CN103645751B - 基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

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，包括：(1)使高分子溶液从喷嘴中拉出形成纳米纤维；(2)通过控制运动控制卡使基板运动；(3)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)实时计算出纳米纤维的直径；(5)将纳米纤维直径与预先设定的设定直径进行比较得到偏差，采用控制算法使得纳米纤维稳定在设定直径处。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。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。

Description

基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法及控制装置

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。

3、本发明将运动控制模块与视觉模块通过实时处理控制器联系起来，即将运动控制算法与图像处理算法都放在实时处理控制器中实现，减少了运动控制模块与视觉模块间通信的负担，提高了控制的实时性。

附图说明

图1为纳米纤维直径变化图，横坐标为图像采样点数，纵坐标为纳米纤维直径，单位为um；

图2为与图1对应的基板运动速度，横坐标为图像采样点数，纵坐标为基板运动速度，单位为mm/s；

图3是纳米纤维直径测量示意图；

图4是调节基板速度纳米纤维直径闭环控制方法框图；

图5是调节基板速度纳米纤维直径闭环控制装置示意图；

图中各标号的含义如下：

1.光纤光源；2.电动微型泵；3.喷嘴；4.纳米纤维；5.高速相机；6.基板；7.运动平台；8.直流高压电源；9.实时处理控制器；10.运动控制卡；11.运动信号采集卡；12.图像采集卡；13.显示器；14.基板运动方向；16.图像处理感兴趣区域；17.标记直径测量位置的直线；18.纳米纤维直径；19.第一边缘；20第二边缘；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

研究表明，在影响沉积于基板上的纳米纤维直径的诸多因素中，基板运动速度对其影响较大，即当基板运动速度变大时，可以明显观测到纳米纤维直径随之变小的现象(如图1、2所示)。因此本发明以基板的运动速度为主要调节量，提出了在静电喷印过程中的一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法及装置，以解决现有纳米静电喷印技术的缺陷。

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；

如图3所示，所述纳米纤维形成模块包括电动微型泵2、直流高压电源8、喷嘴3和基板6，电动微型泵2主要用来精确控制高分子溶液(高分子溶液装在注射器中，喷嘴3固定在注射器上)的流量，电动微型泵2通过推动注射器提供流量供给，使高分子溶液从喷嘴3中喷出的流量稳定，维持纳米静电喷印过程中高分子溶液的稳定供给；直流高压电源8与喷嘴3相连，通过输出高压使得在喷嘴3与基板6间产生静电力，从而使得高分子溶液突破粘滞力与空气阻力从喷嘴中喷出，从而形成纳米纤维4。

运动控制模块包括驱动电机、运动平台7、运动控制卡10和运动信号采集卡11，基板6可为柔性基板或半导体基板，用于沉积纳米纤维形貌，并跟随运动平台7运动。运动平台7由所述驱动电机驱动，所述驱动电机与运动控制卡10和运动信号采集卡11均相连。运动控制卡10用于控制驱动电机的转动方向与转动转速，从而使得运动平台7按照预定的方式运动起来，使得纳米纤维沉积出不同的形貌。运动信号采集卡11用于采集电机编码器反馈的电机磁极位置、电机转角、电机转速等信号，传送至实时处理控制器9处理出基板6的运动速度。

视觉模块包括光纤光源1、高速相机5和图像采集卡12，光纤光源1设置在基板6侧面，用于照亮基板6，提供合适的亮度，方便相机采集高质量的图像；高速相机5带有显微镜头，安装在基板6的上方，用于实时采集沉积在基板6上的纳米纤维图像；图像采集卡12与高速相机5相连，用于接收高速相机5采集的纳米纤维图像信号，将图像信号转换为数字信号形成数字图像以便后续图像处理操作，并将数字图像传送至实时处理控制器9进行实时图像处理。

核心监测模块包括实时处理控制器9，实时处理控制器9为嵌入式实时处理控制器，所搭载的操作系统为实时操作系统，主要用来对数据的实时采集，实时输出，运行图像处理算法和整个广义控制算法，协调运动控制卡和图像采集卡，是整个控制系统的核心。实时处理控制器9还可以与一显示器13相连，显示器13用于显示纳米纤维直径和基板运动速度以及显示纳米纤维图像。

采用上述控制装置，实现基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法，具体包括如下步骤：

(1)使用电动微型泵2设置高分子溶液的流量，通过电动微型泵2维持高分子溶液稳定流量(80～120nl/min)的供给，以及直流高压电源8(2.0～3.0KV)施加于喷嘴3与基板6间产生静电力，高分子溶液将在喷嘴3末端突破高分子溶液本身的粘滞力和空气阻力从喷嘴3中喷出形成纳米纤维，此阶段可称为静电喷印的初始化阶段。

