yangiliklar

Qo'shimchalar va past haroratli bosib chiqarish jarayonlari turli quvvat sarflaydigan va quvvat sarflaydigan turli xil elektron qurilmalarni moslashuvchan substratlarga arzon narxlarda birlashtirishi mumkin. Biroq, bu qurilmalardan to'liq elektron tizimlarni ishlab chiqarish odatda turli xil ish kuchlanishlari o'rtasida konvertatsiya qilish uchun quvvatli elektron qurilmalarni talab qiladi. qurilmalar. Passiv komponentlar - induktorlar, kondansatörler va rezistorlar - filtrlash, qisqa muddatli energiyani saqlash va kuchlanishni o'lchash kabi funktsiyalarni bajaradi, ular quvvat elektronikasi va boshqa ko'plab ilovalar uchun zarurdir. Ushbu maqolada biz induktorlar, kondansatörler, rezistorlar va RLC sxemalari moslashuvchan plastik tagliklarda ekranda chop etiladi va induktorlarning ketma-ket qarshiligini minimallashtirish uchun dizayn jarayoni haqida xabar bering, shunda ular quvvat elektron qurilmalarida ishlatilishi mumkin. Bosilgan induktor va rezistor keyin kuchaytiruvchi regulyator sxemasiga kiritiladi. Ishlab chiqarish organik yorug'lik chiqaradigan diodlar va moslashuvchan lityum-ion batareyalar. Voltaj regulyatorlari diodlarni batareyadan quvvatlantirish uchun ishlatiladi, bu DC-DC konvertori ilovalarida an'anaviy sirt o'rnatish komponentlarini almashtirish uchun bosilgan passiv komponentlarning potentsialini namoyish etadi.
So'nggi yillarda kiyinadigan va keng maydonli elektron mahsulotlarda turli xil moslashuvchan qurilmalarni qo'llash va narsalarning Interneti1,2 ishlab chiqildi.Bularga fotovoltaik 3, piezoelektrik 4 va termoelektrik 5 kabi energiya yig'ish qurilmalari kiradi; energiya saqlash qurilmalari, masalan, batareyalar 6, 7; va 8, 9, 10, 11, 12 datchiklar va yorug'lik manbalari kabi quvvat sarflaydigan qurilmalar 13. Alohida energiya manbalari va yuklarda katta yutuqlarga erishilgan bo'lsa-da, bu komponentlarni to'liq elektron tizimga birlashtirish odatda energiya elektronini talab qiladi. quvvat manbai harakati va yuk talablari o'rtasidagi har qanday nomuvofiqlikni bartaraf etish.Masalan, batareya zaryad holatiga qarab o'zgaruvchan kuchlanish hosil qiladi.Agar yuk doimiy kuchlanishni talab qilsa yoki batareya ishlab chiqaradigan kuchlanishdan yuqori bo'lsa, quvvat elektroniği talab qilinadi. .Quvvat elektronikasi kommutatsiya va boshqarish funktsiyalarini bajarish uchun faol komponentlar (tranzistorlar), shuningdek passiv komponentlar (induktorlar, kondansatörler va rezistorlar) dan foydalanadi.Masalan, kommutatsiya regulyatori sxemasida har bir kommutatsiya davrida energiyani saqlash uchun induktor ishlatiladi. , kuchlanish to'lqinini kamaytirish uchun kondansatör ishlatiladi va geribildirim nazorati uchun zarur bo'lgan kuchlanish o'lchovi rezistor ajratgich yordamida amalga oshiriladi.
Kiyinadigan qurilmalar uchun mos keladigan quvvat elektron qurilmalari (masalan, puls oksimetri 9) bir necha volt va bir necha milliamperni talab qiladi, odatda yuzlab kHz dan bir necha MGts gacha chastota diapazonida ishlaydi va bir necha mH va bir necha mH indüktans va sig'im mF ni talab qiladi. 14 mos ravishda.Ushbu sxemalarni ishlab chiqarishning an'anaviy usuli diskret komponentlarni qattiq bosilgan elektron plataga (PCB) lehimlashdan iborat. Quvvatli elektron sxemalarning faol komponentlari odatda bitta kremniyli integral sxemaga (IC) birlashtirilgan bo'lsa-da, passiv komponentlar odatda tashqi, yoki maxsus sxemalarga ruxsat berish, yoki kerakli indüktans va sig'im silikonda amalga oshirish uchun juda katta bo'lgani uchun.
An'anaviy PCB asosidagi ishlab chiqarish texnologiyasi bilan solishtirganda, qo'shimchali bosib chiqarish jarayoni orqali elektron qurilmalar va sxemalarni ishlab chiqarish soddaligi va narxi jihatidan juda ko'p afzalliklarga ega.Birinchidan, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan metallar kabi ko'plab komponentlar bir xil materiallarni talab qilganligi sababli. va oʻzaro bogʻlanishlar, bosib chiqarish nisbatan kam ishlov berish bosqichlari va kamroq materiallar manbalari bilan bir vaqtning oʻzida bir nechta komponentlarni ishlab chiqarish imkonini beradi15. Fotolitografiya va oʻyma kabi olib tashlash jarayonlarini almashtirish uchun qoʻshimcha jarayonlardan foydalanish jarayonning murakkabligi va material chiqindilarini yanada kamaytiradi16, 17, 18, va 19.Bundan tashqari, bosib chiqarishda ishlatiladigan past haroratlar moslashuvchan va arzon plastik substratlar bilan mos keladi, bu esa katta maydonlarda 16, 20 elektron qurilmalarni qoplash uchun yuqori tezlikda rulonli ishlab chiqarish jarayonlaridan foydalanishga imkon beradi. Ilovalar uchun bosilgan komponentlar bilan to'liq amalga oshirib bo'lmaydigan gibrid usullar ishlab chiqilgan bo'lib, unda sirt o'rnatish texnologiyasi (SMT) komponentlari past haroratlarda bosilgan komponentlar yonidagi moslashuvchan substratlarga 21, 22, 23 ulanadi.Ushbu gibrid yondashuvda u hali ham mavjud. Qo'shimcha jarayonlarning afzalliklarini olish va sxemaning umumiy moslashuvchanligini oshirish uchun iloji boricha ko'proq SMT komponentlarini bosilgan analoglar bilan almashtirish kerak. Moslashuvchan quvvat elektronini amalga oshirish uchun biz SMT faol komponentlari va ekranda bosib chiqarilgan passiv birikmasini taklif qildik. Katta hajmli SMT induktorlarini planar spiral induktorlar bilan almashtirishga alohida e'tibor berilgan komponentlar. Bosma elektronikani ishlab chiqarishning turli texnologiyalari orasida ekranli bosib chiqarish, ayniqsa, katta plyonka qalinligi tufayli passiv komponentlar uchun mos keladi (bu metall elementlarning ketma-ket qarshiligini minimallashtirish uchun zarurdir) ) va yuqori chop etish tezligi, hatto santimetrli maydonlarni yopganda ham xuddi shunday.
