أخبار

شكرًا لك على زيارة Nature. إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام إصدار أحدث من المتصفح (أو إيقاف تشغيل وضع التوافق في Internet Explorer). وفي نفس الوقت ولضمان استمرار الدعم، سنعرض المواقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يمكن للمواد المضافة وعمليات الطباعة منخفضة الحرارة دمج العديد من الأجهزة الإلكترونية المستهلكة للطاقة والمستهلكة للطاقة على ركائز مرنة بتكلفة منخفضة. ومع ذلك، فإن إنتاج أنظمة إلكترونية كاملة من هذه الأجهزة يتطلب عادةً أجهزة إلكترونية طاقة للتحويل بين جهود التشغيل المختلفة الأجهزة. تؤدي المكونات السلبية - المحاثات والمكثفات والمقاومات - وظائف مثل الترشيح وتخزين الطاقة على المدى القصير وقياس الجهد، وهي ضرورية في إلكترونيات الطاقة والعديد من التطبيقات الأخرى. في هذه المقالة، نقدم المحاثات والمكثفات، المقاومات ودوائر RLC مطبوعة على ركائز بلاستيكية مرنة، وتبلغ عن عملية التصميم لتقليل المقاومة التسلسلية للمحاثات بحيث يمكن استخدامها في أجهزة الطاقة الإلكترونية. يتم بعد ذلك دمج المحث والمقاوم المطبوع في دائرة منظم التعزيز. التصنيع من الثنائيات العضوية الباعثة للضوء وبطاريات الليثيوم أيون المرنة. يتم استخدام منظمات الجهد الكهربي لتشغيل الثنائيات من البطارية، مما يوضح إمكانية المكونات السلبية المطبوعة لتحل محل المكونات التقليدية المثبتة على السطح في تطبيقات محول DC-DC.
في السنوات الأخيرة، تم تطوير تطبيق العديد من الأجهزة المرنة في المنتجات الإلكترونية القابلة للارتداء والمنتجات الإلكترونية واسعة النطاق وإنترنت الأشياء. وتشمل هذه الأجهزة أجهزة حصاد الطاقة، مثل الخلايا الكهروضوئية 3، والكهرضغطية 4، والكهروحرارية 5؛ أجهزة تخزين الطاقة، مثل البطاريات 6، 7؛ والأجهزة المستهلكة للطاقة، مثل أجهزة الاستشعار 8، 9، 10، 11، 12، ومصادر الضوء 13. على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في مصادر الطاقة والأحمال الفردية، إلا أن دمج هذه المكونات في نظام إلكتروني كامل يتطلب عادة إلكترونيات الطاقة ل التغلب على أي عدم تطابق بين سلوك مصدر الطاقة ومتطلبات الحمل. على سبيل المثال، تولد البطارية جهدًا متغيرًا وفقًا لحالة شحنها. إذا كان الحمل يتطلب جهدًا ثابتًا، أو أعلى من الجهد الذي يمكن أن تولده البطارية، فستكون هناك حاجة إلى إلكترونيات الطاقة تستخدم إلكترونيات الطاقة مكونات نشطة (الترانزستورات) لأداء وظائف التبديل والتحكم، بالإضافة إلى المكونات السلبية (المحثات والمكثفات والمقاومات). على سبيل المثال، في دائرة منظم التبديل، يتم استخدام محث لتخزين الطاقة أثناء كل دورة تبديل. ، يتم استخدام مكثف لتقليل تموج الجهد، ويتم قياس الجهد المطلوب للتحكم في التغذية المرتدة باستخدام مقسم المقاوم.
تتطلب أجهزة الطاقة الإلكترونية المناسبة للأجهزة القابلة للارتداء (مثل مقياس التأكسج النبضي 9) عدة فولت وعدة ملي أمبير، وعادة ما تعمل في نطاق تردد يتراوح من مئات كيلو هرتز إلى عدة ميجا هرتز، وتتطلب عدة μH وعدة μH محاثة والسعة μF هي 14 على التوالي. الطريقة التقليدية لتصنيع هذه الدوائر هي لحام المكونات المنفصلة بلوحة دوائر مطبوعة صلبة (PCB). على الرغم من أن المكونات النشطة لدوائر الطاقة الإلكترونية يتم دمجها عادةً في دائرة متكاملة واحدة من السيليكون (IC)، إلا أن المكونات السلبية عادة ما تكون خارجيًا، إما بالسماح بدوائر مخصصة، أو لأن المحاثة والسعة المطلوبة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تنفيذها في السيليكون.
بالمقارنة مع تكنولوجيا التصنيع التقليدية القائمة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور، فإن تصنيع الأجهزة والدوائر الإلكترونية من خلال عملية الطباعة المضافة له العديد من المزايا من حيث البساطة والتكلفة. أولا، نظرا لأن العديد من مكونات الدائرة تتطلب نفس المواد، مثل المعادن للاتصالات والترابط، تسمح الطباعة بتصنيع مكونات متعددة في نفس الوقت، مع خطوات معالجة قليلة نسبيًا ومصادر أقل للمواد. إن استخدام العمليات المضافة لتحل محل العمليات الطرحية مثل الطباعة الحجرية الضوئية والحفر يقلل بشكل أكبر من تعقيد العملية ونفايات المواد 16، 17، 18، و19. بالإضافة إلى ذلك، فإن درجات الحرارة المنخفضة المستخدمة في الطباعة تتوافق مع ركائز بلاستيكية مرنة وغير مكلفة، مما يسمح باستخدام عمليات تصنيع لفة إلى لفة عالية السرعة لتغطية الأجهزة الإلكترونية 16، 20 على مساحات واسعة. لا يمكن تحقيق ذلك بالكامل باستخدام المكونات المطبوعة، فقد تم تطوير طرق هجينة يتم من خلالها توصيل مكونات تقنية التثبيت السطحي (SMT) بالركائز المرنة 21، 22، 23 بجانب المكونات المطبوعة في درجات حرارة منخفضة. من الضروري استبدال أكبر عدد ممكن من مكونات SMT بنظيراتها المطبوعة للحصول على فوائد العمليات الإضافية وزيادة المرونة العامة للدائرة. من أجل تحقيق إلكترونيات طاقة مرنة، اقترحنا مزيجًا من مكونات SMT النشطة والمكونات السلبية المطبوعة على الشاشة المكونات، مع التركيز بشكل خاص على استبدال محاثات SMT الضخمة بمحثات حلزونية مستوية. من بين التقنيات المختلفة لتصنيع الإلكترونيات المطبوعة، تعد طباعة الشاشة مناسبة بشكل خاص للمكونات السلبية بسبب سمك الفيلم الكبير (وهو أمر ضروري لتقليل مقاومة السلسلة للميزات المعدنية) ) وسرعة طباعة عالية، حتى عند تغطية مساحات على مستوى السنتيمتر، وينطبق الشيء نفسه في بعض الأحيان. المادة 24.
