تهیه نمونه مقطعی برای بررسی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بریده شد. تفنگ انتشار میدان سه بعدی FEI Quanta (FEG) SEM برای توصیف ساختار چاپ شده استفاده می شود. فیلم و اندازه گیری ضخامت را تایید کنید. مطالعه SEM با ولتاژ شتاب دهنده 20 کو و فاصله کاری معمولی 10 میلی متر انجام شد.
از یک مولتی متر دیجیتال برای اندازه گیری مقاومت، ولتاژ و جریان DC استفاده کنید. امپدانس AC سلف ها، خازن ها و مدارها با استفاده از Agilent E4980 LCR متر برای فرکانس های زیر 1 مگاهرتز و تحلیلگر شبکه Agilent E5061A برای اندازه گیری فرکانس های بالای 500 kHz استفاده می شود. اسیلوسکوپ Tektronix TDS 5034 برای اندازه گیری شکل موج تنظیم کننده ولتاژ.
نحوه استناد به این مقاله: Ostfeld، AE، و غیره. چاپ صفحه قطعات غیرفعال برای تجهیزات الکترونیکی قدرت انعطاف پذیر.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan، A. و همکاران. الکترونیک انعطاف پذیر: پلتفرم همه جا حاضر بعدی. فرآیند IEEE 100، 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: مکانی که در آن گروه ها با انسان ها ملاقات می کنند. مقاله منتشر شده در کنفرانس و نمایشگاه اروپایی 2015 در زمینه طراحی، اتوماسیون و آزمایش، گرنوبل، فرانسه. سن خوزه، کالیفرنیا: EDA Alliance.637-640 (2015، 9 مارس- 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, دستگاههای برداشت انرژی پیزوالکتریک چاپی AC.مواد انرژی پیشرفته.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW مولد انرژی ترموالکتریک فیلم تخت ضخیم چاپ شده با دیسپنسر. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL یک باتری چاپی انعطاف پذیر با پتانسیل بالا که برای تامین انرژی دستگاه های الکترونیکی چاپی استفاده می شود. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad، AM، Arias، AC & Steingart، DA آخرین پیشرفت‌ها در باتری‌های قابل انعطاف چاپی: چالش‌های مکانیکی، فناوری چاپ و چشم‌اندازهای آینده. فناوری انرژی.3، 305–328 (2015).
Hu، Y. و غیره. یک سیستم سنجش مقیاس بزرگ که دستگاه های الکترونیکی با مساحت بزرگ و IC های CMOS را برای نظارت بر سلامت ساختاری ترکیب می کند. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513-523 (2014).