CN110370804A - 图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法 - Google Patents

图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，其包括以下步骤：一、构建电流体动力学喷印非线性系统；二、确定电流体动力学喷印系统图案喷印宽度驱动的数据模型；三、根据电流体动力学喷印系统的输入输出数据，对φ(k)进行估算，得到图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数变化率的估算值；四、采用控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数，将确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型与控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数结合，得到电流体动力学喷印的参数；五、将φ(k)用替代，最终获得实际电流体动力学喷印参数，本发明一不依赖于电流体动力学喷印系统的理论数学模型，二不需要依赖大量的电流体动力学喷印实验。

Description

图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法
技术领域
本发明涉及电流体动力学喷印技术领域，尤其涉及一种图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法。
背景技术
柔性电子的微电路图案是柔性电子器件的一个主要核心部件，现有的图案化技术包括光刻、微接触印刷、丝网印刷、传统喷墨印刷等技术，无论在技术方面，还是在生产率、成本和材料等方面都难以满足柔性电子器件的高效、低成本、批量化制造和工业化应用需求，而且还面临着设备和掩模昂贵、制造成本高、周期长和可用材料少等问题。电流体动力学喷印技术由于设备简单、成本低、效率高、绿色环保、可使用的材料广、无需掩模和直接成形等诸多优点，是制造微/纳结构柔性电子器件的一种新型制造技术，在柔性电子微/纳制造方面具有巨大的潜能和突出的优势。
电流体动力学喷印过程涉及流场和电场等多物理场耦合问题，电流体动力学喷印过程中的施加电压、喷射高度、喷射溶液的流量和喷印平台的移动速度等多参数对喷印电路图案的宽度将会产生影响。电流体动力学喷印系统是一个复杂的多物理场耦合系统，其系统难以建立准确的理论数学模型，采用理论数学建模的方法对电流体动力学喷印过程进行控制必然影响电流体动力学图案的质量。目前，主要采用实验方法对进行电流体动力学喷印图案的质量进行控制，但是，在实际的电路图案喷印过程中需要针对不同的工艺参数对喷印溶液进行大量的实验，得到所需要的喷印图案的宽度和厚度，这种实验方法需要的时间长，同时还要耗费大量的材料，因此存在成本高和效率低的问题。电流体动力学喷印过程中由于受到外界因素的影响，所施加的电压和注射系统的流量、喷印平台的移动速度等参数值会发生变化，由于制造工艺影响基板在高度方向上会发生变化，从而会引起喷射高度的变化。因此，这些因素对电流体动力学喷印的电路图案的宽度将会产生影响，从而影响电流体动力学喷印电路图案的质量，从而影响柔性电子的电学性能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，根据电流体动力学喷印电路图案的实际宽度的变化自动调控电流体动力学喷印的施加电压、喷射高度、喷射溶液的流量和喷印平台的移动速度等参数，实现预喷印电路图案宽度的均匀喷印，从而提高电路图案的喷印质量。
本发明的技术方案：一种图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，其包括以下步骤：
一、构建电流体动力学喷印非线性系统
w(k+1)＝f(w(k),…,w(k-nw),u(k),…,u(k-nu))，
其中w(k)表示k时刻的电流体动力学喷印图案的实际宽度，u(k)表示k时刻的电流体动力学喷印图案的参数，u(k)表示为u(k)＝[u1(k),u2(k),u3(k),u4(k)]T，u1(k)表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压，u2(k)表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度，u3(k)表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量，u4(k)表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度；nw和nu分别表示电流体动力学喷印非线性系统的未知系统阶数和输入阶数，f(·)表示电流体动力学喷印非线性系统未知的非线性函数；
二、确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型
w(k+1)＝w(k)+φ(k)Δu(k)，
其中，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，φ(k)表示f(·)非线性函数的图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率，φ(k)表示为φ(k)＝[φ1(k)φ2(k)φ3(k)φ4(k)]，φ1(k)表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压参数u1(k)的变化率，φ2(k)表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度参数u2(k)的变化率，φ3(k)表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量参数u3(k)的变化率，φ4(k)表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度参数u4(k)的变化率；；
三、根据电流体动力学喷印系统的输入输出数据，构建图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率的φ(k)估计准则函数，估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率
四、根据确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型，建立控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数，得到电流体动力学喷印的参数
其中，ρ表示为步长因子，ρ的取值范围为ρ∈(0,1]；
五、将图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率φ(k)用估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率替代，最终获得实际电流体动力学喷印参数
步骤四中，将确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型代入控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数u(k)，并对u(k)求导并使其为零，获得电流体动力学喷印的参数。
