[發明專利]基于基板速度調節的納米纖維直徑控制方法及控制裝置

有效

• 申請號: 201310659164.0
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN103645751A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 張海濤;魏飛龍;董益民;尹周平;丁漢
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D5/00
• 分類號: G05D5/00;G05B13/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于納米柔性電子制造領域，更具體地涉及一種基于基板速度調節的納米纖維直徑控制方法及控制裝置。

背景技術

納米柔性電子制造是將高分子材料電子器件制作在柔性基板上的新興電子技術。納米柔性電子區別與傳統微電子的最大特點是其具有透明、輕質以及可伸展、彎曲的柔性。納米柔性電子將開辟出許多新的電子應用領域(如柔性顯示器，大面積傳感器，薄膜太陽能電池，電子報紙等)。

納米靜電噴印是在保證噴嘴末端有穩定高分子溶液供給的情況下，通過將直流高壓電源產生的高壓加至噴嘴和基板之間以形成靜電力，在靜電力的和高分子溶液自身粘滯力作用下，高分子溶液首先形成泰勒錐，當靜電力突破粘滯力后，高分子溶液從噴嘴末端噴出從而形成穩定的納米纖維，通過調節基板運動，納米纖維將在基板上形成相應的微納結構單元。納米靜電噴印技術作為一種適用于不同材料，不同尺度制造的柔性制造工藝，有望成為高性能柔性電子制造的主流制造工藝之一。然而，納米靜電噴印技術依然存在著噴印裝置優化、噴印材料制備、外界多場控制等諸多方面的挑戰。靜電噴印形成的納米纖維極易受到基板運動速度、電壓、流量、外界環境的溫度和濕度等多種參數的影響，使得沉積在基板上的納米纖維直徑非常的不穩定。

發明內容

為了解決現有納米靜電噴印技術中納米纖維直徑因外界參數影響而不穩定的缺陷，本發明提供了一種基于基板速度調節的納米纖維直徑控制方法；本發明還同時提供了一種基于基板速度調節的納米纖維直徑控制裝置。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于基板速度調節的納米纖維直徑控制方法，包括如下步驟：

(1)在具有流量穩定的高分子溶液供給的情況下，通過將直流高壓電源產生的高壓加至噴嘴和基板之間以形成靜電力，使高分子溶液在噴嘴末端突破高分子溶液本身的粘滯力和空氣阻力，從噴嘴中噴出形成納米纖維，并沉積在基板上；

(2)當從噴嘴末端噴出的納米纖維狀態穩定時，通過控制運動控制卡使基板運動；

(3)采用光纖光源照射基板，并使用帶有顯微鏡頭的高速相機實時采集沉積在基板上的納米纖維形貌圖像；

(4)將高速相機采集的納米纖維形貌圖像通過圖像采集卡處理后傳送到實時處理控制器，并在實時處理控制器中進行圖像處理，實時計算出納米纖維的直徑；

(5)將步驟(4)計算出的納米纖維直徑與預先設定的設定直徑進行比較得到偏差，以所述偏差為控制量，通過采用控制算法實時對基板速度進行調節，從而使得納米纖維穩定在設定直徑處。

進一步的，步驟(2)中所述基板運動為直線運動，所述納米纖維為直線形狀。

進一步的，步驟(5)中所述控制算法為廣義預測控制算法。

本發明還同時提供了一種基于基板速度調節的納米纖維直徑控制裝置，包括納米纖維形成模塊、運動控制模塊、視覺模塊和核心監測模塊；

所述納米纖維形成模塊包括電動微型泵、直流高壓電源、噴嘴和基板，電動微型泵用于控制高分子溶液的流量，使高分子溶液從噴嘴中噴出的流量穩定；直流高壓電源與噴嘴相連，通過輸出高壓使噴嘴與基板間產生靜電力；

所述運動控制模塊包括驅動電機、運動平臺、運動控制卡和運動信號采集卡，基板安裝在運動平臺上，與運動平臺聯動；所述運動平臺由所述驅動電機驅動，所述驅動電機與運動控制卡和運動信號采集卡均相連，所述運動信號采集卡用于采集電機編碼器反饋的電機磁極位置、電機轉角和電機轉速信號；

視覺模塊包括光纖光源、高速相機和圖像采集卡，光纖光源設置在基板側面，用于照亮基板；高速相機帶有顯微鏡頭，安裝在基板的上方，用于實時采集沉積在基板上的納米纖維圖像；圖像采集卡與高速相機相連，用于接收高速相機采集的納米纖維圖像信號；

核心監測模塊包括實時處理控制器，所述實時處理控制器為嵌入式實時處理控制器，運動控制卡、運動信號采集卡、圖像采集卡均與實時處理控制器相連。

進一步的，所述基板為柔性基板或半導體基板。

進一步的，所述實時處理控制器還與一顯示器相連，所述顯示器用于顯示納米纖維直徑、基板運動速度和納米纖維圖像。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明從影響納米纖維的主要因素之一基板速度來實現閉環控制，以穩定納米纖維直徑，解決了現有納米靜電噴印技術中納米纖維直徑因外界參數影響而不穩定的缺陷。

2、本發明通過采用視覺模塊可以實時進行圖像處理，并且對納米纖維直徑進行測量，從而實時反饋當前納米纖維直徑，方便對基板速度的實時調節。