nuacht

Is féidir le breiseáin agus próisis priontála íseal-teocht feistí leictreonacha éagsúla a ídíonn cumhacht agus a ídíonn cumhachta a chomhtháthú ar fhoshraitheanna solúbtha ar chostas íseal. Comhpháirteanna éighníomhacha - ionduchtóirí, toilleoirí, agus friotóirí - feidhmeanna cosúil le scagadh, stóráil fuinnimh gearrthéarmach, agus tomhas voltais, atá riachtanach i leictreonaic cumhachta agus go leor feidhmeanna eile. San Airteagal seo, tugaimid isteach ionduchtóirí, toilleoirí, friotóirí agus ciorcaid RLC scáileán-phriontáilte ar fhoshraitheanna plaisteach solúbtha, agus tuairisc a thabhairt ar an bpróiseas dearaidh a íoslaghdú an fhriotaíocht sraith de ionduchtóirí ionas gur féidir iad a úsáid i gléasanna leictreonacha cumhachta .The inductor clóite agus friotóir a ionchorprú ansin isteach sa chuaird rialtóir treisiú.Manufacture dé-óidí orgánacha astaithe solais agus cadhnraí litiam-ian solúbtha. Úsáidtear rialtóirí voltais chun na dé-óidí a chumhachtú ón gceallraí, rud a thaispeánann go bhféadfaí comhpháirteanna éighníomhacha clóite a chur in ionad comhpháirteanna gléasta dromchla traidisiúnta in iarratais tiontaire DC-DC.
Le blianta beaga anuas, forbraíodh cur i bhfeidhm gléasanna solúbtha éagsúla i dtáirgí leictreonacha inchaite agus mór-limistéar agus ar an Idirlíon Rudaí1,2. Áirítear orthu seo gléasanna buainte fuinnimh, mar shampla fótavoltach 3, piezoelectric 4, agus teirmeleictreach 5; feistí stórála fuinnimh, mar shampla cadhnraí 6, 7; agus feistí Tógann cumhachta, mar shampla braiteoirí 8, 9, 10, 11, 12, agus foinsí solais 13.Cé go bhfuil dul chun cinn mór déanta i bhfoinsí agus ualaí fuinnimh aonair, le chéile na comhpháirteanna seo i gcóras leictreonach iomlán de ghnáth éilíonn leictreonaic cumhachta chun aon neamhréir idir iompar soláthair cumhachta agus riachtanais ualaigh a shárú.Mar shampla, gineann ceallraí voltas athraitheach de réir a staid muirir.Má éilíonn an t-ualach voltas tairiseach, nó níos airde ná an voltas is féidir leis an gceallraí a ghiniúint, tá gá le leictreonaic cumhachta Úsáideann leictreonaic cumhachta comhpháirteanna gníomhacha (trasraitheoirí) chun feidhmeanna lasctha agus rialaithe a dhéanamh, chomh maith le comhpháirteanna éighníomhacha (ionduchtóirí, toilleoirí, agus friotóirí). Mar shampla, i gciorcad rialtóra lasctha, úsáidtear ionduchtóir chun fuinneamh a stóráil le linn gach timthriall lasctha , úsáidtear toilleoir chun ripple voltais a laghdú, agus déantar an tomhas voltais a theastaíonn le haghaidh rialú aiseolais trí úsáid a bhaint as roinnteoir friotóra.
Éilíonn feistí leictreonacha cumhachta atá oiriúnach le haghaidh feistí inchaite (cosúil le pulse oximeter 9) roinnt volta agus roinnt milliamps, de ghnáth oibríonn siad sa raon minicíochta ó na céadta kHz go roinnt MHz, agus éilíonn siad roinnt ionduchtais μH agus roinnt μH agus is é an toilleas μF 14 faoi seach.Is é an modh traidisiúnta chun na ciorcaid seo a mhonarú ná comhpháirteanna scoite a sádráil chuig clár ciorcad priontáilte docht (PCB). seachtrach, ag ceadú ciorcaid saincheaptha, nó toisc go bhfuil an ionduchtacht agus an toilleas riachtanach ró-mhór le cur i bhfeidhm i sileacain .
I gcomparáid leis an teicneolaíocht déantúsaíochta traidisiúnta PCB-bhunaithe, tá go leor buntáistí ag baint le déantúsaíocht gléasanna leictreonacha agus ciorcaid tríd an bpróiseas priontála breiseáin i dtéarmaí simplíochta agus cost.First, ós rud é go n-éilíonn go leor comhpháirteanna den chuaird na hábhair chéanna, mar shampla miotail le haghaidh teagmhálacha. agus idirnaisc, ceadaíonn priontáil comhpháirteanna iolracha a mhonarú ag an am céanna, le céimeanna próiseála réasúnta beag agus níos lú foinsí na n-ábhar15.Le húsáid na bpróiseas breiseáin a chur in ionad próisis dealaitheacha ar nós photolithography agus eitseáil laghdaítear tuilleadh castacht próisis agus dramhaíl ábhar16, 17, 18, agus 19.Ina theannta sin, tá na teochtaí ísle a úsáidtear sa phriontáil ag luí le foshraitheanna plaisteacha solúbtha agus saor, rud a cheadaíonn próisis déantúsaíochta ardluais rolla-go-rolla a úsáid chun gléasanna leictreonacha 16, 20 a chlúdach thar réimsí móra. nach féidir a bhaint amach go hiomlán le comhpháirteanna clóite, forbraíodh modhanna hibrideacha ina bhfuil comhpháirteanna teicneolaíocht mount dromchla (SMT) ceangailte le foshraitheanna solúbtha 21, 22, 23 in aice leis na comhpháirteanna clóite ag teocht íseal.Sa chur chuige hibrideach seo, tá sé fós is gá a chur in ionad an oiread comhpháirteanna SMT agus is féidir le comhghleacaithe clóite a fháil ar na buntáistí a bhaineann le próisis bhreise agus an tsolúbthacht iomlán an chuaird a mhéadú. Chun leictreonaic cumhachta solúbtha a bhaint amach, ní mór dúinn a mholadh meascán de SMT comhpháirteanna gníomhacha agus scáileán-phriontáilte éighníomhach. comhpháirteanna, le béim ar leith ar ionduchtóirí bíseach comhphlánacha a chur in ionad ionduchtóirí toirtiúla SMT.I measc na dteicneolaíochtaí éagsúla le haghaidh leictreonaic chlóite a mhonarú, tá priontáil scáileáin oiriúnach go háirithe do chomhpháirteanna éighníomhacha mar gheall ar a thiús scannán mór (is gá chun friotaíocht sraithe gnéithe miotail a íoslaghdú ) agus luas priontála ard, fiú nuair a chlúdaíonn limistéir leibhéal ceintiméadar Tá an rud céanna fíor ag times.Material 24 .
