Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen, TFCG Voorzitter: Prof. Dr. Ir. J. Van Campenhout
Elastisch verwarmingselement met ingebouwd flexibel display door Thomas De Prycker
Promotoren: Prof. Dr. Ir. J. Vanfleteren, Prof. Dr. Ir. H. De Smet Scriptiebegeleiders: Ir. J. Govaerts, Dr. Ir. F. Axisa
Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk Ingenieur in de Elektrotechniek optie Elektronische Circuits en Systemen Academiejaar 2006–2007
Woord Vooraf De evolutie van de elektronica is een fenomeen. Was het vroeger een geavanceerd rekentoestel dat slechts door enkelen gebruikt werd, de dag van vandaag wordt elektronica gebruikt door iedereen in vele toepassingsdomeinen. En het aantal mogelijkheden blijft verbazingwekkend snel stijgen, dit door de versnelde miniaturisatie van de technologie(wet van Moore), door een prijsdaling en het gebruik van nieuwe technologie¨en. De mogelijkheden zijn als het ware onbeperkt, en het is de onbeperkte mogelijkheid tot nieuwe toepassingen die mij het meest aanspreekt in de elektronica. Het is dan ook logisch dat ik een toepassingsgerichte thesis gekozen heb. Dat ik bij het TFCG beland ben is dan ook geen wonder. Deze groep werkt vaak samen met bedrijven en heeft een ultra moderne cleanroom ter beschikking. Hier wordt onder andere onderzoek gedaan naar technologie¨en die het toelaten elektronica in kledij te verwerken, en zelfs aan te brengen op of onder de huid. Ik geloof zelf in een enorm groei potentieel voor medische elektronica, enerzijds omdat er nog veel mogelijk is, maar vooral omdat de mens bereid is om hier veel geld aan te spenderen. Ik was dan ook heel blij dat er een thesis beschikbaar was die innovatief, praktisch en op de koop toe medisch was. Ik heb dit onderwerp met veel overtuiging gekozen en heb er nooit spijt van gehad. Ik wil dan ook prof. Jan Vanfleteren en prof. Herbert De Smet bedanken voor het aanreiken van deze interessante thesis en voor hun hulp bij de realisatie. De thesis was heel praktisch van aard en regelmatig mocht ik mee de cleanroom in voor productie. Hierbij werd ik vaak geholpen door mijn begeleiders Jonathan Govaerts en Fabrice Axisa, maar ook door vele anderen aan het TFCG. Te veel om op te noemen, maar ik ben hen allen heel dankbaar voor de hulp en voor het gezelschap tijdens het wachten. Ook wil ik prof. Demey voor het gebruik van de infrarood camera. Tot slot zou ik ook mijn ouders, zussen en vriendin willen bedanken voor het nalezen van de thesis, de steun en het geboeid luisteren, ook al was niet alles even duidelijk voor hen. Thomas De Prycker, juni 2006
ii
Toelating tot bruikleen
“De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopi¨eren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.”
Thomas De Prycker, juni 2007
iii
Elastisch verwarmingselement met ingebouwd flexibel display door Thomas De Prycker Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk Ingenieur in de Elektrotechniek optie Elektronische Circuits en Systemen Academiejaar 2006–2007 Promotoren: Prof. Dr. Ir. J. Vanfleteren, Prof. Dr. Ir. H. De Smet Scriptiebegeleiders: Ir. J. Govaerts, Dr. Ir. F. Axisa Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Elektronica en Informatiesystemen, TFCG Voorzitter: Prof. Dr. Ir. J. Van Campenhout
Samenvatting Dit werk onderzoekt of het mogelijk is om een verwarmingselement te produceren gebruik makend van de stretch-technologie ontwikkeld aan het TFCG. Eerst wordt de technologie besproken, vervolgens wordt er aangetoond dat het mogelijk is om warmte te produceren. De hoeveelheid warmte wordt geanalyseerd en uitgaande van deze kennis wordt een verwarmingselement ontwikkeld met een uniforme warmte verdeling. De bereikte temperatuur wordt aangegeven op een rekbaar scherm.
Trefwoorden flexibel, rekbaar, stretch, verwarmingselement, simulatie, warmteverdeling, vermogen
iv
Stretchable heater with build-in flexible display Thomas De Prycker Supervisor(s): Jan Vanfleteren, Herbert De Smet, Jonathan Govaerts, Fabrice Axisa Abstract—This article explains the design of a stretchable heater with a uniform heat distribution to be used in medical applications. It compares the simulations done in Spice and the results achieved with real prototypes. The dimensioning of the resistor network has been optimized to avoid hot spots. Recommendations are given on the dimensioning and layout of the resistor network. A fairly good distribution of the heat is achieved making the device usable for applications in the medical domain. The design also includes a led display made in the same stretchable technology on which the temperature of the device is shown. Keywords—Stretchable heater, flexible display, heat dissipation, simulation
I. I NTRODUCTION
A
T the university of Ghent, a technology is being developed to produce stretchable electronics. This technology makes it possible to incorporate electronics in clothing or to place the electronics on the human skin. In this summary the production of a uniform and reliable heater using the stretchable technology will be discussed. The stretch technology embeds copper wires in silicones. Those wires are stretchable thanks to the meandering structure of the copper (fig 1). First we will prove that it is possible to generate heat using the stretch technology. This heat will be generated by sending current through the copper. The relation between heat and simulated power, as well as the temperature distribution, is studied. Next, the design of a heater will be discussed. This heater has been designed to ensure a uniform temperature distribution and reliable behavior. The temperature of the heater will be shown on a stretchable led display.
to predict the behavior of the system. B. Effect of the silicones As the heater will be embedded in silicones, the effect of the temperature distribution on the heater with silicones is very important too. In figure 2 (B) an IR picture is shown of the heater with silicones. Figure 2 (A) and (B) are the same heaters, have the same current but figure 2 (A) is without silicones and (B) is with silicones. The silicones affect the temperature profile in 2 ways. First it can be seen that the temperature in the middle of the heater is more uniform. The cold spot in the middle of the heater is less cold and the hot circle around the cold spot is colder. The thermoconductive silicones transfer the heat from a hot spot to a cold spot, which gives a more uniform heat distribution. Second, the hot spot at the interconnection is bigger and hotter. The fact that it is bigger can be explained by the heat transfer as mentioned above. The higher temperature can be explained by the high thermocapacity of the silicones. The silicones store the heat, the heater without silicones has only air so the heat can be removed faster. The conclusion with respect to the silicones is: small hot spots and cold spots can be removed, if there is thermoconductive silicones on the heater. Bigger hot spots will become bigger and more hot. 0, 15W/cm2 0, 135W/cm2
0, 12W/cm2
0, 105W/cm2
II. T EST H EATER
0, 09W/cm2
0, 075W/cm2
A. Link between heat and power dissipation In figure 2 an IR (infra red) picture of the heater with a current of 2 A is shown. It is very obvious that heat is generated depending on the thickness and layout of the copper. In order to analyze the behavior, we have made a Spice model of the resistor network. The generated power is calculated using this Spice model, where every meander is replaced by its equivalent resistor. This is grafically shown in figure 1. This figure shows the generated power per square cm. The heater generates a temperature by embedding the copper structure in silicones. As we want the heat outside the heater, thermoconductive silicones are used. Those thermoconductive silicones change the heat distribution. As we want to determine the relation between heat and dissipated power, we have taken IR-pictures before the silicones are placed on the copper. This is shown in picture 2 (A). If the IR-picture is compared with the predicted power, than it is very obvious that the places with the highest temperature are the places with the highest predicted power generation and the coldest places are the places with the lowest predicted power generation. That means that the Spice model is a very good tool
0, 06W/cm2
0, 045W/cm2
0, 03W/cm2
0, 015W/cm2
0W/cm2
Fig. 1. Simulated generated power/cm2
III. F INAL DESIGN The goal is to design a uniform reliable heater. The lay-out of the heater is shown in figure 3. On this figure the power distribution is also shown. The power generation is almost uniform, only around the temperature sensor, the power generation is a lot higher than on the rest of the heater. So, using the knowledge described above, we can assume that the heater will have a uniform heat distribution, except around the sensor, where we expect a hot spot. An IR picture of the heater is shown in figure
110 Degrees
200 Degrees
(B) With silicones
(A) Without silicones
(A)
(B)
Fig. 2. IR-picture of the first heater
Fig. 4. (A) IR picture of the final heater, (B) final heater
4 (A). The picture isn’t symmetrical, because during the production a wrong interconnection is made, so that only the right half of the heater is working correctly. The right half of the heater behaves as predicted. The heater reaches a temperature within an interval between 33◦ C and 39◦ C. If the hot spot is not taken into account, the temperature interval is between 33 ◦ C and 36 ◦ C, which is a difference of 3◦ C. The hot spot takes only 10% of the surface, which means that 90% of the heater is in a temperature range of 3 ◦ C. A picture of the heater is shown in figure 4 (B). The heater is designed with a medical application in mind. Therefore, we also tested the effect of the heater when placed on the skin, after being heated with the heater. An IR picture of the skin is shown in figure 5. It shows that the skin, with normally a temperature of 32◦ C, can be heated to a temperature of 39 ◦ C . The hot spot around the temperature sensor is still visible, but less dominant as the skin distributes the heat and produces as such a more uniform heat distribution.
Fig. 5. IR picture of the skin if the heater is placed on the arm.
0,33 W
0,20W
0,18 W
0,16 W
to deliver enough current to drive a 32 led display, so, instead of using directly the processor to drive the leds, an I2 C led driver is used. The processor reads the temperature, converts it, and writes it to the led driver. The temperature is now shown on the display. The production of the display wasn’t ready when this paper was written, but a PCB display has been designed to show that the electronic configuration works. The PCB is shown in figure 6, a heater is connected to the PCB, the temperature of the heater (49 ◦ C) is shown on the display.
0,14 W
0,12 W
0,1 W
0,08 W
0,06 W
0,04 W
0,02 W
0W
Fig. 6. Picture from the led display connected to the heater. Fig. 3. Simulated power of the final heater
V. C ONCLUSION IV. D ISPLAY A heater isn’t very useful if the temperature is unknown, so a temperature sensor is placed on the heater as can be seen in picture 4 (B). In order to show the reached temperature, we have added a system with a display. This system consists of a sensor, a processor and a display. The sensor communicates with the environment using I2 C. A processor reads the temperature measured by the sensor, converts it so it can be shown on the display. The display has to be flexible. Flexible displays were not commercially available so a led display is produced in the same stretch technology as the heater. The processor is not able
Previous results show that it is possible to produce a stretchable heater with a uniform temperature distribution. By optimizing the design close to the temperature sensor it is possible to make it even more uniform. R EFERENCES [1] Dow Corning, http://www.dowcorning.com/ [2] Stretch technology, 3 20Jan 202007 0306 IMAPS UK Vanfleteren 20 5BRead-Only 5D.pdf
Inhoudsopgave Overzicht
iv
Extended abstract
v
1 Inleiding 1.1 Algemeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Practisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 1 1 2
2 Technologie 2.1 Flex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Stretch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Siliconen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 6 12
3 Heater, Eerste ontwerp 3.1 Ontwerp v/e betrouwbaar verwarmingselement 3.2 Simulaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Eerste ontwerp (5x5cm) . . . . . . . . . . . . 3.4 Eerste ontwerp (7x7cm) . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Simulaties . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Metingen . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Conclusies en Resultaten . . . . . . . .