Quvvatli elektron qurilmalarning passiv komponentlarini yo'qotish minimallashtirilishi kerak, chunki kontaktlarning zanglashiga olib keladigan samaradorligi tizimni quvvatlantirish uchun zarur bo'lgan energiya miqdoriga bevosita ta'sir qiladi. Bu, ayniqsa, uzun bobinlardan tashkil topgan bosma induktorlar uchun juda qiyin, shuning uchun ular yuqori seriyalarga sezgir. qarshilik.Shuning uchun, bosma bobinlarning 25, 26, 27, 28 qarshiligini minimallashtirish uchun ba'zi harakatlar qilingan bo'lsa-da, quvvat elektron qurilmalari uchun yuqori samarali bosilgan passiv komponentlar hali ham yo'q. moslashuvchan substratlardagi komponentlar radiochastotani identifikatsiyalash (RFID) yoki energiya yig'ish maqsadlarida rezonansli davrlarda ishlashga mo'ljallangan 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Boshqalar esa material yoki ishlab chiqarish jarayonini rivojlantirishga qaratilgan va umumiy komponentlarni ko'rsatadi. Muayyan ilovalar uchun optimallashtirilmagan 26, 32, 33, 34. Aksincha, kuchlanish regulyatorlari kabi quvvat elektron sxemalari odatda bosilgan passiv qurilmalarga qaraganda ko'pincha kattaroq komponentlardan foydalanadi va rezonans talab qilmaydi, shuning uchun turli xil komponentlar dizaynlari talab qilinadi.
Bu erda biz quvvat elektroniği bilan bog'liq chastotalarda eng kichik seriyali qarshilik va yuqori ishlashga erishish uchun mH diapazonida ekranli bosilgan induktorlarni loyihalash va optimallashtirish bilan tanishtiramiz. Turli komponent qiymatlariga ega ekranda bosilgan induktorlar, kondensatorlar va rezistorlar ishlab chiqariladi. moslashuvchan plastik substratlarda.Bu komponentlarning moslashuvchan elektron mahsulotlar uchun mosligi birinchi navbatda oddiy RLC sxemasida ko'rsatildi. Bosilgan induktor va rezistor keyin kuchaytiruvchi regulyatorni hosil qilish uchun IC bilan birlashtiriladi.Nihoyat, organik yorug'lik chiqaruvchi diod (OLED) ) va moslashuvchan litiy-ion batareyasi ishlab chiqariladi va OLED-ni batareyadan quvvatlantirish uchun voltaj regulyatori ishlatiladi.
Quvvat elektroniği uchun bosilgan induktorlarni loyihalash uchun biz birinchi navbatda Mohan va boshqalarda taklif qilingan joriy varaq modeliga asoslangan bir qator induktor geometriyalarining indüktans va DC qarshiligini taxmin qildik. 35, va turli geometriyali ishlab chiqarilgan induktorlar Modelning aniqligini tasdiqlash uchun.Ushbu ishda induktor uchun dumaloq shakl tanlangan, chunki poligonal geometriyaga nisbatan kamroq qarshilik bilan yuqori indüktans 36 ga erishish mumkin.Siyohning ta'siri qarshilik bo'yicha bosib chiqarish sikllarining turi va soni aniqlanadi. Keyin bu natijalar ampermetr modeli bilan minimal doimiy to'qnashuv qarshiligi uchun optimallashtirilgan 4,7 mkH va 7,8 mkH induktorlarni loyihalash uchun ishlatilgan.
Spiral induktorlarning induktivligi va doimiy tok qarshiligi bir necha parametrlar bilan tavsiflanishi mumkin: tashqi diametri do, burilish kengligi w va oraliqlar s, burilishlar soni n va o'tkazgich varaqlarining qarshiligi Rsheet.1a-rasmda ipak ekranli bosilgan dumaloq induktorning fotosurati ko'rsatilgan. n = 12 bilan, uning induktivligini aniqlaydigan geometrik parametrlarni ko'rsatadi. Mohan va boshqalarning ampermetr modeliga ko'ra. 35, indüktans bir qator induktor geometriyalari uchun hisoblanadi, bu erda
(a) Geometrik parametrlarni ko'rsatadigan ekranda chop etilgan induktorning fotosurati. Diametri 3 sm. Induktivlik (b) va doimiy oqim qarshiligi (c) turli induktor geometriyalari. Chiziqlar va belgilar mos ravishda hisoblangan va o'lchangan qiymatlarga mos keladi. (d,e) L1 va L2 induktorlarining doimiy qarshiliklari mos ravishda Dupont 5028 va 5064H kumush siyohlari bilan ekranga chiqariladi. (f,g) mos ravishda Dupont 5028 va 5064H tomonidan chop etilgan plyonkalar ekranining SEM mikrograflari.
Yuqori chastotalarda teri effekti va parazitar sig'im induktorning qarshiligi va indüktansını uning doimiy qiymatiga ko'ra o'zgartiradi. Induktor bu ta'sirlar ahamiyatsiz bo'lgan etarlicha past chastotada ishlashi kutilmoqda va qurilma o'zini doimiy indüktans sifatida tutadi. ketma-ket doimiy qarshilik bilan.Shuning uchun biz ushbu ishda geometrik parametrlar, induktivlik va doimiy oqim qarshiligi o'rtasidagi bog'liqlikni tahlil qildik va natijalardan eng kichik DC qarshiligi bilan berilgan indüktansni olish uchun foydalandik.
