balita

Salamat sa pagbisita sa Nature.Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta alang sa CSS.Alang sa labing kaayo nga kasinatian, among girekomenda nga mogamit ka usa ka bag-ong bersyon sa browser (o i-off ang mode sa pagkaangay sa Internet Explorer).Sa samang higayon , aron masiguro ang padayon nga suporta, ipakita namo ang mga site nga walay mga estilo ug JavaScript.
Ang mga additives ug ubos nga temperatura nga mga proseso sa pag-imprenta mahimo nga mag-integrate sa nagkalain-laing mga power-consuming ug power-consuming electronic devices sa flexible substrates sa ubos nga gasto. ang mga himan.Ang mga passive component—inductors, capacitors, ug resistors—nagbuhat sa mga function sama sa pagsala, short-term nga pagtipig sa enerhiya, ug pagsukod sa boltahe, nga importante sa power electronics ug daghan pang mga aplikasyon.Niining artikuloha, gipaila namo ang mga inductors, capacitors, resistors ug RLC circuits screen-printed sa flexible plastic substrates, ug i-report ang proseso sa disenyo aron mamenosan ang sunod-sunod nga pagsukol sa mga inductors aron kini magamit sa mga power electronic device .Ang giimprinta nga inductor ug resistor dayon gilakip sa boost regulator circuit.Paghimo sa organikong light-emitting diodes ug flexible lithium-ion nga mga baterya. Ang mga regulator sa boltahe gigamit sa pagpaandar sa mga diode gikan sa baterya, nga nagpakita sa potensyal sa giimprinta nga passive nga mga sangkap aron mapulihan ang tradisyonal nga mga sangkap sa ibabaw nga bahin sa mga aplikasyon sa DC-DC converter.
Sa bag-ohay nga mga tuig, ang paggamit sa lain-laing mga flexible mga himan sa masul-ob ug dako nga dapit electronic nga mga produkto ug sa Internet sa mga Butang1,2 naugmad.Kini naglakip sa enerhiya harvesting mga himan, sama sa photovoltaic 3, piezoelectric 4, ug thermoelectric 5; mga gamit sa pagtipig sa enerhiya, sama sa mga baterya 6, 7; ug mga galamiton nga nagakonsumo sa kuryente, sama sa mga sensor 8, 9, 10, 11, 12, ug mga tinubdan sa kahayag 13. Bisan tuod dako nga pag-uswag ang nahimo sa tagsa-tagsa nga mga tinubdan sa enerhiya ug mga karga, ang paghiusa niini nga mga sangkap ngadto sa usa ka kompleto nga sistema sa elektroniko kasagarang nagkinahanglan sa mga elektroniko sa kuryente aron buntoga ang bisan unsang mismatch tali sa kinaiya sa suplay sa kuryente ug mga kinahanglanon sa pagkarga.Pananglitan, ang usa ka baterya makamugna og variable nga boltahe sumala sa estado sa pagkarga niini. .Ang power electronics naggamit sa aktibong mga sangkap (transistors) sa paghimo sa switching ug control functions, ingon man sa mga passive component (inductors, capacitors, ug resistors). , usa ka kapasitor ang gigamit sa pagpakunhod sa boltahe nga ripple, ug ang pagsukod sa boltahe nga gikinahanglan alang sa pagkontrol sa feedback gihimo gamit ang resistor divider.
Ang gahum sa elektronik nga mga himan nga angay alang sa masul-ob nga mga aparato (sama sa pulse oximeter 9) nanginahanglan daghang mga volts ug daghang mga milliamp, kasagaran naglihok sa frequency range nga gatusan ka kHz hangtod sa daghang MHz, ug nanginahanglan daghang μH ug daghang μH inductance ug Ang capacitance μF mao ang 14 matag usa. Ang tradisyonal nga pamaagi sa paghimo niini nga mga sirkito mao ang pagsolder sa mga discrete nga sangkap sa usa ka rigid printed circuit board (PCB). sa gawas, mahimo’g gitugotan ang mga naandan nga sirkito, o tungod kay ang gikinahanglan nga inductance ug capacitance dako kaayo nga ipatuman sa silicon.
Kon itandi sa tradisyonal nga PCB-based manufacturing nga teknolohiya, ang manufacturing sa mga electronic device ug mga sirkito pinaagi sa additive nga proseso sa pag-imprenta adunay daghang mga bentaha sa mga termino sa kayano ug gasto.Una, tungod kay daghang mga sangkap sa sirkito nagkinahanglan sa sama nga mga materyales, sama sa mga metal alang sa mga kontak. ug interconnections, pag-imprenta nagtugot sa daghang mga component nga gigama sa samang higayon, uban sa medyo gamay nga pagproseso nga mga lakang ug mas diyutay nga mga tinubdan sa mga materyales15.Ang paggamit sa mga additive nga proseso sa pag-ilis sa subtractive proseso sama sa photolithography ug etching dugang nga pagkunhod sa proseso komplikado ug materyal nga basura16, 17, 18, ug 19.Dugang pa, ang ubos nga temperatura nga gigamit sa pag-imprenta nahiuyon sa flexible ug dili mahal nga mga plastik nga substrate, nga nagtugot sa paggamit sa high-speed nga roll-to-roll nga mga proseso sa paghimo sa pagtabon sa mga electronic device 16, 20 sa dagkong mga lugar.Alang sa mga aplikasyon nga dili bug-os nga matuman sa giimprinta nga mga sangkap, ang hybrid nga mga pamaagi naugmad diin ang surface mount technology (SMT) nga mga sangkap konektado sa flexible substrates 21, 22, 23 sunod sa giimprinta nga mga sangkap sa ubos nga temperatura.Niining hybrid nga pamaagi, kini gihapon gikinahanglan aron mapulihan ang daghang mga sangkap sa SMT kutob sa mahimo sa mga giimprinta nga mga katugbang aron makuha ang mga benepisyo sa dugang nga mga proseso ug madugangan ang kinatibuk-ang pagka-flexible sa sirkito. nga mga sangkap, nga adunay espesyal nga paghatag gibug-aton sa pag-ilis sa dagkong mga SMT inductors nga adunay planar spiral inductors. Taliwala sa lainlaing mga teknolohiya alang sa paghimo sa giimprinta nga mga elektroniko, ang pag-imprenta sa screen labi nga angay alang sa mga passive nga sangkap tungod sa dako nga gibag-on sa pelikula (nga gikinahanglan aron maminusan ang serye nga pagsukol sa mga bahin sa metal. ) ug taas nga katulin sa pag-imprenta, bisan pag nagtabon sa mga lugar nga lebel sa sentimetro Mao usab usahay. Materyal 24.
