habari

Asante kwa kutembelea Nature.Toleo la kivinjari unachotumia lina uwezo mdogo wa kutumia CSS.Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza kwamba utumie toleo jipya la kivinjari (au uzime modi ya uoanifu katika Internet Explorer).Wakati huo huo. , ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutaonyesha tovuti zisizo na mitindo na JavaScript.
Viongezeo na michakato ya uchapishaji ya halijoto ya chini inaweza kuunganisha vifaa mbalimbali vya kielektroniki vinavyotumia nguvu na vinavyotumia nguvu kwenye substrates zinazonyumbulika kwa gharama nafuu. vifaa. Vipengee visivyo na sauti—viingilizi, vidhibiti, vidhibiti—hutekeleza utendakazi kama vile kuchuja, kuhifadhi nishati ya muda mfupi, na kipimo cha volteji, ambavyo ni muhimu katika matumizi ya umeme na matumizi mengine mengi. vipingamizi na mizunguko ya RLC iliyochapishwa skrini kwenye substrates za plastiki zinazonyumbulika, na kuripoti mchakato wa kubuni ili kupunguza upinzani wa mfululizo wa inductors ili ziweze kutumika katika vifaa vya elektroniki vya nguvu .Indukta iliyochapishwa na kipinga hujumuishwa kwenye mzunguko wa kidhibiti cha kuongeza.Utengenezaji. ya diodi za kikaboni zinazotoa mwanga na betri zinazonyumbulika za lithiamu-ioni.Vidhibiti vya voltage hutumiwa kuwasha diodi kutoka kwa betri, kuonyesha uwezo wa vipengee vilivyochapishwa vya passiv kuchukua nafasi ya vipengee vya kawaida vya kupachika uso katika programu za kubadilisha fedha za DC-DC.
Katika miaka ya hivi karibuni, utumiaji wa vifaa mbalimbali vinavyonyumbulika katika bidhaa za kielektroniki zinazoweza kuvaliwa na za eneo kubwa na Mtandao wa Mambo1,2 umetengenezwa.Hizi ni pamoja na vifaa vya kuvuna nishati, kama vile photovoltaic 3, piezoelectric 4, na thermoelectric 5;vifaa vya kuhifadhi nishati, kama vile betri 6, 7;na vifaa vinavyotumia nguvu, kama vile vitambuzi 8, 9, 10, 11, 12, na vyanzo vya mwanga 13. Ingawa maendeleo makubwa yamepatikana katika vyanzo na mizigo ya mtu binafsi, kuchanganya vipengele hivi katika mfumo kamili wa kielektroniki kwa kawaida huhitaji nishati ya kielektroniki ili shinda ulinganifu wowote kati ya tabia ya usambazaji wa nishati na mahitaji ya mzigo. Kwa mfano, betri huzalisha voltage inayobadilika kulingana na hali yake ya malipo. Ikiwa mzigo unahitaji voltage ya mara kwa mara, au zaidi ya voltage ambayo betri inaweza kuzalisha, umeme wa umeme unahitajika. .Umeme wa umeme hutumia vipengele vinavyofanya kazi (transistors) kufanya kazi za kubadili na kudhibiti, pamoja na vipengele vya passive (inductors, capacitors, na resistors). Kwa mfano, katika mzunguko wa kidhibiti cha kubadili, inductor hutumiwa kuhifadhi nishati wakati wa kila mzunguko wa kubadili. , capacitor hutumiwa kupunguza ripple ya voltage, na kipimo cha voltage kinachohitajika kwa udhibiti wa maoni kinafanywa kwa kutumia kigawanyiko cha kupinga.
Vifaa vya umeme vya nguvu ambavyo vinafaa kwa vifaa vinavyoweza kuvaliwa (kama vile pigo oximeter 9) vinahitaji volti kadhaa na milimita kadhaa, kwa kawaida hufanya kazi katika masafa ya mamia ya kHz hadi MHz kadhaa, na huhitaji μH kadhaa na inductance kadhaa na Uwezo μF ni. 14 mtawalia.Njia ya kitamaduni ya kutengeneza saketi hizi ni kutengenezea viambajengo vya kipekee kwa ubao wa saketi iliyochapwa ngumu (PCB). nje, ama kuruhusu mizunguko maalum, au kwa sababu inductance na uwezo unaohitajika ni mkubwa sana kutekelezwa katika silicon .
Ikilinganishwa na teknolojia ya jadi ya utengenezaji wa msingi wa PCB, utengenezaji wa vifaa vya kielektroniki na saketi kupitia mchakato wa uchapishaji wa nyongeza una faida nyingi katika suala la urahisi na gharama. Kwanza, kwa kuwa sehemu nyingi za saketi zinahitaji vifaa sawa, kama vile metali kwa mawasiliano. na miunganisho, uchapishaji huruhusu vipengee vingi kutengenezwa kwa wakati mmoja, kukiwa na hatua chache za uchakataji na vyanzo vichache vya nyenzo15.Matumizi ya michakato ya nyongeza kuchukua nafasi ya michakato ya kupunguza kama vile upigaji picha na etching hupunguza zaidi uchangamano wa mchakato na upotevu wa nyenzo16, 17, 18, na 19.Aidha, halijoto ya chini inayotumika katika uchapishaji inaendana na substrates za plastiki zinazonyumbulika na za bei nafuu, zinazoruhusu utumiaji wa michakato ya utengenezaji wa kasi ya juu ili kufunika vifaa vya elektroniki 16, 20 juu ya maeneo makubwa. ambayo haiwezi kufikiwa kikamilifu na vipengee vilivyochapishwa, mbinu za mseto zimetengenezwa ambamo vipengele vya teknolojia ya uso wa uso (SMT) vinaunganishwa na substrates zinazonyumbulika 21, 22, 23 karibu na vijenzi vilivyochapishwa kwa halijoto ya chini. Katika mbinu hii ya mseto, bado ni inahitajika kubadilisha vipengele vingi vya SMT iwezekanavyo na vilingani vilivyochapishwa ili kupata manufaa ya michakato ya ziada na kuongeza unyumbulifu wa jumla wa saketi. vipengele, kwa msisitizo maalum juu ya kuchukua nafasi ya inductors kubwa ya SMT na inductors planar spiral.Kati ya teknolojia mbalimbali za utengenezaji wa umeme zilizochapishwa, uchapishaji wa skrini unafaa hasa kwa vipengele vya passive kwa sababu ya unene wake mkubwa wa filamu (ambayo ni muhimu ili kupunguza upinzani wa mfululizo wa vipengele vya chuma. ) na kasi ya juu ya uchapishaji, hata inapofunika maeneo ya kiwango cha sentimita Ndivyo ilivyo nyakati nyingine.Nyenzo 24.
