CN105129721B - 基于液晶背流效应的微驱动器、驱动装置及其动态性能测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶背流效应的微驱动器、驱动装置及其动态性能测量装置，利用液晶材料在脉冲电场的作用下，液晶分子指向矢发生连续变化形成液晶背流效应的动力学特性，设计出液晶型微驱动器的驱动装置，通过调整外电场的强度、频率和占空比来控制液晶分子的旋转速度，从而产生脉冲式的驱动力来实现微驱动器的步进运动。利用连续时域编码技术清晰地观测液晶型微驱动器的运动过程，通过运动跟踪技术分析出其各种动态性能参数。通过上述方式，本发明能够通过简单结构利用液晶将电能转换为动能，实现真正意义上的微纳米尺度的驱动器，并精确地测量到在微小空间内的高速位移变化，有望在生物医疗等低电压精密驱动领域得到可靠的实际应用。

Description

基于液晶背流效应的微驱动器、驱动装置及其动态性能测量 装置

技术领域

本发明涉及液晶流体动力学和光学测量领域，特别是涉及一种基于液晶背流效应的微驱动器、驱动装置及其动态性能测量装置。

背景技术

微驱动器是微机电系统(MEMS)的核心部件。现代超精密机械加工、光学仪器以及生物研究领域也对微型驱动器提出了越来越高的性能和精度要求，新型微驱动器的关键技术研究将有效地促进微机电系统及其集成技术的发展。但现有的微驱动器的驱动材料都存在一定的应用局限性；使得需要高驱动电压，结构设计比较复杂，尺寸难以达到微米级，甚至是纳米级的程度，不易大规模集成化，严重影响了其实际应用和发展。而探索新型功能材料作为微驱动器的驱动源是一个艰苦而漫长的过程。需要构成微驱动器的材料性能优越，同时结构设计上尽可能合理，才能通过微型化(特征尺寸范围为1um-10mm)和集成化，达到采用新的工作原理和实现新的功能的目的。

另外测量动态性能参数是驱动器设计中非常重要的设计环节，决定了驱动器的使用性能和应用范围。而且微驱动器的尺寸小，如何在微尺度情况下通过实验精确测量微驱动器的动态性能参数，并阐明控制参数对动态性能的影响关系，是微驱动器实际应用的一个关键问题。传统的驱动器动态性能测量方法难以测量纳米级参数值，无法满足微驱动器的测量使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于液晶背流效应的微驱动器、驱动装置及其动态性能测量装置。本发明公开了一种基于液晶背流效应的微驱动器、驱动装置及其动态性能测量装置，利用液晶材料在脉冲电场的作用下，液晶分子指向矢发生连续变化形成液晶背流效应的动力学特性，设计出液晶型微驱动器的驱动装置，通过调整外电场的强度、频率和占空比来控制液晶分子的旋转速度，从而产生脉冲式的驱动力来实现微驱动器的步进运动。利用连续时域编码技术清晰地观测液晶型微驱动器的运动过程，通过运动跟踪技术分析出其各种动态性能参数。通过上述方式，本发明能够通过简单结构利用液晶将电能转换为动能，实现真正意义上的微纳米尺度的驱动器，并精确地测量到在微小空间内的高速位移变化，有望在生物医疗等低电压精密驱动领域得到可靠的实际应用。

一种基于液晶背流效应的微驱动器，液晶型微驱动器7包括微驱动器移动部件(移动上板)1、液晶材料2、微小球状颗粒3、底座(固定下板)4、镀金电极膜5、配向膜6；微驱动器移动上板和固定下板均匀喷涂镀金电极膜5和高分子配向膜6；微小球状颗粒3混合于液晶材料2，置于移动上板和固定上板之间。

一种利用所述的液晶型微驱动器的驱动装置包括：微驱动器7、细铁棒8、液滴9、电极夹10；外加电场通过电极夹10传给微驱动器的上下板；为了减小对运动上板1的影响，电极夹夹住细铁棒8悬于运动上板一定距离之上，中间通过导电液滴9连接。当接通电场后，可使液晶分子发生形变，导致分子排列形式的变化，引起液晶背流效应的形成，从而可以推动目标物体的移动。

