CN111889323A - 一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备及其控制方法，所述自动刮膜设备包括刮膜单元、真空低压/特殊气体改性处理单元、固定成膜单元、控制单元、传动单元和温度控制单元。本发明将真空/特殊气体改性处理与刮膜技术相结合，通过优化刮膜速度、成膜温度、薄膜改性和舱内压强等，实现单一溶液或共混溶液刮涂成膜形貌、厚度及物化性质等有效调控，进而形成最优薄膜质量，实现多种类型器件性能大幅度提升，显著提高其光电性能。本设备自动化操作可保持刮涂成膜的可重复性，可广泛应用于各种不同类型有机/无机半导体光电子器件大面积制备领域。

Description

一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及溶液成膜设备技术领域，特别涉及一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备及其操作方法。
背景技术
传统的刮膜技术是利用手工或者简单的机械控制刮刀前进，刮刀推动溶液，从而形成一张液态薄膜。对于高沸点溶剂，很容易在刮膜完成后，溶液仍未完全干燥，液膜的流动和聚集容易导致成膜厚度不均匀、形貌不佳和可重复性差。
申请号为201120518929.5的中国发明专利公开了一种平板刮膜机，其包括机架、前面板以及侧面板基座和支柱，其特征在于；在底座上固定一个丝杆座和第一电机，丝杆安装于丝杆座内，第一电机通过联轴器与丝杆连接,丝杆外套接着行程块，行程块上固定着推杆架，隔热板固定在支柱上,隔热板上依次设置电热板和导热板，导热板的上方设置有固定于推杆架上的推杆，推杆架上还设置有刮刀压紧装置。本实用新型操作简单,能够制备厚度均匀、误差小、精度高，形状规则的大面积薄膜，可根据需求调节成膜温度，基片表面温度均匀,成膜后可直接置于刮膜机上热处理，避免以往刮膜后移动薄膜基片进行热处理带来的损坏。
申请号为200820180253.1的中国实用新型专利公开了一种高精度科研用小型平板刮膜机，主要由底座、支撑架、膜板、刮刀、膜板升降装置组成。还设置有自动铸膜刮膜装置和红外线加热温控装置,可实现自动均匀铸膜刮膜过程以及制膜过程中的温度条件的控制。该实用新型能够实现精确控制膜厚以及其他制膜工艺条件，保证制膜重复性的要求，以满足功耗科研制膜的需要。尤其是膜板升降装置，利用了斜面传动、丝杆螺母传动和轮轴的原理，可以实现高精度超薄厚度的制膜，此技术不但适用于科研方面,也可以推广至工业应用领域，在大型平板刮膜机中运用。
申请号为201310013291.3的中国发明专利公开了一种智能平板刮膜机，解决了化学工业生产、科研、教学等领域中机器自动作业代替人工作业问题。智能平板刮膜机能够进行刮刀速度调节、刮板温度设定和控制、刮膜厚度调节等功能。技术关键在于对膜的厚度精度控制和温度控制。本发明在测试中已实现了智能平板刮膜机的要求，膜的厚度调节可以做到0.1mm的精度、温度控制偏差在2℃内、刮刀速度可调节。
上述已报道的刮膜机只能在大气条件下刮膜，无法通过低压条件进行加速成膜，或者利用特殊气体改性处理干燥过程中的薄膜，进而很难保障刮膜质量或在刮膜中对薄膜进行改性，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，解决了刮膜机无法在低压条件下进行加速成膜的问题。
本发明的技术方案为：一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，包括刮膜单元、真空低压/特殊气体改性处理单元、固定成膜单元、控制单元、传动单元和温度控制单元；
所述刮膜单元包括刮刀框架和刮刀，刮刀安装于刮刀框架上；
所述传动单元包括机架、步进电机和履带，步进电机和履带分别安装于机架，步进电机用以驱动履带前后运转，刮刀框架与履带连接；
