柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法及装置与流程
本发明涉及柔性传感器薄膜的制备技术领域，尤其涉及一种柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法及装置。
背景技术：
近年来，纳米电子设备的开发步伐变得越来越迅速，并且这些发展需要新型的制造技术，例如喷墨打印、丝网印刷、刮涂等多印刷技术，可以满足广泛电子设备的制造问题，已应用于各种印刷电子产品，例如柔性传感器、薄膜晶体管(tft)，太阳能电池等。印刷技术在用于电子产品的制造时可能具有许多优势，例如工艺简单，制造迅速，废料少，可高效快速大面积的加工各种电子设备，与传统硅基电子设备制造过程相比具有很大的优势。
金属前驱体油墨由于其优异的导电性和成熟的商业油墨配方，在印刷油墨中占有重要的地位。常用的金属包括金(au)，银(ag),铜(cu)。这些金属前驱体油墨包括：金属有机化合物、金属盐类和金属纳米颗粒。除了少数金属前驱体油墨可以在特定环境下进行自发烧结外，大部分金属前驱体油墨在印刷到基底材料上后都需要经历固化和烧结阶段，通过高温或其它方法将油墨中的有机溶剂去除掉且形成致密的金属连接层，才能显现出优异的导电性能。
但在墨水的固化和烧结过程中，随着墨滴中的溶剂不断蒸发，墨滴与基底表面的接触线会产生毛细管流动，从而将非挥发性溶质(金属纳米粒子)传输到接触线的位置沉积，形成环状残留物，这种现象称为咖啡环效应。咖啡环通常被认为是喷墨打印中的一种缺陷，因为它意味着油墨材料的不均匀沉积，印刷图案的分辨率差，轻者影响电子设备的导电性能，甚者会导致电子设备功能无法正常使用。因此，如何对该过程中咖啡环效应的生成进行抑制，保证高质量的固化烧结质量，为后续的电子设备制造和高质量性能提供保证，成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法及装置，用以满足现有技术中的需求。
本发明实施例提供一种柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，包括：根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及以及生成咖啡环的等级；根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，以改油墨在固化过程中所受的合力方向，达到抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动的目的。
根据本发明一个实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，所述咖啡环的不同等级，根据咖啡环的宽度或溶质团聚状态确定。
根据本发明一个实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，若无咖啡环生成且无溶质团聚，则通过调节电场力来抑制咖啡环的生成。
根据本发明一个实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，若咖啡环宽度小于预设的成形阈值，或者有溶质团聚而无咖啡环生成，则采用调节电场力和斜面倾角抑制咖啡环的生成。
根据本发明一个实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，若咖啡环宽度大于预设的成形阈值，或者有溶质团聚且有咖啡环生成，则采用调节电场力、斜面倾角和温度调节抑制咖啡环的生成。
根据本发明一个实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，所述确定电场的强度和斜面倾角，包括：确定电场强度和斜面倾角，使金属纳米粒子的电场力、流体力和重力三者平衡；其中，所述电场力根据电场强度确定；金属纳米粒子的流体力，根据毛细流动力和马拉哥尼流动力确定；所述毛细流动力根据油墨表面张力、油墨与基底表面接触角、油墨液滴平均半径确定。
本发明实施例还提供一种柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置，包括：图像分析模块，用于根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级；控制模块，用于根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，以改油墨在固化过程中所受的合力方向，达到抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动的目的。
本发明实施例还提供一种柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制系统，包括：电场发生装置、图像采集装置、电控固化加热台、斜面调节装置和上述柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置；所述电场发生装置包括左右极板，所述左右极板垂直于所述斜面调节装置；所述电场发生装置，根据柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置的控制信号，调节电场大小；所述图像采集装置用于获取金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，并发送给所述控制装置；所述斜面调节装置，根据柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置的控制信号，调节固化平台的斜面倾角。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法的步骤。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法的步骤。
本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法及装置，在液滴固化烧结过程中使用电场调节及斜面调节，改变墨滴中金属粒子的受力方向和大小，使液滴受力方向垂直于电控固化加热台，根据图像的实时反馈，进行多策略控制，修正电场强度及斜面倾角，以获取最佳的电场强度和斜面倾角，从而实现液滴的均匀沉积，抑制咖啡环效应，最终制出高质量的喷墨打印图案。该方法操作简便，设备简单，适用性广，可以应用在机械电子纳米制造(印刷或涂膜)、样品处理和自组装等场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的电场下金属油墨纳米粒子的理论受力分析图；
图3是本发明另一实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法的流程示意图；
图4是本发明实施例中咖啡环效应的优化前后对比图；
