一種組裝帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種組裝帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置，該裝置包括簧片扭擺、信號檢測電路、上靜電反饋裝置、下靜電反饋裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及對流自組裝電控裝置；簧片扭擺包括簧片、連接桿、檢驗質(zhì)量和檢驗質(zhì)量；信號檢測電路包括差分電容、微位移傳感器、PID控制器；對流自組裝電控裝置包括安裝架、用于盛有待組裝溶液的容器和電控位移臺。本發(fā)明裝置采用簧片扭擺對溶液的基元在自組裝過程中溶液與基底接觸面即氣液面的表面張力的演化進行原位測量，并通過電信號把測量結(jié)果及時反饋到對流自組裝電控裝置，通過調(diào)控電控位移臺豎直移動容器的速度，從而可以實現(xiàn)在材料基底上大面積、小間隙帶狀陣列的制備。
【專利說明】一種組裝帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物理學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域，具體涉及一種組裝大面積、小間隙帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置，該裝置可以實時控制微米顆粒、納米顆粒和分子自組裝的過程。
【背景技術(shù)】
[0002]自組裝(Self-assembly)是指基本結(jié)構(gòu)單元(分子，納米材料，微米或更大尺度的物質(zhì))自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。運用自組裝方法可以制備微米顆粒薄膜、納米顆粒薄膜和分子薄膜，是研究新型人工結(jié)構(gòu)和制備新型器件的第一步。微米顆粒薄膜能夠用作光子晶體和激光器，為在微米尺度上操控光子提供了低廉而可靠的制備方法；納米顆粒薄膜在分子探測器、阻變存儲器、微型光電探測器、高分辨率平板顯示器等方面有廣泛應(yīng)用。分子薄膜可以用于人工合成新藥、疾病診斷、分子尺度的微電子器件和光學(xué)器件等。
[0003]目前普遍采用的自組裝設(shè)備大多數(shù)基于LB (Langmuir-Blodgett)膜技術(shù)、旋涂法(Spin coating)、蒸發(fā)溶劑法等。這些方法都能組裝大面積的薄膜,但是在微觀上這些薄膜都是連續(xù)，并不能直接用于制作器件。而運用對流組裝技術(shù)能夠制備大面積的帶狀顆粒陣列或分子陣列，其基本原理如圖1所示，F(xiàn)表示為表面張力，V表示為基底水平移動的速度，F(xiàn)v表不為表面張力在垂直方向的分量,Fh表不為表面張力在水平方向的分量。在接觸線(氣-液-基底交匯的三相線)附近的溶劑自然蒸發(fā)驅(qū)動溶液中基元向接觸線流動，同時外力迫使接觸線向?qū)α鞯姆捶较蛞苿?。在基底向上移動的同時，氣-液界面的形狀會發(fā)生改變，如果結(jié)構(gòu)單元的對流速率與接觸線的移動速率匹配時能得到平行系列的帶狀結(jié)構(gòu)。當氣-液界面變成彎月形時，若其和基底接觸(如圖1 (c)所示)，液面會自發(fā)斷開而形成新的三相接觸線，于是下一條帶狀結(jié)構(gòu)開始形成。很顯然帶狀結(jié)構(gòu)的間隙受液面形狀制約。通常帶狀結(jié)構(gòu)的間隙約為50微米左右。從圖1可以看出:隨著氣-液界面幾何形狀的變化，表面張力在垂直和水平方向的分量發(fā)生變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種組裝帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置，該裝置可以實時控制微米顆粒、納米顆粒和分子自組裝的過程。
[0005]本發(fā)明提供的一種組裝帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置，包括簧片扭擺、信號檢測電路、上靜電反饋裝置、下靜電反饋裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及對流自組裝電控裝置；
[0006]簧片扭擺包括簧片、連接桿、檢驗質(zhì)量和檢驗質(zhì)量；簧片的下端與連接桿相連，連接桿的兩端分別與檢驗質(zhì)量和檢驗質(zhì)量連接；
[0007]信號檢測電路包括差分電容、微位移傳感器、PID控制器；差分電容由位于檢驗質(zhì)量的上、下方的上電容極板和下電容極板構(gòu)成，微位移傳感器用于采集電容極上電容極板和下電容極板的微位移，其輸出端通過PID控制器分別與上靜電反饋裝置及下靜電反饋裝置連接，上靜電反饋裝置與上電容極板電信號連接，下靜電反饋裝置與下電容極板電信號連接；[0008]對流自組裝電控裝置包括安裝架、用于盛有待組裝溶液的容器和電控位移臺；容器放置于電控位移臺上，電控位移臺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電信號連接，安裝架安裝在檢驗質(zhì)量下端，用于安裝材料基底。
[0009]正是基于【背景技術(shù)】提到的現(xiàn)象:隨著氣-液界面幾何形狀的變化，表面張力在垂直和水平方向的分量發(fā)生變化。本發(fā)明提出了一種對流組裝裝置。該裝置能夠在對流組裝過程中測量表面張力在垂直方向上的分量，再對所測結(jié)果進行分析并且實時反饋到位移控制系統(tǒng)(調(diào)節(jié)基底向上移動的速度)，于是可以迫使接觸線移動，制備小間隙的帶狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明裝置采用簧片扭擺對溶液的基元在自組裝過程中溶液與基底接觸面即氣液面的表面張力的演化進行原位測量，并通過電信號把測量結(jié)果及時反饋到對流自組裝電控裝置，通過調(diào)控電控位移臺豎直移動容器的速度，從而可以實現(xiàn)在材料基底上大面積、小間隙帶狀陣列的制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是組裝一條帶狀結(jié)構(gòu)的微觀過程示意圖，其中(a)為納米顆粒剛剛開始組裝的階段；(b)為一段時間后納米帶形成的階段；(c)為下一條納米帶剛要開始組裝的階段，其中，I為氣-液界面，2為納米顆粒，3為基底，4為氣-液-基底交匯的三相線(基底與氣-液界面的交匯線)；
