Componentes pasivos serigrafiados para electrónica de potencia flexible

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 15959 (2015) Citar este artículo

14k Accesos

84 citas

6 altmétrico

Detalles de métricas

Los procesos de impresión aditivos y de baja temperatura permiten la integración de diversos dispositivos electrónicos, tanto de suministro como de consumo de energía, en sustratos flexibles a bajo costo. Sin embargo, la producción de un sistema electrónico completo a partir de estos dispositivos a menudo requiere que la electrónica de potencia convierta entre los distintos voltajes operativos de los dispositivos. Los componentes pasivos (inductores, condensadores y resistencias) realizan funciones como filtrado, almacenamiento de energía a corto plazo y medición de voltaje, que son vitales en la electrónica de potencia y muchas otras aplicaciones. En este artículo, presentamos inductores, condensadores, resistencias y un circuito RLC serigrafiados sobre sustratos plásticos flexibles e informamos sobre el proceso de diseño para minimizar la resistencia en serie del inductor que permite su uso en electrónica de potencia. Luego se incorporan inductores y resistencias impresos en un circuito regulador de voltaje elevador. Se fabrican diodos emisores de luz orgánicos y una batería flexible de iones de litio y el regulador de voltaje se utiliza para alimentar los diodos de la batería, lo que demuestra el potencial de los componentes pasivos impresos para reemplazar los componentes convencionales de montaje en superficie en una aplicación de convertidor CC-CC.

En los últimos años se ha visto el desarrollo de una amplia variedad de dispositivos flexibles para aplicaciones en electrónica portátil y de gran superficie e Internet de las cosas1,2. Estos incluyen dispositivos de recolección de energía como los fotovoltaicos3, piezoeléctricos4 y termoeléctricos5; dispositivos de almacenamiento de energía como baterías6,7; y dispositivos que consumen energía, como sensores8,9,10,11,12 y fuentes de luz13. Si bien se ha logrado un gran progreso en las cargas y fuentes de energía individuales, combinar estos componentes en un sistema electrónico completo generalmente también requiere electrónica de potencia para superar cualquier desajuste entre el comportamiento de la fuente y los requisitos de las cargas. Por ejemplo, las baterías producen un voltaje variable dependiendo de su estado de carga. Si una carga requiere un voltaje constante, o un voltaje más alto que el que la batería puede producir, entonces se necesita electrónica de potencia. La electrónica de potencia utiliza componentes activos, transistores, para realizar funciones de conmutación y control, así como componentes pasivos: inductores, condensadores y resistencias. En un circuito regulador de voltaje de conmutación, por ejemplo, se emplean inductores para almacenar energía durante cada ciclo de conmutación, se usan capacitores para reducir la ondulación del voltaje y la medición de voltaje requerida para el control de retroalimentación se logra usando un divisor de resistencia.

La electrónica de potencia adecuada para las demandas de dispositivos portátiles como el oxímetro de pulso9, que requiere unos pocos voltios y unos pocos miliamperios, normalmente funciona a frecuencias en el rango de cientos de kHz a unos pocos MHz y requiere una inductancia y capacitancia de varios μH y varios μF, respectivamente14. El enfoque convencional para fabricar estos circuitos es soldar componentes discretos en una placa de circuito impreso (PCB) rígida. Si bien los componentes activos de un circuito electrónico de potencia a menudo se combinan en un único circuito integrado (CI) de silicio, los componentes pasivos suelen ser externos, ya sea para permitir la personalización del circuito o porque los valores de inductancia y capacitancia requeridos son demasiado grandes para alcanzarlos. en silicio.

La fabricación de dispositivos y circuitos electrónicos mediante procesos de impresión aditiva ofrece una serie de ventajas en términos de simplicidad y costo en comparación con las técnicas de fabricación convencionales basadas en PCB. En primer lugar, dado que muchos componentes de un circuito requieren los mismos materiales, como metal para contactos e interconexiones, la impresión permite fabricar múltiples componentes simultáneamente, con relativamente pocos pasos de procesamiento y pocas fuentes de materiales15. Reemplazar procesos sustractivos como la fotolitografía y el grabado con procesos aditivos reduce aún más la complejidad del proceso, así como el desperdicio de materiales16,17,18,19. Además, las bajas temperaturas utilizadas en la impresión son compatibles con sustratos plásticos flexibles y económicos, lo que permite cubrir grandes áreas con componentes electrónicos mediante procesos de fabricación rollo a rollo de alta velocidad16,20. Para aplicaciones que no pueden realizarse completamente utilizando componentes impresos, se han desarrollado enfoques híbridos en los que los componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) se unen a baja temperatura a sustratos flexibles junto con los componentes impresos21,22,23. En tales enfoques híbridos, aún es deseable reemplazar tantos componentes SMT como sea posible con sus contrapartes impresas para aprovechar los beneficios de los procesos aditivos y mejorar la flexibilidad general del circuito. Para lograr una electrónica de potencia flexible, proponemos una combinación de componentes activos SMT y componentes pasivos serigrafiados, con especial énfasis en reemplazar los voluminosos inductores SMT por inductores en espiral planos. De las diversas tecnologías para fabricar productos electrónicos impresos, la serigrafía es especialmente adecuada para componentes pasivos debido a su gran espesor de película (que es necesario para minimizar la resistencia en serie de elementos metálicos) y su alta velocidad de impresión, incluso cuando se cubren áreas de escala de centímetros con materiales24.

Es fundamental minimizar las pérdidas en los componentes pasivos de la electrónica de potencia, ya que la eficiencia del circuito afecta directamente el tamaño de la fuente de energía que se requiere para alimentar un sistema. Esto resulta especialmente complicado en el caso de los inductores impresos, que constan de bobinas largas y, por tanto, son susceptibles a una alta resistencia en serie. Como resultado, aunque se han realizado algunos esfuerzos para minimizar la resistencia de las bobinas impresas25,26,27,28, sigue habiendo una falta de componentes pasivos impresos eficientes para la electrónica de potencia. Hasta la fecha, muchos componentes pasivos impresos sobre sustratos flexibles están diseñados para funcionar en circuitos resonantes con fines de identificación por radiofrecuencia (RFID) o recolección de energía10,12,25,27,28,29,30,31. Otros se centran en el desarrollo de materiales o procesos de fabricación y demuestran componentes de uso general que no están optimizados para una aplicación particular26,32,33,34. Por el contrario, los circuitos electrónicos de potencia, como los reguladores de voltaje, tienden a utilizar componentes más grandes que las demostraciones típicas de pasivos impresos y no requieren resonancia, por lo que exigen diseños de componentes diferentes.

