基于压电驱动的全固态可变焦微透镜结构设计与仿真研究

传统的光学透镜通过音圈马达(VCM)驱动,焦距不可调且结构复杂、存在电磁干扰,当前研究的热点是液体微透镜,可通过改变微透镜表面的曲率半径实现变焦,但存在漏液、重力效应等问题, 本文设计了一种基于压电驱动的固体可变焦微透镜,通过采用压电陶瓷－玻璃薄膜－压电陶瓷三层式结构的压电驱动器间接驱动柔性微透镜介质PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜,使其产生相应的弯曲来达到调焦的目的,具有体积小、可变焦范围广、无漏液和重力效应、无电磁干扰等优势引起了人们的广泛关注,利用COMSOL仿真软件研究了不同压电驱动结构对微透镜性能的影响,确定了微透镜各组件的最佳结构参 数,探讨了不同驱动电压下微透镜的形变量和焦距,为高可靠微透镜的设计提供了新颖的解决方案。     

流式细胞仪系统中液体变焦透镜的设计与制作

以聚二甲基硅烷(PDMS)为基础,设计制作了一种 封闭式液体变焦透镜。通过对PDMS薄膜形变情况 的仿真分析,利用Matlab数学建模与ANSYS结构仿真,得到薄膜形变结果,确定了合理的透 镜腔体结构。 在制备工艺上,首先利用SU-8模型制作了PDMS透镜腔,再使用混合PDMS制作出腔体的盖片 ;然后将两部 分进行表面处理后键合,注射填充液、完成二次封装;最后对透镜的表面形变和焦距变化进 行了测试,根 据测试结果绘制了焦距-磁通量曲线。测试中,在磁通量从200mT到 600mT的过程中,焦距 由22.0mm变为20.2mm。 结果表明,以本文方法制作变焦透镜,可以简化工艺步骤,降低制造成本,减小整体体积, 焦距可控,有着更好的密封性,受外界环境干扰小。     

PZT压电薄膜无阀微泵的制备工艺及实验研究

介绍了一种基于PZT薄膜的无阀压电微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,自制的压电圆型薄膜片作为驱动部件,采用收缩管/扩张管结构,压电圆型致动片和PDMS泵膜的组合可产生较大的泵腔体积改变。在对微泵制备工艺研究的基础上,对其性能进行了实验研究,结果表明:电压和频率对流速均有显著影响。在7.5 V1、80 Hz的正弦电压驱动下,该压电微泵的最大输出流速为2.05μL/min。该文制作的微泵具有流量稳定,驱动电压较低,性能稳定可靠和易控制等优点,可满足微流体系统的使用要求。     

50Hz交流电控制的可变焦液体透镜

研究了采用"金属导电基底/Parylene介电层/Teflon疏水层"透镜内芯材料的介电上电润湿(EWOD)特性。实验获得了导电液滴分别在直流电(DC)和50Hz交流电(AC)控制下的接触角随电压变化的曲线。实验结果表明,为达到DC电源控制下的液滴的EWOD相同效果,使用低频的AC电压应考虑其瞬时最大值而不是有效值(均方根值)。目前已经制作出基于50Hz交流电控制的可变焦液体透镜并进行加电压变焦实验。给出了该液体透镜的焦距与电压之间的变化曲线,实验结果与上述分析一致。     

基于聚合物突起的液晶透镜阵列

提出了一种基于聚合物突起液晶透镜阵列。该液晶透镜阵列的周期性聚合物突起上镀有氧化铟锡透明电极，利用介电层抹平相剖面，通电状态下在液晶层内部产生沿透镜孔径呈线性变化的垂直电场，在液晶层内形成了呈中心对称的梯度折射率分布，从而使液晶层对入射光线有聚焦作用。优化后的液晶透镜阵列采用较薄的液晶层，大幅缩短了液晶透镜阵列的响应时间。所提液晶透镜阵列具有工作电压较低、电极简单、基板内部侧平面化和液晶层厚度均匀等优点。仿真结果表明，通过改变驱动电压，该液晶透镜阵列的焦距可以从无穷大连续调节到1.28 mm。     

