基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)的導(dǎo)線印制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 茜，朱 麗，王洪成，章維一

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京，210094;2.南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，江蘇南京，210016)

0 引言

隨著電子產(chǎn)品向小型化、柔性化方向發(fā)展，成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重、精度低的傳統(tǒng)制造技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。近年來，噴墨印刷法制作電子線路技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究［1－3］。噴墨印刷是將數(shù)字化圖形信息輸入噴墨印刷機(jī)，油墨被以一定速度經(jīng)微噴嘴噴射到承印物上的技術(shù)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，噴墨印刷制造工藝制作成本得到降低，且印制出的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高。

本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)線印制系統(tǒng)基于微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)［4－5］，以脈沖慣性力為主動力，驅(qū)動液體墨水在承印物上噴射形成導(dǎo)線圖形。近年來，南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室對微流體脈沖驅(qū)動控制技術(shù)及其在生物、化學(xué)等領(lǐng)域展開了一系列的研究［6－7］。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)壓電作動器驅(qū)動波形產(chǎn)生、工作臺電機(jī)運(yùn)動控制以及液滴噴射與工作臺運(yùn)動的相互協(xié)調(diào)。采用FPGA內(nèi)置Nios II軟核為微處理器，建立SOPC(System On a Programmable Chip)系統(tǒng)，以FPGA提供的核外邏輯單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯處理的功能完成導(dǎo)線印制控制系統(tǒng)的開發(fā)。相較于采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與控制與FPGA進(jìn)行邏輯單元搭建的組合的方式，采用內(nèi)嵌Nios II的FPGA的芯片將可編程器件的邏輯控制能力與單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力相結(jié)合，其電路結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、可拓展性好。

1 導(dǎo)線印制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 導(dǎo)線印制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于微流體脈沖控制技術(shù)的導(dǎo)線印制系統(tǒng)如圖1所示，主要由控制系統(tǒng)、功率放大器、電機(jī)驅(qū)動器、工作臺、壓電致動器、微噴嘴和數(shù)碼顯微鏡組成。控制系統(tǒng)包括上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)控制系統(tǒng)用于向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和命令控制字，下位機(jī)控制系統(tǒng)用于驅(qū)動波形的發(fā)生和工作臺的運(yùn)動控制，控制系統(tǒng)主控制器選用 Cyclone II系列 FPGA芯片EP2C8Q208C;工作臺為X/Y軸安裝有步進(jìn)電機(jī)的二維十字工作臺;液滴發(fā)生裝置由壓電作動器、微噴嘴組成，驅(qū)動波形經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動壓電作動器，壓電作動器帶動玻璃微噴嘴噴射墨水，本文選用的壓電作動器為P－844.10型壓電陶瓷，其驅(qū)動信號頻率要求范圍0 Hz～256 kHz，常用驅(qū)動波形為陡升緩降波形［8］。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)主要完成壓電作動器驅(qū)動波形的產(chǎn)生、X/Y兩路電機(jī)運(yùn)動控制以及工作臺與微噴嘴的協(xié)調(diào)工作。驅(qū)動波形幅值為0～80 V，頻率為0～256 Hz，波形文件可任意導(dǎo)入，電機(jī)可根據(jù)導(dǎo)線圖形文件運(yùn)動，運(yùn)動精度為1 μm，運(yùn)動范圍為110×110 mm。導(dǎo)線印制控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1 基于微流體脈沖控制技術(shù)的導(dǎo)線印制系統(tǒng)

圖2 導(dǎo)線印制控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)運(yùn)行時，上位機(jī)界面設(shè)置壓電作動器驅(qū)動波形的波形、頻率、幅值參數(shù)，導(dǎo)入AutoCAD的DXF導(dǎo)線圖形文件并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，通過串口通信發(fā)送至下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)發(fā)送的控制字對信息進(jìn)行接收并依次存儲驅(qū)動波形并設(shè)置波形參數(shù)，對上位機(jī)發(fā)送的導(dǎo)線圖形數(shù)據(jù)以插補(bǔ)法進(jìn)行分割得到各點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，系統(tǒng)時鐘模塊使用20 MHz有源晶振作為系統(tǒng)時鐘源，經(jīng)FPGA內(nèi)部的PLL調(diào)整產(chǎn)生20 MHz和100 MHz頻率時鐘;配置電路選擇EPCS16作為串行配置器件，在進(jìn)行重新配置時將程序及相關(guān)數(shù)據(jù)載入FPGA;系統(tǒng)采用HY57V641620ET－7作為 SDRAM;使用 SP3232E芯片進(jìn)行RS232的電平轉(zhuǎn)換完成串口通信;采用16位DA轉(zhuǎn)換器AD669實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生模塊輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換;輸入輸出模塊用于電機(jī)運(yùn)動終點(diǎn)信號的輸入，電機(jī)步進(jìn)PWM及方向驅(qū)動信號的輸出。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 基于Nios II的SOPC系統(tǒng)的構(gòu)建