. . . . . . .
14 14 16 16 20 22 28 39
4 Heater: finale ontwerp 4.1 Simulaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Resultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Conclusie en Toekomstpersectief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42 42 45 48
5 Ontwerp van het 5.1 Inleiding . . . 5.2 Werking . . . 5.3 Werking I2 C . 5.4 Resultaten . .
53 53 53 55 57
controlescherm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . . . . .
. . . .
. . . .
Bibliografie
60
Lijst van figuren
61
vii
1 1.1
Inleiding Algemeen
Tegenwoordig wordt er heel veel onderzoek gedaan naar flexibele elektronica. Deze elektronica kan ingebouwd worden in kledij of kan gebruikt worden voor medische toepassingen. Hierbij is het gewenst dat de elektronica plooibaar of zelfs rekbaar is om het comfort van de gebruiker te verhogen. Aan het TFCG is een technologie ontwikkeld die in staat is rekbare elektronica te maken. De productie van deze elektronica gebeurt ook volledig in de cleanroom van het TFCG. Het is in dit kader dat deze thesis geplaatst kan worden. De opdracht is om een verwarmingselement(heater) te ontwerpen dat op de huid kan geplaatst worden. Om een goed contact te hebben tussen de heater en de huid is rekbaarheid vereist. Ook is het essentieel dat de temperatuur uniform verdeeld is. Te warme punten (hot spots) zorgen namelijk voor brandwonden, en koude punten zorgen ervoor dat de huid niet overal opwarmt. Deze thesis beschrijft het ontwerp en de productie van deze heater, aangevuld met foto’s, figuren en schema’s die de lezer enerzijds een idee moeten geven van wat er nu effectief gemaakt is, en die anders gebruikt zullen worden als meetresultaten zodat conclusies kunnen getrokken worden over de eigenschappen van de heater.
1.2
Principe
Bij traditionele elektronica worden componenten geplaatst op een PCB. Deze PCB, meestal gemaakt uit FR4, voorziet de interconnectie tussen deze componenten, meestal aan de hand van interconnectiebanen uit koper. Het flexibel of rekbaar maken van componenten is momenteel nog niet mogelijk, maar het is wel mogelijk om een flexibele of rekbare PCB te maken. In het geval van een flexible PCB worden de interconnecties op een plooibare polyimide folie geplaatst, in het geval van een rekbare PCB worden de interconnecties ingebed in siliconen. Siliconen zijn rekbaar, koperbanen zijn dit niet, dit kan echter opgelost worden door koperbaantjes te maken in meanderstructuur (fig 3.1). Worden de siliconen nu uitgerekt, dan kunnen de baantjes mee rekken als gevolg van de meanderstructuur. Deze meanderstructuur wordt gebruikt voor de productie van de heater. Een elektrisch verwarmingselement werkt door stroom te sturen door een weerstand. In deze weerstand wordt dan vermogen gedissipeerd en omgezet in warmte (P = I 2 R). De 1
flexibele heater wordt dus gemaakt door een patroon te defini¨eren in de koperbaantjes, dit is dus de weerstand, en hierdoor stroom te sturen. De koperbaantjes dissiperen vermogen en worden warm.
1.3
Practisch
In deze scriptie wordt het ontwerp van de heater besproken. Eerst wordt de technologie algemeen besproken, dit gebeurt in hoofdstuk 2. In hoofdstuk 3 wordt het eerste ontwerp besproken, dit ontwerp is nog niet gemaakt in de rekbare technologie, maar in de flexibele technologie. Het doel van dit eerste ontwerp is testen of het wel degelijk mogelijk is om warmte te produceren en zo ja hoe deze warmte zich gedraagt en of het mogelijk is de geproduceerde warmte te voorspellen. Deze test bleek heel positief en heel leerrijk. Op basis van de kennis die verzameld is uit dit eerste ontwerp is dan een tweede design ontworpen. Dit ontwerp wordt besproken in hoofdstuk 4. Dit is het finale ontwerp en is dus gemaakt in de rekbare technologie. Op de heater is ook een temperatuursensor geplaatst die de temperatuur meet en vervolgens doorstuurt naar een processor. Deze stuurt op zijn beurt een display aan bestaande uit leds. Dit gebeurt ook in de flexibele technologie en wordt besproken in hoofdstuk 5.
2
2
Technologie
In dit hoofdstuk wordt de technologie besproken die gebruikt wordt voor de productie van de heater. Hierbij worden foto’s getoond van de heaters, enkel het technologisch aspect wordt in dit hoofdstuk besproken, het ontwerp van de heater wordt besproken in volgende hoofdstukken.
2.1
Flex
In deze sectie wordt op een algemene manier uitgelegd hoe een flex geproduceerd wordt. Een flex is een polyimide folie met hierop een koperpatroon. Hoe dit koperpatroon op de polyimide wordt aangebracht wordt hier besproken. Ontwerp Masker Het masker is een transparante plastic waarop het patroon dat we wensen geprint is in zwarte inkt. Het ontwerp van dit patroon gebeurt aan de hand van Cadence. Aan de hand van deze software wordt een tekening gemaakt zoals het patroon in koper er moeten uitzien. Van deze figuur wordt vervolgens een Gerberfile gemaakt, een voorbeeld van een ontwerp van een masker in Cadance is te zien in figuur 2.1. Aan de hand van deze Gerberfile wordt het masker geproduceerd. De productie van het masker gebeurt niet aan het TFCG. Een voorbeeld hiervan is te zien in figuur 2.2. Het masker is gemaakt van transparante plastic met hierop het patroon getekend. Al de volgende stappen worden uitgevoerd in de cleanroom van het TFCG. Koper Het proces begint met een polyimide (fig 2.3(a)) met hierop een uniforme laag koper (fig 2.3(b)). Deze koper heeft een dikte van 9, 18 of 35 μm. De volgende stappen hebben als doel om het overtollige koper te verwijderen en aldus het nuttige patroon over te houden. Fotolithografische stap Het bepalen van het patroon gebeurt aan de hand van fotolithografische stappen. Eerst wordt fotoresist op het substraat aangebracht en vervolgens wordt het substraat heel
3
Figuur 2.1: Foto van de Cadence layout van een Masker
snel rond gedraaid. Door dit ronddraaien (spinnen), kan men heel eenvoudig en goedkoop een fijn egaal laagje fotoresist aanbrengen (fig 2.3(c)). Vervolgens wordt het substraat 2 minuten gebakken op een hotplate. Door nu de fotolak te belichten met UVlicht (fig 2.3(d)) doorheen het masker, wordt het belichte deel oplosbaar in een acetone. Het niet belichte deel is niet oplosbaar. Er wordt dus gebruik gemaakt van een positieve fotoresist. Er is nu een patroon gedefinieerd in fotolak op het kopersubstraat (fig 2.3(e)), dit patroon is het patroon dat we in de koper wensen te bekomen. Etsen Het patroon dat we uiteindelijk willen bekomen in het koper is nu aanwezig op het koper in de vorm van fotoresist (fig 2.3(f)). Door nu het substraat onder te dompelen in koperets, wordt het niet bedekte koper wegge¨etst. De fotoresist beschermt het onderliggende koper en dus blijft het gewenste koper patroon achter op het substraat (fig 2.3(g)). Echter, vermits we nat etsen hebben we ook onderets. Daar het etsmiddel dat gebruikt wordt een isotroop etsmiddel is, is de onderets ongeveer gelijk aan de dikte van het koper. Het probleem van het onderetsen kan opgelost worden door de baantjes op het masker te verbreden langs beide zijden met de dikte van het koper. Na het etsen van het koper wordt de fotoresist verwijderd (fig 2.3(h)). Dit wordt wegge¨etst met een etsmiddel dat het koper niet aantast. Het patroon dat zich nu op het koper bevindt is het gewenste patroon.
4
Figuur 2.2: Foto van een Masker
Nikkel-Goud platen Het patroon is nu af, maar om het koper te beschermen tegen oxidatie wordt op het koper een laagje nikkel goud aangebracht dat slechts enkele atomen dik is. Soldeermasker Vermits er ook nog elektronische componenten op de flex moeten geplaatst worden is er ook een soldeermasker gemaakt. Als gevolg van dit soldeermasker kunnen componenten geplaatst worden op de flex gebruik makend van de reflow oven. Figuur 2.4 toont links de footprint van de component die geplaatst wordt op de flex, in het midden is het soldeermasker aangebracht, rechts is de de component geplaatst op de flex. Resultaat De eerste heater (hoofdstuk 3) is gemaakt in deze technologie, enkele foto’s zijn getoond in figuur 2.5. De technologie is plooibaar, maar niet rekbaar, wat geen probleem is voor de ontwerpen die gemaakt zijn in deze technologie vermits deze ontworpen zijn om de thermische aspecten te onderzoeken, en zoals zal blijken uit volgende paragraaf, is de productie van een flex heel wat eenvoudiger dan een stretch. Voor warmtetests zijn er dan siliconen op deze flex aangebracht. Hoe dit gebeurt wordt getoond in de volgende paragraaf.
5
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h) Figuur 2.3: Productie van een flex
2.2
Stretch
De stretch-technologie heeft als eigenschap dat het resultaat rekbaar is. Dit is een van de vereisten van de heater en dus is het uiteindelijke ontwerp in deze technologie gemaakt. De stretch-technologie is ge¨ınspireerd op de flex technologie, hierdoor zijn er heel wat overeenkomsten met voorgaande paragraaf. Bij de flex technologie wordt er gestart van een polyimide met hierop een laag koper. In het geval van de stretch technologie wordt er gestart met een polyimide met hierop een fijn laagje was en hierop de koperlaag. Vervolgens wordt er op dezelfde wijze als bij de flextechnologie een patroon gedefinieerd in het koper, echter als gevolg van het laagje was mag er geen temperatuur gebruikt
6
Footprint
Component
Soldeermasker Figuur 2.4: Plaatsen component
9 μm
18 μm
Figuur 2.5: Foto’s van een flex
worden hoger dan 60◦ C omdat dan de was smelt. Ook moet er opgepast worden dat er geen solventen gebruikt worden die de was oplossen. Als deze stappen doorlopen zijn krijgen we een flex zoals in vorige paragraaf besproken, maar met als verschil dat er nu een fijn laagje was tussen het koper en de flex ligt (figuur 2.6(a) en foto 2.7(a)). Vervolgens wordt er over de koper en de polyimide een laag siliconen aangebracht. Deze siliconen zijn transparant (figuur 2.6(b) en foto 2.7(b)) en worden vervolgens gebakken bij een temperatuur van 50◦ C. De koperbaantjes bevinden zich nu in de siliconen. Vervolgens wordt de polyimide verwijderd (fig 2.8(a)), dit kan op 2 manieren. De eerste manier is om de was te doen smelten en vervolgens de polyimide van het
7
koper te trekken. Hierbij is een goede timing vereist. Is de was niet volledig gesmolten dan blijft het koper aan de polyimide hangen en kan het scheuren, wordt er te lang gewacht dan is het mogelijk dat de koperbaantjes beginnen zwemmen in de was. Er zijn 3 heaters geproduceerd op deze manier, 2 hiervan (met koperdikte van 18μm) zijn perfect gelukt, bij de derde (met koperdikte van 9μm) zijn heel wat koperbaantjes blijven hangen en zijn gescheurd (fig 2.8(b)). Dikkere koperbaantjes liggen dieper in de siliconen ingebed wat er dus voor zou kunnen zorgen dat het steviger is, maar waarschijnlijk was het falen van de productie van de derde heater een gevolg van een slechte timing. Vervolgens is de heater kortstondig (30 sec) in acetone gelegd om de was op te lossen. Bij de productie van de vierde heater is de heater in acetone gelegd om de was te laten oplossen zodat het polyimide kon verwijderd worden, dit duurde enkele uren (foto 2.9(a)). Het grote probleem bij deze technologie is dat de siliconen vocht opnemen en dus uitzetten. Dit zorgt er dan voor dat de koperbaantjes los komen van de siliconen en beginnen opkrullen (foto 2.9(b)). In het geval van de heater is dit niet zo erg zolang er geen connectie ontstaat tussen verschillende koperbanen. Als de siliconen vervolgens droog zijn, wordt er op de kant waar de koperbaantjes vrij liggen, siliconen aangebracht. Dit zijn thermisch geleidende siliconen, deze siliconen zijn grijs en hebben als nadeel dat ze plakkerig zijn en blijven. Dit kan verholpen worden door heel fijn laagje transparante siliconen over de thermisch geleidende siliconen te strijken. Het eindresultaat van de defecte heater is zichtbaar in figuur 2.10 waar heel duidelijk de defecte koperbaantjes zichtbaar zijn. De heater geproduceerd aan de hand van acetone is zichtbaar in figuur 2.11, hier is de meanderstructuur niet meer volledig zichtbaar. De werkende heater geproduceerd door pealen met warmte is zichtbaar in figuur 2.12, hier is duidelijk de meanerstructuur intact is.
