一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法及裝置，以解決現(xiàn)有納米靜電噴印技術(shù)中納米纖維直徑因外界影響而不穩(wěn)定的缺陷。該方法包括如下步驟：（1）通過高壓靜電力使得高分子溶液從噴嘴中拉出形成納米纖維；（2）使用高速相機實時采集噴嘴與基板之間的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像；（3）進行圖像處理，實時計算出納米纖維的直徑；（4）以測得的納米纖維直徑與設(shè)定值進行比較得到的偏差為控制量，加以控制算法，實時對電壓進行調(diào)節(jié)，從而使得納米纖維穩(wěn)定在設(shè)定直徑處。本裝置主要由電動微泵、實時處理與控制器、模擬電壓輸出板卡、圖像采集板卡、高速相機、高壓放大器組成。
【專利說明】一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米柔性電子制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種靜電噴印通過調(diào)節(jié)電壓實現(xiàn)納米纖維直徑閉環(huán)控制方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]納米柔性電子制造是將高分子材料電子器件制作在柔性基板上的新興電子技術(shù)，由于其具有獨特的薄、輕、透明、強延展性、低功耗的特點，在未來幾年內(nèi)將在柔性顯示器、低成本RFID、太陽能電池板、微納傳感器、電子讀物等諸多應用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
[0003]納米靜電噴印通過高壓靜電力將高分子溶液在微米級噴嘴中拉出，形成泰勒錐，在錐頂噴射出穩(wěn)定的射流纖維，從而在柔性基板沉積批量形成一致性的微納結(jié)構(gòu)單元。相對于其他納米電子制造方法，如接觸式直寫、壓印等，納米靜電噴印的優(yōu)勢在于噴出的纖維尺寸小，可達到100納米以下；同時噴印纖維的形貌、位置等可以被外場所控制，具有制造效率高，延展性能好等特點。然而，通過靜電噴印形成的納米纖維極易受到電壓、微泵流量、外界環(huán)境的溫度和濕度的影響，由于目前納米靜電噴印技術(shù)大多采用開環(huán)的控制系統(tǒng)，使得沉積在基板上的納米纖維直徑非常的不穩(wěn)定。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有納米靜電噴印技術(shù)中納米纖維直徑因外界影響而不穩(wěn)定的缺陷。
[0005]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]在一個實施例中，一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法，包括如下步驟:
[0007]( I)實時處理與控制器對模擬電壓輸出板卡進行控制，產(chǎn)生0—4V低壓，高壓放大器將O — 4V低壓放大1000倍，將放大后的高壓施加在噴嘴和基板之間；
[0008](2)當納米纖維在噴嘴與基板之間達到穩(wěn)定狀態(tài)時(即納米纖維在空中不晃動，處于直線下落狀態(tài))，調(diào)節(jié)光纖光源至合適亮度，高速相機實時采集噴嘴與基板之間的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像；
[0009](3)圖像采集卡將高速相機采集的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像傳送到實時處理與控制器，進行圖像處理，實時計算出納米纖維的直徑；
[0010]將計算出的納米纖維直徑與設(shè)定直徑進行比較得到偏差，以此偏差為控制量，利用廣義預測控制算法實時對電壓進行調(diào)節(jié)，從而使得納米纖維穩(wěn)定在設(shè)定直徑。
[0011]在另一實施例中，一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制裝置，包括:
[0012]電動微泵，用來精確控制高分子溶液的流量，維持納米靜電噴印過程中高分子溶液的穩(wěn)定供給；
[0013]實時處理與控制器，用來對模擬電壓輸出板卡進行控制以使其輸出O — 4V的模擬低電壓，并對由圖像采集板卡傳送來的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像進行圖像處理，實時計算出納米纖維的直徑，其中，將計算出的納米纖維直徑與設(shè)定直徑進行比較得到偏差，以此偏差為控制量，利用廣義預測控制算法實時對模擬電壓輸出板卡輸出的模擬電壓進行調(diào)節(jié)，從而使得納米纖維穩(wěn)定在設(shè)定直徑；
[0014]模擬電壓輸出板卡,用于接收實時處理與控制器的信號以輸出O—4V的模擬低電壓；
[0015]圖像采集板卡，用于接收高速相機采集的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像，并將圖像傳送至實時處理與控制器；
[0016]高速相機，用以實時采集納米纖維在噴嘴與基板之間達到穩(wěn)定狀態(tài)時的形貌圖像，所述穩(wěn)定狀態(tài)即納米纖維在空中不晃動，處于直線下落狀態(tài)；
