CN106179805B - 一种高精密可控微环境下的纳米静电喷印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控高精密微环境下的纳米静电喷印装置，主要包括制冷加热器、送风管道、微环境控制腔体、温度湿度传感器、电压源、纳米静电喷印装置、图像采集器、光源控制器、运动平台控制器、任意函数信号发生器、高压放大器、高精度可调微流量泵控制面板、显示器、工控机。制冷加热器、送风管道、微环境控制腔体用以形成一个温度湿度均匀分布的微环境；其中高精度可调微流量泵控制面板用以调节聚合物溶液流量。本发明将纳米静电喷印装置所处环境因素对喷印过程的影响大大降低，并将纳米静电喷印中的三个重要影响因素基板运动速度、溶液流速、静电场电压集成化，转化为可测量可控制的物理量输出至工控机进行处理，形成闭环控制系统。

Description

一种高精密可控微环境下的纳米静电喷印装置

技术领域

本发明属于纳米柔性电子制造领域，更具体地，涉及一种可控高精密微环境下的纳米静电喷印装置。

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。纳米柔性电子与传统微电子的最大区别是其具有透明、轻质及可延伸、弯曲等柔性特质。纳米柔性电子在薄膜太阳能电池和电极材料、化学及生物传感器、能量储存、生物医学等众多领域有着重要的应用。

纳米静电喷印是在喷嘴和基板间施加直流高电压形成静电场，聚合物溶液从喷嘴中喷出在静电场电场力和自身粘弹性力、表面张力等力的共同作用下首先形成泰勒锥，当静电力突破聚合物粘滞力后，聚合物溶液从喷嘴末端喷出形成稳定的纳米纤维。可通过改变所施加电压、基板运动速度、溶液流速等参数大小在基板上沉积出不同的结构。纳米静电喷印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其喷出的纳米纤维尺寸小，可达100纳米以下，同时喷印纤维的形貌、直径等可受外电场和基板速度的影响，其具有制造效率高，延展性能好等特点。然而目前纳米静电喷印技术仍存在控制精度不高、无法实时在线控制等问题，且容易受到外界环境温度和湿度、静电场电压等因素的影响，存在基板上沉积的纳米纤维直径非常不稳定，沉积结构不可控等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可控高精密微环境下的纳米静电喷印装置，旨在解决现有技术中纳米纤维直径因外界温度湿度等不可控因素影响而不稳定的缺陷，同时将纳米静电喷印装置放置在微环境控制腔体的恒温腔体的温度湿度均匀分布的环境中，并将纳米静电喷印中基板运动速度、溶液流速、静电场电压等三个重要影响因素集成化，将这三个因素转化为可测量可控制的物理量输出至工控机进行处理，形成闭环控制系统。

本发明提供了可控高精密微环境下的纳米静电喷印系统，其特征在于，该喷印系统包括：

微环境控制装置，包括制冷加热器1、送风管道2、微环境控制腔体3，其中所述喷印装置放置于所述微环境控制腔体3内，所述制冷加热器1通过所述送风管道2与所述微环境控制腔体3联通，由此实现所述喷印装置的温度湿度控制，所述微环境控制腔体3内还设置有温度湿度传感器4；

喷印装置，包括静电喷印模块、图像采集组件、运动平台控制组件；

其中所述静电喷印模块包括任意函数信号发生器12，用于产生直流电压，所述任意函数信号发生器12与高压放大器14相连，所述高压放大器14的输出一端接入注射器末端喷嘴，另外一端接入基板806，在所述末端喷嘴与所述基板806间形成可调节电场；

所述基板806设置于所述运动平台控制组件上，所述基板806按照所述运动平台控制组件的给定信号运动；

所述图像采集组件包括高速相机804和高亮背光光源807，所述高速相机804用于拍摄从所述末端喷嘴至所述基板806上的纳米纤维的沉积过程，所述高亮背光光源807用于提供高亮照明；

所述图像采集组件还包括高分辨相机803，用于拍摄所述纳米纤维在所述基板806上的沉积形态；

所述图像采集组件还包括图像采集器9，用于采集所述高速相机804及所述高分辨相机803的图像信息；

所述工控机6接收所述温度湿度传感器信息以及接收所述图像采集器9的信息，并且控制所述制冷加热器、所述任意函数信号发生器12以及所述运动平台控制组件产生相应的反馈控制。