Ní mór caillteanas comhpháirteanna éighníomhacha de threalamh leictreonach cumhachta a íoslaghdú, toisc go mbíonn tionchar díreach ag éifeachtacht an chiorcaid ar an méid fuinnimh a theastaíonn chun an córas a chumhachtú. resistance.Therefore, cé go ndearnadh roinnt iarrachtaí chun friotaíocht 25, 26, 27, 28 de na cornaí clóite a íoslaghdú, tá fós easpa comhpháirteanna éighníomhacha clóite ard-éifeachtúlachta le haghaidh feistí leictreonacha cumhachta.Go dtí seo, thuairiscigh go leor clóite éighníomhach. tá comhpháirteanna ar fhoshraitheanna solúbtha deartha chun oibriú i gciorcaid athshondacha chun críocha aitheantais minicíochta raidió (RFID) nó chun críocha buainte fuinnimh 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31.Díríonn daoine eile ar fhorbairt ábhar nó próiseas déantúsaíochta agus taispeánann siad comhpháirteanna cineálacha 26, 32, 33, 34 nach bhfuil optamaithe le haghaidh iarratais ar leith. I gcodarsnacht leis sin, is minic a úsáideann ciorcaid leictreonacha cumhachta cosúil le rialtóirí voltais comhpháirteanna níos mó ná gléasanna éighníomhacha clóite tipiciúil agus ní gá athshondas, mar sin tá gá le dearadh comhpháirteanna éagsúla.
Anseo, tugaimid isteach dearadh agus leas iomlán a bhaint as ionduchtóirí clóite scáileáin sa raon μH chun an fhriotaíocht sraithe is lú agus ardfheidhmíocht a bhaint amach ag minicíochtaí a bhaineann le ionduchtóirí, toilleoirí, agus friotóirí priontáilte le scáileáin chumhachta le luachanna comhpháirteanna éagsúla a mhonaraítear. ar fhoshraitheanna plaisteacha solúbtha. Léiríodh oiriúnacht na gcomhpháirteanna seo do tháirgí leictreonacha solúbtha ar dtús i gciorcad simplí RLC. Comhtháthaítear an t-ionduchtóir agus an friotóir clóite leis an IC chun rialtóir treisithe a fhoirmiú. Ar deireadh, dé-óid orgánach astaithe solais (OLED). ) agus déantar ceallraí litiam-ian solúbtha a mhonarú, agus úsáidtear rialtóir voltais chun an OLED a chumhachtú ón gceallraí.
D'fhonn ionduchtóirí clóite a dhearadh le haghaidh leictreonaic chumhachta, rinneamar tuar ar dtús ar fhriotaíocht ionduchtais agus DC de shraith céimseataí ionduchtaithe bunaithe ar an tsamhail leatháin reatha atá beartaithe i Mohan et al. 35, agus ionduchtóirí déanta de céimseataí éagsúla chun cruinneas an tsamhail a dhearbhú. San obair seo, roghnaíodh cruth ciorclach don inductor mar is féidir ionduchtacht níos airde 36 a bhaint amach le friotaíocht níos ísle i gcomparáid le geoiméadracht polagánach.Tionchar dúch Cinntear cineál agus líon na dtimthriallta priontála ar fhriotaíocht. Baineadh úsáid as na torthaí seo ansin leis an tsamhail aimpmhéadar chun ionduchtóirí 4.7 μH agus 7.8 μH a dhearadh a bhí optamaithe le haghaidh íosfhriotaíocht DC.
Is féidir roinnt paraiméadair a chur síos ar fhriotaíocht ionduchtais agus DC na n-ionduchtóirí bíseach: déan trastomhas seachtrach, leithead cas w agus spásáil s, líon na n-casadh n, agus friotaíocht bileog seoltóra Léiríonn Rsheet.Figure 1a grianghraf de ionduchtóir ciorclach clóite scáileáin síoda le n = 12, a thaispeánann na paraiméadair gheoiméadracha a chinneann a ionduchtacht. De réir mhúnla aimpmhéadar Mohan et al. 35, déantar an ionduchtacht a ríomh le haghaidh sraith céimseataí ionduchtóra, áit a bhfuil
(a) Grianghraf den ionduchtóir scáileánphriontáilte a thaispeánann na paraiméadair gheoiméadracha.Is é 3 cm an trastomhas.Ionduchtacht (b) agus friotaíocht DC (c) de gheoiméadrachtaí éagsúla ionduchtaithe. Freagraíonn na línte agus na marcanna do luachanna ríofa agus tomhaiste, faoi seach. (d,e) Déantar frithghníomhartha DC na n-ionduchtóirí L1 agus L2 a scáileán a phriontáil le dúigh airgid Dupont 5028 agus 5064H, faoi seach.(f,g) micreagraif SEM de scáileán na scannán priontáilte ag Dupont 5028 agus 5064H, faoi seach.
Ag minicíochtaí arda, athróidh an éifeacht craiceann agus toilleas seadánacha friotaíocht agus ionduchtacht an ionduchtóra de réir a luach DC. le friotaíocht leanúnach i series.Therefore, san obair seo, rinneamar anailís ar an ngaol idir paraiméadair gheoiméadracha, ionduchtais, agus friotaíocht DC, agus d'úsáidamar na torthaí chun ionduchtacht áirithe a fháil leis an bhfriotaíocht DC is lú.
