電場力驅(qū)動(dòng)的液體透鏡仿真模型研究.pdf

1、電場力驅(qū)動(dòng)的液體透鏡在沒有機(jī)械力輔助的狀態(tài)下能可控地、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)焦距，具有超薄、微型化等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)透鏡不可比擬的。電場力驅(qū)動(dòng)的液體透鏡包括電潤濕液體透鏡和介電泳液體透鏡兩種。電潤濕現(xiàn)象和介電泳現(xiàn)象都基于電動(dòng)力學(xué)原理。在微流控工程中，電潤濕主要用來控制微小液滴的形狀，而介電泳在非均勻電場下控制懸浮在介電液體中的粒子已廣泛應(yīng)用于生物芯片。將電潤濕和介電泳應(yīng)用于液體透鏡是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，然而兩種電場力的作用效果在微觀和宏觀上都存在差異，因此

2、進(jìn)一步研究微觀狀態(tài)下電場力作用的理論和仿真模型，將有助于優(yōu)化和改進(jìn)液體透鏡的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)態(tài)變焦過程。
　　 本文首先從流體力學(xué)出發(fā)，討論了微型設(shè)備中流體的特征，以及數(shù)值模擬流體運(yùn)動(dòng)的控制方程。在此基礎(chǔ)上，引入了電場力對流體的影響，即產(chǎn)生于非均勻電場下的電潤濕現(xiàn)象和介電泳現(xiàn)象。通過深入研究和比較電潤濕和介電泳控制液體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理，分析了電潤濕和介電泳的異同點(diǎn)，建立了包括電場力的多物理場理論仿真模型，即電潤濕現(xiàn)象中接觸角變化

3、的Young-Lippmann方程和介電泳現(xiàn)象中的介電泳力方程。以理論分析為基礎(chǔ)，本文選用有限元法對電潤濕液體透鏡和介電泳液體透鏡進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。模擬結(jié)果表明，采用Young-Lippmann方程來模擬電潤濕現(xiàn)象基本符合宏觀下觀察到的液體動(dòng)態(tài)潤濕過程，對于電潤濕透鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。但是在微觀現(xiàn)象方面存在局限性，Young-Lippmann方程不能反映實(shí)際的接觸角飽和現(xiàn)象，也不能體現(xiàn)出如理論分析指出的三相接觸線處微觀接觸角保持

4、為初始接觸角的現(xiàn)象。本文對平面電極結(jié)構(gòu)介電泳液體透鏡進(jìn)行了模擬，仿真結(jié)果表明介電常數(shù)大的液體集中在電場平方梯度大的區(qū)域，這與理論分析中推測出介電泳力和電場平方梯度成正比且兩者方向一致相符合。在此基礎(chǔ)上，本文提出了凹形電極結(jié)構(gòu)，經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，由于兩相液體接觸面處電場的增強(qiáng)，可以有效的降低驅(qū)動(dòng)電壓。
　　 以仿真模擬為指導(dǎo)，本文進(jìn)行了介電泳液體透鏡實(shí)驗(yàn)，通過光刻工藝制備了平面電極結(jié)構(gòu)和凹形電極結(jié)構(gòu)的液體透鏡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了理論分析