[0017]高壓放大器，用于將模擬電壓輸出板卡輸出的O—4V的模擬低電壓放大1000倍，將放大后的高壓施加在噴嘴和基板之間，使得靜電力突破高分子溶液的粘滯力及空氣阻力，形成納米纖維。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:可以提高靜電噴印納米纖維過程中納米纖維沉積的直徑的穩(wěn)定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法框圖；
[0020]圖2是靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制裝置示意圖；
[0021]1.光纖光源；2.電動微泵；3.噴嘴；4.納米纖維；5.基板；6.高速相機；7.高壓放大器；8.實時處理與控制器；9.模擬電壓輸出板卡；10.圖像采集板卡；11.顯示器。
[0022]圖3是靜電噴印納米纖維直徑測量示意圖；
[0023]12.噴嘴；13.納米纖維；14.圖像處理感興趣區(qū)域；15.標記直徑測量位置的直線；16.納米纖維直徑
【具體實施方式】
[0024]研究表明，在影響納米纖維直徑的諸多因素中，靜電力對其影響最大，因此本發(fā)明以電壓為主要調(diào)節(jié)量。該方法流程如圖1所示，具體包括如下步驟:
[0025](I)實時處理與控制器對模擬電壓輸出板卡進行控制，產(chǎn)生0—4V低壓，高壓放大器將O—4V低壓放大1000倍，將放大后的高壓加在噴嘴和基板之間。在高壓產(chǎn)生的靜電力作用下，高分子溶液首先形成泰勒錐，當靜電力突破高分子溶液的粘滯力及空氣阻力，高分子溶液從噴嘴中拉出形成納米纖維。需要指出，此處O — 4V是電壓輸出板卡輸出電壓的范圍，可以為任意波形也可以為某一穩(wěn)定電壓值，可由編程實現(xiàn)在電壓許可范圍內(nèi)的任何電壓輸出。此電壓范圍適用于大部分高分子溶液。本實施例中采用的高分子溶液為ΡΕ0，即聚氧化乙烯，噴嘴與基板高度為5mm，溶液流量為100nl/min。
[0026](2)當納米纖維在噴嘴與基板之間達到穩(wěn)定狀態(tài)時(即納米纖維在空中不晃動，處于直線下落狀態(tài))，調(diào)節(jié)光纖光源至合適亮度，高速相機實時采集噴嘴與基板之間的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像。
[0027](3)圖像采集卡將高速相機采集的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像傳送到實時處理與控制器，進行圖像處理，實時計算出納米纖維的直徑。在本實施例中，所述圖像處理包括濾波、對比度增強和邊緣提取等操作。其中，濾波采用5X5核的高斯濾波用于減少圖像中的噪聲影響；對比度增強通過一系列的圖像增強技術(shù)使得圖像中的背景與納米纖維盡量分離出來，以方便后續(xù)的邊緣提取操作；邊緣提取采用過梯度算子如sobel算子，計算圖像各個像素點水平方向梯度，梯度模值局部(水平方向左右鄰域)最大的點即為邊緣點，通過在納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)圖像的某一特定位置作一條與水平方向平行的直線，以標記直徑測量位置，如圖3的直線15，計算在該直線上與納米纖維邊緣相交的兩邊緣點的距離，如圖3的16，即為納米纖維直徑。為改善實時測量直徑的效果，上述圖像處理無需對采集到的整幅圖像進行處理，而是對需要測量的感興趣區(qū)域進行處理，感興趣區(qū)域如圖3的虛線框14所示。
[0028](4)將計算出的納米纖維直徑與設(shè)定直徑進行比較得到偏差，以此偏差為控制量，利用廣義預測控制算法實時對電壓進行調(diào)節(jié)，從而使得納米纖維穩(wěn)定在設(shè)定直徑。其中，廣義預測控制算法是一種基于參數(shù)模型的算法，首先通過開環(huán)實驗，即給定預定波形的電壓，測得納米纖維直徑，從而得到實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，進而采用系統(tǒng)辨識方法辨識出電壓與直徑之間的模型。在此模型的基礎(chǔ)上設(shè)計廣義預測控制算法。廣義預測控制算法由自適應控制研究中發(fā)展起來的，保留了自適應控制的優(yōu)點，相比自適應控制方法更具魯棒性，并且采用多步預測，滾動優(yōu)化和反饋校正等策略，控制效果好，更適合于工業(yè)生產(chǎn)過程的控制。本實施例中優(yōu)先采用廣義預測控制算法，但不限于此方法。
[0029]本閉環(huán)控制裝置示意圖如圖2所示，主要包括:電動微泵、實時處理與控制器、模擬電壓輸出板卡、圖像采集板卡、高速相機、高壓放大器。
[0030]電動微泵主要用來精確控制高分子溶液的流量，維持納米靜電噴印過程中高分子溶液的穩(wěn)定供給。實時處理與控制器主要用來對數(shù)據(jù)進行實時采集和輸出，協(xié)調(diào)模擬電壓輸出板卡和圖像采集板卡，是整個控制系統(tǒng)的核心。模擬電壓輸出板卡用于接收實時處理與控制器的信號以輸出O — 4V的模擬低電壓。圖像采集板卡用于接收高速相機采集的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像，并將圖像傳送至實時處理與控制器進行實時圖像處理。高速相機用以實時采集納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像。高壓放大器用于將模擬電壓輸出板卡輸出的O—4V的模擬低電壓放大1000倍，以產(chǎn)生高壓，使得靜電力突破高分子溶液的粘滯力及空氣阻力，從而形成納米纖維。