8
(a)
(b)
(c)
Figuur 2.6: Grafische voorstelling productie stretch
Figuur 2.7: Aanbrengen transparante siliconen op de stretch
9
(a)
(b)
Figuur 2.8: Verwijderen van de polyimide aan de hand van warmte (9μm)
(a)
(b)
Figuur 2.9: Verwijderen van de polyimide door de was op te lossen in acetone (9μm)
10
(a)
(b)
Figuur 2.10: Eindresultaat van de heater uit figuur 2.8
(a)
(b)
Figuur 2.11: Eindresultaat de een heater uit figuur 2.8
11
(a)
(b)
Figuur 2.12: Eindresultaat van de heater uit figuur 2.8
2.3
Siliconen
De transparante siliconen zijn standaard siliconen (Dow Corning sylgard184) die een behoorlijk hoge rekbaarheid en een behoorlijk lage thermische geleidbaarheid hebben,nl k=0,18W/mK. De thermisch geleidende siliconen zijn ontworpen door Dow Corning om zo goed mogelijk warmte te geleiden. Twee soorten thermische siliconen waren beschikbaar, namelijk Dow Corning 3-6651 en Dow Corning 3-1818. Deze hebben een thermische geleidbaarheid k van 1,1 W/mK voor Dow Corning 3-6651 en 1,8 W/mK voor Dow Corning 3-1818 (ter vergelijking: koper k=400, glas k=1 en isolatie k=0,025). De geleidbaarheid van deze thermische siliconen zijn van dezelfde grote-orde. De geleidbaarheid is niet heel hoog, maar een isolator is het zeker niet. Vergelijken we de thermisch geleidende siliconen met de transparante siliconen dan zien we dat de thermische geleidbaarheid van de thermische siliconen een factor 10 groter is dan de transparante siliconen. Bij het ontwerp van de eerste heater is er gebruik gemaakt van beide siliconen. Deze zijn weergegeven in figuur 2.13, in figuur(a) wordt gebruik gemaakt van Dow Corning 3-6651, figuur (b) Dow Corning 3-1818. Dow Corning 3-6651 blijkt
12
een zeer stugge silicone te zijn die niet rekt, Dow Corning 3-1818 daarentegen is veel flexibeler en rekbaarder. Vermits ook de thermische eigenschappen van Dow Corning 3-1818 beter zijn is bij productie van de tweede heater enkel gebruik gemaakt van Dow Corning 3-1818. Deze thermische siliconen zijn thermische geleiders, wat wil zeggen dat ze goed warmte geleiden, maar dit geleiden slaat op het overbrengen van warmte van een plaats naar een andere plaats binnen de siliconen. Over de overdracht van de temperatuur van de siliconen naar de omgeving wordt in de datasheet van deze siliconen niets vermeld.
(a)
(b)
Figuur 2.13: Foto van de siliconen (Dow Corning 3-6651 en 3-1818)
13
3
Heater, Eerste ontwerp
In de komende hoofdstukken wordt het ontwerp van de heater besproken alsook de metingen die gedaan zijn. Eerst zullen er enkele algemene eigenschappen en werkwijzen besproken worden, vervolgens wordt het ontwerp van de verschillende heaters in detail besproken. In dit hoofdstuk worden de algemene eigenschappen besproken alsook het eerste ontwerp. Er zijn enkele algemene belangrijke eigenschappen waaraan de heater moet voldoen. • Rekbaar • Uniforme warmteverdeling • Betrouwbaar • Voldoende warmte produceren Het rekbaar zijn van het verwarmingselement is besproken in pargraaf 2.2. Hoe de andere eigenschappen bekomen zijn wordt in volgende paragrafen besproken.
3.1
Ontwerp v/e betrouwbaar verwarmingselement
Vermits de productie van flexibele elektronica nog niet op punt staat en er veel stroom door de koperbaantjes zal gestuurd worden is het plausibel dat bij productie of bij gebruik defecten ontstaan in de koperbanen. Het ontwerp moet dus zodanig gebeuren dat bij falen van enkele koperbaantjes het verwarmingselement nog naar behoren blijft werken. Ook willen we zo veel mogelijk warmte kunnen produceren. De betrouwbaarheid kan bekomen worden door voldoende parallellen te hebben. Door de hoeveelheid koper zo hoog mogelijk te maken, zullen we meer warmte kunnen produceren. Het zijn namelijk de koperbaantjes die opwarmen door er stroom door te sturen en dus hoe meer koperbanen hoe meer warmte. In figuur 3.1 zijn enkele mogelijke patronen voor de koperbanen voorgesteld. De voor en nadelen van deze configuraties worden vervolgens besproken en de beste lay-out zal vervolgens gekozen worden en gebruikt worden in het verdere ontwerpproces. Het uiteindelijke ontwerp wordt gemaakt in stretch en dus worden meanderende koperbaantjes gebruikt. Er zijn drie grote mogelijkheden om de meanderstructuur op te bouwen. Dit kan een parallel structuur zijn, een vierkant of ruitstructuur.
14
Parallelle banen Vierkanten
Ruiten
Figuur 3.1: Mogelijke meanderstructuren
Parallelle banen In een parallelstructuur worden alle baantjes parallel naast elkaar geplaatst (fig 3.1, linkse figuur). Dit is heel eenvoudig om te ontwerpen en heeft een uniforme warmteverdeling. Ook wordt er veel oppervlakte bedekt met koper wat er voor zorgt dat er veel warmte geproduceerd wordt, echter bij breuk van een baantje is er een groot deel defect. Het grote nadeel aan deze structuur is dus onbetrouwbaarheid.
Vierkanten Een eenvoudige oplossing voor dit probleem is het toevoegen van horizontale baantjes (fig 3.1, middelste figuur). Bij een defect zal de stroom nu door een horizontaal baantje gaan en vervolgens verticaal zijn weg hervatten. Dit zal het stroomverloop lokaal be¨ınvloeden maar de afwijking is veel kleiner dan in het eerste geval. Echter, doordat er nu horizontale baantjes zijn, moeten de verticale baantjes verder uit elkaar liggen. Wat tot een lagere warmteproductie leidt omdat in het geval dat er geen defect is de horizontale baantjes niet gebruikt worden. Deze oplossing lost dus het probleem van de onbetrouwbaarheid op, maar heeft een lagere warmteproductie.
Ruiten Het is vrij voor de hand liggend dat als we een hoge betrouwbaarheid willen we de horizontale interconnecties nodig hebben. Door niet te werken in een vierkantstructuur, maar met een ruitstructuur, (figuur 3.1 rechts), loopt er stroom door alle baantjes. Dit leidt tot een verhoogde warmteproductie. Deze laatste structuur heeft een hoge warmteproductie en is betrouwbaar. In het ontwerp van de heater wordt dan ook zo veel mogelijk gebruik gemaakt van deze structuur.
15
3.2
Simulaties
Vermits het voorspellen van de warmte die geproduceerd wordt door een bepaalde stroom niet eenvoudig is en het berekenen van het vermogen triviaal is, wordt er gebruik gemaakt van het vermogen dat geproduceerd wordt om een voorspelling te doen over de warmteverdeling. Het vermogen kan eenvoudig berekend worden aan de hand van Spice. Dit wordt gedaan door een koperbaantje te vervangen door zijn weerstand. Dit is getekend in figuur 3.2 in het geval van de ruitstructuur zoals in paragraaf 3.1 is besproken.
Weerstandstructuur
Meanderstructuur
Figuur 3.2: Omzetting meanderstructuur naar weerstand
Een weerstandsnetwerk in Spice kan dus vervangen worden door een meanderstructuur en omgekeerd. Echter, als gevolg van technologie limitaties is niet iedere weerstand mogelijk, maar moet er gekozen worden uit een beperkt aantal weerstandswaarden. Deze zijn verschillend tussen het eerste en het tweede ontwerp en zullen dan ook verderop besproken worden. Aan de hand van de Spice simulaties kan het lokaal vermogen berekend worden en dus een voorspelling gedaan worden van de warmteverdeling. Ook de betrouwbaarheid kan getest worden door enkele weerstanden te verwijderen en te zien of het gedissipeerd vermogen veel verandert. Een eenvoudig voorbeeldje is te zien in figuur 3.3. Het vermogen wordt berekend per ruit. Dit berekenen van het vermogen per ruit ipv per meander gebeurt enerzijds voor de eenvoud maar ook omdat uit latere metingen zal blijken dat het zinloos is om het vermogen te berekenen per meander.
3.3
Eerste ontwerp (5x5cm)
Het eerste ontwerp heeft als hoofddoel aan te tonen dat het mogelijk is om warmte te produceren gebruik makend van de technologie beschreven in hoofdstuk 2. Ook de link 16
0,44W
0,44W
0,44W
0,44W
0,44W
0,44W
Figuur 3.3: Eenvoudig voorbeeld dat het vermogen berekend van een meanderstructuur
tussen vermogen en warmte, zoals in vorige paragraaf uitgelegd, wordt onderzocht. Oorspronkelijk was het eerste ontwerp bedoeld om 5 op 5 cm groot te zijn, dit is in later stadium aangepast tot 7 op 7 cm, maar bij het omzetten van het 5x5 naar 7x7 ontwerp zijn niet alle parameters juist geschaald geweest waardoor bepaalde eigenschappen verloren zijn gegaan. Ook de technologie was veranderd waardoor heel wat parameters anders waren dan gepland, echter, zoals verder zal blijken, is het ontwerp toch nuttig. Zo was het de bedoeling om een uniforme warmteverdeling te bekomen, maar deze eigenschap is verloren gegaan als gevolg van de schalingsfout. Deze paragraaf bestaat uit drie grote delen. Eerst zal het ontwerp van 5x5 cm besproken worden, in de volgende paragraaf het ontwerp van 7x7 cm en uiteindelijk zullen de metingen van het 7x7 cm ontwerp vergeleken worden met de voorspelde waarden. De oorspronkelijke parameters waren • De totale oppervlakte van de heater is 5x5 cm • 1 cm meander heeft een weerstand van 1Ω (zie fig3.4) 17
• De meanders hebben een vorm zoals getekend in figuur 3.4.
