专利名称：用于mems的液晶微流体驱动与控制方法
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MEMS的液晶微流体驱动与控制方法。
背景技术：
目前现有微流体驱动与控制技术分为两大类，一类是从宏观流体驱动移植过来的驱动方式，如机械压差驱动、离心力驱动、电水力驱动等；另一类是根据微尺度下流体特性设计的驱动方式，如表面张力驱动、热气泡驱动和电渗式驱动等。在微系统的条件下，由于尺度的减小，微流体器件的面/体比大大增加，表面张力的影响变得十分明显，流体的流动特性发生了变化。因此，从宏观流体驱动移植过来的驱动与控制方法在微管道中往往效果不好甚至是不可行的。其次，近年来，微系统已经越来越多地涉及到纳米通道和纳流控制，成为分子水平上进行生命科学、药学、化学和化学工程研究的重要平台之一。流体控制开始趋向于在更低流量水平上(pl/min)的驱动，更多的关注流量为100ρ1/π η-50μ Ι/min范围，压强为几个厘米水柱到几个标准大气压不等的流体驱动，并在很多情况下要求流量/压强可控，流动相组成和流向可控。而直接移植的驱动方式的微执行器结构复杂，大多存在机械可动部件，必然受到加工工艺和精度的限制，很难实现微型化和精确、灵活驱动，可靠性和寿命也不高，无法达到应用标准。综上的因素大大限制了从宏观移植过来的驱动方式在微流体驱动与控制领域的应用与发展。根据微尺度下流体特性设计的驱动方式，比较成熟的是电渗驱动。其控制原理是利用电渗流产生泵和阀的动作驱动流体在微管道中流动。在微流体系统，尤其是在生物和电泳芯片中，得到了广泛的应用。但其缺点也很明显首先，电渗流对管壁材料和被驱动流体的物理化学性质敏感，因此它只适用于一定范围的流体和管壁材料。其次，产生电渗流所需要的高压电源会带来安全、功耗和所占空间大的问题，这不利于系统的微小型化；最后， 电渗流尽管适于驱动和控制狭窄管道中的微量液体，但由于焦耳热问题，它却不能高速驱动更宽管道中的流体，而这一能力在许多的微流体系统应用中是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于MEMS (微电子机械系统)的液晶微流体驱动与控制方法，克服了现有驱动方法驱动电压高、结构复杂、驱动力小等缺点，结构简单，易于控制，并且可以依靠热、压力、磁场驱动液晶，利用各场的切换可以在微通道的交叉口控制液晶流的方向。其驱动原理如图1所示，由于液晶的各向异性，在电/磁场的作用下，液晶分子会产生转动，又由于液晶还具有流动性，因此液晶分子的旋转会导致速度梯度的变化，微观的速度梯度的变化在宏观的表现就是液晶流动的发生。本发明采用以下技术方案
一种用于MEMS的液晶微流体驱动与控制方法，其中，包括如下步骤 步骤一，制作液晶盒，所述液晶盒盒体的玻璃板由三层结构组成，分别为导电玻璃板层、透明电极层和配向高分子层；
步骤二，选择极化特性好的液晶或者形变大、挠曲电效应强的液晶充入液晶盒，封口 ；步骤三，向液晶盒上焊接导线，施加电/磁场作为输入量；
步骤四，如果步骤二中选择极化特性好的液晶，则调节电/磁场的输入量的大小、方向特征量得到基于液晶引流效应的液晶流动；
步骤五，如果步骤二中选择形变大、挠曲电效应强的液晶，则调节电/磁场输入量以获取基于液晶的挠曲电效应的液晶流动。进一步，所述液晶盒盒体的导电玻璃板层采用ITO导电玻璃板，透明电极层采用 ITO膜，配向高分子层采用聚酰亚胺膜。进一步，所述液晶盒盒体的玻璃板间距离为5 - 100微米。本发明的有益效果为
本发明属于非机械驱动，非机械驱动指的是通过把其他能量形式(电、光、磁、热)转化或直接施加到被驱动流体上使之具有运动能量的驱动方式，由于其一般为无可动部件结构，因此通常称为动态连续流驱动。与其他驱动方式相比，这种驱动具有结构简单、没有可动部件，尺寸小和可大规模集成等优点；而且不受被驱动流体介质性质限制，易于将控制电路和流体管道集成为一体，是一种比较理想的驱动与控制方式。这种驱动方式中液晶流的速度大小与管道或横道的横向尺寸无关，易于控制；并且可以依靠热、压力、磁场驱动液晶， 利用各场的切换可以在微通道的交叉口控制液晶流的方向。优化通道的几何结构，可以在微流装置的不同部位产生不同的流速。除此以外，液晶流对管道或槽道壁面材料的物理化学性质没有要求。这些优点基本满足了微流体驱动应用的要求。本发明具有开拓性的意义， 其成果能够促进微泵、微阀等微流体元器件的发展，拓宽其应用领域，在航空、航天、医疗器械尤其是芯片实验室等方面具有广阔的应用前景。