控制系統(tǒng)壓電作動器驅(qū)動波形由Nios II的微控制器核外邏輯單元構(gòu)建的任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生，任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生的驅(qū)動波形數(shù)字信息經(jīng)DA轉(zhuǎn)換得到所需的模擬驅(qū)動波形;微控制器軟核部分用以接收上位機(jī)發(fā)送的波形、圖形控制信號、電機(jī)驅(qū)動控制以及微噴嘴噴射與電機(jī)運(yùn)動的協(xié)調(diào)。

3.1 微噴嘴驅(qū)動控制

微噴嘴由壓電作動器驅(qū)動，任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生1～10V的驅(qū)動波形，驅(qū)動波形經(jīng)功率放大器10倍放大后輸送給壓電作動器。任意波形發(fā)生模塊使用Verilog HDL語言構(gòu)建，其硬件邏輯圖如圖4，時鐘分頻過程主要使用了累加運(yùn)算，RAM中存入的波形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在分頻時鐘的作用下逐個從RAM中讀取出來。經(jīng)幅值變換和數(shù)據(jù)位選取后送至DA轉(zhuǎn)換，得到波形、幅值、頻率可調(diào)的波形信號，本文采用的地址讀取方法與直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)相比［9］，不存在相位累加器字長與RAM地址位不一致的問題，避免了相位截斷誤差的引入。

圖4 任意波形發(fā)生模塊示意圖

任意波形發(fā)生模塊由任意分頻模塊、地址累加模塊、RAM波形存儲模塊、幅值控制模塊及數(shù)據(jù)位選取模塊組成。任意分頻模塊基準(zhǔn)時鐘為20 MHz，以32位頻率控制字K進(jìn)行累加，當(dāng)累加值小于7FFFFFFF時輸出端為低電平，當(dāng)累加值大于7FFFFFFF時輸出端為高電平，以此產(chǎn)生頻率可控的分頻時鐘。地址累加模塊在分頻時鐘的激勵下進(jìn)行地址累加，實(shí)現(xiàn)2 000地址內(nèi)波形數(shù)據(jù)的讀取，當(dāng)?shù)刂防奂又?D0H的時，模塊產(chǎn)生正邊沿跳變，微處理系統(tǒng)根據(jù)這一跳變來判斷一個波形是否結(jié)束，以判斷微噴嘴一次噴射動作是否完成。RAM波形存儲模塊用來存儲一個周期的波形數(shù)據(jù)，使用Quartus II器件函數(shù)創(chuàng)建的片上RAM。波形數(shù)據(jù)通過Nios II處理器寫入;在分頻時鐘的激勵下地址累加模塊對RAM中的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。波形數(shù)據(jù)經(jīng)嵌入式乘法器和數(shù)據(jù)位選取模塊得到幅值、頻率、波形固定的16位波形數(shù)據(jù)。任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)外部DA轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到所需驅(qū)動波形，圖5分別為示波器測得的任意波形發(fā)生模塊發(fā)生的2 V、25 Hz和6 V、4 Hz的鋸齒波。

微噴嘴驅(qū)動與工作臺運(yùn)動的協(xié)調(diào)是整個系統(tǒng)工作的核心，系統(tǒng)采用微噴嘴噴射與工作臺運(yùn)動交替進(jìn)行的工作模式。電機(jī)由軟件產(chǎn)生PWM波驅(qū)動，壓電作動器由任意波形模塊產(chǎn)生的波形驅(qū)動。當(dāng)工作臺在X/Y電機(jī)帶動下運(yùn)動到指定坐標(biāo)時，微噴嘴在壓電作動器驅(qū)動下完成一次噴射動作，噴射完成后波形發(fā)生模塊產(chǎn)生反饋到處理器輸入端口，接收到反饋后，電機(jī)運(yùn)動帶動工作臺到下一坐標(biāo)位置，微噴嘴進(jìn)行下一次噴射，如此反復(fù)直至印制完成。

圖5 示波器測得的波形

3.2 電機(jī)運(yùn)動控制

電機(jī)運(yùn)動控制由軟件完成，以Nios II IDE為軟件開發(fā)平臺以C語言為主要開發(fā)語言進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計(jì)。電機(jī)運(yùn)動控制包括任意圖形坐標(biāo)的處理和微噴嘴驅(qū)動與工作臺的協(xié)調(diào)工作的控制。

任意圖形坐標(biāo)的處理由上位機(jī)與下位機(jī)共同完成。上位機(jī)按線段類型對DXF圖形文件包含的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取，并發(fā)送至下位機(jī)，Nios II處理器通過串口接收數(shù)據(jù)信息，Nios II處理器對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理如圖6所示。當(dāng)接收到圖形數(shù)據(jù)命令字時，根據(jù)第一個字節(jié)數(shù)據(jù)對線段類型進(jìn)行判斷，按照不同線段類型對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到相應(yīng)坐標(biāo)信息，依次存儲線段類型標(biāo)志與線段坐標(biāo)信息。不同類型的線段采取不同的插補(bǔ)算法，根據(jù)數(shù)組中線段類型調(diào)用插補(bǔ)子函數(shù)按液滴間距對線段的坐標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，得到電機(jī)運(yùn)動路徑上點(diǎn)的坐標(biāo)信息。