Ang pagkawala sa passive nga mga sangkap sa gahum electronic nga mga ekipo kinahanglan nga maminusan, tungod kay ang kahusayan sa sirkito direkta nga makaapekto sa gidaghanon sa enerhiya nga gikinahanglan sa gahum sa sistema. pagsukol.Busa, bisan tuod ang pipila ka mga paningkamot gihimo aron mamenosan ang pagsukol 25, 26, 27, 28 sa giimprinta nga mga coils, aduna gihapoy kakulang sa mga high-efficiency nga giimprinta nga passive nga mga sangkap alang sa gahum sa elektronik nga mga himan.Sa pagkakaron, daghan ang nagtaho nga giimprinta nga passive Ang mga sangkap sa flexible substrates gidesinyo sa pag-operate sa mga resonant nga sirkito alang sa radio frequency identification (RFID) o mga katuyoan sa pag-ani sa enerhiya 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Ang uban nagtutok sa materyal o proseso sa paggama ug pagpakita sa mga generic nga sangkap 26, 32, 33, 34 nga dili ma-optimize alang sa piho nga mga aplikasyon. Sa kasukwahi, ang mga power electronic circuit sama sa mga regulator sa boltahe kanunay nga naggamit sa mas dagkong mga sangkap kaysa sa kasagaran nga giimprinta nga mga passive device ug wala magkinahanglan og resonance, mao nga gikinahanglan ang lainlaing mga disenyo sa component.
Dinhi, gipaila namo ang disenyo ug pag-optimize sa screen-printed inductors sa μH range aron makab-ot ang pinakagamay nga serye nga pagsukol ug taas nga performance sa mga frequency nga may kalabutan sa power electronics.Screen-printed inductors, capacitors, ug resistors nga adunay lain-laing component values ​​​​gigama sa flexible plastic substrates.Ang kaangayan niini nga mga sangkap alang sa flexible electronic nga mga produkto unang gipakita sa usa ka yano nga RLC circuit.Ang giimprinta nga inductor ug resistor dayon gisagol sa IC aron mahimong usa ka boost regulator.Sa katapusan, usa ka organic light-emitting diode (OLED ) ug usa ka flexible nga lithium-ion nga baterya ang gihimo, ug usa ka regulator sa boltahe ang gigamit sa pagpaandar sa OLED gikan sa baterya.
Aron sa pagdesinyo sa giimprinta nga mga inductors alang sa power electronics, una namong gitagna ang inductance ug DC nga pagsukol sa usa ka serye sa inductor geometries base sa kasamtangan nga modelo sa sheet nga gisugyot sa Mohan et al. 35, ug hinimo nga mga inductors sa lain-laing mga geometries aron sa pagkumpirma Ang katukma sa modelo.Niini nga buhat, usa ka lingin nga porma ang gipili alang sa inductor tungod kay ang usa ka mas taas nga inductance 36 mahimong makab-ot sa usa ka ubos nga resistensya itandi sa usa ka polygonal geometry.Ang impluwensya sa tinta matang ug gidaghanon sa mga siklo sa pag-imprenta sa resistensya gitino.Kini nga mga resulta gigamit dayon sa ammeter nga modelo sa pagdesinyo sa 4.7 μH ug 7.8 μH nga mga inductors nga na-optimize alang sa minimum nga pagsukol sa DC.
Ang inductance ug DC nga pagsukol sa spiral inductors mahimong gihulagway sa daghang mga parameter: outer diameter do, turn width w ug spacing s, gidaghanon sa mga turns n, ug conductor sheet resistance Rsheet. Figure 1a nagpakita sa usa ka litrato sa usa ka silk-screen nga giimprinta nga circular inductor nga adunay n = 12, nga nagpakita sa geometric nga mga parameter nga nagtino sa inductance niini. Sumala sa modelo sa ammeter sa Mohan et al. 35, ang inductance kalkulado alang sa usa ka serye sa inductor geometries, diin
(a) Usa ka litrato sa screen-printed inductor nga nagpakita sa geometric nga mga parameter.Ang diametro mao ang 3 cm.Inductance (b) ug DC resistance (c) sa nagkalain-laing inductor geometries.Ang mga linya ug mga marka katumbas sa kalkulado ug gisukod nga mga bili, matag usa. (d,e) Ang DC resistances sa inductors L1 ug L2 kay screen printed sa Dupont 5028 ug 5064H silver inks, sa tinagsa.(f,g) SEM micrographs sa films screen nga giimprinta sa Dupont 5028 ug 5064H, matag usa.
