本发明属于电流体动力喷印相关技术领域，更具体地，涉及一种阵列化电流体喷射图案化诱导方法及系统。
背景技术：
电流体动力喷印不同于传统喷墨打印，是通过喷嘴与基板间的高压电场与溶液的表面张力共同作用形成泰勒锥进行喷射，可以实现高精度与高粘度适应范围的图案化打印，凭借这一显著优点，其在柔性显示、柔性传感器、印刷电路等诸多领域都有所应用。然而，在高压电场的作用下，打印出的射流或液滴均带有一定电荷，带电液体在电场中容易受电场力作用出现轨迹偏移的现象，这一现象在阵列化打印中尤为严重，这直接影响了液滴的沉积控制精度，并进一步影响其图案化质量。
现有技术针对以上出现的轨迹偏移现象，一般通过在基板上设计亲疏水结构的方法使沉积位置偏移的液滴向亲水的目标区域靠近，或者采用气流辅助的方法对液滴飞行轨迹进行引导。但是，以上方案仍存在明显的问题：第一，亲疏水的设计只能稍微扩大可沉积区域，仍受限于图案排列密度和液滴本身的亲水性；第二，气流的引导只能提供一个大致的诱导方向，精度较低，而且在阵列化打印时气流容易出现相互干扰引起额外的误差。
技术实现要素：
针对电流体喷印现存的问题以及目前现有技术的缺陷，本发明提供了一种电流体喷射图案化诱导系统与方法，在液滴飞行轨迹周围形成轨迹诱导电场，并采用视觉反馈控制精确诱导液滴向目标沉积位置飞行，与现有轨迹调控方式相比，本发明具有更广的适用范围和更高沉积控制精度，可以实现高精度的电流体喷射图案化打印。
为实现本发明技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种电流体喷射图案化诱导方法，该方法具体为：
在喷嘴处施加喷射诱导电场，以诱导喷嘴喷射液滴；对喷射出去的液滴施加轨迹诱导电场，以调控液滴的飞行速度；实时采集液滴飞行图像并定位液滴，计算定位得到的液滴飞行速度与目标飞行速度之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电场，以诱导液滴向目标沉积位置飞行。
进一步地，还采集液滴沉积图像并定位液滴，计算定位得到的液滴沉积位置与目标沉积位置之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电场，以诱导液滴沉积于目标沉积位置；或/和还采集喷嘴喷射图像并提取液滴直径，计算液滴直径与目标液滴体积之间的误差，依据该误差调控所述喷射诱导电场。
进一步地，对液滴施加轨迹诱导电场的同时屏蔽喷射诱导电场。
一种电流体喷射图案化诱导系统，包括喷嘴、喷射诱导机构、轨迹诱导机构和轨迹观测视觉组；所述喷射诱导机构用于在喷嘴处形成喷射诱导电场，以诱导喷嘴喷射液滴；所述轨迹诱导机构用于对喷射出去的液滴施加轨迹诱导电场，以调控液滴的飞行速度；所述轨迹观测视觉组，用于实时采集液滴沉积图像并定位液滴，计算定位得到的液滴沉积位置与目标沉积位置之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电场，以诱导液滴向目标沉积位置飞行。
进一步地，还包括沉积观测视觉组，用于实时采集液滴沉积图像并定位液滴，计算定位得到的液滴沉积位置与目标沉积位置之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电压信号，以诱导液滴沉积于目标沉积位置；或/和还包括喷射观测视觉组，用于采集喷嘴喷射图像并提取液滴直径，计算液滴直径与目标液滴体积之间的误差，依据该误差调控所述喷射诱导电场。
进一步地，所述轨迹诱导单元包括环状电极和轨迹诱导控制单元；所述轨迹诱导控制单元用于输出轨迹诱导电压信号；所述环状电极用于在轨迹诱导电压信号作用下产生轨迹诱导电场，所述环状电极为一个环形电极或由多个周向均匀分布的电极组成。
