【摘要】：介電效應(yīng)作為微流控中重要的液滴驅(qū)動(dòng)技術(shù),是通過(guò)不均勻電場(chǎng)使液滴產(chǎn)生極化偶極矩,受介電力達(dá)到形變或移動(dòng)效果。因?qū)ξ⒁旱尉哂休^強(qiáng)的操縱能力,介電效應(yīng)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(xué)器件的典型代表,變焦液體透鏡采用液體作為光學(xué)介質(zhì),利用微流控技術(shù)控制并改變液-液或液-氣界面形狀達(dá)到自動(dòng)變焦的目的。液體透鏡具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、功耗小、易集成等優(yōu)勢(shì),在便攜式攝像頭、成像技術(shù)、醫(yī)用內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的液體透鏡多采用導(dǎo)電液體和直接加壓法來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)控,普遍存在熱穩(wěn)定性差、工作溫度范圍窄、驅(qū)動(dòng)電壓高等缺點(diǎn)。本文基于液滴受到介電效應(yīng)(不均勻電場(chǎng)產(chǎn)生極化作用)產(chǎn)生的介電力作用,從而改變形狀和引發(fā)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)并制作了一款微型介電液體透鏡。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:(1)針對(duì)以往液體透鏡多使用導(dǎo)電鹽溶液,存在的易電解、產(chǎn)生氣泡、溫度限制以及蒸發(fā)等問(wèn)題,本文使用更穩(wěn)定的透明介電液體來(lái)替代導(dǎo)電溶液。介電液體本身不導(dǎo)電或非良導(dǎo)體的特性,可以避免驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的電解擊穿,而且介電液體可選擇范圍更廣,性質(zhì)更穩(wěn)定。利用非均勻電場(chǎng)產(chǎn)生的介電力可增強(qiáng)和控制介電液體的潤(rùn)濕性,來(lái)達(dá)到操控液滴形變和位移的效果。同時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)比了常見(jiàn)的四種介電液體的驅(qū)動(dòng)效果。(2)對(duì)基于介電效應(yīng)的微液滴驅(qū)動(dòng)的影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了電極圖形、介電層厚度、介電液滴對(duì)驅(qū)動(dòng)效果的影響,確定了最優(yōu)參數(shù)組合。電極形狀是產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)的必要條件,本文針對(duì)液滴的橫向擴(kuò)散和圓形擴(kuò)散分別設(shè)計(jì)了交錯(cuò)結(jié)構(gòu)和叉指結(jié)構(gòu)電極,并將之運(yùn)用于離散化液滴驅(qū)動(dòng)和液體透鏡中,均達(dá)到預(yù)期效果。使用旋涂法制備的5μm厚的PDMS薄膜,同時(shí)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(duì)以往直接加壓的驅(qū)動(dòng)方式,本文改進(jìn)為調(diào)頻加壓的方法,使得液滴初始驅(qū)動(dòng)電壓大大降低。此方法是電壓與頻率同時(shí)作用于液滴的驅(qū)動(dòng)效果,較之以往單一研究電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)效果的影響更進(jìn)一步。同時(shí)簡(jiǎn)單的外部電路也便于集成化和微型化。在此基礎(chǔ)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(xiàng)操控。(4)對(duì)比常用液體透鏡驅(qū)動(dòng)方式及其機(jī)械結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)并制作了一款基于調(diào)頻法的介電液體透鏡。采用有機(jī)材料封裝成經(jīng)典的圓形結(jié)構(gòu),根據(jù)幾何光學(xué)理論對(duì)介電效應(yīng)液體變焦透鏡的焦距及成像質(zhì)量進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guān)系。該介電效應(yīng)液體透鏡具有體積小巧,回復(fù)性和變焦效果良好的優(yōu)點(diǎn),可變焦距在6~8cm,響應(yīng)時(shí)間約為375ms,功耗約為17.7mW。
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：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(guó) Varioptic 公司，他們?cè)?Philips 公司透鏡結(jié)構(gòu)的礎(chǔ)上，將圓柱形內(nèi)腔改為圓錐形內(nèi)腔，這種結(jié)構(gòu)使形變液滴受限于圓錐腔內(nèi)，施加壓形變后可以恢復(fù)原位，不會(huì)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(zhuǎn)后能自動(dòng)恢復(fù)原位，從而較好的改善了液體透鏡光的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，Varioptic 公司推出了 Arctic320 和 Arctic416 兩款商用“液變焦透鏡”。但是這種結(jié)構(gòu)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(yīng)時(shí)間高達(dá) 300ms。

形變后可以恢復(fù)原位，不會(huì)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(zhuǎn)后能自動(dòng)恢復(fù)原位，從而較好的改善了液體透鏡光穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，Varioptic 公司推出了 Arctic320 和 Arctic416 兩款商用“液焦透鏡”。但是這種結(jié)構(gòu)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(yīng)時(shí)間高達(dá) 300ms。

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本文編號(hào)：2731642