所述真空低压/特殊气体改性处理单元包括真空舱、舱门、抽气电磁阀和真空度传感器，真空舱安装于机架的上方，真空舱设有抽气电磁阀，真空度传感器设于真空舱内，真空度传感器用以检测真空舱内的真空度，抽气电磁阀与外部真空泵连接，用以抽出真空舱内的气体，舱门用以打开真空舱并放置基片；
固定成膜单元包括真空吸附装置和进液电磁阀，真空吸附装置包括基片吸附孔和吸附外接管道，基片吸附孔开设于真空舱的底部，基片放置于基片吸附孔上，吸附外接管道的一端连接基片吸附孔，另一端与外界的真空泵连接，进液电磁阀一端与真空舱连接，另一端与外部进液管道连接；
温度控制单元包括加热片和温度传感器，加热片位于真空舱和机架之间，加热片包括传热层、隔热层和电热丝，电热丝夹持于传热层和隔热层之间，传热层与真空舱的底面接触，温度传感器设于真空舱的底部，用以检测真空舱底面的温度，温度传感器与控制单元电性连接；
步进电机、真空度传感器、抽气电磁阀、温度传感器和进液电磁阀分别与控制单元电性连接，控制单元用以控制步进电机的转速，真空度传感器将真空舱内的真空度数据传输至控制单元，控制单元根据真空度数据控制抽气电磁阀的启停，温度传感器将温度数据传输至控制单元，控制单元根据温度数据控制加热片的启停，控制单元控制进液电磁阀启停，当真空舱内的压强达到预设值时，控制中心控制进液电磁阀开启，通过真空舱的内外压强差使外部进液管道内的溶液自动定量吸入真空舱内，进液量达到预设溶液体积后，控制中心控制进液电磁阀关闭。
进一步，所述真空低压/特殊气体改性处理单元还包括特殊气体进气电磁阀，特殊气体进气电磁阀安装于真空舱，特殊气体进气电磁阀用以连接外部的氮气、氢气、稀有气体和有机溶剂蒸汽，特殊气体进气电磁阀与控制单元电性连接。
进一步，所述刮刀框架上设有刮刀调节组件和螺纹滑轨，刮刀框架上设有竖直螺旋测微仪、水平螺旋测微仪和刮刀安装槽，螺纹滑轨的两端安装至刮刀框架，水平螺旋测微仪与螺纹滑轨连接，刮刀安装槽与螺纹滑轨通过螺纹连接，刮刀通过磁铁安装于刮刀安装槽内，竖直螺旋测微仪从上至下贯穿刮刀安装槽并抵接磁铁。通过调节水平螺旋测微仪，使刮刀安装槽沿水平螺旋测微仪前后运动，通过调节竖直螺旋测微仪，使磁铁带动刮刀在竖直方向上下运动。
进一步，所述刮刀在刮刀框架内的竖直调节范围为0-3000μm，水平调节范围为0-1500μm。
进一步，所述竖直螺旋测微仪和水平螺旋测微仪上分别设有粗调旋钮和微调旋钮，粗调旋钮的调节步长为20μm，微调旋钮的调节步长为2μm。
进一步，所述传动单元还包括导轨和传动平台，导轨的两端固定至机架，传动平台与导轨滑动连接，履带与传动平台连接，刮刀框架还包括下端连接模块，下端连接模块上设有下端连接孔，下端连接孔与传动平台通过螺栓连接，步进电机用以驱动履带前后运转，履带带动传动平台沿导轨滑动，传动平台进一步带动刮刀框架运动。
进一步，所述导轨的轴向两端分别设有限位开关，控制刮刀的复位位置和终止位置。
进一步，所述舱门和真空舱之间设有硅胶密封条。
进一步，所述刮刀的速度为0-300mm/s。
本发明的另一技术方案为：上述自动刮膜设备的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：打开舱门，将基片放置于基片吸附孔上方，关闭舱门；
步骤S2：打开外部真空泵和抽气电磁阀，抽出真空腔内的气体，吸附外接管道对基片进行吸附，当真空度传感器检测到真空舱内的真空度达到预设要求时，控制单元控制抽气电磁阀停止工作；
步骤S3：加热片对基片进行加热，温度传感器检测基片的温度并传输温度数据至控制中心，当基片温度达到预设温度后，控制中心控制加热片停止加热；
步骤S4：控制中心控制进液电磁阀开启，通过真空舱的内外压强差使外部进液管道内的溶液自动定量吸入真空舱内，进液量达到预设溶液体积后，控制中心控制进液电磁阀关闭；