Sa taas nga mga frequency, ang epekto sa panit ug ang parasitic capacitance mag-usab sa resistensya ug inductance sa inductor sumala sa DC nga kantidad niini. Ang inductor gilauman nga magtrabaho sa igo nga ubos nga frequency nga kini nga mga epekto wala'y mahimo, ug ang device naglihok isip usa ka kanunay nga inductance. nga adunay kanunay nga pagsukol sa serye.Busa, niini nga buhat, among gisusi ang relasyon tali sa geometric nga mga parameter, inductance, ug DC nga pagsukol, ug gigamit ang mga resulta aron makakuha og usa ka gihatag nga inductance nga adunay pinakagamay nga DC resistance.
Ang inductance ug resistensya gikalkulo alang sa sunod-sunod nga geometric nga mga parameter nga mahimong matuman pinaagi sa pag-imprenta sa screen, ug gilauman nga ang inductance sa μH range mamugna. , ug lain-laing mga turno ang gitandi.Sa kalkulasyon, gituohan nga ang sheet resistance mao ang 47 mΩ/□, nga katumbas sa usa ka 7 μm gibag-on Dupont 5028 silver microflake conductor layer nga giimprinta sa usa ka 400 mesh screen ug setting w = s.The Ang kalkulado nga inductance ug resistensya nga mga kantidad gipakita sa Figure 1b ug c, sa tinuud.
Aron masusi ang katukma sa mga panagna sa modelo, ang mga inductors sa lainlaing mga geometries ug inductances gihimo sa usa ka substrate nga polyethylene terephthalate (PET). ang gipaabot nga bili, nag-una tungod sa mga pagbag-o sa gibag-on ug pagkaparehas sa gideposito nga tinta, ang inductance nagpakita nga maayo kaayo nga kasabutan sa modelo.
Kini nga mga resulta mahimong gamiton sa pagdesinyo sa usa ka inductor nga adunay gikinahanglan nga inductance ug minimum nga DC resistance.Pananglitan, ibutang ang usa ka inductance nga 2 μH ang gikinahanglan. Ang Figure 1b nagpakita nga kini nga inductance mahimong matuman sa usa ka gawas nga diametro nga 3 cm, usa ka gilapdon sa linya sa 500 μm, ug 10 turns. Ang sama nga inductance mahimo usab nga namugna gamit ang 5 cm outer diameter, 500 μm line width ug 5 turns o 1000 μm line width ug 7 turns (sama sa gipakita sa hulagway). posible nga geometries sa Figure 1c, kini makita nga ang labing ubos nga pagsukol sa usa ka 5 cm inductor uban sa usa ka linya gilapdon sa 1000 μm mao ang 34 Ω, nga mao ang mahitungod sa 40% ubos pa kay sa uban nga mga duha ka. Ang kinatibuk-ang disenyo nga proseso sa pagkab-ot sa usa ka gihatag nga inductance nga adunay minimum nga pagsukol gisumada ingon sa mosunod: Una, pilia ang pinakataas nga gitugot nga gawas nga diametro sumala sa mga limitasyon sa luna nga gipahamtang sa aplikasyon.Unya, ang gilapdon sa linya kinahanglan nga ingon ka dako kutob sa mahimo samtang nakab-ot pa ang gikinahanglan nga inductance aron makakuha og taas nga rate sa pagpuno (equation (3)).
Pinaagi sa pagdugang sa gibag-on o paggamit sa usa ka materyal nga adunay mas taas nga conductivity aron makunhuran ang pagbatok sa sheet sa metal nga pelikula, ang DC nga pagsukol mahimong dugang nga pagkunhod nga dili makaapekto sa inductance.Duha ka inductors, kansang geometric nga mga parameter gihatag sa Table 1, nga gitawag L1 ug L2, gigama uban sa lain-laing mga gidaghanon sa mga coatings aron sa pagtimbang-timbang sa kausaban sa resistensya.Samtang ang gidaghanon sa mga tinta coatings nagdugang, ang resistensya mikunhod proporsyonal sama sa gipaabot, sama sa gipakita sa Figures 1d ug e, nga inductors L1 ug L2, sa tinagsa.Figures 1d ug e ipakita nga pinaagi sa pag-aplay sa 6 nga mga layer sa coating, ang resistensya mahimong makunhuran hangtod sa 6 ka beses, ug ang labing kataas nga pagkunhod sa resistensya (50-65%) mahitabo tali sa layer 1 ug layer 2. Tungod kay ang matag layer sa tinta medyo nipis, usa ka screen nga adunay medyo gamay nga gidak-on sa grid (400 ka linya matag pulgada) gigamit sa pag-imprinta niini nga mga inductors, nga nagtugot kanato sa pagtuon sa epekto sa konduktor gibag-on sa resistensya.Basta ang mga bahin sa sumbanan magpabilin nga mas dako pa kay sa minimum nga resolusyon sa grid, susama nga gibag-on (ug resistensya) mahimong makab-ot nga mas paspas pinaagi sa pag-imprenta sa mas gamay nga gidaghanon sa mga coatings nga adunay mas dako nga gidak-on sa grid.Kini nga pamaagi mahimong gamiton aron makab-ot ang sama nga DC nga pagsukol sama sa 6-coated inductor nga gihisgutan dinhi, apan adunay mas taas nga tulin sa produksyon.
Ang mga numero 1d ug e nagpakita usab nga pinaagi sa paggamit sa mas conductive silver flake ink nga DuPont 5064H, ang resistensya mikunhod sa usa ka hinungdan nga duha. nakita nga ang ubos nga conductivity sa 5028 tinta tungod sa iyang mas gamay nga partikulo gidak-on ug ang presensya sa daghang mga voids sa taliwala sa mga partikulo sa giimprinta nga pelikula. pilak.Bisan tuod ang pelikula nga gihimo niini nga tinta mas nipis kay sa 5028 nga tinta, nga adunay usa ka layer nga 4 μm ug 6 nga mga layer sa 22 μm, ang pagtaas sa conductivity igo na aron makunhuran ang kinatibuk-ang pagsukol.
