基于液晶光电特性的静电测量

王耀强， 谢 飞， 胡轶瑶， 徐律涵， 陈晓西

(电子科技大学 光电科学与工程学院，四川 成都 610054)

1 引 言

随着科技的发展，静电在人们日常生产生活中产生的影响也逐渐增大，因此静电的应用和防护成为了一个重要的研究方向。一方面，静电技术已被广泛运用到各行各业，如电子照相、静电存储、静电照相机等；另一方面，静电的危害和灾难也时有发生，如静电引起的爆炸、干扰通信等[1]。静电的监测在航天、石油化工、工业生产、气象、集成电路等领域也具有重要意义[2]。国内外学者普遍认为：人体静电是静电防护工程中主要危害源之一[3]，因此人体静电的测量是静电的应用和防护的一个基础。目前已有的静电测量设备主要分两种，一种是接触式静电测量设备，如利用静电传感器系统测量静电，优点在于精度较高[4]；一种是非接触式静电测量设备，如基于微机电系统(MEMS)的非接触式静电测量设备、基于STM32的非接触式静电电位测量系统。而目前市面上的非接触式静电测量设备多存在受测试距离影响大、成本较高、功耗较大等缺点[5]，因此迫切需要一种简单方便、灵敏度高、功耗小的静电测量装置。目前市面上的静电检测仪主要利用给定的高压电场，对被测试样定时放电，使试样感应静电，从而进行静电电量大小、静电压半衰期、静电残留量的检测，以确定被测试样的静电性能。液晶是一种优异的各向异性材料，在电场和温度的作用下能产生各种电光效应和热光效应，利用这些效应可以达到显视测量等目的[6-7]。目前液晶器件主要用于显示领域，最常见的是向列相液晶显示器，如计算器、电子表、仪器仪表、手表表盘等显示器[8]。利用液晶分子对人体静电的响应可以达到测量人体静电的目的。人体静电以电荷的形式分布在人体表面，当人体与未带电电容器的一端接触时会形成电势差，进而使得电荷转移到电容器与人体接触的一个基板上，最终形成相对稳定的电荷分布。而由于电容器的另一基板接地，两基板之间会形成电场，基板中液晶分子在电场的作用下，其分子取向发生变化[9]，从而改变光的透过效果。通常人体所带静电量为几百伏到几千伏[2]，而本文中介绍的器件利用叠加上基板的方法增大了测量范围，3层上基板的器件测量范围达到几千伏，能够测量人体所带的静电量。本文介绍了一种基于液晶光电特性的人体静电测量装置，然后详细介绍了装置的测量原理和方法、标定实验及测量误差。

2 器件及系统介绍

2.1 多层基板器件

液晶器件由多块玻璃ITO图形上基板、液晶层及一块ITO图形玻璃下基板构成。上、下基板靠近液晶层端为ITO电极端，上基板电极为含有不同图样的ITO区域，下基板电极为整块ITO区域。每相邻两个ITO电极构成一个电容，整个液晶盒由多个电容、玻璃基板及一个液晶层串联而成。为了得到更低的液晶器件阈值电压，下基板与相邻上基板所用的取向层分别为垂面取向层和沿面取向层且摩擦方向相互垂直，此器件液晶层液晶分子扭曲混合排列。相邻两块基板错开叠加排列，每两块基板不重合区域设置一个电极导线端并通过导线接入外加电压。实验中制备了一个3层基板的液晶器件结构(如图1所示)，最外层的两块偏振片的吸光轴相互正交。2层上基板结构测到的电压范围有限，若要测量更大的电压范围，可以通过增加上基板分压的方法，上基板越多，测量的范围越大。