进一步地，所述轨迹诱导电场单元还包括设置在所述环状电极下方的接地电极，用于将轨迹诱导电场限制在所述环状电极和接地电极之间。
进一步地，所述喷射诱导机构包括双电极环和喷射诱导控制单元；所述喷射诱导控制单元用于输出喷射诱导电压信号；所述双电极环包括上电极环和下电极环，所述上电极环用于接收喷射诱导电压信号并形成喷射诱导电场，所述下电极环接地与所述上电极形成电势差，并屏蔽所述喷射诱导电场以避免对所述轨迹诱导电场产生干扰。
一种电流体阵列喷射图案化诱导系统，包括喷嘴阵列以及为每一个喷嘴设置的电流体喷射图案化诱导系统。
进一步地，还包括设置在每一喷嘴处并环绕所述喷射诱导机构的喷射诱导隔离板，用于屏蔽相邻喷嘴之间的喷射诱导电场；和/或还包括设置在每一喷嘴下方并环绕所述轨迹诱导机构的轨迹诱导隔离板，用于屏蔽相邻喷嘴之间的轨迹诱导电场。
总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
本发明紧密围绕电流体喷射打印中带电液滴轨迹控制这一核心问题，提出了一种基于静电场引导的轨迹诱导方法及系统，在液滴飞行轨迹周围形成诱导电场，利用观测视觉组实时获取包含液滴飞行过程中的位置及速度的图像信息并进行分析处理，将分析结果与目标值比较，对轨迹诱导电场做出相应改变，从而对因为电场扰动、气流干扰等原因偏离预定轨迹的液滴进行引导，使得其向目标沉积位置飞行。与现有轨迹调控方式相比，本发明具有更广的适用范围和更高沉积控制精度，可以实现高精度的电流体喷射图案化打印。
进一步地，本发明更优选地还采集液滴喷射直径和沉积位置，采用与轨迹反馈调控策略相同的自动化闭环反馈控制，在飞行的在线误差补偿基础上，增加喷射和沉积的在线误差补偿，进一步提高了打印精度，适用于各种打印场合，不受打印材料、基板导电性、溶液属性等因素制约，具有较高的图案化沉积控制精度。
进一步地，本发明轨迹诱导机构的实施主体可由一个环形电极或多个周向均匀分布的电极构成。作为优选，采用由多个周向均匀分布的电极，可实现多极调控，更灵活，响应更快更精准。
进一步地，由于本发明在飞行过程中引入轨迹诱导电场，其与喷射诱导电场容易产生相互干扰，因此本发明在对液滴施加轨迹诱导电场的同时屏蔽喷射诱导电场，由此解决干扰问题。在具体实现的装置上，喷射诱导机构采用双电极环，上电极环接收喷射诱导电压信号并形成喷射诱导电场，下电极环接地用于与所述上电极形成电势差，并屏蔽所述喷射诱导电场以避免对所述轨迹诱导电场产生干扰，结构简单，易于实现，屏蔽效果好。
进一步地，本发明可拓展为大规模的阵列喷射图案化打印，对于每个喷嘴均设置上述诱导系统，喷射诱导电场和轨迹诱导电场均可单独精确控制，可保证每个喷嘴打印精度，从而保障阵列化打印精度。优选地，对于阵列喷嘴，本发明在相邻喷嘴之间设置喷射诱导隔离板和轨迹诱导隔离板，分别屏蔽相邻喷嘴之间的喷射诱导电场及其对应的轨迹诱导电场，防止相互干扰，进一步降低控制难度和提高打印精度。
附图说明
图1是本发明单喷嘴电流体喷射图案化诱导系统的整体构造示意图；
图2是按照本发明优选实施方式的多边形环状电极的原理示意图；
图3是按照本发明的用于对液滴生成、飞行、沉积的全过程控制原理图；
图4是按照本发明优选实施方式的喷射波形示意图；
图5是用于示范性说明按照本发明的电流体喷射图案化诱导工艺示意图；
图6是本发明阵列化电流体喷射图案化系统的整体构造示意图；
图7是按照本发明优选实施方式的组合多边形电极网板的电路控制示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
图1示出了单喷嘴的电流体喷射图案化诱导系统较佳实施例。图1所示系统包括喷嘴1、喷射诱导机构2、视觉检测模块3和轨迹诱导机构4。