Upotevu wa vipengele vya passiv vya vifaa vya umeme vya nguvu lazima kupunguzwa, kwa sababu ufanisi wa mzunguko huathiri moja kwa moja kiasi cha nishati inayohitajika ili kuimarisha mfumo. upinzani. Kwa hiyo, ingawa baadhi ya jitihada zimefanywa ili kupunguza upinzani wa 25, 26, 27, 28 wa koili zilizochapishwa, bado kuna ukosefu wa vipengee vya hali ya juu vya vifaa vya umeme vilivyochapishwa. vipengele kwenye substrates zinazonyumbulika vimeundwa kufanya kazi katika saketi za resonant kwa ajili ya utambulisho wa masafa ya redio (RFID) au madhumuni ya uvunaji wa nishati 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31.Nyingine huzingatia uundaji wa nyenzo au mchakato wa utengenezaji na kuonyesha vijenzi vya jumla. 26, 32, 33, 34 ambazo hazijaboreshwa kwa programu mahususi. Kinyume chake, saketi za kielektroniki za nguvu kama vile vidhibiti vya voltage mara nyingi hutumia vipengee vikubwa kuliko vifaa vya kawaida vilivyochapishwa na hauhitaji resonance, kwa hivyo miundo tofauti ya vijenzi inahitajika.
Hapa, tunatanguliza uundaji na uboreshaji wa inductors zilizochapishwa skrini katika safu ya μH ili kufikia upinzani mdogo zaidi wa mfululizo na utendakazi wa juu katika masafa yanayohusiana na umeme. Viingilio vilivyochapishwa kwenye skrini, vidhibiti na vipingamizi vyenye thamani za vipengele mbalimbali hutengenezwa. kwenye substrates za plastiki zinazonyumbulika.Ufaafu wa vipengele hivi kwa bidhaa za kielektroniki zinazonyumbulika ulionyeshwa kwa mara ya kwanza katika mzunguko rahisi wa RLC. Indukta iliyochapishwa na kipinga huunganishwa na IC ili kuunda kidhibiti cha kuimarisha. Hatimaye, diode ya kikaboni inayotoa mwanga (OLED). ) na betri ya lithiamu-ioni inayoweza kunyumbulika hutengenezwa, na kidhibiti cha voltage kinatumika kuwasha OLED kutoka kwa betri.
Ili kuunda inductors zilizochapishwa za umeme wa umeme, tulitabiri kwanza inductance na upinzani wa DC wa mfululizo wa jiometri ya indukta kulingana na muundo wa sasa wa laha uliopendekezwa katika Mohan et al.35, na inductors zilizotengenezwa za jiometri tofauti ili kuthibitisha usahihi wa mfano.Katika kazi hii, sura ya mviringo ilichaguliwa kwa inductor kwa sababu inductance ya juu 36 inaweza kupatikana kwa upinzani wa chini ikilinganishwa na jiometri ya polygonal.Ushawishi wa wino aina na idadi ya mizunguko ya uchapishaji juu ya upinzani imedhamiriwa.Matokeo haya yalitumiwa na mfano wa ammeter kuunda inductors 4.7 μH na 7.8 μH zilizoboreshwa kwa upinzani mdogo wa DC.
Upinzani wa inductance na DC wa inductors za ond unaweza kuelezewa na vigezo kadhaa: kipenyo cha nje fanya, geuza upana w na nafasi s, idadi ya zamu n, na upinzani wa karatasi ya kondakta Rsheet.Mchoro 1a unaonyesha picha ya kibadilishaji cha mviringo kilichochapishwa kwenye skrini ya hariri. na n = 12, inayoonyesha vigezo vya kijiometri vinavyoamua inductance yake.Kulingana na mfano wa ammeter wa Mohan et al.35, inductance imehesabiwa kwa mfululizo wa jiometri ya inductor, wapi
(a) Picha ya kiindukta kilichochapishwa kwenye skrini inayoonyesha vigezo vya kijiometri. Kipenyo ni sentimita 3. Uingizaji (b) na upinzani wa DC (c) wa jiometri mbalimbali za indukta. Mistari na alama zinalingana na maadili yaliyohesabiwa na kupimwa, kwa mtiririko huo. (d,e) Upinzani wa DC wa inductors L1 na L2 huchapishwa skrini kwa wino za fedha za Dupont 5028 na 5064H, mtawalia.(f,g) Maikrografu za SEM za skrini ya filamu zilizochapishwa na Dupont 5028 na 5064H, mtawalia.
Katika masafa ya juu, athari ya ngozi na uwezo wa vimelea itabadilisha upinzani na inductance ya inductor kulingana na thamani yake ya DC. Inductor inatarajiwa kufanya kazi kwa masafa ya chini ya kutosha ambayo athari hizi hazizingatiwi, na kifaa kinafanya kama uingizaji wa mara kwa mara. kwa upinzani wa mara kwa mara katika mfululizo.Kwa hiyo, katika kazi hii, tulichambua uhusiano kati ya vigezo vya kijiometri, inductance, na upinzani wa DC, na tukatumia matokeo ili kupata inductance iliyotolewa na upinzani mdogo wa DC.