基于PDMS薄膜的微透镜制作方法

提出了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的软模压印制作微透镜的方法。首先,采用具有钝化层的普通硅片作为基底加工出PDMS薄膜;然后,将薄膜粘于刻有对应孔径的硅模板上,薄膜在负压作用下产生凹陷,滴入快速固化的光固化树脂,固化后得到反向的模具作为制备微透镜结构的母板;最后,通过两次复制模具的方法,在PDMS上得到和母板一致的微透镜。实验测试了微透镜的厚度、焦距和成像效果,结果表明所得微透镜具有良好的表面形貌和聚光效果。这种制作方法可以极大地缩短微透镜的加工时间,并降低成本,为制作微透镜提供了一种简捷的方法。     

可调偶次非球面液体透镜和变焦距光学系统的仿真研究

本文提出了一种结合电润湿效应和静电力共同作用的可调偶次非球面液体透镜，利用Comsol Multiphysics软件对非球面液体透镜进行仿真研究，四圆环电极产生的静电力可以灵活地调整液体透镜的面型。利用该液体透镜设计了变焦光学系统，采用Zemax软件获得优化校正像差的非球面方程。作为可调偶次非球面液体透镜的目标面型，调整电润湿电极和四圆环电极上的电压，仿真得到的非球面与目标非球面间的光程均方根误差小于λ14，满足Marechal判据。在26～30 mm焦距范围内，与环形电极电压为0 V的液体透镜系统相比，环形电极施加调节电压的可调偶次非球面液体透镜变焦距系统有良好的成像效果。     

梯形凸起电极液晶变焦透镜

液晶变焦透镜由于其结构紧凑,低功耗,性能稳定,易于制备等特点,在图像处理,光通信,机器视觉,可切换2D/3D显示等方面应用广泛,但是工作电压高阻碍了其实际应用和商业化。本文提出了一种梯形凸起电极结构的液晶变焦透镜,用TechWiz LCD 3D软件模拟了此种结构的电场和液晶分子分布,对比分析了液晶盒厚、电极高度、电极梯角和电极宽度与间隔比对液晶透镜工作电压的影响。模拟结果显示,当液晶盒厚为10μm时,液晶透镜的驱动电压可以降低到10V以内;在焦距变化范围相同的情况下,梯形凸起电极液晶透镜比传统的平面电极液晶透镜的工作电压降低了35.8%。对于梯形凸起电极结构的液晶变焦透镜,当电极高度占液晶盒厚40%,电极梯角选为60°,电极宽度与间隔比为100∶50时,其工作电压最低。     

充液型可调双焦微透镜的设计与仿真

可调双焦微透镜由底部的含有内外薄膜的PDMS主体结构和包含出入液口的PDMS盖片组成。微透镜可以通过紫外光刻、软光刻工艺制得。使用ANSYS仿真得到PDMS内外薄膜在不同压强下的变形图,然后利用ZEMAX仿真得到透镜的内外焦距、焦距差和光线追迹图、成像图。上述设计与仿真将为可调双焦微透镜的实际应用提供理论依据。由于微透镜的主光轴平行于基底,便于与其他光学器件集成,可广泛应用于微流检测、光镊等领域。     

基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片

根据介电润湿(EWOD)原理,建立了电润湿力与驱动电压的关系,提出一种基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片设计方案。该芯片利用MEMS技术在铬版玻璃上分别制作出金属微电极阵列和聚酰亚胺介质膜,再使用聚四氟乙烯分散液进行疏水处理,通过在电极阵列和微液滴之间直接施加电压以实现微液滴的驱动。对单平面微液滴驱动芯片的液滴介电润湿效应进行了仿真分析,结果表明仅使用疏水层便可观察到明显的介电润湿现象,接触角测量值与理论值吻合较好。使用该驱动芯片成功实现了微液滴的稳定传输,传输速度达到3.31 mm/s左右,并在实验基础上分析了传输速度与驱动电压幅值和频率的关系。     

