Tin tức

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phiên bản trình duyệt mới hơn (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Đồng thời , để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị các trang web không có kiểu và JavaScript.
Các chất phụ gia và quy trình in ở nhiệt độ thấp có thể tích hợp nhiều thiết bị điện tử tiêu thụ điện năng và tiêu thụ điện năng khác nhau trên các đế linh hoạt với chi phí thấp. Tuy nhiên, việc sản xuất hệ thống điện tử hoàn chỉnh từ các thiết bị này thường yêu cầu các thiết bị điện tử công suất chuyển đổi giữa các điện áp hoạt động khác nhau của các thiết bị. Các thành phần thụ động—cuộn cảm, tụ điện và điện trở—thực hiện các chức năng như lọc, lưu trữ năng lượng ngắn hạn và đo điện áp, rất cần thiết trong điện tử công suất và nhiều ứng dụng khác. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu về cuộn cảm, tụ điện, điện trở và mạch RLC được in màn hình trên đế nhựa dẻo và báo cáo quy trình thiết kế để giảm thiểu điện trở nối tiếp của cuộn cảm để chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử công suất. Sau đó, cuộn cảm và điện trở được in sẽ được tích hợp vào mạch điều chỉnh tăng áp.Sản xuất của điốt phát sáng hữu cơ và pin lithium-ion linh hoạt.Bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để cấp nguồn cho điốt từ pin, chứng tỏ tiềm năng của các bộ phận thụ động được in để thay thế các bộ phận gắn trên bề mặt truyền thống trong các ứng dụng bộ chuyển đổi DC-DC.
Trong những năm gần đây, ứng dụng của nhiều thiết bị linh hoạt khác nhau trong các sản phẩm điện tử có thể đeo và diện rộng cũng như Internet of Things1,2 đã được phát triển. Chúng bao gồm các thiết bị thu năng lượng như quang điện 3, áp điện 4 và nhiệt điện 5;các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin 6, 7;và các thiết bị tiêu thụ điện năng, chẳng hạn như cảm biến 8, 9, 10, 11, 12 và nguồn sáng 13. Mặc dù đã đạt được tiến bộ lớn trong các nguồn năng lượng riêng lẻ và tải, việc kết hợp các thành phần này thành một hệ thống điện tử hoàn chỉnh thường đòi hỏi các thiết bị điện tử công suất để khắc phục mọi sự không khớp giữa hoạt động của nguồn điện và yêu cầu về tải. Ví dụ: pin tạo ra điện áp thay đổi tùy theo trạng thái sạc của nó. Nếu tải yêu cầu điện áp không đổi hoặc cao hơn điện áp mà pin có thể tạo ra thì cần có thiết bị điện tử công suất .Điện tử công suất sử dụng các thành phần tích cực (bóng bán dẫn) để thực hiện các chức năng chuyển mạch và điều khiển, cũng như các thành phần thụ động (cuộn cảm, tụ điện và điện trở). Ví dụ, trong mạch điều chỉnh chuyển mạch, một cuộn cảm được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong mỗi chu kỳ chuyển mạch. , một tụ điện được sử dụng để giảm gợn sóng điện áp và phép đo điện áp cần thiết để điều khiển phản hồi được thực hiện bằng bộ chia điện trở.
Các thiết bị điện tử công suất phù hợp với các thiết bị đeo được (chẳng hạn như máy đo oxy xung 9) yêu cầu vài volt và vài milliamp, thường hoạt động ở dải tần từ hàng trăm kHz đến vài MHz và yêu cầu độ tự cảm vài μH và vài μH và điện dung μF là 14. Phương pháp truyền thống để sản xuất các mạch này là hàn các thành phần rời rạc vào một bảng mạch in cứng (PCB). Mặc dù các thành phần hoạt động của mạch điện tử công suất thường được kết hợp thành một mạch tích hợp silicon (IC) duy nhất, các thành phần thụ động thường là bên ngoài, cho phép các mạch tùy chỉnh hoặc do độ tự cảm và điện dung cần thiết quá lớn để có thể thực hiện được bằng silicon.
So với công nghệ sản xuất dựa trên PCB truyền thống, việc sản xuất các thiết bị điện tử và mạch điện thông qua quy trình in phụ gia có nhiều ưu điểm về tính đơn giản và chi phí. Thứ nhất, vì nhiều thành phần của mạch yêu cầu các vật liệu giống nhau, chẳng hạn như kim loại để làm các điểm tiếp xúc và kết nối với nhau, việc in ấn cho phép sản xuất nhiều bộ phận cùng một lúc, với tương đối ít bước xử lý và ít nguồn nguyên liệu hơn15. Việc sử dụng các quy trình phụ gia để thay thế các quy trình trừ như quang khắc và khắc axit làm giảm hơn nữa độ phức tạp của quy trình và lãng phí vật liệu16, 17, 18 và 19. Ngoài ra, nhiệt độ thấp được sử dụng trong in ấn tương thích với các chất nền nhựa dẻo và rẻ tiền, cho phép sử dụng quy trình sản xuất dạng cuộn tốc độ cao để phủ các thiết bị điện tử 16, 20 trên các khu vực rộng lớn. Dành cho các ứng dụng Điều đó không thể thực hiện được hoàn toàn bằng các thành phần in, các phương pháp lai đã được phát triển trong đó các thành phần công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) được kết nối với các đế linh hoạt 21, 22, 23 bên cạnh các thành phần được in ở nhiệt độ thấp. Trong phương pháp lai này, nó vẫn còn cần thiết phải thay thế càng nhiều thành phần SMT càng tốt bằng các thành phần được in để đạt được lợi ích của các quy trình bổ sung và tăng tính linh hoạt tổng thể của mạch. Để hiện thực hóa thiết bị điện tử công suất linh hoạt, chúng tôi đã đề xuất kết hợp các thành phần hoạt động SMT và thụ động được in trên màn hình các thành phần, đặc biệt chú trọng đến việc thay thế cuộn cảm SMT cồng kềnh bằng cuộn cảm xoắn ốc phẳng. Trong số các công nghệ khác nhau để sản xuất thiết bị điện tử in, in lụa đặc biệt phù hợp với các thành phần thụ động vì độ dày màng lớn của nó (cần thiết để giảm thiểu điện trở nối tiếp của các đặc tính kim loại ) và tốc độ in cao, ngay cả khi in trên các khu vực cỡ centimet. Điều này đôi khi cũng đúng.Chất liệu 24.
