电场力驱动的液体透镜仿真模型研究

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电场力驱动的液体透镜在没有机械力辅助的状态下能可控地、动态地调节焦距,具有超薄、微型化等优点,是传统透镜不可比拟的。电场力驱动的液体透镜包括电润湿液体透镜和介电泳液体透镜两种。电润湿现象和介电泳现象都基于电动力学原理。在微流控工程中,电润湿主要用来控制微小液滴的形状,而介电泳在非均匀电场下控制悬浮在介电液体中的粒子已广泛应用于生物芯片。将电润湿和介电泳应用于液体透镜是当前研究的热点,然而两种电场力的作用效果在微观和宏观上都存在差异,因此进一步研究微观状态下电场力作用的理论和仿真模型,将有助于优化和改进液体透镜的结构,实现精确的动态变焦过程。   本文首先从流体力学出发,讨论了微型设备中流体的特征,以及数值模拟流体运动的控制方程。在此基础上,引入了电场力对流体的影响,即产生于非均匀电场下的电润湿现象和介电泳现象。通过深入研究和比较电润湿和介电泳控制液体运动的内在机理,分析了电润湿和介电泳的异同点,建立了包括电场力的多物理场理论仿真模型,即电润湿现象中接触角变化的Young-Lippmann方程和介电泳现象中的介电泳力方程。以理论分析为基础,本文选用有限元法对电润湿液体透镜和介电泳液体透镜进行了数值仿真模拟。模拟结果表明,采用Young-Lippmann方程来模拟电润湿现象基本符合宏观下观察到的液体动态润湿过程,对于电润湿透镜结构的优化具有指导意义。但是在微观现象方面存在局限性,Young-Lippmann方程不能反映实际的接触角饱和现象,也不能体现出如理论分析指出的三相接触线处微观接触角保持为初始接触角的现象。本文对平面电极结构介电泳液体透镜进行了模拟,仿真结果表明介电常数大的液体集中在电场平方梯度大的区域,这与理论分析中推测出介电泳力和电场平方梯度成正比且两者方向一致相符合。在此基础上,本文提出了凹形电极结构,经模拟发现,由于两相液体接触面处电场的增强,可以有效的降低驱动电压。   以仿真模拟为指导,本文进行了介电泳液体透镜实验,通过光刻工艺制备了平面电极结构和凹形电极结构的液体透镜。实验结果初步验证了理论分析和仿真结论,凹形结构虽然工艺较为复杂,但是有较好的液体聚集效果,更符合透镜的要求。  
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