Déantar ionduchtacht agus friotaíocht a ríomh le haghaidh sraith paraiméadair gheoiméadracha is féidir a bhaint amach trí phriontáil scáileáin, agus táthar ag súil go mbeidh ionduchtacht sa raon μH ginte. Na trastomhais seachtracha de 3 agus 5 cm, leithead líne 500 agus 1000 miocrón. , agus déantar comparáid idir casadh éagsúla. Sa ríomh, glactar leis go bhfuil friotaíocht an leatháin 47 mΩ/□, a fhreagraíonn do chiseal seoltóir microflake airgid 7 μm tiubh Dupont 5028 clóite le scáileán mogalra 400 agus socrú w = s.The Taispeántar luachanna ionduchtais ríofa agus friotaíochta i bhFíor 1b agus c, faoi seach. Tuarann ​​an tsamhail go n-ardóidh an ionduchtacht agus an fhriotaíocht mar an trastomhas seachtrach agus líon na n-casadh, nó de réir mar a laghdaíonn an leithead líne.
D'fhonn cruinneas réamh-mheastacháin mhúnla a mheas, rinneadh ionduchtóirí céimseataí agus ionduchtais éagsúla a dhéanamh ar fhoshraith teirephthalate poileitiléin (PET).Tá na luachanna ionduchtaithe agus friotaíochta tomhaiste i bhFíor 1b agus c.Although léirigh an fhriotaíocht roinnt diall ó an luach ionchais, go príomha mar gheall ar athruithe ar thiús agus aonfhoirmeacht an dúch taiscthe, léirigh an ionduchtacht comhaontú an-mhaith leis an múnla.
Is féidir na torthaí seo a úsáid chun ionduchtóir a dhearadh a bhfuil an ionduchtacht riachtanach agus an t-íosmhéid friotaíochta DC aige. de 500 μm, agus 10 casadh.Is féidir an ionduchtais chéanna a ghiniúint freisin ag baint úsáide as 5 cm trastomhas seachtrach, leithead líne 500 μm agus 5 casadh nó 1000 leithead líne μm agus 7 casadh (mar a thaispeántar san fhigiúr). Comparáid a dhéanamh idir fhriotaíocht na dtrí geoiméadracht féideartha i bhFíor 1c, is féidir a fháil amach go bhfuil an fhriotaíocht is ísle de ionduchtóir 5 cm le leithead líne 1000 μm 34 Ω, atá thart ar 40% níos ísle ná an dá cheann eile.An próiseas dearadh ginearálta chun ionduchtacht áirithe a bhaint amach. a bhfuil friotaíocht íosta achoimre mar seo a leanas: Ar dtús, roghnaigh an trastomhas seachtrach uasta incheadaithe de réir na srianta spáis a fhorchuirtear leis an application.Then, ba chóir an leithead líne a bheith chomh mór agus is féidir agus fós a bhaint amach an ionduchtais riachtanach a fháil ráta líonadh ard (cothromóid (3)).
Tríd an tiús a mhéadú nó ábhar le seoltacht níos airde a úsáid chun friotaíocht bileog an scannáin mhiotail a laghdú, is féidir an fhriotaíocht DC a laghdú tuilleadh gan tionchar a imirt ar an inductance.Two ionduchtóirí, a bhfuil a paraiméadair geoiméadrach tugtha i dTábla 1, ar a dtugtar L1 agus L2, a mhonaraítear le líon difriúil bratuithe chun an t-athrú ar fhriotaíocht a mheas. a thaispeáint, trí 6 sraithe sciath a chur i bhfeidhm, is féidir an fhriotaíocht a laghdú suas le 6 huaire, agus go dtarlaíonn an laghdú uasta ar fhriotaíocht (50-65%) idir ciseal 1 agus ciseal 2. Ós rud é go bhfuil gach ciseal dúch sách tanaí, a úsáidtear scáileán le méid greille réasúnta beag (400 líne in aghaidh an orlach) chun na hionduchtóirí seo a phriontáil, rud a ligeann dúinn staidéar a dhéanamh ar éifeacht tiús an tseoltóra ar fhriotaíocht. is féidir tiús (agus friotaíocht) den chineál céanna a bhaint amach níos tapúla trí líon níos lú bratuithe a phriontáil le méid greille níos mó.Is féidir an modh seo a úsáid chun an fhriotaíocht DC céanna a bhaint amach leis an inductor 6-brataithe a phléitear anseo, ach le luas táirgeachta níos airde.
Léiríonn Fíoracha 1d agus e freisin, trí úsáid a bhaint as an dúch flake airgid níos seoltaí DuPont 5064H, laghdaítear an fhriotaíocht ag fachtóir de dhá. le feiceáil go bhfuil seoltacht níos ísle an dúch 5028 mar gheall ar a mhéid cáithníní níos lú agus láithreacht go leor folús idir na cáithníní sa scannán clóite. silver.Cé go bhfuil an scannán a tháirgtear leis an dúch seo níos tanaí ná an dúch 5028, le sraith amháin de 4 μm agus 6 sraithe de 22 μm, is leor an méadú ar an seoltacht chun an fhriotaíocht iomlán a laghdú.
Mar fhocal scoir, cé go mbraitheann an ionduchtacht (cothromóid (1)) ar líon na n-casadh (w + s), braitheann an fhriotaíocht (cothromóid (5)) ach amháin ar an leithead líne w.Therefore, trí mhéadú w i gcoibhneas le s, an fhriotaíocht. Is féidir an dá ionduchtóir breise L3 agus L4 a dhearadh chun w = 2s agus trastomhas seachtrach mór a bheith acu, mar a thaispeántar i dTábla 1.Déantar na hionduchtóirí seo a mhonarú le 6 shraith de sciath DuPont 5064H, mar a thaispeántar níos luaithe, chun an feidhmíocht is airde.Is é an ionduchtacht L3 ná 4.720 ± 0.002 μH agus is é an fhriotaíocht 4.9 ± 0.1 Ω, cé go bhfuil ionduchtacht L4 7.839 ± 0.005 μH agus 6.9 ± 0.1 Ω, a bhfuil an tsamhail inion comhaontú maith a thuar. méadú ar thiús, seoltacht, agus w/s, ciallaíonn sé seo go bhfuil méadú níos mó ná ord méide ar an gcóimheas L/R i gcoibhneas leis an luach i bhFíor 1.