R=600μ
0, 24cm = 0, 17Ω
1cm = 1Ω
(2 +
√
2)R 0, 17cm = 0, 17Ω
Figuur 3.4: Afmetingen meanders
Voor het ontwerp van deze eerste heater was er enkel een demo versie van spice beschikbaar, wat het aantal componenten limiteert, dus is het schema niet volledig gesimuleerd, maar werden grote delen vervangen door 1 weerstand. Dit leidde vooral tot fouten bij de interconnecties tussen weerstanden. Het eerste ontwerp bestaat uit drie concentrische ringen met in het midden een temperatuursensor zoals getekend in figuur3.5. Deze
Figuur 3.5: Schematische voorstelling van de 5x5 heater
bestaat uit een rode, gele en groene ring en een blauwe interconnectiezone. De drie ringen zijn zo ontworpen dat het vermogen per vierkante centimeter ongeveer gelijk is. De rode ring bestaat uit ruiten zoals in figuur 3.6a en heeft een weerstand van 0,7 Ω/cm. Voor het berekenen van het vermogen wordt deze rode ring in Spice vervangen 18
door 1 weerstand van 5,8 Ω. Deze waarde is als volgt bekomen: neem de lengte van de stippellijn op figuur 3.5 en vermenigvuldig deze met de waarde van de weerstand per centimeter zoals aangeduid in figuur 3.6 a. Hierbij worden de effecten in de hoeken verwaarloosd. De gele ring is opgebouwd uit ruiten zoals getekend in figuur 3.6 b en heeft een weerstand van 4,1 Ω. De groene ring is opgebouwd zoals in figuur 3.6 c en heeft een weerstand van 5 Ω. Deze figuur voldoet niet meer aan de gewenste vorm zoals in paragraaf 3.1 was vooropgesteld. Er moest een keuze gemaakt worden tussen betrouwbaarheid en uniformiteit. Er is gekozen voor uniformiteit. De blauwe zone is de interconnectiezone voor de drie ringen. Deze is opgebouwd uit ruiten zoals in figuur 3.6 (a) zijn getekend. Bij het simuleren van het netwerk in spice is deze blauwe zone vervangen door drie weerstanden zoals in figuur 3.7(a). Deze zijn echter niet in rekening gebracht voor het vermogen. Het spreekt dus voor zich dat dit het zwakke punt is van het ontwerp.
1 cm = 0,7Ω
(a)
1 cm = 0,9Ω
1,4 cm
(c)
(b)
Figuur 3.6: Meanderstructuren gebruikt bij het ontwerp van de eerste heater
De structuur weergegeven in figuur 3.7 is gesimuleerd in spice met een bron van 3V. De resultaten zijn weergegeven in volgende tabel. Het vermogen per vierkante centimeter is gelijk en dus zou dit ontwerp een uniforme warmteverdeling moeten hebben over de ringen. Een hogere spanning zorgt voor een hogere stroom. Deze verhoging is lineair en dus zal het vermogen uniform blijven. Dit is eenvoudig in te zien aan de hand van een eenvoudig voorbeeldje. Als de spanning verdubbelt (6V), dan verdubbelt als gevolg van de wet van Ohm de stroom door de weerstand. Vermits het vermogen kwadratisch is met de stroom zal het vermogen verviervoudigen. Maar vermits het vermogen overal gelijk was bij 3V zal het vermogen bij 6 V ook gelijk zijn. Echter als de uniformiteit 19
R1 R2 R3
R1
I1
R2
I2
R3
I3
R4
R4
R5
R5
R6
R6
R4 R5 R6
V
Figuur 3.7: Spice equivalent van de meanderstructuur
niet perfect is zal het verschil meer uitgesproken worden naarmate de stroom groter wordt.
R(Ω)
I(A)
Oppervlakte(cm2 )
Vermogen(P)
Vermogen/opp(W/cm2 )
R1
5, 8
0, 47
8, 25
1, 3
0, 16
R2
4, 1
0, 55
9
1, 24
0, 14
R3
5
0, 37
4
0, 68
0, 17
3.4
Eerste ontwerp (7x7cm)
De structuur beschreven in vorige sectie is niet geproduceerd. Hij is vergroot tot een heater met grootte 7x7 cm. Het ontwerp is echter niet herwerkt om de eisen te halen die in het begin van dit hoofdstuk gespecificeerd zijn. Het hele ontwerp is lineair uitgerekt en bestaat dus nog steeds uit drie ringen, het ontwerp is te zien in figuur 3.8. Dit heeft als gevolg dat de weerstand van de buitenste ring beduidend groter is geworden dan de twee ringen binnenin. Hierdoor loopt er ook minder stroom door deze ring en zal er dus in deze ring minder warmte geproduceerd worden. Het ontwerp voldoet niet aan de eisen vooropgesteld in het begin van dit hoofdstuk, maar het is verre van zinloos. Enerzijds kan aan de hand van dit ontwerp getest worden of er effectief warmte geproduceerd wordt en kan er gekeken worden naar het verband tussen warmte en vermogen. Anderzijds kan gekeken worden hoe hotspots zich gedragen en wat de
20
warmtedistributie is. Eerst wordt het ontwerp volledig gesimuleerd in spice, vervolgens worden de bevonden resultaten vergeleken met metingen.
Figuur 3.8: Masker van de 7x7 heater
21
3.4.1
Simulaties
De layout zoals getekend in figuur 3.8 is ook volledig getekend in spice (zie figuur3.9).
Figuur 3.9: Spice equivalent van de 7x7 heater
Hierbij is ieder meanderpatroon vervangen door een weerstand. Hier is niet de echte weerstandswaarde gebruikt maar zijn de meanderstructuren gebruikt in de binnenste en buitenste ring vervangen door 1Ω en is de meanderstructuur uit de middelste ring vervangen door een weerstand van 1,5Ω. De heater bestaat uit koperbaantjes, de hoogte van deze baantjes kan aangepast worden. Zo is de heater in drie verschillende diktes gemaakt, namelijk 9μm, 18μm en 35μm. Daar het vermogen lineair is met de weerstand is het vermogen berekend met spice een geschaalde versie van het echte vermogen. In 22
figuur 3.10 wordt op grafische wijze het vermogen getoond dat in de heater geproduceerd wordt. Deze figuur kan gebruikt worden om het effectieve vermogen te berekenen dat geproduceerd wordt in de heater. Namelijk als de stroom van de simulatie en de werkelijke stroom gelijk zijn dan gelden volgende vergelijkingen Psim = I 2 Rsim Pheat = I 2 Rheat Rheat Psim = I 2 Rheat Rsim = Pheat (3.1) en dus is het gesimuleerde vermogen een geschaalde versie van het effectieve vermogen. Zijn echter de stromen niet gelijk dan gelden volgende vergelijkingen:
2 Rsim Psim = Isim 2 Pheat = Iheat Rheat 2 Rheat Iheat 2 Psim = Iheat Rheat 2 Rsim Isim = Pheat
(3.2) Deze vergelijkingen lijken op het eerste zicht zinloos, maar vermits alle weerstanden met dezelfde waarde geschaald worden, en de weerstand lineair is met de stroom kan de schalingsfactor
2 Rheat Iheat 2 Rsim Isim
die berekend wordt op basis van de absolute stroom en weer-
stand gebruikt worden om te schalen op iedere afzonderlijke weerstand. Met andere woorden, op basis van figuur 3.10 is het heel eenvoudig om het effectieve vermogen te berekenen in het geval van een andere stroom of weerstand. Dit door het individueel berekend vermogen te schalen met
2 Rheat Iheat . 2 Rsim Isim
In figuur 3.10 wordt het vermogen bere-
kend per ruit en niet per weerstand om werk te besparen en omdat het zinloos is om op zo een kleine schaal het vermogen te berekenen. De interesse ligt hem vooral in de globale warmteverdeling. Echter, het is niet alleen nuttig om het vermogen te weten, ook het vermogen per vierkante centimeter is zeer nuttig. Deze is getekend in figuur 3.11. Op basis van figuur 3.10 en 3.11 is het zeer duidelijk in te zien dat het vermogen verre van uniform verdeeld is. Bij het ontwerp werd er geen rekening gehouden met de interconnecties van de drie ringen en het is op basis van deze figuren heel duidelijk dat dit het zwakke punt is van het ontwerp. Er wordt een vermogen geproduceerd dat dubbel zo hoog ligt dan op iedere andere plaats. Om dit euvel te omzeilen werden er op de 23
heater 4 extra interconnecties gesoldeerd. Figuur 3.10 en 3.11 zijn opnieuw gemaakt in figuur 3.12 en 3.13, de 4 extra interconnecties zijn hierop ook getoond. Deze simulaties voorspellen een veel betere uniformiteit van de warmteverdeling. Er is nog altijd het interconnectiepunt waar veel vermogen gedissipeerd wordt, maar het verschil met de rest is veel kleiner dan in het geval met 2 interconnecties. Ook is duidelijk zichtbaar dat de stroom in de bochten de binnenbocht neemt en dus worden de koperbaantjes aan de binnenbocht warmer. 0,8 W
0,40 W
0,36 W
0,32 W
0,28 W
0,24 W
0,20 W
0,16 W
0,12 W
0,08 W
0,04 W
0W
Figuur 3.10: Vermogen van de 7x7 heater met 2 interconnecties
24
2W/cm2
1, 8W/cm2
1, 6W/cm2
1, 4W/cm2
1, 2W/cm2
1W/cm2
0, 8W/cm2
0, 6W/cm2
0, 4W/cm2