进一步地，所述微环境控制腔体3的上部为一静压腔，用于将所述制冷加热器产生的气流与空气进行进一步的均匀混合，使得控制温度更加均匀，所述微环境控制腔体3的下部放置所述喷印装置。

进一步地，所述运动平台控制组件包括直线电机、运动平台控制器，所述基板806安装在所述直线电机上；所述运动平台控制器用于采集所述直线电机的编码器反馈的电机转角、速度和转速信号发送于所述工控机6实现闭环控制。

进一步地，所述图像采集组件中的所述高速相机804、所述高亮背光光源807和所述基板806固定在同一水平位置，光源控制器14用于调节所述高亮背光光源807的亮度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可控高精度微环境腔体的连接布局示意图；

图2为本发明实施例提供的纳米静电喷印系统的连接布局示意图；

图3为本发明实施例提供的微环境控制腔体中的纳米静电喷印装置的结构示意图；

其中，1-制冷加热器；2-送风管道；3-微环境控制腔体；4-温度湿度传感器；5-显示器；6-工控机；7-电压源；8-纳米静电喷印装置，801-龙门架、802-高精度可调微流量泵末端执行器及注射器、803-高分辨率相机、804-高速相机、805-运动平台及直线电机、806-基板、807-高亮面光源；9-图像采集器；10-运动平台控制器；11-任意函数信号发生器；12-高压放大器；13-高精度可调微流量泵控制面板；14-光源控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

研究表明，纳米静电喷印过程中，纳米喷印装置所处环境的温度湿度等因素对纳米纤维的运动和基板沉积形状会产生影响，并且目前的纳米静电喷印较多是离线测量纳米纤维的沉积结构进行反馈。现有的纳米静电喷印装置为满足环境温度湿度的要求一般将设备置于净化间通过调节控制整个房间的温度值来满足要求。这种方式下纳米设备所处环境的温度湿度是不均匀分布的且存在温度湿度调节过程中的惯性大、调节时间长等缺点。本发明将纳米静电喷印装置集成在一个微环境控制腔体的均匀温度湿度环境中，能实时的调节装置所处环境温度湿度，较好的解决了上述的温度湿度问题。且这种纳米静电喷印装置小巧轻便集成在小于一立方米的环境中，具有小型化、轻便化、集成化等优点。

本发明提出了一种高精密可控微环境中的纳米静电喷印装置，将纳米静电喷印装置所处环境因素对喷印过程的影响大大降低，并将纳米静电喷印中的三个重要影响因素基板运动速度、溶液流速、静电场电压集成化，通过高精密微环境控制模块、视觉系统模块、运动模块、静电喷印模块以及实时监测控制模块等五个模块的有序连接形成闭环控制系统。

其中静电喷印模块放置在高精密微环境控制模块中，视觉系统模块与纳米静电喷印模块和实时监测控制模块相连接，采集纳米喷印模块的图像信号并将其输出至实时监测控制模块，运动模块放置在纳米静电喷印模块下方带动其一起运动，并与实时监测控制模块相连，输出运动信号到实时监测控制模块。今后研究中可分别控制其中一个变量进行单独研究。其中图3中的纳米静电喷印装置放置在图1中的微环境控制腔体3的下部恒温腔体中。