Cé go bhfuil an fhriotaíocht DC íseal tuar dóchais inti, chun measúnú a dhéanamh ar oiriúnacht ionduchtóirí do threalamh leictreonach cumhachta atá ag feidhmiú sa raon kHz-MHz, tá gá le tréithriú ag minicíochtaí AC. , fanann an fhriotaíocht thart tairiseach ar a luach DC, agus méadaíonn an imoibríocht líneach le minicíocht, rud a chiallaíonn go bhfuil an ionduchtais tairiseach mar a bhfuiltear ag súil. Tá an minicíocht féin-athshondach sainmhínithe mar an minicíocht ag a athraíonn an impedance ó ionduchtach go capacitive, le L3 arb ionann é agus 35.6 ± 0.3 MHz agus L4 arb ionann é agus 24.3 ± 0.6 MHz.Tá spleáchas minicíochta an fhachtóir cáilíochta Q (cothrom le ωL/R) léirithe i bhFíor 2b.L3 agus L4 a bhaint amach fachtóirí cáilíochta uasta de 35 ± 1 agus 33 ± 1 ag minicíochtaí 11 agus 16 MHz, faoi seach. Mar gheall ar an ionduchtacht de chúpla μH agus na minicíochtaí Q réasúnta ard ag MHz, is leor na hionduchtóirí seo chun ionduchtóirí traidisiúnta dromchla-fheistithe a athsholáthar i dtiontairí DC-DC ísealchumhachta.
Baineann friotaíocht tomhaiste R agus imoibríocht X (a) agus fachtóir cáilíochta Q (b) le hionduchtóirí L3 agus L4 le minicíocht.
D'fhonn an lorg atá ag teastáil le haghaidh toilleas áirithe a íoslaghdú, is fearr teicneolaíocht toilleora a úsáid le toilleas mór sonrach, atá comhionann leis an tairiseach tréleictreach ε roinnte ar thiús an tréleictreach. San obair seo, roghnaigh muid titanate bhairiam ilchodach. mar an tréleictreach toisc go bhfuil sé eipsealón níos airde ná tréleictreach orgánach réiteach-phróiseáilte eile.Tá an ciseal tréleictreach scáileán clóite idir an dá seoltóirí airgid chun foirm a struchtúr miotail-tréleictreach-miotail.Capacitors le méideanna éagsúla i ceintiméadar, mar a thaispeántar i bhFíor 3a , a mhonaraítear ag baint úsáide as dhá nó trí shraith de dúch tréleictreach a choimeád ar bun toradh maith. Léiríonn Fíor 3b micreagraf SEM trasghearrthach de toilleoir ionadaíoch déanta le dhá shraith tréleictreach, le tiús tréleictreach iomlán de 21 μm.The leictreoidí barr agus bun atá aon-ciseal agus sé-ciseal 5064H faoi seach.Tá cáithníní titanate bhairiam Micron-iarrachtaí le feiceáil san íomhá SEM toisc go bhfuil na limistéir níos gile timpeallaithe ag an ceanglóra orgánach níos dorcha.Fliuchann an dúch tréleictreach an leictreoid bun go maith agus cruthaíonn sé comhéadan soiléir leis an scannán miotail clóite, mar a thaispeántar sa léaráid le formhéadú níos airde.
(a) Grianghraf de toilleoir a bhfuil cúig achar éagsúil aige.(b) Micreagraf SEM trasghearrthach de thoilleoir a bhfuil dhá shraith tréleictreach ann, a thaispeánann leictreoidí tréleictreacha bhairiam titanáit agus airgid.(c) Toilleoirí toilleoirí le 2 agus 3 tiánáit bhairiam sraitheanna tréleictreach agus achair éagsúla, arna dtomhas ag 1 MHz.(d) An gaol idir toilleas, ESR, agus fachtóir caillteanais toilleora 2.25 cm2 le 2 shraith de bhratuithe tréleictreacha agus minicíochta.
Tá an toilleas i gcomhréir leis an limistéar ionchais. Mar a léirítear i bhFíor 3c, is é 0.53 nF/cm2 toilleas sonrach an tréleictreach dhá chiseal, agus is é toilleas sonrach an tréleictreach trí chiseal ná 0.33 nF/cm2. Comhfhreagraíonn na luachanna seo le tairiseach tréleictreach de 13.An Rinneadh fachtóir toilleas agus diomailt (DF) a thomhas freisin ag minicíochtaí éagsúla, mar a thaispeántar i bhFíor 3d, le haghaidh toilleoir 2.25 cm2 le dhá shraith tréleictreach.Fuair ​​muid go raibh an toilleas sách cothrom sa raon minicíochta spéise, ag méadú 20%. ó 1 go 10 MHz, agus sa raon céanna, mhéadaigh DF ó 0.013 go 0.023. Ós rud é gurb é an fachtóir diomailt an cóimheas idir an caillteanas fuinnimh agus an fuinneamh a stóráiltear i ngach timthriall AC, ciallaíonn DF de 0.02 go láimhseálfar 2% den chumhacht. Is gnách go gcuirtear an caillteanas seo in iúl mar fhriotaíocht sraithe coibhéiseach spleách ar mhinicíocht (ESR) i sraith leis an toilleoir, atá comhionann le DF/ωC.Mar a thaispeántar i bhFíor 3d, i gcás minicíochtaí níos mó ná 1 MHz, ESR níos ísle ná 1.5 Ω, agus le haghaidh minicíochtaí níos mó ná 4 MHz, tá ESR níos ísle ná 0.5 Ω. Cé go n-úsáidtear an teicneolaíocht toilleora seo, éilíonn na toilleoirí leibhéal μF atá ag teastáil le haghaidh tiontairí DC-DC limistéar an-mhór, ach tá an 100 pF-nF Déanann raon toilleas agus caillteanas íseal de na toilleoirí iad oiriúnach le haghaidh feidhmeanna eile, mar shampla scagairí agus ciorcaid athshondach. Is féidir modhanna éagsúla a úsáid chun cur leis an toilleas.Méadaíonn tairiseach tréleictreach níos airde an toilleas sonrach 37; mar shampla, is féidir é seo a bhaint amach trí thiúchan na gcáithníní titanate bhairiam a mhéadú sa dúch.Is féidir tiús tréleictreach níos lú a úsáid, cé go n-éilíonn sé seo leictreoid bun le roughness níos ísle ná flake.Thinner airgid priontáilte le scáileán, toilleoir roughness níos ísle. is féidir sraitheanna a thaisceadh le priontáil inkjet 31 nó priontáil gravure 10, ar féidir iad a chomhcheangal le próiseas priontála scáileáin. Ar deireadh, is féidir sraitheanna malartacha iolracha de mhiotal agus de thréleictreach a chruachadh agus a phriontáil agus a nascadh go comhthreomhar, rud a mhéadaíonn an toilleas 34 in aghaidh an aonaid achair. .