0, 2W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.11: Vermogen per cm2 van de 7x7 heater met 2 interconnecties
25
0,40 W
0,36 W
0,32 W
0,28 W
0,24 W
0,20 W
0,16 W
0,12 W
0,08 W
0,04 W
0W
Figuur 3.12: Vermogen van de 7x7 heater met 6 interconnecties
26
2W/cm2
1, 8W/cm2
1, 6W/cm2
1, 4W/cm2
1, 2W/cm2
1W/cm2
0, 8W/cm2
0, 6W/cm2
0, 4W/cm2
0, 2W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.13: Vermogen per cm2 van de 7x7 heater met 6 interconnecties
27
3.4.2
Metingen
Voor het meten van de temperatuur is gebruik gemaakt van een infrarood camera. Deze meet aan de hand van infrarood stralen de effectieve temperatuur op het oppervlak van de heater. Van alle heaters zijn foto’s gemaakt en de relevante foto’s worden besproken in deze sectie. Er zijn in totaal 12 verschillende heaters geproduceerd. Deze hebben allemaal dezelfde lay-out als in figuur 3.8, maar ze hebben een verschillende koperdikte, nl. 9, 18 of 35μm, ze kunnen 2 interconnecties hebben (figuur 3.8) of 6 interconnecties (figuur 3.12). Ook is iedere heater gemaakt met of zonder thermische siliconen. Eerst worden de heaters met 2 interconnecties besproken per koperdikte. De vergelijking wordt telkens gemaakt tussen heater met en zonder siliconen. Vervolgens worden de heaters met 6 interconnecties besproken op dezelfde manier. Deze IR-foto’s worden telkens vergeleken met de gesimuleerde vermogendichtheid zoals in figuur 3.11 voor 2 interconnecties en figuur 3.13 voor 6 interconnecties. De schaal van deze figuur is telkens aangepast zoals in paragraaf 3.4.1 besproken is. De conclusies die getrokken worden gaan enkel over de betreffende figuren, algemene conclusies en resultaten worden in paragraaf 3.4.3 besproken. In de bespreking is ook nood aan de weerstand van 1 meander om het vermogen te kunnen berekenen. Deze waarde kan eenvoudig bekomen worden door de totale weerstand van de heater te delen door de totale gesimuleerde weerstand, vermits Rheat.tot Rsim.tot
=
Rheat.meander Rsim.meander
en Rsim.meander
=
(3.4) 1
geldt Rheat.meander
=
(3.3)
(3.5) (3.6)
Rheat.tot Rsim.tot
(3.7) (3.8)
De waardes zijn: 0,15 ; 0,073 en 0,035Ω voor een respectievelijke dikte van 9, 18 en 35μm. 9μm, 2 interconnecties In figuur 3.14 staat een foto van de 9μm heater, links zonder de thermisch geleidende siliconen, rechts met. In figuur 3.15 staat links de IR foto van de heater met een koperdikte van 9μm, 2 interconnecties zonder thermisch geleidende siliconen, rechts dezelfde heater met geleidende siliconen. Voor het nemen van de IR foto zijn bij de heater zonder siliconen slechts 2 van de 6 interconnecties verbonden met de voeding, 28
de 4 andere interconnecties zijn open ketens. In figuur 3.15 zijn de 2 IR foto’s genomen met een voedingsstroom van 1A. Om figuur 3.11 dan te kunnen vergelijken met de 2 foto’s moet het gesimuleerde vermogen vermenigvuldigd worden met
2 Rheat Iheat , 2 Rsim Isim
zoals
in paragraaf 3.4.1 is besproken. Het is echter veel eenvoudiger om de schaal aan te passen dan heel de figuur. De waarde in de schaal wordt dus vermenigvuldigd met 0,15.12 1.22
= 0, 0375. Al vrij snel was duidelijk dat dit ontwerp niet zo goed was, bij een
stroom van 1,5A zijn de interconnectiebaantjes doorgebrand. Ook is zichtbaar in figuur 3.14 dat de flex niet meer mooi vlak is. De flex kan niet zo goed tegen hoge temperaturen en is dus plastisch vervormd als gevolg van de hoge temperatuur. Bekijken we de IRfoto’s dan zien we dat we warme zones hebben daar waar een hoge vermogensdichtheid voorspeld is, en koudere zones daar waar een lagere vermogensdichtheid voorspeld is. De interconnectie is zeer warm in tegenstelling tot de drie ringen. Dit is ook wat de voorspellingen aan geven. Ook is de temperatuur van de interconnectie bij de heater zonder siliconen veel hoger dan met siliconen, maar de oppervlakte is kleiner. Dit toont aan dat de thermisch geleidende siliconen de warmte verspreiden. Kijken we naar de warmte die de drie ringen produceren dan zien we dat de temperatuur hoger ligt met siliconen dan zonder siliconen, dit kan zijn omdat de siliconen een grotere thermische capaciteit heeft dan de flex.
Figuur 3.14: Foto’s van de heaters, 9μm
29
110 graden
200 graden
Zonder siliconen
Met siliconen 0, 075W/cm2 0, 0675W/cm2
0, 06W/cm2
0, 0525W/cm2
0, 045W/cm2
0, 0375W/cm2
0, 03W/cm2
0, 0225W/cm2
0, 015W/cm2
0, 0075W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.15: IR foto ivgm simulatie, koperdikte 9μm, 2 interconnecties
30
18μm, 2 interconnecties In figuur 3.16 wordt de gesimuleerde vermogendichtheid getoont, samen met de gemeten temperatuur adhv een infrarood camera, figuur 3.17 toont een foto van de heater met en zonder siliconen. Zowel de gesimuleerde figuur als de IR foto zijn gemaakt met een voedingsstroom van 2A. Dit heeft als gevolg dat figuur 3.11 kan gebruikt worden, maar dat alleen de schaal moet vermenigvuldigd worden met de verhouding van de re¨ele weerstand en de gesimuleerde weerstand, namelijk 0,073. Op deze figuur is heel duidelijk zichtbaar dat de simulaties overeenkomen met de werkelijkheid. De interconnectie is significant warmer dan alle andere punten. Op het eerste zicht zou je kunnen zeggen dat de temperatuur van de interconnectie dubbel zo hoog ligt dan de temperatuur in de gele zone (de binnenring), dit komt ook overeen met de simulaties waarbij de vermogendichtheid van de interconnectie dubbel zo hoog is als de vermogendichtheid van de binnenring. Dit mag echter niet, want de 0◦ C is een arbitraire waarde. Voorgaande redenering is dus fout, wat wel mag geconcludeerd worden op basis van deze figuur is dat een gesimuleerde hoge vermogendichtheid overeen komt met een hoge temperatuur en omgekeerd. Het is ook heel interessant om iets meer in te zoemen op de binnenring (fig 3.18), in deze figuur is heel duidelijk zichtbaar dat de hotspots overeenkomen met de hoogste vermogensdichtheden, echter, op basis van de simulaties zou je verwachten dat punt A warmer is dan punt B, dit blijkt echter niet het geval te zijn. Dit valt te verklaren door nog eens heel goed naar figuur 3.16 te kijken. Als je dan kijkt naar punt A, dan zie je dat er rond dit punt een grote zone is waar geen warmte geproduceerd wordt en dit in tegenstelling tot punt B. Ook zonder siliconen verspreid de warmte zich dus. In figuur 3.16 staat ook een IR foto van de warmte van de heater met een laagje siliconen op. Ook deze foto is getrokken bij een stroom van 2A en dus is de voorspelde vermogendistributie dezelfde als zonder siliconen. Door de foto zonder siliconen en met siliconen te vergelijken kan gekeken worden hoe goed de warmte zich verspreidt. Vergelijken we de 2 figuren vallen er 2 effecten op. Ten eerste, als we kijken naar de 3 ringen, dan is de warmte meer verspreid met siliconen, de hotspots zijn weg, en het koude midden, waar de temperatuursensor zit, is warmer. Waaruit dus geconcludeerd kan worden dat de siliconen voor een hogere uniformiteit zorgen. Ten tweede, als we kijken naar de interconnectie, dan zien we dat de temperatuur met siliconen beduidend hoger ligt dan zonder siliconen. Ook is de oppervlakte met een heel hoge temperatuur veel groter. De warmte die geproduceerd wordt, wordt enerzijds verspreid, echter deze warmteoverdracht gebeurt niet snel genoeg waardoor steeds meer warmte wordt toegevoegd aan de hotspot. De siliconen, die een veel hogere warmtecapaciteit hebben dan het heel dunne polyimide slaan deze warmte op in plaats van deze af te geven aan hun 31
200 graden
110 graden
Zonder siliconen
Met siliconen 0, 15W/cm2 0, 135W/cm2
0, 12W/cm2
0, 105W/cm2
0, 09W/cm2
0, 075W/cm2
0, 06W/cm2
0, 045W/cm2
0, 03W/cm2
0, 015W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.16: IR foto ivgm simulatie, koperdikte 18μm, 2 interconnecties
32
omgeving resulterend in een hogere temperatuur dan zonder siliconen. Als voor deze 2 foto’s een continue schaal gebruikt wordt, zoals in figuur3.19 dan is duidelijk zichtbaar dat het temperatuursprofiel gladder is met siliconen.
