自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)，屬于靜電噴射技術(shù)領(lǐng)域。包括移動平臺及平臺上的噴射基底（1）、電荷產(chǎn)生和注入裝置（2）、分壓及電路保護(hù)電阻（3）、液體存儲和輸送裝置（4）、靜電噴射噴頭（5）、高壓三極管（6）、高壓三極管驅(qū)動板（7）、分壓電阻（8）、通斷模式控制電路板（9）、上位機(jī)控制器（10），移動平臺控制器（11）該系統(tǒng)通過控制高壓三極管的通斷狀態(tài)以控制電路中加載到靜電噴射噴頭的電壓，從而快速控制靜電噴射系統(tǒng)通斷的狀態(tài)。靜電噴射系統(tǒng)包含四種不同的噴射狀態(tài)，以滿足對不同噴射應(yīng)用的需求，化本實用新型控制系統(tǒng)具有實用性、噴射可控性，能夠在工業(yè)化生產(chǎn)中具有很大的利用價值。
【專利說明】
自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)，屬于靜電噴射技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電噴射本質(zhì)上是利用靜電力使液體彌散從而產(chǎn)生帶有靜電的細(xì)小液滴的技術(shù)，通常在該過程中會形成這些細(xì)小液滴如水柱一般噴射而出的情況，稱為射流。單射流靜電噴射模式所形成的單個射流包含排列成一條直線的一連串幾乎完全相同的靜電液滴。單射流靜電噴射的物理原理已經(jīng)在20世紀(jì)60年代由G.Taylor和J.R.Melcher等人提出的泄漏介質(zhì)模型得到解釋，可參見Annual Review of Fluid Mechanics，1969，I，111-146的Electrohydrodynamics:A Review of the Role of Interfacial Shear Stresses等文獻(xiàn)。其利用靜電場誘導(dǎo)液體產(chǎn)生變形形成Taylor錐，不同的靜電場所形成的錐形不同，當(dāng)電壓較小時可以控制噴射系統(tǒng)噴射出單射流。靜電噴射技術(shù)設(shè)備簡單、制造成本低，常溫、常壓、非潔凈環(huán)境下可在多種基底上實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的快速、高精度制造，更能滿足柔性電子器件的大批量連續(xù)生產(chǎn)要求，并可實現(xiàn)有機(jī)電子與生物器件的集成。靜電噴射技術(shù)以其獨特的優(yōu)點，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬啊?br>[0003]但是，當(dāng)前單射流靜電噴射還缺乏一種自動化且快速的通斷控制手段，急需在噴印設(shè)備上取得進(jìn)展。且目前面臨的問題為無法簡單快速的得到某個特定的通斷效果，從而能夠畫出含有通斷的特定圖形，通過控制液體流量或者通過直接調(diào)整電荷輸入的方法，無法在短時間內(nèi)進(jìn)行通斷的調(diào)節(jié)，也無法大規(guī)模得按照預(yù)先設(shè)定的通斷狀態(tài)進(jìn)行高精度和可重復(fù)性的通斷狀態(tài)。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種按照所需要求進(jìn)行連續(xù)快速噴射或停止控制以噴射出所需圖形且達(dá)到實現(xiàn)預(yù)設(shè)的精細(xì)圖形噴制的自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)及其控制方法。