De ghnáth úsáidtear roinnteoir voltais comhdhéanta de phéire friotóirí chun an tomhas voltais a theastaíonn le haghaidh rialú aiseolais rialtóir voltais a dhéanamh. Chun an cineál iarratais seo, ba cheart go mbeadh friotaíocht an fhriotóra chlóite sa raon kΩ-MΩ, agus an difríocht idir tá na gléasanna beag. Anseo, fuarthas amach go raibh friotaíocht leatháin an dúch carbóin priontála scáileáin aon-chiseal 900 Ω/□. Úsáidtear an fhaisnéis seo chun dhá fhriotóir líneach (R1 agus R2) agus friotóir serpentine (R3) a dhearadh ) le friotaíocht ainmniúil de 10 kΩ, 100 kΩ, agus 1.5 MΩ. Baintear amach an fhriotaíocht idir na luachanna ainmniúla trí dhá nó trí shraith dúch a phriontáil, mar a thaispeántar i bhFíor 4, agus grianghraif de na trí fhriotaíocht.Make 8- 12 sampla de gach cineál; i ngach cás, is é an diall caighdeánach an fhriotaíocht 10% nó níos lú.Bíonn an t-athrú friotaíochta samplaí le dhá nó trí shraith de sciath a bheith beagán níos lú ná sin de shamplaí le sraith amháin de coating.The athrú beag ar an fhriotaíocht tomhaiste agus léiríonn an comhaontú dlúth leis an luach ainmniúil gur féidir friotaíocht eile sa raon seo a fháil go díreach trí chéimseata an fhriotóra a mhodhnú.
Trí chéimseata friotóra éagsúla le huimhreacha difriúla bratuithe dúch frithsheasmhacha carbóin. Taispeántar an grianghraf de thrí fhriotóir ar dheis.
Is samplaí clasaiceacha téacsleabhar iad ciorcaid RLC de chomhcheangail friotóra, ionduchtóra, agus toilleora a úsáidtear chun iompar na gcomhpháirteanna éighníomhacha atá comhtháite i gciorcaid phriontáilte fíor a léiriú agus a fhíorú. Sa chiorcad seo, tá ionduchtóir 8 μH agus toilleoir 0.8 nF ceangailte i sraith, agus a Tá friotóir 25 kΩ ceangailte go comhthreomhar leo.Tá an grianghraf den chiorcad solúbtha léirithe i bhFíor 5a.Is é an chúis atá leis an meascán speisialta sraith-comhthreomhar seo a roghnú ná go gcinnfidh gach ceann de na trí chomhpháirt minicíochta éagsúla a iompar, ionas go mbeidh an is féidir feidhmíocht gach comhpháirt a aibhsiú agus a mheas. Ag smaoineamh ar fhriotaíocht sraith 7 Ω an inductor agus an 1.3 Ω ESR den toilleoir, ríomhtar an fhreagairt minicíochta ionchais an chuaird. Taispeántar an léaráid chuaird i bhFíor 5b, agus an ríomh Taispeántar aimplitiúid impedance agus céim agus luachanna tomhaiste i bhFíoracha 5c agus d.Ag minicíochtaí íseal, ciallaíonn impedance ard an toilleora go gcinnfidh an friotóir 25 kΩ iompar an chuaird. Mar a mhéadaíonn an minicíocht, cuireann an impedance de laghdaítear cosán an LC; is é an t-iompar ciorcad iomlán capacitive go dtí go bhfuil an minicíocht athshondach 2.0 MHz.Above an minicíocht athshondas, an impedance ionduchtach dominates.Figure 5 léiríonn go soiléir ar an gcomhaontú den scoth idir luachanna ríofa agus tomhaiste ar fud an raon minicíochta ar fad. Ciallaíonn sé seo go bhfuil an tsamhail a úsáidtear anseo (áit a bhfuil ionduchtóirí agus toilleoirí ina gcomhpháirteanna idéalach le friotaíocht sraithe) cruinn chun iompar ciorcad a thuar ag na minicíochtaí seo.
(a) Grianghraf de chiorcad scáileán-phriontáilte RLC a úsáideann sraith-chomhcheangal d’ionduchtóir 8 μH agus toilleoir 0.8 nF i gcomhthreo le friotóir 25 kΩ.(b) Samhail chiorcaid lena n-áirítear sraithfhriotaíocht an ionduchtóra agus an toilleora.(c) ,d) Aimplitiúid an bhacainn (c) agus céim (d) den chiorcad.