Induktivlik va qarshilik ekranli bosib chiqarish orqali amalga oshirilishi mumkin bo'lgan bir qator geometrik parametrlar uchun hisoblab chiqiladi va mH diapazonida indüktans hosil bo'lishi kutilmoqda. Tashqi diametrlari 3 va 5 sm, chiziq kengligi 500 va 1000 mikron. , va turli burilishlar solishtiriladi. Hisoblashda varaqning qarshiligi 47 mŌ/□ ni tashkil qiladi, bu 7 mkm qalinlikdagi Dupont 5028 kumush mikroflake o‘tkazgich qatlamiga 400 mesh ekran bilan bosilgan va w = s o‘rnatilganiga to‘g‘ri keladi. hisoblangan indüktans va qarshilik qiymatlari mos ravishda 1b va c-rasmda ko'rsatilgan.Model tashqi diametr va burilishlar soni ortishi yoki chiziq kengligi kamayishi bilan indüktans va qarshilik ham ortadi, deb taxmin qiladi.
Model bashoratlarining to'g'riligini baholash uchun polietilen tereftalat (PET) substratida turli geometriya va indüktans induktorlari ishlab chiqarilgan. O'lchangan indüktans va qarshilik qiymatlari 1b va c-rasmda ko'rsatilgan. Garchi qarshilik bir oz og'ish ko'rsatdi. kutilgan qiymat, asosan, yotqizilgan siyohning qalinligi va bir xilligidagi o'zgarishlar tufayli, indüktans model bilan juda yaxshi kelishuvni ko'rsatdi.
Ushbu natijalar kerakli indüktans va minimal DC qarshiligiga ega bo'lgan induktorni loyihalash uchun ishlatilishi mumkin.Masalan, 2 mH induktivlik talab qilinadi deylik. 1b-rasmda bu indüktans tashqi diametri 3 sm, chiziq kengligi bilan amalga oshirilishi mumkinligini ko'rsatadi. 500 mkm va 10 burilish. Xuddi shu induktivlikni 5 sm tashqi diametri, 500 mkm chiziq kengligi va 5 burilish yoki 1000 mkm chiziq kengligi va 7 burilish (rasmda ko'rsatilganidek) yordamida ham hosil qilish mumkin. Bu uchta qarshilikni solishtirish 1c-rasmdagi mumkin bo'lgan geometriyalar, chiziq kengligi 1000 mkm bo'lgan 5 sm induktorning eng past qarshiligi 34 Ō ekanligini aniqlash mumkin, bu boshqa ikkitadan taxminan 40% past. Berilgan indüktansga erishish uchun umumiy dizayn jarayoni minimal qarshilik bilan quyidagicha umumlashtiriladi: Birinchidan, ilova tomonidan qo'yilgan bo'shliq cheklovlariga ko'ra, maksimal ruxsat etilgan tashqi diametrni tanlang.Keyin, yuqori to'ldirish tezligini olish uchun kerakli indüktansga erishgan holda, chiziq kengligi imkon qadar katta bo'lishi kerak. (tenglama (3)).
Qalinligini oshirish yoki metall plyonkaning varaq qarshiligini kamaytirish uchun yuqori o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan materialdan foydalangan holda, DC qarshiligini indüktansga ta'sir qilmasdan yanada kamaytirish mumkin. Geometrik parametrlari L1 va L2 deb nomlangan 1-jadvalda keltirilgan ikkita induktor, qarshilikning o'zgarishini baholash uchun turli xil sonli qoplamalar bilan ishlab chiqariladi.Siyohli qoplamalar soni ortib borishi bilan, mos ravishda L1 va L2 induktorlari bo'lgan 1d va e-rasmlarda ko'rsatilganidek, qarshilik kutilganidek proportsional ravishda kamayadi.1d va e-rasmlar 6 qatlamli qoplamani qo'llash orqali qarshilikni 6 martagacha kamaytirish mumkinligini ko'rsating va qarshilikning maksimal qisqarishi (50-65%) 1 va 2 qatlam o'rtasida sodir bo'ladi. Siyohning har bir qatlami nisbatan nozik bo'lgani uchun, a Ushbu induktorlarni chop etish uchun nisbatan kichik panjara o'lchamiga ega bo'lgan ekran (har bir dyuym uchun 400 chiziq) ishlatiladi, bu bizga o'tkazgich qalinligining qarshilikka ta'sirini o'rganishga imkon beradi.Naqsh xususiyatlari to'rning minimal ruxsatidan kattaroq bo'lib qolar ekan, a shunga o'xshash qalinlik (va qarshilik) kattaroq panjara o'lchamiga ega bo'lgan kamroq sonli qoplamalarni chop etish orqali tezroq erishish mumkin.Ushbu usul bu erda muhokama qilingan 6-qoplangan induktor bilan bir xil DC qarshiligiga erishish uchun ishlatilishi mumkin, lekin yuqori ishlab chiqarish tezligi bilan.
1d va e rasmlari, shuningdek, DuPont 5064H o'tkazuvchanligi yuqori bo'lgan kumush rangli siyoh yordamida qarshilik ikki baravar kamayganligini ko'rsatadi. Ikki siyoh bilan bosilgan plyonkalarning SEM mikrografiyasidan (1f, g-rasm) u shunday bo'lishi mumkin. 5028 siyohning past o'tkazuvchanligi uning kichikroq zarracha o'lchami va bosilgan plyonkadagi zarrachalar orasida ko'plab bo'shliqlar mavjudligi bilan bog'liqligini ko'rgan. Boshqa tomondan, 5064H kattaroq, yaqinroq joylashtirilgan yoriqlarga ega bo'lib, uni massaga yaqinroq qiladi. kumush.Ushbu siyoh tomonidan ishlab chiqarilgan plyonka 5028 siyohdan yupqaroq bo'lsa-da, bitta qatlam 4 mkm va 6 qatlam 22 mkm bo'lsa-da, o'tkazuvchanlikning oshishi umumiy qarshilikni kamaytirish uchun etarli.