Inductance na upinzani huhesabiwa kwa mfululizo wa vigezo vya kijiometri vinavyoweza kupatikana kwa uchapishaji wa skrini, na inatarajiwa kwamba inductance katika safu ya μH itatolewa. Vipenyo vya nje vya 3 na 5 cm, upana wa mstari wa microns 500 na 1000. , na zamu mbalimbali zinalinganishwa.Katika hesabu, inachukuliwa kuwa upinzani wa karatasi ni 47 mΩ/ □, ambayo inalingana na safu ya conductor ya microflake ya fedha ya 7 μm ya Dupont 5028 iliyochapishwa na skrini ya mesh 400 na kuweka w = s.The viwango vya kupenyeza vilivyokokotwa na upinzani vinaonyeshwa katika Mchoro 1b na c, mtawalia.Mtindo huo unatabiri kwamba upenyezaji na upinzani huongezeka kadiri kipenyo cha nje na idadi ya zamu zinavyoongezeka, au kadri upana wa mstari unavyopungua.
Ili kutathmini usahihi wa utabiri wa modeli, viingilizi vya jiometri na viingilio mbalimbali vilitungwa kwenye sehemu ndogo ya polyethilini terephthalate (PET). Vipimo vya uingizaji hewa na viwango vya upinzani vinaonyeshwa kwenye Mchoro 1b na c. Ingawa upinzani ulionyesha kupotoka kidogo kutoka thamani inayotarajiwa, hasa kutokana na mabadiliko katika unene na usawa wa wino uliowekwa, inductance ilionyesha makubaliano mazuri sana na mfano.
Matokeo haya yanaweza kutumika kutengeneza kiindukta chenye kipenyo kinachohitajika na upinzani mdogo wa DC. Kwa mfano, tuseme inductance ya 2 μH inahitajika. Mchoro 1b unaonyesha kuwa inductance hii inaweza kufikiwa na kipenyo cha nje cha 3 cm, upana wa mstari. ya 500 μm, na zamu 10. Inductance sawa inaweza pia kuzalishwa kwa kutumia 5 cm kipenyo cha nje, 500 μm upana wa mstari na zamu 5 au 1000 μm upana wa mstari na zamu 7 (kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu). Kulinganisha upinzani wa hizi tatu. jiometri zinazowezekana katika Mchoro 1c, inaweza kupatikana kuwa upinzani wa chini kabisa wa inductor 5 cm na upana wa mstari wa 1000 μm ni 34 Ω, ambayo ni karibu 40% chini kuliko nyingine mbili. Mchakato wa kubuni wa jumla ili kufikia inductance iliyotolewa. na upinzani wa kiwango cha chini umefupishwa kama ifuatavyo: Kwanza, chagua kipenyo cha juu kinachoruhusiwa cha nje kulingana na vikwazo vya nafasi vilivyowekwa na programu. Kisha, upana wa mstari unapaswa kuwa mkubwa iwezekanavyo wakati bado unafikia inductance inayohitajika ili kupata kiwango cha juu cha kujaza. (Equation (3)).
Kwa kuongeza unene au kutumia nyenzo yenye conductivity ya juu ili kupunguza upinzani wa karatasi ya filamu ya chuma, upinzani wa DC unaweza kupunguzwa zaidi bila kuathiri inductance.Inductors mbili, ambazo vigezo vya kijiometri vinatolewa katika Jedwali 1, inayoitwa L1 na L2, hutengenezwa kwa idadi tofauti ya mipako ili kutathmini mabadiliko katika upinzani. Idadi ya mipako ya wino inapoongezeka, upinzani hupungua kwa uwiano kama inavyotarajiwa, kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 1d na e, ambazo ni inductors L1 na L2, kwa mtiririko huo. Kielelezo 1d na e. onyesha kwamba kwa kutumia tabaka 6 za mipako, upinzani unaweza kupunguzwa hadi mara 6, na kupunguza kiwango cha juu cha upinzani (50-65%) hutokea kati ya safu ya 1 na safu ya 2. Kwa kuwa kila safu ya wino ni nyembamba, a skrini yenye ukubwa mdogo wa gridi ya taifa (mistari 400 kwa inchi) hutumika kuchapisha viingilizi hivi, ambayo hutuwezesha kuchunguza athari za unene wa kondakta kwenye upinzani. Ilimradi vipengele vya muundo vinasalia kuwa kubwa kuliko azimio la chini la gridi ya taifa, a unene sawa (na upinzani) unaweza kupatikana kwa kasi zaidi kwa kuchapisha idadi ndogo ya mipako yenye ukubwa mkubwa wa gridi ya taifa.Njia hii inaweza kutumika kufikia upinzani sawa wa DC na inductor 6-coated kujadiliwa hapa, lakini kwa kasi ya juu ya uzalishaji.
Kielelezo cha 1d na e pia kinaonyesha kuwa kwa kutumia wino wa flake wa fedha unaofanya kazi zaidi wa DuPont 5064H, upinzani hupunguzwa kwa sababu ya mbili.Kutoka kwa micrographs za SEM za filamu zilizochapishwa na inks mbili (Mchoro 1f, g), inaweza kuwa. kuona kwamba upitishaji wa chini wa wino wa 5028 unatokana na ukubwa wake mdogo wa chembe na kuwepo kwa voids nyingi kati ya chembe katika filamu iliyochapishwa. Kwa upande mwingine, 5064H ina flakes kubwa zaidi, iliyopangwa kwa karibu zaidi, na kuifanya kuwa karibu na wingi. fedha.Ingawa filamu inayozalishwa na wino huu ni nyembamba kuliko wino 5028, ikiwa na safu moja ya 4 μm na tabaka 6 za 22 μm, ongezeko la conductivity linatosha kupunguza upinzani wa jumla.
