CN102527589A - 一种平板式刮膜机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜制备领域，公开了一种平板式刮膜机及其控制方法。平板式刮膜机包括机架、前面板以及侧面板，机架包括底座和支柱，其特征在于：在底座上固定着一个丝杆座和第一电机，丝杆安装于丝杆座内，第一电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆外套接着行程块，行程块上固定着推杆架，隔热板固定在支柱上，隔热板上依次设置电热板和导热板，导热板的上方设置有固定于推杆架上的推杆，推杆架上还设置有刮刀压紧装置。本发明操作简单，能够制备厚度均匀、误差小、精度高，形状规则的大面积薄膜，可根据需求调节成膜温度，基片表面温度均匀，成膜后可直接置于刮膜机上热处理，避免以往刮膜后移动薄膜基片进行热处理带来的损坏。

Description

一种平板式刮膜机及其控制方法

技术领域

本发明涉及薄膜制备领域，具体是一种平板式刮膜机及其控制方法。

背景技术

传统的刮膜技术是手工用刮刀刮过滴有溶液或熔融物质的基片表面，通过刮刀与基片之间的缝隙留下一层液态薄膜，经干燥或冷凝后形成所需薄膜，成膜质量很难得到保证，膜厚不精确、不均匀，形状不规则，可重复性差。

申请号为200510049569.8的中国发明专利公开了一种平板式刮膜机，其包括机架、基板、刮刀和下部带注料口的铸膜液槽，其特征在于：所述的刮刀固定在一升降机构上，而基板为一板状的膜板，该膜板通过弹性体位于主框架之上，而主框架又通过其两侧的滑轮沿固定在机架上的轨道移动，同时在膜板之上还设置有上端作用于所述的升降机构，下端作用于膜板、能调节刮刀与膜板之间空隙的膜厚调节机构。由于基板为一沿轨道滑动的板状膜板,因此所制得的膜可单独成型，也可按需在基材上成型，且在弹性体和膜厚调节装置的共同作用下可控制膜板的水平位置，以消除膜板因沿轨道运动而上下起伏所产生的膜厚误差，使制得的成品膜厚度均匀，误差小，精度高，同时可按需精确地控制制膜工艺。

申请号为200820180253.1的中国实用新型专利公开了一种高精度科研用小型平板刮膜机，主要由底座、支撑架、膜板、刮刀、膜板升降装置组成。还设置有自动铸膜刮膜装置和红外线加热温控装置，可实现自动均匀铸膜刮膜过程以及制膜过程中的温度条件的控制。该实用新型能够实现精确控制膜厚以及其他制膜工艺条件，保证制膜重复性的要求，以满足功耗科研制膜的需要。尤其是膜板升降装置，利用了斜面传动、丝杆螺母传动和轮轴的原理，可以实现高精度超薄厚度的制膜，此技术不但适用于科研方面，也可以推广至工业应用领域，在大型平板刮膜机中运用。

申请号为200920208373.2的中国实用新型专利公开了一种自动涂布刮膜机，其包括一基座，该基座的上表面为一成膜基台；一固设于该基座的驱动单元，该驱动单元与一刮刀单元连接，该自动涂布刮膜机还包括一涂布基板，其设于该成膜基台上，位于该基座和该刮刀单元之间；该刮刀单元包括：一刮刀支架，其包括两个侧板和一横设于该两侧板顶部的横梁；该横梁的下方垂设一刮刀，该刮刀通过一弹性构件与该横梁弹性连接；以及一个或多个膜厚调节装置，其设于该横梁顶部，与该刮刀的顶面相接触。该实用新型中的自动涂布刮膜机所制得的膜可单独成型，可以按照需要在基材上成型，并且利用膜厚调节装置使得成品膜的厚度均匀、误差小、精度高，可精确控制制膜工艺。