喷射诱导机构2包括双电极环21和喷射诱导控制单元23。双电极环21包括上电极环和下电极环。上电极环接电压信号用来提供打印所需的高压电场，下电极环接地用来与上电极环共同形成电势差，并将喷射诱导模块内部的高压电场屏蔽，保障轨迹诱导调控模块4的正常工作。喷射诱导控制单元23接收外部控制指令，依据指令调整上电极环所加的电压波形信号。
轨迹诱导机构4包括环状电极41和轨迹诱导控制单元43。环状电极41在所述轨迹诱导控制单元43的控制下，对应地调整电极接通状态及对应的电压波形，形成控制液滴飞行的诱导调控电场，进而牵引液滴向目标沉积位置飞行。轨迹诱导控制单元43接收外部调控信号，并控制环状电极41所加的电压波形。
环状电极41可以采用一个环状的电极，但只能单极其调控。本实施例中，环状电极41采用由n个电极形成的n边多边形(简称多边形环状电极)，本实施例中n＝4的多边形电极控制电路如图2所示。稍作说明的是，n的数量没有限制，不同边数的多边形电极控制电路图大同小异。通过轨迹诱导控制单元44传输的控制信号相应地调整多边形电极上各电极的电压波形信号，从而形成对应的诱导电场，实现液滴轨迹诱导。具体地，传输到轨迹诱控制单元的轨迹诱导控制信号为矢量形式，可以将其分解为x方向的电场信号和y方向的电场信号，分别对应调整电极对412、414和电极对411、413。以x方向电场信号控制为例，当电场信号为x正向时，则将其对应的高压接在电极414，数值为控制信号的强度，此时则可以产生对应的指向x正方向的电场，进一步引导液滴偏向x正方向飞行，反之亦然。液滴在飞行过程中不断通过反馈调节对其飞行速度进行矫正，直至液滴脱离轨迹诱导控制单元的作用范围，逐步飞向预定的沉积位置。
工作时，环状电极41可与打印图案的基板配合形成轨迹诱导电场，作为优选地，本实施例在环状电极41与基板之间增设接地电极42，将轨迹诱导电场限定在环状电极41与接地电极42之间，通过接地电极42的高度调节可限制诱导电场的影响区域，使沉积过程更加稳定。
视觉检测模块3包括喷射观测视觉组31、轨迹观测视觉组32和沉积观测视觉组33三个视觉检测模组。
本实施例中，每个模组包括两台不同角度放置的相机及其成像所需的光源、镜头、图像处理软件、控制模块。在本实施例中，三个视觉检测模组共用一个控制模块5。图3是本发明对液滴生成、飞行、沉积的全过程控制原理图。
喷射观测视觉组31用于在打印过程中观察液滴形态，根据采集到的图像信息解析液滴直径信息，同时，也用于确定喷嘴所处位置，在打印前进行喷嘴空间位置的辅助矫正。轨迹观测视觉组32用于对液滴飞行过程的位置进行观测，根据采集到的图案信息获得液滴的飞行轨迹及速度大小、方向等信息。沉积观测视觉组33用于观测落在基板上的液滴的沉积位置，并将与目标沉积位置比较获得液滴得沉积位置偏差信息。
视觉检测模块3根据获取的图像信息，将其分析处理后输出喷射诱导调控信号t、轨迹诱导调控信号
按照本发明的另一个优选实施方式，可按照以下公式为喷射诱导控制单元23生成控制信号t：
上述喷射诱导控制单元23接收外部控制模块5发送的脉宽调节信号t后，实时调整上电极环的打印电压的脉宽，其调节过程如图4所示，其中左图表示一个调控周期下的波形变化，虚线和实线波形分别代表调整前后的电压波形，右图表示闭环控制系统调控下波形随时间的整体变化趋势。
此外，按照本发明的另一个优选实施方式，上述控制模块优选采用闭环控制进行液滴飞行轨迹诱导。整体过程分为两个阶段，以液滴与环状电极41的相对高度为划分，液滴在环状电极41上方为第一阶段，此阶段诱导目的为速度矫正，其优选按照以下公式为轨迹诱导控制单元44提供速度矫正信号
液滴在环状电极41下方为第二阶段，此阶段诱导目的为落点位置矫正，其优选按照以下公式为轨迹诱导控制单元提供位置矫正信号