图1为本发明的驱动原理图2为本发明实施例1-3液晶盒的结构示意图3为本发明实施例4液晶盒玻璃板的结构示意图及叠放示意图4为配向膜摩擦方法示意图5为本发明实施例5的液晶盒示意图。图6为本发明实施例6的液晶盒玻璃板示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述
如图1所示，本发明的驱动原理是在外加能量(包括电、磁、热等)的作用下，长棒状的液晶分子重新排列，分子的旋转产生了微观的速度梯度，液晶的流动性将这种微观的梯度表现为宏观的液晶流动，客观上完成了由电能到机械能的转换，为液晶作为微流体驱动与控制方法的驱动介质提供了条件。完成这个过程的前提条件是首先载体必须同时具有方向性与流动性，其次载体分子必须具备能够被极化的性质和形状。本发明利用液晶挠曲电效应和液晶引流效应，进行微流体驱动与控制，以下分别进行详述。用于MEMS的液晶微流体驱动与控制方法(基于液晶挠曲电效应)，其具体步骤如下的玻璃板由三层结构组成，分别为导电玻璃板层、透明电极层和配向高分子层；
步骤二，选择形变大、挠曲电效应强的液晶充入液晶盒，封口 ；
步骤三，向液晶盒上焊接导线，施加电/磁场作为输入量；
步骤四，调节电/磁场输入量以获取基于液晶的挠曲电效应的液晶流动。在液晶中展曲或弯曲形变会引起液晶的极化，反过来电场也可使液晶发生形变， 这种效应称之为液晶的挠曲电效应，简单来讲，类似于晶体的压电效应。但由于液晶的流动性，当液晶分子发生形变后会以宏观流动的方式表现出来，因此可以通过这一效应达到将电能转化为机械能的目的，实现微流体的驱动与控制。也就是通过电场的输入，引起液晶分子形状的变化，形状的变化导致分子排列方式发生变化，从而导致液晶流动的形成，作为输出ο由挠曲电效应所引起的液晶流动是精确可控的，并且同晶体的压电效应一样，液晶的挠曲电效应也存在反效应，即液晶分子的形变可引起电场的变化，产生微弱的驱动电流，这在微流体驱动中也可以加以利用。除此以外，液晶的挠曲电效应与晶体的压电效应相比无需很高的驱动电压，可实现真正的低电压驱动。并且，液晶的本质属于流体，没有固定的形状，可以被灌入任意形状的液晶盒内，因此对液晶盒的形状没有要求，大大降低了对微加工技术的依赖程度，拓宽了该驱动方法的应用范围。基于液晶引流效应的驱动方法，其具体步骤如下
步骤一，制作液晶盒，所述液晶盒盒体的玻璃板由三层结构组成，分别为导电玻璃板层、透明电极层和配向高分子层；
步骤二，选择极化特性好的液晶充入液晶盒，封口 ； 步骤三，向液晶盒上焊接导线，施加电/磁场作为输入量；
步骤四，则调节电/磁场的输入量的大小、方向特征量得到基于液晶引流效应的液晶流动；
液晶的引流效应是指在外加电(磁)场的作用下，由液晶流动与其内部分子指向矢(液晶内部一点附近小区域内所有分子的平均指向)的排列相互作用所导致的现象。通过这一效应可以将电(磁)能转换为机械能输出，即通过输入的电(磁)场导致液晶分子配向方向的变化，配向的变化又引起液晶的引流(流动)，将这种流动作为输出。下面对本发明液晶盒的制作过程做详细说明，液晶盒中所使用的玻璃板由三层结构组成，分别为玻璃板层、透明电极层和配向高分子层。以简单的平动盒为例，具体步骤如下
1、透明电极层的成膜
透明电极层是采用磁控溅射的方法在透明有机薄膜材料上溅射透明氧化铟锡(ITO) 导电薄膜镀层并经高温退火处理得到的高技术产品。ITO膜层的厚度不同，膜的导电性能和透光性能也不同。具体实现方法是利用A r- O2混合气氛中的等离子体在电场和交变磁场的作用下，对化_ Sn合金靶或M2O3- SnO2氧化物靶或陶瓷靶进行轰击，被加速的高能粒子轰击靶材表面，能量交换后靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，并转移到基体表面而成膜。2、ITO导电玻璃的清洗将导电玻璃浸于丙酮中以超声波震荡60分钟后，再以蒸馏水中清洗，接下来重新放入丙酮中震荡60分钟，于蒸馏水中震荡30分钟，再放入去离子水中震荡60分钟后置于真空烤箱中烘干。3、配向膜的成膜