[0005]本實用新型就旨在提出一種具有實用性、易于可控性、能夠在工業(yè)化生產(chǎn)上大規(guī)模實用的靜電噴射通斷控制系統(tǒng)。一種自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)，其特征在于:包括移動平臺及平臺上的噴射基底、電荷產(chǎn)生和注入裝置、分壓及電路保護(hù)電阻、液體存儲和輸送裝置、靜電噴射噴頭、高壓三極管、高壓三極管驅(qū)動板、分壓電阻、通斷模式控制電路板、上位機(jī)控制器和移動平臺控制器;移動平臺控制器的輸出端與移動平臺及平臺上的噴射基底的信號輸入端相連提供移動控制信號；電荷產(chǎn)生和注入裝置的接地端與移動平臺及平臺上的噴射基底相連；電荷產(chǎn)生和注入裝置的另一端與分壓及電路保護(hù)電阻的第一端相連;分壓及電路保護(hù)電阻的第二端連接到高壓三極管的集電極以及靜電噴射噴頭;高壓三極管的發(fā)射極與分壓電阻的第一端相連;分壓電阻的第二端連接到電荷產(chǎn)生和注入裝置的接地端以及移動平臺及平臺上的噴射基底的接地端;高壓三極管的柵極和發(fā)射極與高壓三極管驅(qū)動板的輸入端相連接;高壓三極管驅(qū)動板的光纖輸入端與通斷模式控制電路板的光纖輸出端相連;通斷模式控制電路板的輸入端通過串口與上位機(jī)控制器的輸出端連接；同時移動平臺控制器的輸出端與通斷模式控制電路板的輸入端相連提供聯(lián)動模式所需信號；液體存儲和輸送裝置給靜電噴射噴頭提供所需要噴射的液體;通斷模式控制電路板包含一個單片機(jī)，一個232串口，一個穩(wěn)壓電路、一個放大電路和一個電壓讀取接口；232串口與上位機(jī)控制器的串口相連，單片機(jī)1 口連接一個穩(wěn)壓電路連接到一個放大電路用并通過光纖接口與高壓三極管驅(qū)動板的光纖接口相連，一個電壓讀取接口的一端與移動平臺控制器的電壓輸出接口相連，另一端與單片機(jī)的1相連。所述自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:通過控制高壓三極管的通斷狀態(tài)，與分壓電阻的配合，控制加載在靜電噴射系統(tǒng)噴頭的電壓大小;其中當(dāng)高壓三極管處于斷路狀態(tài)時，高壓三極管的內(nèi)阻為一個較大的阻值，與分壓電阻配合后，加載在靜電噴射噴頭上的為一個相對較高的電壓值，使得噴射系統(tǒng)達(dá)到能夠噴出射流的閾值;其中當(dāng)高壓三極管處于通路狀態(tài)時，高壓三極管的內(nèi)阻為一個較小的阻值，與電阻電路配合后，加載在靜電噴射噴頭上的為一個相對較低的電壓值，使得噴射系統(tǒng)不能夠達(dá)到能夠噴射出射流的閾值。
[0006]自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)使用上位機(jī)對靜電噴射系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行自動化控制，其特征在于反應(yīng)時間較快，電壓的變化不同于機(jī)械控制方式或其他方式，其對信號的反應(yīng)迅速，能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)噴射狀態(tài)的變化。在形成錐形時，錐形穩(wěn)定;在處于斷開時沒有錐形時，其狀態(tài)也很穩(wěn)定，沒有液滴滴下。利用高壓三極管的方法控制噴頭的狀態(tài)，其控制電路簡單，三極管的反應(yīng)迅速所以通斷時候的延遲或誤差較小。通斷模式控制電路板和高壓三極管驅(qū)動板之間利用光纖連接，使得控制電路安全可靠，反應(yīng)迅速。
