CN1784627A

CN1784627A - 电润湿模块

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Publication number: CN1784627A
Application number: CN 200480012263
Authority: CN
Inventors: C·A·伦德斯; S·库伊佩; B·H·W·亨德里克斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2024-05-03
Also published as: CN100373207C

Abstract

一种电润湿模块(20)，包括流体箱(8)，其包含第一流体(A)和第二流体(B)，这两种流体由界面(14)分开，以及包括用于向至少一种流体施加力以改变界面位置和/或形状的装置(16，17)。通过提供包括具有至少一种芳香族、非熔化的残余物的化合物的至少一种流体，可以增强该模块的性能。例如，可以提高电润湿透镜(30)的光功率。

Description

电润湿模块

本发明涉及一种电润湿模块，包括流体箱，其含有至少第一流体的第一主体和第二流体的第二主体，所述主体由界面分开，该模块还包括用于向至少一种主体施加力以改变界面的位置和/或形状的装置。

已经观察到，润湿技术可以沿预定路径操纵流体的体积。运用这些技术，局部地改变(通常是减小)所述体积的表面张力，促使该体积沿其最小表面张力的方向流动。

此外，已经观察到，流体是响应于任何作用力而改变其形状的物质，包括气体、蒸汽、液体、以及能够流动的固体和液体的混合物。

某种流体对表面的“可润湿性”这个术语表示所述流体润湿所述特定表面的难易程度，它可例如取决于所述表面的性质和/或所述表面两端的电势。如果一个表面具有对于特定流体的“高可润湿性”，那么这表明与所述表面接触的一滴所述流体将具有较为扩张的形状，具有相对较大的接触面积和相对较小的接触角，通常小于大约90°。“低可润湿性”表明与所述表面接触的该流体滴将具有较为紧缩的形状，具有相对较小的接触面积和相对较大的接触角，通常超过大约90°。

术语“润湿”应理解为包括局部改变一个体积(例如一滴特定流体)的表面张力以影响所述流体相对于特定表面的润湿性能的所有技术。

在利用可润湿性现象制作的模块中，两种流体必需具有所期望的特性，例如：尽可能接近的密度；低熔点；合适的粘度；良好的电润湿性能；无毒；并且，在光学模块情况下，具有某一预定差值的折射率。

这种光学模块的例子是基于电润湿的透镜，也称为电润湿透镜，其焦距可改变。在电润湿透镜中，两种流体之间的界面是弯月面。在这种模块中，第一流体是导电和/或极性液体，第二流体是不导电液体。第一液体例如是盐水，第二液体例如是有机非极性、与水不混溶的液体，如溴代癸烷、氯-或溴萘和硅油。电润湿光学模块配备有用于施加电力的装置，借助于该电力，可塑造弯月面的形状和/或位置。电润湿光学模块的其它例子为变焦透镜、光阑、衍射光栅、滤光器和光束偏转器。这些模块的实施例在PCT专利申请号IB 03/00222和欧洲专利申请号020789309.2、02080387.0和02080060.3中有描述。电润湿光学模块非常紧凑，因而可很有利地用于诸如光盘扫描设备、a/o移动电话的微型相机、显示器等。

光学电润湿模块的光功率由弯月面的曲率和第一液体的折射率与第二液体的折射率之间的差值来决定。对光学电润湿模块的要求不断增加，这可产生大的光功率变化。由于电润湿元件的尺寸决定弯月面曲率的最大变化，因此对于给定的电润湿透镜来说，通过改变曲率实现光功率变化是有限的。因此，应该以其他方式来解决功率增大的问题。

另一种电润湿模块是电动机，其利用电润湿效应沿预定路径来操纵流体的体积，所述流体使两个电动机元件彼此相对运动，如稍后将要描述的。在这种电动机中，如果第一流体和第二流体的密度彼此不匹配，那么一种流体可能因离心力而拉平。

