CN111239864A - 一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法，属于光学成像领域。本发明包括上方单元、微流体、下方单元；上方单元包括上方厚薄膜、上方柔性电极和上方介电弹性体；下方单元包括下方介电弹性体、下方柔性电极、下方厚薄膜、固定透明平板；在两层介电弹性体圆盘外围区域分别交错分布相互配合的凹槽和凸台，微流体充满两个介电弹性体的内部区域，形成三明治结构。本发明还公开一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜制作方法。由于介电弹性体具有变形量大的优点，使得其具有较大的变焦范围，而且通过介电弹性体的电驱动方式使该液体透镜具有较高的变焦速度和效率，本发明还具有体积小、结构紧凑、液体不易蒸发和外漏等优点。

Description

一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法
技术领域
本发明涉及一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法，属于光学成像领域。
背景技术
传统变焦系统通常有多组固体透镜组成，采用电机或齿轮等机械装置移动透镜组，由于内部具有多组透镜和机械装置，该系统存在体积大、寿命较短、精确性和同步性要求严苛等问题，难以应用于如手机、照相机、医疗内窥镜、显微镜等对体积和变焦能力有着严格要求的场合。液体透镜具有独特的变焦方式，采用单个透镜即可实现变焦功能，具有结构简单、体积小，响应速度快，操作便捷等优点。目前液体透镜的驱动方式包括液晶、充液型，电浸润、介电弹性体等。液晶驱动具有结构简单、操控简便的特点，然而焦距可调节范围较小。充液型驱动通过改变注入腔体的体积，调节弹性薄膜曲率半径，实现液体透镜的焦距变化,该方式的变焦范围大，然而需要额外驱动泵,导致系统体积较大。电浸润驱动方式通过改变电压调节两种液体的接触角进而改变焦距，该驱动方式虽然驱动电压较低，但变焦范围较小，光学口径较小，可选择的液体材料范围有限。介电弹性体具有较大的变焦范围，目前已经成为一种新型的液体透镜驱动方式。
发明内容
本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法要解决的技术问题是：提供一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，由于介电弹性体具有变形量大的优点，使得该液体透镜具有较大的变焦范围，而且通过介电弹性体的电驱动方式使该液体透镜具有较高的变焦速度和效率，本发明还具有体积小、结构紧凑、液体不易蒸发和外漏等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，采用介电弹性体作为驱动，驱动液体微流体流动；在两层介电弹性体圆盘外围区域分别交错分布相互配合的凹槽和凸台，微流体充满两个介电弹性体的内部区域，形成三明治结构；在两个介电弹性体表面圆盘外围区域均匀涂有柔性电极，当在柔性电极之间施加电压时，两个电极的异性电荷相互吸引，导致两个介电弹性体将发生相对移动，介电弹性体的凹槽区域中微液体将受到对方凸台的挤压，微流体将流入到介电弹性体的中心区域，所述中心区域用于透射光线；两个中间空心的厚薄膜用于保证在微流体运动后介电弹性体的外围区域不发生变形，只在中心区域发生形状的变化，从而导致介电弹性体的中心区域，在压力的作用下中心区域表面变得凸出，即曲率半径改变，实现液体透镜大范围、高效率变焦功能。
本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，包括上方单元、微流体、下方单元；上方单元包括上方厚薄膜、上方柔性电极和上方介电弹性体；下方单元包括下方介电弹性体、下方柔性电极、下方厚薄膜、固定透明平板；上方厚薄膜的下表面和柔性电极的上表面通过粘性胶连接在一起，将上方柔性电极均匀地涂于上方介电弹性体的上表面；将下方柔性电极均匀地涂于下方介电弹性体的下表面；下方柔性电极的下表面和下方厚薄膜的上表面通过粘性胶连接在一起，下方厚薄膜的下表面和固定透明平板的上表面通过粘性胶连接在一起；
上方介电弹性体主要由上方介电弹性体的平面区域、若干个上方介电弹性体的凸台、上方介电弹性体的凹槽、上方介电弹性体的中心区域组成；上方介电弹性体的凸台和上方介电弹性体的凹槽分布在上方介电弹性体的平面外围区域；同理，下方介电弹性体主要由下方介电弹性体的平面区域、外围区域的若干个下方介电弹性体的凸台、下方介电弹性体的凹槽、下方介电弹性体的中心区域组成；下方介电弹性体的凹槽和下方介电弹性体的中心区域分布在下方介电弹性体的平面外围区域；所述中心区域用于透射光线。
