CN102945054A

CN102945054A - 光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统和方法

Info

Publication number: CN102945054A
Application number: CN2012103846361A
Authority: CN
Inventors: 赖禹能; 葛军锋; 张建华; 黄元昊; 陈遵淼
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-02-27

Abstract

本发明涉及一种光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统和方法。本激光键合封装采用K型热电偶来进行温度的采集。采集的温度信号通过多路通道选择开关进行选择再进行AD转换，把转换的信号导入单片机MSP430F149处理，处理完的数据传输到上位机进行通讯与控制，自动调节激光的功率或者激光头的扫描速度使得在对玻璃料进行激光键合时的温度稳定在一定的范围内。这种控制系统主要应用于有机发光二极管（OLED）显示器以及MEMES等使用玻璃封装体的光学器件中，以OLED器件为例进行阐述。

Description

光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统和方法。

背景技术

OLED（有机发光二级管）显示技术由于其优良的发光性能及其广泛的应用前景而得到重视。OLED具有高亮度、良好的色彩对比度、宽视角、刷新速度快和低能耗等优点。然而，OLED器件中的有机发光层和电极均对周围环境中的氧和水分十分敏感，会与其相互作用而发生劣化，从而大大影响OLED器件的使用寿命。将OLED器件中的有机发光层和电极与周围环境通过气密式密封的方式分隔开可显著的延长该器件的寿命。

在激光键合时不均匀的温度场对OLED器件的封装质量有很大的影响，而激光功率、激光扫描速度是激光封装温度场的重要影响因素。封装器件在激光封装过程中所达到的最高温度随激光功率的增大而增大，随激光扫描速度的增大而降低。目前，激光键合技术在国内外研究广泛，该技术作为一种先进的封装技术，具有局部非接触加热，热影响区域小，速度快，效率高等优点，已在微机电系统(MEMS)的高气密性封装中得到较为广泛的研究。至于温度场在激光键合时对OLED器件的封装质量影响情况已经有很多数据模拟，采用的是ANSYS进行仿真实验，而真实的实验中缺乏温度的采集与控制模块。

发明内容

本发明的目的在于解决已有技术存在的问题，提供一种光电器件封装激光键合温度采集与控制系统和方法，以控制键合过程中玻璃料的最高温度在偏差允许范围内波动。

为达到上述目的，本发明的构思是：

为了解决上述的问题，使数据模拟仿真实验与真实的实验数据相匹配，设计了一个温度控制系统。这个温度控制系统采用PID控制，它的控制原理是根据设定的温度值与实际采集的温度值构成控制偏差，对偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）计算后通过线性组合构成控制量，作用于被控对象。其中的比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数T_i ，T_i 越小，积分作用越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统，包括 K型热电偶，模拟转换开关CD4051，温度转换芯片AD595，单片机MSP430F149，上位机，激光器以及运动平台，其特征在于：所述K型热电偶经模拟转换开关CD4051通过温度转换芯片AD595联接单片机MSP430F149；所述单片机MSP430F149联接而反馈控制模拟转换开关CD4051，并且与上位机联接，所述上位机通过连接而由其控制程序控制激光器与运动平台来控制键合温度。

一种光电器件、激光键合温度采集与控制方法，采用上述系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：

1）待封装的OLED器件的对位和固定；

2）上位机发送命令，运行激光器和运动平台使激光头按指定的路线对OLED器件进行激光封装；

3）上位机与下位机进行数据的传输与通信，将控制命令从上位机发送到单片机MSP430F149中，然后单片机MSP430F149执行命令控制多路通道选择开关对8路热电偶温度信号依次采集；

4）将采集的温度模拟信号通过AD595进行信号的放大、调理之后传输到单片机MSP430F149中进行模数转换再将数据传到上位机；

5）在上位机上将此刻采集的温度信号与上一时刻的温度信号进行比较，如果存在偏差就对偏差信号进行PID处理，其中的比例环节（P）成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间；

6）进行PID处理之后的数据传输到激光器与运动平台之中分别控制激光的功率与激光头扫描的速度来调整加热的温度；

7）再不断循环执行上述步骤2）到步骤6）直至对OLED激光封装结束；

8）OLED器件封装完毕，对温度值的所有数据进行储存，关闭软件取出OLED器件。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明采用K型热电偶采集温度后，通过多路选择通道开关选择、AD转换、由单片机处理后传输到上位机去控制激光器与运动平台，从而控制键合过程中玻璃料的最高温度在偏差允许范围内波动。