Hatimaye, ingawa inductance (equation (1)) inategemea idadi ya zamu (w + s), upinzani (equation (5)) inategemea tu upana wa mstari w. Kwa hiyo, kwa kuongeza w ikilinganishwa na s, upinzani Inductors mbili za ziada L3 na L4 zimeundwa kuwa na w = 2s na kipenyo kikubwa cha nje, kama inavyoonyeshwa kwenye Jedwali 1. Viingilizi hivi vimetengenezwa kwa tabaka 6 za mipako ya DuPont 5064H, kama inavyoonyeshwa hapo awali, ili kutoa utendakazi wa juu zaidi. Uingizaji hewa wa L3 ni 4.720 ± 0.002 μH na ukinzani ni 4.9 ± 0.1 Ω, huku uingizaji hewa wa L4 ni 7.839 ± 0.005 μH na 6.9 ± 0.1 Ω, ambazo zinakubaliana vyema na utabiri wa kielelezo. Due ongezeko la unene, upitishaji na w/s, hii ina maana kwamba uwiano wa L/R umeongezeka kwa zaidi ya mpangilio wa ukubwa unaohusiana na thamani katika Mchoro 1.
Ingawa upinzani wa chini wa DC unaleta matumaini, kutathmini ufaafu wa viingilizi kwa vifaa vya elektroniki vya nguvu vinavyofanya kazi katika safu ya kHz-MHz inahitaji kuainishwa katika masafa ya AC. Mchoro 2a unaonyesha utegemezi wa masafa ya ukinzani na mwitikio wa L3 na L4. Kwa masafa ya chini ya 10 MHz , upinzani hubakia takribani mara kwa mara katika thamani yake ya DC, huku mwitikio huongezeka sawia na marudio, ambayo ina maana kwamba uingizaji hewa ni thabiti kama inavyotarajiwa. Masafa ya kujirudi hufafanuliwa kama masafa ambayo kizuizi hubadilika kutoka kwa kufata kwa kufata hadi kwa capacitive, na L3 ikiwa 35.6 ± 0.3 MHz na L4 ikiwa 24.3 ± 0.6 MHz. Utegemezi wa mzunguko wa kipengele cha ubora Q (sawa na ωL/R) umeonyeshwa kwenye Mchoro 2b.L3 na L4 kufikia vipengele vya ubora wa juu zaidi vya 35 ± 1 na 33 ± 1 kwa masafa ya 11 na 16 MHz, mtawalia. Uingizaji wa μH chache na Q ya juu kiasi katika masafa ya MHz hufanya inductors hizi za kutosha kuchukua nafasi ya inductors za kawaida za uso katika vibadilishaji vya nguvu vya chini vya DC-DC.
Upinzani uliopimwa R na majibu X (a) na kipengele cha ubora Q (b) cha inductors L3 na L4 zinahusiana na marudio.
Ili kupunguza alama ya miguu inayohitajika kwa uwezo fulani, ni bora kutumia teknolojia ya capacitor yenye uwezo mkubwa maalum, ambayo ni sawa na dielectric mara kwa mara ε iliyogawanywa na unene wa dielectric. Katika kazi hii, tulichagua mchanganyiko wa titanate ya bariamu. kama dielectri kwa sababu ina epsiloni ya juu zaidi kuliko dielektriki za kikaboni zilizochakatwa na myeyusho. Safu ya dielectri huchapishwa kwenye skrini kati ya vikondakta viwili vya fedha ili kuunda muundo wa metali-dielectric-metali. Vifuniko vyenye ukubwa mbalimbali kwa sentimita, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a. , hutengenezwa kwa kutumia safu mbili au tatu za wino wa dielectric ili kudumisha mavuno mazuri.Mchoro 3b unaonyesha micrograph ya SEM ya sehemu ya msalaba ya capacitor ya mwakilishi iliyofanywa na tabaka mbili za dielectric, na unene wa jumla wa dielectric wa 21 μm. Electrodes ya juu na ya chini ni safu moja na safu sita 5064H mtawalia.Chembechembe za titanate za bariamu za ukubwa wa Micron zinaonekana kwenye picha ya SEM kwa sababu maeneo angavu zaidi yamezungukwa na kifungashio cha kikaboni cheusi zaidi.Wino wa dielectric hulowesha elektrodi ya chini vizuri na kuunda kiolesura wazi na filamu ya chuma iliyochapishwa, kama inavyoonyeshwa kwenye kielelezo chenye ukuzaji wa hali ya juu.
(a) Picha ya capacitor yenye maeneo matano tofauti.(b) Mikrografu ya SEM ya sehemu tofauti ya capacitor yenye tabaka mbili za dielectri, inayoonyesha bariamu titanate dielectric na elektrodi za fedha.(c) Uwezo wa capacitor zenye titanate ya bariamu 2 na 3. tabaka za dielectri na maeneo tofauti, iliyopimwa kwa MHz 1. (d) Uhusiano kati ya uwezo, ESR, na sababu ya kupoteza ya capacitor 2.25 cm2 na safu 2 za mipako ya dielectri na mzunguko.