步骤S5：启动步进电机，步进电机驱动履带运动，履带运动带动刮刀框架运动，刮刀框架运动带动刮刀对基片进行刮涂成膜。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，解决了科研、生产和教学等领域中刮膜法制膜后薄膜形貌相分离不佳、膜厚不均匀不精确、成膜易受到外在因素影响等问题。本发明在刮刀高度、刮刀速度、基片温度等精确控制的基础上，利用低压/特殊气体改性自动化控制，实现不易受外在环境影响、重复性好、高沸点溶剂蒸发时间缩短以及薄膜可改性的工业化刮涂成膜生产。
本发明的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，刮刀调节组件采用水平螺旋测微仪和竖直螺旋测微仪配合刮刀上的磁铁，精确控制刮刀位置，调节精确刮膜厚度，并与低气压/特殊气体改性处理精确可控的相结合，大大缩短形成质优薄膜时间，并实现薄膜物化改性，自动化操作有助于提高成膜的可重复性，非常适用于工厂化流水作业。
附图说明
图1为本发明的自动刮膜设备的结构示意图。
图2为本发明的自动刮膜设备的内部结构示意图。
图3为本发明的传动单元的结构示意图。
图4为本发明的传动单元的仰视图。
图5为本发明的刮刀单元与传动单元的装配示意图。
图6为本发明的刮刀框架的内部结构示意图。
1.刮刀框架、2.温度传感器、3.基片吸附孔、5.真空舱、6.舱门、8.硅胶密封条、9.抽气电磁阀、10.进液电磁阀、11.竖直螺旋测微仪、12.水平螺旋测微仪、14.加热片、15.吸附外接管道、16.步进电机、17.下端连接模块、18.机架、19.限位开关、20.履带、23.温度控制旋钮、24.特殊气体进气电磁阀、25.导轨、26.真空度传感器、27.传动平台、34.螺纹滑轨、35.刮刀安装槽、36.刮刀。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，包括刮膜单元、真空低压/特殊气体改性处理单元、固定成膜单元、控制单元、传动单元和温度控制单元，控制单元的单片机采用STM32开发板F103C8T6。
如5和图6所示，所述刮刀框架1上设有刮刀调节组件和螺纹滑轨34，刮刀框架上设有竖直螺旋测微仪11、水平螺旋测微仪12和刮刀安装槽35，螺纹滑轨的两端安装至刮刀框架，水平螺旋测微仪与螺纹滑轨连接，刮刀安装槽与螺纹滑轨通过螺纹连接，刮刀36通过磁铁安装于刮刀安装槽内，竖直螺旋测微仪从上至下贯穿刮刀安装槽并抵接磁铁。通过调节水平螺旋测微仪，使刮刀安装槽沿螺纹滑轨前后运动，通过调节竖直螺旋测微仪，使磁铁带动刮刀在竖直方向上下运动。刮刀在刮刀框架内的竖直调节范围为0-3000μm，水平调节范围为0-1500μm。竖直螺旋测微仪和水平螺旋测微仪上分别设有粗调旋钮和微调旋钮，粗调旋钮的调节步长为20μm，微调旋钮的调节步长为2μm。刮刀框架还包括下端连接模块17，下端连接模块上设有下端连接孔。
如图3、图4和图5所示，传动单元包括机架18、步进电机16、履带20、导轨25和传动平台27，步进电机和履带分别安装于机架，步进电机用以驱动履带前后运转，导轨的两端固定至机架，传动平台与导轨滑动连接，履带与传动平台连接，下端连接孔与传动平台通过螺栓连接，步进电机用以驱动履带前后运转，履带带动传动平台沿导轨滑动，传动平台进一步带动刮刀框架运动，刮刀的速度为0-300mm/s；导轨的轴向两端分别设有限位开关19，控制刮刀的复位位置和终止位置，限位开关采用行程限位开关触点按键KW11-3Z-2，直柄三脚5A。
如图1和图2所示，真空低压/特殊气体改性处理单元包括真空舱5、舱门6、抽气电磁阀9、特殊气体进气电磁阀24和真空度传感器26，真空舱安装于机架的上方，真空舱上分别设有抽气电磁阀和特殊气体进气电磁阀，真空度传感器设于真空舱内，真空度传感器用以检测真空舱内的真空度，抽气电磁阀与外部真空泵连接，用以抽出真空舱内的气体，保持真空舱内设定压强在常压～10-1Pa之间某一恒定值，舱门用以打开真空舱并放置基片，舱门和真空舱之间设有硅胶密封条8，特殊气体进气电磁阀用以连接外部的氮气、氢气、稀有气体和有机溶剂蒸汽，特殊气体进气电磁阀与控制单元电性连接，特殊气体进气电磁阀用以满足特殊环境下刮涂成膜改性需要。刮刀和真空舱分别采用防腐蚀的304不锈钢制成。
