CN206020809U - 基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光控制器件技术领域，具体公开了一种基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列，所述光调节装置包括透明薄膜空腔、中央电极线、外周电极线、电解液、液态金属、控制电路和电源，电解液填充在透明薄膜空腔内，液态金属位于透明薄膜空腔内的中央位置并形成椭球体，中央电极线的一端穿过透明薄膜空腔的中央处与液态金属接触，另一端与控制电路连接，外周电极线的一端围绕在透明薄膜空腔的内壁形成环形电极，另一端与控制电路连接，控制电路与电源连接，用于接收外界控制信号以对液态金属的变形运动进行调控，所述光调节平面阵列包括多多个所述光调节装置。本实用新型具有结构简单、能耗低、控制方便等优点。

Description

基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列

技术领域

本实用新型涉及光控制器件技术领域，尤其涉及一种基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，智能化家庭生活用品已经逐渐进入了千家万户。这些智能化器件往往具有多种功能，而且操作简单，可以满足人们不同的生活需求，极大地方便了人们的日常生活。其中，自然光源和人造光源为人们的日常生活提供了照明需求，而合适的光照强度则可以创造更加舒适健康的生活环境。智能化光线调节装置具有自动控制光线入射量的功能，例如：智能百叶窗、自动光圈、自动遮阳板等。此外，在光纤通信领域，对光的控制也十分重要，其中光开关就是最基本的元器件之一。但是，现有技术中的光调节装置往往具有复杂的机电驱动模块，所以存在着体积较大、能耗较高、控制复杂等问题。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列，以解决现有技术中的光调节装置由于具有复杂的机电驱动模块，所造成的体积较大、能耗较高、控制复杂等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于液态金属电致变形的光调节装置，包括透明薄膜空腔、中央电极线、外周电极线、电解液、液态金属、控制电路和电源；所述电解液填充在所述透明薄膜空腔内，所述液态金属位于所述透明薄膜空腔内的中央位置并形成椭球体，所述中央电极线的一端穿过所述透明薄膜空腔的中央处与所述液态金属接触，另一端与所述控制电路连接，所述外周电极线的一端围绕在所述透明薄膜空腔的内壁形成环形电极，另一端与所述控制电路连接，所述控制电路与电源连接，用于接收外界控制信号以对所述液态金属的变形运动进行调控。

优选地，所述透明薄膜空腔为由透明薄膜制成的扁平状六棱柱结构。

优选地，所述透明薄膜空腔的六边形的边长为1.5mm-2.5mm，所述透明薄膜空腔的高度为0.3mm-0.7mm，所述透明薄膜的厚度为0.15mm-0.25mm，所述中央电极线为0.08mm-0.12mm的铜丝，所述外周电极线为0.08mm-0.12mm的铜丝，所述液态金属形成的椭球体的直径为0.8mm-1.2mm。

优选地，所述透明薄膜的材料为玻璃、塑料或橡胶。

优选地，所述电解液为氢氧化钠溶液或氯化钠溶液。

优选地，所述液态金属为镓基合金、铟基合金或铋基合金。

优选地，所述液态金属为质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成的镓铟合金。

优选地，所述电源由电池供电，所述电源的电压为3V-5V。

优选地，还包括传感器，所述传感器设在所述透明薄膜空腔的外侧。

本实用新型还提供了一种光调节平面阵列，包括多个组装在一起的所述基于液态金属电致变形的光调节装置。

(三)有益效果

本实用新型的基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列利用液体金属电致变形的原理，即液态金属在外加电场下可以发生大幅度的平面伸展的物理现象，将液态金属封装在充满电解液的透明薄膜空腔内，并在空腔中央和四周分别放置电极导线，在外加电场作用下，通过改变电极极性，使透明薄膜空腔内的液态金属在电解液环境中发生可逆变形，实现液态金属液滴向向水平方向大幅度的伸展和回缩，由于液态金属表面具有很强的反光效果，因此可以通过控制液态金属的铺展面积调控透明薄膜在竖直方向的光线透过率，这种光调节装置体积小、结构简单、能耗低、控制方便，可以组合成不同面积的光调节平面阵列，应用于室内、车内的光线调节，也可应用于光纤通信领域的光开关。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于液态金属电致变形的光调节装置的立体透视图；