Sa katapusan, bisan kung ang inductance (equation (1)) nagdepende sa gidaghanon sa mga turno (w + s), ang resistensya (equation (5)) nagdepende lamang sa gilapdon sa linya w. Busa, pinaagi sa pagdugang sa w paryente sa s, ang resistensya Ang duha ka dugang nga mga inductors L3 ug L4 gidisenyo nga adunay w = 2s ug usa ka dako nga gawas nga diametro, sama sa gipakita sa Table 1. Kini nga mga inductors gihimo uban sa 6 layers sa DuPont 5064H coating, ingon sa gipakita sa sayo pa, sa paghatag sa pinakataas nga performance.Ang inductance sa L3 mao ang 4.720 ± 0.002 μH ug ang resistensya mao ang 4.9 ± 0.1 Ω, samtang ang inductance sa L4 mao ang 7.839 ± 0.005 μH ug 6.9 ± 0.1 Ω, nga anaa sa maayo nga pag-uyon sa modelo. pagtaas sa gibag-on, conductivity, ug w/s, kini nagpasabot nga ang L/R ratio mitaas ug labaw sa usa ka han-ay sa magnitude kalabot sa bili sa Figure 1.
Bisan tuod ang ubos nga resistensya sa DC nagsaad, ang pagtimbang-timbang sa kaangayan sa mga inductors alang sa gahum sa elektronik nga mga ekipo nga naglihok sa kHz-MHz range nanginahanglan ug kinaiya sa mga frequency sa AC. Ang Figure 2a nagpakita sa frequency nga pagsalig sa resistensya ug reactance sa L3 ug L4. Alang sa mga frequency ubos sa 10 MHz , ang resistensya nagpabilin nga halos kanunay sa iyang DC nga bili, samtang ang reactance nagdugang linearly uban sa frequency, nga nagpasabot nga ang inductance mao ang kanunay sama sa gilauman. Ang L3 kay 35.6 ± 0.3 MHz ug L4 kay 24.3 ± 0.6 MHz. Ang frequency dependence sa quality factor Q (katumbas sa ωL/R) gipakita sa Figure 2b.L3 ug L4 nga nakab-ot ang maximum quality factors nga 35 ± 1 ug 33 ± 1 sa mga frequency sa 11 ug 16 MHz, sa tinagsa. Ang inductance sa pipila ka μH ug ang medyo taas nga Q sa MHz frequency naghimo niini nga mga inductors igo sa pag-ilis sa tradisyonal nga surface-mount inductors sa ubos-gahum DC-DC converters.
Ang gisukod nga resistensya R ug reactance X (a) ug kalidad nga hinungdan Q (b) sa mga inductors L3 ug L4 adunay kalabotan sa frequency.
Aron mamenosan ang footprint nga gikinahanglan alang sa usa ka gihatag nga kapasidad, labing maayo nga gamiton ang teknolohiya sa kapasitor nga adunay dako nga espesipikong kapasidad, nga katumbas sa dielectric constant ε gibahin sa gibag-on sa dielectric. ingon nga ang dielectric tungod kay kini adunay usa ka mas taas nga epsilon kay sa uban nga solusyon-processed organic dielectrics.Ang dielectric layer kay screen nga giimprinta sa taliwala sa duha ka silver conductors aron sa pagporma sa usa ka metal-dielectric-metal structure.Capacitors uban sa lain-laing mga gidak-on sa sentimetro, sama sa gipakita sa Figure 3a , gigama gamit ang duha o tulo ka mga lut-od sa dielectric nga tinta aron mapadayon ang maayo nga ani. Ang Figure 3b nagpakita sa usa ka cross-sectional SEM micrograph sa usa ka representante nga kapasitor nga gihimo sa duha ka mga layer sa dielectric, nga adunay kinatibuk-ang dielectric nga gibag-on nga 21 μm. Ang ibabaw ug ubos nga mga electrodes mao ang usa ka-layer ug unom ka-layer 5064H sa tinagsa.Micron-kadako barium titanate particles makita sa SEM larawan tungod kay ang mas hayag nga mga dapit gilibutan sa darker organic binder.Ang dielectric tinta basa sa ubos electrode maayo ug mga porma sa usa ka tin-aw nga interface uban sa giimprinta nga metal nga pelikula, ingon sa gipakita sa ilustrasyon nga adunay mas taas nga pagpadako.
(a) Usa ka litrato sa usa ka kapasitor nga adunay lima ka lain-laing mga lugar.(b) Cross-sectional SEM micrograph sa usa ka kapasitor nga adunay duha ka layer sa dielectric, nagpakita barium titanate dielectric ug silver electrodes.(c) Capacitances sa capacitors uban sa 2 ug 3 barium titanate dielectric layers ug lain-laing mga lugar, gisukod sa 1 MHz.(d) Ang relasyon tali sa capacitance, ESR, ug loss factor sa usa ka 2.25 cm2 capacitor nga adunay 2 layers sa dielectric coatings ug frequency.
