[发明专利]基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法及控制装置

说明书

技术领域

本发明属于纳米柔性电子制造领域，更具体地涉及一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法及控制装置。

背景技术

纳米柔性电子制造是将高分子材料电子器件制作在柔性基板上的新兴电子技术。纳米柔性电子区别与传统微电子的最大特点是其具有透明、轻质以及可伸展、弯曲的柔性。纳米柔性电子将开辟出许多新的电子应用领域(如柔性显示器，大面积传感器，薄膜太阳能电池，电子报纸等)。

纳米静电喷印是在保证喷嘴末端有稳定高分子溶液供给的情况下，通过将直流高压电源产生的高压加至喷嘴和基板之间以形成静电力，在静电力的和高分子溶液自身粘滞力作用下，高分子溶液首先形成泰勒锥，当静电力突破粘滞力后，高分子溶液从喷嘴末端喷出从而形成稳定的纳米纤维，通过调节基板运动，纳米纤维将在基板上形成相应的微纳结构单元。纳米静电喷印技术作为一种适用于不同材料，不同尺度制造的柔性制造工艺，有望成为高性能柔性电子制造的主流制造工艺之一。然而，纳米静电喷印技术依然存在着喷印装置优化、喷印材料制备、外界多场控制等诸多方面的挑战。静电喷印形成的纳米纤维极易受到基板运动速度、电压、流量、外界环境的温度和湿度等多种参数的影响，使得沉积在基板上的纳米纤维直径非常的不稳定。

发明内容

为了解决现有纳米静电喷印技术中纳米纤维直径因外界参数影响而不稳定的缺陷，本发明提供了一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法；本发明还同时提供了一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法，包括如下步骤：

(1)在具有流量稳定的高分子溶液供给的情况下，通过将直流高压电源产生的高压加至喷嘴和基板之间以形成静电力，使高分子溶液在喷嘴末端突破高分子溶液本身的粘滞力和空气阻力，从喷嘴中喷出形成纳米纤维，并沉积在基板上；

(2)当从喷嘴末端喷出的纳米纤维状态稳定时，通过控制运动控制卡使基板运动；

(3)采用光纤光源照射基板，并使用带有显微镜头的高速相机实时采集沉积在基板上的纳米纤维形貌图像；

(4)将高速相机采集的纳米纤维形貌图像通过图像采集卡处理后传送到实时处理控制器，并在实时处理控制器中进行图像处理，实时计算出纳米纤维的直径；

(5)将步骤(4)计算出的纳米纤维直径与预先设定的设定直径进行比较得到偏差，以所述偏差为控制量，通过采用控制算法实时对基板速度进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径处。

进一步的，步骤(2)中所述基板运动为直线运动，所述纳米纤维为直线形状。

进一步的，步骤(5)中所述控制算法为广义预测控制算法。

本发明还同时提供了一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制装置，包括纳米纤维形成模块、运动控制模块、视觉模块和核心监测模块；

所述纳米纤维形成模块包括电动微型泵、直流高压电源、喷嘴和基板，电动微型泵用于控制高分子溶液的流量，使高分子溶液从喷嘴中喷出的流量稳定；直流高压电源与喷嘴相连，通过输出高压使喷嘴与基板间产生静电力；

所述运动控制模块包括驱动电机、运动平台、运动控制卡和运动信号采集卡，基板安装在运动平台上，与运动平台联动；所述运动平台由所述驱动电机驱动，所述驱动电机与运动控制卡和运动信号采集卡均相连，所述运动信号采集卡用于采集电机编码器反馈的电机磁极位置、电机转角和电机转速信号；

视觉模块包括光纤光源、高速相机和图像采集卡，光纤光源设置在基板侧面，用于照亮基板；高速相机带有显微镜头，安装在基板的上方，用于实时采集沉积在基板上的纳米纤维图像；图像采集卡与高速相机相连，用于接收高速相机采集的纳米纤维图像信号；

核心监测模块包括实时处理控制器，所述实时处理控制器为嵌入式实时处理控制器，运动控制卡、运动信号采集卡、图像采集卡均与实时处理控制器相连。

进一步的，所述基板为柔性基板或半导体基板。

进一步的，所述实时处理控制器还与一显示器相连，所述显示器用于显示纳米纤维直径、基板运动速度和纳米纤维图像。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明从影响纳米纤维的主要因素之一基板速度来实现闭环控制，以稳定纳米纤维直径，解决了现有纳米静电喷印技术中纳米纤维直径因外界参数影响而不稳定的缺陷。

2、本发明通过采用视觉模块可以实时进行图像处理，并且对纳米纤维直径进行测量，从而实时反馈当前纳米纤维直径，方便对基板速度的实时调节。