يجب التقليل من فقدان المكونات السلبية لمعدات الطاقة الإلكترونية، لأن كفاءة الدائرة تؤثر بشكل مباشر على كمية الطاقة المطلوبة لتشغيل النظام. وهذا يمثل تحديًا خاصًا للمحاثات المطبوعة المكونة من ملفات طويلة، والتي تكون بالتالي عرضة للسلسلة العالية المقاومة. لذلك، على الرغم من بذل بعض الجهود لتقليل المقاومة 25، 26، 27، 28 من الملفات المطبوعة، لا يزال هناك نقص في المكونات السلبية المطبوعة عالية الكفاءة لأجهزة الطاقة الإلكترونية. تم تصميم المكونات الموجودة على ركائز مرنة للعمل في دوائر رنين لتحديد الترددات الراديوية (RFID) أو لأغراض حصاد الطاقة 10، 12، 25، 27، 28، 29، 30، 31. يركز البعض الآخر على تطوير المواد أو عملية التصنيع وإظهار المكونات العامة 26، 32، 33، 34 التي لم يتم تحسينها لتطبيقات محددة. في المقابل، غالبًا ما تستخدم دوائر الطاقة الإلكترونية مثل منظمات الجهد مكونات أكبر من الأجهزة المنفعلة المطبوعة النموذجية ولا تتطلب رنينًا، لذا يلزم تصميمات مكونات مختلفة.
نقدم هنا تصميم وتحسين المحاثات المطبوعة على الشاشة في نطاق μH لتحقيق أصغر مقاومة متسلسلة وأداء عالٍ عند الترددات المتعلقة بإلكترونيات الطاقة. يتم تصنيع المحاثات والمكثفات والمقاومات المطبوعة على الشاشة بقيم مكونات مختلفة على ركائز بلاستيكية مرنة. تم إثبات مدى ملاءمة هذه المكونات للمنتجات الإلكترونية المرنة لأول مرة في دائرة RLC بسيطة. ثم يتم دمج المحث والمقاوم المطبوع مع IC لتشكيل منظم تعزيز. وأخيرًا، صمام ثنائي عضوي باعث للضوء (OLED) ) ويتم تصنيع بطارية ليثيوم أيون مرنة، ويتم استخدام منظم الجهد لتشغيل OLED من البطارية.
من أجل تصميم المحاثات المطبوعة لإلكترونيات الطاقة، توقعنا أولاً الحث ومقاومة التيار المستمر لسلسلة من الأشكال الهندسية للمحث بناءً على نموذج الورقة الحالي المقترح في Mohan et al. 35، وملفات حثية ذات أشكال هندسية مختلفة للتأكد من دقة النموذج. في هذا العمل، تم اختيار شكل دائري للمحرِّض لأنه يمكن تحقيق محاثة أعلى 36 بمقاومة أقل مقارنة بالهندسة متعددة الأضلاع. تأثير الحبر يتم تحديد نوع وعدد دورات الطباعة على المقاومة. ثم تم استخدام هذه النتائج مع نموذج مقياس التيار لتصميم محاثات 4.7 μH و 7.8 μH محسنة للحصول على الحد الأدنى من مقاومة التيار المستمر.
يمكن وصف الحث ومقاومة التيار المستمر للمحرِّضات الحلزونية بعدة معلمات: القطر الخارجي، عرض الدوران w والتباعد s، عدد اللفات n، ومقاومة صفيحة الموصل Rsheet. يُظهر الشكل 1 أ صورة لمحث دائري مطبوع بالشاشة الحريرية مع n = 12، توضح المعلمات الهندسية التي تحدد محاثتها. وفقًا لنموذج مقياس التيار الكهربائي لموهان وآخرين. 35، يتم حساب الحث لسلسلة من هندسة مغو، حيث
(أ) صورة للمحث المطبوع على الشاشة توضح المعلمات الهندسية. يبلغ القطر 3 سم.الحث (ب) ومقاومة التيار المستمر (ج) لأشكال هندسية مختلفة للمحث. تتوافق الخطوط والعلامات مع القيم المحسوبة والمقاسة، على التوالي. ( د، هـ ) تتم طباعة مقاومات التيار المستمر للمحثات L1 و L2 باستخدام أحبار الفضة Dupont 5028 و 5064 H، على التوالي. ( و، ز ) صورة مجهرية SEM للأفلام المطبوعة بواسطة Dupont 5028 و 5064 H، على التوالي.
عند الترددات العالية، سيغير تأثير الجلد والسعة الطفيلية مقاومة وتحريض المحرِّض وفقًا لقيمة التيار المستمر. ومن المتوقع أن يعمل المحث بتردد منخفض بدرجة كافية بحيث تكون هذه التأثيرات ضئيلة، ويتصرف الجهاز كمحاثة ثابتة. مع مقاومة ثابتة على التوالي. لذلك، في هذا العمل، قمنا بتحليل العلاقة بين المعلمات الهندسية، الحث، ومقاومة التيار المستمر، واستخدمنا النتائج للحصول على محاثة معينة مع أصغر مقاومة للتيار المستمر.
