CN103465628B - 一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法及装置，以解决现有纳米静电喷印技术中纳米纤维直径因外界影响而不稳定的缺陷。该方法包括如下步骤：（1）通过高压静电力使得高分子溶液从喷嘴中拉出形成纳米纤维；（2）使用高速相机实时采集喷嘴与基板之间的纳米纤维稳定状态形貌图像；（3）进行图像处理，实时计算出纳米纤维的直径；（4）以测得的纳米纤维直径与设定值进行比较得到的偏差为控制量，加以控制算法，实时对电压进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径处。本装置主要由电动微泵、实时处理与控制器、模拟电压输出板卡、图像采集板卡、高速相机、高压放大器组成。

Description

一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法及装置

技术领域

本发明属于纳米柔性电子制造领域，更具体地，涉及一种静电喷印通过调节电压实现纳米纤维直径闭环控制方法及装置。

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，由于其具有独特的薄、轻、透明、强延展性、低功耗的特点，在未来几年内将在柔性显示器、低成本RFID、太阳能电池板、微纳传感器、电子读物等诸多应用领域实现产业化。

纳米静电喷印通过高压静电力将高分子溶液在微米级喷嘴中拉出，形成泰勒锥，在锥顶喷射出稳定的射流纤维，从而在柔性基板沉积批量形成一致性的微纳结构单元。相对于其他纳米电子制造方法，如接触式直写、压印等，纳米静电喷印的优势在于喷出的纤维尺寸小，可达到100纳米以下；同时喷印纤维的形貌、位置等可以被外场所控制，具有制造效率高，延展性能好等特点。然而，通过静电喷印形成的纳米纤维极易受到电压、微泵流量、外界环境的温度和湿度的影响，由于目前纳米静电喷印技术大多采用开环的控制系统，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

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法及装置，旨在解决现有纳米静电喷印技术中纳米纤维直径因外界影响而不稳定的缺陷。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

在一个实施例中，一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法，包括如下步骤：

（1）实时处理与控制器对模拟电压输出板卡进行控制，产生0—4V低压，高压放大器将0—4V低压放大1000倍，将放大后的高压施加在喷嘴和基板之间；

（2）当纳米纤维在喷嘴与基板之间达到稳定状态时（即纳米纤维在空中不晃动，处于直线下落状态），调节光纤光源至合适亮度，高速相机实时采集喷嘴与基板之间的纳米纤维稳定状态形貌图像；

（3）图像采集卡将高速相机采集的纳米纤维稳定状态形貌图像传送到实时处理与控制器，进行图像处理，实时计算出纳米纤维的直径；

将计算出的纳米纤维直径与设定直径进行比较得到偏差，以此偏差为控制量，利用广义预测控制算法实时对电压进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径。

在另一实施例中，一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制装置，包括：

电动微泵，用来精确控制高分子溶液的流量，维持纳米静电喷印过程中高分子溶液的稳定供给；

实时处理与控制器，用来对模拟电压输出板卡进行控制以使其输出0—4V的模拟低电压，并对由图像采集板卡传送来的纳米纤维稳定状态形貌图像进行图像处理，实时计算出纳米纤维的直径，其中，将计算出的纳米纤维直径与设定直径进行比较得到偏差，以此偏差为控制量，利用广义预测控制算法实时对模拟电压输出板卡输出的模拟电压进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径；

模拟电压输出板卡，用于接收实时处理与控制器的信号以输出0—4V的模拟低电压；

图像采集板卡，用于接收高速相机采集的纳米纤维稳定状态形貌图像，并将图像传送至实时处理与控制器；

高速相机，用以实时采集纳米纤维在喷嘴与基板之间达到稳定状态时的形貌图像，所述稳定状态即纳米纤维在空中不晃动，处于直线下落状态；

高压放大器，用于将模拟电压输出板卡输出的0—4V的模拟低电压放大1000倍，将放大后的高压施加在喷嘴和基板之间，使得静电力突破高分子溶液的粘滞力及空气阻力，形成纳米纤维。