Aquí, presentamos el diseño y optimización de inductores serigrafiados en el rango de μH para lograr una resistencia en serie mínima y un alto rendimiento en frecuencias relevantes para la electrónica de potencia. Los inductores, condensadores y resistencias serigrafiados con diversos valores de componentes se fabrican sobre sustratos de plástico flexibles. La idoneidad de estos componentes para la electrónica flexible se demuestra por primera vez en un circuito RLC simple. Luego, los inductores y resistencias impresos se integran con un circuito integrado para formar un regulador elevador de voltaje. Finalmente, se fabrican diodos orgánicos emisores de luz (OLED) y una batería flexible de iones de litio y se utiliza el regulador de voltaje para alimentar los OLED desde la batería.

Para diseñar inductores impresos para electrónica de potencia, primero predijimos la inductancia y la resistencia de CC de una variedad de geometrías de inductores con base en el modelo de hoja actual presentado en Mohan et al.35 y fabricamos inductores de diferentes geometrías para confirmar la precisión del modelo. Se seleccionó una forma circular para los inductores en este trabajo porque se puede lograr una mayor inductancia con una menor resistencia en comparación con las geometrías poligonales36. Se determinó el efecto del tipo de tinta y el número de ciclos de impresión sobre la resistencia. Luego, estos resultados se utilizaron junto con el modelo de hoja actual para diseñar inductores de 4,7 μH y 7,8 μH optimizados para una resistencia CC mínima.

La inductancia y la resistencia de CC de un inductor en espiral se pueden describir mediante algunos parámetros: el diámetro exterior, el ancho de vuelta w y el espaciado s, el número de vueltas n y la resistencia de la lámina R del conductor. La Fig. 1a muestra una fotografía de un inductor circular serigrafiado con n = 12, indicando los parámetros geométricos que determinan su inductancia. La inductancia se calculó para una variedad de geometrías de inductor de acuerdo con el modelo de hoja actual de Mohan et al.35, en el que

(a) Fotografía de un inductor serigrafiado, indicando parámetros geométricos. El diámetro es de 3 cm. Inductancia (b) y resistencia CC (c) para una variedad de geometrías de inductores. Las líneas y marcadores corresponden a valores calculados y medidos, respectivamente. (d,e) Resistencia CC de los inductores L1 y L2, respectivamente, serigrafiados con tintas plateadas Dupont 5028 y 5064H. ( f, g ) Micrografías SEM de películas serigrafiadas de Dupont 5028 y 5064H, respectivamente.

donde μ es la permeabilidad del núcleo (en este caso, aire); davg es el diámetro promedio:

ρ es la relación de llenado:

y din es el diámetro interior:

La resistencia CC está dada por

usando la longitud l de la espiral:

A altas frecuencias, el efecto superficial y la capacitancia parásita cambian la resistencia y la inductancia de un inductor con respecto a sus valores de CC. Es deseable operar el inductor a frecuencias suficientemente bajas para que estos efectos sean insignificantes y el dispositivo se comporte como una inductancia constante con una resistencia constante en serie. Así, en este trabajo analizamos las relaciones entre los parámetros geométricos, inductancia y resistencia CC y utilizamos los resultados para obtener una inductancia determinada con resistencia CC mínima.

La inductancia y la resistencia se calcularon para una variedad de parámetros geométricos que se pueden lograr con la serigrafía y se espera que proporcionen inductancias en el rango de μH. Se compararon diámetros exteriores de 3 y 5 cm, anchos de trazo de 500 y 1.000 µm y distintos números de vueltas. Los cálculos se realizaron asumiendo una resistencia laminar de 47 mΩ/□, correspondiente a una sola capa de 7 μm de espesor de conductor de microescamas de plata Dupont 5028 impresa usando una pantalla de malla 400 y configurando w = s. Los valores calculados de inductancia y resistencia se muestran en las figuras 1b, c, respectivamente. El modelo predice que tanto la inductancia como la resistencia aumentan a medida que aumentan el diámetro exterior y el número de vueltas, o cuando disminuye el ancho de la línea.

Se fabricaron inductores que abarcan una variedad de geometrías e inductancias sobre sustratos de tereftalato de polietileno (PET) para evaluar la precisión de las predicciones del modelo. Los valores medidos de inductancia y resistencia se muestran en las figuras 1b,c. Mientras que las resistencias muestran cierta desviación de los valores esperados, debido principalmente a variaciones en el espesor y la uniformidad de la tinta depositada, la inductancia muestra una excelente concordancia con el modelo.

Estos resultados se pueden utilizar para diseñar inductores que tengan una inductancia deseada con una resistencia CC mínima. Por ejemplo, supongamos que se desea una inductancia de 2 μH. La Figura 1b muestra que esta inductancia se puede lograr utilizando un diámetro exterior de 3 cm, un ancho de línea de 500 μm y 10 vueltas. La misma inductancia también se puede producir usando un diámetro exterior de 5 cm, con un ancho de línea de 500 μm y 5 vueltas o un ancho de línea de 1000 μm y 7 vueltas (también se muestra en la figura). La comparación de la resistencia de estas tres posibles geometrías en la Fig. 1c revela que el inductor de 5 cm con un ancho de línea de 1000 μm tiene la resistencia más baja de 34 Ω, aproximadamente un 40% menos que los otros dos. El proceso de diseño generalizado para lograr una inductancia determinada con resistencia mínima se resume a continuación: primero, se selecciona el diámetro exterior más grande permitido en función de las restricciones espaciales impuestas por la aplicación. Luego, el ancho de la línea debe ser lo más grande posible y al mismo tiempo permitir alcanzar la inductancia deseada, lo que da como resultado una relación de llenado alta (ecuación (3)).