Phải giảm thiểu sự mất mát các thành phần thụ động của thiết bị điện tử công suất vì hiệu suất của mạch ảnh hưởng trực tiếp đến lượng năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho hệ thống. Điều này đặc biệt khó khăn đối với các cuộn cảm in có cuộn dây dài, do đó dễ bị ảnh hưởng bởi dòng điện cao điện trở. Do đó, mặc dù một số nỗ lực đã được thực hiện để giảm thiểu điện trở 25, 26, 27, 28 của cuộn dây in, vẫn thiếu các thành phần thụ động được in hiệu quả cao cho các thiết bị điện tử công suất. Cho đến nay, nhiều báo cáo cho thấy điện trở in thụ động các thành phần trên nền linh hoạt được thiết kế để hoạt động trong các mạch cộng hưởng nhằm mục đích nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) hoặc thu năng lượng 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Các thành phần khác tập trung vào phát triển vật liệu hoặc quy trình sản xuất và hiển thị các thành phần chung 26, 32, 33, 34 không được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể. Ngược lại, các mạch điện tử công suất như bộ điều chỉnh điện áp thường sử dụng các bộ phận lớn hơn các thiết bị thụ động được in thông thường và không yêu cầu cộng hưởng nên cần có các thiết kế thành phần khác nhau.
Ở đây, chúng tôi giới thiệu thiết kế và tối ưu hóa cuộn cảm in lưới trong phạm vi μH để đạt được điện trở nối tiếp nhỏ nhất và hiệu suất cao ở các tần số liên quan đến điện tử công suất. Cuộn cảm, tụ điện và điện trở in lụa với các giá trị thành phần khác nhau được sản xuất trên nền nhựa dẻo. Sự phù hợp của các thành phần này đối với các sản phẩm điện tử dẻo lần đầu tiên được thể hiện trong một mạch RLC đơn giản. Sau đó, cuộn cảm và điện trở in được tích hợp với IC để tạo thành bộ điều chỉnh tăng áp. Cuối cùng, một điốt phát sáng hữu cơ (OLED) ) và pin lithium-ion linh hoạt được sản xuất, đồng thời bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để cấp nguồn cho OLED từ pin.
Để thiết kế cuộn cảm in cho điện tử công suất, trước tiên chúng tôi dự đoán độ tự cảm và điện trở DC của một loạt dạng hình học của cuộn cảm dựa trên mô hình tấm hiện tại được đề xuất trong Mohan et al.35 và chế tạo các cuộn cảm có hình dạng khác nhau để xác nhận Độ chính xác của mô hình. Trong công việc này, hình tròn được chọn cho cuộn cảm vì có thể đạt được độ tự cảm cao hơn 36 với điện trở thấp hơn so với hình dạng đa giác. Ảnh hưởng của mực loại và số chu kỳ in trên điện trở được xác định. Những kết quả này sau đó được sử dụng với mô hình ampe kế để thiết kế cuộn cảm 4,7 μH và 7,8 μH được tối ưu hóa cho điện trở DC tối thiểu.
Độ tự cảm và điện trở DC của cuộn cảm xoắn ốc có thể được mô tả bằng một số thông số: đường kính ngoài d, chiều rộng vòng w và khoảng cách s, số vòng dây n và điện trở tấm dây dẫn Rsheet. Hình 1a hiển thị ảnh của một cuộn cảm tròn được in lụa với n = 12, hiển thị các tham số hình học xác định độ tự cảm của nó. Theo mô hình ampe kế của Mohan et al.35, độ tự cảm được tính cho một loạt các dạng hình học của cuộn cảm, trong đó
(a) Ảnh chụp cuộn cảm được in trên màn hình hiển thị các thông số hình học. Đường kính là 3 cm. Độ tự cảm (b) và điện trở DC (c) của các hình dạng cuộn cảm khác nhau. Các đường và dấu tương ứng với các giá trị được tính toán và đo lường. (d, e) Điện trở DC của cuộn cảm L1 và L2 lần lượt là màn hình được in bằng mực bạc Dupont 5028 và 5064H. (f, g) Ảnh vi mô SEM của màn hình phim được in lần lượt bởi Dupont 5028 và 5064H.
Ở tần số cao, hiệu ứng bề mặt và điện dung ký sinh sẽ thay đổi điện trở và độ tự cảm của cuộn cảm theo giá trị DC của nó. Cuộn cảm dự kiến ​​sẽ hoạt động ở tần số đủ thấp để những hiệu ứng này không đáng kể và thiết bị hoạt động như một độ tự cảm không đổi với một điện trở nối tiếp không đổi. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích mối quan hệ giữa các thông số hình học, độ tự cảm và điện trở DC và sử dụng kết quả để thu được độ tự cảm nhất định có điện trở DC nhỏ nhất.