主光轴平行于基底的微透镜阵列设计与制作

用聚二甲基硅氧烷(PDMS)软光刻工艺实现了一种主光轴平行于基底的微透镜阵列。首先对微透镜形成过程中的PDMS薄膜受力和变形情况进行了分析,并采用有限元分析方法对不同压力、不同厚度的薄膜变形情况进行了模拟,确定了合理的微透镜腔体结构;然后利用SU-8负模制作了PDMS微透镜腔体,将腔体与盖片进行了密闭封装,通过一定的压力向其注入紫外固化光学胶成型了微透镜阵列;最后使用自制装置对微透镜阵列的聚焦效果进行了测试。结果表明,提出的制作方法简单易行、成本低廉和焦距可控,而且易与其它的微系统集成到同一芯片。     

软刻蚀复制技术制作聚合物微透镜阵列

介绍了利用软刻蚀紫外模塑技术制作复制聚合物折射和衍射微透镜阵列的工艺过程.实验过程和测试结果表明,聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具可以完好地将母版上的微透镜阵列复制到硅或玻璃材料上的光敏胶上,并可多次使用,且母版无损伤.此技术具有速度快,工艺简单的特点,可用于微透镜与图像传感器的单片集成.     

圆锥双液体变焦光学系统的研究

基于圆锥结构的双液体变焦透镜,以无穷远物体成像为例,深入分析了无机械运动的圆锥双液体变焦光学系统在满足焦距改变和像面保持不变两个基本要求时,其相关参数必须满足的条件,并给出了相应的关系表达式。在此基础上,通过数值逼近的办法计算了该光学系统在外加电压作用下满足以上两个基本要求时可以达到的变焦范围。设计的无机械运动变焦透镜系统的变焦范围比较宽,并且系统的焦距值可以根据实际需要通过选择不同焦距的固定透镜满足相应的要求。     

双腔并联式无阀压电微泵的设计及制作

为了实现微流控芯片的小型化、集成化,设计并制作了一种可定量连续输送微量液体的无阀压电微泵.该微泵采用双腔并联式结构,利用微机电系统(MEMS)技术在硅基片上制作了具有扩散口/喷口无阀结构的出入水口,采用压电双晶片作为驱动部件,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜.测试结果表明,泵膜的厚度、工作频率和电压对微泵的输出流速均有明显的影响,在频率1100 Hz及电压80 V时,双腔体并联式无阀压电微泵的最大流速为210μL/min,约为相同结构单腔体微泵流速的1.5倍.     

用于自适应红外焦平面探测器的液晶微透镜阵列

主要讨论了面阵电控液晶微透镜在设计、制作和测试等方面的若干关键性问题,主要包括:(一)进行了液晶结构电极间的电场分布仿真;(二)通过标准微电子工艺制作了原理性器件;(三)采用高斯激光束照射液晶结构,在改变驱动电压的情形下获得了所需要的电控光学干涉性能.所制作的阵列液晶微透镜具有制作工艺简单、器件紧凑、灵巧、功耗低、操作方便、易于匹配耦合与集成等特点.分析了将所发展的液晶微透镜技术用于改善和增强红外焦平面探测结构的光电性能等方面的问题.     

静电驱动微机电数模转换器的结构设计

由于静电驱动具有结构简单、响应时间短和功耗小等优点,在微执行器中得到了广泛的应用。随着应用范围的不断扩大,实际使用中对微执行器的精度和稳定性提出了越来越高的性能要求,使得传统的模拟电压驱动方式逐渐向数字电压驱动转移以满足这些要求。基于传统的静电驱动方式,提出了一种全新的纵向数字电压驱动方式,以期得到高精度、高稳定性的驱动源。根据这一思想,在传统的悬臂梁结构的基础上,采用条状电极,实现了微机电数模转换器(MEMDAC)的结构设计,并借助ANSYS软件完成了结构分析与模拟,证明了设计的可行性。     

