TISK IN ELEKTRONIKA - Naravoslovnotehniška fakulteta · Elementi v elektroniki Analogni: ... transformatorji in elektronike. Elektronska vezja vsebujejo aktivne sestavine, običajno

TISK IN ELEKTRONIKA

Matija Mraović ([email protected])Inštitut za celulozo in papir

Napetost in tok

mailto:([email protected])

Volt in Amper

Električni tok je definiran kot količina naboja, ki v danem časovnem intervalu preteče skozi dani presek.

Električna napetost nam pove, koliko dela je potrebno opraviti za premik neke elektrine po neki poti v električnem polju.

Enota za napetost je Volt [V]

Enota za tok je Amper [A]

Volt vs Amper = OhmRazmerje med napetostjo in tokom določa električna upornost.

R = U / I [Ω]

Volt * Amper = Watt(Moč)

P = U * I [W]

Električni tok s pretakanjem skozi snov proizvaja toplotni učinek oz. segreva tvarino, skozi katero se pretaka. Prav tako lahko ustvarja tudi magnetni, kemični ali mehanski učinek – ta učinek bo toliko močnejši, kolikor je večji zmnožek jakosti toka in napetosti, ki je ta tok pognal skozi tokokrog. Ta zmnožek se zato imenuje moč ali električni učinek toka. Veličino moči označujemo s P, enote moči pa se izražajo v vatih (krajšava W). Vat se mestoma imenuje tudi voltamper (VA), čeprav naziva glede na pomen nista povsem istovetna.

Moč 1 W proizvaja tok moči 1 A tedaj, ko je ustvarjena s pomočjo napetosti 1 V – oz. porabnik, ki je skozenj pod napetostjo 1 V pretekel tok jakosti 1 A, troši 1 W moči.

Elementi v elektroniki

Analogni:• Upor• Kondenzator• Tuljava• Dioda• Tranzistor• …

Digitalni:• Logična vezja• Mikroprocesorji• (Mikro)računalniki• …0 in 1(RFID, Internet, „pamet“)

Upor

U/I karakteristika je linearna

Mehanska analogija: Trenje, zračni upor…

Kondenzator (kapacitivnost)Kondenzator je elektrotehniški element,ki lahko shranjuje energijo v oblikielektričnega polja.

Količino shranjene energije imenujemokapacitivnost, kjer so enote Faradi.

Mehanska analogija: vzmet

Tuljava (induktivnost)Dušilka, navitje ali tuljava je elektronski element z dvema priključkoma, katerega glavna značilnost je induktivnost.

Induktivnost

Mehanska analogija: masa

TransformatorTransformator je statična električna naprava, ki preoblikuje (transformira) električno energijo ene izmenične napetosti in enega izmeničnega toka v električno energijo druge izmenične napetosti in drugega izmeničnega toka iste frekvence. Je najenostavnejši električni stroj.

PolprevodnikiPolprevodnik je monokristalna snov, ki ima brez dovedene energije lastnosti električnega izolatorja, pri dovolj veliki dovedeni energiji pa ima lastnosti slabega električnega prevodnika. Od tod tudi njegovo ime. Uporabljajo se za izdelavo nelinearnih elektronskih elementov (dioda, tranzistor, čip, triak,...). Sodobne elektronike si ne moremo zamišljati brez polprevodnikov. Najbolj znan polprevodnik v elektroniki je silicij, uporablja pa se tudi germanij.

Dioda

TranzistorTranzistor je polprevodniški elektronski element s tremi priključki, ki ga uporabljamo za ojačevanje, preklapljanje, uravnavanje napetosti, modulacijo signalov in v številne druge namene. Je eden ključnih gradnikov sodobne elektronike in uporabljen v praktično vsaki elektronski napravi.

Električno vezjeElektrično vezje je sestavljeno iz najmanj enega vira električne energije, enega porabnika in vodnikov, ki povezujejo porabnik in vir.