下面结合附图1-3对本发明的实施例做详细介绍，以本发明所涉及的纳米静电喷印装置的主要工作流程为例：

第一步：静电喷印模块中纳米静电喷印装置8固定在高精密微环境控制模块中微环境控制腔体3的下部恒温腔体中，腔体中的温度湿度等环境因素可以严格控制且均匀分布。高精密微环境控制模块的工作原理是制冷加热器1通过送风管道2将气体输送至微环境控制腔体3中。微环境控制腔体3的上部是一个静压腔。静压腔的设置可将从制冷加热腔中流入的空气混合，使气体温度进一步均匀，以使腔体中的温度湿度等达到系统的控制要求。微环境控制腔体3的上部静压腔和下部恒温腔中放置有均匀孔板。上部静压腔中压力大于下部恒温腔压力，空气经导风口作用通过均匀孔板到达下部恒温腔，使恒温腔中的温度湿度均匀分布。温度湿度传感器4采集微环境控制腔体3内的温度湿度等环境指标数据，并将数据传输至实时监测控制模块中的工控机6。电压源7用以控制制冷加热器1内的半导体制冷片和加热装置。并将电压信号传输至监测控制模块中的工控机6，形成闭环控制。实时监测控制模块中工控机6接收电压源7和温度湿度传感器4的信号后通过PID控制算法控制恒温腔内的温度湿度等环境因素，并在显示器5上显示温度湿度的变化曲线。

第二步：如图2所示，在静电喷印模块中利用高精度可调微流量泵控制面板13调节高精度可调微流量泵的末端执行器及注射器802中聚合物溶液的流量。

第三步：静电喷印模块中任意函数信号发生器12产生直流电压并经高压放大器14放大输出。直流高压输出端一端接到注射器末端喷嘴，另一端接到基板806上，在喷嘴和基板间形成可调节电场。聚合物溶液从喷嘴末端克服自身粘滞力和空气阻力喷出形成纳米纤维，在电场力作用下运动。任意函数信号发生器11将输出的电压信号实时传输至实时监测控制模块中的工控机6进行监测处理。

第四步：当从静电喷印模块中注射器喷嘴末端喷出的纳米纤维状态稳定时，运动模块中运动平台控制器10输出信号使运动平台及直线电机805按给定信号运动。基板806固定在直线电机顶部跟随直线电机运动，基板速度由直线电机的X轴和Y轴的速度共同决定。纳米纤维在基板上的沉积形态由基板的运动决定。运动平台控制器10将运动平台信号传输至实时监测控制模块中的工控机6进行监测处理。

第五步：将视觉系统模块中高速相机804和高亮背光光源807和基板806固定在同一水平位置。视觉系统模块中高速相机804的视野范围为从喷嘴至基板，观测聚合物溶液从喷嘴末端至基板上的沉积过程中的运动状态，并将图像数据通过高速数据线传输至图像采集器9。基板顶部的高分辨相机803固定在龙门架801上，用于观测纳米纤维在基板上的沉积形态，并将图像数据通过高速数据线传输至实时监测控制模块中的图像采集器9。图像采集器9将图像信号处理后传输到工控机6，用户可在显示器5上实时观测纳米纤维的运动状态和沉积形状。光源控制器14用以控制高亮面光源的亮度。龙门架801用以固定高精度可调微流量泵的末端执行器和注射器802以及高分辨相机803。

其中运动平台控制器用于采集电机编码器反馈的电机转角、速度和转速信号并与实时监测控制模块相连接将电机电机转角、速度和转速信号传输至实时监测控制模块进行闭环控制。

本发明中，高速相机的拍摄帧率最大600帧。采集后的沉积形态图像通过特征提取等图像处理方法得到纳米纤维的线宽。

本发明中，高分子聚合物溶液的流量参数主要由高精度可调微流量泵的设定值，注射器的型号，针头的形状共同决定。

外界环境温度较高时，喷嘴顶端溶液挥发较快，易堵塞喷嘴，使得喷嘴处溶液浓度较高从而影响喷印纤维的形状。外界环境湿度太高，容易出现电压击穿现象，不利于喷印。纳米喷印的基本思想是采用射流和基板之间的粘附力拉伸射流，形成形貌可控的沉积图案。在纺丝过程中，为了保证电场力、拉伸力和溶液表面张力的平衡，需要按照不同的准则调节电场强度。初始阶段，增强电场力用于打破溶液表面张力的束缚，喷印过程中，电场强度减小仅用于维持泰勒锥形状和溶液的供给。连续射流可以分为泰勒锥和射流两个部分，保证稳定的泰勒锥是射流连续运动的前提，所以电场电压是喷印纤维的重要影响因素。