其中，m为单个带电液滴的质量；vx、vy、vz分分为液滴在x方向、y方向、z方向上的速度；d为多边形环状电极任意两相对电极的间距；
此外，按照本发明的另一个优选实施方式，控制模块优选按照以下公式为轨迹诱导控制单元44提供沉积误差补偿控制信号
其中，
此外，按照本发明的另一个优选实施方式，对所述轨迹诱导控制单元44而言，其优选依照以下公式为每个电极分配电压波形信号ve：
其中
图5是用于示范性说明本发明电流体喷射图案化诱导系统控制工艺流程的示意图。相应地，该方法包括以下步骤：
首先，对整体系统进行初始化，根据实际工艺要求，输入各项指定参数，如预期的单液滴体积v0、预期的沉积坐标(x0,y0,z0)等；
接着，根据输入参数需要，控制模块5向所述喷射诱导控制单元23发送诱导电场对应的信号波形，喷射诱导控制单元23调节双电极环上所加电压，使喷嘴附近形成对应的喷射诱导电场，进一步使其能够打印出合适的射流，满足工艺需要。
接着，所述喷射观测视觉组31捕捉射流状态信息，在每个调控周期内采集若干射流图像信息，控制模块处理获得射流平均直径信息并与目标液滴体积进行对比，根据对比信息优化电压信号波形t并发送给喷射诱导控制单元23，喷射诱导控制单元23进一步调整组合环电极网板上各电极电压波形信号，实现对打印射流形态的闭环反馈调节。
接着，所述轨迹观测视觉组32捕捉飞行液滴状态信息，在每个调控周期内采集若干液滴飞行图像信息并反馈给所述控制模块5，该控制模块解析图像获取液滴进入轨迹诱导机构作用范围时的空间坐标、飞行速度的大小与方向等信息的平均水平，处理后输出轨迹诱导调控信号
最后，所述沉积观测视觉组33捕捉液滴沉积位置信息，在每个调控周期内采集若干沉积图像信息并反馈给所述控制模块5，该控制模块5根据图像解析出沉积位置与预设位置的平均偏移向量，处理后输出沉积误差补偿调控信号
需要说明的是，本较佳实施例是喷射、飞行和沉积的三环节在线误差补偿，喷射和沉积的在线补偿不是必要特征，可根据精度要求删减或增加。
实施例2：
本实施例为将图1的单个喷嘴实施例拓展为阵列喷嘴的电流体喷射图案化诱导系统，如图6所示。
本实施例中阵列化喷头模块1作为打印的基本硬件组成，整体通过多排喷嘴的空间阵列化排布组成以提高喷头整体打印速率，其中每排喷嘴成一定倾斜角度布置，保证阵列化布置下对应的喷嘴所喷射的液滴落点具有一致性，能在基板上融合。
本实施例喷射诱导机构2在实施例2的基础上，增设了喷射诱导隔离板22。所述喷射诱导隔离网板22整体为空心的蜂窝状结构，在其内部布置一系列导线，以静电屏蔽的原理为指导对各个独立喷嘴附近的高压电场进行屏蔽，防止同时打印时出现电场干扰，保证阵列化打印能够稳定进行。
本实施例轨迹诱导机构4在实施例2的基础上，增设了轨迹诱导隔离板43，所述轨迹诱导隔离网板整体结构类似喷射诱导隔离网板，用来在阵列化打印中对各喷嘴下方间的诱导电场进行隔离，保证诱导电场的稳定。轨迹诱导隔离板43可采用与所述喷射诱导隔离网板22相同的结构。
图7是按照本发明阵列化多边形环状电极的电路控制示意图，整体以轨迹控制诱导单元为核心，通过网格化的内置导线将每个诱导电极上所需的电场信号分别进行传输。同时，对于所有电极，另一端通过导线合并后进行接地处理，保证轨迹诱导电场的稳定性。
综上，本发明紧密围绕阵列化电流体打印图案化诱导控制这一核心问题，不仅提出了一种利用静电场引导的阵列化打印及轨迹诱导系统，还对其具体工艺进及处理过程进行了描述。整体系统以自动化闭环反馈控制为基础，可以实现周期性在线误差补偿，适用于各种打印场合，不受打印材料、基板导电性、溶液属性等因素制约，具有较高的图案化沉积控制精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种电流体喷射图案化诱导方法，其特征在于，该方法具体为：
在喷嘴处施加喷射诱导电场，以诱导喷嘴喷射液滴；