Reducir la resistencia laminar de las películas metálicas, ya sea aumentando el espesor o utilizando un material con mayor conductividad, puede reducir aún más la resistencia CC sin afectar la inductancia. Se fabricaron dos inductores, con los parámetros geométricos indicados en la Tabla 1, denominados L1 y L2, con un número variable de capas para evaluar el cambio en la resistencia. A medida que aumentó el número de capas de tinta, la resistencia disminuyó proporcionalmente como se esperaba, como se muestra en la Fig. 1d, e para los inductores L1 y L2 respectivamente. La Figura 1d,e muestra que se puede lograr una reducción de la resistencia de hasta 6 veces mediante la aplicación de 6 capas, mientras que la mayor reducción de la resistencia (50–65%) se produce entre 1 y 2 capas. Se utilizó una pantalla con un tamaño de malla relativamente pequeño (400 hilos por pulgada) para imprimir estos inductores porque cada capa de tinta es relativamente delgada, lo que nos permitió investigar el efecto del espesor del conductor sobre la resistencia. Se podría lograr un espesor (y resistencia) similar más rápido imprimiendo un número menor de capas con un tamaño de malla más grande, siempre y cuando las características estampadas sigan siendo mayores que la resolución mínima de la malla. Este enfoque podría usarse para lograr la misma resistencia de CC que los inductores de 6 capas analizados aquí, pero con una mayor velocidad de producción.

Las Figuras 1d,e también muestran que se logra una reducción doble de la resistencia mediante el uso de una tinta con escamas de plata de mayor conductividad, Dupont 5064H. Como se ve en las micrografías SEM de películas impresas con las dos tintas, Fig. 1f, g, la menor conductividad de la tinta 5028 surge de su tamaño de partícula más pequeño y de la presencia de muchos huecos entre las partículas en la película impresa. El 5064H, por otro lado, tiene escamas más grandes y más juntas, lo que le da un comportamiento más cercano al de la plata a granel. Si bien esta tinta produjo películas más delgadas que la tinta 5028, 4 μm para una sola capa y 22 μm para 6 capas, la mejora en la conductividad fue lo suficientemente sustancial como para que la resistencia se redujera en general.

Finalmente, mientras que la inductancia (ecuación (1)) depende del período de las vueltas (w + s), la resistencia (ecuación (5)) depende sólo del ancho de línea w. Por lo tanto, al aumentar w en relación con s, la resistencia se puede reducir aún más. Se diseñaron dos inductores adicionales, L3 y L4, con w = 2s y un diámetro exterior grande, como se muestra en la Tabla 1. Estos inductores se fabricaron usando 6 capas de Dupont 5064H, que se mostró anteriormente para brindar el mayor rendimiento. L3 tenía una inductancia de 4,720 ± 0,002 μH con una resistencia de 4,9 ± 0,1 Ω, mientras que L4 tenía 7,839 ± 0,005 μH y 6,9 ± 0,1 Ω, en buena concordancia con las predicciones del modelo. Esto representa una mejora en la relación L/R de más de un orden de magnitud en relación con los valores de la Fig. 1, debido a las mejoras en el espesor, la conductividad y la a/s.

Aunque una baja resistencia de CC es prometedora, evaluar la idoneidad de los inductores para la electrónica de potencia que opera en el rango de kHz-MHz requiere una caracterización en frecuencias de CA. La Figura 2a muestra la dependencia de la resistencia y la reactancia de L3 y L4 con la frecuencia. Para frecuencias inferiores a 10 MHz, la resistencia permanece aproximadamente constante en su valor de CC y la reactancia aumenta linealmente con la frecuencia, lo que implica una inductancia constante como se esperaba. La frecuencia de autorresonancia, definida como la frecuencia a la que la impedancia pasa de inductiva a capacitiva, se produce en 35,6 ± 0,3 MHz para L3 y 24,3 ± 0,6 MHz para L4. La dependencia del factor de calidad Q, igual a ωL/R, de la frecuencia se muestra en la Fig. 2b. L3 y L4 alcanzan sus factores de calidad máximos de 35 ± 1 y 33 ± 1 en frecuencias de 11 y 16 MHz respectivamente. La inductancia de varios μH y Q relativamente alto en las frecuencias de MHz hacen que estos inductores sean reemplazos adecuados para los inductores de montaje superficial convencionales en convertidores CC-CC de baja potencia.

Resistencia medida R y reactancia X (a) y factor de calidad Q (b) versus frecuencia para los inductores L3 y L4.

Para minimizar la huella requerida para una capacitancia dada, es deseable utilizar una tecnología de capacitor con una capacitancia específica grande, igual a la permitividad dieléctrica ε dividida por el espesor del dieléctrico. En este trabajo, elegimos un compuesto de titanato de bario como dieléctrico, porque presenta una ε mayor que otros dieléctricos orgánicos procesados en solución. La capa dieléctrica se serigrafió entre dos capas del conductor de plata para formar una estructura metal-dieléctrico-metal. Los condensadores con varias dimensiones en la escala de centímetros, como se muestra en la figura 3a, se fabricaron utilizando dos o tres capas de tinta dieléctrica para mantener un buen rendimiento. La Figura 3b muestra micrografías SEM transversales de un condensador representativo fabricado con dos capas de dieléctrico, para un espesor dieléctrico total de 21 μm. Los electrodos superior e inferior son de una y seis capas de 5064H, respectivamente. Las partículas de titanato de bario a escala micrométrica son visibles en la imagen SEM como áreas más brillantes rodeadas por el aglutinante orgánico más oscuro. La tinta dieléctrica humedece bien el electrodo inferior formando una interfaz clara con la película metálica impresa, como se muestra en la figura insertada con mayor aumento.