一种测量所述的液晶型微驱动器动态性能的方法，包括微驱动器7、信号发生器11、功率分析仪12、超窄脉冲光源13、影像采集装置14、色散器件15、光电探测器16、电脑17。信号发生器11和功率分析仪12均连接在液晶型微驱动器7的电极两端。宽谱超窄脉冲13被用作为光源，影像采集装置14采集被观测微驱动器运动过程的影像信息，影像信息在色散器件15上被展开为光信号信息，再利用光电探测器16读取光信号上的信息，并在电脑17中处理收集到的信息。

为实现本发明之目的，可采用以下技术方案予以实现：

一种液晶型微驱动器，包括：移动部件、液晶材料、微小球状颗粒和底座；其中：

移动部件本体上、下表面形成有第一电极，所述上、下表面的第一电极之间电连接，在下表面的该第一电极表面覆盖有配向膜，移动部件本体上表面第一电极为反光面；

底座本体上表面形成有第二电极，在该第二电极表面覆盖有配向膜；

移动部件间隔预定距离位于底座上方，在移动部件与底座之间填充有液晶材料，液晶材料分别与底座的配向膜和移动部件的配向膜相接触；

微小球状颗粒混合于液晶材料中，置于移动部件和底座之间。

所述的微驱动器，优选的：所述移动部件为移动上板。

所述的微驱动器，优选的：所述底座为固定下板。

所述的微驱动器，优选的：所述第一电极为覆盖在移动部件整体上的镀金电极膜，第二电极为覆盖在底座本体上表面上的镀金电极膜。

所述的微驱动器，优选的：所述配向膜为高分子配向膜。

一种液晶型微驱动器的驱动装置，包括：如上之一所述的微驱动器，细铁棒，导电液滴和电极夹；

其中，导电液滴设置在移动部件上表面的第一电极上并与该第一电极直接接触，一个电极夹夹住细铁棒使得细铁棒并位于移动部件上表面一定距离之上且不与移动部件上表面的第一电极直接接触，该细铁棒与导电液滴接触，另一个电极夹夹住底座并与第二电极接触，外加电场通过上述电极夹传给微驱动器的移动部件和底座。

一种测量如上之一所述的液晶型微驱动器动态性能的装置，包括：信号发生器、功率分析仪、超窄脉冲光源、影像采集装置、色散器件、光电探测器和电脑，其中：

信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪测量并显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。

一种测量如上所述的液晶型微驱动器的驱动装置动态性能的装置，包括，信号发生器、功率分析仪、超窄脉冲光源、影像采集装置、色散器件、光电探测器和电脑，其中：

信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极的两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪测量并显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容的变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射，当移动部件移动时，其反射的光信号强度发生变化，移动部件的运动过程的影像信息被记录在光信号的强度变化上；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。

一种测量如上之一所述的液晶型微驱动器动态性能的方法，包括如下步骤：

将信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪测量并显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容变化；

超窄脉冲光源发出光照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。

一种测量如上所述的液晶型微驱动器的驱动装置动态性能的方法，包括如下步骤：

将信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射，当移动部件移动时，其反射的光信号强度发生变化，移动部件的运动过程的影像信息被记录在光信号的强度变化上；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。

本发明的有益效果是：本发明能够利用液晶的流体动力学特性，提供一种新的驱动方式，采用的连续时域编码技术能够满足高速成像(纳米量级)的需求，能够更全面地采集被观察物体的信息，观察到现有其他技术不能观测到的现象和过程，能精确阐明液晶型微驱动器的驱动机理和动力学特性。本发明有望适用于超高精度微型工作台的直接驱动；结构简单，易于其他MEMS器件结合，也可应用在微型机器人、集成电路及超导元件等精细加工的工作台。且由于驱动电压小，结构精细等特点，液晶型微驱动器也有望适用于生物医疗领域的无损伤医用微机器人驱动。此外，液晶材料具有用于研发其它微纳设备的潜力。譬如，可利用液晶材料对压力、热和电磁等因素的高敏感性，制作液晶型微传感器，用于生物医疗系统中的新型触觉反馈装置，对检测部位的压力场、热场和生物电场及时做出响应。