Uwezo ni sawia na eneo linalotarajiwa.Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3c, uwezo maalum wa dielectri ya safu mbili ni 0.53 nF/cm2, na uwezo maalum wa dielectri ya safu tatu ni 0.33 nF/cm2. capacitance and dissipation factor (DF) pia ilipimwa kwa masafa tofauti, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3d, kwa capacitor 2.25 cm2 na tabaka mbili za dielectric. Tuligundua kuwa uwezo ulikuwa gorofa katika anuwai ya masafa ya riba, ikiongezeka kwa 20%. kutoka 1 hadi 10 MHz, wakati katika safu sawa, DF iliongezeka kutoka 0.013 hadi 0.023. Kwa kuwa kipengele cha kutoweka ni uwiano wa kupoteza nishati kwa nishati iliyohifadhiwa katika kila mzunguko wa AC, DF ya 0.02 ina maana kwamba 2% ya nguvu inayoshughulikiwa. kwa capacitor hutumiwa. Hasara hii kwa kawaida huonyeshwa kama upinzani wa mfululizo unaotegemea mzunguko sawa (ESR) unaounganishwa kwa mfululizo na capacitor, ambayo ni sawa na DF/ωC.Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3d, kwa masafa zaidi ya 1 MHz, ESR iko chini kuliko 1.5 Ω, na kwa masafa makubwa zaidi ya 4 MHz, ESR iko chini kuliko 0.5 Ω. Ingawa kwa kutumia teknolojia hii ya capacitor, capacitor za darasa la μF zinazohitajika kwa vibadilishaji vya DC-DC zinahitaji eneo kubwa sana, lakini 100 pF- Upeo wa uwezo wa nF na upotevu mdogo wa capacitors hizi huwafanya kufaa kwa matumizi mengine, kama vile vichujio na nyaya za resonant .Njia mbalimbali zinaweza kutumika kuongeza uwezo.Kiwango cha juu cha dielectric huongeza uwezo maalum 37;kwa mfano, hii inaweza kupatikana kwa kuongeza mkusanyiko wa chembe za bariamu titanati katika wino. Unene mdogo wa dielectric unaweza kutumika, ingawa hii inahitaji elektrodi ya chini yenye ukali wa chini kuliko flake ya fedha iliyochapishwa skrini. tabaka zinaweza kuwekwa kwa uchapishaji wa inkjet 31 au uchapishaji wa gravure 10, ambayo inaweza kuunganishwa na mchakato wa uchapishaji wa skrini. Hatimaye, tabaka nyingi za kubadilishana za chuma na dielectric zinaweza kuwekwa na kuchapishwa na kuunganishwa kwa sambamba, na hivyo kuongeza uwezo wa 34 kwa kila eneo la kitengo. .
Kigawanyaji cha voltage kinachoundwa na jozi ya vipingamizi kawaida hutumiwa kufanya kipimo cha voltage kinachohitajika kwa udhibiti wa maoni ya kidhibiti cha voltage. Kwa aina hii ya utumaji, upinzani wa kipinga kilichochapishwa unapaswa kuwa katika safu ya kΩ-MΩ, na tofauti kati ya vifaa ni vidogo.Hapa, iligundulika kuwa upinzani wa laha ya wino wa kaboni iliyochapishwa kwenye skrini ya safu moja ulikuwa 900 Ω/ □.Maelezo haya yanatumika kubuni vipinga viwili vya mstari (R1 na R2) na kipinga nyoka (R3). ) yenye ukinzani wa kawaida wa 10 kΩ, 100 kΩ, na 1.5 MΩ. Upinzani kati ya maadili ya kawaida hupatikana kwa kuchapisha safu mbili au tatu za wino, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4, na picha za vizuizi vitatu. Tengeneza 8- Sampuli 12 za kila aina;katika hali zote, kupotoka kwa kiwango cha upinzani ni 10% au chini. Mabadiliko ya upinzani ya sampuli na tabaka mbili au tatu za mipako huwa ndogo kidogo kuliko ile ya sampuli na safu moja ya mipako. Mabadiliko madogo katika upinzani uliopimwa. na makubaliano ya karibu na thamani ya majina yanaonyesha kuwa upinzani mwingine katika safu hii unaweza kupatikana moja kwa moja kwa kurekebisha jiometri ya kupinga.
Jiometri tatu tofauti za kinzani zenye nambari tofauti za mipako ya wino inayokinza kaboni.Picha za vipinga vitatu vinaonyeshwa upande wa kulia.
Mizunguko ya RLC ni mifano ya kiada ya kiada ya michanganyiko ya resistor, inductor, na capacitor inayotumika kuonyesha na kuthibitisha tabia ya vipengee visivyo na sauti vilivyounganishwa kwenye saketi halisi zilizochapishwa. Kipingamizi cha kΩ 25 kimeunganishwa sambamba nao. Picha ya saketi inayoweza kunyumbulika imeonyeshwa kwenye Mchoro 5a. Sababu ya kuchagua mchanganyiko huu maalum wa mfululizo-sambamba ni kwamba tabia yake imedhamiriwa na kila moja ya vipengele vitatu tofauti vya mzunguko, ili utendaji wa kila sehemu unaweza kuangaziwa na kutathminiwa. Kwa kuzingatia upinzani wa mfululizo wa 7 Ω wa indukta na 1.3 Ω ESR ya capacitor, majibu yanayotarajiwa ya mzunguko wa mzunguko yalihesabiwa. Mchoro wa mzunguko umeonyeshwa kwenye Mchoro 5b, na mahesabu. amplitude ya impedance na awamu na maadili yaliyopimwa yanaonyeshwa katika Kielelezo 5c na d. Katika masafa ya chini, impedance ya juu ya capacitor ina maana kwamba tabia ya mzunguko imedhamiriwa na upinzani wa kΩ 25. Kadiri mzunguko unavyoongezeka, impedance ya njia ya LC inapungua;tabia nzima ya mzunguko ni capacitive mpaka mzunguko wa resonant ni 2.0 MHz. Juu ya mzunguko wa resonance, impedance ya kufata inatawala. Mchoro wa 5 unaonyesha wazi makubaliano bora kati ya maadili yaliyohesabiwa na kupimwa katika safu nzima ya mzunguko. Hii ina maana kwamba mfano uliotumiwa hapa (ambapo inductors na capacitors ni sehemu bora na upinzani wa mfululizo) ni sahihi kwa kutabiri tabia ya mzunguko katika masafa haya.
(a) Picha ya saketi ya RLC iliyochapishwa kwenye skrini inayotumia mseto wa mfululizo wa kiindukta cha 8 μH na capacitor 0.8 nF sambamba na kipingamizi cha kΩ 25.(b) Muundo wa mzunguko unaojumuisha ukinzani wa mfululizo wa kiindukta na kapacita.(c) ,d) Amplitude ya impedance (c) na awamu (d) ya mzunguko.