Mar fhocal scoir, cuirtear ionduchtóirí agus friotóirí clóite i bhfeidhm sa rialtóir treisithe.Is é an IC a úsáidtear sa léiriú seo ná Micrishlis MCP1640B14, atá ina rialtóir teanndáileog sioncrónach bunaithe ar PWM le minicíocht oibriúcháin 500 kHz. Taispeántar an léaráid chiorcaid i bhFíor 6a.A. Úsáidtear 4.7 μH inductor agus dhá toilleoir (4.7 μF agus 10 μF) mar eilimintí stórála fuinnimh, agus úsáidtear péire friotóirí chun voltas aschuir an rialaithe aiseolais a thomhas.Roghnaigh an luach friotaíochta chun an voltas aschuir a choigeartú go 5 V. Déantar an ciorcad a mhonaraítear ar an PCB, agus déantar a fheidhmíocht a thomhas laistigh den fhriotaíocht ualaigh agus an raon voltais ionchuir de 3 go 4 V chun an ceallraí litiam-ian a insamhail i stáit éagsúla luchtaithe. Déantar comparáid idir éifeachtacht ionduchtóirí agus friotóirí clóite leis an éifeachtúlacht ionduchtóirí agus friotóirí SMT.Úsáidtear toilleoirí SMT i ngach cás toisc go bhfuil an toilleas atá riachtanach don iarratas seo ró-mhór le comhlánú le toilleoirí clóite.
(a) Léaráid den chiorcad cobhsaithe voltais.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, agus (d) Tonnfhoirmeacha srutha ag sreabhadh isteach san ionduchtóir, is é 4.0 V an voltas ionchuir, is é 1 kΩ an friotaíocht ualaigh, agus úsáidtear an t-ionduchtóir clóite chun a thomhas.Úsáidtear friotóirí agus toilleoirí gléasta dromchla don tomhas seo.(e) Le haghaidh frithsheasmhachta ualaigh éagsúla agus voltais ionchuir, éifeachtacht ciorcaid rialtóra voltais ag baint úsáide as gach comhpháirt gléasta dromchla agus ionduchtóirí agus friotóirí clóite.(f) (e) An cóimheas éifeachtúlachta idir an gléasadh dromchla agus an ciorcad priontáilte a thaispeántar in (e).
Maidir le voltas ionchuir 4.0 V agus friotaíocht ualaigh 1000 Ω, taispeántar na tonnfhoirmeacha arna dtomhas ag baint úsáide as ionduchtóirí clóite i bhFíor 6b-d. Taispeánann Fíor 6c an voltas ag críochfort Vsw an IC; is é an voltas inductor Vin-Vsw.Figure 6d léiríonn an sruth ag sileadh isteach sa inductor.The éifeachtacht an chuaird le SMT agus comhpháirteanna clóite taispeántar i bhFíor 6e mar fheidhm de voltas ionchuir agus friotaíocht ualaigh, agus léiríonn Fíor 6f an cóimheas éifeachtúlachta. Tá an éifeachtacht a thomhaistear ag baint úsáide as comhpháirteanna SMT cosúil leis an luach ionchais a thugtar i mbileog sonraí an mhonaróra 14.Ag sruth ionchuir ard (friotaíocht ualaigh íseal agus voltas ionchuir íseal), tá éifeachtacht ionduchtóirí clóite i bhfad níos ísle ná mar a sin de bharr ionduchtóirí SMT mar gheall ar fhriotaíocht na sraithe níos airde. Mar sin féin, le voltas ionchuir níos airde agus sruth aschuir níos airde, éiríonn caillteanas friotaíochta níos lú tábhachta, agus tosaíonn feidhmíocht ionduchtóirí clóite ag druidim le feidhmíocht ionduchtóirí SMT. = 4.0 V nó > 750 Ω agus Vin = 3.5 V, tá éifeachtacht ionduchtóirí clóite níos mó ná 85% de ionduchtóirí SMT.
Nuair a dhéantar comparáid idir an tonnchruth atá ann faoi láthair i bhFíor 6d agus an caillteanas cumhachta tomhaiste, taispeánann sé gurb é an caillteanas friotaíochta san inductor an phríomhchúis leis an difríocht san éifeachtúlacht idir an ciorcad priontáilte agus an ciorcad SMT, mar a mheastar. Tá an chumhacht ionchuir agus aschuir tomhaiste ag 4.0 V. Tá voltas ionchuir agus friotaíocht ualach 1000 Ω 30.4 mW agus 25.8 mW le haghaidh ciorcaid le comhpháirteanna SMT, agus 33.1 mW agus 25.2 mW le haghaidh ciorcaid le comhpháirteanna clóite. Dá bhrí sin, is é 7.9 mW caillteanas an chuaird phriontáilte, atá 3.4 mW níos airde ná an ciorcad le comhpháirteanna SMT.Is é an sruth ionduchtóra RMS a ríomhtar ón tonnchruth i bhFíor 6d ná 25.6 mA. Ós rud é go bhfuil a fhriotaíocht sraithe 4.9 Ω, is é an caillteanas cumhachta ionchais 3.2 mW.Is é seo 96% den difríocht chumhachta tomhaiste 3.4 mW DC. Ina theannta sin, déantar an ciorcad a mhonarú le ionduchtóirí clóite agus friotóirí clóite agus ionduchtóirí clóite agus friotóirí SMT, agus ní thugtar faoi deara aon difríocht shuntasach éifeachtúlachta eatarthu.
Ansin déantar an rialtóir voltais a dhéanamh ar an PCB solúbtha (léirítear feidhmíocht priontála an chuaird agus an chomhpháirt SMT i bhFíor Forlíontach S1) agus ceangailte idir an ceallraí litiam-ian solúbtha mar an fhoinse cumhachta agus an t-eagar OLED mar an t-ualach. De réir Lochner et al. 9 Chun OLEDs a mhonarú, caitheann gach picteilín OLED 0.6 mA ag 5 V. Úsáideann an ceallraí ocsaíd cóbalt litiam agus graifít mar an chatóid agus anóid, faoi seach, agus déantar é a mhonaraítear le sciath lann dochtúir, arb é an modh priontála ceallraí is coitianta.7 An tá cumas ceallraí 16mAh, agus is é an voltas le linn na tástála 4.0V.Figure 7 Léiríonn grianghraf den chuaird ar an PCB solúbtha, powering trí picteilín OLED ceangailte i parallel.The léiriú léirigh an cumas na comhpháirteanna cumhachta clóite a chomhtháthú le eile gléasanna solúbtha agus orgánacha chun córais leictreonacha níos casta a fhoirmiú.