Figuur 3.17: Foto’s van de heaters, 18μm
A B
Figuur 3.18: IR schematic binnenring met 18μm koperdikte en 2 interconncties zonder siliconen
35μm, 2 interconnecties Voor 35 μm kunnen ongeveer dezelfde conclusies getrokken worden dan voor 18 μm, er moeten wel 2 opmerkingen gemaakt worden ivgm 18 μm bespreking: ten eerste is de stroom in het geval van 35 μm hoger dan 18 μm terwijl de temperatuur juist 33
Zonder siliconen
Met siliconen
Figuur 3.19: IR foto van figuur 3.16 met een continue warmteverdeling(18 μm)
lager is. Dit is ook logisch vermits de weerstand bij 18 μm hoger is en het vermogen evenredig is met de weerstand. Ten tweede valt op dat de temperatuur met siliconen bij de drie ringen nu hoger ligt dan zonder siliconen, dit is een gevolg van de hogere warmtecapaciteit van de thermische siliconen. De IR foto’s zijn niet gemaakt op vaste tijdstippen en dus is het mogelijk dat er langer stroom door de heater heeft gelopen bij de ene foto dan bij de andere en dus meer warmte heeft kunnen produceren. Ook in het geval van de 35μm is het temperatuursprofiel gladder(fig3.20). 9μm, 6 interconnecties Uit vorige figuren is duidelijk dat dit ontwerp veel te warm wordt aan de interconnectie en dat de binnenring ook veel te warm wordt. Dit is een gevolg van de hoge stroom die door de interconnectie en binnenring stroomt. Om dit probleem te beperken en dus een heater te maken die uniformer is qua warmte zijn er 4 extra draden op de flex gesoldeerd zoals in figuur 3.12 is getekend en zoals duidelijk zichtbaar is op foto 3.17. In figuur 3.13 wordt voorspeld dat de uniformiteit beduidend beter is en dat het vermogen geproduceerd in de interconnectie beduidend lager ligt. Als gevolg van een defect bij de heater met siliconen is er enkel een IR foto van de heater zonder siliconen. Deze foto staat in figuur 3.22. In de foto is duidelijk zichtbaar dat de interconnecties niet meer zo dominant warm zijn. In de simulaties worden er 2 kleine hotspots voorspeld aan de interconnecties en deze zijn ook zichtbaar op de IR
34
Met siliconen
Zonder siliconen
Figuur 3.20: IR foto van figuur 3.21 met een continue warmteverdeling(35 μm)
foto. Het temeratuursprofiel komt behoorlijk overeen met de gesimuleerde waarden en is behoorlijk uniform. 18μm, 6 interconnecties De IR foto’s van de 18μm heater met 6 interconnecties staat in figuur3.23. De hotspot aan de interconnectiepunten die in figuur 3.22 zichtbaar was, is ook hier duidelijk zichtbaar in het geval zonder siliconen. Echter, bij de heater met siliconen zijn deze punten nog altijd warm, maar niet zo uitgesproken als zonder siliconen. Meer zelfs, het is niet meer het warmste punt. Hieruit kan dus geconcludeerd worden dat kleine hotspots kunnen gemilderd worden aan de hand van siliconen. Het temperatuursprofiel komt echter niet helemaal overeen met de voorspelde waarde. In de simulaties wordt voorspeld dat de binnenring minder warm wordt dan de 2 andere ringen, dit is echter niet waar. De warmste punten worden verwacht aan de binnenbocht van de 2e ring, echter de warme punten liggen aan de binnen bocht van de binnenste ring. Hieruit kan dus geconcludeerd worden dat er meer stroom loopt door de middelste ring dan voorspeld aan de hand van spice. De siliconen zorgen, net als in voorgaande gevallen, ook dit keer voor een gladder temperatuursprofiel en geleiden warmte naar de koude zone met de temperatuursensor. 35μm, 6 interconnecties Deze heater heeft dezelfde eigenschappen als de 18μm variant, maar heeft een nog uniformer temperatuursprofiel. De temperatuur ligt tussen de 36◦ C en 52◦ C. Dit is een 35
115 graden
130 graden
Zonder siliconen
Met siliconen 0, 22W/cm2 0, 20W/cm2
0, 18W/cm2
0, 15W/cm2
0, 13W/cm2
0, 11W/cm2
0, 088W/cm2
0, 066W/cm2
0, 044W/cm2
0, 022W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.21: IR foto ivgm simulatie, koperdikte 35μm, 2 interconnecties
36
Zonder siliconen 0, 15W/cm2 0, 135W/cm2
0, 12W/cm2
0, 105W/cm2
0, 09W/cm2
0, 075W/cm2
0, 06W/cm2
0, 045W/cm2
0, 03W/cm2
0, 015W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.22: IR foto ivgm simulatie, koperdikte 9μm, 6 interconnecties
37
53,7 graden
48,6 graden
Zonder siliconen
Met siliconen 0, 15W/cm2 0, 135W/cm2
0, 12W/cm2
0, 105W/cm2
0, 09W/cm2
0, 075W/cm2
0, 06W/cm2
0, 045W/cm2
0, 03W/cm2
0, 015W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.23: IR foto ivgm simulatie, koperdikte 18μm, 6 interconnecties
38
interval van 16 graden, wat nog altijd behoorlijk groot is, maar het is de beste van de 12 heaters die geproduceerd zijn op basis van het eerste ontwerp. In figuur 3.20 wordt nogmaals de heater getoond met een continue temperatuursprofiel, maar doordat het temperatuursinterval ditmaal behoorlijk klein is, zijn er enkele effecten zichtbaar die in vorige foto’s onzichtbaar waren door de hoge temperaturen van de hotspots. Zo is op de IR foto zonder siliconen heel duidelijk zichtbaar waar de temperatuursensor staat en waar de interconnectiebaantjes voor deze sensor liggen. De rechthoek waar geen warmte geproduceerd wordt is heel duidelijk zichtbaar en wordt nauwelijks be¨ınvloed door de omliggende verwarmingsbaantjes. Op deze foto is dan ook heel duidelijk dat het wel degelijk de binnenste ring is die het meeste warmte produceert. In de foto met siliconen wordt, zoals verwacht, de temperatuur meer verspreid.
3.4.3
Conclusies en Resultaten
Twee belangrijke conclusies kunnen getrokken worden uit vorige besprekingen. Ten eerste kan aangenomen worden dat voorspellingen voor temperatuur op basis van vermogen behoorlijk accuraat zijn. Een spice simulatie van het vermogen van het netwerk is heel nuttig en zal dus gebruikt worden bij het ontwerpen van de 2e heater om aldus een heater te kunnen ontwerpen met een uniforme warmteverdeling. De tweede belangrijke conclusie die getrokken kan worden is dat de siliconen een effect hebben op de warmteverdeling. Kleine hotspots, zoals in figuur 3.23, worden behoorlijk goed weggewerkt door de siliconen. Koude punten daarentegen worden dan weer warmer door het thermisch geleidende effect van de siliconen(zie fig 3.20). Te grote hotspots worden dan weer warmer en warmer omdat de siliconen niet in staat zijn de geproduceerde warmte tijdig te verspreiden of af te geven aan de omgeving. Algemeen kan gezegd worden dat de siliconen het warmteprofiel van de heater positief be¨ınvloeden: de siliconen zorgen voor een uniformere warmteverdeling en een gladder temperatuursprofiel.
39
50 graden
52 graden
Zonder siliconen
Met siliconen 0, 22W/cm2 0, 20W/cm2
0, 18W/cm2
0, 15W/cm2
0, 13W/cm2
0, 11W/cm2
0, 088W/cm2
0, 066W/cm2
0, 044W/cm2
0, 022W/cm2
0W/cm2
Figuur 3.24: IR foto ivgm simulatie, koperdikte 35μm, 6 interconnecties
40
Met siliconen
Zonder siliconen
Figuur 3.25: IR foto van figuur 3.21 met een continue warmteverdeling(35 μm)
41
4
Heater: finale ontwerp
Het tweede en finale ontwerp maakt gebruik van de kennis opgedaan uit de resultaten van de eerste heater. Voor het ontwerp is er dus gebruik gemaakt van Spice simulaties om een uniforme heater te bekomen. Vermits dit het finale ontwerp is, is het geproduceerd in de flextechnologie besproken in paragraaf 2.2.
4.1
Simulaties
Daar op basis van het eerste ontwerp gebleken is dat het simuleren van het equivalent netwerk in Spice heel nuttig is, is nu het hele ontwerp zorgvuldig gemodelleerd in Spice. Uit het vorig ontwerp is gebleken dat de interconnectiestructuur de zwakke schakel is. Deze is dan ook met veel zorg ontworpen. Een centraal punt waar alle stroom vertrekt is onmogelijk want het vermogen dat in dit punt geproduceerd zou worden zou veel hoger liggen dan in de rest van de heater omdat de stroom verderop verdeeld wordt, en dus wordt ook de energie verdeeld. Een centraal interconnectiepunt is enkel mogelijk als de weerstand van dit punt veel lager ligt dan in de rest van het circuit, wat niet haalbaar is in de stretch-technologie. In dit ontwerp is de heater onderverdeeld in 4 verschillende stroomlussen, een schematische voorstelling van de stroomlussen is getekend in figuur 4.1. De stroomlussen zijn aangeduid in de figuur. Door het ontwerp op te splitsen in vier lussen is er geen interconnectie waar alle stroom door loopt en vermijden we een te grote stroomdichtheid. Bij het ontwerp van de stroomvoerende lussen is weerom gebruik gemaakt van de ruitstructuur besproken in paragraaf 3.1. Uit simulaties blijkt dat stroom in een bocht de binnenkant kiest van de structuur. Ook is gebleken uit de IR foto’s in hoofdstuk 3 dat de warmte zich aan de binnenkant van de bocht bevindt. Dit moet vermeden worden in het nieuwe ontwerp. Enkel door het aanpassen van de structuur kan dit probleem niet opgelost worden. Het probleem is opgelost door koperbaantjes te gebruiken die 50μm, 100μm en 150μm breed zijn. Ter herinnering, in het vorige ontwerp waren deze altijd 100μm breed. In een vorig hoofdstuk is berekend dat een meander van 18μm dik en 100μm breed een weerstand heeft van 0,073Ω. Het is dan ook eenvoudig berekend dat een meander van 50μm een weerstand heeft van 0,146Ω heeft en een meander van 150μm breed een weerstand heeft van 0,049Ω. Door nu de dikte van de meanders zo te kiezen kan het geproduceerde vermogen per ruit ongeveer gelijk gemaakt worden (fig 4.2). Deze bocht wordt bij elke stroomlus gebruikt. Het gesimuleerde vermogen staat in figuur 4.3. Hier is heel duidelijk zichtbaar dat
42
het vermogen in de bochten niet uniform is, maar het verschil tussen het maximale vermogen en het gemiddelde vermogen is niet zo groot, ook liggen de warmere punten naast de koudere punten. Daar het verschil relatief laag is, en uit vorige simulaties gebleken is dat de siliconen voor uniformiteit zorgen als het verschil behoorlijk laag is, wordt er verwacht dat er op basis van deze simulaties een uniforme warmteverdeling zal zijn. Een tweede probleem is de plaatsing van de temperatuursensor, want op de plaats waar de temperatuursensor zit er geen plaats is om koperbaantjes te leggen die warmte produceren en moet de stroom dus rond de sensor lopen, wat voor hogere stroomdichtheden zorgt en dus een hoger vermogen. Kijken we naar de simulaties, dan dan zien we dat het geproduceerd vermogen daar heel hoog is en dus waarschijnlijk voor een hotspot zal zorgen. Zeker omdat er niet enkel het eerste rode stuk (zie figuur 4.3) is met een vermogen van 0,33W, maar ook omdat er na deze hotspot nog 2 ruiten liggen met een heel hoog vermogen. Dit is het gevolg van een fout bij het omzetten van Spice simulatie naar lay-out. Oorspronkelijk was het de bedoeling dat er nog een extra connectie was zoals getoond in figuur 4.4. Het geproduceerd vermogen rond de sensor is nu een beetje lager, maar belangrijker, alle ruiten in de omgeving zitten op het gemiddelde niveau qua vermogen, wat betekent dat er slechts een kleine hotspot is. Dit kan grotendeels weggewerkt worden met de siliconen, zoals duidelijk wordt aangetoond in figuur 3.23.