图2为本实用新型实施例的基于液态金属电致变形的光调节装置的侧视剖视图；

图3为本实用新型实施例的基于液态金属电致变形的光调节装置的正面结构图；

图4为本实用新型实施例的基于液态金属电致变形的光调节装置的背面结构图；

图5为本实用新型实施例的光调节平面阵列的正面结构图；

图6为本实用新型实施例的光调节平面阵列的背面结构图。

图中，1：透明薄膜空腔；2：中央电极线；3：外周电极线；4：电解液；5：液态金属；6：传感器；7：控制电路和电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-4所示，本实施例的基于液态金属电致变形的光调节装置，包括：透明薄膜空腔1、中央电极线2、外周电极线3、电解液4、液态金属5、传感器6、以及控制电路和电源7。

透明薄膜空腔1为由透明薄膜制成的扁平状六棱柱结构，透明薄膜空腔1下表面的中央处可以设有一个圆形凹陷，用于限制液态金属5的随意流动，透明薄膜的材料为玻璃、塑料或橡胶，不同的透明材料其加工方式会有所不同。

电解液4填充在透明薄膜空腔1内，电解液4可以为1mol/L的氧化钠溶液或氯化钠溶液，其他可以使液态金属5微球发生可逆变形的电解液也同样适用与本实用新型。

液态金属5位于透明薄膜空腔内5的中央位置并形成椭球体，液态金属5为镓基合金、铟基合金或铋基合金，液态金属5质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成的镓铟合金，这种合金的熔点为10.35℃，在常温下处于液态，不同的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金，其他使用温度下呈液态的金属或合金也同样适用与本实用新型，液态金属5的电化学特性可以对其进行电化学修饰，如氧化处理或电镀其他金属材料等。液态金属5在外加电场的调控下实现可逆变形运动，控制电压的幅度和持续时间取决于电解液4的离子浓度和液态金属5微球的体积，可根据具体使用要求做参数调整。

中央电极线2的一端穿过透明薄膜空腔1的上表面的中央处与液态金属5始终接触，用于释放电压，另一端贴敷在透明薄膜外表面，与后级的控制电路连接；外周电极线3的一端围绕在透明薄膜空腔1的内壁的外周形成六边形的环形电极，且不与液态金属5接触，另一端贴敷在透明薄膜外表面，与后级的控制电路连接，

控制电路与电源连接，用于接收外界控制信号以对液态金属的变形运动进行调控，具体的，控制电路对中央电极线2和外周电极线3施加特定的电压信号，可以改变电极极性、电压强度和持续时间，电源可以由电池供电，电源的电压为3V-5V。控制电路及电源7也可以通过导线连接到稍远的位置。

传感器6设在透明薄膜空腔的外侧的上表面，用于检测光照强度，传感器6可以为光敏二极管等。

本实施例中，透明薄膜空腔的六边形的边长为1.5mm-2.5mm，具体可以为1mm，透明薄膜空腔的高度为0.3mm-0.7mm，具体可以为0.5mm，透明薄膜的厚度为0.15mm-0.25mm，具体可以为0.2mm，中央电极线为0.08mm-0.12mm的铜丝，具体可以为0.1mm，外周电极线为0.08mm-0.12mm的铜丝，具体可以为0.1mm，液态金属形成的椭球体的直径为0.8mm-1.2mm，具体可以为1mm。

本实施例的基于液态金属电致变形的光调节装置的工作原理为：中央电极线2插入到液态金属5中，外周电极线3贴敷在透明薄膜空腔1侧壁，三者均浸泡在电解液4中。将中央电极线2连接电源正极，外周电极线3连接电源负极，则液态金属5在水平面内伸展，将中央电极线2连接电源负极，外周电极线3连接电源正极，则液态金属5在水平面内收缩成球形。改变两极电压的幅度和持续时间可以控制液态金属5的伸展面积和伸展速度。