申请号为201110150780.4的中国发明专利公开了一种基于单片机控制的自动平板刮膜机，能够实现平板膜的自动生产，该装置包括参数设置和显示电路、温度测量与控制电路、电机控制与传动电路以及机械传动部分组成。其中参数设置和显示电路是由触摸屏完成的，能实现生产平板膜规格的大小和加热板的温度设置，温度测量与控制电路是由数字温度传感器和低电压加热器组成，温度的控制是由单片机实现PID调节，电机控制与传动电路是由单片机控制步进电机带动刮刀在滑轨上移动来实现的，刮刀的来回移动由步进电机和位置传感器共同完成的，所印膜的厚度是由刮刀的高度所决定的，而刮刀的高度可以用测微头实现精确调节。

现有的平板式刮膜机中，有的未设置加热单元（如200510049569.8），所成薄膜需要移动到加热台上才能进行热处理，在移动所成薄膜基片过程中可能人为损坏薄膜，影响薄膜质量；有些设置了红外线加热温控装置，其温度场分布不均匀，影响成膜质量；有些是对刮刀进行加热，而不是对膜进行加热。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种成膜温度均匀、可控的平板式刮膜机。

本发明还提供一种平板式刮膜机的控制方法。

一种平板式刮膜机，包括机架、前面板以及侧面板，机架包括底座和支柱，其特征在于：在底座上固定着一个丝杆座和第一电机，丝杆安装于丝杆座内，第一电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆外套接着行程块，行程块上固定着推杆架，隔热板固定在支柱上，隔热板上依次设置电热板和导热板，导热板的上方设置有固定于推杆架上的推杆，推杆架上还设置有刮刀压紧装置。第一电机为步进电机，可以实现正转和反转，从而带动丝杆上的行程块、推杆架、刮刀等部件前进实现刮膜或回程退刀。本发明中，通过更换刮刀来制备不同厚度的膜。电热板最好是使用密布金属加热丝作为加热源，用绝缘布包裹后用不锈钢薄板封装，可保证加热均匀，且易于更换。

上述的平板式刮膜机，第一电机的正转或反转可以通过设置一个三位开关来人工控制，最好是设置控制器，通过控制器来控制第一电机，不但可以用于控制第一电机的正转或反转，还可以用于控制其转动速度。

为了使得刮膜时膜的温度能够稳定在所设定的温度，上述平板式刮膜机，还包括用于测量导热板的温度的温度传感器，温度传感器与控制器相连，导热板受控制器控制。温度传感器将导热板的温度信息传递给控制器，控制器根据所设定的温度与导热板的温度的对比结果来控制电热板的电流。

进一步的，前面板上设置有显示模块和键盘，显示模块和键盘均与控制器相连。通过键盘和显示模块，可以方便地对刮膜机的工作参数进行设置。

进一步的，上述的平板式刮膜机，还包括自动滴液装置，自动滴液装置受控制器控制。

进一步的，自动滴液装置包括第二电机，第二电机与主动齿轮相连，主动齿轮上连接着齿轮带，齿轮带的一小段固定于能够沿光杆滑动的滑动块，滴液头固定于滑动块上，滴液头通过软管与蠕动泵相连，第二电机受控制器控制，蠕动泵也受控制器控制。第二电机带动齿轮带时，滑动块和滴液头会同时移动，滴液头移动到需要滴液的位置时，由控制器启动蠕动泵实现自动滴液。

进一步的，自动滴液装置包括夹紧座，夹紧座固定于导热板上，分别位于光杆两端的第一光杆座和第二光杆座均固定于夹紧座上，第二电机也固定在夹紧座上。

进一步的，在丝杆的两端分别设置着第一限位开关和第二限位开关，第一限位开关和第二限位开关均与控制器相连，第一光杆座上设置有第三限位开关，第二光杆座上设置有第四限位开关，第三限位开关和第四限位开关均与控制器相连。当丝杆上的行程块触碰到第一限位开关或第二限位开关时，控制器会立刻使第一电机停转或改变转动方向。当滑动块触碰到第三限位开关或第四限位开关时，控制器会立刻使第二电机停转或改变转动方向。