يتم حساب الحث والمقاومة لسلسلة من المعلمات الهندسية التي يمكن تحقيقها عن طريق طباعة الشاشة، ومن المتوقع أن يتم توليد الحث في نطاق μH. الأقطار الخارجية 3 و5 سم، وعرض الخط 500 و1000 ميكرون ، ويتم مقارنة المنعطفات المختلفة. في الحساب، من المفترض أن تكون مقاومة الصفائح هي 47 mΩ/□، وهو ما يتوافق مع طبقة موصل من رقائق الفضة Dupont 5028 بسماكة 7 ميكرومتر مطبوعة بشاشة 400 شبكة وإعداد w = s.The تظهر قيم الحث والمقاومة المحسوبة في الشكل 1 ب و ج، على التوالي. ويتوقع النموذج أن تزداد كل من الحث والمقاومة مع زيادة القطر الخارجي وعدد اللفات، أو مع انخفاض عرض الخط.
من أجل تقييم دقة تنبؤات النموذج، تم تصنيع المحاثات ذات الأشكال الهندسية المختلفة والمحاثة على ركيزة من البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET). تظهر قيم الحث والمقاومة المقاسة في الشكل 1 ب و ج. على الرغم من أن المقاومة أظهرت بعض الانحراف عن القيمة المتوقعة، والتي ترجع بشكل رئيسي إلى التغيرات في سمك الحبر المودع وتجانسه، أظهرت الحث توافقًا جيدًا جدًا مع النموذج.
يمكن استخدام هذه النتائج لتصميم ملف حث بالتحريض المطلوب والحد الأدنى من مقاومة التيار المستمر. على سبيل المثال، لنفترض أن هناك حاجة إلى محاثة قدرها 2 μH. يوضح الشكل 1ب أنه يمكن تحقيق هذه المحاثة بقطر خارجي يبلغ 3 سم، وعرض خط 500 ميكرومتر، و10 لفات. ويمكن أيضًا توليد نفس الحث باستخدام قطر خارجي 5 سم، وعرض خط 500 ميكرومتر و5 لفات أو عرض خط 1000 ميكرومتر و7 لفات (كما هو موضح في الشكل). مقارنة مقاومات هذه الثلاثة الأشكال الهندسية المحتملة في الشكل 1ج، يمكن العثور على أن أدنى مقاومة لمحث طوله 5 سم وعرض خطه 1000 ميكرومتر هي 34 أوم، وهو أقل بحوالي 40٪ من الاثنين الأخريين.عملية التصميم العامة لتحقيق محاثة معينة مع الحد الأدنى من المقاومة يتم تلخيصها على النحو التالي: أولاً، حدد الحد الأقصى للقطر الخارجي المسموح به وفقًا لقيود المساحة التي يفرضها التطبيق. ثم، يجب أن يكون عرض الخط كبيرًا قدر الإمكان مع تحقيق الحث المطلوب للحصول على معدل تعبئة مرتفع (المعادلة (3)).
من خلال زيادة السُمك أو استخدام مادة ذات موصلية أعلى لتقليل مقاومة الصفائح للفيلم المعدني، يمكن تقليل مقاومة التيار المستمر بشكل أكبر دون التأثير على الحث. هناك ملفان حثيان، ترد معلماتهما الهندسية في الجدول 1، يُطلق عليهما L1 وL2، يتم تصنيعها بأعداد مختلفة من الطلاءات لتقييم التغير في المقاومة. ومع زيادة عدد طبقات الحبر، تنخفض المقاومة بشكل متناسب كما هو متوقع، كما هو موضح في الشكلين 1د وهـ، وهما المحاثات L1 وL2، على التوالي. الشكلان 1د وهـ أظهر أنه من خلال تطبيق 6 طبقات من الطلاء، يمكن تقليل المقاومة بما يصل إلى 6 مرات، ويحدث الحد الأقصى للانخفاض في المقاومة (50-65%) بين الطبقة 1 والطبقة 2. وبما أن كل طبقة من الحبر رقيقة نسبيًا، يتم استخدام شاشة ذات حجم شبكة صغير نسبيًا (400 خط في البوصة) لطباعة هذه المحاثات، مما يسمح لنا بدراسة تأثير سمك الموصل على المقاومة. وطالما ظلت ميزات النموذج أكبر من الحد الأدنى من دقة الشبكة، يمكن تحقيق سمك (ومقاومة) مماثلة بشكل أسرع عن طريق طباعة عدد أقل من الطلاءات بحجم شبكة أكبر. يمكن استخدام هذه الطريقة لتحقيق نفس مقاومة التيار المستمر مثل المحث ذو 6 طبقات الذي تمت مناقشته هنا، ولكن مع سرعة إنتاج أعلى.
يوضح الشكلان 1 د وه أيضًا أنه باستخدام حبر رقائق الفضة الأكثر موصلية DuPont 5064H، يتم تقليل المقاومة بعامل اثنين. من الصور المجهرية SEM للأفلام المطبوعة بالحبرين (الشكل 1f، ز)، يمكن لاحظت أن انخفاض الموصلية للحبر 5028 يرجع إلى صغر حجم الجسيمات ووجود العديد من الفراغات بين الجزيئات في الفيلم المطبوع. ومن ناحية أخرى، يحتوي الحبر 5064H على رقائق أكبر حجمًا وأكثر ترتيبًا بشكل وثيق، مما يجعله أقرب إلى الحجم الأكبر الفضة. على الرغم من أن الفيلم الذي ينتجه هذا الحبر أرق من الحبر 5028، مع طبقة واحدة من 4 ميكرومتر و6 طبقات من 22 ميكرومتر، فإن الزيادة في الموصلية كافية لتقليل المقاومة الإجمالية.