附图说明

图1是本发明一种基于液晶背流效应的微驱动器的剖面示意图；

图2是本发明一种基于液晶背流效应的微驱动器驱动装置的正视和俯视示意图；

图3是本发明一种基于液晶背流效应的微驱动器的驱动原理示意图；

图4是本发明一种基于液晶背流效应的微驱动器的动态性能测量装置示意图；

附图中各部件的标记如下：液晶型微驱动器移动上板1；液晶材料2；微小球状颗粒3；固定下板4；镀金电极膜5；配向膜6；液晶型微驱动器7；细铁棒8；液滴9；电极夹10；信号发生器11；功率分析仪12；超窄脉冲光源13；影像采集装置14；色散器件15；光电探测器16；电脑17；连续时域编码放大显微设备18。

具体实施方式

本发明提出一种基于液晶背流效应的微驱动器，利用液晶的动力学特性将电能转换为机械能，只需几伏电压的驱动，简单的结构能够大批量的复制，采用最先进的光学测量装置连续时域编码技术收集到液晶型微驱动器的动力学性能参数，使得本发明在未来的实际应用中提供精确的数据依据。

下面结合附图1-4对本发明做进一步的说明。

一种基于液晶背流效应的微驱动器，液晶型微驱动器7包括微驱动器移动部件(移动上板)1、液晶材料2、微小球状颗粒3、底座(固定下板)4、电极膜5、配向膜6；如图1所示，移动上板、固定下板均为玻璃板，先在微驱动器移动上板全体和固定下板上面上均匀地喷涂上镀金电极膜5，然后再在移动上板的下面和固定下板的上面上均匀地喷涂上高分子配向膜6；将混合了一定浓度的微小球状颗粒3的液晶材料2放在按上述处理后的移动上板的下面和固定上板的上面中间。使用的液晶材料2是具有长棒状分子结构、极性好的向列型液晶5CB，微小球状颗粒3是聚苯乙烯粒子。上下两板和填充在中间的液晶组成的三明治结构形成一个平行板电容器，而两极板间的距离由聚苯乙烯粒子的直径决定。

高分子配向膜6是由一定浓度的聚酰亚胺溶液，经过旋涂、高温和摩擦处理后，形成的一层具有均一方向的高分子薄膜，该高分子配向膜可使液晶分子的顺着配向方向排列，能达到均一且按照预期需要的排列方向效果。

所述移动上板和固定下板的电极膜5也可是镀铜膜，对于移动板，上下表面均需涂敷电极膜如镀铜膜，为了电连接上下表面的镀铜膜，可以选择将连接上下表面的移动板侧面一并镀铜或将移动板全部表面镀膜。还可以在上下表面间钻过孔，连同该过孔和上下表面一起镀铜，以形成上下表面间的电连接。移动板上表面的电极膜需要抛光，以形成反光面。

一种利用所述的液晶型微驱动器的驱动装置包括：微驱动器7、细铁棒8、液滴9、电极夹10；如图2所示，外加电场通过电极夹10传给微驱动器的上下板；为了减小对上板1运动的影响，电极夹夹住细铁棒8悬于运动上板一定距离之上，中间通过导电液滴9连接。外电场由信号发生器11提供，信号发生器11接通连接微驱动器上下板的电极夹，为了观测微驱动器两端的电压、电流、电容和电阻的变化，在微驱动器上下板的电极夹两端连接上功率分析仪12，最终可分析出液晶型微驱动器的能量转换率。

导电液滴是具有一定表面张力的液体，为了减小液体电阻对系统的影响，本专利中选择电阻值较小的矿泉水或盐水。由于细铁棒和上板间的距离小，在表面张力的作用下，液滴会接通上板和细铁棒。