所述柔性电极括上方柔性电极和下方柔性电极。
所述介电弹性体包括上方介电弹性体和下方介电弹性体。
作为优选，固定透明平板为玻璃平板。
作为优选，通过喷枪喷射、旋涂或手涂方式将柔性电极均匀地涂于上方介电弹性体的上表面。同理，通过喷枪喷射、旋涂或手涂方式将柔性电极均匀地涂于下方介电弹性体的下表面。
本发明还公开一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜的制作方法，包括如下步骤：
步骤一、采用微加工方法分别加工上方介电弹性体和下方介电弹性体；上方介电弹性体的凸台和下方介电弹性体的凹槽交错配合，上方介电弹性体的凹槽和下方介电弹性体的凸台交错配合。
作为优选，步骤一中微加工方法包括光刻、腐蚀方法。
步骤二、将上方柔性电极和下方柔性电极分别均匀地涂抹在上方介电弹性体上表面的外围区域和下方介电弹性体下表面的外围区域，同时引出两个电极。
步骤三、加工两个中间空心的厚薄膜。薄膜材料通过充分搅拌和抽真空后，均匀的倒入硅基板上，硅基板固定于旋转台上，通过调节旋转台的转速得到不同厚度的薄膜，将薄膜裁剪成中间空心的形状后，分别为上方厚薄膜和下方厚薄膜，置于柔性电极的下表面和柔性电极的下表面。两个中间空心的厚薄膜用于保证微流体运动后，介电弹性体的外围区域不发生变形，只在中心区域发生形状的变化，即只导致介电弹性体的中心区域的曲率半径改变。
步骤四、在下方厚薄膜的下方通过粘性胶连接固定透明平板，将微流体充满配合后的上方介电弹性体和下方介电弹性体，形成三明治结构。密封两个介电弹性体的外侧，防止微流体外泄。
作为优选，步骤四中密封两个介电弹性体的外侧优选紫外固化胶密封。
步骤五、在上方柔性电极和下方柔性电极分别连接电压源的正负极，当电压施加在电极两端时，两个电极的异性电荷相互吸引，导致上方介电弹性体和下方介电弹性体将发生相对移动，两个介电弹性体的凹槽区域中微流体将受到对方凸台的挤压，将流入到介电弹性体的中心区域，由于下方介电弹性体的中心区域有固定透明平板的固定，其形状变化不大，而上方介电弹性体的中心区域由于没有固定，中心区域表面在压力的作用下变得凸出，即曲率半径发生改变，从而调节液体透镜的焦距，实现液体透镜大范围、高效率变焦功能。
有益效果：
(1)本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法，两层介电弹性体圆盘外围区域分别交错分布相互配合的凹槽和凸台，微流体充满两个介电弹性体的内部区域，形成三明治结构。采用介电弹性体驱动液体微流体流动，具有结构简单，体积小，成本低的优点。
(2)本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法，两个介电弹性体中间分布有微流体，呈现出三明治结构，将微流体封闭于介电弹性体之间，不宜蒸发和外漏。
(3)本发明公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜及制作方法，采用的介电弹性体具有多个凸台和凹槽结构，在相同的驱动电压下具有更大的变焦范围。
附图说明
图1为本发明的结构图；(A)为组成单元；(B)为横截面图。
图2为本发明的上下介电弹性体三维图；(A)为上方介电弹性体的三维图；(B)为下方介电弹性体的三维图；
图3为本发明的加工装配图一；(A)为上方介电弹性体和下方介电弹性体的装配图；(B)为柔性电极的装配图。
图4为本发明的加工装配图二；(A)为厚薄膜的装配图；(B)玻璃平板的装配图；
图5位本发明的柔性电极施加电压后的液体透镜效果图。
其中，1-上方单元、2-微流体、3-下方单元、4-上方厚薄膜、5-上方柔性电极、6-上方介电弹性体、7-下方介电弹性体、8-下方柔性电极、9-下方厚薄膜、10-固体透镜平板、11-上方介电弹性体的平面区域、12-上方介电弹性体的凸台、13-上方介电弹性体的凹槽、14-上方介电弹性体的中心区域、15-下方介电弹性体的平面区域、16-下方介电弹性体的凸台、17-下方介电弹性体的凹槽、18-下方介电弹性体的中心区域。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，本实施例公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，包括上方单元1、微流体2、下方单元3。上方单元1包括上方厚薄膜4、上方柔性电极5和上方介电弹性体6。下方单元3包括下方介电弹性体7、下方柔性电极8、下方厚薄膜9、玻璃平板10。上方厚薄膜4的下表面和上方柔性电极5的上表面通过粘性胶连接在一起，通过喷枪喷射方式将上方柔性电极5均匀地涂于上方介电弹性体6的上表面。同理，通过喷枪喷射方式将下方柔性电极8均匀地涂于下方介电弹性体6的下表面。下方柔性电极8的下表面和下方厚薄膜9的上表面通过粘性胶连接在一起，下方厚薄膜9的下表面和玻璃平板10的上表面通过粘性胶连接在一起。