Độ tự cảm và điện trở được tính toán cho một loạt các tham số hình học có thể được thực hiện bằng cách in lụa và dự kiến ​​sẽ tạo ra độ tự cảm trong phạm vi μH. Đường kính ngoài là 3 và 5 cm, chiều rộng đường là 500 và 1000 micron , và các vòng quay khác nhau được so sánh. Trong tính toán, giả định rằng điện trở của tấm là 47 mΩ/□, tương ứng với lớp dây dẫn microflake bạc Dupont 5028 dày 7 μm được in bằng màn hình 400 lưới và cài đặt w = s. các giá trị điện cảm và điện trở được tính toán lần lượt được hiển thị trong Hình 1b và c. Mô hình dự đoán rằng cả điện cảm và điện trở đều tăng khi đường kính ngoài và số vòng dây tăng hoặc khi chiều rộng đường giảm.
Để đánh giá độ chính xác của các dự đoán mô hình, các cuộn cảm có hình dạng và độ tự cảm khác nhau đã được chế tạo trên đế polyetylen terephthalate (PET). Các giá trị điện cảm và điện trở đo được được hiển thị trong Hình 1b và c. Mặc dù điện trở có một số sai lệch so với giá trị mong đợi, chủ yếu là do sự thay đổi về độ dày và tính đồng nhất của mực lắng đọng, độ tự cảm cho thấy sự phù hợp rất tốt với mô hình.
Những kết quả này có thể được sử dụng để thiết kế một cuộn cảm có độ tự cảm cần thiết và điện trở DC tối thiểu. Ví dụ: giả sử cần có độ tự cảm là 2 μH. Hình 1b cho thấy độ tự cảm này có thể được nhận ra với đường kính ngoài là 3 cm, chiều rộng đường thẳng là 500 μm và 10 vòng. Độ tự cảm tương tự cũng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng đường kính ngoài 5 cm, chiều rộng đường 500 μm và chiều rộng đường 5 vòng hoặc 1000 μm và 7 vòng (như trong hình). So sánh điện trở của ba vòng này hình học có thể có trong Hình 1c, có thể thấy rằng điện trở thấp nhất của cuộn cảm 5 cm có chiều rộng đường 1000 μm là 34 Ω, thấp hơn khoảng 40% so với hai loại còn lại. Quá trình thiết kế chung để đạt được độ tự cảm nhất định với điện trở tối thiểu được tóm tắt như sau: Đầu tiên, chọn đường kính ngoài tối đa cho phép theo các hạn chế về không gian mà ứng dụng áp đặt. Sau đó, chiều rộng của đường phải càng lớn càng tốt trong khi vẫn đạt được độ tự cảm cần thiết để đạt được tỷ lệ lấp đầy cao (Phương trình (3)).
Bằng cách tăng độ dày hoặc sử dụng vật liệu có độ dẫn điện cao hơn để giảm điện trở tấm của màng kim loại, điện trở DC có thể giảm hơn nữa mà không ảnh hưởng đến độ tự cảm. Hai cuộn cảm có các thông số hình học được cho trong Bảng 1, được gọi là L1 và L2, được sản xuất với số lượng lớp phủ khác nhau để đánh giá sự thay đổi của điện trở. Khi số lượng lớp phủ mực tăng lên, điện trở giảm tỷ lệ thuận như mong đợi, như trong Hình 1d và e, lần lượt là các cuộn cảm L1 và L2. Hình 1d và e cho thấy rằng bằng cách áp dụng 6 lớp phủ, điện trở có thể giảm tới 6 lần và mức giảm điện trở tối đa (50-65%) xảy ra giữa lớp 1 và lớp 2. Vì mỗi lớp mực tương đối mỏng, nên Màn hình có kích thước lưới tương đối nhỏ (400 dòng trên inch) được sử dụng để in các cuộn cảm này, cho phép chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày dây dẫn đến điện trở. Miễn là các đặc điểm của mẫu vẫn lớn hơn độ phân giải tối thiểu của lưới, Độ dày (và điện trở) tương tự có thể đạt được nhanh hơn bằng cách in số lượng lớp phủ nhỏ hơn với kích thước lưới lớn hơn. Phương pháp này có thể được sử dụng để đạt được điện trở DC tương tự như cuộn cảm 6 lớp phủ được thảo luận ở đây, nhưng với tốc độ sản xuất cao hơn.
Hình 1d và e cũng cho thấy rằng bằng cách sử dụng mực vảy bạc DuPont 5064H dẫn điện tốt hơn, điện trở giảm đi hệ số hai. Từ ảnh chụp vi mô SEM của màng được in bằng hai loại mực (Hình 1f, g), có thể thấy rằng độ dẫn điện thấp hơn của mực 5028 là do kích thước hạt nhỏ hơn và sự hiện diện của nhiều khoảng trống giữa các hạt trong màng in. Mặt khác, 5064H có các vảy lớn hơn, sắp xếp chặt chẽ hơn, khiến nó hoạt động gần với khối hơn bạc. Mặc dù màng do loại mực này tạo ra mỏng hơn mực 5028, với một lớp 4 μm và 6 lớp 22 μm, việc tăng độ dẫn điện là đủ để giảm điện trở tổng thể.