图1 液晶盒结构图Fig.1 Structure diagram of liquid crystal cell

2.2 器件工作原理

此液晶器件通过液晶分子对电场的响应情况，判断所加电压大小。器件中的液晶分子扭曲混合排列，且器件两端所放置的偏振片的吸光轴相互正交。不加电压时，光能够全部通过液晶器件；加上低压后，液晶分子指向矢发生偏转，部分光被阻挡；加上高压后，液晶分子完全偏转，全部光被阻挡。器件不同区域具有不同的测量范围，当液晶层上分压一致时，高层的上基板电压更大。所以上基板1测量的是低压区域，上基板2测量的是高压区域。不加电时，器件对光的透过率如图2(a)所示，各区域的光均能全部透过；加低压时，器件对光的透过率如图2(b)所示，此时器件低压区域由于电场的作用液晶分子发生不完全偏转，器件对光的透过率降低，部分光被阻挡，高压区域不受影响；加高压时，器件对光的透过率如图2(c)所示，此时低压区域已经饱和，液晶分子完全偏转，全部光被阻挡，高压区域液晶分子不完全偏转，部分光被阻挡。液晶分子偏转的角度即器件透过率可以直接等效于平行光源透过器件的图像灰度值，实验中通过对液晶器件灰度值与所加电压的标定得到标定关系式，利用标定关系式可以测量人体静电。液晶器件利用多层基板叠加分压可以实现对更大范围电压的测量，每层基板测量的范围不同，而器件可以将所有测量同时显示，因此叠加基板可以实现对更大范围电压的测量。器件中的不同基板对于电压的响应有一个范围，实验中制备的液晶器件上基板1测量时的阈值电压是1.0 V，饱和电压是2.9 V，上基板2测量时的阈值电压是75 V，饱和电压是150 V，两基板所加电压在其阈值电压与饱和电压之间时，器件透过率随着所加电压的变化而变化，低于阈值电压或高于饱和电压时，不随所加电压变化。同时由于器件中不同基板的ITO图像分别位于基板的不同位置上且互不重合，当采集平行光源透过基板的图像时，就能够同时采集器件中所有上基板的ITO区域的灰度值，也就能够实现高低压测量范围在液晶器件的不同位置上同时显示。为了获得连续性测量，找出两基板灰度值一致时的所加电压，得到上下基板的放大倍数，再利用放大倍数获得连续性测量。

(a)器件不加电(a)No voltage applied to the device

2.3 测量原理及方法

此液晶器件利用液晶的光电特性对静电进行测量。当人体与测试端接触时会在两基板间形成电场，从而改变液晶分子的指向矢方向，即改变此器件光源的透过率。图像传感器采集光源透过此液晶器件的图像，并读取图像的灰度值。按照标定实验中所确定的灰度值与电压曲线即可判断此时静电电位的大小。

由于静电测量一般都由静电电位测量替代[3]，所以在测试前，首先需要对图像的灰度值与所加电压间的关系进行标定。测试系统包括从左至右的平行光源、液晶器件、图像采集和处理模块(图3)，液晶器件共分为n个电压测量区域，上基板共引出n条导线与人体相连，下基板引出一条导线接地。为了测量更大的电压范围，可以继续叠加上基板。在测量过程中，将此液晶器件下基板一端接地，上基板作为测试端，使人体与测试端接触。人体静电驱动液晶器件后，图像采集装置采集平行光源透过器件的图像。采集图像后，图像处理系统利用采集的图像首先判断出电压位于哪个区域，然后求出对应ITO区域的平均灰度值，最后利用灰度值及该区域标定关系式求出所加电压。

图3 测试系统框图Fig.3 Block diagram of test system

3 系统的标定

3.1 各基板灰度值与电压关系标定

对于图像灰度值与所加电压间关系的标定，所采用的标定系统由电压输出端(函数发生器、放大器)、平行光源、多层基板叠加的液晶器件、图像采集和处理模块组成，电压输出端用来模拟人体提供已知可变的交流电压。在标定过程中依次对各上基板进行标定，并由图像采集处理模块采集基板不同压差下对应的图像，后提取采集图像的灰度数据，将施加的电压及对应的图像灰度值进行绘图，最后将灰度-电压曲线进行拟合从而得到一个完整的表达式，通过此表达式可以由图像灰度值求出给定范围内的任一电压值。图4(a)是上基板1施加0.5～3.5 V电压时图像采集系统采集到对应的图像，图4(b)是上基板1施加70～220 V电压时图像采集系统采集到对应的图像。

(a)上基板1不同压差对应图像(a) Images of upper substrate 1 under different voltage

通过实验数据可以发现每块基板均存在阈值电压和饱和电压，即图像灰度值只在一定电压范围内变化。图5中蓝线代表实际灰度值-电压曲线，红线代表拟合曲线，上基板1的阈值电压是1.0 V，饱和电压是2.9 V；上基板2的阈值电压是75 V，饱和电压是150 V。低于阈值电压和高于饱和电压区域灰度值不随电压改变而改变，于是对线性部分进行拟合，可以得到以下两个表达式，式(1)为上基板1灰度-电压关系式，式(2)为上基板2灰度-电压关系式。

