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基于液晶引流效应的微流体驱动器研究

王安标  
【摘要】:微流体驱动与控制技术是微机械电子系统(MEMS)的一个重要分支,是构成大多数微系统中感应元件和执行器件的主要组成部分,也是MEMS发展需要解决的关键技术之一。本文针对现有微流体驱动技术中普遍存在的微型化难、驱动力小等缺点,研究基于液晶引流效应的微流体驱动器,不仅可以促进微泵、微阀等微流体元器件的快速发展,还能够丰富液晶流变力学、微驱动理论。论文的主要内容如下:(1)数值计算部分:以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础,构建平板运动与液晶引流相联系的一维计算模型,推导并运用MAPLE化简适用于小分子液晶的液晶引流效应的基本方程组;在给出初始边界条件的基础上,依据中心差分法在空间上、二阶龙格-库塔法在时间上对方程组进行离散化,运用MATLAB软件编程进行数值计算并详细分析并行算法、for循环以及向量计算对程序运行时间的影响,选择最佳编程方法;得出液晶引流速度和指向矢的三维变化形式和液晶盒盒厚,电场波形、幅值、频率、占空比对上基片运动速度与位移的影响。(2)实验仪器制作部分,设计制作了一款高电压型四通道任意波形发生器:利用MATLAB对任意波形进行A/D数据采集作为波形输出数据源;运用单片机控制D/A芯片经电流-电压转化电路实现输出任意波形,并通过PA08电压放大电路实现四通道高电压输出;通过Proteus仿真和PCB板焊接制作实物,波形发生器可实现四通道任意波形、幅值、占空比、相位角的单独调节,并实现四通道高电压输出,最高输出电压为110V;依提高波形发生器单通道输出波形频率来优化编程和选择硬件,最终输出频率的可调节范围为0.76Hz~625Hz,性能与指标均满足设计要求。(3)实验研究部分:为了更准确地验证理论计算的结果,此部分需要与理论计算模型相同的实验模型,即上板浮动的液晶盒。市场上液晶盒全部为液晶显示用、两板固定式,不能满足要求。实验部分第一步为制作液晶盒,单方向移动实验所用液晶盒的实验室制作流程包括ITO玻璃片的配置与清洗、ITO基片涂抹配向层、液晶盒基片摩擦配向、液晶的填充与定位粒子的添加四步。通过对不同参数液晶盒施加各种激励电场,并利用偏光显微镜测试分析系统对液晶盒上基片运动情况进行观察记录。最后通过MATLAB编程对运动视频进行追踪,计算上基片运动的速度和位移,和理论计算相比较。实验选用5CB液晶材料,理论计算中Leslie粘性系数、弹性系数等计算参数依据5CB特性选取,定性上,实验数据与计算数据非常吻合,定量上有一定差距。在单方向实验的基础上,进一步做了两方向与四方向的驱动实验,分别设计并制作实验所需的液晶盒,并利用自制波形发生器进行激励,得到了非常好的实验结果。结合液晶盒的制作,可以做到对上板任意方向与速度大小的驱动。通过以上的研究工作,证实了液晶引流作为微流体系统驱动力来源的可能性。以液晶引流效应为基础制作的微流体驱动器,制作流程简单,微型化容易,驱动力较大,能够实现多方向大位移驱动,可以有效弥补目前现有微流体驱动方式的不足,对微流体系统的发展具有重要意义。


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