Cuối cùng, mặc dù độ tự cảm (phương trình (1)) phụ thuộc vào số vòng dây (w + s), nhưng điện trở (phương trình (5)) chỉ phụ thuộc vào độ rộng đường thẳng w. Do đó, bằng cách tăng w so với s, điện trở có thể giảm thêm. Hai cuộn cảm bổ sung L3 và L4 được thiết kế để có w = 2s và đường kính ngoài lớn, như trong Bảng 1. Những cuộn cảm này được sản xuất với 6 lớp phủ DuPont 5064H, như đã trình bày trước đó, để cung cấp hiệu suất cao nhất. Độ tự cảm của L3 là 4,720 ± 0,002 μH và điện trở là 4,9 ± 0,1 Ω, trong khi độ tự cảm của L4 là 7,839 ± 0,005 μH và 6,9 ± 0,1 Ω, phù hợp tốt với dự đoán của mô hình. Do tăng độ dày, độ dẫn điện và w/s, điều này có nghĩa là tỷ lệ L/R đã tăng hơn một bậc độ lớn so với giá trị trong Hình 1.
Mặc dù điện trở DC thấp đầy hứa hẹn nhưng việc đánh giá tính phù hợp của cuộn cảm đối với thiết bị điện tử công suất hoạt động trong dải kHz-MHz đòi hỏi phải mô tả đặc tính ở tần số AC. Hình 2a cho thấy sự phụ thuộc tần số của điện trở và điện kháng của L3 và L4. Đối với tần số dưới 10 MHz , điện trở gần như không đổi ở giá trị DC của nó, trong khi điện kháng tăng tuyến tính theo tần số, có nghĩa là độ tự cảm không đổi như mong đợi. Tần số tự cộng hưởng được định nghĩa là tần số mà trở kháng thay đổi từ cảm ứng sang điện dung, với L3 là 35,6 ± 0,3 MHz và L4 là 24,3 ± 0,6 MHz. Sự phụ thuộc tần số của hệ số chất lượng Q (bằng ωL/R) được thể hiện trên hình 2b.L3 và L4 đạt hệ số chất lượng tối đa là 35 ± 1 và 33 ± 1 ở tần số tương ứng là 11 và 16 MHz. Độ tự cảm vài μH và Q tương đối cao ở tần số MHz khiến những cuộn cảm này đủ để thay thế cuộn cảm gắn trên bề mặt truyền thống trong bộ chuyển đổi DC-DC công suất thấp.
Điện trở R và điện kháng X (a) đo được và hệ số chất lượng Q (b) của cuộn cảm L3 và L4 có liên quan đến tần số.
Để giảm thiểu dấu chân cần thiết cho một điện dung nhất định, tốt nhất nên sử dụng công nghệ tụ điện có điện dung riêng lớn, bằng hằng số điện môi ε chia cho độ dày của điện môi. Trong công việc này, chúng tôi đã chọn hỗn hợp bari titanate làm chất điện môi vì nó có epsilon cao hơn các chất điện môi hữu cơ được xử lý bằng dung dịch khác. Lớp điện môi được in màn hình giữa hai dây dẫn bạc để tạo thành cấu trúc kim loại-điện môi-kim loại. Các tụ điện có kích thước khác nhau tính bằng centimet, như trong Hình 3a , được sản xuất bằng cách sử dụng hai hoặc ba lớp mực điện môi để duy trì năng suất tốt. Hình 3b cho thấy ảnh vi mô SEM cắt ngang của một tụ điện đại diện được chế tạo bằng hai lớp điện môi, với tổng độ dày điện môi là 21 μm. Các điện cực trên và dưới lần lượt là một lớp và sáu lớp 5064H. Các hạt barium titanate có kích thước micron có thể nhìn thấy được trong ảnh SEM vì các vùng sáng hơn được bao quanh bởi chất kết dính hữu cơ tối hơn. Mực điện môi làm ướt tốt điện cực phía dưới và tạo thành một giao diện rõ ràng với màng kim loại được in, như trong hình minh họa với độ phóng đại cao hơn.
(a) Ảnh chụp tụ điện với năm vùng khác nhau. (b) Ảnh vi mô SEM cắt ngang của tụ điện có hai lớp điện môi, cho thấy điện cực bari titanat và điện cực bạc. (c) Điện dung của tụ điện có 2 và 3 bari titanat các lớp điện môi và các diện tích khác nhau, được đo ở tần số 1 MHz.(d) Mối quan hệ giữa điện dung, ESR và hệ số tổn hao của tụ điện 2,25 cm2 với 2 lớp phủ điện môi và tần số.