(a) Fotografías de los condensadores con cinco áreas diferentes. (b) Micrografías SEM transversales de un condensador con dos capas de dieléctrico, que muestran el dieléctrico de titanato de bario y los electrodos de plata. (c) Capacitancia de condensadores con 2 y 3 capas de dieléctrico de titanato de bario y área variable, medida a 1 MHz. (d) Capacitancia, ESR y factor de disipación de un capacitor de 2,25 cm2 con 2 capas de dieléctrico, versus frecuencia.

La capacitancia aumenta proporcionalmente con el área como se esperaba, como se muestra en la Fig. 3c, con una capacitancia específica de 0,53 nF/cm2 para dos capas de dieléctrico y 0,33 nF/cm2 para tres capas. Estos valores corresponden a una permitividad de 13. La capacitancia y el factor de disipación (DF) también se midieron a frecuencia variable, como se muestra en la Fig. 3d para un capacitor de 2,25 cm2 con dos capas de dieléctrico. Encontramos que la capacitancia es relativamente plana en el rango de frecuencia de interés, aumentando en un 20% de 1 a 10 MHz, mientras que el DF aumenta de 0,013 a 0,023 en ese mismo rango. Como el factor de disipación es una relación entre la energía perdida y la energía almacenada por ciclo de CA, un DF de 0,02 significa que se disipa el 2% de la potencia manejada por el condensador. Esta pérdida también se expresa a menudo como una resistencia en serie equivalente (ESR) dependiente de la frecuencia, igual a DF/ωC, en serie con el condensador. Como se muestra en la Fig. 3d, la ESR está por debajo de 1,5 Ω para frecuencias superiores a 1 MHz y por debajo de 0,5 Ω para frecuencias superiores a 4 MHz. Si bien las capacitancias de escala μF necesarias para los convertidores CC-CC requerirían áreas prohibitivamente grandes al utilizar esta tecnología de capacitores, el rango de capacitancia de 100 pF - nF y la baja pérdida de estos capacitores los hacen adecuados para otras aplicaciones, como filtros y circuitos resonantes. Se podrían utilizar varios enfoques para aumentar la capacitancia. Una constante dieléctrica más alta aumentaría la capacitancia específica37; esto se puede lograr aumentando la concentración de partículas de titanato de bario en la tinta, por ejemplo. Se podría utilizar un espesor dieléctrico menor, aunque esto requeriría un electrodo inferior con menor rugosidad que las escamas de plata serigrafiadas. Se pueden depositar capas más delgadas y de menor rugosidad para los condensadores mediante impresión por inyección de tinta31 o impresión por huecograbado10, que podrían integrarse con el proceso de serigrafía. Finalmente, se podrían imprimir múltiples capas alternas de metal y dieléctrico en una pila y conectarlas en paralelo, aumentando la capacitancia por unidad de área34.

Los divisores de voltaje, que consisten en un par de resistencias, generalmente se usan para realizar la medición de voltaje necesaria para el control de retroalimentación de un regulador de voltaje. Para este tipo de aplicación, las resistencias impresas deben presentar resistencias en el rango de kΩ-MΩ y baja variación de un dispositivo a otro. En este caso, se encontró que una sola capa de tinta de carbono serigrafiada tenía una resistencia laminar de 900 Ω/□. Esta información se utilizó para diseñar dos resistencias en línea recta (R1 y R2) y una resistencia en serpentina (R3) con resistencias nominales de 10 kΩ, 100 kΩ y 1,5 MΩ, respectivamente. Las resistencias entre los valores nominales se lograron imprimiendo dos o tres capas de tinta, como se muestra en la Fig. 4 junto con fotografías de las tres resistencias. Se fabricaron entre 8 y 12 muestras de cada tipo; en todos los casos, la desviación estándar de las resistencias fue del 10% o menos. Las muestras con dos o tres capas tendieron a tener una variación ligeramente menor en la resistencia que aquellas con una sola capa. La pequeña variación en la resistencia medida y la estrecha concordancia con los valores nominales sugiere que se pueden obtener otras resistencias en este rango directamente modificando la geometría de la resistencia.

Resistencia de tres geometrías de resistencia diferentes con números variables de capas de tinta resistiva al carbono. A la derecha se muestran fotografías de las tres resistencias.

Se fabricó un circuito RLC, un ejemplo clásico de libro de texto de la combinación de resistencia, inductor y condensador, para demostrar y verificar el comportamiento de los componentes pasivos integrados en un circuito verdaderamente impreso. En este circuito se conectaron en serie un inductor de 8 μH y un condensador de 0,8 nF y en paralelo con ellos se colocó una resistencia de 25 kΩ. En la Fig. 5a se muestra una fotografía del circuito flexible. Se seleccionó esta combinación particular de serie-paralelo porque su comportamiento está dominado por cada uno de los tres componentes en diferentes frecuencias, lo que permite resaltar y evaluar el desempeño de cada uno. La respuesta de frecuencia esperada del circuito se calculó teniendo en cuenta la resistencia en serie de 7 Ω del inductor y la ESR de 1,3 Ω del condensador. El diagrama del circuito se muestra en la Fig. 5b y la magnitud y fase de impedancia calculadas se muestran en las Fig. 5c yd junto con los valores medidos. A baja frecuencia, la alta impedancia del condensador significa que el comportamiento del circuito está dominado por la resistencia de 25 kΩ. A medida que aumenta la frecuencia, la impedancia de la ruta LC disminuye; el comportamiento general del circuito es capacitivo hasta la frecuencia de resonancia de 2,0 MHz. Por encima de la frecuencia de resonancia domina la impedancia del inductor. La Figura 5 muestra claramente la excelente concordancia entre los valores calculados y medidos en todo el rango de frecuencia. Esto significa que el modelo utilizado aquí, donde los inductores y condensadores son componentes ideales con resistencias en serie, es preciso para predecir el comportamiento del circuito a estas frecuencias.

(a) Fotografía de un circuito RLC serigrafiado que utiliza una combinación en serie de un inductor de 8 μH y un condensador de 0,8 nF, en paralelo con una resistencia de 25 kΩ. (b) Modelo del circuito que incluye resistencias en serie del inductor y del condensador. (c,d) Magnitud de impedancia (c) y fase (d) del circuito.