أخيرًا، على الرغم من أن الحث (المعادلة (1)) يعتمد على عدد اللفات (w + s)، فإن المقاومة (المعادلة (5)) تعتمد فقط على عرض الخط w. ولذلك، بزيادة w بالنسبة إلى s، المقاومة يمكن تقليلها بشكل أكبر. تم تصميم المحاثتين الإضافيتين L3 وL4 بحيث تكون ث = 2s وقطر خارجي كبير، كما هو موضح في الجدول 1. تم تصنيع هذه المحاثات بـ 6 طبقات من طلاء DuPont 5064H، كما هو موضح سابقًا، لتوفير أعلى أداء. محاثة L3 هي 4.720 ± 0.002 μH والمقاومة 4.9 ± 0.1 Ω، في حين أن محاثة L4 هي 7.839 ± 0.005 μH و6.9 ± 0.1 Ω، والتي تتوافق جيدًا مع تنبؤ النموذج. زيادة في السُمك، والموصلية، وw/s، وهذا يعني أن نسبة L/R زادت بأكثر من ترتيب من حيث الحجم مقارنة بالقيمة في الشكل 1.
على الرغم من أن المقاومة المنخفضة للتيار المستمر تعد أمرًا واعدًا، إلا أن تقييم مدى ملاءمة المحاثات لمعدات الطاقة الإلكترونية العاملة في نطاق كيلو هرتز- ميجا هرتز يتطلب التوصيف عند ترددات التيار المتردد. ويبين الشكل 2 أ اعتماد التردد على المقاومة والمفاعلة L3 وL4.بالنسبة للترددات أقل من 10 ميجا هرتز ، تظل المقاومة ثابتة تقريبًا عند قيمتها DC، بينما تزداد المفاعلة خطيًا مع التردد، مما يعني أن الحث ثابت كما هو متوقع. يتم تعريف تردد الرنين الذاتي على أنه التردد الذي تتغير عنده الممانعة من الحث إلى السعة، مع L3 هي 35.6 ± 0.3 MHz وL4 هي 24.3 ± 0.6 MHz. يظهر الشكل 2b اعتماد التردد لعامل الجودة Q (يساوي ωL/R). يحقق L3 وL4 أقصى عوامل جودة تبلغ 35 ± 1 و33 ± 1 عند ترددات 11 و 16 ميجاهرتز، على التوالي. إن محاثة عدد قليل من μH و Q العالية نسبيًا عند ترددات MHz تجعل هذه المحاثات كافية لتحل محل المحاثات التقليدية المثبتة على السطح في محولات DC-DC منخفضة الطاقة.
ترتبط المقاومة المقاسة R والمفاعلة X (a) وعامل الجودة Q (b) للمحرِّضات L3 وL4 بالتردد.
من أجل تقليل البصمة المطلوبة لسعة معينة، من الأفضل استخدام تقنية المكثفات ذات سعة محددة كبيرة، والتي تساوي ثابت العزل الكهربائي ε مقسومًا على سمك العازل. في هذا العمل، اخترنا مركب تيتانات الباريوم باعتبارها عازلة لأنها تحتوي على إبسيلون أعلى من غيرها من العوازل العضوية المعالجة بالمحلول. تتم طباعة الطبقة العازلة بالشاشة بين الموصلين الفضيين لتشكيل هيكل معدني عازل كهربائي. المكثفات ذات أحجام مختلفة بالسنتيمتر، كما هو موضح في الشكل 3 أ ، يتم تصنيعها باستخدام طبقتين أو ثلاث طبقات من الحبر العازل للحفاظ على إنتاجية جيدة. يُظهر الشكل 3 ب صورة مجهرية مستعرضة SEM لمكثف تمثيلي مصنوع من طبقتين من العازل الكهربائي، بسمك عازل إجمالي يبلغ 21 ميكرومتر. الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية هي طبقة واحدة وستة طبقات 5064H على التوالي. تظهر جزيئات تيتانات الباريوم بحجم ميكرون في صورة SEM لأن المناطق الأكثر سطوعًا محاطة بمادة عضوية داكنة. يبلل الحبر العازل الكهربائي القطب السفلي جيدًا ويشكل واجهة واضحة مع فيلم معدني مطبوع، كما هو موضح في الرسم التوضيحي بتكبير أعلى.
(أ) صورة لمكثف بخمس مناطق مختلفة. (ب) صورة مجهرية مقطعية بتقنية SEM لمكثف بطبقتين من العازل الكهربائي، تظهر أقطاب كهربائية عازلة من تيتانات الباريوم وأقطاب فضية. (ج) سعات المكثفات التي تحتوي على 2 و3 تيتانات الباريوم طبقات عازلة ومساحات مختلفة، مقاسة عند 1 ميجاهرتز. (د) العلاقة بين السعة وESR وعامل الفقد لمكثف مساحته 2.25 سم2 مع طبقتين من الطلاءات العازلة والتردد.
السعة تتناسب مع المساحة المتوقعة. كما هو مبين في الشكل 3ج، فإن السعة النوعية للعازل ثنائي الطبقة هي 0.53 نانو فاراد/سم2، والسعة النوعية للعازل ثلاثي الطبقات هي 0.33 نانو فاراد/سم2. وتتوافق هذه القيم مع ثابت العزل الكهربائي 13. تم أيضًا قياس السعة وعامل التبديد (DF) عند ترددات مختلفة، كما هو موضح في الشكل 3د، لمكثف سعة 2.25 سم2 مزود بطبقتين من العازل الكهربائي. وجدنا أن السعة كانت مسطحة نسبيًا في نطاق التردد محل الاهتمام، وتزيد بنسبة 20% من 1 إلى 10 ميجاهرتز، بينما في نفس النطاق، زاد DF من 0.013 إلى 0.023. وبما أن عامل التبديد هو نسبة فقدان الطاقة إلى الطاقة المخزنة في كل دورة تيار متردد، فإن DF بمقدار 0.02 يعني أن 2٪ من الطاقة المعالجة يتم استهلاكه بواسطة المكثف. عادةً ما يتم التعبير عن هذه الخسارة على أنها مقاومة السلسلة المكافئة المعتمدة على التردد (ESR) المتصلة على التوالي مع المكثف، والتي تساوي DF/ωC. كما هو موضح في الشكل 3d، بالنسبة للترددات الأكبر من 1 ميجاهرتز، ESR أقل من 1.5 أوم، وبالنسبة للترددات الأكبر من 4 ميجاهرتز، يكون ESR أقل من 0.5 أوم. على الرغم من استخدام تقنية المكثفات هذه، فإن المكثفات من فئة μF المطلوبة لمحولات DC-DC تتطلب مساحة كبيرة جدًا، ولكن 100 pF- نطاق السعة nF والفقد المنخفض لهذه المكثفات يجعلها مناسبة لتطبيقات أخرى، مثل المرشحات ودوائر الرنين. يمكن استخدام طرق مختلفة لزيادة السعة. ثابت العزل الكهربائي الأعلى يزيد من السعة المحددة 37؛ على سبيل المثال، يمكن تحقيق ذلك عن طريق زيادة تركيز جزيئات تيتانات الباريوم في الحبر. يمكن استخدام سمك عازل أصغر، على الرغم من أن هذا يتطلب قطبًا سفليًا بخشونة أقل من رقائق الفضة المطبوعة على الشاشة. مكثف أرق وأقل خشونة يمكن ترسيب الطبقات عن طريق الطباعة النافثة للحبر 31 أو الطباعة بالحفر 10، والتي يمكن دمجها مع عملية طباعة الشاشة. وأخيرًا، يمكن تكديس طبقات متعددة متناوبة من المعدن والعازل الكهربائي وطباعتها وتوصيلها بالتوازي، وبالتالي زيادة السعة 34 لكل وحدة مساحة .