Nihoyat, induktivlik (tenglama (1)) burilishlar soniga (w + s) bog'liq bo'lsa-da, qarshilik (tenglama (5)) faqat chiziq kengligi w ga bog'liq.Shuning uchun w ni s ga nisbatan oshirish orqali qarshilik yanada qisqartirilishi mumkin. L3 va L4 ikkita qo'shimcha induktorlar 1-jadvalda ko'rsatilganidek, w = 2s va katta tashqi diametrga ega bo'lishi uchun mo'ljallangan. Bu induktorlar yuqorida ko'rsatilganidek, DuPont 5064H qoplamasining 6 qatlami bilan ishlab chiqarilgan. eng yuqori unumdorlik. L3 ning induktivligi 4,720 ± 0,002 mkH va qarshilik 4,9 ± 0,1 Ō, L4 induktivligi esa 7,839 ± 0,005 mkH va 6,9 ± 0,1 Ō ni tashkil etadi, bu prognozga yaxshi mos keladi.D qalinligi, o'tkazuvchanligi va w / s ning oshishi, bu L / R nisbati 1-rasmdagi qiymatga nisbatan kattalik tartibidan ko'proq oshganligini anglatadi.
Past DC qarshiligi istiqbolli bo'lsa-da, kHz-MHz diapazonida ishlaydigan quvvat elektron qurilmalari uchun induktorlarning mosligini baholash AC chastotalarida xarakteristikani talab qiladi.2a-rasmda L3 va L4 ning qarshiligi va reaktivligining chastotaga bog'liqligi ko'rsatilgan.10 MGts dan past chastotalar uchun , qarshilik o'zining doimiy qiymatida taxminan o'zgarmas bo'lib qoladi, reaktivlik chastota bilan chiziqli ravishda ortadi, bu esa indüktans kutilganidek doimiy ekanligini anglatadi. O'z-o'zidan rezonans chastotasi impedansning induktivdan sig'imga o'zgarishi chastotasi sifatida aniqlanadi. L3 35,6 ± 0,3 MGts va L4 24,3 ± 0,6 MGts. Q sifat omilining chastotaga bog'liqligi (ōL/R ga teng) 2b-rasmda ko'rsatilgan.L3 va L4 35 ± 1 va 33 ± 1 maksimal sifat omillariga erishadi. navbati bilan 11 va 16 MGts chastotalarda. Bir necha mH indüktans va MGts chastotalarda nisbatan yuqori Q bu induktorlarni kam quvvatli DC-DC konvertorlarida an'anaviy sirt o'rnatish induktorlarini almashtirish uchun etarli qiladi.
L3 va L4 induktorlarining o'lchangan qarshiligi R va reaktivlik X (a) va sifat omili Q (b) chastotaga bog'liq.
Berilgan sig'im uchun zarur bo'lgan oyoq izini minimallashtirish uchun, katta o'ziga xos sig'imga ega bo'lgan kondansatör texnologiyasidan foydalanish eng yaxshisidir, bu dielektrik o'tkazuvchanligi e dielektrik qalinligiga bo'linadi.Ushbu ishda biz bariy titanat kompozitsiyasini tanladik. dielektrik sifatida, chunki u boshqa eritma bilan qayta ishlangan organik dielektriklarga qaraganda yuqori epsilonga ega. Dielektrik qatlam metall-dielektrik-metall konstruktsiyani hosil qilish uchun ikkita kumush o'tkazgich o'rtasida ekran bosiladi. 3a-rasmda ko'rsatilganidek, santimetrda har xil o'lchamdagi kondansatörler. , yaxshi rentabellikni saqlab qolish uchun ikki yoki uch qatlamli dielektrik siyoh yordamida ishlab chiqariladi.3b-rasmda umumiy dielektrik qalinligi 21 mkm bo'lgan ikki qatlamli dielektrik bilan tayyorlangan vakil kondansatörning kesma SEM mikrografi ko'rsatilgan. Yuqori va pastki elektrodlar. mos ravishda bir qatlamli va olti qavatli 5064H. SEM tasvirida mikron oʻlchamdagi bariy titanat zarralari koʻrinadi, chunki yorqinroq joylar quyuqroq organik bogʻlovchi bilan oʻralgan. Dielektrik siyoh pastki elektrodni yaxshi namlaydi va elektrod bilan aniq interfeys hosil qiladi. yuqori kattalashtirish bilan rasmda ko'rsatilganidek, bosilgan metall plyonka.
(a) Besh xil maydonga ega bo'lgan kondansatör fotosurati. (b) bariy titanatli dielektrik va kumush elektrodlarni ko'rsatadigan ikki qatlamli dielektrikli kondansatörning ko'ndalang kesimli SEM mikrografi. (c) 2 va 3 bariy titanatli kondansatörlarning sig'imlari dielektrik qatlamlar va turli sohalar, 1 MGts chastotada o'lchanadi.(d) 2 qatlamli dielektrik qoplamali va chastotali 2,25 sm2 kondansatkichning sig'im, ESR va yo'qotish omili o'rtasidagi munosabat.