Finalmente, los inductores y resistencias impresos se implementaron en un regulador elevador de voltaje. El CI utilizado en esta demostración fue el Microchip MCP1640B14, un regulador de refuerzo síncrono basado en PWM que funciona a 500 kHz. El diagrama del circuito se muestra en la Fig. 6a. Se utilizan un inductor de 4,7 μH y dos condensadores (4,7 μF y 10 μF) como elementos de almacenamiento de energía y se utiliza un par de resistencias para medir el voltaje de salida para el control de retroalimentación. Los valores de resistencia se eligieron para regular el voltaje de salida a 5 V. El circuito se fabricó en una PCB y su rendimiento se midió en un rango de resistencias de carga y voltajes de entrada entre 3 y 4 V, simulando los voltajes de una batería de iones de litio en varios estados de carga. La eficiencia de los inductores y resistencias impresos se comparó con la de los inductores y resistencias SMT. Se utilizaron capacitores SMT en todos los casos, porque las capacitancias requeridas para esta aplicación eran demasiado grandes para lograrlas usando los capacitores impresos.

(a) Diagrama del circuito regulador de voltaje. (b – d) Formas de onda de (b) Vout, (c) Vsw y (d) corriente en el inductor, con voltaje de entrada de 4.0 V y resistencia de carga de 1 kΩ, medidas con un inductor impreso. Para esta medición se utilizaron resistencias y condensadores de montaje superficial. (e) Eficiencia de un circuito regulador de voltaje que utiliza todos los componentes de montaje en superficie frente a uno con inductores y resistencias impresos, para diversas resistencias de carga y voltajes de entrada. (f) Relación de eficiencias de los circuitos impresos y de montaje en superficie que se muestran en (e).

Las formas de onda medidas con un inductor impreso se muestran en las figuras 6b a d, para un voltaje de entrada de 4,0 V y una resistencia de carga de 1000 Ω. La Figura 6c muestra el voltaje en el terminal Vsw del IC; El voltaje del inductor es Vin-Vsw. La Figura 6d muestra la corriente que ingresa al inductor. La eficiencia de los circuitos con SMT y componentes impresos se muestra como una función del voltaje de entrada y la resistencia de carga en la Fig. 6e, la Fig. 6f muestra la relación entre la eficiencia de los componentes impresos y la de los componentes SMT. Las eficiencias medidas con los componentes SMT son similares a los valores esperados indicados en la hoja de datos del fabricante14. A altas corrientes de entrada (baja resistencia de carga y bajo voltaje de entrada), la eficiencia es sustancialmente menor con el inductor impreso que con el inductor SMT debido a la mayor resistencia en serie. Sin embargo, con un voltaje de entrada más alto y una corriente de salida más alta, las pérdidas resistivas se vuelven menos significativas y el rendimiento con el inductor impreso comienza a acercarse al del inductor SMT. Para resistencias de carga >500 Ω con Vin = 4,0 V, o >750 Ω con Vin = 3,5 V, la eficiencia con el inductor impreso es >85 % del inductor SMT.

La comparación de la forma de onda actual en la Fig. 6d con la pérdida de potencia medida muestra que las pérdidas resistivas en el inductor son las principales responsables de la diferencia en eficiencia entre los circuitos impresos y SMT, como se esperaba. La potencia de entrada y salida medida para un voltaje de entrada de 4,0 V y una resistencia de carga de 1000 Ω fue de 30,4 mW y 25,8 mW para el circuito con componentes SMT y de 33,1 mW y 25,2 mW para el circuito con componentes impresos, respectivamente. Por tanto, la pérdida en el circuito impreso es de 7,9 mW, 3,4 mW mayor que en el circuito con componentes SMT. La corriente RMS del inductor calculada a partir de la forma de onda en la Fig. 6d es 25,6 mA, lo que da una pérdida de potencia esperada de 3,2 mW debido a su resistencia en serie de 4,9 Ω. Esto es el 96% de la diferencia medida de 3,4 mW en potencia de CC. Además, los circuitos se fabricaron con un inductor impreso y resistencias impresas, así como un inductor impreso y resistencias SMT y no se observó ninguna diferencia significativa en la eficiencia entre ellos.

Luego se fabricó un regulador de voltaje en una PCB flexible (el rendimiento de este circuito con componentes impresos frente a SMT se muestra en la figura complementaria S1) y se conectó entre una batería flexible de iones de litio como fuente y una serie de OLED como carga. . Los OLED se fabricaron según Lochner et al.9 y cada píxel OLED consumió 0,6 mA a 5 V. La batería empleó óxido de cobalto de litio y grafito, respectivamente, como cátodo y ánodo y se fabricó mediante recubrimiento de cuchilla, el método de impresión de batería más común. 7 La capacidad de la batería era de 16 mAh y su voltaje era de 4,0 V en el momento de la prueba. La Figura 7 muestra una fotografía del circuito en una PCB flexible, que alimenta tres píxeles OLED conectados en paralelo. Esta demostración muestra el potencial de los componentes de potencia impresos para integrarse con otros dispositivos flexibles y orgánicos para formar sistemas electrónicos más complejos.

Fotografía de un circuito regulador de voltaje en PCB flexible que utiliza inductores y resistencias impresos y una batería de iones de litio flexible para alimentar tres LED orgánicos.

Hemos realizado demostraciones de inductores, condensadores y resistencias serigrafiados con una variedad de valores sobre sustratos de PET flexibles, con el objetivo de reemplazar los componentes de montaje superficial en la electrónica de potencia. Hemos demostrado que la resistencia de los inductores, que es de gran preocupación para la electrónica de potencia, se puede reducir en más de un orden de magnitud diseñando la espiral con un diámetro, una relación de llenado y una relación ancho de línea-ancho de espacio grandes y usando un capa gruesa de tinta de baja resistividad. Los componentes se integraron en un circuito RLC flexible y completamente impreso y muestran un comportamiento eléctrico predecible en el rango de frecuencia kHz-MHz que es de mayor interés para la electrónica de potencia.

