电润湿模块
专利汇可以提供电润湿模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 电润湿 模 块 (20)，包括 流体 室(8)，其包含第一流体(A)和第二流体(B)，所述两个流体由界面(14)分开，还包括用于在至少一个流体上施加作用 力 以改变所述界面的 位置 和/或形状的装置(16、17)。通过向所述第二流体提供溶解的或混合的化合物，所述化合物不能溶解于或不能混合在所述第一流体中，和/或所述第一流体包括溶解的或混合的化合物，所述化合物不能溶解于或不能混合在所述第二流体中，其剂量足以将相应流体的 凝固 点降低至-20℃以下，所述模块的性能可被提高，因而所述模块可在低温下使用。，下面是电润湿模块专利的具体信息内容。
1.一种包括流体室的电润湿模块，包括至少第一导电和/或极性 流体的第一体，和第二非导电和/或非极性流体的第二体，所述两个 体由界面分开，以及用于在至少其中一个体上施加作用力以改变所述 界面的位置和/或形状的装置，其中，所述第二流体的体包括溶解的 或混合的化合物，所述化合物不能溶解于或不能混合于所述第一流体 的体中，和/或所述第一流体的体包括溶解的或混合的化合物，所述 化合物不能溶解于或不能混合于所述第二流体的体中，其特征在于， 所述流体的体中的所述溶解化合物的浓度为至少4M，所述溶解的化合 物的量足以将相应流体的凝固点降低至-20℃以下，以及所述第一和 第二流体的体之间的折射率之差为0.01到0.3。
2.如权利要求1中所述的电润湿模块，其中所述溶解的化合物 的量足以将相应流体的凝固点降低至-30℃以下。
3.如权利要求2中所述的电润湿模块，其中所述溶解的化合物 的量足以将相应流体的凝固点降低至-40℃。
4.如权利要求1中所述的电润湿模块，其中所述流体的体中的 所述溶解化合物的浓度为至少6M。
5.如权利要求1中所述的电润湿模块，其中被溶解于或混合于 第一流体的体中的所述化合物为包含具有低于50u的原子量的阳离子 的无机盐。
6.如权利要求5中所述的电润湿模块，其中所述无机盐包含具 有低于40u的原子量的阳离子。
7.如权利要求5或6中所述的电润湿模块，其中所述无机盐为 氯盐。
8.如权利要求5或6中所述的电润湿模块，其中所述无机盐为 氯化锂、氯化铵或氯化钠。
9.如权利要求5或6中所述的电润湿模块，其中所述无机盐为 氯化锂。
10.如权利要求1中所述的电润湿模块，其中被溶解于或混合于 所述第一流体的体中的所述化合物为有机化合物。
11.如权利要求10中所述的电润湿模块，其中所述有机化合物 从甲醇、乙醇和乙二醇中选取。
12.如权利要求1-4中任一项所述的电润湿模块，其中被溶解于 或混合于所述第二流体的体中的所述化合物从四溴化碳、二溴代苯、 三溴代苯、二氯代苯、三氯代笨、萘和联苯中选取。
13.如权利要求1-6中任一项所述的电润湿模块，被配置成光学 部件，所述第一和所述第二流体的体具有不同的折射率，其中被添加 到所述第一流体中的化合物具有提高折射率差的效果。
14.如权利要求13所述的电润湿模块，其中所述第一流体的体 为导电和/或极性的，而所述第二流体的体为非导电和/或非极性的， 所述模块配备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。
15.如权利要求13所述的电润湿模块，其中折射率之差为0.01 到0.3，其中一种体的折射率大于1.4。
16.如权利要求15所述的电润湿模块，其中折射率之差为0.1 到0.2，其中一种体的折射率大于1.5。
17.如权利要求13所述的电润湿模块，其中所述第一和所述第 二流体的体表现出相似的密度。
18.如权利要求13所述的电润湿模块，配备有用于施加压力以 改变所述界面的位置和/或形状的装置。
技术领域
本发明涉及电润湿模块，包括流体室，其包括至少第一导电和/ 或极性流体的第一体，和第二非导电和/或非极性流体的第二体，所 述体由界面分开，还包括用于在至少其中一个体上施加作用力以改变 该界面的位置和/或形状的装置。
