CN105300656B - 一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法，包括：建立流场的物理模型；所述物理模型包括一方向、二方向和四方向模型；所述物理模型至少有一个方向满足微尺度的要求；根据所建立的物理模型，抽象数学模型，建立计算的控制方程组；将所述控制方程组在物理模型上离散化，包括时间方向与空间方向；确定边界及初始条件；按照预设的条件确定边界及初始条件；所述初始条件包括速度、压力和应力；给定求解控制参数；所述控制参数包括粘弹性参数，电极化、磁极化参数，控制精度，迭代时间不长和输出频率；选择生成方法，得到液晶引流的流场数据。本发明用来得到电、磁场作用下不同液晶的微流动流场情况，提供剪切力等关键设计参数，为微流体驱动后续驱动器设计提供保障。

Description

一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法

技术领域：

本发明属于微流体驱动与控制技术领域，特别是涉及一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法。

背景技术：

微流体驱动与控制技术是MEMS（微电子机械系统）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。微流体的驱动与控制和宏观流体的驱动与控制有很大的不同，主要是由于当尺度减小时，流体的流动特性发生了变化，这种流动特性的变化使得宏观流体驱动与控制技术在微流体中的简单移植往往不成功。微流体的驱动与控制技术更为复杂和多样化，不仅可能出现不同于宏观流动的规律，而且许多在宏观流动中被忽略的因素，将成为主要的影响因素。因此，应用于宏观驱动的流体处理及测试方法几乎不能适用于微观流体。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法，用来得到电、磁场作用下不同液晶的微流动流场情况，提供剪切力等关键设计参数，为微流体驱动后续驱动器设计提供保障。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种用于微流体驱动的液晶引流生成方法，包括：