将聚酰亚胺溶液旋涂于玻璃板表面，旋涂法是指将聚酰亚胺液体滴到玻璃板表面，然后使玻璃板高速旋转，通过离心力的作用获得一层薄膜的方法。4、配向膜的硬化
将成膜后的玻璃板放在加热器中预干，使水分及溶剂蒸发，再送入烤箱中，以150°的温度烘烤90分钟进行固膜。5、摩擦配向
将固膜后的玻璃板真空吸附在摩擦配向机的支撑台上，设定配向机支撑台移动速度及方向及摩擦滚轴的转动速度进行配向。6、封框
将两片配向完成的玻璃板周围分别涂上含有间隔粒子(根据间隔需要选择间隔粒子) 的框胶，仅留填充用缺口，然后放在真空烤箱中以150°进行3-5分钟的预硬化。再将其取出后贴合，放入压合器中压合，最后放入真空烤箱中硬化，大约90分钟，温度为150°。以上即为液晶盒的制作步骤。液晶填充的过程将制作完成的液晶盒以倾斜的方式放在支架上，滴取适量液晶放在液晶盒制作过程中预留的填充口位置，放入真空烤箱内，将液晶盒内空气完全去除，然后慢慢恢复到常压，预留填充口处的液晶就会通过毛细现象自动充满液晶盒。封口过程如下将充入液晶后的液晶盒开口部分以UV胶封口，并用铝箔纸包住液晶的部分再以UV光照射使UV胶硬化，完成封口。焊接导线的过程如下将封口后的液晶盒用超声波焊枪均勻地将金属锡涂于两玻璃板表面，再将导线焊接上去。实施例1
按照步骤1-6制作液晶盒，如图2所示，1为电极，2为液晶，3为电源线；透明电极膜采用ITO膜，配向膜采用聚酰亚胺。盒体内所充液晶为变形较大、挠曲电效应较强的MBBA。液晶盒选用正方体形状，平板(即玻璃板)间距离为10微米(制作过程中选择直径为10微米的聚苯乙烯粒子作为间隔粒子)，施加电压为5伏特。可以得到150微米/秒的液晶流动速度及约5帕的驱动应力(液晶盒上板处)。实施例2
按照步骤1-6制作液晶盒，与实施例1不同之处在于玻璃板制作完成后将上板旋转 180°后与下玻璃板重叠，然后进行封框、焊接等步骤，液晶盒的结构没有发生任何变化，如图2所示，上板旋转180°的目的只是为了改变液晶盒内部液晶分子的初始配向。盒体内所充液晶为变形较大、挠曲电效应较强的MBBA。平板间距离为10微米，施加电压为5伏特。 可以得到130微米/秒的液晶流动速度及约4帕的驱动应力(液晶盒上板处)，且流动及应力方向与实施例1相反。实施例3
按照以上步骤1-6制作液晶盒，结构与实施例1、2相同，如图2所示。液晶盒选用正方体形状，初始条件为两玻璃平板的间距为5微米(制作过程中选择直径为5微米的聚苯乙烯粒子作为间隔粒子)，透明电极膜采用ITO膜，配向膜采用聚酰亚胺。盒内所充液晶为极化性较好的5CB，且输入电压为5伏特时，能够得到约230微米/秒的液晶流动速度输出，约 22帕的应力输出。实施例4
按照以上步骤1-5制作液晶盒玻璃板，电极膜采用了直流磁控溅射成膜法，在对上板进行ITO镀膜时采用了图3所示玻璃板所有表面都镀膜的方法，将电源线接到上板的外表面，图3中，4为配向高分子膜，5为透明电极，6为玻璃板，图3a为下玻璃板示意图，图北为上玻璃板示意图，7为下玻璃板，8为上玻璃板，9为电源线。配向膜采用摩擦法，如图4所示，10为摩擦滚轴，11为支撑台，12为玻璃板，13为高分子膜。通常情况下将摩擦用的布缠到摩擦轴上并让其旋转，将涂有高分子膜的玻璃板置于摩擦轴之下支撑台之上，同时平移支撑台。摩擦轴的旋转方向及支撑台的移动方向如4(a)所示。经过以上摩擦处理的玻璃板与液晶分子接触后就会形成如4(b)所示的配向状态。将图3 (a)所示的下玻璃板固定， 上面滴一滴液晶5CB，然后将图3 (b)所示的上玻璃板悬浮放于液晶滴之上，不固定如图3 (c)所示。此时，为了让平板间间隔保持一定，需要在液晶内部撒一些直径相当于所需平板间隔的聚苯乙烯粒子。这样就做成了一个下板固定，上板不固定的液晶盒。不再进行封框、 焊接等步骤。向内部液晶施加电场诱发流动，由于上板悬浮，液晶具有一定的粘性，导致所以所诱发的液晶流动会驱动上板运动。最终结果是当平板间距离为50微米，所加电压10 伏特时，电场驱动所产生的液晶流动可以驱动上板以90微米/秒的速度移动。实施例5:
按照实施例4制作液晶盒的两玻璃板，不同之处在于将上板制作为圆形，直径12毫米， 厚度为0. 15毫米，质量约0. 04克，且配向时使液晶分子沿着上玻璃板圆周方向配向，如图 5 (a)所示。其他步骤与实施例4中的上下板结构完全相同，上下板制作后叠放效果如图 5 (c)所示，图5 (c)中，14为上玻璃板，15为下玻璃板，16为电源线。同样施加10伏特电压，由于配向方向为圆周方向，因此产生的液晶流动也将是沿着玻璃板的圆周方向，如图5 (b)所示，这样的液晶流动将会驱动上玻璃板作圆周运动，实验结果证明所产生的液晶流动可以驱动上板以0. 14rpm的速度旋转。实施例6
按照实施例4的步骤制作液晶盒的两玻璃板，不同之处在于在上、下板的不同区域进行摩擦配向的摩擦方向不同，如图6所示，17为配向膜，18为电极膜，19为玻璃板。电极膜采用三区域分割法，区域之间隔离。叠放效果与实施例4中一致，如图3 (c)所示。其余条件为板间距离为100微米，所加电压10伏特，加电压的方式与前面实验有所不同，采用逐个区域轮流施加的方式，间隔大约为5秒。以如上条件可以得到上板以之字形方式被驱动， 正方向运动时最大速度约31微米/秒，负方向运动时约20微米/秒。实施例1、2为基于液晶挠曲电效应的驱动方式，其不同之处在于液晶分子初始配向方向不同，最终得到了不同方向的液晶流动和驱动应力。实施例3 — 6为基于液晶引流效应的驱动方式实验，经过以上的实验可以得到如下结论采用以上两种方式可以达到微流体驱动与控制的目的，而且可以通过改变液晶分子的初始配向，所施加电压及液晶盒的巧妙设计精确控制输出液晶流动的大小、方向、驱动力的大小及方向，从而得到理想的输出。能够实现其他微流体驱动与控制方式所达不到的低电压驱动、大驱动力、简化驱动器设计及微型化的优点。 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。
权利要求
1.一种用于MEMS的液晶微流体驱动与控制方法，其特征在于包括如下步骤步骤一，制作液晶盒，所述液晶盒盒体的玻璃板由三层结构组成，分别为导电玻璃板层、透明电极层和配向高分子层；步骤二，选择极化特性好的液晶或者形变大、挠曲电效应强的液晶充入液晶盒，封口 ；步骤三，向液晶盒上焊接导线，施加电/磁场作为输入量；步骤四，如果步骤二中选择极化特性好的液晶，则调节电/磁场的输入量的大小、方向特征量得到基于液晶引流效应的液晶流动；步骤五，如果步骤二中选择形变大、挠曲电效应强的液晶，则调节电/磁场输入量以获取基于液晶的挠曲电效应的液晶流动。
2.根据权利要求1所述的一种用于MEMS的液晶微流体驱动与控制方法，其特征在于 所述液晶盒盒体的导电玻璃板层采用ITO导电玻璃板，透明电极层采用ITO膜，配向高分子层采用聚酰亚胺膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于MEMS的液晶微流体驱动与控制方法，其特征在于所述液晶盒盒体的玻璃板间距离为5 - 100微米。
全文摘要
本发明公开了一种用于MEMS的液晶微流体驱动与控制方法，步骤一，制作液晶盒，所述液晶盒盒体的玻璃板由三层结构组成，分别为导电玻璃板层、透明电极层和配向高分子层；步骤二，选择极化特性好的液晶或者形变大、挠曲电效应强的液晶充入液晶盒，封口；步骤三，向液晶盒上焊接导线，施加电/磁场作为输入量；步骤四，选择极化特性好的液晶，则调节电/磁场的输入量的大小、方向特征量得到基于液晶引流效应的液晶流动；步骤五，选择形变大、挠曲电效应强的液晶，则调节电/磁场输入量以获取基于液晶的挠曲电效应的液晶流动。本发明结构简单，易于控制，可以依靠热、压力、磁场驱动液晶，利用各场的切换可以在微通道的交叉口控制液晶流的方向。
文档编号G02B26/00GK102417157SQ201110281998
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者刘春波, 邓鹏辉 申请人:河南工业大学