Kapasitans kutilgan maydonga mutanosib. 3c-rasmda ko'rsatilganidek, ikki qatlamli dielektrikning o'ziga xos sig'imi 0,53 nF / sm2 ni tashkil qiladi va uch qatlamli dielektrikning o'ziga xos sig'imi 0,33 nF / sm2 ni tashkil qiladi. Bu qiymatlar dielektrik o'tkazuvchanligi 13 ga to'g'ri keladi. sig'im va tarqalish koeffitsienti (DF) 3d-rasmda ko'rsatilganidek, ikki qatlamli dielektrikli 2,25 sm2 kondansatör uchun turli chastotalarda ham o'lchandi. 1 dan 10 MGts gacha, bir xil diapazonda esa DF 0,013 dan 0,023 gacha ko'tarildi. Tarqalish omili energiya yo'qotilishining har bir AC siklida saqlanadigan energiyaga nisbati bo'lganligi sababli, DF 0,02 bo'lgan quvvatning 2% ishlov berilganligini bildiradi. kondansatör tomonidan iste'mol qilinadi.Bu yo'qotish odatda DF/ōC ga teng bo'lgan kondansatör bilan ketma-ket chastotaga bog'liq ekvivalent seriyali qarshilik (ESR) sifatida ifodalanadi.3d-rasmda ko'rsatilganidek, 1 MGts dan ortiq chastotalar uchun ESR 1,5 Ō dan past va 4 MGts dan yuqori chastotalar uchun ESR 0,5 Ō dan past. Ushbu kondansatör texnologiyasidan foydalanishga qaramasdan, DC-DC konvertorlari uchun zarur bo'lgan mF-darajali kondansatörler juda katta maydonni talab qiladi, lekin 100 pF-nF sig'im diapazoni va bu kondensatorlarning kam yo'qolishi ularni filtrlar va rezonans davrlari kabi boshqa ilovalar uchun mos qiladi .Sig'imlarni oshirish uchun turli usullardan foydalanish mumkin. Yuqori dielektrik doimiysi o'ziga xos sig'imni oshiradi 37; masalan, siyohda bariy titanat zarralari konsentratsiyasini oshirish orqali bunga erishish mumkin.Kichikroq dielektrik qalinligidan foydalanish mumkin, garchi buning uchun ekranda bosilgan kumush parchaga qaraganda pastroq pürüzlülükli pastki elektrod kerak bo'lsa.Yupqaroq, pastroq pürüzlülük kondansatörü qatlamlar ekranli bosib chiqarish jarayoni bilan birlashtirilishi mumkin bo'lgan inkjet bosib chiqarish 31 yoki gravür bosib chiqarish 10 orqali yotqizilishi mumkin. Nihoyat, metall va dielektrikning bir nechta o'zgaruvchan qatlamlari ketma-ket joylashtirilishi va chop etilishi va parallel ravishda ulanishi mumkin, shu bilan birlik maydoni uchun sig'im 34 ga oshiriladi. .
Bir juft rezistordan tashkil topgan kuchlanish bo'luvchisi odatda kuchlanish regulyatorining teskari aloqa nazorati uchun zarur bo'lgan kuchlanishni o'lchash uchun ishlatiladi.Ushbu turdagi ilovalar uchun bosilgan qarshilikning qarshiligi kŌ-MOŌ oralig'ida bo'lishi kerak va orasidagi farq qurilmalar kichik.Bu erda, bir qatlamli ekranli bosilgan uglerod siyohining varaq qarshiligi 900 Ō/□ ekanligi aniqlandi. Bu ma'lumot ikkita chiziqli rezistorni (R1 va R2) va serpantin rezistorni (R3) loyihalash uchun ishlatiladi. ) nominal qarshiliklari 10 kŌ, 100 kŌ va 1,5 MŌ. Nominal qiymatlar orasidagi qarshilik 4-rasmda ko'rsatilganidek, ikki yoki uch qatlamli siyohni va uchta qarshilikning fotosuratlarini chop etish orqali erishiladi. 8- yasang. Har bir turdagi 12 ta namuna; barcha holatlarda qarshilikning standart og'ishi 10% yoki undan kam. Ikki yoki uch qatlamli qoplamali namunalarning qarshilik o'zgarishi, bir qatlamli qoplamali namunalarga qaraganda bir oz kichikroq bo'ladi. O'lchangan qarshilikning kichik o'zgarishi va nominal qiymat bilan yaqin kelishuv bu diapazondagi boshqa qarshiliklarni to'g'ridan-to'g'ri qarshilik geometriyasini o'zgartirish orqali olish mumkinligini ko'rsatadi.
Turli xil sonli uglerodga chidamli siyoh qoplamali uch xil rezistor geometriyasi. O'ng tomonda uchta rezistorning fotosurati ko'rsatilgan.
RLC sxemalari haqiqiy bosilgan kontaktlarning zanglashiga olib kiritilgan passiv komponentlarning xatti-harakatlarini ko'rsatish va tekshirish uchun ishlatiladigan rezistor, induktor va kondansatör birikmalarining klassik darslik namunasidir. Ushbu sxemada 8 mkH induktor va 0,8 nF kondansatör ketma-ket ulangan va 25 kŌ rezistor ular bilan parallel ravishda ulanadi. Moslashuvchan sxemaning fotosurati 5a-rasmda ko'rsatilgan. Ushbu maxsus ketma-ket parallel kombinatsiyani tanlashning sababi shundaki, uning xatti-harakati uch xil chastota komponentining har biri bilan belgilanadi, shuning uchun Har bir komponentning ishlashini ajratib ko'rsatish va baholash mumkin.Induktorning 7 Ō seriyali qarshiligini va kondansatkichning 1,3 Ō ESR ni hisobga olgan holda, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan chastotali javobi hisoblab chiqilgan. O'chirish sxemasi 5b-rasmda ko'rsatilgan va hisoblangan impedans amplitudasi va fazasi va o'lchangan qiymatlari 5c va d-rasmlarda ko'rsatilgan. Past chastotalarda kondansatörning yuqori empedansi kontaktlarning zanglashiga olib borishi 25 kŌ qarshilik bilan belgilanadi. Chastota oshgani sayin, LC yo'li kamayadi; Rezonans chastotasi 2,0 MGts ga teng bo'lgunga qadar butun kontaktlarning zanglashiga olib borishi sig'imli bo'ladi. Rezonans chastotasidan yuqorida induktiv impedans ustunlik qiladi. 5-rasmda butun chastota diapazoni bo'ylab hisoblangan va o'lchangan qiymatlar o'rtasidagi ajoyib kelishuv aniq ko'rsatilgan. Bu model ishlatilganligini anglatadi. bu erda (induktorlar va kondansatkichlar ketma-ket qarshilikka ega ideal komponentlar bo'lgan) bu chastotalarda kontaktlarning zanglashiga olib kelishini bashorat qilish uchun to'g'ri.
(a) 25 kŌ qarshilik bilan parallel ravishda 8 mH induktor va 0,8 nF kondensatorning ketma-ket kombinatsiyasidan foydalanadigan ekranda chop etilgan RLC sxemasining fotosurati.(b) Induktor va kondansatörning ketma-ket qarshiligini o'z ichiga olgan sxema modeli.(c) ,d) zanjirning impedans amplitudasi (c) va fazasi (d).