Hatimaye, inductors zilizochapishwa na resistors zinatekelezwa katika kidhibiti cha kuongeza. IC iliyotumiwa katika onyesho hili ni Microchip MCP1640B14, ambayo ni kidhibiti cha kuimarisha synchronous cha PWM na mzunguko wa uendeshaji wa 500 kHz. Mchoro wa mzunguko umeonyeshwa kwenye Mchoro 6a.A. 4.7 μH kiindukta na capacitor mbili (4.7 μF na 10 μF) hutumiwa kama vipengele vya kuhifadhi nishati, na jozi ya vipingamizi hutumiwa kupima voltage ya pato la udhibiti wa maoni.Chagua thamani ya upinzani ili kurekebisha voltage ya pato hadi 5 V. Mzunguko hutengenezwa kwenye PCB, na utendaji wake hupimwa ndani ya upinzani wa mzigo na aina mbalimbali za voltage ya pembejeo ya 3 hadi 4 V ili kuiga betri ya lithiamu-ioni katika hali mbalimbali za malipo. Ufanisi wa inductors na resistors zilizochapishwa hulinganishwa na ufanisi wa vipenyo na vipingamizi vya SMT. Vibano vya SMT hutumika katika hali zote kwa sababu uwezo unaohitajika kwa programu hii ni mkubwa sana hivi kwamba hauwezi kukamilishwa kwa vibanishi vilivyochapishwa.
(a) Mchoro wa mzunguko wa utulivu wa voltage. (b-d) (b) Vout, (c) Vsw, na (d) Mawimbi ya sasa inapita ndani ya inductor, voltage ya pembejeo ni 4.0 V, upinzani wa mzigo ni 1 kΩ, na kiindukta kilichochapishwa hutumika kupima.Vipimo na vidhibiti vya kupachika usoni hutumika kwa kipimo hiki.(e) Kwa upinzani mbalimbali wa mizigo na voltages za pembejeo, ufanisi wa mizunguko ya kidhibiti cha voltage kwa kutumia vipengele vyote vya kupachika uso na inductors zilizochapishwa na vipingamizi.(f ) Uwiano wa ufanisi wa mlima wa uso na mzunguko uliochapishwa umeonyeshwa katika (e).
Kwa voltage ya pembejeo ya 4.0 V na upinzani wa mzigo wa 1000 Ω, fomu za mawimbi zilizopimwa kwa kutumia inductors zilizochapishwa zinaonyeshwa kwenye Mchoro 6b-d. Kielelezo 6c kinaonyesha voltage kwenye terminal ya Vsw ya IC;voltage ya indukta ni Vin-Vsw.Kielelezo 6d kinaonyesha mtiririko wa sasa kwenye kiingizaji.Ufanisi wa saketi yenye SMT na vipengee vilivyochapwa umeonyeshwa kwenye Mchoro 6e kama kazi ya voltage ya pembejeo na upinzani wa mzigo, na Mchoro 6f unaonyesha uwiano wa ufanisi. ya vipengele vilivyochapishwa kwa vipengele vya SMT. Ufanisi unaopimwa kwa kutumia vipengele vya SMT ni sawa na thamani inayotarajiwa iliyotolewa katika karatasi ya data ya mtengenezaji 14. Kwa sasa ya juu ya uingizaji (upinzani wa chini wa mzigo na voltage ya chini ya uingizaji), ufanisi wa inductors zilizochapishwa ni chini sana kuliko ile ya inductors za SMT kutokana na upinzani wa juu wa mfululizo.Hata hivyo, kwa voltage ya juu ya pembejeo na sasa ya juu ya pato, hasara ya upinzani inakuwa muhimu chini, na utendaji wa inductors zilizochapishwa huanza kukaribia ule wa inductors za SMT.Kwa upinzani wa mzigo > 500 Ω na Vin = 4.0 V au >750 Ω na Vin = 3.5 V, ufanisi wa inductors zilizochapishwa ni kubwa zaidi ya 85% ya inductors za SMT.
Kulinganisha muundo wa mawimbi wa sasa katika Mchoro 6d na upotevu wa nguvu uliopimwa unaonyesha kuwa upotevu wa upinzani katika kipenyeza ndio sababu kuu ya tofauti ya ufanisi kati ya saketi iliyochapishwa na saketi ya SMT, kama inavyotarajiwa. Nguvu ya pembejeo na pato hupimwa kwa 4.0 V. voltage ya pembejeo na upinzani wa mzigo wa 1000 Ω ni 30.4 mW na 25.8 mW kwa nyaya zilizo na vipengele vya SMT, na 33.1 mW na 25.2 mW kwa nyaya zilizo na vipengele vilivyochapishwa. Kwa hiyo, hasara ya mzunguko wa kuchapishwa ni 7.9 mW, ambayo ni 3.4 mW juu kuliko yale yaliyochapishwa. mzunguko na vipengele vya SMT.Kiingiza cha sasa cha RMS kilichohesabiwa kutoka kwa muundo wa wimbi kwenye Kielelezo 6d ni 25.6 mA.Kwa kuwa upinzani wake wa mfululizo ni 4.9 Ω, upotevu wa nguvu unaotarajiwa ni 3.2 mW. Hii ni 96% ya tofauti ya nguvu ya 3.4 mW DC iliyopimwa. Aidha, mzunguko hutengenezwa na inductors zilizochapishwa na vipinga vilivyochapishwa na inductors zilizochapishwa na resistors SMT, na hakuna tofauti kubwa ya ufanisi inayozingatiwa kati yao.
