Componentes passivos impressos em tela para eletrônica de potência flexível

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15959 (2015) Citar este artigo

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Os processos de impressão aditiva e de baixa temperatura permitem a integração de diversos dispositivos eletrônicos, tanto de alimentação quanto de consumo de energia, em substratos flexíveis a baixo custo. A produção de um sistema eletrônico completo a partir desses dispositivos, no entanto, muitas vezes requer eletrônica de potência para converter entre as várias tensões operacionais dos dispositivos. Componentes passivos - indutores, capacitores e resistores - executam funções como filtragem, armazenamento de energia de curto prazo e medição de tensão, que são vitais em eletrônica de potência e muitas outras aplicações. Neste artigo, apresentamos indutores, capacitores, resistores e um circuito RLC impressos em tela em substratos plásticos flexíveis e relatamos o processo de projeto para minimização da resistência em série do indutor que permite seu uso em eletrônica de potência. Indutores e resistores impressos são então incorporados a um circuito regulador de tensão elevador. Diodos emissores de luz orgânicos e uma bateria de íon de lítio flexível são fabricados e o regulador de tensão é usado para alimentar os diodos da bateria, demonstrando o potencial de componentes passivos impressos para substituir componentes convencionais de montagem em superfície em uma aplicação de conversor DC-DC.

Nos últimos anos, houve o desenvolvimento de uma ampla variedade de dispositivos flexíveis para aplicações em eletrônicos vestíveis e de grande área e na Internet das Coisas1,2. Isso inclui dispositivos de coleta de energia, como fotovoltaicos3, piezoelétricos4 e termoelétricos5; dispositivos de armazenamento de energia como baterias6,7; e dispositivos que consomem energia, como sensores8,9,10,11,12 e fontes de luz13. Embora um grande progresso tenha sido feito nas fontes e cargas de energia individuais, a combinação desses componentes em um sistema eletrônico completo normalmente também requer eletrônica de potência para superar qualquer incompatibilidade entre o comportamento da fonte e os requisitos das cargas. Por exemplo, as baterias produzem uma tensão variável dependente de seu estado de carga. Se uma carga requer uma voltagem constante, ou uma voltagem mais alta do que a bateria pode produzir, a eletrônica de potência é necessária. A eletrônica de potência usa componentes ativos, transistores, para executar funções de comutação e controle, bem como componentes passivos - indutores, capacitores e resistores. Em um circuito regulador de tensão de comutação, por exemplo, indutores são empregados para armazenar energia durante cada ciclo de comutação, capacitores são usados ​​para reduzir a ondulação de tensão e a medição de tensão necessária para controle de realimentação é realizada usando um divisor de resistor.

Eletrônica de potência apropriada para as demandas de dispositivos vestíveis, como o oxímetro de pulso9, que requer alguns volts e alguns miliamperes, normalmente opera em frequências na faixa de centenas de kHz a alguns MHz e requer indutância e capacitância de vários μH e vários μF, respectivamente14. A abordagem convencional para fabricar esses circuitos é soldar componentes discretos em uma placa de circuito impresso (PCB) rígida. Enquanto os componentes ativos de um circuito eletrônico de potência são frequentemente combinados em um único circuito integrado de silício (IC), os componentes passivos são geralmente externos, seja para permitir a personalização do circuito ou porque os valores de indutância e capacitância necessários são muito grandes para serem alcançados em silício.

A fabricação de dispositivos e circuitos eletrônicos por processos de impressão aditiva oferece uma série de vantagens em termos de simplicidade e custo quando comparada às técnicas convencionais de fabricação baseadas em PCB. Primeiro, como muitos componentes de um circuito requerem os mesmos materiais, como metal para contatos e interconexões, a impressão permite que vários componentes sejam fabricados simultaneamente, com relativamente poucas etapas de processamento e poucas fontes de materiais15. A substituição de processos subtrativos, como fotolitografia e corrosão, por processos aditivos reduz ainda mais a complexidade do processo, bem como o desperdício de materiais16,17,18,19. Além disso, as baixas temperaturas utilizadas na impressão são compatíveis com substratos plásticos flexíveis e baratos, permitindo que grandes áreas sejam cobertas com eletrônicos usando processos de fabricação rolo a rolo de alta velocidade16,20. Para aplicações que não podem ser totalmente realizadas usando componentes impressos, foram desenvolvidas abordagens híbridas nas quais os componentes da tecnologia de montagem em superfície (SMT) são fixados em baixa temperatura a substratos flexíveis ao lado dos componentes impressos21,22,23. Em tais abordagens híbridas, ainda é desejável substituir tantos componentes SMT quanto possível por suas contrapartes impressas para colher os benefícios dos processos aditivos e melhorar a flexibilidade geral do circuito. Para alcançar uma eletrônica de potência flexível, propomos uma combinação de componentes ativos SMT e componentes passivos impressos em tela, com ênfase particular na substituição de indutores SMT volumosos por indutores espirais planares. Das várias tecnologias para a fabricação de eletrônicos impressos, a serigrafia é especialmente adequada para componentes passivos por causa de sua grande espessura de filme (necessária para minimizar a resistência em série de recursos metálicos) e sua alta velocidade de impressão, mesmo ao cobrir áreas em escala centimétrica com material24.