图5是本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制系统的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图7描述本发明实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法及装置。图1是本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，包括：
101、根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级。
固化烧结的薄膜主成分为金属纳米粒子油墨(包括但不局限于金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子)，粒子直径小于0.22μm，油墨表面能在26-40dynes/cm范围内，油墨粘度在2-20cps范围内。
可设置自动检测装置安装在电控固化加热台上方，自动检测装置可包括图像采集单元(光源、ccd相机)、图像处理单元、图像分析单元。图像采集单元安装在电控固化加热台上方，对固化烧结的结构或图案进行拍摄，再将图片传输到图像处理单元进行图像分割等处理，最后通过图像分析单元将所采集的图像与典型咖啡环结构进行对比分析，根据分析对比结果，判别是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级，并将结果传输至控制模块。咖啡环的不同等级包括咖啡环的宽度及溶质团聚情况。
102、根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，改变液滴在固化过程中所受的合力方向，以抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动。
固化平台设置在电场环境下，通过施加电场，可控制金属纳米油墨的电场力，而斜面倾角可控制金属纳米油墨的流动力。通过控制模块根据不同的咖啡环状态，分析选择最佳的电源激励电压和斜面倾角，当然还可包括通过调节固化烧结温度，来进行对应的控制。
具体步骤可以为：在102前，将金属纳米油墨进行超声波震荡10-20分钟，防止油墨中粒子发生沉积或团聚现象。待金属纳米油墨预处理完成后静置30分钟，然后测定金属纳米油墨的粘度、密度、表面张力等属性数值。利用喷墨打印机(包括但不局限于热泡式喷墨打印、电压式喷墨打印机)将金属纳米油墨均匀的沉积在基底材料上(包括但不局限于纸张、pen、pet、玻璃、皮革等)。
在102控制和调节时，计算出合适的电场激励电压大小和斜面角度，然后设置激励电压大小和调整斜面角度。将打印后未固化烧结的柔性传感器薄膜置于斜面和电场中，打开激励电压源，开始固化10-30分钟。
本发明实施例的方法，在液滴固化烧结过程中使用电场调节及斜面调节，改变墨滴中金属粒子的受力方向和大小，使液滴受力方向垂直于电控固化加热台，根据图像的实时反馈，进行多策略控制，修正电场强度及斜面倾角，以获取最佳的电场强度和斜面倾角，从而实现液滴的均匀沉积，抑制咖啡环效应，最终制出高质量的喷墨打印图案。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述咖啡环的不同等级，根据咖啡环的宽度或溶质团聚状态确定。具体实施方案时，可根据咖啡环的不同状态，分不同场景，采取对应的控制策略。不同状态根据咖啡环的宽度或溶质团聚状态确定。溶质团聚状态包括：无溶质团聚、有溶质团聚和有明显溶质团聚。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若无咖啡环生成且无溶质团聚，则通过调节电场力来抑制咖啡环的生成。作为情景一：未出现明显咖啡环生成迹象且溶质无明显团聚发生，则仅采用电场辅助固化来抑制咖啡环的生成。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若咖啡环宽度小于预设的成形阈值，或者有溶质团聚无咖啡环生成，则采用调节电场力和斜面倾角抑制咖啡环的生成。例如，预设的成形阈值可设置为0.2mm。作为情景二：当咖啡环宽度小于0.2mm或者溶质团聚明显但尚无明显咖啡环生成的迹象，则采用电场结合斜面调整的控制策略。情景二表示有咖啡环生成现象，但咖啡环生成现象不明显，采用增大电源激励电压与斜面倾角的方法，对咖啡环的生成做进一步的抑制。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若咖啡环宽度大于预设的成形阈值，或者有溶质团聚且有咖啡环生成，则采用调节电场力、斜面倾角和温度调节抑制咖啡环的生成。作为情景三：咖啡环宽度超过0.2mm或者溶质团聚明显且有明显咖啡环生成的迹象，则采用电场、斜面和固化烧结温度调整的控制策略。
情景三表示咖啡环生产现象明显，需要增大电源激励电压，以增加电场力来平衡沿斜面方向的导致咖啡环效应的流体力。相应地，在增大了电场力后，为了保持金属纳米粒子沿斜面方向的力平衡，需要相应地增大斜面倾角。固化烧结温度增高会增大毛细流的速率，使金属纳米粒子的向液滴与基底表面的固液接触线外围进行加速流动聚集，因此咖啡环效应明显时，还可包括合理降低固化温度(低于室温条件)的方式进行固化调节。
进一步地，若检测到无法判别咖啡环宽度或无法判断溶质团聚状态，则采用调节电场力、斜面倾角和温度调节抑制咖啡环的生成。
在具体实施过程中，若检测设备出现无法判别咖啡宽度，或无法对团聚状态进行分类时，调节系统设置为自动按照第三类控制策略进行执行，最大程度上避免咖啡效应的出现。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述确定电场的强度和斜面倾角，包括：确定电场强度和斜面倾角，使金属纳米粒子的电场力、流体力和重力三者平衡；其中，所述电场力根据电场强度确定；金属纳米粒子的流体力，根据毛细流动力和马拉哥尼流动力确定；所述毛细流动力根据油墨表面张力、油墨与基底表面接触角、油墨液滴平均半径确定。
图2是本发明实施例提供的电场下金属油墨纳米粒子的理论受力分析图，如图2所示，具体的固化调节可参见下述公式：
f电δ±f流ω＝f重sinα
其中，δ∈(0，1)电场力修正系数；ω∈(0，1)流体力修正系数；α斜面倾斜角，α范围可为0-10°，这些参数可根据实验方式或其它方法得到。f电为金属纳米粒子电场力，f流为金属纳米粒子流动力，f重为金属纳米粒子的重力，α为垂直方向的角度。
具体计算过程如下：
其中，qe为库仑力(q空间电荷密度；
其中，fθ为金属纳米粒子所受到的毛细流动力；fφ为金属纳米粒子所受到的马拉哥尼流动力；σ:油墨表面张力；θ:墨滴与基底表面接触角；r:油墨液滴平均半径；
f重＝ρvg
其中，ρ:油墨密度；v：油墨液滴平均体积，v∈(30,60)pl；g:重力加速度。
图3是本发明另一实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法的流程示意图，具体流程参见上述实施例和图3。图4是本发明实施例中咖啡环效应的优化前后对比图，图中对比显示了不同控制策略下，咖啡环的数量和咖啡环的大小的情况，具体可结合上述实施例参照。