I
I
I
I
I
I
I
I
Temperatuur sensor
Figuur 4.1: Schematische voorstelling van het stroomverloop in de heater
43
Rood: 150 μm Zwart: 100 μm Groen: 50 μm
Figuur 4.2: Detail van de breedte van de meanders in de bocht
0,20W
0,18 W
0,16 W
0,14 W
0,12 W
0,1 W
0,08 W
0,06 W
0,04 W
0,02 W
0W
0,33 W
Figuur 4.3: Gesimuleerd vermogen van het uiteindelijke ontwerp
44
0,20W
0,18 W
0,16 W
0,14 W
0,12 W
0,1 W
0,08 W
0,06 W
0,04 W
0,02 W
0W
0,3 W
Figuur 4.4: Gesimuleerd vermogen van de zone rond de heater met extra connectie
4.2
Resultaten
Op basis van de simulaties uit vorige paragraaf verwachten we dus een behoorlijk uniforme warmteverdeling over heel de heater, behalve aan de temperatuursensor, hier verwachten we een hotspot. In vorig hoofdstuk waren er foto’s genomen van de heater met en zonder siliconen, dit is om praktische redenen niet gedaan. Deze heater is namelijk in stretch gemaakt en dus wordt het koper rechtstreeks ingebed in siliconen. Er zouden foto’s kunnen genomen worden voordat er siliconen op de flex gedaan wordt, maar door hitte die dan geproduceerd wordt, (het is namelijk een heater), is de kans groot dat de was waarop het koper ligt smelt. Dit is niet gewenst en dus zijn er enkel foto’s genomen met siliconen. In figuur 4.3 is het vermogen getekend. Vermits iedere ruit even groot is, is het vermogen per cm2 een geschaalde versie. Deze figuur wordt, in tegenstelling in hoofdstuk 3 niet herhaald omdat het verschil telkens klein is. Het grootste verschil is dat hogere stromen ervoor zorgen dat niet-uniformiteiten uitgesprokener worden. De heater is ontworpen voor een koperdikte van 18μm, maar is ook geproduceerd in 9μm. Heater met koperdikte van 9μm Er zijn 2 heaters geproduceerd in deze dikte, maar zoals vermeld in paragraaf 2.2 is er slechts 1 werkende heater. In figuur 4.5 staat een foto van de werkende heater, figuur 4.5 (a) is de kant met de thermisch geleidende siliconen(langs deze kant zijn de IR-foto’s 45
genomen). Bij een stroom van 1,5A (fig 4.6 (a)) ligt de temperatuur tusssen 30◦ C en 35◦ C, wat slechts een verschil is van 5 ◦ C. De temperatuur is echter nog een beetje laag tenopzichte van onze doelstelling van 37 ◦ C a 40 ◦ C. Kijken we naar figuur (fig 4.6 (b)) waar de stroom 2A bedraagt, ligt de temperatuur tussen de 35 ◦ C en 45 ◦ C, we hebben dus een temperatuursinterval van 10 ◦ C, wat al beduidend meer is. Als we geen rekening houden met de hotspots aan de interconnectie hebben we een temperatuur tussen de 35 ◦ C en 38 ◦ C, wat heel goed is. In figuur (fig 4.6 (c)), waar de stroom 2,5A bedraagt, is het interval nog groter, de temperatuur ligt nu tussen 40 ◦ C en 58 ◦ C, wat een interval is van 18 ◦ C. Dit interval is veel te groot, maar zonder de hotspot aan de temperatuursensor hebben we een interval van 7 ◦ C, wat behoorlijk goed. De hypothese dat naarmate de stroom hoger is de hotspots duidelijker zijn, is hiermee aangetoond. Maar in de figuren vallen nog twee dingen op. Ten eerste is de heater niet symmetrisch, terwijl hij wel symmetrisch ontworpen is. Vermoedelijk zijn enkele koperbaantjes met elkaar verbonden terwijl dit niet de bedoeling was of zijn enkele interconnecties defect, wat ervoor gezorgd heeft dat de stroom zich niet meer mooi verdeelt, dit is echter niet zichtbaar. Ten tweede is duidelijk zichtbaar dat de interconnectiezone zich op een hogere temperatuur bevindt. Ook de interconnectie genereert warmte, maar kan deze niet verspreiden omdat er weinig of geen siliconen op deze interconnectiepunten liggen.
(a)
(b)
Figuur 4.5: Foto werkende heater met 9μm koperdikte
46
(b) 2 A
(a) 1,5 A
(c) 2,5 A Figuur 4.6: IR foto’s van de werkende heater met 9μm koperdikte
Heater met koperdikte van 18μm Zoals bij de 9μm zijn er ook twee heaters gemaakt met een koperdikte van 18 μm. Een foto van een van de 2 heaters is zichtbaar in figuur 4.7, en het is onmiddellijk duidelijk dat er nu ook siliconen over het interconnectiestuk liggen om zo de hotspots aan de interconnectie te verkleinen. De 2 geproduceerde heaters lijken perfect te werken, echter bij een van de 2 is de interconnectie niet goed verbonden. Er is dus maar ´e´en werkende heater. Van de werkende heater zijn vervolgens IR-foto’s gemaakt (figuur 4.8), en het eerste dat onmiddellijk opvalt is de asymmetrie, rechts is de figuur heel mooi met slechts ´e´en hotspot, links is het temperatuursprofiel niet zoals verwacht. Door nu opnieuw 47
nauwkeurig naar figuur 4.7 te kijken, is zichtbaar dat er een connectie aanwezig is die er niet zou mogen zijn(in rood omcirkeld). Dit zorgt ervoor dat de stroom een andere weg neemt dan gepland. Dit is een kleine productiefout die waarschijnlijk veroorzaakt werd door een vuiltje. Merk op dat de IR-foto’s genomen zijn op de grijze kant van de heater wat verklaart waarom de IR figuur links een fout geeft en de gewone foto rechts. Vermits het ontwerp symmetrisch is, en de rechtse kant de werkende kant is, wordt enkel de rechtse kant van de IR-foto’s besproken. De extra siliconen hebben er nu inderdaad voor gezorgd dat de interconnectiepunten geen hotspots meer zijn. Enkel de voorspelde hotspot rond de sensor is nu zichtbaar. In volgende tabel staat het temperatuursinterval van de (goede kant) van de heater bij verschillende stromen. Weerom zien we dat het verschil in temperatuur groter wordt bij een hogere stroom. We zien dat bij lage temperatuur er slechts een verschil is van 5 ◦ C, bij hogere stromen bedraagt dit verschil tot 12 ◦ C. Houden we echter geen rekening met de hotspot, dan zien we dat het verschil 3 ◦ C bedraagt. Dit is een heel mooi resultaat vermits 90% van de oppervlakte van de heater dus binnen deze grens van 3◦ C zit. I(A) Tmin (◦ C)
Tmax (◦ C)
V erschil(◦ C)
Tmax,hotspot (◦ C)
V erschilhotspot (◦ C)
2
33
38
5
36
3
2, 5
33
39
6
36
3
3
40
50
10
43
3
3, 5
40
52
12
45
5
4.3
Conclusie en Toekomstpersectief
Uitgaande van de resultaten in vorige paragraaf kan geconcludeerd worden dat het perfect haalbaar is om een uniform verwarmingselement te ontwerpen met een beperkt temperatuursinterval. Door de extra connectie toe te voegen, zoals in figuur 4.4 kan de hotspot al meer beperkt worden, en als er in plaats van baantjes van 100 μm breed, baantjes van 150 μm breed gebruikt zouden worden voor de interconnectie naast de temperatuursensor, dan zou dit de hotspot nog meer beperken. Een andere locatie voor de temperatuursensor zou ook een mogelijkheid zijn. In figuur 4.9 is de IR foto getoond van het 9 en 18μm verwarmingselement met een continue warmteverdeling. De unifomriteit is hier duidelijk zichtbaar, vooral bij de 18μm heater. Ook al gaat het hier maar om DC stroom, toch is het van groot belang dat alle baantjes goed verbonden zijn. Een kortsluiting op een foute plaats zorgt voor een grote hotspot. Een slechte interconnectie en de heater werkt niet meer. De productie moet dus met veel zorg gebeuren want het kleinste foutje kan voor een grote afwijking zorgen van het 48
(a)
(b)
Figuur 4.7: Foto werkende heater met 18μm koperdikte
temperatuursprofiel. De heater vindt zijn toepassing in de medische wetenschap en dus is als finale test gekeken wat het effect is als de heater gebruikt wordt om de huid op te warmen. De heater is op de arm geplaatst voor enkele minuten. vervolgens is van de arm een IR-foto genomen. De resultaten hiervan zijn zichtbaar in figuur 4.10 en figuur 4.11. De foto’s zijn dezelfde, maar met andere kleurschaal. Bij figuur 4.10 is de schaal gebruikt met een discreet temperatuursinterval. Hier is heel duidelijk de hotspot te zien die zich rond de temperatuursensor bevindt. De rest van de arm is heel uniform opgewarmd. In figuur 4.11 is gebruik gemaakt van een continue schaalverdeling met een groot kleurverschil rond 36 ◦ C. De plaats waar de heater op de huid gelegen heeft, is heel duidelijk zichtbaar. De huid, die zich normaal op een temperatuur van 32 ◦ C bevind, is opgewarmd tot ongeveer 39 ◦ C, de temperatuur ligt tussen de 38 ◦ C en 43 ◦ C. De huid neemt, zoals zichtbaar op de foto’s, het temperatuursprofiel over van de heater, maar verdeelt de warmte ook een beetje en zorgt dus voor een nog grotere uniformiteit. Er kan dus gesteld worden dat de heater in staat is om de huid uniform op te warmen. 49
(a) 2 A
(b) 2,5 A
(c) 3 A
(d) 3.5 A
Figuur 4.8: IR foto’s van de werkende heater met 18μm koperdikte
50
18μm, 3A
9μm, 2A
Figuur 4.9: IR foto’s van de heaters met uniforme warmteverdeling
Figuur 4.10: IR foto van een arm die opgewarmd is met een heater (discrete warmteverdeling)
51
Figuur 4.11: IR foto van een arm die opgewarmd is met een heater (continue warmteverdeling)
52
5 5.1
Ontwerp van het controlescherm Inleiding
Bij ontwikkeling van de heater is er heel wat tijd gekropen in het plaatsen van de temperatuursensor en in het lay-outen van de koperstructuur rond de heater voor het bekomen van een zo homogeen mogelijke heater. Een heater heeft namelijk niet veel nut als de temperatuur ongekend is, dus is er een temperatuursensor op de heater geplaatst waarvan de temperatuur getoond wordt op een scherm. Voor de temperatuursensor is gekozen voor een LM92, deze component is klein en maakt gebruik van een I2 C interface om te communiceren met andere componenten. Door de juiste temperatuur door te sturen naar het scherm kan de temperatuur getoond worden op het schermpje. Dit schermpje moet ook flexibel zijn. Flexibele displays zijn momenteel nog niet, of nauwelijks, commercieel beschikbaar. Er is gekozen voor het maken van een led-display uit discrete componenten omdat enerzijds het energieverbruik toch niet zo een groot belang heeft, en anderzijds, omdat het mogelijk is om zo een scherm te maken in de stretch technologie.