(a)上基板1电压-灰度关系图 (a)Upper substrate 1 voltage-gray diagram

(1)

式中：g1代表上基板1图像的灰度值，ua代表对应所加电压值。

g2=3.18ub-230.50，

(2)

式中：g2代表上基板2图像的灰度值，ub代表对应所加电压值。

通过上述工作可以得到1.3～2.0 V和75～120 V之间的灰度值-电压关系式，因此可以通过灰度值求得此范围内的电压值。

3.2 放大倍数的标定

对于放大倍数的标定，首先将液晶器件等效为电路，等效电路图如图6所示。将上基板1与下基板看成第一电容，上基板2与上基板1看成第二电容。其中ULC、U2分别是第一电容上的电压和第二电容上的电压，U是第一电容和第二电容串联电路的总电压，CLC、C2分别是第一电容和第二电容的电容值，dLC、d2分别是第一电容和第二电容极板间距。

图6 液晶盒等效电路图Fig.6 Equivalent circuit diagram of liquid crystal cell

第一电容和第二电容构成了串联电路，根据串联电路分压知识，有：

(3)

又由：

(4)

其中εr是相对介电常数，S是电容器两基板上ITO区域的面积大小，k是静电力常量，d是两电容上下基板间距，Q是电容器的带电量。将式(4)带入式(3)可得：

(5)

对于验证器件的正确性，利用实验测出两基板放大倍数，与理论计算的放大倍数相比较，即上基板1和上基板2同时加电，观察两者灰度值一致时的电压比即放大倍数。图7为两基板灰度值一致时采集图像，红色虚线图像为上基板1图案，绿色虚线图案为上基板2图案，图中数字代表对应某一时刻上基板1与上基板2所加电压，通过表1可得放大倍数为59～68，与理论计算得出的放大倍数相吻合。

图7 上基板1和上基板2灰度值一致时采集图像Fig.7 Collected images as the gray values of upper substrate 1 consisten with upper substrtez

表1 上基板1和上基板2灰度值一致时的电压倍数Tab.1 Voltage multiple as the gray values of upper substrate 1 consistent with upper substrate 2

在基板标定实验中得到1.3～2.0 V和75～120 V之间的灰度值-电压关系式，为了拓展电压测量范围，可根据放大倍数关系求得2.0～75 V之间灰度值-电压关系，从而求得0～120 V整个范围内的灰度值-电压关系。

4 系统实验及测量误差

对于验证器件的可行性，利用液晶盒进行实际操作测试，即让人体接触测试端，观察器件液晶分子响应情况。图8(a)是人体接触器件之前图像采集系统采集到的图像，ITO区域即图中红色虚线部分与其他区域透过率一样。图8(b)是人体接触之后的图像，可以观察到ITO区域透过率发生变化。对于计算系统的测量误差，给液晶盒施加另一组已知可变的电压，图9(a)和(b)分别是液晶盒加电压后采集到的上基板1、2图像。通过图像处理系统读取图像灰度值并通过所标定的灰度值-电压关系得到所加电压值，将计算出的电压值与实际电压值进行比较，得到测量误差。

测量误差代表器件测量的准确性程度，是衡量器件好坏的一个重要指标。测量误差为计算电压值相较于实际电压值的偏差率，即：

(6)

其中U1为计算电压值，U为实际电压值。

图8 人体测量效果图Fig.8 Rendering of measuring the human body

(a)上基板1采集的图像(a)Images captured by the upper substrate 1

上基板1和上基板2各组数据的测量误差如表2和表3所示，从中可以得出上基板1与上基板2的最大测量误差均不超过9%，因此器件的测量误差不超过9%。且可以观察到计算电压均在一定程度上小于实际电压，这是标定实验中没有考虑到电极分压造成的。

表2 系统实验中上基板1的测量误差Tab.2 Measurement error of upper substrate 1 in test (V)

表3 系统实验中上基板2的测量误差Tab.3 Measurement error of upper substrate 2 in test (V)

5 结 论

本文基于液晶光电特性设计了人体静电测量装置，标定实验中首先对各基板灰度值与电压关系进行标定，得到1.0～2.0 V与75～120 V范围的两个关系式，然后对两基板放大倍数进行标定，得到放大倍数为59～68。为了拓展电压测量范围，可通过叠加上基板和利用放大倍数关系的方法。此器件具有高精度、不易受外界环境影响、适用于高电压测量等优点，实验结果表明，器件测量误差不超过9%。