本发明的有益效果为：可以提高静电喷印纳米纤维过程中纳米纤维沉积的直径的稳定性。

附图说明

图1是静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法框图；

图2是静电喷印纳米纤维直径闭环控制装置示意图；

1.光纤光源；2.电动微泵；3.喷嘴；4.纳米纤维；5.基板；6.高速相机；7.高压放大器；8.实时处理与控制器；9.模拟电压输出板卡;10.图像采集板卡；11.显示器。

图3是静电喷印纳米纤维直径测量示意图；

12.喷嘴；13.纳米纤维；14.图像处理感兴趣区域；15.标记直径测量位置的直线；16.纳米纤维直径

具体实施方式

研究表明，在影响纳米纤维直径的诸多因素中，静电力对其影响最大，因此本发明以电压为主要调节量。该方法流程如图1所示，具体包括如下步骤：

（1）实时处理与控制器对模拟电压输出板卡进行控制，产生0—4V低压，高压放大器将0—4V低压放大1000倍，将放大后的高压加在喷嘴和基板之间。在高压产生的静电力作用下，高分子溶液首先形成泰勒锥，当静电力突破高分子溶液的粘滞力及空气阻力，高分子溶液从喷嘴中拉出形成纳米纤维。需要指出，此处0—4V是电压输出板卡输出电压的范围，可以为任意波形也可以为某一稳定电压值，可由编程实现在电压许可范围内的任何电压输出。此电压范围适用于大部分高分子溶液。本实施例中采用的高分子溶液为PEO，即聚氧化乙烯，喷嘴与基板高度为5mm，溶液流量为100nl/min。

（2）当纳米纤维在喷嘴与基板之间达到稳定状态时（即纳米纤维在空中不晃动，处于直线下落状态），调节光纤光源至合适亮度，高速相机实时采集喷嘴与基板之间的纳米纤维稳定状态形貌图像。

（3）图像采集卡将高速相机采集的纳米纤维稳定状态形貌图像传送到实时处理与控制器，进行图像处理，实时计算出纳米纤维的直径。在本实施例中，所述图像处理包括滤波、对比度增强和边缘提取等操作。其中，滤波采用5X5核的高斯滤波用于减少图像中的噪声影响；对比度增强通过一系列的图像增强技术使得图像中的背景与纳米纤维尽量分离出来，以方便后续的边缘提取操作；边缘提取采用过梯度算子如sobel算子，计算图像各个像素点水平方向梯度，梯度模值局部（水平方向左右邻域）最大的点即为边缘点，通过在纳米纤维稳定状态图像的某一特定位置作一条与水平方向平行的直线，以标记直径测量位置，如图3的直线15，计算在该直线上与纳米纤维边缘相交的两边缘点的距离，如图3的16，即为纳米纤维直径。为改善实时测量直径的效果，上述图像处理无需对采集到的整幅图像进行处理，而是对需要测量的感兴趣区域进行处理，感兴趣区域如图3的虚线框14所示。

（4）将计算出的纳米纤维直径与设定直径进行比较得到偏差，以此偏差为控制量，利用广义预测控制算法实时对电压进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径。其中，广义预测控制算法是一种基于参数模型的算法，首先通过开环实验，即给定预定波形的电压，测得纳米纤维直径，从而得到实验数据数据，进而采用系统辨识方法辨识出电压与直径之间的模型。在此模型的基础上设计广义预测控制算法。广义预测控制算法由自适应控制研究中发展起来的，保留了自适应控制的优点，相比自适应控制方法更具鲁棒性，并且采用多步预测，滚动优化和反馈校正等策略，控制效果好，更适合于工业生产过程的控制。本实施例中优先采用广义预测控制算法，但不限于此方法。

