液體透鏡過壓驅(qū)動的參數(shù)優(yōu)化

王依凡 梁時鴻 陳書杰

摘要：電潤濕液體透鏡具有變焦快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，而響應(yīng)時間的提升是其研究的一個重點(diǎn)。過壓驅(qū)動是施加大于目標(biāo)電壓的過壓信號，一定時間后躍變回目標(biāo)電壓。實驗證明過壓驅(qū)動可以有效提升響應(yīng)時間。本研究通仿真對比了目標(biāo)電壓為60V與80V時不同過壓驅(qū)動下的響應(yīng)提升，隨著過壓的增加，響應(yīng)提升也逐步提高，60V與80V電壓最大分別達(dá)到了2.7倍和2.5倍。而且發(fā)現(xiàn)過壓大于110V時，最佳過壓時間與目標(biāo)電壓成一定線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：液體透鏡;過壓驅(qū)動;過壓時間

中圖分類號：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0285-02

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1 概述

基于電潤濕效應(yīng)制備的液體透鏡具有耗能低、體積小、變焦快等優(yōu)勢，所以對液體透鏡的研究具有很大的市場前景。B. Berge 等人在實驗中對液體透鏡的性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明其光功率變化范圍是人眼的5-10倍，響應(yīng)時間可低至 0.03s，功耗也僅為幾個毫瓦[1]。2005年S.Kuipera等人使用鹽溶液和非極性油對雙液體透鏡進(jìn)行改進(jìn)，驅(qū)動電壓為50-100V，能耗僅為0.5μJ[2]。2015年韓國Hongwen Ren等人利用ITO導(dǎo)電玻璃研制的可調(diào)液體透鏡可在0-28V的電壓下驅(qū)動[3-4]。而為了提升響應(yīng)時間，許多研究都在對激勵信號進(jìn)行優(yōu)化。Omkar D.Supekar等人發(fā)現(xiàn)輸入指數(shù)上升驅(qū)動信號可以有效的抑制液體界面的震蕩[5]。JongByungChae 等人通過輸入過壓驅(qū)動信號，響應(yīng)時間有較大的提升[6]。過壓驅(qū)動信號如圖2所示，V1為過壓值，V2為目標(biāo)電壓，V1>V2，t為過壓時間。本研究將使用COMSOL仿真軟件模擬液體透鏡過壓驅(qū)動，得到了60V與80V電壓下不同過壓驅(qū)動的響應(yīng)提升，在過壓大于110V時，過壓時間與目標(biāo)電壓具有一定的線性關(guān)系。

2 仿真設(shè)置

液體透鏡的理論模型如圖1所示。在COMSOL中，建立半徑為1.5mm，高為1mm的圓柱體的二維對稱模型。模型上部分為絕緣液體（粘度50mPa·s），下部分為導(dǎo)電液體（粘度1.5mPa·s），高0.55mm，密度都為1000kg/m^3。液體間的表面張力為50mN/m，界面初始接觸角為140°。響應(yīng)時間定義為導(dǎo)電液面達(dá)到趨于穩(wěn)定高度所需的時間，誤差為0.5%。

3仿真結(jié)果

在本研究中過壓信號表示為V1（t）→V2，先加t時間的過壓，再躍變回目標(biāo)電壓。對60V電壓的仿真設(shè)置了4種驅(qū)動信號，分別為（I）60V， （II）90V（6ms）→60V，（III） 100V（4ms）→60V，（IV）110V（4ms）→60V，響應(yīng)時間分別為60ms，26ms，25ms，22ms，在過壓110V時響應(yīng)提升了2.7倍。對 80V電壓的仿真設(shè)置了4種驅(qū)動信號，分別為（I）80V，（II）90V（8ms）→80V，（III） 100V（8ms）→80V，（IV）110V（6ms）→80V。響應(yīng)時間分別為40ms，31ms，17ms，16ms，在過壓110V時響應(yīng)提升了2.5倍。

在Jong Byung Chae的研究中，過壓驅(qū)動對響應(yīng)提升的理論值為t1-t2，t1，t2分別為直流驅(qū)動與過壓驅(qū)動下液面到達(dá)穩(wěn)定高度所需的時間。在對70-140V直流驅(qū)動的仿真中，液面中心高度隨時間變化如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，過壓值越大液面下降速度越快，t2也就越小，響應(yīng)的提升也就越大，而這也與目標(biāo)電壓為60V，80V的過壓仿真結(jié)果相吻合。

隨后我們在過壓值為110V，120V，130V，140V時，對最佳過壓時間與目標(biāo)電壓的關(guān)系進(jìn)行探究。而為了限定過壓時間的范圍，在目標(biāo)電壓為過壓值的液面變化曲線中，找到最先到達(dá)穩(wěn)定高度的時間點(diǎn)t。例如對目標(biāo)電壓為60V采用100V的過壓驅(qū)動，在圖中先確定60V曲線穩(wěn)定后的高度，然后表2? 60-100V對應(yīng)最佳過壓時間在100V曲線中找到最先到達(dá)該高度的時間點(diǎn)t。在對t的過壓時間的仿真中，發(fā)現(xiàn)=t，>t時，液面會發(fā)生明顯的震蕩，影響響應(yīng)的提升，故加壓時間的取值應(yīng)該小于對應(yīng)的t值，目標(biāo)電壓為60-100V時，過壓為110-140V對應(yīng)高度與時間t如表1所示。

通過對比不同過壓時間下的響應(yīng)提升，得到了過壓值為110-140V下，目標(biāo)電壓為60-100V對應(yīng)的最優(yōu)過壓時間，如表2所示，將表中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖4的折線圖。在過壓大于110V 圖4? 過壓時間與目標(biāo)電壓關(guān)系時過壓時間與目標(biāo)電壓具有一定的線性關(guān)系。對比表1與表2，最優(yōu)過壓時間相對于對應(yīng)過壓的t值，差值在3ms左右。

4 結(jié)論

本文對目標(biāo)電壓為60V和80V進(jìn)行不同過壓驅(qū)動的仿真，響應(yīng)提升隨著過壓的增大而提高，在過壓110V時響應(yīng)提升分別達(dá)到了2.7倍和2.5倍。在固定過壓值時，我們限定了過壓時間的取值范圍。在過壓大于110V時，最優(yōu)過壓時間與目標(biāo)電壓具有一定線性關(guān)系，且最優(yōu)過壓時間與對應(yīng)過壓的t值的差值都在3ms左右。

參考文獻(xiàn)：

[1] Berge B and Peseux J， Variable focal lens controlled by an external voltage： An application of electrowetting[J].European Physical Journal E， 2000， 3（2）： 159-163.

[2] CHENG C C，YEH J A.Andrew Yeh.Dielectrically actuated liquid lens [J].OPTICS EXPRESS.2007，15（12）：7140-7145.

[3] XU M，WANG X，REN H.Tunable focus liquid lens with radial-patterned electrode[J].Micromachines，2015，6（8）：1157-1165.

[4] XU M，XU D，REN H，et al.An adaptive liquid lens with radial interdigitated electrode[J].Journal of Optics，2014，16（10）：105601.

[5]Supekar O D，Zohrabi M，Gopinath J T，Bright V M.Enhanced Response Time of Electrowetting Lenses with Shaped Input Voltage Functions[J].American Chemical Society，2017，33，4863-4869.

[6]Chae J B，Hong J，Lee S J，Chung S K.Enhancement of response speed of viscous fluids using overdrive voltage[J].Sensors and Actuators B： Chemical，2014，209（2015），56–60.

【通聯(lián)編輯：梁書】