对喷射出去的液滴施加轨迹诱导电场，以调控液滴的飞行速度；
实时采集液滴飞行图像并定位液滴，计算定位得到的液滴飞行速度与目标飞行速度之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电场，以诱导液滴向目标沉积位置飞行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还采集液滴沉积图像并定位液滴，计算定位得到的液滴沉积位置与目标沉积位置之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电场，以诱导液滴沉积于目标沉积位置；
或/和还采集喷嘴喷射图像并提取液滴直径，计算液滴直径与目标液滴体积之间的误差，依据该误差调控所述喷射诱导电场。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对液滴施加轨迹诱导电场的同时屏蔽喷射诱导电场。
4.一种电流体喷射图案化诱导系统，包括喷嘴，特征在于，还包括：喷射诱导机构、轨迹诱导机构和轨迹观测视觉组；
所述喷射诱导机构用于在喷嘴处形成喷射诱导电场，以诱导喷嘴喷射液滴；
所述轨迹诱导机构用于对喷射出去的液滴施加轨迹诱导电场，以调控液滴的飞行速度；
所述轨迹观测视觉组，用于实时采集液滴沉积图像并定位液滴，计算定位得到的液滴沉积位置与目标沉积位置之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电场，以诱导液滴向目标沉积位置飞行。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括沉积观测视觉组，用于实时采集液滴沉积图像并定位液滴，计算定位得到的液滴沉积位置与目标沉积位置之间的误差，依据该误差调控所述轨迹诱导电压信号，以诱导液滴沉积于目标沉积位置；
或/和还包括喷射观测视觉组，用于采集喷嘴喷射图像并提取液滴直径，计算液滴直径与目标液滴体积之间的误差，依据该误差调控所述喷射诱导电场。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述轨迹诱导单元包括环状电极和轨迹诱导控制单元；所述轨迹诱导控制单元用于输出轨迹诱导电压信号；所述环状电极用于在轨迹诱导电压信号作用下产生轨迹诱导电场，所述环状电极为一个环形电极或由多个周向均匀分布的电极组成。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述轨迹诱导电场单元还包括设置在所述环状电极下方的接地电极于将轨迹诱导电场限制在所述环状电极和接地电极之间。
8.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述喷射诱导机构包括双电极环和喷射诱导控制单元；所述喷射诱导控制单元用于输出喷射诱导电压信号；所述双电极环包括上电极环和下电极环，所述上电极环用于接收喷射诱导电压信号并形成喷射诱导电场，所述下电极环接地与所述上电极形成电势差，并屏蔽所述喷射诱导电场以避免对所述轨迹诱导电场产生干扰。
9.一种电流体阵列喷射图案化诱导系统，其特征在于，包括喷嘴阵列以及为每一个喷嘴设置的电流体喷射图案化诱导系统，所述电流体喷射图案化诱导系统为权利要求4-8任意一项所述的系统。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括设置在每一喷嘴处并环绕所述喷射诱导机构的喷射诱导隔离板，用于屏蔽相邻喷嘴之间的喷射诱导电场；
和/或还包括设置在每一喷嘴下方并环绕所述轨迹诱导机构的轨迹诱导隔离板，用于屏蔽相邻喷嘴之间的轨迹诱导电场。
技术总结