(2)当从喷嘴3末端喷出的纳米纤维状态稳定时(状态稳定即当电动微型泵2提供的流量稳定，直流高压电源8产生的电压在形成纳米纤维所需的电压范围内时，纳米纤维能从喷嘴3中持续不间断的喷出)，通过实时处理控制器9向运动控制卡10发出运动信号给运动平台7，使得运动平台7运动。由于基板6是固定于运动平台7上，因此基板6也随运动平台7运动，并且基板6的运动速度即为运动平台7的运动速度。纳米纤维4沉积在基板6上的形状由基板6的运动决定，本实施例中基板6的运动为直线运动，因此纳米纤维4为“直线”形状(因受到外界环境的干扰，此“直线”形状并非严格的直线，而是不同位置处有不同直径的近似直线形状)。

(3)采用光纤光源1照射基板6，使用带有显微镜头的高速相机5实时采集沉积在基板6上的纳米纤维“直线”形貌图像。所述光纤光源1用于提供稳定、充足的亮度使得高速相机5拍摄到的图像具有较好的对比度，方便后面的图像处理，其中高速相机5安装在基板6的上方。

(4)将高速相机5采集的纳米纤维“直线”形貌图像通过图像采集卡12处理后传送到实时处理控制器9，并在实时处理控制器9中进行图像处理，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、边缘提取等操作。所述图像处理中滤波采用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(对数变换，伽马变换，分段线性变换等技术)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。边缘提取是通过梯度算子如sobel，计算出图像各个像素点水平方向梯度，梯度模值是局部(水平方向左右邻域)最大的点即为边缘点。

如图4所示，基板6沿着基板运动方向14运动，通过在纳米纤维图像的某一特定位置作一条与水平方向平行的直线，得到标记直径测量位置的直线17，计算在此直线17上与纳米纤维4的第一边缘19和第二边缘20相交的两边缘点的距离，即为纳米纤维直径18。为达到实时测量直径的目

的，上述图像处理并非对采集到的整幅图像进行处理，而是对需要测量的位置处感兴趣区域16进行处理，感兴趣区域如附图4的虚线框所示。

(5)将计算出的纳米纤维直径18与预先设定的设定直径进行比较得到偏差，以此偏差为控制量，加以控制算法，实时对基板6的速度进行调节，从而使得纳米纤维稳定在设定直径处。

其中，设定直径即想要稳定控制的纳米纤维直径18，设定值视其他参数如电压、流量、基板高度、基板速度范围等给定，在给定的参数下通常纳米纤维直径18有一个波动范围，取波动范围的中间值为设定值。

在本实施例中控制算法采用广义预测控制算法，但不限于此方法，比如采用传统的PID控制算法。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，即给定预定波形的基板运动速度，测得纳米纤维直径，从而得到实验数据，进而采用系统辨识方法辨识出基板运动速度与直径之间的模型。在此模型的基础上设计广义预测控制算法。广义预测控制算法有自适应控制研究中发展起来的，保留了自适应控制的优点，但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。图5所示为上述控制方法的原理框图。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的基于基板速度调节的纳米纤维直径控制方法，其特征在于，步骤(5)中所述控制算法为广义预测控制算法。

4.一种基于基板速度调节的纳米纤维直径控制装置，其特征在于，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(2)、直流高压电源(8)、喷嘴(3)和基板(6)，电动微型泵(2)用于控制高分子溶液的流量，使高分子溶液从喷嘴(3)中喷出的流量稳定；直流高压电源(8)与喷嘴(3)相连，通过输出高压使喷嘴(3)与基板(6)间产生静电力；

所述运动控制模块包括驱动电机、运动平台(7)、运动控制卡(10)和运动信号采集卡(11)，基板(6)安装在运动平台(7)上，与运动平台(7)联动；所述运动平台(7)由所述驱动电机驱动，所述驱动电机与运动控制卡(10)和运动信号采集卡(11)均相连，所述运动信号采集卡(11)用于采集驱动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(1)、高速相机(5)和图像采集卡(12)，光纤光源(1)设置在基板(6)侧面，用于照亮基板(6)；高速相机(5)带有显微镜头，安装在基板(6)的上方，用于实时采集沉积在基板(6)上的纳米纤维形貌图像；图像采集卡(12)与高速相机(5)相连，用于接收高速相机(5)采集的纳米纤维形貌图像；

核心监测模块包括实时处理控制器(9)，所述实时处理控制器(9)为嵌入式实时处理控制器，运动控制卡(10)、运动信号采集卡(11)、图像采集卡(12)均与实时处理控制器(9)相连。

5.根据权利要求4所述的基于基板速度调节的纳米纤维直径控制装置，其特征在于，所述基板(6)为柔性基板或半导体基板。

6.根据权利要求4所述的基于基板速度调节的纳米纤维直径控制装置，其特征在于，所述实时处理控制器(9)还与一显示器(13)相连，所述显示器(13)用于显示纳米纤维直径、基板运动速度和纳米纤维形貌图像。