本发明的目的是提供如开始段落中定义的电润湿模块，如果该模块用作光学模块，那么其允许在较大范围内改变光功率，如果该模块用在电动机中，那么其对其中一种流体的拉平相当不敏感。电润湿模块的特征在于至少一种流体包括具有至少一种芳香族、非熔化的剩余物的化合物。

该电润湿模块基于以下认识，即当这种化合物用作不导电或非极性流体或液体时，或者当其包括在不导电或非极性流体或液体中时，其增大该流体或液体的折射率，使电润湿光学模块中不导电流体和导电流体的折射率之差增大。按照这种方式，可以增大光功率和功率变化的范围。如果将所述化合物用作电润湿电动机中的非极性流体，或者使其包括在电润湿电动机的非极性流体中，那么可防止该流体的拉平。

本发明的另一个方面在于，对于光学模块来说，保持光功率时可减小弯月面的曲率。按照这种方式，可降低对该模块的光学像差的敏感度。此外，可降低所需光功率变化时需要的激励电压(actuatingvoltage)。

要注意，例如B.Berge和J.Peseux在Eur.Phys.J.E3，159-163(2000)中公开了一种电润湿透镜，其具有显示增大的折射率差值的流体。这种透镜的流体分别由水和氯奈组成。但是，这些透镜没有显示出良好的电润湿性能，特别是对于DC电压不能显示出良好的电润湿性能。

已经对一组化合物进行跟踪，所述化合物提供了折射率和/或密度都大于已知流体并因此非常适合于用作本发明电润湿模块的至少一种流体或者包括在本发明电润湿模块的至少一种流体中的流体或液体。权利要求2至6中定义了优选的化合物。

包括这种化合物的模块可配置为光学部件，第一和所述第二流体具有不同的折射率。在这种光学模块中，添加到其中一种流体中的化合物具有折射率差增大的作用。

在这种模块中，第一流体可以是导电的和/或极性的，第二流体可以是不导电的，该模块可以配有用于施加电力以改变弯月面形界面的位置和/或形状的装置。

折射率差从0.1到0.3，优选从0.1到0.2；所述第二不导电体的折射率大于1.4，优选大于1.5。

优选的是，第一和第二流体具有基本上相似的密度。

该模块还可以配有用于施加压力以改变界面位置的装置。

通过非限制性例子的方式，参考下文中描述的各个实施例对本发明的这些和其他方面进行说明，使其更清楚。

在图中：

图1在通过光轴的横截面中示出处于非激活状态的已知电润湿透镜；

图2示出处于激活状态的这种透镜；

图3示出处于激活状态的根据本发明的透镜，以及

图4a和4b示出不同时间矩的激活电润湿电动机的横截面视图。

图1示出构成可变焦点透镜的电润湿模块。该元件包括形成毛细管的第一圆柱电极2，借助于透明的前面元件4和透明的后面元件6密封来形成容纳两种流体的流体箱8。电极2可以是涂敷在管的内壁上的导电涂层。

在电润湿模块的该实施例中，这两种流体包括两种下述形式的不可混溶的液体，即电绝缘的第一液体A，目前是例如硅油或链烯，以及导电的第二液体B，目前是例如包含盐溶液的水。第一流体A的折射率大于第二流体B。

第一电极2是内径一般在1mm和20mm之间的圆柱。该电极由金属材料形成，并涂有例如由聚对二甲苯基构成的绝缘层10。绝缘层的厚度在50nm和100μm之间。绝缘层涂有流体接触层12，其减少了弯月面14(即流体A和流体B之间的界面)与流体箱圆柱壁的接触角的滞后。流体接触层优选由n无定形的碳氟化合物形成，如DuPont^TM生产的Teflon^TMAF1600。流体接触层12的厚度在5nm和50μm之间。

第二环形电极16设置在流体箱的一侧，在这种情况下，该电极邻近后面元件6。第二电极的至少一部分设置在流体箱中，从而使该电极对第二流体B起作用。

两种流体A和B是不可混溶的，从而易于利用弯月面14而分成两种流体。当第一和第二电极之间没有施加电压时，流体接触层12相对于第一流体A的可润湿性比相对于第二流体B的可润湿性更高。图1示出这种透镜构造，即电润湿透镜的非激活状态。在这种构造中，在流体B中测得的弯月面与流体接触层12之间的初始接触角θ大于90°。由于第一流体A的折射率大于第二流体B的折射率，因此由弯月面形成的透镜，本文称为弯月透镜，在这种构造中具有负光焦度。