[0007]上位機(jī)控制器具有四種噴射狀態(tài):一直噴射狀態(tài)、持續(xù)不噴射狀態(tài)、周期性噴射狀態(tài)和聯(lián)動模式狀態(tài);其中，周期性噴射狀態(tài)為以一個特定的噴射和特定的斷開時間進(jìn)行循環(huán)噴射的狀態(tài)，可輸入噴射和斷開的時間；聯(lián)動模式狀態(tài)為靜電噴射噴頭與移動平臺控制器配合聯(lián)動，以噴射出移動平臺中設(shè)定的二維圖形；當(dāng)在上述上位機(jī)控制器中選擇具有狀態(tài)參數(shù)控制方式后，上位機(jī)控制器發(fā)送相應(yīng)的字符串，經(jīng)過串口傳送給通斷模式控制電路板，通斷模式控制電路板接收字符串后進(jìn)行解析獲知相應(yīng)的噴射狀態(tài)并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，將PffM波通過光纖傳輸給高壓三極管驅(qū)動器驅(qū)動高壓三極管控制狀態(tài)參數(shù)，具體包括:通過改變PffM波中高電平的時間調(diào)節(jié)靜電噴射中不噴射的時間；通過改變PffM波中低電平的時間調(diào)節(jié)靜電噴射中噴射的時間;通過改變PWM波中波的個數(shù)調(diào)節(jié)噴射出的圖形和總噴射時間。
[0008]利用上位機(jī)改變噴射狀態(tài)的方法簡單方便，通過選擇程序中的所需的通斷方式按鈕，噴頭即可按照所需狀態(tài)進(jìn)行噴射。通過在上位機(jī)控制器的LABVIEW軟件程序界面上選擇需要的通斷模式，通過通斷模式控制電路板的解析將不同模式對應(yīng)的PWM通過光纖傳輸給高壓三極管驅(qū)動板，再由高壓三級管驅(qū)動板驅(qū)動高壓三極管實現(xiàn)不同的通斷模式。(I)如果所檢測到的命令信號為周期性噴射狀態(tài);所述狀態(tài)參數(shù)包括:靜電噴射每次噴出射流的時間，每次停止噴出射流的時間，以及循環(huán)的次數(shù)，等等；自動控制系統(tǒng)就會按照設(shè)定的噴射時間，停止時間和循環(huán)次數(shù)形成控制高壓三極管的方波。該方波加載在高壓三極管上控制其通斷狀態(tài)。與實際設(shè)定值相比，斷開時間的實際延時誤差僅在ms級別，且該誤差主要時由于靜電噴射性質(zhì)所產(chǎn)生，所以該誤差已是理論級別內(nèi)的最小值。(2)如果所檢測的命令信號為聯(lián)動噴射狀態(tài);通斷模式控制板通過獲取移動平臺控制器中的通斷電壓，控制高壓三極管以畫出移動平臺中所規(guī)定的圖形。其特征在于:在平臺中輸入需要畫出的圖形，當(dāng)圖形不連續(xù)時，即出現(xiàn)通路和斷路狀態(tài)變化時，會產(chǎn)生輸出電壓的變化。利用此電壓變化，控制高壓三級管的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)移動平臺中需要畫出線時，平臺會輸出一個高電平，高電平傳輸?shù)酵〝嗄Ｊ娇刂齐娐钒澹ㄟ^高壓三極管驅(qū)動板，控制高壓三極管的開通關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)移動平臺不需要畫出線時，平臺會輸出一個低電平，同樣傳輸?shù)酵〝嗄Ｊ娇刂齐娐钒?，通過高壓三極管驅(qū)動板，加載在高壓三極管的是一個低電平。(3)如果所檢測到的命令信號為一直噴射狀態(tài)，高壓三極管會一直處于關(guān)斷狀態(tài)，靜電噴射噴頭會接收到一個較高電壓，靜電噴射噴頭處于噴射狀態(tài)。(4)如果所檢測到的命令信號為不噴射狀態(tài)，高壓三極管會一直處于連通狀態(tài)，靜電噴射噴頭會接收到一個較低電壓，無法滿足噴射要求，噴頭處于無法噴出的狀