Un caso de uso típico para la electrónica de potencia impresa sería un sistema electrónico flexible portátil o integrado en un producto alimentado por una batería recargable flexible, como la de iones de litio, que produce un voltaje variable dependiendo de su estado de carga. Si las cargas, que incluirían dispositivos electrónicos impresos y orgánicos, requieren un voltaje constante o uno que sea superior a la salida de la batería, se necesita un regulador de voltaje. Por esta razón, el inductor impreso y las resistencias se integraron en un regulador elevador de voltaje junto con un circuito integrado de silicio convencional, que se usó para alimentar OLED a un voltaje constante de 5 V desde una fuente de batería de voltaje variable. La eficiencia del circuito superó el 85% de la de un circuito de control que utiliza inductores y resistencias de montaje superficial en una variedad de corrientes de carga y voltajes de entrada. A pesar de la optimización del material y la geometría, las pérdidas resistivas en el inductor siguieron siendo el factor limitante del rendimiento del circuito a altos niveles de corriente (corriente de entrada superior a aproximadamente 10 mA). Sin embargo, a corrientes más bajas, las pérdidas en el inductor se redujeron y el rendimiento general quedó limitado por la eficiencia del CI. Dado que muchos dispositivos impresos y orgánicos requieren corrientes relativamente bajas, como los pequeños OLED utilizados en nuestra demostración, el inductor de potencia impreso puede considerarse apropiado para este tipo de aplicación. Se puede lograr una mayor eficiencia general del convertidor utilizando un IC diseñado para tener la mayor eficiencia a niveles de corriente más bajos.

En este trabajo, los reguladores de voltaje se construyeron sobre PCB convencionales, PCB flexibles y técnicas de soldadura para los componentes de montaje en superficie y los componentes impresos se fabricaron en sustratos separados. Sin embargo, las bajas temperaturas y las tintas de alta viscosidad utilizadas para producir películas serigrafiadas deberían permitir que los componentes pasivos, así como las interconexiones entre dispositivos y almohadillas de contacto para componentes de montaje en superficie, se impriman en sustratos arbitrarios. Esto, combinado con el uso de adhesivos conductores de baja temperatura existentes para los componentes de montaje en superficie, permitiría construir todo el circuito, sin procesos sustractivos como el grabado de PCB, sobre un sustrato económico como el PET. Por lo tanto, los componentes pasivos serigrafiados desarrollados en este trabajo ayudan a allanar el camino para sistemas electrónicos flexibles que integran fuentes de energía y cargas con electrónica de potencia de alto rendimiento, utilizando sustratos económicos, principalmente procesos aditivos y un número mínimo de componentes de montaje en superficie.

Todas las capas de los componentes pasivos se serigrafiaron sobre sustratos de PET flexibles, de 76 µm de espesor, utilizando una impresora de serigrafía Asys ASP01M y pantallas de acero inoxidable suministradas por Dynamesh Inc. El tamaño de malla fue de 400 hilos por pulgada para las capas metálicas y 250 hilos por pulgada. para las capas dieléctrica y de resistencia. La serigrafía se realizó utilizando una fuerza de rasqueta de 55 N, una velocidad de impresión de 60 mm/s, una distancia de corte de 1,5 mm y rasquetas Serilor con una dureza de 65 durómetro (para capas de metal y resistencia) o 75 durómetro (para capa dieléctrica). .

Las capas conductoras (inductores y contactos de los condensadores y resistencias) se imprimieron con tinta de microescamas de plata Dupont 5082 o Dupont 5064H. Las resistencias se imprimieron a partir de un conductor de carbono Dupont 7082. Para el dieléctrico del condensador, se utilizó el dieléctrico de titanato de bario Conductive Compounds BT-101. Cada capa de dieléctrico se produjo utilizando un ciclo de impresión de doble paso (húmedo-húmedo) para mejorar la uniformidad de la película. Para cada componente, se examinó el efecto de múltiples ciclos de impresión sobre el rendimiento y la variabilidad de los componentes. Las muestras hechas con múltiples capas del mismo material se dejaron secar durante 2 minutos a 70 °C entre capas. Después de la capa final de cada material, las muestras se hornearon a 140 °C durante 10 minutos para asegurar un secado completo. Se utilizó la función de alineación automática de la impresora de pantalla para alinear las capas posteriores. Los contactos con el centro del inductor se realizaron cortando una vía en la almohadilla central e imprimiendo un trazo en la parte posterior del sustrato con tinta Dupont 5064H. Las interconexiones entre dispositivos impresos también se imprimieron con una plantilla Dupont 5064H. Para la demostración de componentes impresos y componentes SMT juntos en una PCB flexible que se muestra en la Fig. 7, los componentes impresos se conectaron utilizando epoxi conductor Circuit Works CW2400 y los componentes SMT se conectaron mediante soldadura convencional.

Los electrodos a base de óxido de cobalto de litio (LCO) y grafito sirvieron como cátodo y ánodo para la batería, respectivamente. La suspensión para el cátodo era una mezcla de 80% en peso de LCO (MTI Corp.), 7,5% en peso de grafito (KS6, Timcal), 2,5% en peso de negro de carbón (Super P, Timcal) y 10% en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF, Kureha Corp. .) y para el ánodo había una mezcla de 84% en peso de grafito, 4% en peso de negro de carbón y 13% en peso de PVDF. Se usó N-metil-2-pirrolidona (NMP, Sigma Aldrich) para disolver el aglutinante de PVDF y dispersar la suspensión. Las suspensiones se homogeneizaron agitando durante la noche con un mezclador de vórtice. Una lámina de acero inoxidable de 0,0005” de espesor y una lámina de níquel de 10 μm sirvieron como colectores de corriente para el cátodo y el ánodo, respectivamente. Las tintas se imprimieron en el colector de corriente con una rasqueta a una velocidad de impresión de 20 mm/s. Los electrodos se calentaron en un horno a 80 °C durante 2 horas para eliminar el disolvente. La altura del electrodo después del secado fue de ~60 μm, lo que dio como resultado una capacidad teórica de 1,65 mAh/cm2 basada en el peso del material activo. Los electrodos se cortaron a una dimensión de 1,3 × 1,3 cm2 y se calentaron durante la noche en un horno de vacío a 140 °C antes de sellarlos con una bolsa laminada de aluminio en una caja de guantes llena de nitrógeno. Una membrana a base de polipropileno separada con ánodo y cátodo y una solución de LiPF6 1 M en EC/DEC (1:1) sirvió como electrolito para la batería.