本实施例的温度控制系统，包括：系统硬件与软件程序控制。

系统硬件包括：

参见图2~图4，K型热电偶（1），用于采集给定点的玻璃料键合时的温度；

温度测量回路包括模拟转换开关（2）、温度转换芯片AD595（3），其中的模拟转换开关（2）用于处理输入信号以避免信号直接输入到温度转换芯片的末端而带来费用的增加、装置体积的过于庞大以及调试的困难，而温度转换芯片AD595（3）用于对采集的温度模拟信号进行放大和K型热电偶的冷端进行补偿处理；

单片机MSP430F149（4）包含一个16位的RISC CPU、灵活的时钟系统、12位的模数转换器以及串口，用于对温度测量回路输入的模拟信号进行模数转换、数据的处理以及与上位机的双向通信；

上位机拥有温度控制界面，用于系统的总体调试与控制，与下位机进行信号的传输，另外上位机还用于编制温度控制程序；

激光器，用于控制激光的功率来调整OLED器件封装时玻璃料上加热的温度；

运动平台，激光头安置于其上，用于控制激光头的运动轨迹以及激光头的扫描的速度从而达到调整OLED器件封装时加热温度的目的。

软件控制程序，实现发送温度采集命令、转换温度数据、显示温度曲线、获取温度最大值以及存储所有温度数据的功能。

本实施例中，温度传感器选用的是K型热电偶（1），它具有响应快、可测量的温度高、结构简单、费用低的特点，由两种不同的导体构成。两种导体末端温度的差异会产生一个电压，电压的大小与温度的差异成正比。热电偶的工作端在温度采集装置中处于玻璃料的正下方，而自由端与测量回路相连。

本实施例中，选用了AD595（3）温度转换芯片用于温度采集信号的放大、K型热电偶（1）冷端的补偿以及信号的调理。另外在AD595（3）中使用了低能耗设计，减少了芯片本身发热带来的测量误差。

本实施例中，选用了CD4051芯片作为模拟转换开关用于选择采集的8路热电偶温度信号以简化温度采集电路模块。8路热电偶的一端接地，全部与CD4051的

端相连，另一端分别与CD4051上的端口X₀到X₇相连，通过单片机MSP430F149（4）发送的命令来选择输入哪路热电偶的信号。

本实施例中，热电偶温度采集模块采用的控制程序是一个循环回路。首先单片机MSP430F149（4）发送信号采集与X₀相连的热电偶温度，然后依次分别采集与X₁至X₇相连的热电偶温度，采集完毕之后马上返回采集与X₀相连的热电偶温度。

本实施例中，总体的控制是一个反馈回路，通过将此刻采集的温度值与上一时刻的温度值进行比较，然后进行PID运算之后输入一个补偿值到激光器与运动控制平台从而对温度值进行调整。

附图说明

图1是本发明一个实施例的系统原理图。

图2是8路热电偶温度信号采集硬件回路。

图3是下位机温度采集程序流程图。

图4是上位机温度采集控制程序流程图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统，包括 K型热电偶（1），模拟转换开关CD4051（2），温度转换芯片AD595（3），单片机MSP430F149（4），上位机（5），激光器以及运动平台（6），其特征在于：所述K型热电偶（1）经模拟转换开关CD4051（2）通过温度转换芯片AD595（3）联接单片机MSP430F149（4）；所述单片机MSP430F149（4）联接而反馈控制模拟转换开关CD4051（2），并且与上位机（5）联接，所述上位机（5）通过连接而由其控制程序控制激光器与运动平台（6）来控制键合温度。

实施例二：

参见图1，本光电器件封装、激光键合温度采集控制系统，包括8路K型热电偶（1），多路通道选择开关（2），AD595芯片（3），单片机MSP430F149（4），上位机（5），激光器与运动平台（6）。

实施例三：

本光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，采用上述系统进行操作，操作步骤：

1. 将待封装的OLED器件放在夹具平台上进行对位和固定；

2. 上位机（5）发送命令，运行激光器和运动平台（6）使激光头按指定的

路线对OLED器件进行激光封装；

3. 上位机与下位机进行数据的传输与通信，将控制命令从上位机发送到单

片机MSP430F149（4）中，然后单片机MSP430F149（4）执行命令控制多路通道选择开关（2）对8路热电偶温度信号依次采集；

4. 将采集的温度模拟信号通过AD595（3）进行信号的放大、调理之后传

输到单片机MSP430F149（4）中进行模数转换再将数据传到上位机；

5. 在上位机上将此刻采集的温度信号与上一时刻的温度信号进行比较，如

果存在偏差就对偏差信号进行PID处理，其中的比例环节（P）成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间；