Nihoyat, bosilgan induktorlar va rezistorlar kuchaytiruvchi regulyatorda amalga oshiriladi. Ushbu namoyishda ishlatiladigan IC Microchip MCP1640B14 bo'lib, u 500 kHz ish chastotasiga ega PWM asosidagi sinxron kuchaytiruvchi regulyator hisoblanadi. O'chirish diagrammasi 6a.A-rasmda ko'rsatilgan. Energiyani saqlash elementlari sifatida 4,7 mkH induktor va ikkita kondansatör (4,7 mF va 10 mF) ishlatiladi va qayta aloqa boshqaruvining chiqish kuchlanishini o'lchash uchun bir juft rezistor ishlatiladi.Chiqish kuchlanishini 5 V ga sozlash uchun qarshilik qiymatini tanlang. Sxema PCBda ishlab chiqariladi va uning ishlashi yuk qarshiligi va 3 dan 4 V gacha bo'lgan kirish kuchlanish diapazonida lityum-ion batareyani turli zaryadlash holatlarida simulyatsiya qilish uchun o'lchanadi. Chop etilgan induktorlar va rezistorlarning samaradorligi SMT induktorlari va rezistorlarining samaradorligi.SMT kondansatkichlari barcha holatlarda qo'llaniladi, chunki bu dastur uchun zarur bo'lgan sig'im bosma kondansatkichlar bilan to'ldirish uchun juda katta.
(a) kuchlanish stabilizatorining sxemasi.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw va (d) Induktorga oqib tushadigan oqimning to'lqin shakllari, kirish kuchlanishi 4,0 V, yuk qarshiligi 1 kŌ, va bosilgan induktor o'lchash uchun ishlatiladi.Bu o'lchov uchun sirtga o'rnatiladigan rezistorlar va kondansatörler ishlatiladi.(e) Har xil yuk qarshiliklari va kirish kuchlanishlari uchun barcha sirt o'rnatish komponentlari va bosilgan induktorlar va rezistorlar yordamida kuchlanish regulyatori davrlarining samaradorligi.(f) ) (e) da ko'rsatilgan sirt o'rnatish va bosilgan sxemaning samaradorlik nisbati.
4,0 V kirish kuchlanishi va 1000 Ō yuk qarshiligi uchun bosilgan induktorlar yordamida o'lchangan to'lqin shakllari 6b-d-rasmda ko'rsatilgan.6c-rasmda IC ning Vsw terminalidagi kuchlanish ko'rsatilgan; induktor kuchlanishi Vin-Vsw.6d-rasmda induktorga oqayotgan oqim ko'rsatilgan.SMT va bosilgan komponentlar bilan sxemaning samaradorligi 6e-rasmda kirish kuchlanishi va yuk qarshiligi funktsiyasi sifatida ko'rsatilgan va 6f-rasmda samaradorlik nisbati ko'rsatilgan. bosilgan komponentlarning SMT komponentlariga. SMT komponentlari yordamida o'lchangan samaradorlik ishlab chiqaruvchining ma'lumotlar varag'ida ko'rsatilgan kutilgan qiymatga o'xshaydi 14. Yuqori kirish oqimida (past yuk qarshiligi va past kirish kuchlanishi), bosilgan induktorlarning samaradorligi sezilarli darajada past bo'ladi. yuqori ketma-ket qarshilik tufayli SMT induktorlariniki. Biroq, yuqori kirish kuchlanishi va yuqori chiqish oqimi bilan qarshilik yo'qolishi kamroq ahamiyatga ega bo'ladi va bosilgan induktorlarning ishlashi SMT induktorlarinikiga yaqinlasha boshlaydi. Yuk qarshiligi >500 Ō va Vin uchun = 4,0 V yoki>750 Ō va Vin = 3,5 V, bosilgan induktorlarning samaradorligi SMT induktorlarining 85% dan ortiq.
6d-rasmdagi joriy to'lqin shaklini o'lchangan quvvat yo'qotilishi bilan taqqoslash shuni ko'rsatadiki, induktordagi qarshilik yo'qolishi kutilgandek bosilgan elektron va SMT davri o'rtasidagi samaradorlik farqining asosiy sababi hisoblanadi.Kirish va chiqish quvvati 4,0 V da o'lchanadi. kirish kuchlanishi va 1000 Ō yuk qarshiligi SMT komponentlari bo'lgan davrlar uchun 30,4 mVt va 25,8 mVt, bosilgan komponentlarga ega bo'lgan davrlar uchun 33,1 mVt va 25,2 mVt. Shuning uchun bosilgan kontaktlarning zanglashiga olib kelishi 7,9 mVt ni tashkil etadi, bu esa 4 dan yuqori. SMT komponentlari bilan sxema.6d-rasmdagi to'lqin shaklidan hisoblangan RMS induktor oqimi 25,6 mA ni tashkil qiladi. Uning seriyali qarshiligi 4,9 Ō bo'lganligi sababli, kutilgan quvvat yo'qotilishi 3,2 mVtni tashkil qiladi. Bu o'lchangan 3,4 mVt doimiy quvvat farqining 96% ni tashkil qiladi. Bundan tashqari, sxema bosilgan indüktörler va bosilgan rezistorlar va bosma induktorlar va SMT rezistorlari bilan ishlab chiqariladi va ular o'rtasida sezilarli samaradorlik farqi kuzatilmaydi.
Keyin kuchlanish regulyatori moslashuvchan PCBda ishlab chiqariladi (sxemaning chop etishi va SMT komponentining ishlashi qo'shimcha S1-rasmda ko'rsatilgan) va quvvat manbai sifatida moslashuvchan lityum-ion batareyasi va yuk sifatida OLED massivi o'rtasida ulanadi. Lochner va boshqalarga ko'ra. 9 OLED-larni ishlab chiqarish uchun har bir OLED pikseli 5 V kuchlanishda 0,6 mA sarflaydi. Batareya katod va anod sifatida mos ravishda lityum kobalt oksidi va grafitdan foydalanadi va batareyani chop etishning eng keng tarqalgan usuli bo'lgan doktor pichoq bilan qoplangan.7 akkumulyator sig‘imi 16 mA/soat, sinov vaqtidagi kuchlanish esa 4,0 V. 7-rasmda parallel ulangan uchta OLED pikselini quvvatlovchi moslashuvchan PCBdagi sxemaning fotosurati ko‘rsatilgan. Namoyish bosilgan quvvat komponentlarini boshqa qurilmalar bilan birlashtirish imkoniyatlarini ko‘rsatdi. yanada murakkab elektron tizimlarni shakllantirish uchun moslashuvchan va organik qurilmalar.