Điện dung tỷ lệ thuận với diện tích dự kiến.Như trong hình 3c, điện dung riêng của chất điện môi hai lớp là 0,53 nF/cm2 và điện dung riêng của chất điện môi ba lớp là 0,33 nF/cm2. Các giá trị này tương ứng với hằng số điện môi là 13. Điện dung và hệ số tiêu tán (DF) cũng được đo ở các tần số khác nhau, như trong Hình 3d, đối với tụ điện 2,25 cm2 có hai lớp điện môi. Chúng tôi thấy rằng điện dung tương đối phẳng trong dải tần quan tâm, tăng 20% từ 1 đến 10 MHz, trong khi ở cùng một phạm vi, DF tăng từ 0,013 lên 0,023. Vì hệ số tiêu tán là tỷ lệ tổn thất năng lượng trên năng lượng được lưu trữ trong mỗi chu kỳ AC, DF bằng 0,02 có nghĩa là 2% công suất được xử lý bởi tụ điện được tiêu thụ. Sự mất mát này thường được biểu thị bằng điện trở nối tiếp tương đương phụ thuộc tần số (ESR) mắc nối tiếp với tụ điện, bằng DF/ωC. Như được hiển thị trong Hình 3d, đối với tần số lớn hơn 1 MHz, ESR thấp hơn 1,5 Ω và đối với tần số lớn hơn 4 MHz, ESR thấp hơn 0,5 Ω. Mặc dù sử dụng công nghệ tụ điện này nhưng tụ điện loại μF cần thiết cho bộ chuyển đổi DC-DC yêu cầu diện tích rất lớn, nhưng 100 pF- Dải điện dung nF và mức tổn thất thấp của các tụ điện này khiến chúng phù hợp với các ứng dụng khác, chẳng hạn như bộ lọc và mạch cộng hưởng. Có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tăng điện dung. Hằng số điện môi cao hơn sẽ làm tăng điện dung riêng 37;ví dụ, điều này có thể đạt được bằng cách tăng nồng độ các hạt bari titanat trong mực. Có thể sử dụng độ dày điện môi nhỏ hơn, mặc dù điều này đòi hỏi điện cực ở dưới có độ nhám thấp hơn so với vảy bạc được in trên lưới. Tụ điện mỏng hơn, có độ nhám thấp hơn các lớp có thể được lắng đọng bằng cách in phun 31 hoặc in ống đồng 10, có thể được kết hợp với quy trình in lụa. Cuối cùng, nhiều lớp kim loại và chất điện môi xen kẽ có thể được xếp chồng lên nhau và in và kết nối song song, do đó làm tăng điện dung 34 trên một đơn vị diện tích .
Bộ chia điện áp bao gồm một cặp điện trở thường được sử dụng để thực hiện phép đo điện áp cần thiết cho việc điều khiển phản hồi của bộ điều chỉnh điện áp. Đối với loại ứng dụng này, điện trở của điện trở được in phải nằm trong phạm vi kΩ-MΩ và sự khác biệt giữa các thiết bị này nhỏ. Ở đây, người ta thấy rằng điện trở tấm của mực carbon in lưới một lớp là 900 Ω/□. Thông tin này được sử dụng để thiết kế hai điện trở tuyến tính (R1 và R2) và một điện trở ngoằn ngoèo (R3 ) với các điện trở danh nghĩa là 10 kΩ, 100 kΩ và 1,5 MΩ. Điện trở giữa các giá trị danh nghĩa đạt được bằng cách in hai hoặc ba lớp mực, như trong Hình 4 và ảnh chụp ba điện trở. Thực hiện 8- mỗi loại 12 mẫu;trong mọi trường hợp, độ lệch chuẩn của điện trở là 10% hoặc ít hơn. Sự thay đổi điện trở của các mẫu có hai hoặc ba lớp phủ có xu hướng nhỏ hơn một chút so với các mẫu có một lớp phủ. Sự thay đổi điện trở nhỏ trong điện trở đo được và sự phù hợp chặt chẽ với giá trị danh nghĩa cho thấy rằng các điện trở khác trong phạm vi này có thể thu được trực tiếp bằng cách sửa đổi hình dạng điện trở.
Ba điện trở có hình dạng khác nhau với số lượng lớp phủ mực điện trở carbon khác nhau. Hình ảnh của ba điện trở được hiển thị bên phải.
Mạch RLC là ví dụ điển hình trong sách giáo khoa về sự kết hợp điện trở, cuộn cảm và tụ điện được sử dụng để chứng minh và xác minh hoạt động của các thành phần thụ động được tích hợp vào mạch in thực. Trong mạch này, một cuộn cảm 8 μH và một tụ điện 0,8 nF được mắc nối tiếp và một Điện trở 25 kΩ được kết nối song song với chúng. Hình ảnh của mạch linh hoạt được hiển thị trong Hình 5a. Lý do chọn sự kết hợp song song nối tiếp đặc biệt này là vì hoạt động của nó được xác định bởi từng thành phần trong số ba thành phần tần số khác nhau, sao cho hiệu suất của từng thành phần có thể được làm nổi bật và đánh giá. Xem xét điện trở nối tiếp 7 Ω của cuộn cảm và ESR 1,3 Ω của tụ điện, đáp ứng tần số dự kiến ​​của mạch đã được tính toán. Sơ đồ mạch được hiển thị trong Hình 5b và tính toán biên độ trở kháng, pha và các giá trị đo được thể hiện trên Hình 5c và d. Ở tần số thấp, trở kháng cao của tụ điện có nghĩa là hoạt động của mạch được xác định bởi điện trở 25 kΩ. Khi tần số tăng, trở kháng của đường LC giảm;toàn bộ hoạt động của mạch là điện dung cho đến khi tần số cộng hưởng là 2,0 MHz. Trên tần số cộng hưởng, trở kháng cảm ứng chiếm ưu thế. Hình 5 cho thấy rõ sự phù hợp tuyệt vời giữa các giá trị được tính toán và đo được trên toàn bộ dải tần. Điều này có nghĩa là mô hình đã sử dụng ở đây (trong đó cuộn cảm và tụ điện là những thành phần lý tưởng có điện trở nối tiếp) là chính xác để dự đoán hoạt động của mạch ở các tần số này.
(a) Ảnh chụp mạch RLC in trên màn hình sử dụng tổ hợp nối tiếp giữa cuộn cảm 8 μH và tụ điện 0,8 nF mắc song song với điện trở 25 kΩ. (b) Mô hình mạch bao gồm điện trở nối tiếp của cuộn cảm và tụ điện. (c) ,d) Biên độ trở kháng (c) và pha (d) của mạch điện.