本闭环控制装置示意图如图2所示，主要包括：电动微泵、实时处理与控制器、模拟电压输出板卡、图像采集板卡、高速相机、高压放大器。

电动微泵主要用来精确控制高分子溶液的流量，维持纳米静电喷印过程中高分子溶液的稳定供给。实时处理与控制器主要用来对数据进行实时采集和输出，协调模拟电压输出板卡和图像采集板卡，是整个控制系统的核心。模拟电压输出板卡用于接收实时处理与控制器的信号以输出0—4V的模拟低电压。图像采集板卡用于接收高速相机采集的纳米纤维稳定状态形貌图像，并将图像传送至实时处理与控制器进行实时图像处理。高速相机用以实时采集纳米纤维稳定状态形貌图像。高压放大器用于将模拟电压输出板卡输出的0—4V的模拟低电压放大1000倍，以产生高压，使得静电力突破高分子溶液的粘滞力及空气阻力，从而形成纳米纤维。

在此特定实施例中，实时处理与控制器、模拟电压输出板卡和图像采集板卡可以根据设计要求自行定制，也可以采用例如美国国家仪器公司（NI）等测试仪器提供商的相应产品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制方法，包括如下步骤：

(1)实时处理与控制器对模拟电压输出板卡进行控制，产生0—4V低压，高压放大器将0—4V低压放大1000倍，将放大后的高压施加在喷嘴和基板之间；

(2)当纳米纤维在喷嘴与基板之间达到稳定状态时，高速相机实时采集喷嘴与基板之间的纳米纤维稳定状态形貌图像；

(3)图像采集卡将高速相机采集的纳米纤维稳定状态形貌图像传送到实时处理与控制器，进行图像处理，实时计算纳米纤维的直径；

(4)将计算出的纳米纤维直径与设定直径进行比较得到偏差，以此偏差为控制量，利用广义预测控制算法实时对电压进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径。

2.根据权利要求1所述的方法，所述图像处理包括滤波、对比度增强和边缘提取。

3.根据权利要求2所述的方法，所述滤波采用5×5核的高斯滤波。

4.根据权利要求2所述的方法，所述边缘提取采用sobel算子计算图像各个像素点水平方向梯度，梯度模值在局部即水平方向左右邻域内最大的点即为边缘点。

5.根据权利要求1所述的方法，所述步骤(3)包括：在纳米纤维稳定状态图像的某一特定位置作一条与水平方向平行的直线(15)，以标记直径测量位置，计算该直线上与纳米纤维边缘相交的两边缘点的距离(16)，即为纳米纤维直径。

6.一种静电喷印纳米纤维直径闭环控制装置，包括：

电动微泵，用来精确控制高分子溶液的流量，维持纳米静电喷印过程中高分子溶液的稳定供给；

实时处理与控制器，用来对模拟电压输出板卡进行控制以使其输出0—4V的模拟低电压，并对由图像采集板卡传送来的纳米纤维稳定状态形貌图像进行图像处理，实时计算纳米纤维的直径，其中，将计算出的纳米纤维直径与设定直径进行比较得到偏差，以此偏差为控制量，利用广义预测控制算法实时对模拟电压输出板卡输出的模拟电压进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径；

模拟电压输出板卡，用于接收实时处理与控制器的信号以输出0—4V的模拟低电压；

图像采集板卡，用于接收高速相机采集的纳米纤维稳定状态形貌图像，并将图像传送至实时处理与控制器；

高速相机，用以实时采集纳米纤维在喷嘴与基板之间达到稳定状态时的形貌图像，所述稳定状态即纳米纤维在空中不晃动，处于直线下落状态；

高压放大器，用于将模拟电压输出板卡输出的0—4V的模拟低电压放大1000倍，将放大后的高压施加在喷嘴和基板之间，使得静电力突破高分子溶液的粘滞力及空气阻力，形成纳米纤维。

7.根据权利要求6所述的装置，所述图像处理包括滤波、对比度增强和边缘提取。

8.根据权利要求7所述的装置，所述滤波采用5×5核的高斯滤波。

9.根据权利要求7所述的装置，所述边缘提取采用sobel算子计算图像各个像素点水平方向梯度，梯度模值局部即水平方向左右邻域内最大的点即为边缘点。

10.根据权利要求6所述的装置，所述实时处理与控制器计算纳米纤维的直径包括：在纳米纤维稳定状态图像的某一特定位置作一条与水平方向平行的直线(15)，以标记直径测量位置，计算该直线上与纳米纤维边缘相交的两边缘点的距离(16)，即为纳米纤维直径。