Bosilgan induktorlar va rezistorlar yordamida moslashuvchan PCBdagi kuchlanish regulyatorining sxemasi fotosurati, uchta organik LEDni quvvatlantirish uchun moslashuvchan lityum-ionli batareyalardan foydalangan holda.
Biz quvvatli elektron qurilmalarda sirt o'rnatish komponentlarini almashtirish uchun moslashuvchan PET substratlarida bir qator qiymatlarga ega ekranli bosma induktorlar, kondensatorlar va rezistorlarni ko'rsatdik. Biz katta diametrli spiralni loyihalash orqali to'ldirish tezligini ko'rsatdik. , va chiziq kengligi-bo'shliq kengligi nisbati va past qarshilikli siyohning qalin qatlamidan foydalangan holda. Bu komponentlar to'liq chop etilgan va moslashuvchan RLC sxemasiga birlashtirilgan va kHz-MGts chastota diapazonida taxmin qilinadigan elektr harakatlarini namoyish etadi, bu eng katta. quvvat elektronikasiga qiziqish.
Bosma quvvatli elektron qurilmalar uchun odatiy foydalanish holatlari egiluvchan qayta zaryadlanuvchi batareyalar (masalan, litiy-ion) bilan quvvatlanadigan taqiladigan yoki mahsulotga o'rnatilgan moslashuvchan elektron tizimlar bo'lib, ular zaryad holatiga qarab o'zgaruvchan kuchlanish hosil qilishi mumkin. Agar yuk (jumladan, chop etish va organik elektron uskunalar) doimiy kuchlanishni talab qiladi yoki batareyaning kuchlanishidan yuqori kuchlanishni talab qiladi, kuchlanish regulyatori talab qilinadi. Shu sababli, bosilgan induktorlar va rezistorlar an'anaviy silikon IC'lar bilan OLEDni doimiy kuchlanish bilan quvvatlantirish uchun kuchaytiruvchi regulyatorga birlashtirilgan. o'zgaruvchan kuchlanishli akkumulyator quvvat manbaidan 5 V ga teng. Yuklanish oqimi va kirish kuchlanishining ma'lum bir diapazonida bu sxemaning samaradorligi sirtga o'rnatiladigan induktorlar va rezistorlar yordamida boshqaruv sxemasi samaradorligining 85% dan oshadi. Materiallar va geometrik optimallashtirishlarga qaramasdan, induktordagi rezistiv yo'qotishlar hali ham yuqori oqim darajasida (kirish oqimi taxminan 10 mA dan ortiq) kontaktlarning zanglashiga olib keladigan ishlashi uchun cheklovchi omil bo'lib qolmoqda. Biroq, past oqimlarda induktordagi yo'qotishlar kamayadi va umumiy ishlash samaradorlik bilan cheklanadi. Ko'pgina bosma va organik qurilmalar, masalan, bizning namoyishimizda ishlatiladigan kichik OLEDlar kabi nisbatan past oqimlarni talab qilganligi sababli, bosilgan quvvat induktorlarini bunday ilovalar uchun mos deb hisoblash mumkin. Pastroq oqim darajalarida eng yuqori samaradorlikka ega bo'lish uchun mo'ljallangan IC'lardan foydalangan holda, yuqori umumiy konvertor samaradorligiga erishish mumkin.
Ushbu ishda kuchlanish regulyatori an'anaviy PCB, moslashuvchan tenglikni va sirtga o'rnatiladigan komponentni lehimlash texnologiyasi asosida qurilgan bo'lib, bosilgan komponent alohida substratda ishlab chiqariladi.Biroq, past haroratli va yuqori viskoziteli siyohlar ekranni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi- bosilgan plyonkalar passiv komponentlarni, shuningdek, qurilma va sirt o'rnatish komponentlari kontakt yostiqchalari o'rtasidagi o'zaro bog'lanishni har qanday substratda bosib chiqarishga imkon berishi kerak. Bu sirtga o'rnatiladigan komponentlar uchun mavjud past haroratli o'tkazuvchan yopishtiruvchi vositalardan foydalanish bilan birgalikda imkon beradi. butun sxema arzon substratlarda (masalan, PET kabi) tenglikni qirqish kabi olib tashlash jarayonlariga ehtiyoj sezmasdan quriladi. Shuning uchun bu ishda ishlab chiqilgan ekranda chop etilgan passiv komponentlar energiya va yuklarni birlashtiradigan moslashuvchan elektron tizimlar uchun yo'l ochishga yordam beradi. yuqori samarali quvvatli elektronika bilan, arzon substratlardan foydalangan holda, asosan qo'shimcha jarayonlar va minimal. Yuzaki o'rnatish komponentlari soni.
Asys ASP01M displey printeri va Dynamesh Inc. tomonidan taqdim etilgan zanglamaydigan po'latdan yasalgan ekrandan foydalanib, passiv komponentlarning barcha qatlamlari qalinligi 76 mkm bo'lgan moslashuvchan PET substratida ekranda chop etilgan. Metall qatlamning to'r o'lchami dyuym uchun 400 chiziq va 250 dielektrik qatlam va qarshilik qatlami uchun dyuym boshiga chiziqlar. 55 N, bosib chiqarish tezligi 60 mm/s, sinish masofasi 1,5 mm va qattiqligi 65 (metall va qarshilik uchun) Serilor silkitgichdan foydalaning. qatlamlar) yoki 75 (dielektrik qatlamlar uchun) ekranli bosib chiqarish uchun.