Cuối cùng, cuộn cảm và điện trở được in được triển khai trong bộ điều chỉnh tăng áp. IC được sử dụng trong phần trình diễn này là Microchip MCP1640B14, là bộ điều chỉnh tăng áp đồng bộ dựa trên xung điện tử có tần số hoạt động 500 kHz. Sơ đồ mạch được hiển thị trong Hình 6a.A Cuộn cảm 4,7 μH và hai tụ điện (4,7 μF và 10 μF) được sử dụng làm phần tử lưu trữ năng lượng và một cặp điện trở được sử dụng để đo điện áp đầu ra của bộ điều khiển phản hồi. Chọn giá trị điện trở để điều chỉnh điện áp đầu ra thành 5 V. Mạch được sản xuất trên PCB và hiệu suất của nó được đo trong điện trở tải và dải điện áp đầu vào từ 3 đến 4 V để mô phỏng pin lithium-ion ở các trạng thái sạc khác nhau. Hiệu suất của cuộn cảm và điện trở được in được so sánh với hiệu suất của cuộn cảm và điện trở SMT. Tụ điện SMT được sử dụng trong mọi trường hợp vì điện dung cần thiết cho ứng dụng này quá lớn để có thể hoàn thành bằng tụ điện in.
(a) Sơ đồ mạch ổn áp.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, và (d) Dạng sóng của dòng điện chạy vào cuộn cảm, điện áp vào là 4,0 V, điện trở tải là 1 kΩ, và cuộn cảm in được sử dụng để đo. Điện trở và tụ điện gắn trên bề mặt được sử dụng cho phép đo này. (e) Đối với các điện trở tải và điện áp đầu vào khác nhau, hiệu suất của mạch điều chỉnh điện áp sử dụng tất cả các thành phần gắn trên bề mặt cũng như cuộn cảm và điện trở in.(f ) Tỷ lệ hiệu suất của giá treo bề mặt và mạch in được thể hiện trong (e).
Đối với điện áp đầu vào 4,0 V và điện trở tải 1000 Ω, dạng sóng được đo bằng cuộn cảm in được thể hiện trong Hình 6b-d. Hình 6c cho thấy điện áp ở cực Vsw của IC;điện áp cuộn cảm là Vin-Vsw. Hình 6d cho thấy dòng điện chạy vào cuộn cảm. Hiệu suất của mạch với SMT và các thành phần in được thể hiện trong Hình 6e là hàm của điện áp đầu vào và điện trở tải, và Hình 6f hiển thị tỷ lệ hiệu suất của các linh kiện được in thành các linh kiện SMT. Hiệu suất đo được khi sử dụng các linh kiện SMT tương tự như giá trị mong đợi được đưa ra trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất 14. Ở dòng điện đầu vào cao (điện trở tải thấp và điện áp đầu vào thấp), hiệu suất của cuộn cảm in thấp hơn đáng kể so với của cuộn cảm SMT do điện trở nối tiếp cao hơn. Tuy nhiên, với điện áp đầu vào cao hơn và dòng điện đầu ra cao hơn, tổn hao điện trở trở nên ít quan trọng hơn và hiệu suất của cuộn cảm in bắt đầu đạt đến hiệu suất của cuộn cảm SMT. Đối với điện trở tải >500 Ω và Vin = 4,0 V hoặc >750 Ω và Vin = 3,5 V thì hiệu suất của cuộn cảm in lớn hơn 85% so với cuộn cảm SMT.
So sánh dạng sóng hiện tại trong Hình 6d với tổn thất điện năng đo được cho thấy tổn thất điện trở trong cuộn cảm là nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt về hiệu suất giữa mạch in và mạch SMT, như mong đợi. Công suất đầu vào và đầu ra đo được ở 4,0 V Điện áp đầu vào và điện trở tải 1000 Ω lần lượt là 30,4 mW và 25,8 mW đối với mạch có linh kiện SMT, và 33,1 mW và 25,2 mW đối với mạch có linh kiện in. Do đó, tổn thất của mạch in là 7,9 mW, cao hơn 3,4 mW so với mạch có các thành phần SMT. Dòng điện cảm RMS được tính từ dạng sóng trong Hình 6d là 25,6 mA.Vì điện trở nối tiếp của nó là 4,9 Ω nên tổn thất điện năng dự kiến ​​là 3,2 mW. Đây là 96% chênh lệch công suất DC 3,4 mW đo được. Ngoài ra, mạch được sản xuất với cuộn cảm in và điện trở in cũng như cuộn cảm in và điện trở SMT, và không có sự khác biệt đáng kể về hiệu quả được quan sát giữa chúng.
Sau đó, bộ điều chỉnh điện áp được chế tạo trên PCB linh hoạt (hiệu suất in và thành phần SMT của mạch được thể hiện trong Hình bổ sung S1) và được kết nối giữa pin lithium-ion linh hoạt làm nguồn điện và mảng OLED làm tải.Theo Lochner và cộng sự.9 Để sản xuất OLED, mỗi pixel OLED tiêu thụ 0,6 mA ở 5 V. Pin lần lượt sử dụng oxit lithium coban và than chì làm cực âm và cực dương và được sản xuất bằng lớp phủ lưỡi bác sĩ, đây là phương pháp in pin phổ biến nhất.7 dung lượng pin là 16mAh và điện áp trong quá trình thử nghiệm là 4.0V. Hình 7 hiển thị ảnh mạch trên PCB linh hoạt, cấp nguồn cho ba pixel OLED được kết nối song song. Cuộc trình diễn đã chứng minh tiềm năng của các thành phần nguồn in được tích hợp với các thành phần khác các thiết bị linh hoạt và hữu cơ để hình thành các hệ thống điện tử phức tạp hơn.