Kisha kidhibiti volteji hutungwa kwenye PCB inayonyumbulika (utendaji wa uchapishaji wa saketi na sehemu ya SMT huonyeshwa katika Kielelezo cha Nyongeza S1) na kuunganishwa kati ya betri inayoweza kunyumbulika ya lithiamu-ioni kama chanzo cha nishati na safu ya OLED kama mzigo.Kulingana na Lochner et al.9 Ili kutengeneza OLED, kila pikseli ya OLED hutumia 0.6 mA ifikapo 5 V. Betri hutumia oksidi ya lithiamu cobalt na grafiti kama cathode na anodi, mtawalia, na hutengenezwa na mipako ya blade ya daktari, ambayo ndiyo njia ya kawaida ya uchapishaji ya betri.7 uwezo wa betri ni 16mAh, na voltage wakati wa jaribio ni 4.0V.Mchoro wa 7 unaonyesha picha ya saketi kwenye PCB inayoweza kunyumbulika, ikitumia pikseli tatu za OLED zilizounganishwa sambamba.Onyesho lilionyesha uwezo wa vipengele vya nguvu vilivyochapishwa kuunganishwa na vingine. vifaa vinavyonyumbulika na vya kikaboni kuunda mifumo changamano zaidi ya kielektroniki.
Picha ya saketi ya kidhibiti volteji kwenye PCB inayoweza kunyumbulika kwa kutumia inductors na vipinga vilivyochapishwa, kwa kutumia betri zinazonyumbulika za lithiamu-ioni kuwasha taa tatu za kikaboni.
Tumeonyesha inductors zilizochapishwa kwa skrini, capacitors na vipinga vilivyo na anuwai ya maadili kwenye substrates za PET zinazobadilika, kwa lengo la kuchukua nafasi ya vifaa vya kupachika uso katika vifaa vya elektroniki vya nguvu. Tumeonyesha kuwa kwa kubuni ond yenye kipenyo kikubwa, kiwango cha kujaza. , na uwiano wa upana wa nafasi ya mstari, na kwa kutumia safu nene ya wino sugu wa chini. Vipengee hivi vimeunganishwa katika mzunguko kamili wa RLC uliochapishwa na unaonyumbulika na huonyesha tabia ya umeme inayotabirika katika masafa ya kHz-MHz, ambayo ni ya juu zaidi. maslahi ya umeme wa umeme.
Kesi za kawaida za utumiaji wa vifaa vya elektroniki vya nguvu zilizochapishwa vinaweza kuvaliwa au mifumo ya kielektroniki inayonyumbulika iliyounganishwa na bidhaa, inayoendeshwa na betri zinazoweza kuchajiwa tena (kama vile lithiamu-ion), ambayo inaweza kutoa voltages za kutofautiana kulingana na hali ya chaji. Ikiwa mzigo (pamoja na uchapishaji na uchapishaji) vifaa vya kielektroniki vya kikaboni) huhitaji voltage ya mara kwa mara au ya juu zaidi kuliko pato la voltage na betri, kidhibiti cha voltage kinahitajika.Kwa sababu hii, inductors zilizochapishwa na vipinga huunganishwa na IC za silicon za jadi kwenye kidhibiti cha kuimarisha ili kuwasha OLED kwa voltage ya mara kwa mara. ya 5 V kutoka kwa usambazaji wa nguvu ya betri ya voltage inayobadilika. Ndani ya safu fulani ya sasa ya mzigo na voltage ya pembejeo, ufanisi wa mzunguko huu unazidi 85% ya ufanisi wa mzunguko wa udhibiti kwa kutumia inductors za uso wa uso na vipinga. Licha ya uboreshaji wa nyenzo na kijiometri, hasara za kupinga katika inductor bado ni sababu ya kikwazo kwa utendaji wa mzunguko katika viwango vya juu vya sasa (sasa pembejeo kubwa kuliko karibu 10 mA). ya IC. Kwa kuwa vifaa vingi vilivyochapwa na vya kikaboni vinahitaji mikondo ya chini kiasi, kama vile OLED ndogo zinazotumiwa katika onyesho letu, viingiza umeme vilivyochapishwa vinaweza kuchukuliwa kuwa vinafaa kwa programu kama hizo. Kwa kutumia IC zilizoundwa kuwa na ufanisi wa juu zaidi katika viwango vya chini vya sasa, ufanisi wa juu wa kigeuzi kwa ujumla unaweza kupatikana.
Katika kazi hii, kidhibiti cha voltage kinajengwa kwenye PCB ya kitamaduni, PCB inayoweza kunyumbulika na teknolojia ya kutengenezea sehemu ya uso, wakati sehemu iliyochapishwa imetengenezwa kwa sehemu ndogo tofauti. filamu zilizochapishwa zinapaswa kuruhusu vipengele vya passive, pamoja na uunganisho kati ya kifaa na usafi wa mawasiliano wa sehemu ya uso, kuchapishwa kwenye substrate yoyote. saketi nzima itajengwa kwa kutumia vijiti vidogo vya bei nafuu (kama vile PET) bila kuhitaji michakato ya kupunguza kama vile PCB etching. Kwa hivyo, vijenzi vilivyochapishwa kwenye skrini vilivyoundwa katika kazi hii husaidia kuweka njia kwa mifumo ya kielektroniki inayonyumbulika ambayo huunganisha nishati na mizigo. na umeme wa utendaji wa juu, kwa kutumia substrates za bei nafuu, hasa michakato ya kuongeza na ndogo Idadi ya vipengele vya mlima wa uso.
Kwa kutumia kichapishi cha skrini cha Asys ASP01M na skrini ya chuma cha pua iliyotolewa na Dynamesh Inc., tabaka zote za vijenzi tulivu zilichapishwa kwenye sehemu ndogo ya PET yenye unene wa 76 μm. Ukubwa wa matundu ya safu ya chuma ni mistari 400 kwa inchi na 250. mistari kwa inchi kwa safu ya dielectric na safu ya upinzani.Tumia nguvu ya squeegee ya 55 N, kasi ya uchapishaji ya 60 mm / s, umbali wa kuvunja 1.5 mm, na squeegee ya Serilor yenye ugumu wa 65 (kwa chuma na kupinga. tabaka) au 75 (kwa tabaka za dielectric) kwa uchapishaji wa skrini.