Supero'tkazuvchilar qatlamlar - kondansatör va rezistorlarning induktorlari va kontaktlari - DuPont 5082 yoki DuPont 5064H kumush mikroflake siyoh bilan bosilgan. Rezistor DuPont 7082 uglerod o'tkazgich bilan bosilgan. Kondensator dielektri uchun o'tkazuvchan birikma BT-10 bariy dielektrik birikmasi BT-10 ishlatiladi. Dielektrikning har bir qatlami plyonkaning bir xilligini yaxshilash uchun ikki o'tishli (ho'l-ho'l) bosib chiqarish sikli yordamida ishlab chiqariladi. Har bir komponent uchun bir nechta bosib chiqarish davrlarining komponentning ishlashi va o'zgaruvchanligiga ta'siri tekshirildi. bir xil materialning bir nechta qoplamalari qoplamalar o'rtasida 2 daqiqa davomida 70 ° C da quritilgan. Har bir materialning oxirgi qatlamini qo'llaganingizdan so'ng, namunalar to'liq quritishni ta'minlash uchun 140 ° C da 10 daqiqa davomida pishirilgan. Ekranning avtomatik tekislash funktsiyasi printer keyingi qatlamlarni tekislash uchun ishlatiladi. Induktorning markazi bilan aloqa DuPont 5064H siyoh bilan substratning orqa tomonidagi markaziy prokladkadagi teshik va trafaret bosib chiqarish izlarini kesish orqali erishiladi. Bosib chiqarish uskunalari o'rtasidagi o'zaro bog'lanish Dupontdan ham foydalanadi. 5064H stencil bosib chiqarish. 7-rasmda ko'rsatilgan moslashuvchan PCBda chop etilgan komponentlar va SMT komponentlarini ko'rsatish uchun bosilgan komponentlar Circuit Works CW2400 Supero'tkazuvchilar epoksi yordamida ulanadi va SMT komponentlari an'anaviy lehimlash orqali ulanadi.
Lityum kobalt oksidi (LCO) va grafit asosidagi elektrodlar batareyaning katodi va anodi sifatida mos ravishda ishlatiladi.Katodli atala 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafit (KS6, Timcal), 2,5 aralashmasidir. % uglerod qora (Super P, Timcal) va 10% poliviniliden ftorid (PVDF, Kureha Corp.). ) Anod 84wt% grafit, 4wt% uglerod qora va 13wt% PVDF aralashmasidir.N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) PVDF biriktiruvchisini eritish va atalani tarqatish uchun ishlatiladi. bir kechada vorteks mikser bilan aralashtiriladi. Qalinligi 0,0005 dyuym bo'lgan zanglamaydigan po'latdan yasalgan folga va 10 mkm nikel folga katod va anod uchun oqim kollektorlari sifatida ishlatiladi. Murakkab joriy kollektorda 20 bosib chiqarish tezligida siqish moslamasi bilan bosiladi. mm/s.Erituvchini olib tashlash uchun elektrodni pechda 2 soat davomida 80 °C haroratda qizdiring. Quritgandan keyin elektrodning balandligi taxminan 60 mkmni tashkil qiladi va faol materialning og'irligiga qarab, nazariy quvvat 1,65 mAh ni tashkil qiladi. / sm2. Elektrodlar 1,3 × 1,3 sm2 o'lchamlarga kesilgan va vakuumli pechda 140 ° C haroratda bir kechada isitilgan, so'ngra ular azot bilan to'ldirilgan qo'lqop qutisiga alyuminiy laminat qoplar bilan yopilgan. Polipropilen asosli plyonka eritmasi. akkumulyator elektrolitlari sifatida anod va katod va EC/DEC (1:1) da 1M LiPF6 ishlatiladi.
Yashil OLED poli(9,9-dioktilfluoren-ko-n-(4-butilfenil)-difenilamin) (TFB) va poli((9,9-dioktilfluoren-2,7- (2,1,3-benzotiadiazol)-dan iborat. 4, 8-diyl)) (F8BT) Lochner va boshqalar 9 da ko'rsatilgan protseduraga muvofiq.
Plyonka qalinligini o'lchash uchun Dektak stilus profileridan foydalaning. Film skanerlash elektron mikroskop (SEM) orqali tekshirish uchun ko'ndalang kesim namunasini tayyorlash uchun kesilgan. FEI Quanta 3D maydon emissiya tabancası (FEG) SEM bosilgan materialning tuzilishini tavsiflash uchun ishlatiladi. kino va qalinligi o'lchamini tasdiqlang.SEM tadqiqoti 20 keV tezlashtiruvchi kuchlanish va 10 mm odatdagi ish masofasida o'tkazildi.
Doimiy tok qarshiligi, kuchlanish va tokni oʻlchash uchun raqamli multimetrdan foydalaning. Induktorlar, kondansatörler va kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oʻzgaruvchan tok empedansi 1 MGts dan past chastotalar uchun Agilent E4980 LCR metr yordamida oʻlchanadi va 500 kHz dan yuqori chastotalarni oʻlchash uchun Agilent E5061A tarmoq analizatori ishlatiladi. Tektronix TDS 5034 osiloskopi kuchlanish regulyatorining to'lqin shaklini o'lchash uchun.
Ushbu maqolani qanday keltirish mumkin: Ostfeld, AE va boshqalar. Moslashuvchan quvvatli elektron uskunalar uchun passiv komponentlarni ekranli chop etish.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. va boshqalar. Moslashuvchan elektronika: keyingi hamma joyda mavjud platforma. Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Guruhlar odamlar bilan uchrashadigan joy. 2015 yilgi Yevropa konferentsiyasi va dizayn, avtomatlashtirish va sinov ko'rgazmasida chop etilgan maqola, Grenobl, Fransiya. San-Xose, Kaliforniya: EDA Alliance.637-640 (2015 yil, 9 mart - 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC bosilgan piezoelektrik energiya yig'ish qurilmalari. Ilg'or energiya materiallari.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Rayt, PK & Evans, JW Dispenser-bosilgan tekis qalin plyonkali termoelektr energiyasi generatori.J. Mikromexanika Mikromuhandislik 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Bosilgan elektron qurilmalarni quvvatlantirish uchun ishlatiladigan moslashuvchan yuqori potentsial bosma batareya. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA. Chop etilgan moslashuvchan batareyalardagi so'nggi ishlanmalar: mexanik muammolar, bosib chiqarish texnologiyasi va kelajak istiqbollari. Energiya texnologiyasi.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. va boshqalar. Katta maydonli elektron qurilmalar va CMOS IC-larni tizimli sog'liqni saqlash monitoringi uchun birlashtirgan keng ko'lamli sensorli tizim. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).