建立流场的物理模型；所述物理模型包括一方向、二方向和四方向模型；所述物理模型至少有一个方向满足微尺度的要求；

根据所建立的物理模型，抽象数学模型，建立计算的控制方程组；

将所述控制方程组在物理模型上离散化，包括时间方向与空间方向；

确定边界及初始条件；按照预设的条件确定边界及初始条件；所述初始条件包括速度、压力和应力；

给定求解控制参数；所述控制参数包括粘弹性参数，电极化、磁极化参数，控制精度，迭代时间不长和输出频率；

选择生成方法，得到液晶引流的流场数据。

进一步，所述根据所建立的物理模型，抽象数学模型，包括：

根据所选液晶材料不同，分为小分子液晶计算模型和高分子液晶计算模型；

所述小分子液晶计算模型根据小分子液晶材料的参数，选择通用的TIF或L-E理论建立的数学模型；

所述高分子液晶计算模型选择DIO理论建立的数学模型；

所述数学模型包括连续性方程、运动方程与角运动方程三大部分，所述运动方程中施加外加电磁场。

进一步，选择生成方法，得到液晶引流的流场数据，包括：

通过对液晶指向矢与流速的耦合计算，结合并行计算、向量计算与FOR循环计算，得到流场数据。

一种用于微流体驱动的液晶引流测试方法，包括：

处理测试用玻璃片，对所述玻璃片进行预处理，采用预处理后的玻璃片构成液晶盒的上、下玻璃片；所述玻璃片包括ITO玻璃；

测试材料处理，在所测试液晶材料里混入控制间隔的微粒子；

合成测试模型，将下玻璃片水平放置，滴入含有间隔粒子的液晶材料，盖上所述上玻璃片，做成测试用液晶盒，所述液晶盒包括一方向、二方向和四方向液晶盒；

在液晶盒上加外场；所述外场包括电场和磁场；

观察记录，在显微镜载物台上，通过显微镜上方的CCD拍摄视频文件并观察记录结果。

进一步，所述方法还包括：

处理观察结果，将拍摄视频文件进行处理，得到相应的流场信息；所述流场信息包括：液晶微流动速度、位移信息。

进一步，所述处理观察结果，将拍摄视频文件进行处理，得到相应的流场信息，包括：

导入视频，导入拍摄的视频文件；

确定处理帧数；根据具体流速确定每秒处理的帧数；

选择图像特征区域，作为移动的基准，选择待处理图像中最具特点的区域作为计算区域；

导出待处理的两帧相邻图像；

灰度化，将图像变为灰度图像；

标准差计算，对导出的第一幅图像中的特征区域进行标准差计算；

确定搜索区域，在导出的第二幅图像中确定搜索区域，搜索区域四方向均小于100像素；在搜索区域内计算特征区域的标准差；

寻找最小差值，用第一幅图像特征区域的标准差与第二幅图像中搜索区域内所有图像标准差值相减，找到最小差值；

记录坐标值，将取得最小差值的移动坐标记录下来，用于计算图像位移；

循环处理完所有图像，根据流速和位移计算作图。

本发明的有益效果为：

本发明所涉及的特殊流体是液晶，原理是在电、磁场作用下液晶分子指向矢（液晶中大部分分子的平均指向）产生旋转的特点，利用其旋转所产生的液晶微流动实现电能到机械能的转换，从而实现微尺度驱动。这是一种全新的微流体驱动方式，本发明所涉及的生成及测试液晶微流动的方法可以为这种全新驱动方法下驱动器及传感器的设计提供技术支持。

附图说明：

图1是本发明实施例中一种用于微流体驱动的液晶引流生成流程图。

图2是本发明实施例的物理模型示意图。

图3是本发明实施例中一种用于微流体驱动的液晶引流测试流程图。

图4是本发明实施例中一种用于微流体驱动的液晶引流测试方法中液晶盒的剖面示意图。

图5是单方向驱动测试盒玻璃片处理图。

图6是两方向驱动测试盒玻璃片处理图。

图7是四方向驱动测试盒玻璃片处理图。

图8 是视频文件的数据处理流程图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

是本发明实施例中一种用于微流体驱动的液晶引流生成流程图。现结合图1，对发明实施例液晶引流生成过程说明如下：

步骤1：针对实际微流体驱动要求建立流场的物理模型。首先，本发明属于微流体驱动范畴，因此所构建的物理模型要保证至少一个方向满足微尺度的要求，即流道尺寸在微米级。其次，对于液晶这种非牛顿流体，由于粘弹性的耦合作用，其流动计算本身较为复杂，没有成熟的计算模型，因此，为了保证取得较为准确的计算结果，物理模型要求相对简单。本发明所构建的物理模型较为简单，如图2所示，两板间流动为所关注流场，图中较粗的箭头为电或磁场方向。其中Y方向与其他两个X、Z方向相比尺度较小，属微米级。因此满足微尺度要求。

步骤2：针对所建立的物理模型，抽象数学模型：根据所选液晶材料不同，这一步的处理可分为液晶小分子与液晶高分子两个独立步骤。其中，小分子液晶计算模型根据通用的TIF与L-E理论。根据实际需要，如果所选小分子液晶材料粘弹性相差较大，可以忽略弹性的影响，可建立较为简单的TIF理论为基础的计算模型。如果不符合这个条件，则需要建立以L-E理论为基础的数学模型。高分子液晶，由于其分子链较长，需要建立以DIO理论为基础的数学模型。各种数学模型所包含的方程式基本相同，包括连续性方程、运动方程（包括粘弹性构成方程）与角运动方程三大部分。外加电磁场的作用体现在运动方程中。

步骤3：数学模型离散化。由于步骤2所建立的方程组为偏微分方程组，且较为复杂，人工是无法求解的，因此，需要计算机辅助计算，需要把连续方程在计算区域网格划分的基础上进行离散，最后得到离散的代数方程。离散的方法本发明中选择了较为简单的中心差分法，即将方程中的偏微分（控制方程）方程的导数用差商来代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。

步骤4：设置边界条件及初始条件。初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合才能构成对物理模型的完整数学描述。由于本发明中物理模型相对简单，初始条件与边界条件也很简单，固体界面所有点处初始速度均为零，整个流场初始速度也均为零。确定完物理模型的初始及边界条件，还需要将其在数学模型上进行离散化。