静电纺丝的基本原理是在高压电场作用下，带电聚合物溶液或熔融体液滴会形成一个锥体，即泰勒锥。当电场力超过一定值后聚合物液滴克服表面张力形成射流，射流在基板上形成沉积纤维。在单一工艺参数下的泰勒锥形状主要取决于电场力，基板拉伸力和毛细力的共同作用。泰勒锥锥角随着电压的增大和基板速度的增加而增大，从而影响纤维线宽。聚合物溶液浓度会影响液滴粘滞力大小，进而影响泰勒锥的形态。基板运动速度、聚合物溶液流量、静电场电压共同作用影响纳米纤维的线宽和沉积形状。

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 (3)

1.一种可控高精密微环境下的纳米静电喷印系统，其特征在于，该喷印系统包括：

微环境控制装置，包括制冷加热器(1)、送风管道(2)、微环境控制腔体(3)，其中喷印装置放置于所述微环境控制腔体(3)内，所述制冷加热器(1)通过所述送风管道(2)与所述微环境控制腔体(3)联通，由此实现所述喷印装置的温度湿度控制，所述微环境控制腔体(3)内还设置有温度湿度传感器(4)；

喷印装置，包括静电喷印模块、图像采集组件、运动平台控制组件；

其中所述静电喷印模块包括任意函数信号发生器(11)，用于产生直流电压，所述任意函数信号发生器(11)与高压放大器(12)相连，所述高压放大器(12)的输出一端接入注射器末端喷嘴，另外一端接入基板(806)，在所述末端喷嘴与所述基板(806)间形成可调节电场；

在静电喷印模块中利用高精度可调微流量泵控制面板(13)调节高精度可调微流量泵的末端执行器及注射器(802)中聚合物溶液的流量；

所述基板(806)设置于所述运动平台控制组件上，所述基板(806)按照所述运动平台控制组件的给定信号运动；

所述图像采集组件包括高速相机(804)和高亮背光光源(807)，所述高速相机(804)用于拍摄从所述末端喷嘴至所述基板(806)上的纳米纤维的沉积过程，所述高亮背光光源(807)用于提供高亮照明；

所述图像采集组件还包括高分辨相机(803)，用于拍摄所述纳米纤维在所述基板(806)上的沉积形态；

所述图像采集组件还包括图像采集器(9)，用于采集所述高速相机(804)及所述高分辨相机(803)的图像信息；

工控机(6)接收所述温度湿度传感器信息以及接收所述图像采集器(9)的信息，并且控制所述制冷加热器、所述任意函数信号发生器以及所述运动平台控制组件产生相应的反馈控制；

微环境控制腔体(3)的上部静压腔和下部恒温腔中放置有均匀孔板，上部静压腔中压力大于下部恒温腔压力，空气经导风口作用通过均匀孔板到达下部恒温腔，使恒温腔中的温度湿度均匀分布；温度湿度传感器(4)采集微环境控制腔体(3)内的温度湿度等环境指标数据，并将数据传输至实时监测控制模块中的工控机(6)；电压源(7)用以控制制冷加热器(1)内的半导体制冷片和加热装置，并将电压信号传输至监测控制模块中的工控机(6)，形成闭环控制；实时监测控制模块中工控机(6)接收电压源(7)和温度湿度传感器(4)的信号后通过PID控制算法控制恒温腔内的温度湿度，并在显示器(5)上显示温度湿度的变化曲线；

所述微环境控制腔体(3)的上部为一静压腔，用于将所述制冷加热器产生的气流与空气进行进一步的均匀混合，使得控制温度更加均匀，所述微环境控制腔体(3)的下部放置所述喷印装置。

2.如权利要求1所述的可控高精密微环境下的纳米静电喷印系统，其特征在于，所述运动平台控制组件包括直线电机、运动平台控制器，所述基板(806)安装在所述直线电机上；所述运动平台控制器用于采集所述直线电机的编码器反馈的电机转角、速度和转速信号发送于所述工控机(6)实现闭环控制。

3.如权利要求2所述的可控高精密微环境下的纳米静电喷印系统，其特征在于，所述图像采集组件中的所述高速相机(804)、所述高亮背光光源(807)和所述基板(806)固定在同一水平位置，光源控制器(14)用于调节所述高亮背光光源(807)的亮度。