上方介电弹性体6和下方介电弹性体7的结构如图2所示。上方介电弹性体6包括上方介电弹性体的平面11、若干个上方介电弹性体的凸台12、上方介电弹性体的凹槽13、上方介电弹性体的中心区域14组成。上方介电弹性体的凸台12和上方介电弹性体的凹槽13分布在上方介电弹性体的平面11的外围区域。同理，下方介电弹性体7包括下方介电弹性体的平面15、外围区域的若干个下方介电弹性体的凸台16、下方介电弹性体的凹槽17、下方介电弹性体的中心区域18组成。下方介电弹性体的凹槽17和下方介电弹性体的中心区域18分布在下方介电弹性体的平面15的外围区域。所述中心区域用于透射光线。
本实施例公开的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜的制作方法，具体实现步骤如下：
步骤一、采用光刻、腐蚀等微加工技术分别加工上方介电弹性体7和下方介电弹性体6。如图3(A)所示。上方介电弹性体的凸台12和下方介电弹性体的凹槽17相配合，上方介电弹性体的凹槽13和下方介电弹性体的凸台16相配合。
步骤二、如图3(B)所示将上方柔性电极5和下方柔性电极8分别通过喷枪喷射方式均匀地涂抹在上方介电弹性体7上表面的外围区域和下方介电弹性体6下表面的外围区域，同时引出两个电极。
步骤三、加工两个中间空心的厚薄膜。厚薄膜材料以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为例，将Sylard 184弹性基底和固化剂以预定比例混合，通过充分搅拌和抽真空后，均匀的倒入硅基板上，硅基板固定于旋转台上，通过调节旋转台的转速得到不同厚度的薄膜，将薄膜裁剪成中间空心的形状后，分别为上方厚薄膜4和下方厚薄膜9，置于上方柔性电极5的下方和下方柔性电极8的下方，如图4(A)所示。两个中间空心的厚薄膜用于保证微流体运动后，介电弹性体的外围区域不发生变形，只在中心区域发生形状的变化，导致介电弹性体的中心区域曲率半径改变。
步骤四、在下方厚薄膜9的下方通过粘性胶连接玻璃平板10，如图4(B)所示将微流体2充满配合后的上方介电弹性体6和下方介电弹性体7，形成三明治结构。通过紫外固化胶密封上下两个介电弹性体的外围边界，防止为微流体2的蒸发和外泄。
步骤五、在上方柔性电极5和下方柔性电极8分别连接电压源的正负极，当电压施加在电极两端时，两个电极的异性电荷相互吸引，导致上方介电弹性体6和下方介电弹性体7将发生相对移动，两个介电弹性体的凹槽区域中微流体2将受到对方凸台的挤压，将流入到介电弹性体的中心区域，由于下方介电弹性体7的中心区域有玻璃平板10的固定，其形状变化不大，而上方介电弹性体的中心区域14由于没有固定，其表面在引力的作用下变得凸出，即曲率半径发生改变，从而调节液体透镜的焦距，完成液体透镜的变焦距功能。
综上所述，相比较传统方法，所述的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，利用介电弹性体作为驱动方式，两个介电弹性体中间分布有微流体，呈现出三明治结构，可将微流体封闭于介电弹性体之间，具有结构简单，体积小，成本低、不宜蒸发和外漏的优点，而且采用的介电弹性体具有多个凸台和凹槽结构，能够在相同的驱动电压下，具有更大的变焦范围。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，其特征在于：采用介电弹性体作为驱动，驱动液体微流体(2)流动；在两层介电弹性体圆盘外围区域分别交错分布相互配合的凹槽和凸台，微流体(2)充满两个介电弹性体的内部区域，形成三明治结构；在两个介电弹性体表面圆盘外围区域均匀涂有柔性电极，当在柔性电极之间施加电压时，两个电极的异性电荷相互吸引，导致两个介电弹性体将发生相对移动，介电弹性体的凹槽区域中微液体将受到对方凸台的挤压，微流体(2)将流入到介电弹性体的中心区域，所述中心区域用于透射光线；两个中间空心的厚薄膜用于保证在微流体(2)运动后介电弹性体的外围区域不发生变形，只在中心区域发生形状的变化，从而导致介电弹性体的中心区域，在压力的作用下中心区域表面变得凸出，即曲率半径改变，实现液体透镜大范围、高效率变焦功能。