步骤5：设置求解参数。这一步主要是设置计算所用到的参数，包括与液晶物理性质相关的各种粘弹性参数、电磁化参数与所施加驱动场相关的电磁场强度等以及与计算过程及计算速度、精度相关的迭代时间不长、控制精度和输出频率等三大类。其中，第一类根据所选择的液晶种类给出。第二类则根据构建物理模型时，微驱动所要求驱动参数确定。第三类参数则需要使用者根据计算经验及计算机性能确定，由于本发明的方法用于计算液晶微流动，因此经验值为：与空间相关参数为微米级，时间相关参数为纳秒级，输出频率根据计算机性能及后续结果处理需要确定。

步骤6：选择计算方法：由于液晶在外场下所发生的微流动全部属于瞬态问题，因此存在时间积分项，需要选择时间积分方法，包括显示时间积分方案与隐式时间积分方案两种。通过我们的时间证明在液晶微流动的计算中，显式方案完全满足要求，还可以节省计算时间，因此，这一步，主要使用龙格库塔法，可根据具体要求精度，选择二阶或者四阶。

步骤7：编程及优化：这一步主要借助MATLAB软件，首先输入前几步的各类参数，主要包括物理模型参数及材料外场参数，如粘弹性、电磁场、计算精度、计算时间、输出数据量等。然后通过对液晶指向矢与流速的耦合计算，得出最终所需流场数据。此外，为解决程序运行时间较长问题，本发明还提供了程序优化方法，可根据程序编制情况分别选取并行计算、向量计算与FOR循环计算相结合的方法减少运算时间，提高计算效率。

步骤8：结果显示：计算得到的结果可以借助MATLAB所提供的绘图命令作图显示。

图3是本发明实施例中一种用于微流体驱动的液晶引流测试流程图。现结合图3，对发明实施例液晶引流测试过程说明如下：

步骤1：处理玻璃片：本发明测试用液晶盒与普通显示液晶盒有很大区别，由两片ITO玻璃自由叠放而成（由于在液晶中混入了直径确定的间隔粒子，所以自由叠放后的两玻璃片是平行的），如图4所示。测试模型由玻璃板1、ITO导电层3、配向层5、液晶材料层2与间隔粒子4组成。ITO玻璃型号分别为355.6×406.4×1.10mm，355.6×406.4×0.55mm。首先，切割玻璃基片，将大块ITO导电玻璃切成实验所需的小块玻璃。切割后对玻璃片进行清洗、烘干、涂配向层、摩擦配向操作。本发明中设计了三种测试模型，分别为测试一方向液晶流动、二方向液晶流动及四方向液晶流动模型。下面针对这三种模型的玻璃片处理进行详细说明。

模型一：如图5所示，两片玻璃片切割后尺寸分别为：上片60×25×0.55mm，下片60×25×1.1mm。顶部接线处6留出5mm不涂配向层，也不进行配向操作。其余部分配向方向如图箭头所示。测试时，接通电场后，可实现上玻璃片的单向驱动。

模型二：如图6所示，上片60×40×0.55mm，下片60×40×1.1mm。同样上部5mm处为接线处6，不涂导电层也不做摩擦处理。图中粗实线表示对玻璃片的ITO层进行了切割操作，切断ITO导电层，这样将玻璃的加电区域分成了三部分，两侧面积加起来与中间部分面积刚好相等，摩擦方向如图所示。测试时，可接中间部分或者同时接通两侧部分，这样可以实现上片的上、下两方向驱动。

模型三：如图7所示，上片60×40×0.55mm，下片60×40×1.1mm。同样上部5mm处为接线处6，不涂导电层也不做摩擦处理。其余部分涂上配向层，配向方向如图所示。图中粗实线表示对玻璃片的ITO层进行了切割操作，切断ITO导电层，细线表示ITO导电层仍连接在一起，只有一个接线处，接波形发生器输出共地端。完成四方向运动仅仅需要三通道波形发生器，节省一个通道。具体的控制办法为：接线处(1)、(4)接通电源，液晶盒向左运动；给接线处(3)、(6)接通电源，液晶盒向右运动；给接线处(2)、(5)接通电源，上基片向上运动；给接线处(3)、(4)接通电源，液晶盒向下运动。