液晶型微驱动器的驱动机理如图3所示，当接通电场后，可使液晶分子发生旋转运动，导致分子排列形式的变化，微观的产生速度梯度，宏观上引起液晶流动的形成，即液晶的背流效应，通过这一效应就可以将电能转换成机械能，从而可以推动目标物体的移动。如果撤除外电场，液晶分子会在弹性力矩的作用下，恢复到原来的排列形式。所以信号发生器提供的是一定波形和强度的脉冲电压，调节其电压的频率和占空比，液晶分子就会产生连续的旋转运动，引起连续的液晶背流效应，如此实现微驱动器连续的步进运动。

一种测量所述的液晶型微驱动器动态性能的装置，包括超窄脉冲光源、影像采集装置、色散器件、光电探测器、电脑、微驱动器、信号发生器、功率分析仪。微驱动器的运动过程由连续时域编码放大显微设备18观测并采集其运动参数。宽谱超窄脉冲13被用作为光源，在影像采集阶段，光脉冲在空间被展开，其光谱分量与空间位置成一一对应关系，在空间展开的光投射到被观测微驱动器运动上板1上，由于物体各部位对光的吸收程度不同，微驱动器上板上的电极膜5是镀金的或是反光面，光可以被有效地反射回来，而不同光谱分量的光强发生变化，由此，微驱动器上板1的运动过程的影像信息被记录在光信号的强度变化上，随后，空间展开的光被还原成光脉冲的形式。接着，载有影像信息的光脉冲经过一个色散器件15在时域上被展开，其谱域分量与时域分量成一一对应关系。因此，影像信息在空间上的分布被映射在了时域上，最后，利用一个单像素的光电探测器16读取光信号上的信息，并在后端电脑17处理中还原出原来的运动影像。

利用本发明中液晶型微驱动器、驱动装置及其动态特性测量装置，可以实现液晶型微驱动器的驱动，及其动态特性的测量，具体参数如下：

微驱动器移动上板边长10mm，固定下板边长为20mm，液晶材料选为变形量大、挠曲电效应强的5CB，微小球状颗粒的直径选为10微米，脉冲信号选为方形波，电压为10V，频率为100Hz，占空比为0.05，液晶型微驱动器实现步进直线运动，采用连续时域编码放大显微设备可得到平均速度约为120um/s，最大驱动力为70N/m²。

以上所述仅为本发明的实施例，本发明中的液晶微驱动器形状和尺寸参数、液晶种类，脉冲信号类型并不局限于本实例所限定的具体参数，在此基础上的变形或替换等均为本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种液晶型微驱动器的驱动装置，包括：液晶型微驱动器，细铁棒，导电液滴和电极夹；其特征在于：

所述液晶型微驱动器包括：移动部件、液晶材料、微小球状颗粒和底座；移动部件本体上、下表面形成有第一电极，所述上、下表面的第一电极之间电连接，在下表面的该第一电极表面覆盖有配向膜，移动部件本体上表面第一电极为反光面；底座本体上表面形成有第二电极，在该第二电极表面覆盖有配向膜；移动部件间隔预定距离位于底座上方，在移动部件与底座之间填充有液晶材料，液晶材料分别与底座的配向膜和移动部件的配向膜相接触；微小球状颗粒混合于液晶材料中，置于移动部件和底座之间；

其中，导电液滴设置在移动部件上表面的第一电极上并与该第一电极直接接触，一个电极夹夹住细铁棒使得细铁棒位于移动部件上表面一定距离之上且不与移动部件上表面的第一电极直接接触，该细铁棒与导电液滴接触，另一个电极夹夹住底座并与第二电极接触，外加电场通过上述电极夹传给微驱动器的移动部件和底座。

