磁场变化引起的液晶微流动研究

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作为微机械电子系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems,即MEMS)的一个重要组成部分,微驱动器是一个完整的微机电系统的动力源头。国内外相继出现了静电型,压电型,电磁型,光热型及记忆型合金等类型的微驱动器。这些类型的驱动器原理简单,操控方便,自动化程度较高,大部分已应用于工业生产领域,但是目前这些驱动技术在机构强度,响应速度等方面表现的并不是十分理想,随着微驱动领域研究的深入,新的驱动方式层出不穷,液晶引流驱动就是其中的一种。液晶分子在磁场之下分子指向矢会进行转动,这种分子指向矢的转动能够引起液晶微流动速度且可控。本文研究了液晶在磁场下的微流动,并作为微驱动器的驱动动力源,主要内容如下:(1)数值计算部分:以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础,构建液晶盒上基片与液晶微流动相联系的一维模型,推导并运用MAPLE软件化简适用于小分子液晶微流动的基本方程组;确定初始与边界条件,运用不同的算法分别在空间上和时间上对建立的方程组进行离散化,运用MATLAB软件辅助编程进行数值计算并详细分析并行算法、for循环以及向量计算对程序运行时间的影响,选择最佳编程方法;得出磁场幅值等参数对液晶盒上基片驱动速度与位移的影响;(2)实验准备部分:分别搭建了用于液晶微流动研究的强磁场和弱磁场实验系统。首先制作了一台显微镜用弱磁场发生仪:利用任意波形发生器输出的信号,经过OPA544功率放大器,输入自制的螺线管内,达到产生磁场的目的;加入滑动变阻器,方便磁场各种参数的无级调节;磁场发生仪最高输出磁场强度为30mT,频率,占空比等可调,满足实验要求;改造强磁场发生仪,搭建强磁场实验系统;其次,制作了上板浮动的液晶盒,包括ITO玻璃的配置与清洗,配向层的涂抹与固化,基片表面的摩擦,添加液晶材料等步骤。(3)实验研究部分:驱动实验研究分为弱磁场和强磁场两大部分。对液晶盒施加各种不同参数的磁场,并利用偏光显微镜和超眼测试分析系统对液晶盒的上基片的运动进行观察记录。通过MATLAB编程对获取的实验数据进行处理,计算不同参数下的液晶微流动的速度和位移,并与理论值进行比较。在弱磁场实验平台下,给液晶盒施加强度为30mT以下,不同周期和占空比的磁场,未发现液晶盒的移动(速度≤1nm/s),与理论计算结果吻合;强磁场实验平台下,施加磁场强度为400-900mT,占空比20%-70%,周期2s-16s的不同参数,液晶盒上基片速度最大可达8.7×10-6m/min。在周期、占空比不变的条件下,移动速度随着磁场强度的增加而增加;强度、占空比不变的条件下,移动速度随着周期的增加而降低;强度,周期不变的条件下,移动速度随着占空比的增加而降低。实验数据与理论数据在变化趋势上吻合,具体数值上有差异。
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