基于介电效应的微液滴驱动研究

发布时间：2020-06-27 09:22

【摘要】：介电效应作为微流控中重要的液滴驱动技术,是通过不均匀电场使液滴产生极化偶极矩,受介电力达到形变或移动效果。因对微液滴具有较强的操纵能力,介电效应不仅在数字微流控中崭露头角,在液体变焦透镜中也备受研究者们的青睐。作为微流控光学器件的典型代表,变焦液体透镜采用液体作为光学介质,利用微流控技术控制并改变液-液或液-气界面形状达到自动变焦的目的。液体透镜具有响应速度快、结构紧凑、成本低、功耗小、易集成等优势,在便携式摄像头、成像技术、医用内窥镜等领域有着广阔的应用前景。但现有的液体透镜多采用导电液体和直接加压法来实现焦距调控,普遍存在热稳定性差、工作温度范围窄、驱动电压高等缺点。本文基于液滴受到介电效应(不均匀电场产生极化作用)产生的介电力作用,从而改变形状和引发运动状态改变的现象,设计并制作了一款微型介电液体透镜。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)针对以往液体透镜多使用导电盐溶液,存在的易电解、产生气泡、温度限制以及蒸发等问题,本文使用更稳定的透明介电液体来替代导电溶液。介电液体本身不导电或非良导体的特性,可以避免驱动过程中的电解击穿,而且介电液体可选择范围更广,性质更稳定。利用非均匀电场产生的介电力可增强和控制介电液体的润湿性,来达到操控液滴形变和位移的效果。同时,实验对比了常见的四种介电液体的驱动效果。(2)对基于介电效应的微液滴驱动的影响因素进行了实验研究。通过实验探讨了电极图形、介电层厚度、介电液滴对驱动效果的影响,确定了最优参数组合。电极形状是产生不均匀电场的必要条件,本文针对液滴的横向扩散和圆形扩散分别设计了交错结构和叉指结构电极,并将之运用于离散化液滴驱动和液体透镜中,均达到预期效果。使用旋涂法制备的5μm厚的PDMS薄膜,同时起到介电层和疏水层的双重作用,既能增大初始接触角,又利于液滴形状改变。(3)针对以往直接加压的驱动方式,本文改进为调频加压的方法,使得液滴初始驱动电压大大降低。此方法是电压与频率同时作用于液滴的驱动效果,较之以往单一研究电压对驱动效果的影响更进一步。同时简单的外部电路也便于集成化和微型化。在此基础上完成了数字微流控芯片涉及到的液滴传输、分裂、融合等多项操控。(4)对比常用液体透镜驱动方式及其机械结构,本文设计并制作了一款基于调频法的介电液体透镜。采用有机材料封装成经典的圆形结构,根据几何光学理论对介电效应液体变焦透镜的焦距及成像质量进行了研究。实验验证了外加频率与电压幅值、频率与接触角、频率与焦距和孔径间的相互作用关系。该介电效应液体透镜具有体积小巧,回复性和变焦效果良好的优点,可变焦距在6~8cm,响应时间约为375ms,功耗约为17.7mW。
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318
【图文】：

液体透镜,公司,外观,工作原理

图 1.1 Philips 公司液体透镜的工作原理和外观紧随 Philips 公司之后的是法国 Varioptic 公司，他们在 Philips 公司透镜结构的础上，将圆柱形内腔改为圆锥形内腔，这种结构使形变液滴受限于圆锥腔内，施加压形变后可以恢复原位，不会发生偏移，如图 1.2 所示[26]。相较于 Philips 公司透镜Varioptic 公司的透镜在光轴偏转后能自动恢复原位，从而较好的改善了液体透镜光的稳定性。在此基础上，Varioptic 公司推出了 Arctic320 和 Arctic416 两款商用“液变焦透镜”。但是这种结构的液体透镜也存在一些不足，它只有几毫米的变焦范围而且响应时间高达 300ms。

液体透镜,公司,外观,工作原理

形变后可以恢复原位，不会发生偏移，如图 1.2 所示[26]。相较于 Philips 公司透镜arioptic 公司的透镜在光轴偏转后能自动恢复原位，从而较好的改善了液体透镜光稳定性。在此基础上，Varioptic 公司推出了 Arctic320 和 Arctic416 两款商用“液焦透镜”。但是这种结构的液体透镜也存在一些不足，它只有几毫米的变焦范围且响应时间高达 300ms。

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