本实用新型还提供了一种光调节平面阵列，如图5、6所示，包括多个组装在一起的上述实施例所述的基于液态金属电致变形的光调节装置。每个透明薄膜空腔内1的液态金属5微滴相互独立，中央电极线2和外周电极3线，均一端插入各自的变形模块，另一端相互连接，形成贴敷在透明薄膜空腔1外表面的连接电路，最终与控制电路和电源连接。为便于控制，将中央电极线2和外周电极线3按照一定的规律排列，形成特定的电极接口，便于与后级电路连接。

研究发现，在电场控制下的液态金属镓在球体和非球体之间存在各种可逆转换行为。由于纯镓表面张力极大(约700mN/m)，意味着可在平坦表面上保持球体形态，而氧化镓表面张力则趋近于0，因而可因重力和电学的双重作用而沿水平方向大幅展开。在酸或碱类电解液中，通过加电作用，镓球表面会迅速产生一层氧化镓薄膜，这使其表面张力发生突降，由此实现展开乃至分裂效应，一旦切断电压，之前形成的氧化镓层随即被电解液溶解，从而将纯镓再度暴露于化学溶液中，液态金属物体的表面张力于是自动恢复，变形体随即收缩成最初的球体形状。系列实验也表明，这些变形并不仅限于单质液态金属镓，二元、三元乃至更复杂组分合金如镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌等也易于呈现对应的可逆变形行为。从技术角度而言，若借助电脑编程来调控电压大小与供电方式、电极间距与排列组合方式、液态金属体积及流道材料与形状，乃至电解质溶液类型与浓度等，则可以获得千奇百怪的变形行为，再结合液态金属膜的高反光特性和不透光性，从而可以非常方便的实现对光的控制。

本实用新型的基于液态金属电致变形的光调节装置及光调节平面阵列利用液体金属电致变形的原理，即液态金属在外加电场下可以发生大幅度的平面伸展的物理现象，将液态金属封装在充满电解液的透明薄膜空腔内，并在空腔中央和四周分别放置电极导线，在外加电场作用下，通过改变电极极性，使透明薄膜空腔内的液态金属在电解液环境中发生可逆变形，实现液态金属液滴向向水平方向大幅度的伸展和回缩，由于液态金属表面具有很强的反光效果，因此可以通过控制液态金属的铺展面积调控透明薄膜在竖直方向的光线透过率，这种光调节装置体积小、结构简单、能耗低，可以组合成不同面积的光调节平面阵列，应用于室内、车内的光线调节，也可应用于光纤通信领域的光开关。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，包括透明薄膜空腔、中央电极线、外周电极线、电解液、液态金属、控制电路和电源；所述电解液填充在所述透明薄膜空腔内，所述液态金属位于所述透明薄膜空腔内的中央位置并形成椭球体，所述中央电极线的一端穿过所述透明薄膜空腔的中央处与所述液态金属接触，另一端与所述控制电路连接，所述外周电极线的一端围绕在所述透明薄膜空腔的内壁形成环形电极，另一端与所述控制电路连接，所述控制电路与电源连接，用于接收外界控制信号以对所述液态金属的变形运动进行调控。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述透明薄膜空腔为由透明薄膜制成的扁平状六棱柱结构。

3.根据权利要求2所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述透明薄膜空腔的六边形的边长为1.5mm-2.5mm，所述透明薄膜空腔的高度为0.3mm-0.7mm，所述透明薄膜的厚度为0.15mm-0.25mm，所述中央电极线为0.08mm-0.12mm的铜丝，所述外周电极线为0.08mm-0.12mm的铜丝，所述液态金属形成的椭球体的直径为0.8mm-1.2mm。

4.根据权利要求2所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述透明薄膜的材料为玻璃、塑料或橡胶。

5.根据权利要求1所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述电解液为氢氧化钠溶液或氯化钠溶液。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述液态金属为镓基合金、铟基合金或铋基合金。

7.根据权利要求6所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述液态金属为质量分数为75.5％的镓和24.5％的铟组成的镓铟合金。

8.根据权利要求1所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，所述电源由电池供电，所述电源的电压为3V-5V。

9.根据权利要求1-8中任何一项所述的基于液态金属电致变形的光调节装置，其特征在于，还包括传感器，所述传感器设在所述透明薄膜空腔的外侧。

10.一种光调节平面阵列，其特征在于，包括多个组装在一起的权利要求1-9中任何一项所述的基于液态金属电致变形的光调节装置。