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[0009]所述聯(lián)動模式狀態(tài)為靜電噴射噴頭(5)與移動平臺控制器的地配合聯(lián)動，以噴射出移動平臺中設(shè)定的二維圖形。其實現(xiàn)方法為，移動平臺控制器與通斷模式控制電路板連接，通斷控制電路板實時讀取移動平臺控制器的通斷信號，在選擇聯(lián)動模式時，通斷控制電路板通過讀取移動平臺中不同圖形產(chǎn)生的通斷電壓變化，形成PWM波控制高壓三極管的通斷狀態(tài)，噴射出所需圖形的控制方式。
[0010]當(dāng)在移動平臺控制器中輸入所需要噴印的含有通斷線的圖形時，在聯(lián)動模式下，所噴印出的圖形與設(shè)定圖形有較高的相似度，其誤差在0.2_左右，精確度高。
[0011 ]液體存儲和輸送裝置和靜電噴射噴頭之間還設(shè)置有液體流量控制裝置或液體輸送開關(guān)。
[0012]液體流量控制裝置或液體輸送開關(guān)可以有效的對所提供的液體進(jìn)行流量控制，當(dāng)需要提供液體時，即打開控制控制開關(guān)即可，控制方便。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型第一實施例的正面示意圖；
[0014]圖2是本實用新型第一實施例的碼型圖；
[0015]圖3是本實用新型第一實施例的第一種效果圖；
[0016]圖4是本實用新型第一實施例的第二種效果圖；
[0017]圖5是本實用新型第二實施例的正面示意圖；
[0018]圖6是本實用新型通斷模式控制電路板示意圖
[0019]圖中標(biāo)號名稱:1、移動平臺及平臺上的噴射基底，2、電荷產(chǎn)生和注入裝置，3、分壓及電路保護(hù)電阻，4、液體存儲和輸送裝置，5、靜電噴射噴頭、6、高壓三極管、7、高壓三極管驅(qū)動板，8、分壓電阻、9、通斷模式控制電路板，10、上位機(jī)控制器，11、移動平臺控制器、
12、液體流量控制裝置或液體輸送開關(guān)。
【具體實施方式】
[0020]如圖所示，一個靜電噴射通斷控制系統(tǒng)可以包括以下部分或全部裝置:一個移動平臺及平臺上的噴射基底，一個電荷產(chǎn)生和注入裝置，一個分壓及電路保護(hù)電阻，一個液體存儲和輸送裝置，靜電噴射噴頭，一個高壓三極管、一個高壓三極管驅(qū)動板，一個分壓電阻，一個通斷模式控制電路板，一臺上位機(jī)控制器，以及移動平臺控制器。
[0021]靜電噴射噴頭的典型形式為管狀，或毛細(xì)管、空腔，具有凸起點的表面或其他可以實現(xiàn)靜電噴射的形狀。噴射可以限制在一個特點的噴射腔內(nèi)，腔內(nèi)可以注入特定載氣或使用空氣或抽成真空;也可以沒有特定的噴射腔限制，其噴射在空氣或載氣中進(jìn)行。
[0022]電荷產(chǎn)生和注入裝置通常使用高壓電荷或其他可以產(chǎn)生電荷的裝置，其電荷極性可以為正也可以為負(fù);其中的電荷注入裝置為帶尖端的金屬電極或其他可以將電荷注入液體的裝置，該裝置可以部分或全部與液體相接觸也可以不與液體產(chǎn)生物理接觸(比如產(chǎn)生空間自由電荷后直接注入到液體內(nèi))。
[0023]液體存儲和輸送裝置的形式內(nèi)容為儲液容器、注射栗、連同器及其他可以實現(xiàn)液體存儲和輸送的裝置。
[0024]高壓三極管裝置為可承受高電壓的三極管(如IGBT模塊等)及其對應(yīng)的高壓三極管驅(qū)動板，以及可以提供高壓三極管驅(qū)動板控制信號通斷的自制通斷模式控制電路板，通過將高壓三極管與兩個分壓電阻相應(yīng)的連接方式(電阻大小可根據(jù)需要獲得的不同電壓進(jìn)行調(diào)整)，將電荷產(chǎn)生裝置實現(xiàn)分壓效果。控制高壓三極管的通斷控制加載在靜電噴射噴頭尖端的金屬電極的電壓大小，實現(xiàn)控制射流噴出或不噴出。