Ang kapasidad kay proporsyonal sa gipaabot nga lugar. Ingon sa gipakita sa Figure 3c, ang piho nga kapasidad sa duha ka layer nga dielectric mao ang 0.53 nF / cm2, ug ang piho nga kapasidad sa tulo ka layer nga dielectric mao ang 0.33 nF / cm2. Kini nga mga kantidad katumbas sa usa ka dielectric nga kanunay nga 13. Ang capacitance ug dissipation factor (DF) gisukod usab sa lain-laing mga frequency, sama sa gipakita sa Figure 3d, alang sa usa ka 2.25 cm2 capacitor nga adunay duha ka mga layer sa dielectric.We nakit-an nga ang capacitance medyo patag sa frequency range sa interes, nga nagdugang sa 20% gikan sa 1 ngadto sa 10 MHz, samtang sa samang range, ang DF misaka gikan sa 0.013 ngadto sa 0.023. Tungod kay ang dissipation factor mao ang ratio sa pagkawala sa enerhiya ngadto sa enerhiya nga gitipigan sa matag AC cycle, ang DF nga 0.02 nagpasabot nga ang 2% sa gahum nga gidumala pinaagi sa kapasitor nahurot.Kini nga pagkawala kasagaran gipahayag ingon nga frequency-dependent nga katumbas nga serye nga pagsukol (ESR) konektado sa serye sa kapasitor, nga katumbas sa DF / ωC.Sama sa gipakita sa Figure 3d, alang sa mga frequency nga labaw sa 1 MHz, Ang ESR mas ubos kay sa 1.5 Ω, ug alang sa mga frequency nga mas dako pa sa 4 MHz, ang ESR mas ubos kay sa 0.5 Ω. Bisan pa sa paggamit niini nga capacitor nga teknolohiya, ang μF-class capacitors nga gikinahanglan alang sa DC-DC converters nagkinahanglan og dako kaayo nga lugar, apan ang 100 pF- Ang gidak-on sa kapasidad sa nF ug ubos nga pagkawala niini nga mga capacitor naghimo kanila nga angay alang sa ubang mga aplikasyon, sama sa mga filter ug resonant nga mga sirkito .Ang lainlaing mga pamaagi mahimong magamit aron madugangan ang kapasidad.Ang usa ka mas taas nga dielectric nga kanunay nagdugang sa piho nga kapasidad 37; pananglitan, kini makab-ot pinaagi sa pagdugang sa konsentrasyon sa barium titanate nga mga partikulo sa tinta.Ang usa ka mas gamay nga dielectric nga gibag-on mahimong magamit, bisan tuod kini nagkinahanglan sa usa ka ubos nga electrode nga adunay ubos nga pagkagapos kay sa usa ka screen-printed nga silver flake.Thinner, lower roughness capacitor ang mga lut-od mahimong ideposito pinaagi sa pag-imprenta sa inkjet 31 o pag-imprenta sa gravure 10, nga mahimong ikombinar sa usa ka proseso sa pag-imprenta sa screen.Sa katapusan, ang daghang alternating layer sa metal ug dielectric mahimong i-stack ug i-print ug konektado sa parallel, sa ingon nagdugang sa capacitance 34 kada unit area .
Ang usa ka divider sa boltahe nga gilangkoban sa usa ka parisan sa mga resistor kasagarang gigamit sa paghimo sa pagsukod sa boltahe nga gikinahanglan alang sa pagkontrol sa feedback sa usa ka regulator sa boltahe. Alang niini nga matang sa aplikasyon, ang pagsukol sa giimprinta nga resistor kinahanglan nga anaa sa kΩ-MΩ range, ug ang kalainan tali sa ang mga himan gamay ra. Dinhi, nakit-an nga ang sheet resistance sa single-layer screen-printed carbon ink mao ang 900 Ω / □. Kini nga impormasyon gigamit sa pagdesinyo sa duha ka linear resistors (R1 ug R2) ug usa ka serpentine resistor (R3). ) nga adunay mga nominal nga pagsukol sa 10 kΩ, 100 kΩ, ug 1.5 MΩ.Ang pagsukol tali sa mga kantidad sa nominal makab-ot pinaagi sa pag-imprenta sa duha o tulo ka mga lut-od sa tinta, ingon sa gipakita sa Figure 4, ug mga litrato sa tulo nga mga pagsukol. Paghimo 8- 12 ka sampol sa matag matang; sa tanan nga mga kaso, ang standard deviation sa resistensya mao ang 10% o dili kaayo. ug ang suod nga kasabutan sa nominal nga bili nagpakita nga ang ubang mga pagsukol niini nga han-ay mahimong direktang makuha pinaagi sa pag-usab sa resistor geometry.
Tulo ka lain-laing resistor geometries uban sa lain-laing mga gidaghanon sa carbon resistive tinta coatings.Ang litrato sa tulo ka resistors gipakita sa tuo.
Ang mga sirkito sa RLC mao ang klasiko nga mga pananglitan sa libro sa mga kombinasyon sa resistor, inductor, ug capacitor nga gigamit sa pagpakita ug pag-verify sa kinaiya sa mga passive nga sangkap nga gisagol sa tinuod nga giimprinta nga mga sirkito. 25 kΩ resistor konektado sa parallel uban kanila.Ang litrato sa flexible sirkito gipakita sa Figure 5a.Ang rason sa pagpili niini nga espesyal nga serye-parallel kombinasyon mao nga ang kinaiya niini determinado sa matag usa sa tulo ka lain-laing mga frequency component, aron ang performance sa matag component mahimong highlight ug evaluate.Gikonsiderar ang 7 Ω serye nga pagsukol sa inductor ug ang 1.3 Ω ESR sa kapasitor, ang gipaabot nga frequency nga tubag sa sirkito kalkulado. Ang circuit diagram gipakita sa Figure 5b, ug ang kalkulado impedance amplitude ug phase ug gisukod nga mga bili gipakita sa Figures 5c ug d.Sa ubos nga frequency, ang taas nga impedance sa kapasitor nagpasabot nga ang kinaiya sa sirkito determinado sa 25 kΩ resistor.Samtang ang frequency nagdugang, ang impedance sa ang LC nga agianan mikunhod; ang tibuok sirkito nga kinaiya kay capacitive hangtud nga ang resonant frequency kay 2.0 MHz. Labaw sa resonance frequency, ang inductive impedance dominates. Figure 5 tin-aw nga nagpakita sa maayo kaayo nga kasabutan tali sa kalkulado ug gisukod nga mga bili sa tibuok nga frequency range. Kini nagpasabot nga ang modelo nga gigamit dinhi (diin ang mga inductors ug capacitors maayo nga mga sangkap nga adunay resistensya sa serye) tukma alang sa pagtagna sa pamatasan sa circuit sa kini nga mga frequency.