由于电润湿，在第一电极和第二电极之间施加电压的情况下，对于第二流体B的可润湿性发生变化，其趋向于改变接触角。图2示出该透镜构造，如果从源17向透镜提供这种电压，即，如果透镜处于激活状态中。在这种情况下，该电压相对较高，例如在150V和250V之间，此时弯月面具有凸面形状。弯月面与流体接触层12之间的最大接触角θ例如在60°的数量级。由于流体A的折射率大于流体B的折射率，因此在这种构造中，弯月透镜1具有正光焦度，并且其将入射光束b聚焦为与透镜相隔一定距离d的焦斑18。

关于可变焦点透镜的结构的进一步的细节参考国际专利申请IB03/00222。在欧洲专利申请02079473.1(PHNL021095)中描述了一种变焦透镜，该变焦透镜在较高折射率液体和较低折射率液体之间包括至少两个可独立控制的界面。

在电润湿透镜中，透镜的光功率取决于弯月面的曲率，以及导电和不导电液体之间的折射率差，如下面方程式所看到的：

S = \frac{n_{1} - n_{2}}{r}

其中S是弯月透镜的光功率，r是弯月面的曲率半径，n₂是不导电液体A的折射率，n₁是导电液体B的折射率。

实际上，需要增大可变焦点透镜所能够改变的光焦度的范围。例如，对于基于电润湿的变焦距透镜来说，可获得的最大变焦距因子与这种变焦距透镜中各个电润湿透镜的可获得的最大光功率变化非常相关。

根据上面的方程式得出，电润湿透镜的光功率变化取决于导电液体与不导电液体之间的折射率之差，并且取决于弯月面的曲率变化。由于电润湿元件的尺寸决定最大曲率变化，因此对于给定的电润湿透镜来说，由曲率变化引起的光功率变化是有限的。此外，弯月面的大曲率在穿过电润湿透镜的光束中引入光学像差，并且需要很高的控制电压。可通过增大导电液体与不导电液体之间的折射率差来实现较大的光功率变化。目前在电润湿透镜中所用的不导电液体(例如链烷或硅油)的折射率(n＝1.37-1.43)仅仅稍大于目前所用的导电液体的折射率(例如，水，n＝1.33)。通常，折射率之差小于0.1。

根据本发明，将至少一种化合物，其具有至少一种芳香族、非熔化残余物，优选至少一个苯基用作不导电或非极性液体或溶液A，或者作为这种液体或溶液中的一种成分。这种手段大大增大了液体A的折射率，同时仍然满足该液体的其他要求，如高透明度、与另一种液体或液体B的不可混溶性，以及良好的电润湿性能。

这种手段可用于增大具有给定弯月面曲率的可变焦点电润湿透镜的功率变化范围，或者用于减小具有给定功率变化范围的可变焦点透镜的弯月面曲率。如果在电润湿变焦距透镜中使用这种手段，那么该手段允许增大变焦距因子。通过不增大或减小弯月面曲率，对电润湿透镜形成的光学系统中的光学像差的敏感度分别不增大或减小。此外，实现一定的光功率变化的所需激励电压较低。

图3示出电润湿透镜20，其与图2的透镜具有相同的结构和构造，但是该电润湿透镜20具有不导电的流体A′来代替图2的流体A，该流体A′包括具有至少一种芳香族非熔化残余物的所述化合物。用流体A′代替流体A向透镜20提供与供给图2的透镜1的电压具有相同电平的控制电压的结果是相同的，并且保持该电平的结果是使焦斑18′位于与透镜相隔距离d′处，该距离d′小于图2中的距离d。