6. 进行PID处理之后的数据传输到激光器与运动平台之中分别控制激光的

功率与激光头扫描的速度来调整加热的温度；

7. 再不断循环执行上述2到7的步骤直至对OLED激光封装结束；

8. OLED器件封装完毕，对温度值的所有数据进行储存，关闭软件取出

OLED器件。

实施例四：

本实施例与实施例三基本相同，特别之处如下：

1. 温度传感器采用K型热电偶（1）具有响应快、可测量的温度高、结构简单、费用低的特点，由两种不同的导体构成；两种导体末端温度的差异会产生一个电压，电压的大小与温度的差异成正比；热电偶的工作端在温度采集装置中处于玻璃料的正下方，而自由端与测量回路相连。

2. 使用模拟转换开关CD4051（2）来对温度采集信号进行选取，选取控制命令由单片机MSP430F149（4）发送至模拟转换开关CD4051（2）。

3. 总的系统是基于PID控制的，其中的比例环节（P）成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差；积分环节（I）主要用于消除静态误差，提高系统的无差度；积分作用的强弱取决于时间常数T_i ，T_i 越小，积分作用越强；微分环节（D）反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间。

4. 光学器件激光封装是按指定的路线执行，然后按封装路线的先后顺序对温度依次进行采集，如果封装玻璃料后一点采集的温度与前一点上采集的温度存在偏差，偏差信号进行PID处理后生成反馈控制信号，上位机将此信号发送至激光器与运动控制平台分别控制激光的功率与激光头的扫描速度从而达到控制温度的目的。

5. 采用芯片AD595（3）对信号进行放大与热电偶的冷端补偿处理。

Claims

1. 一种光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统，包括 K型热电偶（1），模拟转换开关CD4051（2），温度转换芯片AD595（3），单片机MSP430F149（4），上位机（5），激光器以及运动平台（6），其特征在于：所述K型热电偶（1）经模拟转换开关CD4051（2）通过温度转换芯片AD595（3）联接单片机MSP430F149（4）；所述单片机MSP430F149（4）联接而反馈控制模拟转换开关CD4051（2），并且与上位机（5）联接，所述上位机（5）通过连接而由其控制程序控制激光器与运动平台（6）来控制键合温度。

2. 一种光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，采用根据权利要求1所述的光电器件封装、激光键合温度采集与控制系统进行操作，其特征在于操作如下步骤：

1）待封装的OLED器件的对位和固定；

2）上位机（5）发送命令，运行激光器和运动平台（6）使激光头按指定的路线对OLED器件进行激光封装；

3）上位机（5）与下位机进行数据的传输与通信，将控制命令从上位机发送到单片机MSP430F149（4）中，然后单片机MSP430F149（4）执行命令控制多路通道选择开关（2）对8路热电偶温度信号依次采集；

4）将采集的温度模拟信号通过AD595（3）进行信号的放大、调理之后传输到单片机MSP430F149（4）中进行模数转换再将数据传到上位机（5）；

5）在上位机上将此刻采集的温度信号与上一时刻的温度信号进行比较，如果存在偏差就对偏差信号进行PID处理，其中的比例环节（P）成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差；积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度；微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间；

3. 根据权利要求2所述的光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，其特征是温度传感器采用K型热电偶（1）具有响应快、可测量的温度高、结构简单、费用低的特点，由两种不同的导体构成；两种导体末端温度的差异会产生一个电压，电压的大小与温度的差异成正比；热电偶的工作端在温度采集装置中处于玻璃料的正下方，而自由端与测量回路相连。

4. 根据权利要求2所述的光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，其特征是使用模拟转换开关CD4051（2）来对温度采集信号进行选取，选取控制命令由单片机MSP430F149（4）发送至模拟转换开关CD4051（2）。

5. 根据权利要求2所述的光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，其特征是总的系统是基于PID控制的，其中的比例环节（P）成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差；积分环节（I）主要用于消除静态误差，提高系统的无差度；积分作用的强弱取决于时间常数T_i ，T_i 越小，积分作用越强；微分环节（D）反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间。

6. 根据权利要求2所述的光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，其特征是光学器件激光封装是按指定的路线执行，然后按封装路线的先后顺序对温度依次进行采集，如果封装玻璃料后一点采集的温度与前一点上采集的温度存在偏差，偏差信号进行PID处理后生成反馈控制信号，上位机将此信号发送至激光器与运动控制平台分别控制激光的功率与激光头的扫描速度从而达到控制温度的目的。

7. 根据权利要求2所述的光电器件封装、激光键合温度采集与控制方法，其特征是采用芯片AD595（3）对信号进行放大与热电偶的冷端补偿处理。