如图1和图2所示，固定成膜单元包括真空吸附装置和进液电磁阀10，真空吸附装置包括基片吸附孔3和吸附外接管道15，基片吸附孔开设于真空舱的底部，基片放置于基片吸附孔上，吸附外接管道的一端连接基片吸附孔，另一端与外界的真空泵连接，进液电磁阀的一端与真空舱连接，另一端与外部进液管道连接，真空泵采用微型直流真空泵。
如图1和图2所示，温度控制单元包括加热片14和温度传感器2，加热片位于真空舱和机架之间，加热片包括传热层、隔热层和电热丝，电热丝夹持于传热层和隔热层之间，传热层与真空舱的底面接触，温度传感器设于真空舱的底部，用以检测真空舱底面的温度，温度传感器与控制单元电性连接。在本实施例中，传热层为硅橡胶层，隔热层为硅酸铝保温层，电热丝为镍铬合金电热丝，通电即可加热，机架上设有温度调节旋钮23，可根据需求调节刮膜温度。
步进电机、真空度传感器、抽气电磁阀、温度传感器和进液电磁阀分别与控制单元电性连接，控制单元用以控制步进电机的转速，真空度传感器将真空舱内的真空度数据传输至控制单元，控制单元根据真空度数据控制抽气电磁阀的启停，温度传感器将温度数据传输至控制单元，控制单元根据温度数据控制加热片的启停，控制单元控制进液电磁阀启停，当真空舱内的压强达到预设值时，控制中心控制进液电磁阀开启，通过真空舱的内外压强差使外部进液管道内的溶液自动定量吸入真空舱内，进液量达到预设溶液体积后，控制中心控制进液电磁阀关闭。
上述自动刮膜设备的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：打开舱门，将基片放置于基片吸附孔上方，关闭舱门；
步骤S2：打开外部真空泵和抽气电磁阀，抽出真空腔内的气体，吸附外接管道对基片进行吸附，当真空度传感器检测到真空舱内的真空度达到预设要求时，控制单元控制抽气电磁阀停止工作；
步骤S3：加热片对基片进行加热，温度传感器检测基片的温度并传输温度数据至控制中心，当基片温度达到预设温度后，控制中心控制加热片停止加热；
步骤S4：控制中心控制进液电磁阀开启，通过真空舱的内外压强差使外部进液管道内的溶液自动定量吸入真空舱内，进液量达到预设溶液体积后，控制中心控制进液电磁阀关闭；
步骤S5：启动步进电机，步进电机驱动履带运动，履带运动带动传动平台运动，传动平台带动刮刀框架运动，刮刀框架运动带动刮刀对基片进行刮涂成膜。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，包括刮膜单元、真空低压/特殊气体改性处理单元、固定成膜单元、控制单元、传动单元和温度控制单元；
所述刮膜单元包括刮刀框架和刮刀，刮刀安装于刮刀框架上；
所述传动单元包括机架、步进电机和履带，步进电机和履带分别安装于机架，步进电机用以驱动履带前后运转，刮刀框架与履带连接；
所述真空低压/特殊气体改性处理单元包括真空舱、舱门、抽气电磁阀和真空度传感器，真空舱安装于机架的上方，真空舱设有抽气电磁阀，真空度传感器设于真空舱内，真空度传感器用以检测真空舱内的真空度，抽气电磁阀与外部真空泵连接，用以抽出真空舱内的气体，舱门用以打开真空舱并放置基片；
固定成膜单元包括真空吸附装置和进液电磁阀，真空吸附装置包括基片吸附孔和吸附外接管道，基片吸附孔开设于真空舱的底部，基片放置于基片吸附孔上，吸附外接管道的一端连接基片吸附孔，另一端与外界的真空泵连接，进液电磁阀的一端与真空舱连接，另一端与外部进液管道连接；
温度控制单元包括加热片和温度传感器，加热片位于真空舱和机架之间，加热片包括传热层、隔热层和电热丝，电热丝夹持于传热层和隔热层之间，传热层与真空舱的底面接触，温度传感器设于真空舱的底部，用以检测真空舱底面的温度，温度传感器与控制单元电性连接；