Safu za conductive-viingilizi na viunganishi vya capacitor na vipinga-zimechapishwa kwa wino wa microflake ya fedha ya DuPont 5082 au DuPont 5064H. Kipimo kimechapishwa na kondakta wa kaboni ya DuPont 7082. Kwa dielectric ya capacitor, kiwanja cha conductive BT-101 dielectric titana. inatumika.Kila safu ya dielectric inazalishwa kwa kutumia mzunguko wa uchapishaji wa pasi mbili (mvua-mvua) ili kuboresha usawa wa filamu.Kwa kila kipengele, athari ya mizunguko mingi ya uchapishaji juu ya utendaji wa vipengele na kutofautiana ilichunguzwa.Sampuli zilizofanywa na mipako mingi ya nyenzo sawa ilikaushwa saa 70 ° C kwa dakika 2 kati ya mipako. Baada ya kutumia kanzu ya mwisho ya kila nyenzo, sampuli zilioka saa 140 ° C kwa dakika 10 ili kuhakikisha kukausha kamili. Kazi ya usawa wa moja kwa moja ya skrini kichapishi hutumika kusawazisha tabaka zinazofuata. Mgusano na katikati ya kiindukta hupatikana kwa kukata shimo kwenye pedi ya katikati na ufuatiliaji wa uchapishaji wa stencil nyuma ya substrate na wino wa DuPont 5064H. Muunganisho kati ya vifaa vya uchapishaji pia hutumia Dupont. Uchapishaji wa stencil 5064H. Ili kuonyesha vipengele vilivyochapishwa na vipengele vya SMT kwenye PCB inayoweza kunyumbulika iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 7, vipengele vilivyochapishwa vinaunganishwa kwa kutumia Circuit Works CW2400 epoxy conductive, na vipengele vya SMT vinaunganishwa na soldering ya jadi.
Oksidi ya lithiamu cobalt (LCO) na elektroni zenye msingi wa grafiti hutumika kama kathodi na anodi ya betri, mtawalia. Tope la cathode ni mchanganyiko wa 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% grafiti (KS6, Timcal), 2.5 % kaboni nyeusi (Super P, Timcal) na 10% ya floridi ya polyvinylidene (PVDF, Kureha Corp.).) Anode ni mchanganyiko wa 84wt% grafiti, 4wt% kaboni nyeusi na 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) hutumika kuyeyusha kifungashio cha PVDF na kutawanya tope. kuchochea na mchanganyiko wa vortex usiku kucha. Foil nene ya inchi 0.0005 ya chuma cha pua na karatasi ya nikeli ya 10 μm hutumiwa kama wakusanyaji wa sasa wa cathode na anode, mtawaliwa. Wino huchapishwa kwenye mtozaji wa sasa kwa squeegee kwa kasi ya uchapishaji ya 20 mm / s. Joto la electrode katika tanuri saa 80 ° C kwa saa 2 ili kuondoa kutengenezea. Urefu wa electrode baada ya kukausha ni karibu 60 μm, na kulingana na uzito wa nyenzo za kazi, uwezo wa kinadharia ni 1.65 mAh. / cm2. Electrodes zilikatwa kwa vipimo vya 1.3 × 1.3 cm2 na moto katika tanuri ya utupu saa 140 ° C usiku mmoja, na kisha zimefungwa na mifuko ya laminate ya alumini katika sanduku la glove iliyojaa nitrojeni. Suluhisho la filamu ya msingi ya polypropen na anode na cathode na 1M LiPF6 katika EC/DEC (1:1) hutumika kama elektroliti ya betri.
OLED ya kijani ina poly(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) na poly((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole-) 4, 8-diyl)) (F8BT) kulingana na utaratibu uliobainishwa katika Lochner na wenzie 9.
Tumia profaili ya stylus ya Dektak kupima unene wa filamu. Filamu ilikatwa ili kuandaa sampuli ya sehemu mbalimbali kwa ajili ya uchunguzi kwa kuchanganua hadubini ya elektroni (SEM). Bunduki ya FEI Quanta 3D emission gun (FEG) SEM inatumika kubainisha muundo wa iliyochapishwa. filamu na kuthibitisha kipimo cha unene.Utafiti wa SEM ulifanyika kwa kasi ya voltage ya 20 keV na umbali wa kawaida wa kufanya kazi wa 10 mm.
Tumia multimeter ya dijiti kupima upinzani wa DC, voltage na sasa.Kizuizi cha AC cha inductors, capacitors na saketi hupimwa kwa kutumia mita ya Agilent E4980 LCR kwa masafa ya chini ya 1 MHz na Agilent E5061A analyzer ya mtandao hutumika kupima masafa zaidi ya 500 kHz.Tumia Tektronix TDS 5034 oscilloscope kupima muundo wa wimbi la kidhibiti voltage.
Jinsi ya kunukuu makala haya: Ostfeld, AE, n.k.Vipengee vya uchapishaji vya skrini kwa vifaa vya kielektroniki vinavyonyumbulika.science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: jukwaa linalofuata la kila mahali.Taratibu IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Intranet ya Binadamu: Mahali ambapo vikundi hukutana na binadamu.Karatasi iliyochapishwa katika Kongamano la Ulaya la 2015 na Maonyesho ya Usanifu, Uendeshaji na Majaribio, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, Machi 9- 13).
Krebs, FC n.k.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC iliyochapisha vifaa vya kuvuna nishati ya piezoelectric. Nyenzo za juu za nishati.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, Jenereta ya nishati ya umeme iliyochapishwa na JW Dispenser.Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Betri inayoweza kunyumbulika yenye uwezo wa juu iliyochapishwa inayotumika kuwasha vifaa vya kielektroniki vilivyochapishwa.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Maendeleo ya hivi punde zaidi katika betri zinazonyumbulika zilizochapishwa: changamoto za kimitambo, teknolojia ya uchapishaji na matarajio ya siku zijazo.Teknolojia ya Nishati.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. nk.Mfumo mkubwa wa kutambua ambao unachanganya vifaa vya elektroniki vya eneo kubwa na CMOS ICs kwa ufuatiliaji wa afya ya miundo.IEEE J. Mzunguko wa Jimbo Mango 49, 513–523 (2014).