液体透镜过压驱动的参数优化
2019-09-19王依凡梁时鸿陈书杰
王依凡 梁时鸿 陈书杰
摘要：电润湿液体透镜具有变焦快、体积小等优点，而响应时间的提升是其研究的一个重点。过压驱动是施加大于目标电压的过压信号，一定时间后跃变回目标电压。实验证明过压驱动可以有效提升响应时间。本研究通仿真对比了目标电压为60V与80V时不同过压驱动下的响应提升，随着过压的增加，响应提升也逐步提高，60V与80V电压最大分别达到了2.7倍和2.5倍。而且发现过压大于110V时，最佳过压时间与目标电压成一定线性关系。
关键词：液体透镜;过压驱动;过压时间
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）20-0285-02
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1 概述
基于电润湿效应制备的液体透镜具有耗能低、体积小、变焦快等优势，所以对液体透镜的研究具有很大的市场前景。B. Berge 等人在实验中对液体透镜的性能进行测试，结果表明其光功率变化范围是人眼的5-10倍，响应时间可低至 0.03s，功耗也仅为几个毫瓦[1]。2005年S.Kuipera等人使用盐溶液和非极性油对双液体透镜进行改进，驱动电压为50-100V，能耗仅为0.5μJ[2]。2015年韩国Hongwen Ren等人利用ITO导电玻璃研制的可调液体透镜可在0-28V的电压下驱动[3-4]。而为了提升响应时间，许多研究都在对激励信号进行优化。Omkar D.Supekar等人发现输入指数上升驱动信号可以有效的抑制液体界面的震荡[5]。JongByungChae 等人通过输入过压驱动信号，响应时间有较大的提升[6]。过压驱动信号如图2所示，V1为过压值，V2为目标电压，V1>V2，t为过压时间。本研究将使用COMSOL仿真软件模拟液体透镜过压驱动，得到了60V与80V电压下不同过压驱动的响应提升，在过压大于110V时，过压时间与目标电压具有一定的线性关系。
2 仿真设置
液体透镜的理论模型如图1所示。在COMSOL中，建立半径为1.5mm，高为1mm的圆柱体的二维对称模型。模型上部分为绝缘液体（粘度50mPa·s），下部分为导电液体（粘度1.5mPa·s），高0.55mm，密度都为1000kg/m^3。液体间的表面张力为50mN/m，界面初始接触角为140°。响应时间定义为导电液面达到趋于稳定高度所需的时间，误差为0.5%。
3仿真结果
在本研究中过压信号表示为V1（t）→V2，先加t时间的过压，再跃变回目标电压。对60V电压的仿真设置了4种驱动信号，分别为（I）60V， （II）90V（6ms）→60V，（III） 100V（4ms）→60V，（IV）110V（4ms）→60V，响应时间分别为60ms，26ms，25ms，22ms，在过压110V时响应提升了2.7倍。对 80V电压的仿真设置了4种驱动信号，分别为（I）80V，（II）90V（8ms）→80V，（III） 100V（8ms）→80V，（IV）110V（6ms）→80V。响应时间分别为40ms，31ms，17ms，16ms，在过压110V时响应提升了2.5倍。
在Jong Byung Chae的研究中，过压驱动对响应提升的理论值为t1-t2，t1，t2分别为直流驱动与过压驱动下液面到达稳定高度所需的时间。在对70-140V直流驱动的仿真中，液面中心高度随时间变化如图3所示，可以发现，过压值越大液面下降速度越快，t2也就越小，响应的提升也就越大，而这也与目标电压为60V，80V的过压仿真结果相吻合。
随后我们在过压值为110V，120V，130V，140V时，对最佳过压时间与目标电压的关系进行探究。而为了限定过压时间的范围，在目标电压为过压值的液面变化曲线中，找到最先到达稳定高度的时间点t。例如对目标电压为60V采用100V的过压驱动，在图中先确定60V曲线稳定后的高度，然后表2 60-100V对应最佳过压时间在100V曲线中找到最先到达该高度的时间点t。在对
通过对比不同过压时间下的响应提升，得到了过压值为110-140V下，目标电压为60-100V对应的最优过压时间，如表2所示，将表中数据转换为图4的折线图。在过压大于110V 图4 过压时間与目标电压关系时过压时间与目标电压具有一定的线性关系。对比表1与表2，最优过压时间相对于对应过压的t值，差值在3ms左右。
4 结论
本文对目标电压为60V和80V进行不同过压驱动的仿真，响应提升随着过压的增大而提高，在过压110V时响应提升分别达到了2.7倍和2.5倍。在固定过压值时，我们限定了过压时间的取值范围。在过压大于110V时，最优过压时间与目标电压具有一定线性关系，且最优过压时间与对应过压的t值的差值都在3ms左右。
参考文献：
[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.
【通联编辑：梁书】