下面对本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置进行描述，下文描述的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置与上文描述的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法可相互对应参照。
图5是本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置的结构示意图，如图5所示，该柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置包括：图像分析模块501和控制模块502。其中，图像分析模块501用于根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级；控制模块502用于根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，以改油墨在固化过程中所受的合力方向，达到抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动的目的。
本发明实施例提供的装置实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置，在液滴固化烧结过程中使用电场调节及斜面调节，改变墨滴中金属粒子的受力方向和大小，使液滴受力方向垂直于电控固化加热台，根据图像的实时反馈，进行多策略控制，修正电场强度及斜面倾角，以获取最佳的电场强度和斜面倾角，从而实现液滴的均匀沉积，抑制咖啡环效应，最终制出高质量的喷墨打印图案。
下面对本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制系统进行描述，下文描述的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制系统与上文描述的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法可相互对应参照。
图6是本发明实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制系统的结构示意图，如图6所示，该系统包括：电场发生装置、图像采集装置、电控固化加热台、斜面调节装置和上述实施例的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置；所述电场发生装置包括左右极板，所述左右极板垂直于所述斜面调节装置；所述电场发生装置，根据柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置的控制信号，调节电场大小；所述图像采集装置用于获取金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，并发送给所述控制装置；所述斜面调节装置，根据柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制装置的控制信号，调节固化平台的斜面倾角。
电场发生装置中的左右极板垂直于电控固化加热台放置，由电源激励电压供电，产生作用于金属液滴的电场力，改变液滴的受力大小及方向。图像采集装置(具体为ccd自动检测相机)安装在电控固化加热台上方，用以实时对液滴固化烧结过程进行监测，并将监测结果传输至控制模块，控制模块中的知识库进行理论计算，根据三种场景，采取不同的控制策略，自动或手动对电场激励电压、斜面倾角、固化烧结温度进行调节，以抑制咖啡环现象的产生。电控固化加热台叠放在斜面调节装置上，倾斜调度与斜面调节装置一致。斜面调节面用于调节斜面倾斜角度，改变金属液滴所受的合力方向。
电场发生装置由电源电压供电，通过左右极板产生稳定的大小可控的电场，将金属纳米油墨制成的柔性传感器结构或图案置于电控固化加热台上。通过改变电源激励电压的大小，使向外围流动的金属纳米粒子受到平行于电控固化台的一定大小的电场力，再结合液滴自重，调整斜面的角度，改变粒子受力的合力方向，从而使金属纳米粒子均匀沉积，避免在固化过程中产生咖啡环，形成均匀沉积薄膜。左右极板的宽度可以为结构或图案宽度的四倍，斜面固化台置于极板中间1/4～3/4位置。
在电场下固化喷墨打印柔性传感器薄膜中用于产生电场的极板材料包括但不局限于：ito导电玻璃、铜极板等。
电控固化加热台用于控制基底温度。对需要固化烧结的图案或结构进行加热，去除油膜中的有机溶剂，形成致密的金属连接层，确保电子设备的优异的导电性。在固化烧结的过程中，基底温度对毛细流的速率影响较大，同时温度会影响液滴中不溶性颗粒的扩散速率，这都将显著地影响咖啡环的形成，因此加热温度的选择需要根据不同的图案或结构进行调整。
图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)701、通信接口(communicationsinterface)702、存储器(memory)703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储器703中的逻辑指令，以执行柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，该方法包括：根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级；根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，以改油墨在固化过程中所受的合力方向，达到抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动的目的。
此外，上述的存储器703中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，该方法包括：根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级；根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，以改油墨在固化过程中所受的合力方向，达到抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动的目的。
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的柔性传感器制备过程中抑制咖啡环的控制方法，该方法包括：根据金属纳米油墨固化烧结过程中的图像信息，判断是否有咖啡环以及生成咖啡环的等级；根据咖啡环的不同等级，确定固化电场的强度和/或固化平台的斜面倾角并进行调节，以改油墨在固化过程中所受的合力方向，达到抑制油墨中的金属纳米粒子向液滴外围流动的目的。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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