【摘要】：介電效應作為微流控中重要的液滴驅動技術,是通過不均勻電場使液滴產生極化偶極矩,受介電力達到形變或移動效果。因對微液滴具有較強的操縱能力,介電效應不僅在數(shù)字微流控中嶄露頭角,在液體變焦透鏡中也備受研究者們的青睞。作為微流控光學器件的典型代表,變焦液體透鏡采用液體作為光學介質,利用微流控技術控制并改變液-液或液-氣界面形狀達到自動變焦的目的。液體透鏡具有響應速度快、結構緊湊、成本低、功耗小、易集成等優(yōu)勢,在便攜式攝像頭、成像技術、醫(yī)用內窺鏡等領域有著廣闊的應用前景。但現(xiàn)有的液體透鏡多采用導電液體和直接加壓法來實現(xiàn)焦距調控,普遍存在熱穩(wěn)定性差、工作溫度范圍窄、驅動電壓高等缺點。本文基于液滴受到介電效應(不均勻電場產生極化作用)產生的介電力作用,從而改變形狀和引發(fā)運動狀態(tài)改變的現(xiàn)象,設計并制作了一款微型介電液體透鏡。本文的研究內容主要包括以下幾個方面:(1)針對以往液體透鏡多使用導電鹽溶液,存在的易電解、產生氣泡、溫度限制以及蒸發(fā)等問題,本文使用更穩(wěn)定的透明介電液體來替代導電溶液。介電液體本身不導電或非良導體的特性,可以避免驅動過程中的電解擊穿,而且介電液體可選擇范圍更廣,性質更穩(wěn)定。利用非均勻電場產生的介電力可增強和控制介電液體的潤濕性,來達到操控液滴形變和位移的效果。同時,實驗對比了常見的四種介電液體的驅動效果。(2)對基于介電效應的微液滴驅動的影響因素進行了實驗研究。通過實驗探討了電極圖形、介電層厚度、介電液滴對驅動效果的影響,確定了最優(yōu)參數(shù)組合。電極形狀是產生不均勻電場的必要條件,本文針對液滴的橫向擴散和圓形擴散分別設計了交錯結構和叉指結構電極,并將之運用于離散化液滴驅動和液體透鏡中,均達到預期效果。使用旋涂法制備的5μm厚的PDMS薄膜,同時起到介電層和疏水層的雙重作用,既能增大初始接觸角,又利于液滴形狀改變。(3)針對以往直接加壓的驅動方式,本文改進為調頻加壓的方法,使得液滴初始驅動電壓大大降低。此方法是電壓與頻率同時作用于液滴的驅動效果,較之以往單一研究電壓對驅動效果的影響更進一步。同時簡單的外部電路也便于集成化和微型化。在此基礎上完成了數(shù)字微流控芯片涉及到的液滴傳輸、分裂、融合等多項操控。(4)對比常用液體透鏡驅動方式及其機械結構,本文設計并制作了一款基于調頻法的介電液體透鏡。采用有機材料封裝成經典的圓形結構,根據(jù)幾何光學理論對介電效應液體變焦透鏡的焦距及成像質量進行了研究。實驗驗證了外加頻率與電壓幅值、頻率與接觸角、頻率與焦距和孔徑間的相互作用關系。該介電效應液體透鏡具有體積小巧,回復性和變焦效果良好的優(yōu)點,可變焦距在6~8cm,響應時間約為375ms,功耗約為17.7mW。
【學位授予單位】：重慶理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R318
【圖文】：

圖 1.1 Philips 公司液體透鏡的工作原理和外觀緊隨 Philips 公司之后的是法國 Varioptic 公司，他們在 Philips 公司透鏡結構的礎上，將圓柱形內腔改為圓錐形內腔，這種結構使形變液滴受限于圓錐腔內，施加壓形變后可以恢復原位，不會發(fā)生偏移，如圖 1.2 所示[26]。相較于 Philips 公司透鏡Varioptic 公司的透鏡在光軸偏轉后能自動恢復原位，從而較好的改善了液體透鏡光的穩(wěn)定性。在此基礎上，Varioptic 公司推出了 Arctic320 和 Arctic416 兩款商用“液變焦透鏡”。但是這種結構的液體透鏡也存在一些不足，它只有幾毫米的變焦范圍而且響應時間高達 300ms。

形變后可以恢復原位，不會發(fā)生偏移，如圖 1.2 所示[26]。相較于 Philips 公司透鏡arioptic 公司的透鏡在光軸偏轉后能自動恢復原位，從而較好的改善了液體透鏡光穩(wěn)定性。在此基礎上，Varioptic 公司推出了 Arctic320 和 Arctic416 兩款商用“液焦透鏡”。但是這種結構的液體透鏡也存在一些不足，它只有幾毫米的變焦范圍且響應時間高達 300ms。

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本文編號：2731642