所述构建图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率φ(k)的估计准则函数：
J(φ(k))＝|w(k)-w(k-1)-φ(k)Δu(k-1)|2+μ|φ(k)-φ(k-1)|2，
并获取估计准则函数φ(k)的极值，得到估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率
其中，为k时刻的估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率，η表示为步长因子，η的取值范围为η∈(0,1]，μ表示为权重因子，μ的取值范围μ＞0，表示f(·)非线性函数的图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率的估算值 表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压参数u1(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度参数u2(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量参数u3(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度参数u4(k)变化率的估算值。
步骤四中，所述建立控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数
J(u(k))＝|w*(k+1)-w(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2，
其中，w*(k+1)表示为k+1时刻电流体动力学喷印图案的期望宽度，w(k+1)表示k+1时刻电流体动力学喷印图案的实际宽度，λ表示为权重因子，λ的取值范围为λ＞0，λ对电流体动力学喷印参数u(k)的变化进行限制，将确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型与控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数结合，得到电流体动力学喷印的参数
其中，ρ表示为步长因子，ρ的取值范围为ρ∈(0,1]。
本发明的有益效果：
(1)本发明不依赖于电流体动力学喷印系统的理论数学模型，通过电流体动力学喷印系统的参数和实际喷印图案的宽度可以得到通过电流体动力学喷印控制方法的设计方法；
(2)本发明不需要依赖大量的电流体动力学喷印实验，仅根据预期喷印电路图案的期望宽度和喷印图案的实际宽度，自动得到所需喷印电路图案的电流体动力学喷印参数，不但节省了人力物力，还节省了时间成本，提高了流体动力学喷印电路图案的效率和喷印质量。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：
本发明提供一种图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制系统及方法，包括构建电流体动力学喷印非线性系统、确定电流体动力学喷印系统图案喷印宽度驱动的数据模型、估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率和计算电流体动力学喷印参数等四个方面的内容。
(1)所述的构建电流体动力学喷印非线性系统为
w(k+1)＝f(w(k),…,w(k-nw),u(k),…,u(k-nu)) (1)
其中，w(k)表示k时刻的电流体动力学喷印图案的实际宽度，u(k)表示k时刻的电流体动力学喷印图案的参数，u(k)表示为u(k)＝[u1(k),u2(k),u3(k),u4(k)]T，u1(k)表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压，u2(k)表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度，u3(k)表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量，u4(k)表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度；nw和nu分别表示电流体动力学喷印非线性系统的未知系统阶数和输入阶数，f(·)表示电流体动力学喷印非线性系统未知的非线性函数。
(2)所述的确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型表示为
w(k+1)＝w(k)+φ(k)Δu(k) (2)
其中，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，φ(k)表示f(·)非线性函数的图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率，φ(k)表示为φ(k)＝[φ1(k)φ2(k)φ3(k)φ4(k)]，φ1(k)表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压参数u1(k)的变化率，φ2(k)表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度参数u2(k)的变化率，φ3(k)表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量参数u3(k)的变化率，φ4(k)表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度参数u4(k)的变化率；。
(3)图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率φ(k)是一个时变参数，根据电流体动力学喷印系统的输入输出数据进行估算，图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率的φ(k)估计准则函数为
J(φ(k))＝|w(k)-w(k-1)-φ(k)Δu(k-1)|2+μ|φ(k)-φ(k-1)|2 (3)
对(3)式求关于φ(k)的极值，得到所述的估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率表示为
其中，为k时刻的估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率，η表示为步长因子，η的取值范围为η∈(0,1]，μ表示为权重因子，μ的取值范围μ＞0，表示f(·)非线性函数的图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率的估算值，表示为 表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压参数u1(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度参数u2(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量参数u3(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度参数u4(k)变化率的估算值。