低阈值高对比度PDLC薄膜的制备

采用PIPS法制备聚合物分散液晶(PDLC)薄膜,通过在液晶/预聚物复合体系中添加甲基丙烯酸丁酯调控聚合物与液晶微滴界面的锚定能,以改善PDLC的电光特性。研究了甲基丙烯酸丁酯含量对PDLC膜的偏光显微镜下形貌、光电性能的影响,最后优化工艺参数,制备出低阈值、高对比度的PDLC薄膜。实验结果表明,适量加入甲基丙烯酸丁酯有利于降低阈值电压和饱和驱动电压。另外,还研究了PDLC薄膜的电光特性与驱动电压频率的关系,发现PDLC的阈值电压和饱和驱动电压均随着频率的升高而增大,同时电光曲线趋于平缓。     

液晶偏振变焦透镜组合设计

具有可变焦能力的透镜在成像、传感和检测等领域扮演着重要角色。本文通过研究液晶偏振透镜的光学特性,设计出多点变焦的液晶偏振透镜变焦系统。液晶偏振透镜是一种利用液晶分子指向矢(光学各向异性轴)特定的空间排列,产生特定几何相位差从而达到波前控制效果的光学器件,对于左/右旋圆偏振光分别表现为正/负透镜效果。利用液晶偏振透镜的偏振特性及液晶分子受电场调制的性质,本文设计出由一片普通正透镜、一片可调谐液晶波片和两片液晶偏振透镜组成的液晶偏振变焦透镜组合,在特定的偏振入射光下,可以实现7个焦距的改变。同时,通过优化透镜焦距、间隔等参数,可以使变焦透镜组合实现等间隔变焦等功能。实验结果显示,在633nm圆偏振光下,利用自主制备的液晶偏振透镜组成的液晶偏振变焦透镜组合系统成功实现了7个焦距的变焦功能,同时变焦距离基本符合预期且部分焦距(前6个)实现了等间隔分布,充分验证了利用液晶偏振透镜实现多点变焦的可行性。     

开拓光学应用的新型液晶

美国中佛罗里达大学的一个研究小组研制出一种具有梯度变化微滴尺度分布的聚合物扩散分布型液晶。这种梯折 (微滴尺度 )分布液晶可作为可开关棱镜光栅以及可调焦正透镜和负透镜 ,可用于一系列其他器件无法实现的场合。在该项研究中 ,科研人员还另受启发 ,由此产生了研制一种可调谐眼镜的思路。这种眼镜能利用电压调节 ,以满足佩戴者不断变化的需求。此外 ,研究人员还计划研究一种照相机用电 光变焦距物镜。研究人员现已开发出两种聚合物扩散分布液晶器件。为液晶显示器研究的液晶微滴的特征尺寸约为 1 μm ,散射光覆盖可见光谱区 ,而为波长…     

MEMS铜基微同轴传输线性能仿真及测试

研究了一种新型的MEMS超宽带铜基微同轴传输系统。设计了特性阻抗为50Ω铜基微同轴传输线结构,其仿真电压驻波比(VSWR)在DC～110 GHz内低于1.15。且设计了可用于探针台测试和芯片金丝键合的地-信号-地(GSG)转接结构,仿真插入损耗低于0.1 dB。采用该微同轴结构和GSG转接结构设计了用于探针台测试的直通-反射-传输线(TRL)校准套件,利用薄膜工艺加工得到了铜基微同轴传输线及校准件实物,通过实验测试得到该微同轴传输线DC～40 GHz最大插入损耗为0.35 dB/cm,通过仿真拟合推算其110 GHz下的插入损耗约为0.65 dB/cm,该插入损耗性能显著优于平面印刷传输线,同时,该微同轴传输线的体积远小于波导传输结构,可以用于研制小型化、高性能、高集成密度微波/毫米波系统。