步骤2：测试材料处理：由于测试液晶盒厚度需要确定，而对于由两块ITO玻璃自由叠放而成的液晶盒，无法通过任何固定方式确定其间隔，所以厚度确定的方法采用间隔粒子法，即：将直径一定（一般包括100、80、60、40、30微米等）的间隔粒子混入液晶材料，再将液晶材料滴入液晶盒内，稍加压力，让两片ITO玻璃与间隔粒子相接触，由于粒子形状为圆形，这样可以保证两玻璃片的间隔为粒子的直径，又可以减小玻璃片相对移动时由于粒子产生的阻力。这一步需要注意，间隔粒子要混合均匀，浓度不能太大。本发明采用的方法是将液晶材料先加热至35℃以上，这样材料粘度降低，易于混合搅拌。同时，间隔粒子只能采用固体粒子，而非粒子溶液。

步骤3：合成测试模型：上下玻璃片经过步骤1的处理后，将下板固定，滴上混有间隔粒子的液晶材料，再将上玻璃板覆盖。稍微对上板施加压力，达到如图4所示状态。

步骤4：加外电场：将导线一端与模型接线处相接，另一端接波形发生器。按照模型将所有接线处全部连接，利用四通道波形发生器为驱动模型施加电场。

步骤5：观察记录：将模型放在显微镜载物台上，打开CCD与波形发生器的开关，观察记录加电过程。

步骤6：观察结果处理计算：数据结果处理的流程如图8所示，步骤如下：

步骤（1）：导入需处理视频：测试结果通过显微镜上方的CCD全程拍摄，所得数据为扩展名为.wmv的视频，30帧/秒。结果处理的第一步就是导入需要处理的视频，并将其转换为MATLAB软件能够识别的.avi格式。然后再通过MATLAB把视频按帧数“拆分”成大量图片并编号，比如对于时长10秒视频，生成300张图片，依帧数排列编号。

步骤（2）：确定需处理的帧数：根据所拍摄的视频液晶流动的速度，确定需要处理的图片帧数，这里注意所选择的图片处理帧数直接影响处理速度。如流动速度较慢，则选择较少帧图像进行处理，比如10帧/秒（隔2帧选1帧）或5帧/秒（隔5帧选1帧），这样可以在不影响处理精度的同时提高处理速度。

步骤（3）：选取特征区域：在所选第一帧图像中选择特征最明显的部分作为图像处理的特征区域，在接下来的处理过程中将针对所选区域进行追踪，因此选择区域的大小也关系着处理速度，最佳选择就是特征明显尽量小的区域。选择完成后，记录该特征区域的位置坐标（X，Y）。

步骤（4）：导出相邻图像：特征区域选择后，导出需处理的相邻两帧图像。

步骤（5）：灰度化处理：为了提高处理结果的准确度，对导出的图像进行灰度化处理。

步骤（6）：计算标准差：在第一帧图像上对选择的特征区域计算标准差，这个标准差的数值将作为在第二幅图像中寻找特征区域的基准。

步骤（7）：确定搜索区域：确定在第二幅图像中特征区域的搜索区域，目前本发明中是以特征区域为中心，上下左右各50像素点的距离作为搜索区域。确定的原则为：首先按顺序计算搜索区域中与特征区域大小相等的区域的标准差，计算方法与特征区域一致。然后计算量标准差的差，如在计算过程中差值在各个方向上均出现先减小后增大的趋势，则表示所选搜索区域满足要求，如在任意方向上出现差值一直减小的趋势，则需在此方向上扩大搜索区域。

步骤（8）：寻找记录最小差值，寻找第二幅图像中标准差与第一幅图像中特征区域标准差值相减得到最小值的图像，记录其坐标值（X1，Y1）。

步骤（9）：计算速度位移等量：差值最小表明相关性最强，即第一幅图像中的特征区域由位置（X，Y）移动到了第二幅图像中的位置（X1，Y1），据此可以计算位移量，在根据两幅图像的时间差计算速度量。