[0025]分壓電阻為兩個電阻值為1M級別的電阻，用于實現(xiàn)形成相對較高和相對較低的電壓值，以形成噴射狀態(tài)和不噴射狀態(tài)的電壓差異。
[0026]噴射基底可以有平面、球面或其他形狀，可以是裝有空氣或載氣的空腔，可以是特定的液體(如油類或水溶液)，也可以是無機(jī)物或有機(jī)物固體(如硅片、玻璃、金屬、有機(jī)物薄膜、塑料、紙張、食物、包裹、皮膚等等)。根據(jù)具體應(yīng)用需要，收集裝置可以加上特定的電壓、溫度、氣壓等控制，也可以不加。
[0027]通過在上位機(jī)控制器的LABVIEW軟件界面選取所要通斷的狀態(tài)，通過自制通斷模式控制電路板(也可使用FPGA板、IC電路，等等)的處理和分析，將指令轉(zhuǎn)化成為不同的電平信號提供給高壓三極管驅(qū)動板。上位機(jī)控制器指令通過可視化圖形化界面由使用者進(jìn)行選擇?？梢赃x擇的狀態(tài)包括:(I)一直處于噴射模式；(2)—直處于不噴射的模式；(3)周期性噴射或不噴模式，可以改變的參數(shù)包括:噴射時間、不噴射時間、周期循環(huán)次數(shù)以及開始時執(zhí)行的狀態(tài)。上述三種模式依靠下位機(jī)產(chǎn)生高低電平直接加載到噴頭。(4)聯(lián)動模式，通過讀取移動平臺裝置提供的高低電平，移動平臺中存有需要畫出的圖形，當(dāng)需要畫出圖形時平臺提供低電平，當(dāng)不需要畫出圖形平臺提供高電平，利用此電平變化加載到噴頭以實現(xiàn)通斷控制。
[0028]移動平臺控制器控制移動平臺及平臺上的噴射基底，可以實現(xiàn)在二維的快速移動。在移動平臺控制器的圖形輸入界面輸入所需要噴射出的圖形，可以在聯(lián)動狀態(tài)時噴出所需圖形。
[0029]實施例之一:
[0030]如圖1所示，使用兩個分壓電阻與高壓三極管的集電極和發(fā)射極串聯(lián)，當(dāng)高壓三極管模塊處于斷路狀態(tài)時，由于柵極漏電流的存在，無法簡單串聯(lián)高壓三極管與靜電噴射噴頭連接控制噴頭的通斷。當(dāng)高壓三極管處于斷路狀態(tài)時，由于高壓三極管的內(nèi)阻約為20M Ω左右，可以與分壓電阻串聯(lián)，對于電荷產(chǎn)生和注入裝置提供的電壓進(jìn)行分壓后，實際加載在噴頭上的為一個相對較高的電壓值，使得噴射系統(tǒng)達(dá)到能夠噴出射流的閾值。當(dāng)高壓三極管處于通路狀態(tài)時，高壓三極管的內(nèi)阻為一個較小的阻值約為10 Ω左右，與分壓電阻電路配合后，加載在噴頭上的為一個相對較低的電壓值，使得噴射系統(tǒng)不能夠達(dá)到能夠噴射出射流的閾值。實際中使用的分壓及電路保護(hù)電阻為20ΜΩ，分壓電阻為10ΜΩ。使用電腦在控制程序中輸出頻率和脈寬相同方波。如圖2所畫碼型圖所示，圖2的A中的“I”表示控制高壓三極管的信號為高電平，可使高壓三極管處于通路狀態(tài)，對應(yīng)圖2的B中的“O”狀態(tài)，表示此時噴頭接收的是較低電壓，噴頭處于不噴射狀態(tài);而圖2的A中“O”代表控制高壓三極管的信號處于低電平狀態(tài)，此時高壓三極管處于斷路狀態(tài)，對應(yīng)圖2的B中“I”的狀態(tài)，表示此時靜電噴射噴頭處于噴射狀態(tài)。
[0031]當(dāng)輸出方波的脈寬較短(脈寬在1ms以下)，移動平臺及平臺上的噴射基底按照圓形移動時，可在移動平臺及平臺上的噴射基底上形成如圖所示的間隔相同的離散點如圖3所示。當(dāng)輸出方波的脈寬較長時(脈寬在1ms以上)，基板按照圓形移動時，可在基板上形成如圖4所示的間隔相同的離散線。
[0032]實施例之二:
[0033]當(dāng)在上位機(jī)控制器的LABVIEW模式選擇界面上選擇聯(lián)動模式時，當(dāng)移動平臺控制器的圖形輸入界面中所需要畫的圖形含有斷線時，移動平臺控制器輸出低電平，通過通斷模式控制電路板的控制將低電平轉(zhuǎn)換為高電平產(chǎn)生PWM波的驅(qū)動信號經(jīng)過高壓三極管驅(qū)動板傳輸給高壓三極管，使得此時加載在靜電噴射噴頭上形成一個較低的電壓，無法形成錐形從而出現(xiàn)斷線。當(dāng)移動平臺控制器的圖形輸入界面所需要畫的圖形為實線時，移動平臺控制器輸出高電平，此通過通斷模式控制電路板的控制將高電平轉(zhuǎn)換為低電平產(chǎn)生PWM波的驅(qū)動信號經(jīng)過高壓三極管驅(qū)動板傳輸給高壓三極管，使得此時加載在噴頭上一個較高的電壓，形成錐形從而出現(xiàn)實線。采用本實用新型后可以容易地實現(xiàn)各種圖形的噴印，由于其通斷快速的特點，實際所畫圖形與設(shè)定的圖形間誤差可以忽略不計。圖5為一個含有通斷線的圖形可以通過聯(lián)動模式畫出的實際圖形。
【主權(quán)項】
1.一種自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)，其特征在于: 包括移動平臺及平臺上的噴射基底(I)、電荷產(chǎn)生和注入裝置(2)、分壓及電路保護(hù)電阻(3)、液體存儲和輸送裝置(4)、靜電噴射噴頭(5)、高壓三極管(6)、高壓三極管驅(qū)動板(7)、分壓電阻(8)、通斷模式控制電路板(9)、上位機(jī)控制器(10)，移動平臺控制器(11); 移動平臺控制器(11)的輸出端與移動平臺及平臺上的噴射基底(I)的信號輸入端相連提供移動控制信號；電荷產(chǎn)生和注入裝置(2)的接地端與移動平臺及平臺上的噴射基底(I)相連；電荷產(chǎn)生和注入裝置(2)的另一端與分壓及電路保護(hù)電阻(3)的第一端相連;分壓及電路保護(hù)電阻的第二端連接到高壓三極管(6)的集電極以及靜電噴射噴頭(5);高壓三極管(6)的發(fā)射極與分壓電阻(8)的第一端相連;分壓電阻的第二端連接到電荷產(chǎn)生和注入裝置(2)的接地端以及移動平臺及平臺上的噴射基底(I)的接地端;高壓三極管(6)的柵極和發(fā)射極與高壓三極管驅(qū)動板(7)的輸入端相連接;高壓三極管驅(qū)動板(7)的光纖輸入端與通斷模式控制電路板(9)的光纖輸出端相連;通斷模式控制電路板(9)的輸入端通過串口與上位機(jī)控制器(10)的輸出端連接；同時移動平臺控制器(11)的輸出端與通斷模式控制電路板(9)的輸入端相連提供聯(lián)動模式所需信號;液體存儲和輸送裝置(4)給靜電噴射噴頭(5)提供所需要噴射的液體； 通斷模式控制電路板(9)包含一個單片機(jī)，一個232串口，一個穩(wěn)壓電路、一個放大電路和一個電壓讀取接口； 232串口與上位機(jī)控制器(10)的串口相連，單片機(jī)1 口連接一個穩(wěn)壓電路連接到一個放大電路用并通過光纖接口與高壓三極管驅(qū)動板(7)的光纖接口相連，一個電壓讀取接口的一端與移動平臺控制器(11)的電壓輸出接口相連，另一端與單片機(jī)的1相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動化控制靜電噴射快速通斷系統(tǒng)，其特征在于: 上述液體存儲和輸送裝置(4)和靜電噴射噴頭(5)之間還設(shè)置有液體流量控制裝置或液體輸送開關(guān)(12)。
【文檔編號】B05B12/00GK205599368SQ201620225371
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】張皓洋, 顧文華, 陳雪
【申請人】南京久達(dá)光電科技有限公司