Hình ảnh mạch điều chỉnh điện áp trên PCB linh hoạt sử dụng cuộn cảm và điện trở được in, sử dụng pin lithium-ion linh hoạt để cấp nguồn cho ba đèn LED hữu cơ.
Chúng tôi đã trình chiếu các cuộn cảm, tụ điện và điện trở in lụa với nhiều giá trị trên đế PET dẻo, với mục tiêu thay thế các bộ phận gắn trên bề mặt trong thiết bị điện tử công suất. Chúng tôi đã chỉ ra điều đó bằng cách thiết kế một hình xoắn ốc có đường kính lớn, tốc độ lấp đầy và tỷ lệ độ rộng không gian-độ rộng đường và bằng cách sử dụng một lớp mực dày có điện trở thấp. Các thành phần này được tích hợp vào mạch RLC linh hoạt và được in đầy đủ, đồng thời thể hiện hành vi điện có thể dự đoán được trong dải tần kHz-MHz, cao nhất quan tâm đến điện tử công suất.
Các trường hợp sử dụng điển hình cho thiết bị điện tử công suất in là hệ thống điện tử linh hoạt có thể đeo hoặc tích hợp trong sản phẩm, được cấp nguồn bằng pin sạc linh hoạt (chẳng hạn như lithium-ion), có thể tạo ra điện áp thay đổi tùy theo trạng thái sạc. Nếu tải (bao gồm cả in và thiết bị điện tử hữu cơ) yêu cầu điện áp không đổi hoặc cao hơn điện áp đầu ra của pin thì cần có bộ điều chỉnh điện áp. Vì lý do này, cuộn cảm và điện trở in được tích hợp với IC silicon truyền thống thành bộ điều chỉnh tăng áp để cấp nguồn cho OLED với điện áp không đổi 5 V từ nguồn điện pin thay đổi. Trong một phạm vi nhất định của dòng tải và điện áp đầu vào, hiệu suất của mạch này vượt quá 85% hiệu suất của mạch điều khiển sử dụng cuộn cảm và điện trở gắn trên bề mặt. Mặc dù tối ưu hóa vật liệu và hình học, Tổn hao điện trở trong cuộn cảm vẫn là hệ số giới hạn hiệu suất của mạch ở mức dòng điện cao (dòng điện đầu vào lớn hơn khoảng 10 mA). Tuy nhiên, ở dòng điện thấp hơn, tổn hao trong cuộn cảm giảm và hiệu suất tổng thể bị giới hạn bởi hiệu suất của IC. Vì nhiều thiết bị in và hữu cơ yêu cầu dòng điện tương đối thấp, chẳng hạn như OLED nhỏ được sử dụng trong phần trình diễn của chúng tôi, nên cuộn cảm điện in có thể được coi là phù hợp cho các ứng dụng đó. Bằng cách sử dụng IC được thiết kế để có hiệu suất cao nhất ở mức dòng điện thấp hơn, hiệu suất chuyển đổi tổng thể cao hơn có thể đạt được.
Trong nghiên cứu này, bộ điều chỉnh điện áp được chế tạo dựa trên công nghệ hàn linh kiện gắn trên bề mặt, PCB linh hoạt và PCB truyền thống, trong khi linh kiện in được sản xuất trên một đế riêng biệt. Tuy nhiên, loại mực có nhiệt độ thấp và độ nhớt cao được sử dụng để sản xuất màn hình- màng in phải cho phép in các bộ phận thụ động, cũng như kết nối giữa thiết bị và miếng tiếp xúc của bộ phận gắn trên bề mặt trên bất kỳ chất nền nào. Điều này, kết hợp với việc sử dụng chất kết dính dẫn điện nhiệt độ thấp hiện có cho các bộ phận gắn trên bề mặt, sẽ cho phép toàn bộ mạch được xây dựng trên các chất nền rẻ tiền (chẳng hạn như PET) mà không cần các quy trình trừ như khắc PCB. Do đó, các thành phần thụ động được in trên màn hình được phát triển trong công việc này giúp mở đường cho các hệ thống điện tử linh hoạt tích hợp năng lượng và tải với các thiết bị điện tử công suất hiệu suất cao, sử dụng chất nền rẻ tiền, chủ yếu là các quy trình phụ gia và số lượng thành phần gắn trên bề mặt ở mức tối thiểu.
Sử dụng máy in màn hình Asys ASP01M và màn hình thép không gỉ do Dynamesh Inc. cung cấp, tất cả các lớp linh kiện thụ động được in màn hình trên nền PET dẻo có độ dày 76 μm. Kích thước mắt lưới của lớp kim loại là 400 dòng trên inch và 250 số dòng trên mỗi inch cho lớp điện môi và lớp điện trở. Sử dụng lực vắt 55 N, tốc độ in 60 mm/s, khoảng cách đứt 1,5 mm và chổi cao su Serilor có độ cứng 65 (đối với kim loại và điện trở). lớp) hoặc 75 (đối với lớp điện môi) để in lụa.