圖6 接收圖形數(shù)據(jù)的處理

4 系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

上位機(jī)為人機(jī)界面，以VB進(jìn)行構(gòu)建，主要完成微噴嘴驅(qū)動參數(shù)設(shè)置、導(dǎo)線圖形信息讀入、液滴間距設(shè)置、串口通信、印制開始/暫停/結(jié)束。上位機(jī)通信時，通過發(fā)送不同的控制字與下位機(jī)進(jìn)行通信，下位機(jī)通過控制字來判斷將要進(jìn)行的操作。

為了提高Nios II微處理器工作效率，提高系統(tǒng)響應(yīng)的速度和數(shù)據(jù)接收的可靠性，本系統(tǒng)采用中斷與查詢結(jié)合的接收方式。接收命令控制字以中斷接收方式實(shí)現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)以查詢接收方式實(shí)現(xiàn)。在串口中斷服務(wù)程序中，將接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)(即命令控制字)，Nios II微處理器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)入需要值執(zhí)行的相應(yīng)程序分支，命令控制字對應(yīng)的操作如表1所示。

表1 控制字及相應(yīng)操作

5 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)采用的印制墨水為無顆粒型導(dǎo)電墨水Jet－600C，其銀含量為10wt%(可調(diào));承印基底為PET薄膜。以疏水化溶液對承印材料PET薄膜進(jìn)行印前處理，印制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為驅(qū)動波形幅值60 V，驅(qū)動波形為陡升緩降波形，微噴嘴采用內(nèi)徑為60 μm的玻璃微噴嘴，導(dǎo)電墨水由無水乙醇與無顆粒型導(dǎo)電墨水Jet－600C按1:8比例配比得到，液滴間距設(shè)置為100 μm。印制完成后將其放入溫度為140℃的恒溫箱中燒結(jié)20 min得到所設(shè)計(jì)的導(dǎo)線，設(shè)計(jì)圖形、實(shí)物圖及其局部放大圖、導(dǎo)電性驗(yàn)證如圖7所示，使用數(shù)碼顯微鏡對其實(shí)際尺寸進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表2所示，尺寸誤差約為10 μm，實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸結(jié)果相近。

圖7 設(shè)計(jì)及實(shí)例圖

表2 導(dǎo)線尺寸參數(shù)

6 結(jié)論

導(dǎo)線印制系統(tǒng)是利用Quartus II、Nios II IDE和SOPC Builder等整套平臺進(jìn)行開發(fā)，采用基于Nios II軟核處理器作為微處理器的方案，完成了微噴嘴驅(qū)動的控制、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、電機(jī)運(yùn)行的控制及工作臺與微噴嘴的協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)人機(jī)交互性得到改善，實(shí)驗(yàn)證明，印制過程可控性好，印制的導(dǎo)線成線規(guī)則，精度較高;將整個系統(tǒng)集成在單一可編程芯片中，簡化了開發(fā)過程，提高了系統(tǒng)性能，后續(xù)拓展性好。所設(shè)計(jì)的印制系統(tǒng)不僅可用于導(dǎo)線印制的研究，也可用于各種低粘度液體的成線研究。

［1］MIETTINEN J，PEKKANEN V，KAIJA K，et al.Inkjet printed systemin-package design and manufacturing.Microelectronics Journal，2008，39(12):1740－1750.

［2］CHIOLERIO A，MACCIONI G，Martino P，et al.Inkjet printing and low power laser annealing of silver nanoparticle traces for the realization of low resistivity lines for flexible electronics.Microelectronic Engineering，2011，88(8):2481 －2483.

［3］SZCZECH J B，MEGARIDIS C M，GAMOTA D R，et al.Fine-line conductor manufacturing using drop-on demand PZT printing technology.Electronics Packaging Manufacturing，IEEE Transactions on，2002，25(1):26－33.

［4］章維一，侯麗雅.微流體數(shù)字化的科學(xué)與技術(shù)問題 (I):概念，方法和效果.科技導(dǎo)報，2005，23(8):4 －9.

［5］章維一，侯麗雅.微流體數(shù)字化的科學(xué)與技術(shù)問題(II):物質(zhì)數(shù)字化及物質(zhì)能量信息統(tǒng)一數(shù)字化概念研究.科技導(dǎo)報，2006，24

(0603):41－47.

［6］朱曉陽，侯麗雅，鄭悅，等.微流體數(shù)字化技術(shù)制備聚合物微透鏡陣列.光學(xué)精密工程，2014，22(2).

［7］王洪成，侯麗雅，章維一.納米銀導(dǎo)電圖形薄膜的數(shù)字化微打印.微納電子技術(shù)，2013，50(004):236 －241.

［8］王洪成，侯麗雅，章維一.驅(qū)動電壓波形修圓對微流體脈沖慣性力和驅(qū)動效果的影響.光學(xué)精密工程，2012，20(10):2251－2259.

［9］鄧岳平，肖鐵軍.基于FPGA的并行DDS信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(7):2319 －2323.