背景技术
此外，已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。
某种流体对一个表面的“可润湿性”这个术语表示所述流体可润 湿所述特定表面的难易程度，它可例如依赖于所述表面的性质和/或 所述表面两端的电势。若一个表面具有被某种特定流体的“高可润湿 性”，这表明与所述表面接触的所述流体的小滴将具有一个较为扩张 的形状，具有一个相对较大的接触面积和一个相对较小的接触角，通 常小于约90°。“低可润湿性”表明与所述表面接触的流体滴将具有 一个较为紧缩的形状，具有一个相对较小的接触面积和一个相对较大 的接触角，通常超过约90°。
术语“润湿”应理解为包括所有局部改变一个体积(例如一滴) 的特定流体的表面张力，以影响所述流体相对于一特定表面的润湿性 能的技术。
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，具有某一预定的折射率差。
这样一种光学模块的例子为基于电润湿的透镜，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为弯月面。 在这样的一个模块中，第一流体为导电和/或极性液体，且第二流体 为非导电和/或非极性液体。第一液体为例如盐水，第二液体为例如 有机非极性、与水不混溶的液体，比如癸烷和硅油。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 IB03/00222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 于诸如光盘扫描装置、a/o移动电话的微型相机、显示器等。
在光学电润湿模块中，模块可被使用的温度范围很大程度地依赖 于所用流体的凝固点。对于光学电润湿模块有增长的需求，其在远低 于0℃的温度下(优选地在大约-20℃的温度下)仍可工作。此外，存 储温度应低至-40℃。为防止对壳体造成损坏，液体优选地应在此温 度以上不凝固。
已知的水溶液和一些非导电液体不满足这个要求。
因而，将流体凝固点降低到约-20℃以下的问题仍尚待解决。
发明内容
按照本发明，提供了一种包括流体室的电润湿模块，包括至少第 一导电和/或极性流体的第一体，和第二非导电和/或非极性流体的第 二体，所述两个体由界面分开，以及用于在至少其中一个体上施加作 用力以改变所述界面的位置和/或形状的装置，其中，所述第二流体 的体包括溶解的或混合的化合物，所述化合物不能溶解于或不能混合 于所述第一流体的体中，和/或所述第一流体的体包括溶解的或混合 的化合物，所述化合物不能溶解于或不能混合于所述第二流体的体 中，其特征在于，所述流体的体中的所述溶解化合物的浓度为至少 4M，所述溶解的化合物的量足以将相应流体的凝固点降低至-20℃以 下，以及所述第一和第二流体的体之间的折射率之差为0.01到0.3。 凝固点优选地被降到-30℃以下。甚至更优选地，应将凝固点降到-40 ℃，以允许在所有环境情况下存储该装置。
值得注意的是，例如，B.Berge和J.Peseux在Eur.Phys.J.E3， 159-163(2000)中公开了一种具有由盐水组成的第一流体的电润湿 透镜。更特别地，所述流体由百分之几的Na2SO4溶于水而组成。然而， 这样的溶解盐剂量太低而基本上不能降低凝固点。
最好是，所述流体的体中的所述溶解化合物的浓度为至少6M。
包含阳离子的无机盐，该阳离子的原子量低于50u，优选地低于 40u，非常适合用在本发明的电润湿模块的导电流体中，这是由于这 些化合物具有附加的优点：溶液的密度和折射率将仍具有较低的值。 优选的化合物为氯盐，更特别地，为氯化锂、氯化铵或氯化钠。
已观察到，由JP2001013306A可知，利用重量百分比为10％的氯 化钠水溶液作为电润湿透镜中的导电液体。如此剂量的盐相当于 1.83M的溶液；利用这样的溶液，仅能获得凝固点下降到-6.5℃。