(a) Usa ka litrato sa usa ka screen-printed nga RLC circuit nga naggamit sa usa ka serye nga kombinasyon sa usa ka 8 μH inductor ug usa ka 0.8 nF capacitor nga susama sa usa ka 25 kΩ resistor.(b) Circuit model lakip na ang serye nga resistensya sa inductor ug capacitor.(c ,d) Ang impedance amplitude (c) ug phase (d) sa sirkito.
Sa katapusan, ang giimprinta nga mga inductors ug resistors gipatuman sa boost regulator. Ang IC nga gigamit niini nga demonstrasyon mao ang Microchip MCP1640B14, nga usa ka PWM-based synchronous boost regulator nga adunay operating frequency nga 500 kHz. Ang circuit diagram gipakita sa Figure 6a.A Ang 4.7 μH inductor ug duha ka capacitor (4.7 μF ug 10 μF) gigamit isip mga elemento sa pagtipig sa enerhiya, ug usa ka parisan sa resistors ang gigamit sa pagsukod sa output boltahe sa feedback control. Ang sirkito gigama sa PCB, ug ang pasundayag niini gisukod sulod sa load resistance ug ang input voltage range nga 3 ngadto sa 4 V aron i-simulate ang lithium-ion nga baterya sa nagkalain-laing mga estado sa pag-charge. efficiency sa SMT inductors ug resistors.SMT capacitors gigamit sa tanan nga mga kaso tungod kay ang capacitance nga gikinahanglan alang niini nga aplikasyon mao ang dako kaayo nga makompleto sa giimprinta capacitors.
(a) Diagram sa voltage stabilizing circuit.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, ug (d) Waveforms of current flowing into the inductor, ang input voltage mao ang 4.0 V, ang load resistance 1 kΩ, ug ang giimprinta nga inductor gigamit sa pagsukod.Surface mount resistors ug capacitors gigamit alang niini nga pagsukod.(e) Para sa nagkalain-laing load resistances ug input voltages, ang efficiency sa voltage regulator circuits gamit ang tanang surface mount components ug printed inductors ug resistors.(f ) Ang efficiency ratio sa ibabaw nga bukid ug giimprinta nga sirkito nga gipakita sa (e).
Alang sa 4.0 V input voltage ug 1000 Ω load resistance, ang mga waveform nga gisukod gamit ang printed inductors gipakita sa Figure 6b-d. Figure 6c nagpakita sa boltahe sa Vsw terminal sa IC; ang boltahe sa inductor mao ang Vin-Vsw.Ang Figure 6d nagpakita sa kasamtangan nga nagaagay ngadto sa inductor.Ang kahusayan sa sirkito nga adunay SMT ug giimprinta nga mga sangkap gipakita sa Figure 6e isip usa ka function sa input voltage ug load resistance, ug ang Figure 6f nagpakita sa efficiency ratio sa giimprinta nga mga sangkap ngadto sa mga sangkap sa SMT.Ang kahusayan nga gisukod gamit ang mga sangkap sa SMT susama sa gipaabot nga kantidad nga gihatag sa data sheet sa tiggama 14.Sa taas nga input nga kasamtangan (ubos nga pagsukol sa load ug ubos nga boltahe sa input), ang kahusayan sa giimprinta nga mga inductors labi ka ubos kaysa nga sa SMT inductors tungod sa mas taas nga serye resistensya.Apan, uban sa mas taas nga input boltahe ug mas taas nga output kasamtangan, resistensya pagkawala mahimong dili kaayo importante, ug ang performance sa giimprinta inductors nagsugod sa pagduol sa SMT inductors.For load resistances>500 Ω ug Vin = 4.0 V o> 750 Ω ug Vin = 3.5 V, ang kahusayan sa giimprinta nga mga inductors mas dako pa kay sa 85% sa SMT inductors.
Ang pagtandi sa kasamtangan nga waveform sa Figure 6d sa gisukod nga pagkawala sa kuryente nagpakita nga ang pagkawala sa resistensya sa inductor mao ang nag-unang hinungdan sa kalainan sa kahusayan tali sa giimprinta nga sirkito ug sa SMT circuit, ingon sa gipaabut. Ang input ug output nga gahum gisukod sa 4.0 V input boltahe ug 1000 Ω load resistensya mao ang 30.4 mW ug 25.8 mW alang sa mga sirkito nga adunay SMT nga mga sangkap, ug 33.1 mW ug 25.2 mW alang sa mga sirkito nga adunay giimprinta nga mga sangkap. Busa, ang pagkawala sa giimprinta nga sirkito mao ang 7.9 mW, nga 3.4 mW nga mas taas kay sa sirkito nga adunay mga component sa SMT.Ang RMS inductor nga kasamtangan nga kalkulado gikan sa waveform sa Figure 6d mao ang 25.6 mA. Tungod kay ang serye nga pagsukol niini mao ang 4.9 Ω, ang gipaabot nga pagkawala sa kuryente mao ang 3.2 mW.Kini mao ang 96% sa gisukod nga 3.4 mW DC power difference.Dugang pa, ang sirkito gigama nga adunay giimprinta nga mga inductors ug giimprinta nga mga resistor ug giimprinta nga mga inductors ug SMT resistors, ug walay mahinungdanong kalainan sa episyente ang nakita tali kanila.