Los OLED verdes se fabricaron a partir de una mezcla de poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) y poli((9,9-dioctilfluoreno-2,7-diil)-alt- (2,1,3-benzotiadiazol-4,8-diil))(F8BT), según el procedimiento descrito en Lochner et al.9.

El espesor de la película se midió con un perfilómetro de aguja Dektak. Las películas se cortaron para preparar muestras transversales para un estudio mediante microscopio electrónico de barrido (SEM). Se utilizó un SEM con pistola de emisión de campo (FEG) FEI Quanta 3D para caracterizar la estructura de las películas impresas y confirmar las mediciones de espesor. El estudio SEM se llevó a cabo bajo un voltaje de aceleración de 20 keV y una distancia de trabajo típica de 10 mm.

Las resistencias, voltajes y corrientes de CC se midieron con un multímetro digital. La impedancia de CA de inductores, condensadores y circuitos se midió con un medidor LCR Agilent E4980 para frecuencias inferiores a 1 MHz y un analizador de redes Agilent E5061A para frecuencias superiores a 500 kHz. Las formas de onda del regulador de voltaje se midieron con un osciloscopio Tektronix TDS 5034.

Cómo citar este artículo: Ostfeld, AE et al. Componentes pasivos serigrafiados para electrónica de potencia flexible. Ciencia. Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).

Nathan, A. y otros. Electrónica flexible: la próxima plataforma ubicua. Proc. IEEE 100, 1486-1517 (2012).

Artículo de Google Scholar

Rabaey, JM La intranet humana: donde se encuentran los enjambres y los humanos. Trabajo presentado en la Conferencia y Exposición de Diseño, Automatización y Pruebas en Europa de 2015, Grenoble, Francia. San José, CA, EE.UU.: Consorcio EDA. 637-640 (2015, 9-13 de marzo).

Krebs, FC y col. El demostrador OE-A OPV anno domini 2011. Energy Environ. Ciencia. 4, 4116–4123 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK y Hübler, AC Dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica impresa. Adv. Materia energética. 4, 1300427 (2014).

Artículo de Google Scholar

Chen, A., Madan, D., Wright, PK y Evans, JW Generadores de energía termoeléctrica planos de película gruesa impresos con dispensador. J. Micromecánica Microingeniería 21, 104006 (2011).

ADS del artículo Google Scholar

Gaikwad, AM, Steinart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE y Whiting, GL Una batería impresa flexible de alto potencial para alimentar dispositivos electrónicos impresos. Aplica. Física. Letón. 102, 233302 (2013).

ADS del artículo Google Scholar

Gaikwad, AM, Arias, AC & Steinart, DA Avances recientes en baterías flexibles impresas: desafíos mecánicos, tecnologías de impresión y perspectivas de futuro. Tecnología energética. 3, 305–328 (2015).

Artículo de Google Scholar

Hu, Y. et al. Sistema de detección a gran escala que combina electrónica de área grande y circuitos integrados CMOS para monitorear el estado estructural. IEEE J. Circuitos de estado sólido 49, 513–523 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Lochner, CM, Khan, Y., Pierre, A. y Arias, AC Sensor optoelectrónico totalmente orgánico para oximetría de pulso. Nat. Comunitario. 5, 5745 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jung, Y. et al. Etiqueta de voltamperometría cíclica inalámbrica, flexible y desechable, totalmente impresa. Ciencia. Rep. 5, 8105 (2015).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Swisher, SL et al. El dispositivo sensor de impedancia permite la detección temprana de úlceras por presión in vivo. Nat. Comunitario. 6, 6575 (2015).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Voutilainen, J.-V., Happonen, T., Hakkinen, J. & Fabritius, T. Sensor de temperatura legible de forma remota a base de polímero serigrafiado. IEEE Sens. J. 15, 723–733 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Sandström, A., Dam, HF, Krebs, FC y Edman, L. Fabricación ambiental de dispositivos emisores de luz orgánicos flexibles y de gran superficie utilizando revestimiento de ranura. Nat. Comunitario. 3, 1002 (2012).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Hoja de datos de Microchip Technology Inc. MCP1640/B/C/D. < http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20002234c.pdf>, (2014). Fecha de acceso: 14 de mayo de 2015.

Perelaer, J. et al. Electrónica impresa: los desafíos que implican los dispositivos de impresión, interconexiones y contactos basados en materiales inorgánicos. J. Mater. Química. 20, 8446–8453 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Arias, AC et al. Placas posteriores de pantalla impresas con inyección de tinta totalmente aditiva: desarrollo e integración de materiales. J. Soc. inf. Disp. 15, 485–490 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Miettinen, J. y col. Diseño y fabricación de sistema en paquete impreso por inyección de tinta. Microelectrónica J. 39, 1740-1750 (2008).

Artículo de Google Scholar

Subramanian, V. et al. Electrónica impresa para sistemas electrónicos de bajo costo: estado de la tecnología y desarrollo de aplicaciones. Documento presentado en ESSDERC 2008–38ª Conferencia Europea de Investigación sobre Dispositivos de Estado Sólido, Edimburgo, Reino Unido. IEEE. 17–24. doi:10.1109/ESSDERC.2008.4681691 (2008, 15-19 de septiembre).