上述平板式刮膜机的控制方法：

1）通过键盘来设置成膜温度、滴液区间、滴液速度、刮膜速度以及刮膜长度；

2）控制器通过控制电热板的电流使得导热板的温度稳定在所设置的成膜温度；

3）控制器根据所设置的滴液区间，控制第二电机转动使得滴液头在滴液区间内平移的同时驱动蠕动泵，实现自动滴液，并根据所设置的滴液速度来控制滴液量；

4）控制器根据所设置的刮膜速度，控制第一电机的转速及方向，推杆架的速度与所设置的刮膜速度一致。

本发明的平板式刮膜机中，电热板的上方是导热板，刮膜时，通常将基板放置在导热板的上方，在基板上刮膜，基板通常为玻璃薄片，导热板的表面温度均匀，可以根据制膜需要调整导热板的表面温度；控制器的程序中可设置定时降温模式，根据需要调整冷却时间，成膜后可直接在基板上进行特定时间的热处理，研究所成薄膜的相分离过程。在有机光伏器件中，不同相分离程度对薄膜器件性能影响很大，应用本发明的平板式刮膜机，可以制备重复性、一致性很好的有机光伏器件。电热板的下方是隔热板，从而使仪器内部部件的（如控制器等）温度不至于过高。

以玻璃薄片作为刮膜平台，表面平整度可以得到保证，降低了仪器加工时对整体定位的要求，利于方案的实施；玻璃薄片同时起到导热板表面保护作用，避免污染导热板，易于清洁，解决了腐蚀性材料成膜的问题；成膜后可直接更换玻璃薄片，效率高。

本发明的平板式刮膜机中，推杆与刮刀不固定在一起，推杆推动刮刀运动时刮膜，返程时刮刀不会跟随返回，避免污染刚形成的薄膜，方便提取成品膜；通过控制器的控制，可调整刮膜速度以及刮刀移动距离（相当于刮膜长度）。

本发明使用的刮刀是“[”式刮刀，如图6所示，缝隙和刮刀宽度根据需求加工，能精确控制，精度高，进而成膜质量好；刮刀两端直接与基片接触，只要基片表面平整即可刮膜；刮刀两端限制薄膜宽度，避免溶液从两侧流出污染仪器。

使用可调蠕动泵作为溶液输送工具，流速可调，溶液只通过泵管内部，不与泵体接触，避免输出溶液受到污染，泵管只有一处处于压缩状态，溶液不会回流，避免了瓶内溶液受到污染，泵管便于清洗和更换；自动滴液单元的使用避免了重复刮膜时多次取液带来的污染和繁琐，以及有毒溶剂对人体的伤害。

本发明操作简单，能够制备厚度均匀、误差小、精度高，形状规则的大面积薄膜。成膜条件量化，可重复性好。自动滴液功能避免了重复刮膜时多次取液带来的污染，以及有毒溶剂对人体的伤害，且能精确控制溶液滴量，降低溶液的损耗；可根据需求调节成膜温度，基片表面温度均匀，成膜后可直接置于刮膜机上热处理，避免以往刮膜后移动薄膜基片进行热处理带来的损坏；薄膜的长、宽、厚均可精确控制；成膜速度快；基片易于更换，可在硬质或软质基板上成膜；刮刀可根据需求设计，便于更换。

附图说明

图1为平板式刮膜机的结构示意图之一；

图2为平板式刮膜机的结构示意图之二；

图3为平板式刮膜机的结构示意图之三；

图4为自动滴液装置的部分结构示意图；

图5为蠕动泵的结构示意图；

图6为刮刀的结构示意图。

图中示出：1：底座；2：侧面板；3：前面板；4：显示模块；5：键盘；6：隔热板；7：电热板；8：导热板；9：玻璃薄片；10：紧固螺栓；11：支柱；12：第一限位开关；13：第二限位开关；14：丝杆座；15：刮刀；16：推杆架；17：推杆；18：第一电机；19：联轴器；20：丝杆；21：行程块；22：第三限位开关；23：第二电机；24：主动齿轮；25：齿轮带；26：夹紧座；27：齿轮带松紧调节装置；28：调节螺丝；29：第一光杆座；30：光杆；31：滑动块；32：滴液头；33：进料口；34：出料口；35：蠕动泵；36：调速旋钮；37：压杆；38：滴液头接口；39：第四限位开关；40：第二光杆座；41：从动齿轮。