[0011]圖2是組裝大面積、小間隙帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置，圖中各部件的名稱:5.簧片，61、62.電容極板，7.控制質(zhì)量，8.微位移傳感器，91、92.靜電反饋裝置，10.PID控制器，
11.控制質(zhì)量，12.材料基底，13.連接桿，14.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，15.電控位移臺，16.盛有待自組裝溶液的容器。
【具體實施方式】
[0012]在圖1所示的對流組裝過程中，三相線(即基底3與氣-液界面I的交匯線4)附近的溶劑揮發(fā)導(dǎo)致納米顆粒2對流。圖中示意說明單根條帶的形成過程，在自組裝的過程中，氣-液界面I的形狀發(fā)生變化，于是表面張力在垂直方向上的分量會發(fā)生變化。
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0014]如圖2所示，本發(fā)明裝置包括簧片扭擺、信號檢測電路、靜電反饋裝置91、92、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14、以及對流自組裝電控裝置。
[0015]簧片扭擺包括簧片5、連接桿13、檢驗質(zhì)量7和檢驗質(zhì)量11?；善?的下端與連接桿13連接，連接桿13的兩端分別與檢驗質(zhì)量7和檢驗質(zhì)量11連接。(注意簧片扭擺最初的平衡狀態(tài)應(yīng)該是在安裝架12上固定好材料基底后調(diào)節(jié)使達到平衡狀態(tài))
[0016]信號檢測電路包括差分電容、微位移傳感器8、PID控制器10。差分電容由位于檢驗質(zhì)量7的上下方的上、下電容極板6構(gòu)成,微位移傳感器8用于米集電容極板61、62的微位移，其輸出端通過PID控制器10分別與上、下靜電反饋裝置91、92連接，上靜電反饋裝置91與上電容極板61電信號連接，下靜電反饋裝置92與下電容極板62電信號連接。上、下靜電反饋裝置91、92通過對表面張力的變化產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)化為兩個電壓加到差分電容的上下電容極板61、62上。
[0017]對流自組裝電控裝置包括安裝架12、用于盛有待組裝溶液的容器16、電控位移臺15。容器16放置于電控位移臺15上，電控位移臺15與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14電信號連接，安裝架12安裝在檢驗質(zhì)量11下端，用于安裝材料基底。
[0018]待組裝的基元分散在容器16的待組裝溶液里。基元在溶液內(nèi)的微小位移通過電控位移臺15來實現(xiàn)?；善?、連接桿、兩個控制質(zhì)量構(gòu)成簧片扭擺，其中通過增加電容極板對控制質(zhì)量進行電容位移檢測和靜電反饋控制，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的反饋電壓數(shù)據(jù)可以衡量作用在檢驗質(zhì)量上的材料基底引起的表面張力的變化。
[0019]本發(fā)明裝置的工作過程:
[0020]在對流自組裝電控裝置工作過程中，電控位移臺控制容器16下移，容器里面盛的待組裝溶液相對于安裝在材料基底會有相對位置的變化，即會產(chǎn)生表面張力(非常小，可以看作弱力)。
[0021]由于表面張力的存在，檢驗質(zhì)量11和檢驗質(zhì)量7會偏離其初始的平衡位置，造成檢驗質(zhì)量7和兩電容極板6間電容的變化，通過差分電容微位移傳感器8后，再經(jīng)過PID控制器10，利用一個通道對電容極板61、62施加相應(yīng)的反饋電壓，即通過靜電反饋裝置91、92輸出的兩個電壓加到差分電容的兩個極板上，通過靜電反饋力使檢驗質(zhì)量達到新的平衡位置，同時用另一個通道將得到的電壓信號輸送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14。
[0022]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14能夠?qū)⒌玫降碾妷耗M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并反饋到電控位移臺15，根據(jù)需要實時調(diào)整接觸線的移動速度(實際上是儲存容器16中溶液的移動速度)，這樣可以通過改變移動速度來迫使接觸線改變位置，從而能夠在接觸線處組裝帶狀結(jié)構(gòu)。于是可以通過改變移動速度來調(diào)節(jié)堆垛層數(shù)和帶狀結(jié)構(gòu)的間距。
[0023]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種組裝帶狀陣列的閉環(huán)控制裝置，包括簧片扭擺、信號檢測電路、上靜電反饋裝置、下靜電反饋裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及對流自組裝電控裝置； 簧片扭擺包括簧片、連接桿、檢驗質(zhì)量和檢驗質(zhì)量；簧片的下端與連接桿相連，連接桿的兩端分別與檢驗質(zhì)量和檢驗質(zhì)量連接； 信號檢測電路包括差分電容、微位移傳感器、PID控制器；差分電容由位于檢驗質(zhì)量的上、下方的上電容極板和下電容極板構(gòu)成，微位移傳感器用于采集電容極上電容極板和下電容極板的微位移，其輸出端通過PID控制器分別與上靜電反饋裝置及下靜電反饋裝置連接，上靜電反饋裝置與上電容極板電信號連接，下靜電反饋裝置與下電容極板電信號連接; 對流自組裝電控裝置包括安裝架、用于盛有待組裝溶液的容器和電控位移臺；容器放置于電控位移臺上，電控位移臺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電信號連接，安裝架安裝在檢驗質(zhì)量下端，用于安裝材料基底。
【文檔編號】B82B3/00GK103613063SQ201210523890
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月7日
【發(fā)明者】錢立華, 周澤兵, 白彥崢, 劉力 申請人:華中科技大學(xué)