步骤（10）：将计算结果绘图：这一步也借助MATLAB软件的绘图功能进行。

本发明可以用来得到电、磁场作用下不同液晶的微流动流场详细情况，提供剪切力等关键设计参数，为微流体驱动后续驱动器设计提供保障。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法，其特征在于：包括：

建立流场的物理模型；所述物理模型包括一方向、二方向和四方向模型；所述物理模型至少有一个方向满足微尺度的要求；

根据所建立的物理模型，抽象数学模型，建立计算的控制方程组；根据所选液晶材料不同，这一步的处理分为液晶小分子与液晶高分子两个独立步骤；小分子液晶计算模型根据通用的TIF与L-E理论，具体为：如果所选小分子液晶材料粘弹性相差较大，可以忽略弹性的影响，则建立较为简单的TIF理论为基础的计算模型，如果不符合这个条件，则需要建立以L-E理论为基础的数学模型；高分子液晶，需要建立以DIO理论为基础的数学模型；

将所述控制方程组在物理模型上离散化，包括时间方向与空间方向；

确定边界及初始条件；按照预设的条件确定边界及初始条件；所述初始条件包括速度、压力和应力；

给定求解控制参数；所述控制参数包括粘弹性参数，电极化、磁极化参数，控制精度，迭代时间不长和输出频率；

选择生成方法，得到液晶引流的流场数据；

所述根据所建立的物理模型，抽象数学模型，包括：

根据所选液晶材料不同，分为小分子液晶计算模型和高分子液晶计算模型；

所述小分子液晶计算模型根据小分子液晶材料的参数，选择通用的TIF或L-E理论建立的数学模型；

所述高分子液晶计算模型选择DIO理论建立的数学模型；

所述数学模型包括连续性方程、运动方程与角运动方程三大部分，所述运动方程中施加外加电磁场；

液晶引流测试方法步骤：包括：

处理测试用玻璃片，对所述玻璃片进行预处理，采用预处理后的玻璃片构成液晶盒的上、下玻璃片；所述玻璃片包括ITO玻璃；

测试材料处理，在所测试液晶材料里混入控制间隔的微粒子；

合成测试模型，将下玻璃片水平放置，滴入含有间隔粒子的液晶材料，盖上所述上玻璃片，做成测试用液晶盒，所述液晶盒包括一方向、二方向和四方向液晶盒；

在液晶盒上加外场；所述外场包括电场和磁场；

观察记录，在显微镜载物台上，通过显微镜上方的CCD拍摄视频文件并观察记录结果；

处理观察结果，将拍摄视频文件进行处理，得到相应的流场信息；所述流场信息包括：液晶微流动速度、位移信息；

所述处理观察结果，将拍摄视频文件进行处理，得到相应的流场信息，包括：

导入视频，导入拍摄的视频文件；

确定处理帧数；根据具体流速确定每秒处理的帧数；

选择图像特征区域，作为移动的基准，选择待处理图像中最具特点的区域作为计算区域；

导出待处理的两帧相邻图像；

灰度化，将图像变为灰度图像；

标准差计算，对导出的第一幅图像中的特征区域进行标准差计算；

确定搜索区域，在导出的第二幅图像中确定搜索区域，搜索区域四方向均小于100像素；在搜索区域内计算特征区域的标准差；

寻找最小差值，用第一幅图像特征区域的标准差与第二幅图像中搜索区域内所有图像标准差值相减，找到最小差值；

记录坐标值，将取得最小差值的移动坐标记录下来，用于计算图像位移；

循环处理完所有图像，根据流速和位移计算作图。

2.根据权利要求1所述的一种用于微流体驱动的液晶引流生成及测试方法，其特征在于：选择生成方法，得到液晶引流的流场数据，包括：

通过对液晶指向矢与流速的耦合计算，结合并行计算、向量计算与FOR循环计算，得到流场数据。