Dayon ang regulator sa boltahe gihimo sa flexible PCB (ang pag-imprenta sa sirkito ug ang performance sa component sa SMT gipakita sa Supplementary Figure S1) ug konektado tali sa flexible lithium-ion nga baterya isip tinubdan sa kuryente ug ang OLED array isip load. Sumala sa Lochner et al. 9 Sa paghimo og mga OLED, ang matag OLED pixel mokonsumo og 0.6 mA sa 5 V. Ang baterya naggamit sa lithium cobalt oxide ug graphite isip cathode ug anode, matag usa, ug gigama sa doctor blade coating, nga mao ang labing komon nga paagi sa pag-imprenta sa baterya.7 Ang kapasidad sa baterya mao ang 16mAh, ug ang boltahe sa panahon sa pagsulay mao ang 4.0V. Figure 7 nagpakita sa usa ka litrato sa sirkito sa flexible PCB, powering sa tulo ka OLED pixels konektado sa parallel. Ang demonstrasyon nagpakita sa potensyal sa giimprinta nga gahum nga mga sangkap nga integrated uban sa uban flexible ug organikong mga himan aron mahimong mas komplikado nga mga sistema sa elektroniko.
Usa ka litrato sa circuit regulator sa boltahe sa usa ka flexible PCB gamit ang giimprinta nga mga inductors ug resistors, gamit ang flexible lithium-ion nga mga baterya aron makagahum sa tulo ka mga organikong LED.
Gipakita namo ang screen printed inductors, capacitors ug resistors nga adunay nagkalainlaing mga bili sa flexible PET substrates, uban ang tumong sa pag-ilis sa surface mount components sa power electronic equipment. , ug line width-space width ratio, ug pinaagi sa paggamit sa usa ka baga nga layer sa ubos nga resistensya nga tinta.Kini nga mga sangkap gisagol sa usa ka bug-os nga giimprinta ug flexible nga RLC nga sirkito ug nagpakita sa matag-an nga kinaiya sa elektrisidad sa kHz-MHz frequency range, nga labing dako interes sa gahum electronics.
Ang kasagaran nga mga kaso sa paggamit alang sa giimprinta nga gahum nga mga elektronik nga mga himan mao ang masul-ob o nahiusa sa produkto nga flexible electronic nga mga sistema, nga gipadagan sa mga flexible nga rechargeable nga mga baterya (sama sa lithium-ion), nga makamugna og mga variable nga boltahe sumala sa estado sa bayad. Kung ang load (lakip ang pag-imprinta ug organikong elektronikong kagamitan) nanginahanglan kanunay nga boltahe o mas taas pa sa boltahe nga output sa baterya, gikinahanglan ang usa ka regulator sa boltahe. Tungod niini, ang giimprinta nga mga inductors ug resistors gisagol sa tradisyonal nga mga silicon nga IC sa usa ka boost regulator aron magamit ang OLED nga adunay kanunay nga boltahe. sa 5 V gikan sa usa ka variable nga boltahe nga suplay sa kuryente sa baterya. Sulod sa usa ka piho nga han-ay sa load current ug input boltahe, ang kahusayan niini nga sirkito milapas sa 85% sa kahusayan sa usa ka control circuit gamit ang surface mount inductors ug resistors. Bisan pa sa materyal ug geometric optimizations, Ang resistive nga pagkawala sa inductor mao gihapon ang limiting factor alang sa performance sa sirkito sa taas nga lebel sa kasamtangan (input nga kasamtangan nga mas dako pa kay sa mga 10 mA).Apan, sa ubos nga mga sulog, ang mga pagkawala sa inductor mikunhod, ug ang kinatibuk-ang performance limitado sa efficiency sa IC.Tungod kay daghang mga giimprinta ug organikong mga himan nanginahanglan medyo mubu nga mga sulog, sama sa gagmay nga mga OLED nga gigamit sa among demonstrasyon, ang giimprinta nga mga inductors sa kuryente mahimong makonsiderar nga angay alang sa ingon nga mga aplikasyon. mas taas nga kinatibuk-ang converter efficiency mahimong makab-ot.
Sa niini nga buhat, ang boltahe regulator gitukod sa tradisyonal nga PCB, flexible PCB ug nawong mount component soldering teknolohiya, samtang ang giimprinta nga component gihimo sa usa ka linain nga substrate.Apan, ang ubos nga temperatura ug taas nga viscosity inks nga gigamit sa paghimo sa screen- ang giimprinta nga mga pelikula kinahanglan nga magtugot sa passive nga mga sangkap, ingon man ang interconnection tali sa device ug sa surface mount component contact pads, nga maimprinta sa bisan unsang substrate.Kini, inubanan sa paggamit sa kasamtangan nga ubos nga temperatura nga conductive adhesives alang sa mga component sa ibabaw nga bukid, magtugot sa ang tibuok sirkito nga pagatukuron sa dili mahal nga mga substrate (sama sa PET) nga wala magkinahanglan og subtractive nga mga proseso sama sa PCB etching.Busa, ang screen-printed passive components nga naugmad niini nga trabaho makatabang sa paghatag sa dalan alang sa flexible electronic system nga nag-integrate sa enerhiya ug mga load. uban sa high-performance nga gahum electronics, sa paggamit sa barato nga substrates, nag-una additive proseso ug dyutay Ang gidaghanon sa ibabaw mount components.
