Characterization and compact modeling of printed electrolyte-gated thin film transistors and circuits

Die Herstellung konventioneller Elektronik ist ein hochkomplexer Prozess, der hohe Kosten erfordert. In diesem Zusammenhang gewinne die gedruckte Elektronik sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie eine erhöhte Aufmerksamkeit. Der Hauptgrund dafür ist die Vereinfachung des Herstellungsprozesses durch additive Drucktechnologien wie Inkjet-Druck. Dies hat Vorteile wie die bedarfsgerechte Herstellung und minimaler Materialverbrauch. Außerdem wird eine vielfältige Auswahl verschiedener Substratmaterialien ermöglicht. Im Zentrum der Entwicklung von Schaltungen auf Basis gedruckter Elektronik stehen gedruckte Transistoren. In letzter Zeit sind Metalloxidhalbleiter wie Indiumoxid aufgrund ihrer hohen Ladungsbeweglichkeit zu vielversprechenden Materialien für die Herstellung gedruckter elektronischer Bauelemente geworden. Darüber hinaus bietet der Elektrolyt-Gate-Ansatz aufgrund der großen Gate-Kapazität, die durch die elektrischen Doppelschichten bereitgestellt wird, auch die Vorteile, einen Niederspannungsbetrieb im Sub-1 V-Bereich zu erreichen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung gedruckter Bauteile und Schaltungen in Nischenanwendungen. Um das Design und die Herstellung von gedruckten Schaltungen zu erleichtern, ist die Entwicklung kompakter Modelle erforderlich. Die meisten existierenden Arbeiten haben sich bisher auf die Untersuchung des statischen Verhaltens von Transistoren konzentriert. Hierbei wird das dynamische und das Rauschverhalten der Bauteile häufig vernachlässigt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die umfassende Untersuchung der Kapazitäts sowie Rauscheigenschaften Tintenstrahl-gedruckter Dünnschichttransistoren mit einem flüssig-prozessierbaren Feststoffelektrolyten als Isolator (EGT) und einem Indiumoxid-Halbleiter als Kanalmaterial durchzuführen.. Es werden geeignete Modellierungsansätze vorgeschlagen, um das elektrische Verhalten genau zu erfassen. Dies ermöglicht eine erweiterte Analyse analoger, digitaler sowie gemischter analog-digitaler Schaltungen. In dieser Arbeit wird die Kapazität von EGTs mittels spannungsabhängiger Impedanzspektroskopie charakterisiert. Intrinsische und extrinsische Effekte werden durch Verwendung von De-Embedding-Teststrukturen getrennt. Des Weiteren wird ein Ersatzschaltbild erstellt, um genaue Simulationen des gemessenen Frequenzgangs der Gate-Impedanz zu ermöglichen. Auf dieser Grundlage zeigt sich, dass Top-Gate EGTs das Potenzial haben, eine Schaltfrequenz im kHz-Bereich zu erreichen, wenn die Materialien und der Druckprozess weiter optimiert werden. Darüber hinaus wird ein Meyer-ähnliches Modell vorgeschlagen, um die Kapazitäts-Spannungs-Eigenschaften der Anschlusskapazität genau zu erfassen. Es werden sowohl parasitäre Kapazitäten als auch nicht-quasistatische Effekte berücksichtigt. Die resultierenden Modelle ermöglichen weitere AC- und transiente Simulationen komplexer Schaltungen in der EGT-Technologie. Im Folgenden werden Untersuchungen zu den Rauscheigenschaften gedruckter EGTs durchgeführt. Das Niederfrequenzrauschen wird anhand eines eigens dafür optimierten Versuchsaufbaus charakterisiert. Durch Untersuchung der gemessenen Rauschspektren im Transistor-Drainstrom bei verschiedenen Gate-Spannungen wurde die Ladungsträgerschwankung mit korrelierter Mobilitätsschwankung als primärer Rauschmechanismus bestimmt. Auf dieser Grundlage kann das normalisierte Flachband-Spannungsrauschen als Hauptleistungsmetrik berechnet werden, was im Vergleich zu anderen Dünnschichttechnologien, die auf Dielektrika und Halbleitern wie IZO und IGZO basieren, einen erheblich niedrigeren Wert aufweist.. Ein plausibler Grund könnte die große Gate-Kapazität sein, die durch die elektrische Doppelschicht erzeugt wird. Daher eigenen sich gedruckte EGTs für beispielsweise rauscharme Anwendungen in der Sensorik. Abschließend werden verschiedene Schaltungsdesigns vorgeschlagen, die auf EGT-Technologie basieren. Dies beinhaltet grundlegende digitale Schaltungen wie Inverter Strukturen und Ringoszillatoren. Ihre Leistungsmetriken, einschließlich der Gatterlaufzeit und dem Stromverbrauch, werden ausführlich charakterisiert. Des Weiteren wird das erste Design eines gedruckten Brückengleichrichters unter Verwendung von EGTs mit eine nahe-null-Volt-Schwellspannung in einer Dioden-Konfiguration vorgestellt. Der vorgestellte Gleichrichter ist in der Lage, Eingangsspannungen mit kleiner Amplitude von circa 100 mV effektiv zu verarbeiten. Dies ist besonders im Anwendungsbereich des Energy-Harvestings von Interesse. Zusätzlich werden die zuvor etablierten Kapazitätsmodelle auf diesen Schaltungen verifiziert. Ein Vergleich der Simulations- und Messdaten zeigt deren sehr gute Übereinstimmung und verifiziert die entwickelten Kapazitätsmodelle

