南京邮电大学，电子与光学工程学院、微电子学院，南京 210046
通常一种光开关只适用于一个特定的较窄领域。文章提出了一种基于介质上电润湿驱动技术的微流控矩阵光开关，可较广泛地应用于光通信和光电子系统中，并且结构简单、操作方便、偏振无关，易集成大型矩阵开关。文章给出了矩阵光开关的结构和工作原理，并设计了矩阵驱动电路。光开关的工作电压为58 V。研究结果表明：此矩阵光开关从“开”到“关”和从“关”到“开”的响应时间分别为120和100 ms；其插入损耗为0.26 dB，远比一般矩阵光开关低；消光比大，为139.7 dB。此外，文章给出了两种应用方案：光电显示器和多光束阵列开关。该课题的工作可为大型可集成矩阵光开关提供新的思路，并可促进微流控光学在光电子系统中的应用。
微流控光学 介质上电润湿效应 矩阵光开关 optofluidics electrowetting-on-dielectric matrix optical switch
1 苏州大学 机电工程学院，江苏苏州2502
2 河南工程学院 机械工程学院，河南郑州451191
为了便于在数字微流控芯片上实施完整且高自动化的生化分析，在一个柔性基底上将芯片的两种常规结构加以集成，建立混合式结构，并对液滴在封闭区和开放区之间的跨区往返运动进行研究。首先，根据力平衡分析法分析液滴在两区边界处的运动特性，推导出跨越边界的条件，得到实现两区运动的优化措施。接着，在三种柔性基底上实现液滴的两区往返运动。然后，分析了封闭区上极板空间横向位置和纵向位置对液滴两区运动的影响。最后，研究了上极板厚度对液滴两区运动的影响。实验结果表明：封闭区上极板横向位置模式Ⅱ以及薄的上极板有利于实现液滴的自由跨区往返运动，而且能够降低液滴的驱动电压；对于0.8~1.2 μL的液滴来说，以聚对苯二甲酸乙二醇脂（Polyethylene terephthalate， PET）塑料片材为基底的柔性芯片上封闭区极板间距控制在150~350 μm内可实现液滴的双向跨区运动。实验结果证明了液滴能够在封闭-开放区间自由往返运动，混合式结构便于实现在单一芯片上的液滴操作及高自动化程度的分析检验。
数字微流控 介电湿润 两区运动 混合式结构 digital microfluidic electrowetting-on-dielectric two-region motion hybrid configuration
南京邮电大学微流控光学技术研究中心，江苏 南京 210023
设计了一种基于介电润湿效应的叠加式液体透镜，分析其对含有曲率误差、倾斜误差和活塞误差的畸变波前的校正能力。采用COMSOL软件构建叠加式液体透镜模型，仿真模拟了不同电压组合下液体界面面型的变化情况，获得该叠加式液体透镜内双液体界面的变化范围；采用ZEMAX软件，借助点扩散函数变化，分析该透镜对波前任意点处曲率误差、倾斜误差和活塞误差的校正能力。结果表明：该叠加式液体透镜可以实现同时对不同类型畸变波前的校正，相应的峰谷值(PV)由校正前19.7853?下降到校正后0.18?，均方根值(RMS)由校正前5.6638?减小到校正后0.0355?，斯特列尔比(SR)由校正前的接近0值提高到0.962的较理想状态。
液体透镜 介电润湿 波前校正 斯特列尔比值 liquid lens electrowetting-on-dielectric wavefront correction Strehl ratio
南京邮电大学电子与光学工程学院微流控光学技术研究中心，江苏 南京 210023
为解决仿生复眼系统不能自适应变焦的问题，提出了一种基于介电润湿液体透镜曲面阵列的可变焦仿生复眼系统。分析系统结构对成像性能的影响，计算系统的自适应变焦能力及相应像平面可移动范围。结果表明：系统成像的视场角随着基底曲率的增大而增大。相比于非均匀透镜阵列，均匀透镜阵列可明显降低系统的离焦像差。适当减小子透镜单元尺寸，也可以达到降低边缘透镜离焦像差的目的。当物距或者接收器位置发生改变时，通过调整子透镜单元焦距降低系统的离焦像差。系统接收器可移动范围为1.9 mm~15 mm。
光学设计 介电润湿 复眼 液体透镜阵列 可变焦 optical design electrowetting-on-dielectric compound eye liquid lens array variable-focus
南京邮电大学电子与光学工程学院微流控光学技术研究中心, 江苏 南京 210023
为了校正由活塞、倾斜和离焦而引起的波前误差,设计一种基于介电润湿效应的三液体透镜阵列。根据介电润湿的理论,构建介电润湿三液体透镜阵列模型,仿真模拟液体界面的面型随着电压的变化过程,并分析三液体透镜阵列对活塞误差、离焦误差和倾斜误差的波前补偿能力。仿真结果表明,三液体透镜阵列可以实现对不同类型波前误差的校正和补偿,峰谷值由补偿前的1.838λ减小到补偿后的0.285λ,方均根值由补偿前的0.424λ减小到补偿后的0.053λ,斯特列尔比由补偿前的0.161提高到补偿后的0.917。相关研究结果表明,三液体透镜阵列在无机械波前校正的领域中有着广阔的应用前景。
光学设计 三液体透镜 介电润湿 波前补偿 斯特列尔比值 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 212202
1 国防科技大学 智能科学学院,湖南 长沙 410073
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
当前的光电侦察领域设备不断地向轻、小型化发展, 而传统变焦光学系统的体积与质量往往达不到微小型光电侦察平台的载荷要求, 因此小型无人机等侦查平台只能搭载定焦镜头, 制约了分辨率与侦查距离的提升, 限制了侦查能力。液态透镜技术利用单片透镜即可实现透镜焦距的调节, 大大减小了光学系统的体积, 且其变焦响应速度快、变焦范围大, 由液态透镜组合的光学系统可以在固定的小体积内实现快速变焦, 在军民领域都有广阔的应用前景。该文对前人的理论基础与研究方法进行了调研与综述, 简述了液态透镜的5种基本原理, 并分析了各自的特点, 分别介绍了国内外液态透镜的研究现状, 指出了不同液态透镜的优缺点及未来的发展与研究方向。