Gamit ang Asys ASP01M screen printer ug usa ka stainless steel screen nga gihatag sa Dynamesh Inc., ang tanan nga mga lut-od sa passive nga mga sangkap gi-screen nga giimprinta sa usa ka flexible PET substrate nga adunay gibag-on nga 76 μm. Ang mesh nga gidak-on sa metal layer mao ang 400 ka linya kada pulgada ug 250 linya kada pulgada para sa dielectric layer ug sa resistance layer.Paggamit ug squeegee force nga 55 N, printing speed nga 60 mm/s, breaking distance nga 1.5 mm, ug Serilor squeegee nga may hardness nga 65 (para sa metal ug resistive. layers) o 75 (para sa dielectric layers) para sa screen printing.
Ang conductive layer-ang mga inductors ug ang mga kontak sa capacitors ug resistors-giimprinta sa DuPont 5082 o DuPont 5064H silver microflake ink. gigamit.Ang matag layer sa dielectric gihimo gamit ang duha ka-pass (basa-basa) nga siklo sa pag-imprenta aron mapalambo ang pagkaparehas sa pelikula.Alang sa matag component, ang epekto sa daghang mga siklo sa pag-imprenta sa performance sa component ug variability gisusi.Mga sample nga gihimo sa daghang coatings sa samang materyal ang gipauga sa 70 °C sulod sa 2 minutos tali sa coatings.Human sa paggamit sa kataposang coat sa matag materyal, ang mga sample giluto sa 140 °C sulod sa 10 minutos aron maseguro ang kompleto nga pagpauga.Ang automatic alignment function sa screen tig-imprenta gigamit sa pag-align sa sunod nga mga lut-od.Ang kontak uban sa sentro sa inductor makab-ot pinaagi sa pagputol sa usa ka pinaagi sa lungag sa center pad ug stencil pag-imprenta pagsubay sa likod sa substrate uban sa DuPont 5064H tinta. 5064H stencil printing.Aron ipakita ang giimprinta nga mga sangkap ug mga sangkap sa SMT sa flexible PCB nga gipakita sa Figure 7, ang mga naimprinta nga mga sangkap konektado sa Circuit Works CW2400 conductive epoxy, ug ang mga sangkap sa SMT konektado sa tradisyonal nga pagsolda.
Lithium cobalt oxide (LCO) ug graphite-based electrodes gigamit ingon nga ang cathode ug anode sa battery, sa tinagsa. Ang cathode slurry mao ang usa ka sinagol nga 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% graphite (KS6, Timcal), 2.5 % carbon black (Super P, Timcal) ug 10% polyvinylidene fluoride (PVDF, Kureha Corp.). ) Ang anode usa ka sinagol nga 84wt% graphite, 4wt% carbon black ug 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) gigamit sa pag-dissolve sa PVDF binder ug pagsabwag sa slurry.The slurry homogenized sa pagpalihok sa usa ka vortex mixer sa tibuok gabii.Usa ka 0.0005 ka pulgada nga gibag-on nga stainless steel foil ug usa ka 10 μm nickel foil gigamit isip kasamtangang mga collector alang sa cathode ug anode, sa tinagsa. mm / s.Init ang electrode sa usa ka hurnohan sa 80 °C sulod sa 2 ka oras aron makuha ang solvent.Ang gitas-on sa electrode human sa pagpauga mao ang mahitungod sa 60 μm, ug base sa gibug-aton sa aktibo nga materyal, ang teoretikal nga kapasidad mao ang 1.65 mAh /cm2.Ang mga electrodes giputol sa mga dimensyon nga 1.3 × 1.3 cm2 ug gipainit sa usa ka vacuum oven sa 140 ° C sa tibuok gabii, ug dayon sila gitakpan sa aluminum laminate bags sa usa ka nitrogen-filled glove box.Usa ka solusyon sa polypropylene base film nga adunay anode ug cathode ug 1M LiPF6 sa EC/DEC (1:1) gigamit isip electrolyte sa baterya.
Green OLED naglangkob sa poly(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) ug poly((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) sumala sa pamaagi nga gilatid sa Lochner et al.
Gamita ang Dektak stylus profiler sa pagsukod sa gibag-on sa pelikula. Ang pelikula giputol aron sa pag-andam sa usa ka cross-sectional sample alang sa imbestigasyon pinaagi sa pag-scan sa electron microscopy (SEM). pelikula ug kumpirmahi ang gibag-on sukod.Ang SEM nga pagtuon gihimo sa usa ka accelerating boltahe sa 20 keV ug usa ka tipikal nga pagtrabaho gilay-on sa 10 mm.
Gamit ug digital multimeter para sukdon ang DC resistance, boltahe ug kasamtangan.Ang AC impedance sa mga inductors, capacitors ug circuits gisukod gamit ang Agilent E4980 LCR meter para sa frequency ubos sa 1 MHz ug Agilent E5061A network analyzer kay gigamit para sa pagsukod sa frequency nga labaw sa 500 kHz.Gamita ang Tektronix TDS 5034 oscilloscope aron sukdon ang waveform sa voltage regulator.
Giunsa pagkutlo kini nga artikulo: Ostfeld, AE, etc.Screen printing passive components para sa flexible power electronic equipment.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: ang sunod nga ubiquitous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Usa ka dapit diin ang mga grupo makigtagbo sa mga tawo.Papel nga gipatik sa 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, March 9- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC printed piezoelectric energy harvesting devices.Advanced energy materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-giimprinta nga patag nga baga nga pelikula nga thermoelectric energy generator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Usa ka flexible nga taas nga potensyal nga giimprinta nga baterya nga gigamit sa pagpaandar sa giimprinta nga mga electronic device.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Ang pinakabag-o nga mga kalamboan sa giimprinta nga flexible nga mga baterya: mekanikal nga mga hagit, teknolohiya sa pag-imprenta ug umaabot nga mga prospect.Energy technology.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. ug uban pa.Usa ka dako nga sensing system nga naghiusa sa dako nga lugar nga elektronik nga mga himan ug CMOS ICs alang sa structural health monitoring.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).