Các lớp dẫn điện—cuộn cảm và các tiếp điểm của tụ điện và điện trở—được in bằng mực vi vảy bạc DuPont 5082 hoặc DuPont 5064H. Điện trở được in bằng dây dẫn carbon DuPont 7082. Đối với chất điện môi của tụ điện, hợp chất dẫn điện BT-101 bari titanat điện môi được sử dụng. Mỗi lớp điện môi được sản xuất bằng chu trình in hai lượt (ướt-ướt) để cải thiện tính đồng nhất của màng. Đối với mỗi thành phần, tác động của nhiều chu kỳ in đến hiệu suất và độ biến thiên của thành phần đã được kiểm tra. Các mẫu được làm bằng nhiều lớp phủ của cùng một vật liệu được sấy khô ở 70 ° C trong 2 phút giữa các lớp phủ. Sau khi sơn lớp cuối cùng của mỗi vật liệu, các mẫu được nung ở 140 ° C trong 10 phút để đảm bảo sấy khô hoàn toàn. Chức năng căn chỉnh tự động của màn hình máy in được sử dụng để căn chỉnh các lớp tiếp theo. Sự tiếp xúc với tâm của cuộn cảm đạt được bằng cách cắt một lỗ xuyên qua trên miếng đệm giữa và dấu vết in stencil ở mặt sau của đế bằng mực DuPont 5064H. Kết nối giữa các thiết bị in cũng sử dụng Dupont In stencil 5064H. Để hiển thị các thành phần được in và các thành phần SMT trên PCB linh hoạt như trong Hình 7, các thành phần được in được kết nối bằng epoxy dẫn điện Circuit Works CW2400 và các thành phần SMT được kết nối bằng phương pháp hàn truyền thống.
Lithium coban oxit (LCO) và các điện cực gốc than chì lần lượt được sử dụng làm cực âm và cực dương của pin. Bùn cực âm là hỗn hợp của 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% than chì (KS6, Timcal), 2,5 % muội than (Super P, Timcal) và 10% polyvinylidene fluoride (PVDF, Kureha Corp.).) Cực dương là hỗn hợp gồm 84wt% than chì, 4wt% carbon đen và 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) được sử dụng để hòa tan chất kết dính PVDF và phân tán bùn. Bùn được đồng nhất hóa bằng khuấy bằng máy trộn xoáy qua đêm. Lá thép không gỉ dày 0,0005 inch và lá niken 10 μm được sử dụng làm bộ thu dòng cho cực âm và cực dương tương ứng. Mực được in trên bộ thu dòng bằng chổi cao su ở tốc độ in 20 mm/s. Làm nóng điện cực trong lò ở nhiệt độ 80 ° C trong 2 giờ để loại bỏ dung môi. Chiều cao của điện cực sau khi sấy khô là khoảng 60 μm và dựa trên trọng lượng của vật liệu hoạt động, dung lượng lý thuyết là 1,65 mAh /cm2.Các điện cực được cắt thành các kích thước 1,3 × 1,3 cm2 và nung nóng trong lò chân không ở nhiệt độ 140°C qua đêm, sau đó chúng được bịt kín bằng túi nhôm nhiều lớp trong hộp găng tay chứa đầy nitơ. Dung dịch màng nền polypropylen với cực dương và cực âm và 1M LiPF6 trong EC/DEC (1:1) được sử dụng làm chất điện phân cho pin.
OLED xanh bao gồm poly(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) và poly((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) theo quy trình được nêu trong Lochner và cộng sự 9.
Sử dụng máy định hình bút stylus Dektak để đo độ dày màng. Phim được cắt để chuẩn bị mẫu cắt ngang phục vụ nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Súng phát xạ trường 3D FEI Quanta (FEG) SEM được sử dụng để mô tả cấu trúc của vật liệu in màng và xác nhận phép đo độ dày. Nghiên cứu SEM được thực hiện ở điện áp gia tốc 20 keV và khoảng cách làm việc thông thường là 10 mm.
Sử dụng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số để đo điện trở, điện áp và dòng điện một chiều. Trở kháng AC của cuộn cảm, tụ điện và mạch điện được đo bằng máy đo Agilent E4980 LCR cho tần số dưới 1 MHz và máy phân tích mạng Agilent E5061A được sử dụng để đo tần số trên 500 kHz. Sử dụng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số để đo điện trở DC, điện áp và dòng điện. Máy hiện sóng Tektronix TDS 5034 để đo dạng sóng ổn áp.
Cách trích dẫn bài viết này: Ostfeld, AE, v.v.Linh kiện thụ động in lụa cho thiết bị điện tử công suất linh hoạt.science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. và cộng sự.Điện tử linh hoạt: nền tảng phổ biến tiếp theo.Quy trình IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Nơi các nhóm gặp gỡ con người. Tài liệu được xuất bản tại Hội nghị và Triển lãm Châu Âu 2015 về Thiết kế, Tự động hóa và Thử nghiệm, Grenoble, Pháp.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 tháng 3- 13).
Krebs, FC, v.v. Người trình diễn OPV OE-A anno domini 2011.Energy môi trường.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, thiết bị thu năng lượng áp điện in AC. Vật liệu năng lượng tiên tiến.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Máy phát điện năng lượng nhiệt màng dày phẳng được in bằng máy phân phối.J.Cơ khí vi mô Kỹ thuật vi mô 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Một loại pin in có tiềm năng cao linh hoạt được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử in.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Những phát triển mới nhất về pin in linh hoạt: thách thức cơ học, công nghệ in và triển vọng tương lai. Công nghệ năng lượng.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. v.v.Một hệ thống cảm biến quy mô lớn kết hợp các thiết bị điện tử diện rộng và IC CMOS để theo dõi tình trạng cấu trúc.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).