Grianghraf den chiorcad rialtóir voltais ar PCB solúbtha ag baint úsáide as ionduchtóirí agus friotóirí clóite, ag baint úsáide as cadhnraí litiam-ian solúbtha chun trí stiúir orgánacha a chumhachtú.
Tá ionduchtóirí, toilleoirí agus friotóirí clóite scáileáin léirithe againn le raon luachanna ar fhoshraitheanna solúbtha PET, leis an sprioc comhpháirteanna mount dromchla a athsholáthar i trealamh leictreonach cumhachta.Táimid tar éis a thaispeáint gur trí dhearadh bíseach le trastomhas mór, ráta líonadh. , agus cóimheas leithead-spás líne-leithead, agus trí úsáid a bhaint as ciseal tiubh de ink íseal-fhriotaíochta. Déantar na comhpháirteanna seo a chomhtháthú i gciorcad RLC atá lánchlóite agus solúbtha agus taispeánann siad iompar leictreach intuartha sa raon minicíochta kHz-MHz, atá den chuid is mó. spéis le cumhacht leictreonaic.
Is éard atá i gcásanna úsáide tipiciúla do ghléasanna leictreonacha cumhachta clóite ná córais leictreonacha solúbtha inchaite nó táirgí-chomhtháite, faoi thiomáint ag cadhnraí solúbtha in-athluchtaithe (cosúil le litiam-ian), ar féidir leo voltais athraitheacha a ghiniúint de réir staid an luchta (lena n-áirítear priontáil agus trealamh leictreonach orgánach) éilíonn voltas tairiseach nó níos airde ná an voltas aschuir ag an ceallraí, tá gá le rialtóir voltais.Ar an gcúis seo, ionduchtóirí clóite agus friotóirí a chomhtháthú le IC sileacain traidisiúnta i rialtóir treisiú chun cumhacht an OLED le voltas tairiseach. de 5 V ó sholáthar cumhachta ceallraí voltas athraitheach.Within raon áirithe de reatha ualaigh agus voltas ionchuir, tá éifeachtacht an chuaird níos mó ná 85% d'éifeachtúlacht ciorcad rialaithe ag baint úsáide as ionduchtóirí mount dromchla agus friotóirí.In ainneoin ábhar agus optimizations geoiméadrach, tá caillteanais resistive san inductor fós mar fhachtóir teorannaithe d'fheidhmíocht ciorcad ag leibhéil arda reatha (sruth ionchuir níos mó ná thart ar 10 mA). Mar sin féin, ag sruthanna níos ísle, laghdaítear na caillteanais san inductor, agus tá an fheidhmíocht fhoriomlán teoranta ag an éifeachtúlacht den IC.Since gá go leor feistí clóite agus orgánacha sruthanna réasúnta íseal, mar shampla na OLEDs beag a úsáidtear inár léiriú, is féidir ionduchtóirí cumhachta clóite a mheas oiriúnach le haghaidh iarratas den sórt sin. is féidir éifeachtúlacht tiontaire iomlán níos airde a bhaint amach.
San obair seo, tá an rialtóir voltais tógtha ar an PCB traidisiúnta, PCB solúbtha agus teicneolaíocht sádrála comhpháirt mount dromchla, cé go bhfuil an chomhpháirt clóite a mhonaraítear ar substrate.However ar leith, na dúigh íseal-teocht agus ard-slaodacht a úsáidtear chun scáileán a tháirgeadh- Ba chóir go gceadódh scannáin chlóite comhpháirteanna éighníomhacha, chomh maith leis an idirnasc idir an gléas agus na pillíní teagmhála comhpháirteanna mount dromchla, a phriontáil ar aon tsubstráit. an ciorcad iomlán a thógáil ar fhoshraitheanna neamhchostasach (cosúil le PET) gan gá le próisis dealaitheacha ar nós PCB eitseáil. Mar sin, cabhraíonn na comhpháirteanna éighníomhacha atá priontáilte le scáileán a forbraíodh san obair seo chun an bealach a réiteach do chórais leictreonacha solúbtha a chomhtháthaíonn fuinneamh agus ualaí. le leictreonaic cumhachta ardfheidhmíochta, ag baint úsáide as foshraitheanna saor, go príomha próisis bhreiseáin agus íosta Líon na gcomhpháirteanna mount dromchla.
Ag baint úsáide as printéir scáileáin Asys ASP01M agus scáileán cruach dhosmálta arna sholáthar ag Dynamesh Inc., clóiteáladh gach sraith de chomhpháirteanna éighníomhacha ar fhoshraith solúbtha PET le tiús 76 μm.Is é méid mogalra na ciseal miotail ná 400 líne in aghaidh an orlach agus 250 línte in aghaidh an orlach don chiseal tréleictreach agus don chiseal friotaíochta.Úsáid fórsa squeegee de 55 N, luas priontála 60 mm / s, fad briste 1.5 mm, agus Serilor squeegee le cruas 65 (do mhiotail agus do fhriotaíocht sraitheanna) nó 75 (le haghaidh sraitheanna tréleictreach) le haghaidh priontála scáileáin.