一般地，对于电润湿透镜来说，重要的是，弯月面形状与定向无关从而与重力无关。如果液体的密度相等，那么该形状优选是球面，并且与定向无关。根据本发明的电润湿透镜也满足这一要求。

已经跟踪了大量化合物，如果这些化合物用在电润湿透镜的不导电流体中，或者作为该电润湿透镜中的不导电流体的组分，那么其提供所需的性质：高折射率、透明、与导电流体不可混溶、密度与导电流体基本上相似(即允许两个密度之间存在小的差值)、适当的熔点和沸点，以及良好的电润湿性能。表1中给出非常适合与本发明一起使用的含苯基的不导电液体或可溶性固体的例子：

表1

材料	状态	密度	折射率
材料	状态	密度	折射率	甲苯	液体		1.496
二苯基甲烷	固体T_m＝22℃		1.577	甲苯	液体		1.496
二苯基甲烷	固体T_m＝22℃		1.577	联二苯	固体		1.588
苯基三甲硅烷	液体		1.4908	联二苯	固体		1.588
苯基三甲硅烷	液体		1.4908	1，3，3，5-四苯基二甲基二甲硅醚	固体		1.5866
1，1，5，5-四苯基-1，3，3，5-四甲基三硅氧烷	液体	1.07	1.551	1，3，3，5-四苯基二甲基二甲硅醚	固体		1.5866
1，1，5，5-四苯基-1，3，3，5-四甲基三硅氧烷	液体	1.07	1.551	1，1，3，5，5-五苯基-1，3，5-三甲基三硅氧烷	液体	1.093	1.5797
三苯基三甲基环三硅氧烷	液体	1.102	1.5402	1，1，3，5，5-五苯基-1，3，5-三甲基三硅氧烷	液体	1.093	1.5797
三苯基三甲基环三硅氧烷	液体	1.102	1.5402	3，5，7-三苯基九甲基硅氧烷	液体	1.144	1.501
参考材料：八甲基三硅氧烷		0.82	1.38	3，5，7-三苯基九甲基硅氧烷	液体	1.144	1.501

根据表1得出，所选的具有苯基的化合物的折射率通常大于1.49，使其适合于具有大光功率范围的电润湿透镜。优选的是，折射率大于1.5的子集特别合适，因为它们允许小型化变焦距透镜用于变焦距因子大于2的便携式应用(例如移动式电话)中。甚至更优选的是折射率n＞1.55的具有苯基的液体，例如1，1，5，5-四苯基-1，3，3，5-四甲基三硅氧烷。

优选的是，不导电的液体是具有苯基的硅油，即硅氧烷。这种油在添加更多苯基/用更多苯基取代时可长时间保持液态。

本发明包括在电润湿元件的至少一种流体中使用苯基甲基硅氧烷，以增大流体箱中存在的两种流体之间的折射率之差。

在这方面，观察到没有预先公开的国际专利申请nr.IB03/00222公开了一种可变焦点电润湿透镜，其中苯基甲基硅氧烷用作电绝缘液体的成分。但是，在前面的专利申请中已经出现了添加苯基甲基硅氧烷而使流体箱中存在的两种液体优选具有相等的密度，因此透镜功能与定向无关，即与两种流体之间的重力效应无关。前面的专利申请没有描述以下内容，在电润湿元件的流体箱中存在的至少一种流体中使用苯基甲基硅氧烷来增大两种流体之间的折射率差。

本发明还可用在电润湿电动机中，其中利用以下事实，即根据润湿技术，借助于电力改变界面的形状，用以沿预定路径操纵流体的体积。图4A和4B示出这种电动机30在不同时间矩的实施例的横截面视图，所述电动机特别是旋转电动机。该电动机包括基本上圆柱形的第一主体33和基本上圆柱形的第二主体35，该第二主体同心地位于第一主体33内。第一和第二主体33、35在其各自的内表面和外表面之间密封起基本上圆柱形的箱34，该箱充满非极性和/或不导电的第一流体36，如油，以及体积37a-d的极性和/或导电的第二流体37，在该实例中，第二流体是水溶液，例如(盐)水。流体36、37是不可混溶的。

