[发明专利]电纺直写闭环控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电纺直写设备，尤其是涉及一种基于电流反馈的电纺直写闭环控制系统及控制方法。

背景技术

随着柔性电子、聚合物微纳系统的应用发展，聚合物微纳结构的精确控制制造已经成为微纳米技术研究的热点问题。目前，大面积、低成本、快速制造已经成为了聚合物微纳器件系统发展的重要趋势，也是聚合物微纳器件系统获得推广应用的关键。基于曝光、刻蚀等工艺的传统制造技术因高昂的制造成本和苛刻的环境要求无法满足聚合物微纳器件系统的发展需求。

喷墨打印无需模版、速度快、成本低，是适用于聚合物微纳器件系统的最佳制造技术之一。传统热、压电、静电喷印技术喷印的最小液滴体积约10pl、最小线宽50μm、定位误差20μm，应用于批量化制造时普遍存在加工精度低、一致性差、重复性低等问题，仅能满足一般文字图像的喷印要求，无法适应聚合物微纳器件系统的高精密发展。电纺直写技术作为一种新兴的喷印技术，具有线宽小、精度高、速度快等优点，被认为是柔性电子、聚合物微纳器件系统最具潜力的喷印制造技术之一。

电纺直写技术是利用静电场力拉伸黏弹性流体变形，使其产生射流进行喷印，喷印射流来自Taylor锥尖，射流直径对喷头内径依赖性小，可有效地减小喷印微纳米结构的特征尺寸。电纺丝直写技术通过减小喷头至收集板距离(0.1～5mm)，克服了传统纺丝过程中射流的分叉、螺旋不稳定运动行为和多射流喷印，利用单射流进行微纳米结构的沉积控制。电纺直写具有射流直径小、运动速度快、电学信号微弱等特点，受到空间电场、电荷密度、电荷迁移等多方面因素的影响，喷印过程存在较大的随机性。静电纺丝电液耦合过程数学物理模型复杂，没有明确的数学控制模型，不宜于采用PID等传统控制方法。目前，电纺直写技术暂没有建立合适的控制主要依据经验进行电纺直写过程参数的调节，缺乏合适的控制策略，限制了电纺直写微纳结构均匀性和直写微纳米结构尺寸可控性的进一步提高，这已经成为了电纺直写技术推广应用的瓶颈。

静电纺丝是利用静电场力拉伸黏弹性流体使其产生射流进行喷射、拉伸细化。电荷迁移是带电射流喷射行为的一个重要反映，由此产生的纺丝电流也成为了纺丝射流喷射状态的监测参量。相比于传统静电纺丝，电纺直写利用单纺丝射流进行聚合物微纳米结构的直写制备，纺丝电流单射流喷射与电荷迁移行为的直接反映，是电纺射流直径变化最重要的可测电学参量。因此，纺丝电流对电纺直写微纳米结构尺寸的变化也有着很好的监测作用。基于纺丝电流反馈，设计高响应速度、高稳定性单射流喷印闭环控制算法和控制器(抗干扰调整时间小于1s、电流波动幅值小于20％)，建立电纺直写闭环控制系统已经成为大幅度提高电纺直写控制水平的有效技术途径。

本申请人在中国专利CN102162175A中公开一种可实现单根均匀微/纳米结构长时间可控制备和精确定位的激光引导电纺直写装置。设有控制器、高压继电器、静电高压电源、空心喷头、准直聚焦透镜组、光纤、密封调节件、激光器、供液泵、供液管、收集板和运动平台。控制器接高压继电器，高压继电器各端分别接静电高压电源、收集板及设于空心喷头前端的导体喷嘴，密封调节件与空心喷头后端密封连接，光纤穿过密封调节件中心且与密封调节件固连，准直聚焦透镜组设于光纤前端，光纤后端露出空心喷头且与激光器连接，供液泵通过供液管与空心喷头连通，收集板固于运动平台上且面对空心喷头。激光约束了纺丝射流的无序运动并引导纺丝射流沉积于收集板激光斑点处。

本申请人在中国专利CN102019240A中公开一种可自动起停控制、降低喷射开启电压、实现喷射与直写图案特征有机结合、完成复杂图案微纳米结构直写的可起停控制的电纺直写喷头。设带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、回位弹簧、探针、排气管道；带喷头空心套管前端设有喷孔和注入孔，带螺纹调节塞设于带喷头空心套管后端，线圈套在带喷头空心套管外侧，衔铁设于带喷头空心套管内，探针与衔铁固连，探针前端位于带喷头空心套管前端的喷孔中，探针后端与回位弹簧一端固连，回位弹簧另一端与带螺纹调节塞内端固连，排气管道设于带螺纹调节塞上，排气管道内端与带喷头空心套管内腔相通，排气管道外端与外界相通。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现电纺直写纳米纤维直径的可控调节，提高纺丝射流喷射稳定性和纳米纤维直径均匀性的电纺直写闭环控制系统及控制方法。