عادة ما يتم استخدام مقسم الجهد المكون من زوج من المقاومات لإجراء قياس الجهد المطلوب للتحكم في التغذية المرتدة لمنظم الجهد. بالنسبة لهذا النوع من التطبيقات، يجب أن تكون مقاومة المقاوم المطبوع في نطاق kΩ-MΩ، والفرق بين الأجهزة صغيرة الحجم. هنا وجد أن مقاومة الصفائح للحبر الكربوني المطبوع على الشاشة أحادية الطبقة كانت 900 Ω/□. تم استخدام هذه المعلومات لتصميم مقاومتين خطيتين (R1 و R2) ومقاوم سربنتين (R3) ) بمقاومات اسمية 10 كيلو أوم و 100 كيلو أوم و 1.5 ميجا أوم. ويتم تحقيق المقاومة بين القيم الاسمية عن طريق طباعة طبقتين أو ثلاث طبقات من الحبر كما هو موضح في الشكل 4 وصور للمقاومات الثلاثة. اصنع 8- 12 عينة من كل نوع؛ في جميع الحالات، يكون الانحراف المعياري للمقاومة 10٪ أو أقل. ويميل تغير مقاومة العينات ذات طبقتين أو ثلاث طبقات من الطلاء إلى أن يكون أصغر قليلاً من العينات ذات طبقة طلاء واحدة. والتغير الطفيف في المقاومة المقاسة ويشير الاتفاق الوثيق مع القيمة الاسمية إلى أنه يمكن الحصول على مقاومات أخرى في هذا النطاق مباشرة عن طريق تعديل هندسة المقاوم.
ثلاثة أشكال هندسية مختلفة للمقاومات بأعداد مختلفة من طبقات الحبر المقاومة للكربون. تظهر صور المقاومات الثلاثة على اليمين.
دوائر RLC هي أمثلة كلاسيكية لمجموعات المقاومات والمغوات والمكثفات المستخدمة لإظهار والتحقق من سلوك المكونات السلبية المدمجة في الدوائر المطبوعة الحقيقية. في هذه الدائرة، يتم توصيل محث 8 μH ومكثف 0.8 nF على التوالي، و يتم توصيل المقاوم 25 كيلو أوم بالتوازي معهم. تظهر صورة الدائرة المرنة في الشكل 5 أ. سبب اختيار هذه المجموعة الخاصة من السلسلة المتوازية هو أن سلوكها يتحدد من خلال كل مكون من مكونات التردد الثلاثة المختلفة، بحيث يمكن تسليط الضوء على أداء كل مكون وتقييمه. مع الأخذ في الاعتبار مقاومة سلسلة 7 Ω للمحث و1.3 Ω ESR للمكثف، تم حساب استجابة التردد المتوقعة للدائرة. يظهر مخطط الدائرة في الشكل 5 ب، والحساب المحسوب يظهر الشكلان 5 ج و د سعة المعاوقة والطور والقيم المقاسة. عند الترددات المنخفضة، تعني المعاوقة العالية للمكثف أن سلوك الدائرة يتحدد بواسطة المقاوم 25 كيلو أوم. ومع زيادة التردد، فإن مقاومة المكثف يتناقص مسار LC؛ يكون سلوك الدائرة بالكامل سعويًا حتى يصل تردد الرنين إلى 2.0 ميجا هرتز. وفوق تردد الرنين، تهيمن المعاوقة الحثية. ويبين الشكل 5 بوضوح الاتفاق الممتاز بين القيم المحسوبة والمقاسة عبر نطاق التردد بأكمله. وهذا يعني أن النموذج المستخدم هنا (حيث تكون المحاثات والمكثفات مكونات مثالية ذات مقاومة متسلسلة) دقيق للتنبؤ بسلوك الدائرة عند هذه الترددات.
(أ) صورة لدائرة RLC مطبوعة على الشاشة تستخدم مجموعة متسلسلة من محث 8 μH ومكثف 0.8 nF بالتوازي مع المقاوم 25 كيلو أوم. (ب) نموذج الدائرة بما في ذلك المقاومة المتسلسلة للمغو والمكثف. (ج) د) سعة المعاوقة (ج) والطور (د) للدائرة.