2.如权利要求1所述的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，其特征在于：包括上方单元(1)、微流体(2)、下方单元(3)；上方单元(1)包括上方厚薄膜(4)、上方柔性电极(5)和上方介电弹性体(6)；下方单元(3)包括下方介电弹性体(7)、下方柔性电极(8)、下方厚薄膜(9)、固定透明平板(10)；上方厚薄膜(4)的下表面和柔性电极的上表面通过粘性胶连接在一起，将上方柔性电极(5)均匀地涂于上方介电弹性体(6)的上表面；将下方柔性电极(8)均匀地涂于下方介电弹性体(7)的下表面；下方柔性电极(8)的下表面和下方厚薄膜(9)的上表面通过粘性胶连接在一起，下方厚薄膜(9)的下表面和固定透明平板(10)的上表面通过粘性胶连接在一起；
上方介电弹性体(6)主要由上方介电弹性体的平面区域(11)、若干个上方介电弹性体的凸台(12)、上方介电弹性体的凹槽(13)、上方介电弹性体的中心区域(14)组成；上方介电弹性体的凸台(12)和上方介电弹性体的凹槽(13)分布在上方介电弹性体的平面外围区域；同理，下方介电弹性体(7)主要由下方介电弹性体的平面区域(15)、外围区域的若干个下方介电弹性体的凸台(16)、下方介电弹性体的凹槽(17)、下方介电弹性体的中心区域(18)组成；下方介电弹性体的凹槽(17)和下方介电弹性体的中心区域(18)分布在下方介电弹性体(7)的平面外围区域；所述中心区域用于透射光线。
3.如权利要求1或2所述的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，其特征在于：固定透明平板(10)为玻璃平板。
4.如权利要求3所述的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜，其特征在于：通过喷枪喷射、旋涂或手涂方式将柔性电极均匀地涂于上方介电弹性体(6)的上表面；同理，通过喷枪喷射、旋涂或手涂方式将柔性电极均匀地涂于下方介电弹性体(7)的下表面。
5.一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜的制作方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、采用微加工方法分别加工上方介电弹性体(6)和下方介电弹性体(7)；上方介电弹性体的凸台(12)和下方介电弹性体的凹槽(17)交错配合，上方介电弹性体的凹槽(13)和下方介电弹性体的凸台(16)交错配合；
步骤二、将上方柔性电极(5)和下方柔性电极(8)分别均匀地涂抹在上方介电弹性体(6)上表面的外围区域和下方介电弹性体(7)下表面的外围区域，同时引出两个电极；
步骤三、加工两个中间空心的厚薄膜；薄膜材料通过充分搅拌和抽真空后，均匀的倒入硅基板上，硅基板固定于旋转台上，通过调节旋转台的转速得到不同厚度的薄膜，将薄膜裁剪成中间空心的形状后，分别为上方厚薄膜(4)和下方厚薄膜(9)，置于柔性电极的下表面和柔性电极的下表面；两个中间空心的厚薄膜用于保证微流体(2)运动后，介电弹性体的外围区域不发生变形，只在中心区域发生形状的变化，即只导致介电弹性体的中心区域的曲率半径改变；
步骤四、在下方厚薄膜(9)的下方通过粘性胶连接固定透明平板，将微流体(2)充满配合后的上方介电弹性体(6)和下方介电弹性体(7)，形成三明治结构；密封两个介电弹性体的外侧，防止微流体(2)外泄；
步骤五、在上方柔性电极(5)和下方柔性电极(8)分别连接电压源的正负极，当电压施加在电极两端时，两个电极的异性电荷相互吸引，导致上方介电弹性体(6)和下方介电弹性体(7)将发生相对移动，两个介电弹性体的凹槽区域中微流体(2)将受到对方凸台的挤压，将流入到介电弹性体的中心区域，由于下方介电弹性体的中心区域(18)有固定透明平板的固定，其形状变化不大，而上方介电弹性体的中心区域(14)由于没有固定，中心区域表面在压力的作用下变得凸出，即曲率半径发生改变，从而调节液体透镜的焦距，实现液体透镜大范围、高效率变焦功能。
6.如权利要求5所述的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜的制作方法，其特征在于：步骤一中微加工方法包括光刻、腐蚀方法。
7.如权利要求6所述的一种三明治结构的介电弹性微流体液体透镜的制作方法，其特征在于：步骤四中密封两个介电弹性体的外侧选紫外固化胶密封。
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