Sestavin v električnem krogu je lahko več oblik, ki lahko vključujejo elemente, kot so upori, kondenzatorji,stikala, transformatorji in elektronike. Elektronska vezja vsebujejo aktivne sestavine, običajno polprevodnike in po navadi kažejo nelinearno obnašanje, ki zahteva kompleksne analize. Najenostavnejši električni sestavni deli so tisti, ki se označijo kot pasivni in linearni.

Izdelava vezja

Tiskanina

Tiskanina

Polaganje elementov

Avtomatizirana izdelava PCBjev

Integrirana vezja (čipi)

What is?q Intelligent packagingqMeta-paper / Frequency Selective Screen

22

Interdisciplinary approach:

• Paper science,• Graphical science,• Physics, • Chemistry,• Biology,• Electronics,• Management,• …

New designs,New materials,Nanomaterials?

Printed antennas, sensors

Printed displays,indicators

Intelligent packaging

Includes:q Internal and external sensing q Monitoring of parameters vital for the goods insideq Parameter recording and storing for later analysis (optimization)q Shelf life calculationq Communicationq Protection (anti-tampering, anti-counterfitting, damaged…)q Transport and storage monitoringq Life cycle monitoring

23


TRENDI RAZVOJA

Bar code >>>> RFID

24

QR code + mobile phone§ extra info§ web shopping, marketing§ …


PRINTED ELECTRONICS§ Flexible materials (paper, carton, foil…)§ Functional printing inks§ Conventional printing (not same perspective)§ Passive electronic components (antennas, sensors …)§ Active electronic components (displays, ICs …)


prev

odna

TB

Printed electronics– functional inksConventional print (illusion)

– (CMYK) …

PRINTED ELECTRONICS


PRINTED HUMIDITY SENSORS§ Capacitive humidity sensors§ Gas sensor modification (functional coating)§ RFID sensor platform


28

FABRICATED WITH SCREEN PRINTING• Commercial conductive ink (polymer with

silver micro/nano-particles)• Heat curing• Simple to fabricate• Low resolution• Surface roughness• Issue with electrical contacts

TWO SENSOR TYPES• Lateral (comb) type capacitor - A• Flat plate capacitor – B

SENSOR DIMENSIONS• 1X1 CM (A,B)• 2X2 CM (A,B)• 3X3 CM (A,B)• ARRAYS WITH ALL DIMENSIONS

OF BASE TYPE SENSORS.

29

1x1 cm

2x2 cm

3x3 cm

3x3 cm array

2x2 array 1x1 array

Flat plate

1x1 cm 2x2 cm

Layout of the printing form

30

MAIN GOALS:• Design and fabricate capacitive humidity

sensors of different geometry andconfiguration.

• Test sensors on different cellulose based substrates.

• Find the optimum design (electrically and economically) for future work.

The ultimate goal is to fabricate a RFID enabled system with screen printed sensors for use in smart packaging applications.

Substrates and sensor labelingVimax (recycled paper) C1 (1×1 cm), C2 (2×2 cm), C3 (3×3 cm); comb typeM-Liner (cardboard) K1 (1×1 cm), K2 (2×2 cm), K3 (3×3 cm); comb typePackPro (food packaging paper) V2 (2×2 cm); comb typePoly-carbonate foil PC (2×2 cm); comb type

ASSUMPTION:SENSOR RESPONSE IS A FUNCTION OF SUBSTRATE.

31

Testing in the humidity chamber at the Faculty of electrical engineering, Ljubljana

CONSTANT TEMPERATURE: T = 23°CRELATIVE HUMIDITY RANGE: 35 % - 80 % Rh

MEASURING QUANTITIES:• CAPACITANCE [F]• CONDUCTANCE [S]4 MEASUREMENT SERIES:

From low (35 % Rh) to high (80 % Rh) – 5 % Rh step, step duration 1hFrom high to low – 5 % Rh step, step duration 1hCycling the Rh from 35 % - 80 % - 40 % Rh – 10 % Rh step, 1hCycling the Rh from 80 % - 35 % - 70 % Rh – 10 % Rh step, 1h• Can track up to 16 sensors simultaneously with arbitrary period ( 30s ).