أخيرًا، يتم تنفيذ المحاثات والمقاومات المطبوعة في منظم التعزيز. IC المستخدم في هذا العرض التوضيحي هو Microchip MCP1640B14، وهو منظم تعزيز متزامن قائم على PWM بتردد تشغيل يبلغ 500 كيلو هرتز. يظهر مخطط الدائرة في الشكل 6 أ. يتم استخدام مغو 4.7 μH ومكثفين (4.7 μF و10 μF) كعناصر لتخزين الطاقة، ويتم استخدام زوج من المقاومات لقياس جهد الخرج للتحكم في التغذية المرتدة. حدد قيمة المقاومة لضبط جهد الخرج إلى 5 فولت. يتم تصنيع الدائرة على PCB، ويتم قياس أدائها ضمن مقاومة الحمل ونطاق جهد الإدخال من 3 إلى 4 فولت لمحاكاة بطارية الليثيوم أيون في حالات الشحن المختلفة. وتتم مقارنة كفاءة المحاثات والمقاومات المطبوعة مع كفاءة المحاثات والمقاومات SMT. يتم استخدام مكثفات SMT في جميع الحالات لأن السعة المطلوبة لهذا التطبيق كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استكمالها بالمكثفات المطبوعة.
(أ) رسم تخطيطي لدائرة تثبيت الجهد. (ب – د) (ب) Vout، (ج) Vsw، و (د) الأشكال الموجية للتيار المتدفق إلى المحث، جهد الدخل هو 4.0 فولت، ومقاومة الحمل هي 1 كيلو أوم، ويستخدم المحث المطبوع للقياس. وتستخدم المقاومات والمكثفات المثبتة على السطح لهذا القياس. (هـ) بالنسبة لمقاومات الحمل المختلفة وفولتية الإدخال، كفاءة دوائر تنظيم الجهد باستخدام جميع مكونات التركيب السطحي والمحاثات والمقاومات المطبوعة. ) نسبة كفاءة التركيب السطحي والدائرة المطبوعة موضحة في (هـ).
بالنسبة لجهد الإدخال 4.0 فولت ومقاومة الحمل 1000، تظهر الأشكال الموجية المقاسة باستخدام المحاثات المطبوعة في الشكل 6ب-د. يوضح الشكل 6ج الجهد عند طرف Vsw الخاص بـ IC؛ جهد المحث هو Vin-Vsw. يوضح الشكل 6 د التيار المتدفق إلى المحث. تظهر كفاءة الدائرة مع SMT والمكونات المطبوعة في الشكل 6e كدالة لجهد الإدخال ومقاومة الحمل، ويوضح الشكل 6f نسبة الكفاءة من المكونات المطبوعة إلى مكونات SMT. الكفاءة المقاسة باستخدام مكونات SMT مماثلة للقيمة المتوقعة الواردة في ورقة بيانات الشركة المصنعة 14. عند تيار الإدخال العالي (مقاومة الحمل المنخفضة والجهد المنخفض للإدخال)، تكون كفاءة المحاثات المطبوعة أقل بكثير من تلك الموجودة في محاثات SMT بسبب مقاومة السلسلة الأعلى. ومع ذلك، مع ارتفاع جهد الإدخال وتيار الخرج العالي، يصبح فقدان المقاومة أقل أهمية، ويبدأ أداء المحاثات المطبوعة في الاقتراب من أداء محاثات SMT. بالنسبة لمقاومات الحمل> 500 Ω وVin = 4.0 فولت أو > 750 أوم وVin = 3.5 فولت، كفاءة المحاثات المطبوعة أكبر من 85% من محاثات SMT.
توضح مقارنة الشكل الموجي الحالي في الشكل 6 د مع فقدان الطاقة المقاس أن فقدان المقاومة في المحث هو السبب الرئيسي للاختلاف في الكفاءة بين الدائرة المطبوعة ودائرة SMT، كما هو متوقع. تم قياس طاقة الإدخال والإخراج عند 4.0 فولت يبلغ جهد الإدخال ومقاومة الحمل 1000 ميجاوات 30.4 ميجاوات و25.8 ميجاوات للدوائر التي تحتوي على مكونات SMT، و33.1 ميجاوات و25.2 ميجاوات للدوائر ذات المكونات المطبوعة. ولذلك، تبلغ خسارة الدائرة المطبوعة 7.9 ميجاوات، وهو أعلى بمقدار 3.4 ميجاوات من دائرة مع مكونات SMT. تيار مغو RMS المحسوب من الشكل الموجي في الشكل 6 د هو 25.6 مللي أمبير. نظرًا لأن مقاومتها المتسلسلة هي 4.9 أوم، فإن فقدان الطاقة المتوقع هو 3.2 ميجاوات. وهذا يمثل 96% من فرق طاقة التيار المستمر الذي يبلغ 3.4 ميجاوات. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيع الدائرة باستخدام ملفات حث مطبوعة ومقاومات مطبوعة ومحثات مطبوعة ومقاومات SMT، و ولم يلاحظ أي فرق كبير في الكفاءة بينهما.
بعد ذلك يتم تصنيع منظم الجهد على PCB المرن (تظهر طباعة الدائرة وأداء مكون SMT في الشكل التكميلي S1) ويتم توصيله بين بطارية الليثيوم أيون المرنة كمصدر للطاقة ومجموعة OLED كحمل. وفقا لوشنر وآخرون. 9 لتصنيع OLEDs، يستهلك كل بكسل OLED 0.6 مللي أمبير عند 5 فولت. وتستخدم البطارية أكسيد كوبالت الليثيوم والجرافيت كالكاثود والأنود، على التوالي، ويتم تصنيعها بواسطة طلاء شفرة الطبيب، وهي طريقة الطباعة الأكثر شيوعًا للبطارية.7 تبلغ سعة البطارية 16 مللي أمبير، والجهد أثناء الاختبار هو 4.0 فولت. يوضح الشكل 7 صورة للدائرة الموجودة على PCB المرن، والتي تعمل على تشغيل ثلاث وحدات بكسل OLED متصلة بالتوازي. وأظهر العرض التوضيحي إمكانية دمج مكونات الطاقة المطبوعة مع المكونات الأخرى أجهزة مرنة وعضوية لتكوين أنظمة إلكترونية أكثر تعقيدًا.
صورة لدائرة منظم الجهد على PCB مرن باستخدام ملفات حث ومقاومات مطبوعة، باستخدام بطاريات ليثيوم أيون مرنة لتشغيل ثلاثة مصابيح LED عضوية.