最好是，其中被溶解于或混合于所述第一流体的体中的所述化合物 为有机化合物，其中所述有机化合物从甲醇、乙醇和乙二醇中选取。
将用在第二、非极性流体中以降低所述流体凝固点的优选化合物 从四溴化碳、二溴代苯、三溴代苯、二氯代苯、三氯代笨、萘和联苯 中选取。
上述模块可配置成光学部件，所述第一和所述第二流体具有不同 的折射率。在这样的光学模块中，添加到第一流体中的的化合物具有 提高折射率差的功效。
在这样的模块中，第一流体的体可为导电和/或极性的，而第二 流体的体可为非导电和/或非极性的，并且该模块可配备有用于施加 电力或机械力以改变弯月形界面的位置和/或形状的装置。
折射率之差为从0.01到0.3，优选地从0.1到0.2；流体其中之 一的折射率大于1.4，优选地大于1.5。
优选地，第一和第二流体表现出基本相似的密度。
该模块还可配备有用于施加压力的装置，以改变界面的位置和/ 或形状。
附图说明
参照下文描述的并在附图中示出的实施例，以非限定性实例的方 式，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得以阐明。
在附图中：
图1以通过其光轴的横截面表示了处于非激活状态的已知电润湿 透镜。
图2表示了处于激活状态的这种透镜。
具体实施方式
在电润湿模块的本实施例中，该两种流体由两种不混溶的液体组 成，即以电绝缘的第一液体A和导电的第二液体B的形式，第一液体 A通常为例如硅油或烷烃，第二液体B通常为例如含盐水溶液。第一 流体A具有比第二流体B更高的折射率。
第一电极2为内半径通常介于1mm和20mm之间的圆柱。该电极 由金属材料形成，并涂覆有由例如聚对二甲苯(parylene)形成的绝 缘层10。该绝缘层具有介于50nm和100μm之间的厚度。绝缘层涂覆 有流体接触层12，其减小了弯月面14，即流体A和B之间的界面与 流体室圆柱壁的接触角的滞后现象。该流体接触层优选地由非晶碳氟 化合物，例如DuPontTM生产的TeflonTM AF1600形成。流体接触层12 具有介于5nm和50μm之间的厚度。也可以使用一个同时具有绝缘和 疏水特性的层。
第二电极16布置在流体室的一侧，在本例中，邻近后部元件6。 第二电极布置成使其至少一部分处在流体室中，以使电极能够作用于 第二流体B。
两种流体A和B不混溶，因而倾向于分离成由弯月面14隔开的 两个流体。当未在第一和第二电极之间施加电压时，流体接触层12 相对于第一流体A比相对于第二流体B具有更高的可润湿性。图1示 出了该透镜构形，即电润湿透镜的非激活状态。在该构形中，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，因而由该弯月面 形成的透镜，这里称为弯月形透镜，在此构形中具有负的光焦度 (negative power)。
由于电润湿作用，在第一电极和第二电极之间施加有电压的情况 下，第二流体B的可润湿性有所变化，其倾向于改变接触角。图2示 出了若由源17向该透镜提供这样一个电压，即若透镜处于激活状态 时的透镜构形。在此例中，电压相对高，例如在150V和250V之间， 且弯月面现在相对于电解液的主体具有凸形。弯月面与流体接触层12 之间的最大接触角θ为例如60°的量级。由于流体A的折射率大于流 体B，弯月形透镜1在此构形中具有正的光焦度(positive power)， 它将入射光束b聚焦到距该透镜一定距离d处的焦点18。
欲知关于可变焦点透镜构造的更多细节，可参照国际专利申请号 IB03/00222。一种变焦透镜，其包括位于高折射率液体和低折射率流 体之间的至少两个独立可控的界面，这在欧洲专利申请号02079473.1 (PHNL021095)中有描述。
实际中，需要降低电润湿模块的导电液体的凝固点，以使模块在 例如-20℃的温度下仍能工作。
当然，在这样的低温下应保持模块的电润湿特性。
已知的降低液体凝固点的方法是在液体中溶解盐。由给定数量的 盐(以每千克液体的离子摩尔数表示)而达到的理论凝固点下降可近 似地由以下方程确定：