步进电机、真空度传感器、抽气电磁阀、温度传感器和进液电磁阀分别与控制单元电性连接，控制单元用以控制步进电机的转速，真空度传感器将真空舱内的真空度数据传输至控制单元，控制单元根据真空度数据控制抽气电磁阀的启停，温度传感器将温度数据传输至控制单元，控制单元根据温度数据控制加热片的启停，控制单元控制进液电磁阀启停，当真空舱内的压强达到预设值时，控制中心控制进液电磁阀开启，通过真空舱的内外压强差使外部进液管道内的溶液自动定量吸入真空舱内，进液量达到预设溶液体积后，控制中心控制进液电磁阀关闭。
2.根据权利要求1所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述真空低压/特殊气体改性处理单元还包括特殊气体进气电磁阀，特殊气体进气电磁阀安装于真空舱，特殊气体进气电磁阀用以连接外部的氮气、氢气、稀有气体和有机溶剂蒸汽，特殊气体进气电磁阀与控制单元电性连接。
3.根据权利要求1所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述刮刀框架上设有刮刀调节组件和螺纹滑轨，刮刀框架上设有竖直螺旋测微仪、水平螺旋测微仪和刮刀安装槽，螺纹滑轨的两端安装至刮刀框架，水平螺旋测微仪与螺纹滑轨连接，刮刀安装槽与螺纹滑轨通过螺纹连接，刮刀通过磁铁安装于刮刀安装槽内，竖直螺旋测微仪从上至下贯穿刮刀安装槽并抵接磁铁。
4.根据权利要求3所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述刮刀在刮刀框架内的竖直调节范围为0-3000μm，水平调节范围为0-1500μm。
5.根据权利要求3所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述竖直螺旋测微仪和水平螺旋测微仪上分别设有粗调旋钮和微调旋钮，粗调旋钮的调节步长为20μm，微调旋钮的调节步长为2μm。
6.根据权利要求1所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述传动单元还包括导轨和传动平台，导轨的两端固定至机架，传动平台与导轨滑动连接，履带与传动平台连接，刮刀框架还包括下端连接模块，下端连接模块上设有下端连接孔，下端连接孔与传动平台通过螺栓连接，步进电机用以驱动履带前后运转，履带带动传动平台沿导轨滑动，传动平台进一步带动刮刀框架运动。
7.根据权利要求6所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述导轨的轴向两端分别设有限位开关。
8.根据权利要求1所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述舱门和真空舱之间设有硅胶密封条。
9.根据权利要求1所述的可真空/气体改性处理的自动刮膜设备，其特征在于，所述刮刀的速度为0-300mm/s。
10.根据权利要求1-9任一所述的自动刮膜设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：打开舱门，将基片放置于基片吸附孔上方，关闭舱门；
步骤S2：打开外部真空泵和抽气电磁阀，抽出真空腔内的气体，吸附外接管道对基片进行吸附，当真空度传感器检测到真空舱内的真空度达到预设要求时，控制单元控制抽气电磁阀停止工作；
步骤S3：加热片对基片进行加热，温度传感器检测基片的温度并传输温度数据至控制中心，当基片温度达到预设温度后，控制中心控制加热片停止加热；
步骤S4：控制中心控制进液电磁阀开启，通过真空舱的内外压强差使外部进液管道内的溶液自动定量吸入真空舱内，进液量达到预设溶液体积后，控制中心控制进液电磁阀关闭；
步骤S5：启动步进电机，步进电机驱动履带运动，履带运动带动刮刀框架运动，刮刀框架运动带动刮刀对基片进行刮涂成膜。
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