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

x 10-10

Cap

acita

nce

[F]

Time response

11:17 12:34 13:35 14:39 15:42 16:44 17:45 18:52 20:01 21:10 22:20

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

Time

Rh

[%]

C1C2C3K1K2K3PCV2RhSetRh

32

Time response plotDATA FROM CYCLING MEASUREMENT (35 % - 80 % - 40 % RH)• Lazy and lower response at low Rh (< 50 % Rh)• Saturation and over response at Rh > 80 %

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 800

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5x 10-10

Rh [%]

Cap

acita

nce

[F]

Capacitance vs Rh

C1C2C3K1K2K3PC2V2

33

C vs Rh plotDATA FROM CYCLING MEASUREMENT (35 % - 80 % - 40 % RH)• Logarithmic response type• Hysteresis (evident at Rh > ~60 % Rh) higher capacitance with

moist sensor (from 80 % to 40 % Rh) lower capacitance with dry sensor (from 35 % to 80 % Rh)

40 45 50 55 60 65 70 75 800

10

20

30

40

50

60

Rh [%]

SR [%

]

Relative sensitivity (SR)

C1dry

C1moist

C2dry

C2moist

C3dry

C3moist

K1dry

K1moist

K2dry

K2moist

K3dry

K3moist

PC2dry

PC2moist

V2dry

V2moist

P2dry

P2moist

34

Relative sensitivity plot: SR vs RhDATA FROM CYCLING MEASUREMENT (35 % - 80 % - 40 % RH)• All sensors in the same region of sensitivity (also P-C foil)• More sensitive when moist

35

In conclusion:• SENSOR RESPONSE IS NOT A FUNCTION OF SUBSTRATE, IT'S

A FUNCTION OF CONDUCTIVE INK (POLYMER).• LOGARITHMIC RESPONSE.• HYSTERESIS.• REPEATABILITY IS POOR.• CAN BE USED FOR SIMPLE APPLICATIONS WHERE IT'S ONLY

IMPORTANT TO DISTINGUISH BETWEEN DRY AND WET.• CHEAP (MASS PRODUCIBLE), EASILY FABRICATED AND

INTEGRATED INTO PRODUCTS (EG. PACKAGING).

PROBLEMS• ENERGY SUPPLY• ELECTRICAL CONTACTS

META-PAPER / FREQUENCY SELECTIVE SCREEN

• The frequency selective surfaces (FSS) are periodic structures in either one or two dimensions which perform a filter operation. Depending on their construction, material and geometry, they are divided into low-pass, high-pass, band-pass and band-stop filters.

363D 2D - printed


APPLICATIONS• Frequency splitting• Cassegrain reflectors• Frequency filtering (reflecting)• EM radiation protection• Wireless data protection• Antenna power directing• IR radiation reflecting• …

37


STRUCTURE (2D – PRINTED)• Periodic conducting patterns (meta-cells)• Dimensions proportional to wave-length• Passive antenna (reflector) analysis approach

38


META-CELL

39


MEASUREMENT RESULTS• Screen-printing Ag-ink• Operation @ 3,0 GHz

40


41


• IR reflector (~10 micron print?)• Printed antennas (radar, Wi-Fi; performance?)• Cheap solutions (maritime, cars…)

42

ALL ACHIEVABLE BY PRINT!

• Intelligent packaging / electronic components• Meta-paper (fundamental physical property of

paper altered)

43

ACKNOWLEDGEMENT:Thanks to Vipap d.d., for supporting and fully financing the meta-paper research.

Elektroluminiscentni zasloni

44

Elektroluminiscentni zasloni

45

Kapacitivna stikala

46

47

48

Prihodnost

49

• Novi materiali• Tiskani tranzistorji (polprevodniki)• Tiskana integrirana vezja• Tiskani računalniki (paralelni)• MEMs

Documents

TISK IN ELEKTRONIKA - Naravoslovnotehniška fakulteta · Elementi v elektroniki Analogni: ... transformatorji in elektronike. Elektronska vezja vsebujejo aktivne sestavine, običajno