液态透镜 液压驱动 电润湿效应 光学设计 弹性薄膜 liquid lens hydraulic-driven electrowetting on dielectric (EWOD) optical design elastic membrane
苏州大学 机器人与微系统研究中心, 江苏 苏州 215021
针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低, 分离后的子液滴体积误差大等问题, 本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后, 结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。与传统分离方式相比, 新型芯片在分离前能够调整液滴的初始位置, 分离过程中能保证液滴平稳收缩, 从而提高分离的成功率和精度。最后使用去离子水作为实验对象, 对扇形芯片的分离效果进行了实验验证。结果表明: 使用扇形电极在不同极板间距下分离液滴的成功率均高于传统电极, 并且分离后的子液滴平均误差在±2%以内, 变异系数低至1.83%, 通过减少分离电极的尺寸还能进一步提高分离精度。实验数据证明了扇形分离电极数字微流控芯片能够提高分离的成功率和精度。
数字微流控芯片 介电湿润 扇形电极 分离 体积精度 变异系数 digital microfluidics electrowetting-on-dielectric fan-shaped electrode splitting volume inaccuracy coefficient of variation
南京邮电大学电子与光学工程学院微流控光学技术研究中心, 江苏 南京 210023
为实现三维空间光束指向控制,提出了一种基于介电润湿效应的液体棱镜阵列系统。根据几何光学和介电润湿理论,推导并分析了光束转向角与液体棱镜单元的最大偏转角、介电润湿接触角、棱镜单元间距及液体折射率等因素之间的关系;通过COMSOL构建介电润湿液体棱镜阵列模型,仿真了电压控制下液体棱镜单元内双液体界面面型的变化过程,模拟再现了该液体棱镜阵列对光束指向的控制特性。结果表明,基于介电润湿技术的液体光学棱镜阵列在一定范围内可实现对光束指向的连续控制。通过选取特定的液体组合,饱和接触角降低到45°,棱镜单元的光束转向范围可提高到28°(-14°~14°)。当光轴间距r为6 mm时,液体棱镜阵列系统可以实现在28°圆锥区域内的连续控制,且圆锥顶点位于Z轴22.58 mm位置处。
光学设计 介电润湿效应 液体棱镜阵列 偏转角 圆锥 激光与光电子学进展
2019, 56(16): 162201
苏州大学 机器人与微系统研究中心&苏州纳米科技协同创新中心, 江苏 苏州 215123
为了降低数字微流控芯片的驱动电压, 将传统的方形驱动电极结构设计为半月形, 并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先, 根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后, 通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真; 根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后, 设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片, 并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明: 研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中, 电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%, 而且可以在16 V的驱动电压下使1 μＬ去离子水液滴的运动速度达到1.6 cm/s, 是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。
数字微流控芯片 半月形电极 驱动电压 介电湿润 流体法 digital microfluidic device crescent electrode driving voltage electrowetting-on-dielectric Volume of Fluid(VOF) method
苏州大学 机器人与微系统研究中心，江苏 苏州 215021
针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持，本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计，并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先，基于介电湿润原理，推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力，接着，对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后，对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后，对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示: 驱动同等体积大小的微液滴时，本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低，液滴的运动速度更快; 当有效驱动电压达到44 V时，液滴的速度可以达到15 cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高，驱动电压更低。
数字微流控芯片 介电湿润 单极板 液滴速度 digital microfluidic device electrowetting-on-dielectric EWOD single-plate droplet velocity