Improved Competitive Ratios for Online Bipartite Matching on Degree Bounded Graphs

We consider the online bipartite matching problem on $(k,d)$-bounded graphs, where each online vertex has at most $d$ neighbors, each offline vertex has at least $k$ neighbors, and $k\geq d\geq 2$. The model of $(k,d)$-bounded graphs is proposed by Naor and Wajc (EC 2015 and TEAC 2018) to model the online advertising applications in which offline advertisers are interested in a large number of ad slots, while each online ad slot is interesting to a small number of advertisers. They proposed deterministic and randomized algorithms with a competitive ratio of $1 - (1-1/d)^k$ for the problem, and show that the competitive ratio is optimal for deterministic algorithms. They also raised the open questions of whether strictly better competitive ratios can be achieved using randomized algorithms, for both the adversarial and stochastic arrival models. In this paper we answer both of their open problems affirmatively. For the adversarial arrival model, we propose a randomized algorithm with competitive ratio $1 - (1-1/d)^k + \Omega(d^{-4}\cdot e^{-\frac{k}{d}})$ for all $k\geq d\geq 2$. We also consider the stochastic model and show that even better competitive ratios can be achieved. We show that for all $k\geq d\geq 2$, the competitive ratio is always at least $0.8237$. We further consider the $b$-matching problem when each offline vertex can be matched at most $b$ times, and provide several competitive ratio lower bounds for the adversarial and stochastic model.Comment: 23 pages, 5 figure

Mobility analysis of generalized angulated scissor-like elements with the reciprocal screw theory

This paper deals with the planar closed loop linkage consisting of a series of scissor-like elements connected by revolute joints. Because every generalized angulated element (GAE) subtends a constant angle during the motion, every angulated link was assumed as a PRRP linkage which has two prismatic joints and two revolute joints. Therefore, the two PRRP linkages of the GAE are individually movable with a single degree of freedom. The mobility of two types of GAEs was investigated with the method based on the screw theory. It has been proven that both types of GAEs are movable because the terminal constraints exerted to the common joint by the two linkages are equal

Motion analysis of a foldable barrel vault based on regular and irregular Yoshimura Origami

This paper investigates the geometry of a foldable barrel vault with Yoshimura Origami patterns during the motion. On the base of the geometry analysis of the origami unit, the radius, span, rise, and longitudinal length of the foldable barrel vault with regular Yoshimura Origami pattern in all configurations throughout the motion are determined. The results show that the radius of curvature and the span increase during deployment. But the rise increases first, followed by a decrease with increasing fold angle. Furthermore, the influence of the apex angle of the origami unit and the numbers of triangular plates in the span direction on the geometric parameters is also investigated. Finally, the method to obtain the rise and span of the barrel vault with irregular origami pattern is also given

Hierarchical Sarsa Learning Based Route Guidance Algorithm

In modern society, route guidance problems can be found everywhere. Reinforcement learning models can be normally used to solve such kind of problems; particularly, Sarsa Learning is suitable for tackling with dynamic route guidance problem. But how to solve the large state space of digital road network is a challenge for Sarsa Learning, which is very common due to the large scale of modern road network. In this study, the hierarchical Sarsa learning based route guidance algorithm (HSLRG) is proposed to guide vehicles in the large scale road network, in which, by decomposing the route guidance task, the state space of route guidance system can be reduced. In this method, Multilevel Network method is introduced, and Differential Evolution based clustering method is adopted to optimize the multilevel road network structure. The proposed algorithm was simulated with several different scale road networks; the experiment results show that, in the large scale road networks, the proposed method can greatly enhance the efficiency of the dynamic route guidance system. Document type: Articl

Dynamics Analysis of Misalignment and Stator Short-Circuit Coupling Fault in Electric Vehicle Range Extender

Due to the complex structure and wide excitation of the range extender, the misalignment and stator short-circuit coupling fault can easily occur. Therefore, it is necessary to study the coupling fault mechanism of the range extender, analyze the cause of the fault and the fault evolution law, and research the coupling fault characteristics. To reveal the mechanism of misalignment and stator-short-circuit coupling fault, the misalignment mechanism was analyzed and the bending and torsion electromagnetic stiness of the generator in the stator short-circuit fault was derived. Then the dynamic model of bending and torsion coupling for the generator was established. Furthermore, we used the Runge-Kutta method to study the vibration response characteristics of generator rotor under coupling fault. Then through finite element analysis, the feasibility of coupled fault diagnosis was verified. The results show that the response of the generator rotor not only has the frequency component of single faults, but also new frequency components such as 4.0 and 6.0 harmonic amplitudes of radial vibration and 3.0 harmonic amplitudes of torsional vibration, respectively