ΔTf＝Kfcm
其中ΔTf为凝固点的变化，Kf为凝固点下降常数，cm为溶液的离 子的摩尔浓度。
由此方程得出，要实现凝固点的充分下降，需要大浓度的盐。然 而，通过在液体中溶解太多的盐，液体密度可能过分增加，并且结果 是，导电和非导电液体之间所需的密度匹配常常不能得到满足。
此外，在液体中溶解盐可引起折射率的变化。当加入盐使导电液 体的折射率升高时，该液体和非导电液体之间的折射率降低(假设非 导电液体比导电液体具有更高的折射率)，这造成电润湿透镜屈光力 的不希望的降低。
在电润湿透镜中，透镜的屈光力依赖于弯月面的曲率和导电液体
与非导电液体之间的折射率之差，由以下方程可以看出：
其中S为弯月形透镜的屈光力，r为弯月面的曲率半径，n2为非 导电液体的折射率，n1为导电液体的折射率。
电润湿透镜中常用的非导电液体(例如烷烃或硅油)的折射率 (n＝1.37-1.43)仅略高于常用的导电液体的折射率(例如水， n＝1.33)。
根据本发明，将一定量的化合物，优选地为无机盐，添加到所述第 一导电流体中，该化合物足以将第一导电流体的凝固点下降至大约- 20℃，其中所述盐优选地包含具有50u以下的低分子量的阳离子。
该措施将保持导电液体的折射率和密度较低，而同时仍可满足对 流体的其它要求，如高透明度、与其它液体或流体的不混溶性、以及 良好的电润湿性能。
为得到-20℃的凝固点，某些流体及其凝固点下降常数的例子列 在表1中。
表1
溶剂 熔点(℃) Kf(℃/m) 对于-20℃的cm 水 0.000 1.858 10.8 乙酸 16.60 3.59 10.2 苯 5.455 5.065 5.0 莰醇 179.5 40 5.0 环己烷 6.55 20.0 1.3
表1中，cm是为了获得低于-20℃的凝固点溶液中离子的摩尔浓 度。由于每个盐分子产生至少两个离子，因此，溶解在液体中所需的 盐量比cm至少小两倍。例如当用LiCl作为导电液体中的无机盐时， 需要5.4M的LiCl溶液，以将水的凝固点降至-20℃。
由实验得出，对于用于电润湿模块的最合适的流体，需要浓度为 4M的溶液，以将凝固点降至-20℃。尽管这里提到无机盐，也可使用 有机化合物，例如乙二醇、乙醇或甲醇。实验再度表明需要4M的有 机材料分子，以将凝固点降至-20℃。
已观察到，由US2003/0095336A1第[0063]段可知，利用酒 精、甘油、硅酮或矿物油来降低光学元件，更特别地是透镜的流体的 凝固点。然而，该透镜并不基于电润湿作用；此外，该描述并未提及 任何浓度，也未表明要用的化合物的一定浓度的优点。
如前所述，优选地，构成无机盐的阳离子具有低分子量，优选地 低于40u。
本发明中所用的优选化合物组包括LiCl，NH4Cl en NaCl，其中 LiCl是最优选的化合物，与水一起用作导电溶剂。也可用氟盐，假使 它们能提供期望的凝固点下降。
另一优选化合物组包括甲酸盐或乙酸盐作为阳离子的盐，例如甲 酸铵或甲酸锂。
此外，可能有必要也降低第二、非极性流体的凝固点。用于该流 体的优选化合物为四溴化碳、三氯代苯、萘和联苯。
当在电润湿光学模块中利用反向透镜时，导电液体具有比非导电 液体更高的折射率。在这种情况下，期望提高导电液体的折射率。当 使用其阳离子具有高分子量，即高于40u的盐，例如Cs2WO4，其水溶 液具有n＝1.482的折射率时，可以实现此目的。当与具有低折射率的 非导电液体，如折射率为n＝1.37的硅油结合时，可制成具有大屈光 力的光学电润湿模块。
要使反向透镜中导电液体与非导电液体的密度相匹配，需要导电 液体应与具有低密度的化合物混合，以与通常为硅油的非导电液体的 密度相匹配。
尽管本描述局限于作为光学电润湿模块实例的电润湿透镜，但是 本发明并不以任何方式局限于这样的透镜。本发明可用于任何光学电 润湿模块，例如可变焦点透镜、变焦透镜、光阑、滤光器和光束偏转 器，还可用于机械电润湿模块，例如泵和电机中。
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