2.根据权利要求1所述的液晶型微驱动器的驱动装置，其特征在于：所述移动部件为移动上板。

3.根据权利要求1所述的液晶型微驱动器的驱动装置，其特征在于：所述底座为固定下板。

4.根据权利要求1所述的液晶型微驱动器的驱动装置，其特征在于：所述第一电极为覆盖在移动部件整体上的镀金电极膜，第二电极为覆盖在底座本体上表面上的镀金电极膜。

5.根据权利要求1所述的液晶型微驱动器的驱动装置，其特征在于：所述配向膜为高分子配向膜。

6.一种测量液晶型微驱动器动态性能的装置，包括：信号发生器、功率分析仪、超窄脉冲光源、影像采集装置、色散器件、光电探测器和电脑，其特征在于：

所述液晶型微驱动器，包括：移动部件、液晶材料、微小球状颗粒和底座；移动部件本体上、下表面形成有第一电极，所述上、下表面的第一电极之间电连接，在下表面的该第一电极表面覆盖有配向膜，移动部件本体上表面第一电极为反光面；底座本体上表面形成有第二电极，在该第二电极表面覆盖有配向膜；移动部件间隔预定距离位于底座上方，在移动部件与底座之间填充有液晶材料，液晶材料分别与底座的配向膜和移动部件的配向膜相接触；微小球状颗粒混合于液晶材料中，置于移动部件和底座之间；

信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪测量并显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。

7.根据权利要求6所述的测量液晶型微驱动器动态性能的装置，其特征在于：所述移动部件为移动上板。

8.根据权利要求6所述的测量液晶型微驱动器动态性能的装置，其特征在于：所述底座为固定下板。

9.根据权利要求6所述的测量液晶型微驱动器动态性能的装置，其特征在于：所述第一电极为覆盖在移动部件整体上的镀金电极膜，第二电极为覆盖在底座本体上表面上的镀金电极膜。

10.根据权利要求6所述的测量液晶型微驱动器动态性能的装置，其特征在于：所述配向膜为高分子配向膜。

11.一种测量如权利要求1所述的液晶型微驱动器的驱动装置动态性能的装置，包括，信号发生器、功率分析仪、超窄脉冲光源、影像采集装置、色散器件、光电探测器和电脑，其特征在于：

信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极的两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪测量并显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容的变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射，当移动部件移动时，其反射的光信号强度发生变化，移动部件的运动过程的影像信息被记录在光信号的强度变化上；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。

12.一种测量液晶型微驱动器动态性能的方法，其特征在于包括如下步骤：

将信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪测量并显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息；

其中所述液晶型微驱动器，包括：移动部件、液晶材料、微小球状颗粒和底座；移动部件本体上、下表面形成有第一电极，所述上、下表面的第一电极之间电连接，在下表面的该第一电极表面覆盖有配向膜，移动部件本体上表面第一电极为反光面；底座本体上表面形成有第二电极，在该第二电极表面覆盖有配向膜；移动部件间隔预定距离位于底座上方，在移动部件与底座之间填充有液晶材料，液晶材料分别与底座的配向膜和移动部件的配向膜相接触；微小球状颗粒混合于液晶材料中，置于移动部件和底座之间。

13.根据权利要求12所述的一种测量液晶型微驱动器动态性能的方法，其特征在于：所述移动部件为移动上板。

14.根据权利要求12所述的一种测量液晶型微驱动器动态性能的方法，其特征在于：所述底座为固定下板。

15.根据权利要求12所述的一种测量液晶型微驱动器动态性能的方法，其特征在于：所述第一电极为覆盖在移动部件整体上的镀金电极膜，第二电极为覆盖在底座本体上表面上的镀金电极膜。

16.根据权利要求12所述的一种测量液晶型微驱动器动态性能的方法，其特征在于：所述配向膜为高分子配向膜。

17.一种测量如权利要求1所述的液晶型微驱动器的驱动装置动态性能的方法，其特征在于包括如下步骤：

将信号发生器和功率分析仪均连接在液晶型微驱动器的第一电极和第二电极两端，信号发生器发出电信号驱动所述微驱动器的移动部件移动，功率分析仪显示液晶型微驱动器的电压、电流、电阻和/或电容变化；

超窄脉冲光源发出光，照射在液晶型微驱动器的移动部件上表面，所述微驱动器的移动部件上表面对该光进行反射，当移动部件移动时，其反射的光信号强度发生变化，移动部件的运动过程的影像信息被记录在光信号的强度变化上；

影像采集装置采集被观测微驱动器运动过程的反射光；

影像采集装置采集的反射光在色散器件上被展开为光信号信息；

利用光电探测器读取光信号信息，并在电脑中处理收集到的信息。