第一主体33具有改变其内表面可润湿性的装置，即十二个电极40，其沿着第一主体33的轴向延伸，沿圆周以基本上有规则的径向间隔分开。第一主体33的内表面覆盖有电绝缘的疏水材料的层42，或者更一般地，其覆盖对第二流体37的可润湿性低于对第一流体36的可润湿性的材料。在第一流体36是油或空气，第二流体是(盐)水的情况下，这种材料的例子例如是像特氟隆一样的材料，如Dupont提供的无定形的含氟聚合物AF1600，或者聚对二甲苯基或其组合。电极40连接到电压源(未示出)。

如果需要则第二主体35具有固体设计，但可以是中空的，并且通过一个或多个适当的轴承安装为可动的，特别是可转动的。该轴承或每个轴承例如是油轴承，通过向第一和/或第二主体33、35提供环形槽而构成，其中在第二主体35旋转时，增大压力，使第二主体35置于第一主体33中心。

第二主体35在其外表面配有呈四个亲水区域44形式的耦合装置，所述数量对应于体积37a-d的数量。这些区域44例如可以由对于第二流体37的可润湿性高于对于第一流体36的可润湿性的材料制成，或者由所述材料覆盖，该材料例如是玻璃。区域44通过区域45沿径向彼此分开，区域45由疏水材料制成或由该疏水材料覆盖，其可以从前面提到的任一种材料中选取。此外或者可替换的是，可以使亲水区域44凹进，以增强与这些体积的耦合力。而且，体积37a-d中的两个或多个可以经由第二主体35中的至少一个合适的导管39互连，所述导管如图4A和4B中的虚线所示。可以省略高可润湿性区域44和低可润湿性区域45，但是也可以保留所述区域，以增大可施加的发动机的最大力。

如上所述的电动机工作如下。在图4A中，向用罗马数字I标明的电极40提供电压。因此，覆盖所述电极I的疏水层42将变为局部亲水。因此，四个体积37a-d将在四个电极I处接触第一主体33。而且，它们在耦合装置处，即亲水区域44和导管39处，接触第二主体35。随后，如果变为向第二电极II提供电压，该第二电极II位于邻近前面的电极I，那么在所述第二电极II上的层将变为亲水，而在第一电极I上的层将变回疏水。这产生如图4B中所示朝亲水区域II牵引体积37a-d的电润湿力。在移动过程中，体积37a-d将沿第二主体35的亲水区域44移动到疏水区域45的边缘。通过疏水区域45和第一流体36的共同作用阻止沿第二主体35的进一步移动，使体积37a-d能够对第二主体35施加润湿力，这引起主体35旋转。因此，通过随后用适当的电压激励连续的电极40I，II，能够使第二主体35连续地旋转。优选的是，电极40位于彼此相对接近的位置，甚至通过“齿”结构重叠的位置。并且，电极40的径向尺寸优选等于或小于体积37a-d的径向尺寸。将电极40这样定位和/或定尺寸确保体积37a-d能够“感测到”向随后的电极40II新提供的电压。

在给出的例子中，旋转是顺时针方向的。应该理解，通过将激励电极10I，II的次序颠倒而很容易地使该方向反向。显然，旋转频率取决于随后电极40I，II的激励频率。要注意，尽管所示的例子中使用了导电流体的四个体积37a-d，但也可以使用任意数量的体积。体积37a-d可以是沿轴向的线形，或者由一系列轴向隔开的小滴组成。此外要注意，利用图4A和4B的实施例，还可以使第一主体33旋转而不是第二主体35旋转，即假定第一主体33安装为可旋转的，第二主体35是固定的。在这种情况下，在电压从第一电极I切换为第二电极II时，体积37a-d朝第二电极II移动(以较高可润湿性为特征)到亲水区域44的边缘。随后，由于润湿力将第二电极II牵引到体积37a-d，使第一主体33逆时针旋转。根据该讨论，立刻清楚，对于电动机30的操作来说，电极40是位于静止主体上还是位于可动主体上是无关的。因此，尽管实际上通常将电极40放置在静止主体上以避免布线问题，但是介绍的实施例绝不被理解为是限制性的。