لقد أظهرنا محاثات ومكثفات ومقاومات مطبوعة على الشاشة مع مجموعة من القيم على ركائز PET المرنة، بهدف استبدال مكونات التركيب السطحي في المعدات الإلكترونية للطاقة. لقد أظهرنا أنه من خلال تصميم حلزوني بقطر كبير، فإن معدل التعبئة ، ونسبة عرض مساحة الخط، وباستخدام طبقة سميكة من الحبر منخفض المقاومة. تم دمج هذه المكونات في دائرة RLC مطبوعة بالكامل ومرنة وتظهر سلوكًا كهربائيًا يمكن التنبؤ به في نطاق التردد كيلو هرتز - ميجا هرتز، وهو أعظم الاهتمام بإلكترونيات الطاقة.
حالات الاستخدام النموذجية للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالطاقة المطبوعة هي أنظمة إلكترونية مرنة قابلة للارتداء أو مدمجة في المنتج، مدعومة ببطاريات مرنة قابلة لإعادة الشحن (مثل أيون الليثيوم)، والتي يمكن أن تولد فولتات متغيرة وفقًا لحالة الشحن. إذا كان الحمل (بما في ذلك الطباعة و تتطلب المعدات الإلكترونية العضوية) جهدًا ثابتًا أو أعلى من جهد البطارية الناتج، ويلزم وجود منظم جهد. ولهذا السبب، يتم دمج المحاثات والمقاومات المطبوعة مع دوائر السيليكون التقليدية في منظم تعزيز لتشغيل OLED بجهد ثابت 5 فولت من مصدر طاقة بطارية متغير الجهد. ضمن نطاق معين من تيار الحمل وجهد الإدخال، تتجاوز كفاءة هذه الدائرة 85٪ من كفاءة دائرة التحكم باستخدام ملفات حث ومقاومات مثبتة على السطح. على الرغم من التحسينات المادية والهندسية، لا تزال خسائر المقاومة في المحث هي العامل المحدد لأداء الدائرة عند مستويات التيار العالية (تيار الإدخال أكبر من حوالي 10 مللي أمبير). ومع ذلك، عند التيارات المنخفضة، يتم تقليل الخسائر في المحث، ويكون الأداء العام محدودًا بالكفاءة من IC. نظرًا لأن العديد من الأجهزة المطبوعة والعضوية تتطلب تيارات منخفضة نسبيًا، مثل OLEDs الصغيرة المستخدمة في العرض التوضيحي الخاص بنا، يمكن اعتبار محاثات الطاقة المطبوعة مناسبة لمثل هذه التطبيقات. باستخدام الدوائر المتكاملة المصممة للحصول على أعلى كفاءة عند مستويات التيار المنخفضة، يمكن تحقيق كفاءة محول إجمالية أعلى.
في هذا العمل، تم بناء منظم الجهد على تقنية لحام ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدي وثنائي الفينيل متعدد الكلور المرن وتقنية لحام المكونات المثبتة على السطح، في حين يتم تصنيع المكون المطبوع على ركيزة منفصلة. ومع ذلك، يتم استخدام الأحبار ذات درجة الحرارة المنخفضة وعالية اللزوجة لإنتاج الشاشة- يجب أن تسمح الأفلام المطبوعة بطباعة المكونات السلبية، بالإضافة إلى التوصيل البيني بين الجهاز ومنصات تلامس المكونات المثبتة على السطح، على أي ركيزة. وهذا، جنبًا إلى جنب مع استخدام المواد اللاصقة الموصلة الحالية ذات درجة الحرارة المنخفضة لمكونات التركيب على السطح، سيسمح سيتم بناء الدائرة بأكملها على ركائز غير مكلفة (مثل PET) دون الحاجة إلى عمليات طرحية مثل حفر ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لذلك، تساعد المكونات السلبية المطبوعة على الشاشة والتي تم تطويرها في هذا العمل على تمهيد الطريق لأنظمة إلكترونية مرنة تدمج الطاقة والأحمال مع إلكترونيات الطاقة عالية الأداء، باستخدام ركائز غير مكلفة، وعمليات مضافة بشكل أساسي وعدد قليل من مكونات التركيب السطحي.
باستخدام طابعة الشاشة Asys ASP01M وشاشة الفولاذ المقاوم للصدأ المقدمة من شركة Dynamesh Inc.، تمت طباعة جميع طبقات المكونات السلبية على ركيزة PET مرنة بسماكة 76 ميكرومتر. يبلغ حجم شبكة الطبقة المعدنية 400 خطًا في البوصة و250 خطًا في البوصة. خطوط في البوصة للطبقة العازلة وطبقة المقاومة. استخدم قوة ممسحة 55 نيوتن، وسرعة طباعة 60 مم / ثانية، ومسافة كسر 1.5 مم، وممسحة سيريلور بصلابة 65 (للمعدن والمقاوم الطبقات) أو 75 (للطبقات العازلة) لطباعة الشاشة.
تتم طباعة الطبقات الموصلة - المحاثات وملامسات المكثفات والمقاومات - باستخدام حبر DuPont 5082 أو DuPont 5064H الفضي الدقيق. تتم طباعة المقاوم باستخدام موصل الكربون DuPont 7082. بالنسبة لعازل المكثف، فإن المركب الموصل BT-101 تيتانات الباريوم عازل يتم استخدام كل طبقة من العازل الكهربائي باستخدام دورة طباعة ثنائية المسار (رطبة - رطبة) لتحسين توحيد الفيلم. بالنسبة لكل مكون، تم فحص تأثير دورات الطباعة المتعددة على أداء المكون وتقلبه. تم تجفيف طبقات متعددة من نفس المادة عند 70 درجة مئوية لمدة دقيقتين بين الطبقات. وبعد وضع الطبقة الأخيرة من كل مادة، تم خبز العينات عند 140 درجة مئوية لمدة 10 دقائق لضمان التجفيف الكامل. وظيفة المحاذاة التلقائية للشاشة يتم استخدام الطابعة لمحاذاة الطبقات اللاحقة. يتم تحقيق الاتصال بمركز المحث عن طريق قطع فتحة على اللوحة المركزية وآثار طباعة الاستنسل على الجزء الخلفي من الركيزة باستخدام حبر DuPont 5064H. كما يستخدم التوصيل البيني بين معدات الطباعة Dupont طباعة استنسل 5064H. من أجل عرض المكونات المطبوعة ومكونات SMT على PCB المرن الموضح في الشكل 7، يتم توصيل المكونات المطبوعة باستخدام إيبوكسي موصل Circuit Works CW2400، ويتم توصيل مكونات SMT بواسطة اللحام التقليدي.