(4)为了提高电流体动力学喷印参数的应用广泛性，避免产生过大的电流体动力学喷印参数变化，使电流体动力学喷印控制系统遭受破坏，同时避免电流体动力学喷印控制系统可能产生稳态的跟踪误差，因此采用控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数为
J(u(k))＝|w*(k+1)-w(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2 (5)
其中，w*(k+1)表示为k+1时刻电流体动力学喷印图案的期望宽度，w(k+1)表示k+1时刻电流体动力学喷印图案的实际宽度，λ表示为权重因子，λ的取值范围为λ＞0，λ对电流体动力学喷印参数u(k)的变化进行限制，另外防止(6)式分母为零；
将式(2)代入式(5)中，对u(k)求导并使其为零，得到电流体动力学喷印的参数为
其中，ρ表示为步长因子，ρ的取值范围为ρ∈(0,1]；
图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率φ(k)用估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率替代，最后得到所述的计算电流体动力学喷印参数为
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：
一、构建电流体动力学喷印非线性系统
w(k+1)＝f(w(k),…,w(k-nw),u(k),…,u(k-nu))，
其中w(k)表示k时刻的电流体动力学喷印图案的实际宽度，u(k)表示k时刻的电流体动力学喷印图案的参数，u(k)表示为u(k)＝[u1(k),u2(k),u3(k),u4(k)]T，u1(k)表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压，u2(k)表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度，u3(k)表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量，u4(k)表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度；nw和nu分别表示电流体动力学喷印非线性系统的未知系统阶数和输入阶数，f(·)表示电流体动力学喷印非线性系统未知的非线性函数；
二、确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型
w(k+1)＝w(k)+φ(k)Δu(k)，
其中，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，φ(k)表示f(·)非线性函数的图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率，φ(k)表示为φ(k)＝[φ1(k) φ2(k) φ3(k) φ4(k)]，φ1(k)表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压参数u1(k)的变化率，φ2(k)表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度参数u2(k)的变化率，φ3(k)表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量参数u3(k)的变化率，φ4(k)表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度参数u4(k)的变化率；
三、根据电流体动力学喷印系统的输入输出数据，构建图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率的φ(k)估计准则函数，估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率
四、根据确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型，建立控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数，得到电流体动力学喷印的参数
其中，ρ表示为步长因子，ρ的取值范围为ρ∈(0,1]；
五、将图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率φ(k)用估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率替代，最终获得实际电流体动力学喷印参数
2.根据权利要求1所述的图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，其特征在于：步骤四中，将确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型代入控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数u(k)，并对u(k)求导并使其为零，获得电流体动力学喷印的参数。
3.根据权利要求1所述的图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，其特征在于：步骤三中，建立图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率φ(k)的估计准则函数：
J(φ(k))＝|w(k)-w(k-1)-φ(k)Δu(k-1)|2+μ|φ(k)-φ(k-1)|2，
并获取估计准则函数φ(k)的极值，得到估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率
其中，为k时刻的估算图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率，η表示为步长因子，η的取值范围为η∈(0,1]，μ表示为权重因子，μ的取值范围μ＞0，表示f(·)非线性函数的图案喷印宽度随电流体动力学喷印参数的变化率的估算值 表示k时刻的电流体动力学喷印所施加的电压参数u1(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印的喷射高度参数u2(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印溶液的流量参数u3(k)变化率的估算值，表示k时刻的电流体动力学喷印平台的移动速度参数u4(k)变化率的估算值。
4.根据权利要求1所述的图案喷印宽度驱动的电流体动力学喷印控制方法，其特征在于：步骤四中，建立控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数
J(u(k))＝|w*(k+1)-w(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2，
其中，w*(k+1)表示为k+1时刻电流体动力学喷印图案的期望宽度，w(k+1)表示k+1时刻电流体动力学喷印图案的实际宽度，λ表示为权重因子，λ的取值范围为λ＞0，λ对电流体动力学喷印参数u(k)的变化进行限制，
将确定电流体动力学喷印系统的图案喷印宽度驱动的数据模型与控制电流体动力学喷印参数输入的准则函数结合，得到电流体动力学喷印的参数
其中，ρ表示为步长因子，ρ的取值范围为ρ∈(0,1]。
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