5.2
Werking
De temperatuur wordt ingelezen uit de temperatuursensor(LM92) via de I2 C bus van de processor en deze waarde wordt getoond op het led display. De stroom die een processor kan leveren is beperkt, enerzijds per I/O pin, anderzijds globaal. De stroom dat een led display verbruikt is behoorlijk hoog, te hoog om direct aan te sturen door de meeste processoren. In plaats van op zoek te gaan naar een processor die deze hoge stromen kan leveren is er gekozen om een derde component toe te voegen aan de schakeling, een I2 C naar parallel convertor, deze kan wel de nodige stromen leveren voor de leds. De processor leest nu de temperatuur in via zijn I2 C bus en stuurt deze temperatuur door naar de I2 C naar parallel convertor die op zijn beurt de leds aanstuurt. De processor moet dus alleen via I2 C de temperatuur uitlezen en deze vervolgens naar het scherm schrijven via I2 C. De ideale processor is dus een heel kleine processor met I2 C. Na intensief zoeken is er een gevonden, namelijk de MSPf2013 van TI, met slechts 14 pinnen. Het I2 C protocol is hier niet expliciet ge¨ıntegreerd, maar deze kan softwarematig ge¨ımplementeerd worden gebruik makend van de USI pinnen gecombineerd met interne interrupts. Hoewel de algemene datasheet van de MSP430 familie vermeldt 53
dat alle processoren in de familie te programmeren zijn via Bootstrap loading, is dit niet ge¨ımplementeerd. De processor programmeren via JTAG zou ook mogelijk moeten zijn, maar vermits dit een nieuwe processor is, bevat deze processor enkele bugs en programmeren via de JTAG kabel ging dus ook niet. En dus was de processor enkel te programmeren via spy-by-wire, een afgeslankte versie van JTAG, hiervoor was nood aan een USB JTAG kabel, wat niet voor handen was aan het TFCG, en dus is besloten om over te schakelen op een andere processor binnen dezelfde familie, de MSP430F169. Een schematische voorstelling van het display wordt getoond in figuur 5.1. De processor leest via I2 C de temperatuur van de temperatuursensor, de processor verwerkt deze waarden en zet deze om in waarden die de leds aansturen en stuurt deze waarde door naar de leddriver die op zijn beurt de leds aan of uitschakelt, afhankelijk welke temperatuur er uitgelezen wordt. VCC 10k
10k
I2C
LM92
SDA
MSP430F169
SCL
Temperatuursensor
Processor
PCA9555 Leddriver
GND
Figuur 5.1: Schematische voorstelling van het display
54
5.3
Werking I2C
Specificaties De I2 C standaard vereist slechts 2 interconnecties, een seri¨ele datalijn(SDA) en een seri¨ele klok lijn(SCL). De maximale snelheid is 3,4Mbit/s, maar meestal wordt echter gebruik gemaakt van een lagere snelheid, deze bedraagt 100 a` 400 kbit/s. Als gevolg van deze lage bitfrequentie zijn er geen voorwaarden voor kabels of connectoren. Het maximale aantal componenten wordt beperkt door de capacitieve belasting van de bus. Deze mag maximaal 400pF bedragen. Dit komt gemiddeld genomen overeen met een 20 tal componenten. Iedere component krijgt een 7 bit adres. Dit wordt hardwarematig ingesteld. Communicatie procedure Als een master wil communiceren met een IC, dan zal hij eerst luisteren of de bus vrij is. In dit geval zijn zowel SDA en SCL hoog. Vervolgens verstuurt de master een signaal om aan te geven dat hij de bus wil gebruiken. Een startsignaal is een hoog naar laag overgang op de SDA lijn terwijl de SCL lijn hoog is. Dit is getekend in figuur 5.2. Alle
Figuur 5.2: Start en stop signalen van I2 C bus
IC’s luisteren nu om te horen of ze worden aangesproken. De master zet nu op de SCL lijn een klok. Deze klok zal gebruikt worden door alle IC’s. De laag naar hoog overgang van het kloksignaal wordt gebruikt als triggerpunt. De master stuurt nu een 8 bit signaal uit op de SDA lijn. Deze eerste 7 bits zijn het adres van de IC waarmee de master wil communiceren. De achtste bit wordt gebruikt om aan te geven of het om een lees(1) of schrijf(0) actie gaat. De IC met het adres dat uitgestuurd werd door de master reageert met een acknowledge. Dit is 1 bit die wordt verzonden door de slave over de SDA lijn. Hiermee geeft de IC aan dat hij de oproep om te communiceren ontvangen heeft en hij klaar is om te lezen/schrijven. Nu start de data overdracht tussen de master en de slave. In het geval van een leescyclus stuurt de slave data naar de master. De master 55
beantwoort dit met een ack. De slave kan nu data blijven sturen zolang de master een ack terug stuurt. Als alle data verstuurd is genereert de slave een stopconditie. Dit is een laag naar hoog transitie op de SDA lijn als SCL hoog is. Dit stopsignaal is getekend in figuur 5.2. De volledige leescyclus is grafisch voorgesteld in figuur 5.3. Hierbij is blauw een signaal uitgestuurd door de master en geel een signaal verstuurd door de slave. Een schrijfcyclus verloopt analoog. Enkel is het nu de master die bytes
Figuur 5.3: Leescyclus van het I2 C protocol
doorstuurt naar de slave en is het de slave die een ack stuurt na iedere ontvangen byte en is de master die nu het stopsignaal genereert. De schrijfcyclus is grafisch voorgesteld in figuur 5.4. Het is ook mogelijk om in 1 cyclus te lezen en dan te schrijven. Dit
Figuur 5.4: Schrijfcyclus van het I2 C protocol
gebeurt door eerst te lezen zoals hierboven uitgelegd, echter, er wordt geen stopsignaal verstuurd. Na de ack van de master stuurt de master opnieuw het adres en vervolgens een schrijfbit. De schrijfcyclus is nu dezelfde als hierboven uitgelegd. Eerst lezen en dan schrijven is uiteraard ook mogelijk en verloopt analoog. Een grafische voorstelling van een gecombineerde cyclus is voorgesteld in figuur 5.5. . Configuratie van de IC’s De configuratie van IC’s die willen communiceren met het I2 C protocol is zeer eenvoudig. Er zijn 2 lijnen nodig. 1 lijn die alle SDA pinnen met elkaar verbindt en 1 lijn die alle SCL lijnen met elkaar verbindt. Ook moet er op iedere lijn een pull-up weerstand aanwezig zijn met een waarde tussen 2kΩ en de 10kΩ die verbonden is met de voeding. Het sturen van signalen gebeurt dan door het laag trekken van de buslijn als er een 56
Figuur 5.5: Gecombineerde cyclus van het I2 C protocol
nul gestuurd moet worden en door de lijn hoog te houden als er een 1 moet verstuurd worden. De configuratie van verschillende componenten is grafisch voorgesteld in figuur 5.6.
Figuur 5.6: Configuratie van IC’s voor het I2 C protocol
5.4
Resultaten
Voor het testen is deze schakeling eerst gemaakt op breadboard (fig 5.7). Op dit bordje staan alle componenten zoals in figuur 5.1 getekend. Ook is het mogelijk om een heater aan te sluiten op dit bordje(fig 5.8), in deze figuur is een heater aangesloten op het 57
display. De temperatuur van de heater bedraagt 49◦ C. De lay out van de heater in stretch staat in figuur 5.9. Op deze layout staan enkel de leds, het is niet mogelijk om de processor of de leddriver te plaatsen op stretch wegens te kleine afstand tussen de pootjes. Dus zijn ze een flex geplaatst die vervolgens geconnecteerd wordt met de stretch. Deze zijn ook in siliconen gegoten. Dit schermpje is momenteel nog in productie en kan dus niet worden opgenomen in deze scriptie.
Temperatuursensor
Processor
Leddriver
Figuur 5.7: Foto van de breadboard schakeling van het scherm
Figuur 5.8: Foto van de breadboard schakeling met heater
58
Figuur 5.9: Lay-out van het scherm voor productie in flex
59
Bibliografie [1] Dow Corning, http://www.dowcorning.com/ [2] Jan Vanfleteren Stretch technology, 3 20Jan 202007 0306 IMAPS UK Vanfleteren 205BRead-Only 5D.pdf [3] Processor, MSP430, http://ti.com/msp430/ [4] Temperatuursensor, LM92, http://www.national.com/pf/LM/LM92.html [5] Leddriver, PCA9555, http://www.nxp.com/ [6] I2C documentatie, http://www.nxp.com/acrobat download/applicationnotes/AN10216 1.pdf
60
Lijst van figuren 2.1
Foto van de Cadence layout van een Masker . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
Foto van een Masker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3
Productie van een flex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.4
Plaatsen component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.5
Foto’s van een flex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.6
Grafische voorstelling productie stretch . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.7
Aanbrengen transparante siliconen op de stretch . . . . . . . . . . . . .
9
2.8
Verwijderen van de polyimide aan de hand van warmte (9μm) . . . . .
10
2.9
Verwijderen van de polyimide door de was op te lossen in acetone (9μm) 10
2.10 Eindresultaat van de heater uit figuur 2.8 . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.11 Eindresultaat de een heater uit figuur 2.8 . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.12 Eindresultaat van de heater uit figuur 2.8 . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.13 Foto van de siliconen (Dow Corning 3-6651 en 3-1818) . . . . . . . . . .
13
3.1
Mogelijke meanderstructuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.2
Omzetting meanderstructuur naar weerstand . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3
Eenvoudig voorbeeld dat het vermogen berekend van een meanderstructuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.4
Afmetingen meanders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.5
Schematische voorstelling van de 5x5 heater . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.6
Meanderstructuren gebruikt bij het ontwerp van de eerste heater . . . .
19
3.7
Spice equivalent van de meanderstructuur . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.8
Masker van de 7x7 heater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.9
Spice equivalent van de 7x7 heater
22
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Vermogen van de 7x7 heater met 2 interconnecties
. . . . . . . . . . .
3.11 Vermogen per cm2 van de 7x7 heater met 2 interconnecties 3.12 Vermogen van de 7x7 heater met 6 interconnecties
24
. . . . . .
25
. . . . . . . . . . .
26
2
3.13 Vermogen per cm van de 7x7 heater met 6 interconnecties
. . . . . .
27
3.14 Foto’s van de heaters, 9μm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.15 IR foto ivgm simulatie, koperdikte 9μm, 2 interconnecties
. . . . . . .
30
3.16 IR foto ivgm simulatie, koperdikte 18μm, 2 interconnecties . . . . . . .
32
3.17 Foto’s van de heaters, 18μm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
61
3.18 IR schematic binnenring met 18μm koperdikte en 2 interconncties zonder siliconen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3.19 IR foto van figuur 3.16 met een continue warmteverdeling(18 μm) . . .
34
3.20 IR foto van figuur 3.21 met een continue warmteverdeling(35 μm) . . .
35
3.21 IR foto ivgm simulatie, koperdikte 35μm, 2 interconnecties . . . . . . .
36
3.22 IR foto ivgm simulatie, koperdikte 9μm, 6 interconnecties
. . . . . . .
37
3.23 IR foto ivgm simulatie, koperdikte 18μm, 6 interconnecties . . . . . . .
38
3.24 IR foto ivgm simulatie, koperdikte 35μm, 6 interconnecties . . . . . . .
40
3.25 IR foto van figuur 3.21 met een continue warmteverdeling(35 μm) . . .
41
4.1
Schematische voorstelling van het stroomverloop in de heater . . . . . .
43
4.2
Detail van de breedte van de meanders in de bocht . . . . . . . . . . .
44
4.3
Gesimuleerd vermogen van het uiteindelijke ontwerp . . . . . . . . . . .
44
4.4
Gesimuleerd vermogen van de zone rond de heater met extra connectie
45
4.5
Foto werkende heater met 9μm koperdikte . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4.6
IR foto’s van de werkende heater met 9μm koperdikte . . . . . . . . . .
47
4.7
Foto werkende heater met 18μm koperdikte . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.8
IR foto’s van de werkende heater met 18μm koperdikte . . . . . . . . .
50
4.9
IR foto’s van de heaters met uniforme warmteverdeling . . . . . . . . .
51
4.10 IR foto van een arm die opgewarmd is met een heater (discrete warmteverdeling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.11 IR foto van een arm die opgewarmd is met een heater (continue warm-
5.1
teverdeling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
Schematische voorstelling van het display . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
2
5.2
Start en stop signalen van I C bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
5.3
Leescyclus van het I2 C protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5.4
Schrijfcyclus van het I2 C protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5.5
2
57
2
Gecombineerde cyclus van het I C protocol . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
Configuratie van IC’s voor het I C protocol . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.7
Foto van de breadboard schakeling van het scherm . . . . . . . . . . . .
58
5.8
Foto van de breadboard schakeling met heater . . . . . . . . . . . . . .
58
5.9
Lay-out van het scherm voor productie in flex . . . . . . . . . . . . . .
59
62