所描述的电动机可能因电动机被施加的离心力而使其中一种流体拉平，这将影响其性能。根据本发明，可以通过使用上述一种化合物来防止这种情况，例如表1的其中一种化合物。该表还给出了一些化合物的密度。

本发明的化合物优选用作不导电液体或流体或者非极性液体或流体，或者用在不导电液体或流体或者非极性液体或流体中。由于大部分化合物的密度大于水(其通常是导电液体)，因此很明显，所述化合物应该与具有较低密度的化合物混合，以便与水的密度匹配。

尽管上面的描述限于作为光学电润湿模块的例子的电润湿透镜，但是本发明绝不限于这种透镜。本发明可以用在任何光学电润湿模块中，如可变焦点透镜、变焦距透镜、光阑、滤波器和光束偏转器。

Claims

1.一种电润湿模块，包括流体箱，该流体箱至少含有被界面分开的第一流体的第一主体和第二流体的第二主体，以及包括用于向至少一种主体施加力以改变界面位置和/或形状的装置，其特征在于，至少一种流体包括具有至少一种芳香族、非熔化的残余物的化合物。

2.如权利要求1所述的模块，其中具有至少一种芳香族、非熔化的残余物的化合物是分子式为-R的化合物，其中是苯基，用一个或多个较低的C₁-C₁₀烷基、优选是C₁-C₅烷基来取代或不取代，R是直链或支链、优选是C₁-C₅烷基，用一个或多个芳基、一个芳基、或一个甲硅烷基来取代或不取代，用一个或多个C₁-C₁₀、优选是C₁-C₅烷基来取代或不取代。

3.如权利要求2所述的模块，其中具有至少一种芳香族、非熔化的残余物的化合物从包括甲苯、二苯甲烷、三联苯和联苯的组中选择。

4.如权利要求2所述的模块，其中具有至少一种芳香族、非熔化的残余物的所述化合物是苯基三甲硅烷。

5.如权利要求1所述的模块，其中具有至少一种芳香族、非熔化的残余物的所述化合物是具有分子式(-R₁R₂Si-O-)_n的结构单元的有机硅氧化物聚合物，其中n是从1到10的整数，优选是从1到5的整数，R₁是芳基，用一个或多个C₁-C₁₀、优选是C₁-C₅烷基来取代或不取代，R₂是较低的C₁-C₁₀烷基、优选是C₁-C₅烷基、或芳基，用一个或多个C₁-C₁₀、优选是C₁-C₅烷基来取代或不取代，假设当n＝1时，R₁是苯基，R₂不是甲基。

6.如权利要求5所述的模块，其中所述有机硅氧化物聚合物从下面的组中选择，所述组包括

1，3，3，5-四苯基二甲基二甲硅醚；

1，1，5，5-四苯基-1，3，3，5-四甲基三硅氧烷；

1，1，3，5，5-五苯基-1，3，5-三甲基三硅氧烷；

三苯基三甲基环三硅氧烷；

3，5，7-三苯基九甲基五硅氧烷。

7.如权利要求1所述的模块，其中一种流体包括苯基甲基硅氧烷以增大两种流体的折射率之差。

8.如权利要求1至6中任一项所述的模块，配置为光学部件，第一和所述第二流体具有不同的折射率，其中向其中一种流体添加的化合物具有折射率差增大的作用。

9.如权利要求8所述的模块，其中第一流体是导电和/或极性的，第二流体是不导电的，该模块配有用于施加电力以改变弯月形界面的位置和/或形状的装置。

10.如权利要求8所述的模块，其中折射率差从0.1到0.3，优选从0.1到0.2；所述第二不导电主体的折射率大于1.4，优选大于1.5。

11.如权利要求8所述的模块，其中所述第一和所述第二流体显示出基本上相似的密度。

12.如权利要求8所述的模块，具有用于施加压力以改变界面位置的装置。