يتم استخدام أكسيد كوبالت الليثيوم (LCO) والأقطاب الكهربائية القائمة على الجرافيت ككاثود وأنود للبطارية، على التوالي. ملاط ​​الكاثود عبارة عن خليط من 80% LCO (MTI Corp.)، 7.5% جرافيت (KS6، Timcal)، 2.5 % أسود الكربون (Super P، Timcal) و10% فلوريد البولي فينيلدين (PVDF، Kureha Corp.). ) الأنود عبارة عن خليط من 84٪ بالوزن من الجرافيت و 4٪ بالوزن من أسود الكربون و 13٪ بالوزن من PVDF. يتم استخدام N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP، Sigma Aldrich) لإذابة رابط PVDF وتفريق الملاط. تم تجانس الملاط بواسطة التحريك بخلاط دوامي طوال الليل. يتم استخدام رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 0.0005 بوصة ورقائق النيكل 10 ميكرومتر كمجمعات تيار للكاثود والأنود، على التوالي. تتم طباعة الحبر على المجمع الحالي بممسحة مطاطية بسرعة طباعة تبلغ 20 مم/ثانية. قم بتسخين القطب في الفرن على درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة ساعتين لإزالة المذيب. يبلغ ارتفاع القطب بعد التجفيف حوالي 60 ميكرومتر، وبناءً على وزن المادة الفعالة، تبلغ السعة النظرية 1.65 مللي أمبير. / سم 2. تم تقطيع الأقطاب الكهربائية إلى أبعاد 1.3 × 1.3 سم 2 وتسخينها في فرن مفرغ عند 140 درجة مئوية طوال الليل، ثم تم إغلاقها بأكياس صفائح الألمنيوم في صندوق قفازات مملوء بالنيتروجين. محلول من طبقة قاعدة من مادة البولي بروبيلين مع يتم استخدام الأنود والكاثود و1M LiPF6 في EC/DEC (1:1) كإلكتروليت للبطارية.
يتكون OLED الأخضر من بولي (9،9-ثنائي أوكتيل فلورين-ن- (4-بوتيل فينيل) -ثنائي فينيل أمين) (TFB) وبولي ((9،9-ثنائي أوكتيل فلورين -2،7- (2،1،3-بنزوثياديازول- 4، 8-diyl)) (F8BT) وفقًا للإجراء المبين في Lochner et al.
استخدم أداة تعريف قلم Dektak لقياس سماكة الفيلم. تم قطع الفيلم لإعداد عينة مقطعية للتحقيق عن طريق مسح المجهر الإلكتروني (SEM). يتم استخدام مسدس الانبعاث الميداني FEI Quanta 3D (FEG) SEM لتوصيف هيكل المطبوعة قم بتصوير الفيلم وتأكيد قياس السُمك. أُجريت دراسة SEM بجهد تسارع قدره 20 كيلو فولت ومسافة عمل نموذجية تبلغ 10 ملم.
استخدم مقياسًا رقميًا متعددًا لقياس مقاومة التيار المستمر والجهد والتيار. يتم قياس مقاومة التيار المتردد للمحاثات والمكثفات والدوائر باستخدام مقياس Agilent E4980 LCR للترددات الأقل من 1 ميجا هرتز ويتم استخدام محلل الشبكة Agilent E5061A لقياس الترددات التي تزيد عن 500 كيلو هرتز. استخدم المقياس جهاز ذبذبات Tektronix TDS 5034 لقياس شكل موجة منظم الجهد.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: Ostfeld، AE، إلخ. مكونات سلبية لطباعة الشاشة للمعدات الإلكترونية ذات الطاقة المرنة. 5, 15959; دوى: 10.1038 / srep15959 (2015).
ناثان، أ. وآخرون. الإلكترونيات المرنة: المنصة التالية واسعة الانتشار. معالجة IEEE 100، 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: مكان تلتقي فيه المجموعات بالبشر. ورقة بحثية منشورة في المؤتمر والمعرض الأوروبي لعام 2015 حول التصميم والأتمتة والاختبار، غرونوبل، فرنسا. سان خوسيه، كاليفورنيا: EDA Alliance.637-640 (2015، 9 مارس- 13).
كريبس، إف سي إلخ.OE-A OPV معيد أنو دوميني 2011.Energy Environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali، M.، Prakash، D.، Zillger، T.، Singh، PK & Hübler، أجهزة حصاد الطاقة الكهروضغطية المطبوعة بالتيار المتردد. مواد الطاقة المتقدمة.4. 1300427 (2014).
Chen، A.، Madan، D.، Wright، PK & Evans، JW مولد الطاقة الكهروحرارية ذو الغشاء السميك المسطح المطبوع بواسطة موزع. الهندسة الدقيقة والميكانيكا الدقيقة 21، 104006 (2011).
Gaikwad، AM، Steingart، DA، Ng، TN، Schwartz، DE & Whiting، GL بطارية مطبوعة مرنة عالية الإمكانات تستخدم لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المطبوعة. App Physics Wright.102، 233302 (2013).
Gaikwad، AM، Arias، AC & Steingart، DA أحدث التطورات في البطاريات المرنة المطبوعة: التحديات الميكانيكية وتكنولوجيا الطباعة والآفاق المستقبلية. تكنولوجيا الطاقة.3، 305-328 (2015).
Hu, Y. إلخ. نظام استشعار واسع النطاق يجمع بين الأجهزة الإلكترونية ذات المساحة الكبيرة ووحدات CMOS المرحلية لمراقبة الصحة الهيكلية. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).