Tá na sraitheanna seoltacha - na hionduchtóirí agus teagmhálaithe toilleoirí agus friotóirí - priontáilte le dúch micrea-chlúine airgid DuPont 5082 nó DuPont 5064H. Tá an friotóir clóite le seoltóir carbóin DuPont 7082. Maidir leis an toilleoir tréleictreach, tá an cumaisc sheoltach BT-101 bairiam titanate tréleictreach Úsáidtear.Táirgtear gach ciseal tréleictreach ag baint úsáide as timthriall priontála dhá phas (fliuch-fliuch) chun aonfhoirmeacht an scannáin a fheabhsú.I gcás gach comhpháirt, scrúdaíodh éifeacht na dtimthriallta priontála iolracha ar fheidhmíocht agus ar éagsúlacht na gcomhpháirteanna. Rinneadh samplaí le triomaíodh bratuithe iolracha den ábhar céanna ag 70 °C ar feadh 2 nóiméad idir na bratuithe. Tar éis an cóta deireanach de gach ábhar a chur i bhfeidhm, bácáladh na samplaí ag 140 °C ar feadh 10 nóiméad chun triomú iomlán a chinntiú. Feidhm ailíniú uathoibríoch an scáileáin Úsáidtear printéir chun sraitheanna ina dhiaidh sin a ailíniú. Baintear amach an teagmháil le lár an inductor trí pholl tríd a ghearradh ar an eochaircheap lár agus rianta priontála stionsal ar chúl an tsubstráit le dúch DuPont 5064H. Úsáideann an t-idirnasc idir trealamh priontála Dupont freisin. 5064H priontáil stionsal. Chun na comhpháirteanna clóite agus na comhpháirteanna SMT a thaispeáint ar an PCB solúbtha a thaispeántar i bhFíor 7, tá na comhpháirteanna clóite ceangailte ag baint úsáide as eapocsa seoltaí Circuit Works CW2400, agus tá na comhpháirteanna SMT ceangailte le sádráil traidisiúnta.
Úsáidtear ocsaíd cóbalt litiam (LCO) agus leictreoidí bunaithe ar graifít mar chatóid agus anóid na ceallraí, faoi seach.Is é an sciodar catóide meascán de 80% LCO (MTI Corp.), graifít 7.5% (KS6, Timcal), 2.5 % carbóin dubh (Super P, Timcal) agus 10% fluairíd polyvinylidene (PVDF, Kureha Corp.). ) Is é an anóid meascán de graifít 84wt%, 4wt% carbóin dubh agus 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) a úsáidtear chun an ceanglóra PVDF a thuaslagadh agus a scaipeadh ar an sciodar. Bhí an sciodar homogenized ag stirring le meascthóir vortex thar oíche.A scragall cruach dhosmálta 0.0005 orlach tiubh agus scragall nicil 10 μm mar bhailitheoirí reatha don chatóid agus anóid, faoi seach.Tá an dúch clóite ar an mbailitheoir reatha le squeegee ag luas priontála 20 mm/s.Téigh an leictreoid in oigheann ag 80 °C ar feadh 2 uair an chloig chun an tuaslagóir a bhaint.Tá airde an leictreoid tar éis a thriomú thart ar 60 μm, agus bunaithe ar mheáchan an ábhair ghníomhach, is é an cumas teoiriciúil ná 1.65 mAh /cm2.Gearr na leictreoidí i toisí 1.3 × 1.3 cm2 agus téite in oigheann bhfolús ag 140 ° C thar oíche, agus ansin séalaithe iad le málaí laminate alúmanaim i mbosca lámhainní nítrigine-líonadh.A tuaslagán de scannán bonn polapróipiléine le úsáidtear anóid agus catóide agus 1M LiPF6 in EC/DEC (1:1) mar an leictrilít ceallraí.
Is éard atá i Green OLED ná polai(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) agus poly((9,9-déictilfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole-) 4, 8-diyl)) (F8BT) de réir an nós imeachta atá leagtha amach i Lochner et al.
Bain úsáid as próifíleoir stylus Dektak chun tiús scannáin a thomhas. Gearradh an scannán chun sampla trasghearrtha a ullmhú lena imscrúdú trí mhicreascópacht leictreoin (SEM) a scanadh. Úsáidtear an gunna astaíochta réimse FEI Quanta 3D (FEG) SEM chun struchtúr an chlóite a shaintréithe. Déan an staidéar SEM ag voltas luasghéaraithe de 20 keV agus achar oibre tipiciúil de 10 mm.
Bain úsáid as multimeter digiteach a thomhas friotaíocht DC, voltas agus current.The AC impedance na ionduchtóirí, toilleoirí agus ciorcaid a thomhas ag baint úsáide as méadar LCR Agilent E4980 le haghaidh minicíochtaí faoi bhun 1 MHz agus Agilent anailíseoir líonra E5061A úsáidtear le haghaidh minicíochtaí os cionn 500 kHz a thomhas. Ascalascóp Tektronix TDS 5034 chun tonnchruth an rialtóra voltais a thomhas.
Conas an t-alt seo a lua: Comhpháirteanna éighníomhacha priontála Ostfeld, AE, etc.Screen le haghaidh trealamh leictreonach solúbtha cumhachta.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Leictreonaic solúbtha: an chéad ardán eile uileláithreach.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Inlíon Daonna Rabaey, JM: Áit a mbuaileann grúpaí le daoine.Paper a foilsíodh ag Comhdháil agus Taispeántas Eorpach 2015 ar Dhearadh, Uathoibriú agus Tástáil, Grenoble, An Fhrainc.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Márta - 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV taispeántóir anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC clóite piezoelectric fómhair fuinnimh devices.Advanced fuinnimh materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-phriontáilte scannán tiubh árasán thermoelectric energy generator.J. Micrmheicnic Micrinnealtóireacht 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Ceallra solúbtha clóite ard-acmhainneacht a úsáidtear chun feistí leictreonacha clóite a chumhachtú.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Na forbairtí is déanaí i gcadhnraí solúbtha clóite: dúshláin mheicniúla, teicneolaíocht priontála agus ionchais don todhchaí.Teicneolaíocht fuinnimh.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. etc. Córas braite ar mhórscála a chomhcheanglaíonn gléasanna leictreonacha mórlimistéar agus CMOS ICanna le haghaidh monatóireachta sláinte struchtúrach.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).