具体实施方式

如图1至图6所示，机架由底座1和多根支柱11构成，丝杆座14固定在底座1上，丝杆20固定在丝杆座14上。丝杆传动具有移动速度快，定位精确，振动小的优点。第一电机18通过联轴器19与丝杆20连接，第一电机18带动丝杆20转动，从而驱动行程块21做直线运动。第一电机18可根据刮膜速度需求选用步进电机或是伺服电机。以步进电机为例，通过单片机信号控制，由步进电机驱动器驱动，能精确定位和控制刮刀的速度。在控制程序中设置多个档位，便于研究不同刮膜速度对成膜的影响。设置刮刀速度和刮刀行程的参数，刮膜前根据需求改变。

丝杆20两端分别装有第一限位开关12和第二限位开关13，行程块21撞击第一限位开关12或第二限位开关13时产生中断信号，可防止操作失误损坏仪器，同时起到初始定位的作用。

推杆架16固定在行程块21上，用不锈钢板材制作而成，在两端开多个条形孔，用于固定推杆17、压杆37及其他配件。行程块21的运动最终推动刮刀15刮膜，压杆37通过弹簧和重力共同作用压住刮刀15，避免刮刀15运动中受力抬起，图中细小部件未画出。

支柱11上依次安装隔热板6、电热板7、导热板8，用紧固螺钉10固定。隔热板6用于阻隔电热板7产生的高温，避免仪器内部机械及电子设备受到干扰，同时也起到保温作用，使表面温度波动减小。电热板7使用密布金属加热丝作为加热源，用绝缘布包裹，然后用不锈钢薄板封装。电热板7上是导热板8，使表面温度分布更均匀。导热板8要求表面平整，导热系数高，一般使用铝板，也可使用不锈钢板。

很多薄膜的质量受成膜温度影响很大，已有的刮膜机几乎都不带加热功能，给使用过程带来诸多不便。本发明的刮膜机使用一个或多个温度传感器探测导热板8的温度，经校准，再转换为数字信号显示出来，便于观察。电热板7接固态继电器，通过单片机信号控制固态继电器的通断。固态继电器使用寿命长、可靠性高、控制功率小、转换快速，用在这里能使温度控制更精准，波动更小。单片机的程序中设置加热温度的参数，刮膜前根据需求设置，等导热板8达到设置温度后再行刮膜。成膜后也可在刮膜机上按需冷却，可以研究冷却时间对成膜的影响。

导热板8上安放一块玻璃薄片9，玻璃薄片9表面平整，方便清洁，可直接在上面成膜。部分成膜溶液带有腐蚀性，或是不易清洁，不能直接在金属表面刮膜，使用玻璃薄片9很好的解决了这个问题。

刮刀15可使用316号不锈钢制作，具有良好的抗腐蚀能力。刮刀15两端与基片表面接触，支起侧面的缝隙，同时起到引流的功能，能制作边缘规整的薄膜。刮刀15两端距离控制成膜宽度，缝隙宽度影响薄膜厚度，可根据需求加工。刮刀亦可加工为其他形状，只要不违背两端起支撑作用产生缝隙的原理即可。

电源模块、控制器、电机驱动器、固态继电器以及风扇等，均固定于底座1上，这些部件未在图中画出。

侧面板2上开设有散热孔，前面板3上设置有显示模块4，可以是数码管显示屏或液晶显示屏。键盘5设置前面板3上，用于设置参数和控制仪器。键盘5可以采用通用的薄膜键盘，设0-9十个数字键，A-F六个功能键。

图4中自动滴液装置由多个部件组成，实现定位输出溶液的功能。第二电机23固定在夹紧座26上，第二电机23的轴上装有主动齿轮24，另一从动齿轮41固定在齿轮带松紧调节装置27上。图中螺母，轴承等细小部件未画出。通过调节螺丝28调节齿轮带25的松紧。

第一光杆座29和第二光杆座40固定在夹紧座26上，用于支撑光杆30。光杆30与齿轮带25平行于玻璃薄片9，并垂直于刮刀15的运动方向。

滑动块31扣紧在齿轮带25上，第二电机23的转动带动齿轮带25，齿轮带25带动滑动块31沿光杆30运动。

第一光杆座29上装第三限位开关22，第二光杆座40上装第四限位开关39，滑动块31撞击第三限位开关22或第四限位开关39后会产生中断信号，防止操作失误损坏仪器，同时可起到初始定位的作用。