[0031 ] 在此特定實施例中，實時處理與控制器、模擬電壓輸出板卡和圖像采集板卡可以根據(jù)設(shè)計要求自行定制，也可以采用例如美國國家儀器公司(NI)等測試儀器提供商的相應
女口
廣叩ο
[0032]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制方法，包括如下步驟: (1)實時處理與控制器對模擬電壓輸出板卡進行控制，產(chǎn)生O— 4V低壓，高壓放大器將O—4V低壓放大1000倍，將放大后的高壓施加在噴嘴和基板之間； (2)當納米纖維在噴嘴與基板之間達到穩(wěn)定狀態(tài)時(即納米纖維在空中不晃動，處于直線下落狀態(tài))，高速相機實時采集噴嘴與基板之間的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像； (3)圖像采集卡將高速相機采集的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像傳送到實時處理與控制器，進行圖像處理，實時計算納米纖維的直徑； (4)將計算出的納米纖維直徑與設(shè)定直徑進行比較得到偏差，以此偏差為控制量，利用廣義預測控制算法實時對電壓進行調(diào)節(jié)，從而使得納米纖維穩(wěn)定在設(shè)定直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述圖像處理包括濾波、對比度增強和邊緣提取。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述濾波采用5X5核的高斯濾波。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述邊緣提取采用sobel算子計算圖像各個像素點水平方向梯度，梯度模值局部(水平方向左右鄰域)最大的點即為邊緣點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述步驟(3)包括:在納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)圖像的某一特定位置作一條與水平方向平行的直線(15)，以標記直徑測量位置，計算該直線上與納米纖維邊緣相交的兩邊緣點的距離(16)，即為納米纖維直徑。
6.一種靜電噴印納米纖維直徑閉環(huán)控制裝置，包括: 電動微泵，用來精確控制高分子溶液的流量，維持納米靜電噴印過程中高分子溶液的穩(wěn)定供給； 實時處理與控制器，用來對模擬電壓輸出板卡進行控制以使其輸出O — 4V的模擬低電壓，并對由圖像采集板卡傳送來的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像進行圖像處理，實時計算納米纖維的直徑，其中，將計算出的納米纖維直徑與設(shè)定直徑進行比較得到偏差，以此偏差為控制量，利用廣義預測控制算法實時對模擬電壓輸出板卡輸出的模擬電壓進行調(diào)節(jié)，從而使得納米纖維穩(wěn)定在設(shè)定直徑； 模擬電壓輸出板卡，用于接收實時處理與控制器的信號以輸出O—4V的模擬低電壓； 圖像采集板卡，用于接收高速相機采集的納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)形貌圖像，并將圖像傳送至實時處理與控制器； 高速相機，用以實時采集納米纖維在噴嘴與基板之間達到穩(wěn)定狀態(tài)時的形貌圖像，所述穩(wěn)定狀態(tài)即納米纖維在空中不晃動，處于直線下落狀態(tài)； 高壓放大器，用于將模擬電壓輸出板卡輸出的O—4V的模擬低電壓放大1000倍,將放大后的高壓施加在噴嘴和基板之間，使得靜電力突破高分子溶液的粘滯力及空氣阻力，形成納米纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，所述圖像處理包括濾波、對比度增強和邊緣提取。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，所述濾波采用5X5核的高斯濾波。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，所述邊緣提取采用sobel算子計算圖像各個像素點水平方向梯度，梯度模值局部(水平方向左右鄰域)最大的點即為邊緣點。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，所述實時處理與控制器計算納米纖維的直徑包括:在納米纖維穩(wěn)定狀態(tài)圖像的某一特定位置作一條與水平方向平行的直線(16)，以標記直徑測量位置，計算該直線上與納米纖維邊緣相交的兩邊緣點的距離(17)，即為納米纖維直徑。
【文檔編號】B41J29/393GK103465628SQ201310396573
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】張海濤, 魏飛龍, 董益民, 尹周平, 丁漢 申請人:華中科技大學