Liu, J. y col. Futuras placas de circuito impreso en papel para electrónica ecológica: fabricación y evaluación del ciclo de vida. Entorno energético. Ciencia. 7, 3674–3682 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Forrest, SR El camino hacia aparatos electrónicos orgánicos de plástico ubicuos y de bajo costo. Naturaleza 428, 911–918 (2004).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ben-Salah Akin, M., Rissing, L. y Heumann, W. Habilitación de la soldadura eutéctica de optoelectrónica 3D en polímeros flexibles de baja Tg. Documento presentado en la 64ª Conferencia de Tecnología y Componentes Electrónicos (ECTC) de IEEE de 2014, Orlando, FL, EE. UU. IEEE. 1595-1600. doi:10.1109/ECTC.2014.6897507 (27-30 de mayo de 2014).

Putaala, J. et al. Fiabilidad de las interconexiones SMD sobre sustratos flexibles de baja temperatura con conductores impresos por inyección de tinta. Microelectrón. Confiable. 54, 272–280 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Eshkeiti, A. y col. Serigrafía de placas de circuitos impresos híbridos multicapa sobre diferentes sustratos. Traducción IEEE. Componentes, Paquete. Fabricante. Tecnología. 5, 415–421 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Khan, S., Dahiya, R. y Lorenzelli, L. Tecnologías para la impresión de sensores y electrónica sobre grandes sustratos flexibles: una revisión. IEEE Sens. J. 15, 3164–3185 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Nilsson, H.-E. et al. Integración del sistema de funciones electrónicas en aplicaciones de embalaje inteligente. Traducción IEEE. Componentes, Paquete. Fabricante. Tecnología. 2, 1723-1734 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Bidoki, SM, Nouri, J. & Heidari, AA Componentes del circuito depositado por inyección de tinta. J. Micromecánica Microingeniería 20, 055023 (2010).

ADS del artículo Google Scholar

Redinger, D., Molesa, S., Yin, S., Farschi, R. y Subramanian, V. Un proceso de componentes pasivos depositados por chorro de tinta para RFID. Traducción IEEE. Dispositivos electrónicos 51, 1978–1983 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Lim, N., Kim, J., Lee, S., Kim, N. y Cho, G. Etiquetas resonantes serigrafiadas para etiquetas electrónicas de vigilancia de artículos. Traducción IEEE. Adv. Paquete. 32, 72–76 (2009).

Artículo de Google Scholar

Leung, SYY & Lam, DCC Rendimiento de una antena RFID impresa a base de polímero en una superficie curvilínea. Traducción IEEE. Electrón. Paquete. Fabricante. 30, 200–205 (2007).

Artículo de Google Scholar

Park, H. y col. Rectina impresa en huecograbado completamente rollo a rollo sobre láminas de plástico para transmisión de energía inalámbrica a 13,56 MHz. Nanotecnología 23, 344006 (2012).

Artículo PubMed Google Scholar

McKerricher, G., Perez, JG y Shamim, A. Inductores y condensadores de RF totalmente impresos con inyección de tinta que utilizan dieléctrico de polímero y tinta conductora de plata con vías pasantes. Traducción IEEE. Dispositivos electrónicos 62, 1002–1009 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kim, Y., Kim, H. y Yoo, H.-J. Caracterización eléctrica de circuitos serigrafiados sobre tejido. Traducción IEEE. Adv. Paquete. 33, 196-205 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Kang, BJ, Lee, CK y Oh, JH Fabricación de circuitos y componentes eléctricos impresos mediante inyección de tinta sobre un sustrato de plástico. Microelectrón. Ing. 97, 251–254 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Chang, J., Zhang, X., Ge, T. y Zhou, J. Electrónica totalmente impresa sobre sustratos flexibles: amplificadores de alta ganancia y DAC. Org. Electrón. 15, 701–710 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Mohan, SS, del Mar Hershenson, M., Boyd, SP y Lee, TH Expresiones simples y precisas para inductancias espirales planas. IEEE J. Circuitos de estado sólido 34, 1419–1424 (1999).

ADS del artículo Google Scholar

Stojanovic, G. & Zivanov, L. Comparación del diseño óptimo de diferentes inductores en espiral. Documento presentado en la 24ª Conferencia Internacional sobre Microelectrónica de 2004, Serbia y Montenegro. IEEE. 2, 613–616 (2004, 16-19 de mayo).

Reboun, J., Blecha, T., Syrovy, T., Hamacek, A. y Shlykevich, A. Componentes pasivos impresos para etiquetas RFID. Trabajo presentado en la 5ª Conferencia sobre tecnología de integración de sistemas electrónicos (ESTC), Helsinki, Finlandia. IEEE. 1–5 (2014, 16-18 de septiembre).

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias bajo el Acuerdo Cooperativo No. ECCS-1202189. AEO y CML recibieron el apoyo del Programa de becas de investigación para graduados de NSF bajo la subvención n.° 1106400. Agradecemos a Cambridge Display Technology Limited (CDT) por el suministro de materiales OLED y a la Dra. Anita Flynn, el Dr. Balthazar Lechêne, Joseph Corea y Yasser Khan por su útil asistencia técnica. discusiones.

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad de California, Berkeley, California, 94720, EE. UU.

Aminy E. Ostfeld, Igal Deckman, Abhinav M. Gaikwad, Claire M. Lochner y Ana C. Arias

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

AEO diseñó y fabricó los circuitos y componentes pasivos y realizó la caracterización eléctrica. ID realizó las imágenes SEM. AMG fabricó las baterías. CML fabricó los OLED. AEO escribió el manuscrito, mientras que ACA, ID y AMG contribuyeron al diseño y redacción experimental. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo está bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 International. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; Si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Reimpresiones y permisos

Ostfeld, A., Deckman, I., Gaikwad, A. et al. Componentes pasivos serigrafiados para electrónica de potencia flexible. Representante científico 5, 15959 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15959

Descargar cita

Recibido: 20 de agosto de 2015

Aceptado: 05 de octubre de 2015

Publicado: 30 de octubre de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15959

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Revista internacional de ingeniería y fabricación de precisión: tecnología ecológica (2023)

Revista internacional de tecnología de fabricación avanzada (2020)

Informes Científicos (2019)

Revista de tecnología e investigación de recubrimientos (2018)

Informes científicos (2016)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.