滑动块31上固定滴液头32。

图5中，蠕动泵35是一种可控流速的液体输送装置，通过重复压缩弹性泵管将管内溶液朝一个方向运动。溶液只通过泵管内部，不与泵体接触，避免输出溶液受到污染。泵管只有一处处于压缩状态，溶液不会回流，避免了瓶内溶液受到污染。蠕动泵35包括调速旋钮36以及进料口33和出料口34，通过调速旋钮36调节蠕动泵36内溶液输送速度，溶液输送速度与输出溶液量成正比。进料口33接溶液瓶，出料口34通过软管连接至滴液头接口38。在有多种常用溶液时可配备多个蠕动泵，方便使用。

Claims (10)

1.一种平板式刮膜机，包括机架、前面板（3）以及侧面板（2），机架包括底座（1）和支柱（11），其特征在于：在底座上固定着一个丝杆座（14）和第一电机（18），丝杆（20）安装于丝杆座（14）内，第一电机（18）通过联轴器（19）与丝杆（20）连接，丝杆（20）外套接着行程块（21），行程块（21）上固定着推杆架（16），隔热板（6）固定在支柱（11）上，隔热板（6）上依次设置电热板（7）和导热板（8），导热板（8）的上方设置有固定于推杆架（16）上的推杆（17），推杆架（16）上还设置有刮刀压紧装置。

2.根据权利要求1所述的平板式刮膜机，其特征在于电热板（7）使用密布金属加热丝作为加热源，用绝缘布包裹后用不锈钢薄板封装。

3.根据权利要求2所述的平板式刮膜机，其特征在于还包括控制器，第一电机（18）受控制器控制。

4.根据权利要求3所述的平板式刮膜机，其特征在于还包括用于测量导热板（8）的温度的温度传感器，温度传感器与控制器相连，电热板（7）受控制器控制。

5.根据权利要求4所述的平板式刮膜机，其特征在于前面板（3）上设置有显示模块（4）和键盘（5），显示模块（4）和键盘（5）均与控制器相连。

6.根据权利要求5所述的平板式刮膜机，其特征在于还包括自动滴液装置，自动滴液装置受控制器控制。

7.根据权利要求6所述的平板式刮膜机，其特征在于自动滴液装置包括第二电机（23），第二电机（23）与主动齿轮（24）相连，主动齿轮（24）上连接着齿轮带（25），齿轮带（25）的一小段固定于能够沿光杆（30）滑动的滑动块（31），滴液头（32）固定于滑动块（31）上，滴液头（32）通过软管与蠕动泵（35）相连，第二电机（23）受控制器控制，蠕动泵（35）也受控制器控制。

8.根据权利要求7所述的平板式刮膜机，其特征在于自动滴液装置包括夹紧座（26），分别位于光杆（30）两端的第一光杆座（29）和第二光杆座（40）均固定于夹紧座（26）上，第二电机也固定在夹紧座（26）上，夹紧座（26）固定于导热板（8）上。

9.根据权利要求8所述的平板式刮膜机，其特征在于在丝杆（20）的两端分别设置着第一限位开关（12）和第二限位开关（13），第一限位开关（12）和第二限位开关（13）均与控制器相连；第一光杆座（29）上设置有第三限位开关（22），第二光杆座（40）上设置有第四限位开关（39），第三限位开关（22）和第四限位开关（39）均与控制器相连。

10.权利要求9所述平板式刮膜机的控制方法，其特征在于：

1）通过键盘（5）来设置成膜温度、滴液区间、滴液速度、刮膜速度以及刮膜长度；

2）控制器通过控制电热板（7）的电流使得导热板的温度稳定在所设置的成膜温度；

3）控制器根据所设置的滴液区间，控制第二电机（23）转动使得滴液头（32）在滴液区间内平移的同时驱动蠕动泵（35），实现自动滴液，并根据所设置的滴液速度来控制滴液量；

4）控制器根据所设置的刮膜速度，控制第一电机（18）的转速及方向，推杆架（16）的速度与所设置的刮膜速度一致。

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