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CN119278474A - 电润湿、有源自清洁表面 - Google Patents

电润湿、有源自清洁表面 Download PDF

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CN119278474A
CN119278474A CN202380041368.XA CN202380041368A CN119278474A CN 119278474 A CN119278474 A CN 119278474A CN 202380041368 A CN202380041368 A CN 202380041368A CN 119278474 A CN119278474 A CN 119278474A
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CN
China
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electrodes
optical element
electrode
droplets
fingers
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CN202380041368.XA
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R·B·巴黎丽
K·L·吉林斯
牛晓旭
E·C·维梅斯特-坎塞尔
D·M·博斯特罗姆
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Gentex Corp
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Gentex Corp
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Abstract

提供了一种光学元件，所述光学元件具有外表面，所述光学元件包括：所述外表面上的涂层，所述涂层用于使其上的任何流体形成为流体液滴；多个独立激活的电极，所述电极各自具有多个交叉指型指，所述多个交叉指型指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸；以及驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将信号施加到所述多个电极。施加到具有相邻指的电极的AC信号各自具有相移，使得跨所述外表面在预定方向上连续扫掠流体液滴。所述电极指可以均匀的间距布置，其中所述间距为所述电极的中心之间的距离，所述间距小于或等于750μm。所述电极指可以布置在单个平面中，其间具有间隙。

Description

电润湿、有源自清洁表面
技术领域
本发明实施例总体上涉及自清洁表面，并且更具体地涉及用于使用于车辆的流体脱落的自清洁表面。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种光学元件，所述光学元件包含：基板，所述基板具有外表面，可在所述外表面上形成流体的液滴；N个独立激活的电极，所述电极各自可由次序参考n(其中n＝1至N)标识，每个电极具有多个电极指，所述多个电极指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸，所述电极指以从1至N的重复顺序次序布置以及；以及驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将相位调制的AC信号施加到所述电极，所述驱动电路通过将N个相位调制信号施加到AC信号来产生所述相位调制的AC信号，其中所述N个相位调制信号等于所述N个独立激活的电极，每个相位调制信号还可由所述次序参考n(其中n＝1至N)标识以对应于相应电极，其中每个相位调制信号以Tw的周期在同相状态与反相状态之间来回周期性地对所述AC信号强加相移，其中每个相位调制信号n中的所述相移在时间上相对于顺序在前的相位调制信号n-1中的所述相移延迟时间步长ts，使得跨所述外表面在预定方向上连续扫掠所述液滴。
在本发明的另一方面，提供了一种光学元件，所述光学元件包含：基板，所述基板具有外表面，可在所述外表面上形成流体的液滴；多个独立激活的电极，所述电极各自具有多个指，所述多个指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸；以及驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将信号施加到所述多个电极，其中所述电极指以均匀的间距布置，其中所述间距为所述电极的中心之间的距离，所述间距小于或等于750μm。
在本发明的另一方面，提供了一种光学元件，所述光学元件包含：基板，所述基板具有外表面，可在所述外表面上形成流体的液滴；多个独立激活的电极，所述电极各自具有多个指，所述多个指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸；以及驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将信号施加到所述多个电极，其中所述电极指以均匀的间距布置，其中所述电极指布置在单个平面中，其间具有间隙。
通过研究以下说明书、权利要求书和附图，本领域的技术人员将进一步理解和了解本装置的这些和其它特征、优势和目的。
附图说明
现将参考以下附图描述实施例，其中：
图1是本文所描述的实施例的光学装置的框形式的电气图；
图2是图1中所示的光学装置的其上具有水滴的横截面视图的图形图示；
图3是示出由于水滴内存在电场而引起的极性分子对准的放大横截面视图的图形图示；
图4A-4C是展示水滴随时间的推移的聚集的一系列图形图示；
图5A-5C是展示水滴随时间的推移的扫掠的一系列图形图示；
图6A-6C是示出水滴的聚集和在2.5秒间隔内向下拉较大液滴的重力的一系列照片；
图7A-7C是示出在一秒间隔内扫掠水滴的一系列照片；
图8是一行电极指的实例的图形表示；
图9是示出用于调制AC信号以产生递送到图8中所示的交叉指型电极指中的每一个的相位调制的信号的相位调制信号的第一时序图；
图10是示出用于调制AC信号以产生递送到图8中所示的交叉指型电极指中的每一个的相位调制的信号的相位调制信号的第二时序图；
图11是示出递送到交叉指型电极指中的每一个的电信号的第三定时图；
图12是示出递送到交叉指型电极指中的每一个的电信号的第四定时图；
图13A和13B是强加使用和不使用浮置或接地电极的水滴上的电场的一对图形表示；
图14A和14B是桥连电极之间的间隙的多个水滴的侧视图和俯视图；
图15A和15B是强加在使用和不使用浮置/接地/公共/中性/HiZ电极的水滴上的电场的一对图形表示；
图16A和16B是在扫掠水滴后强加在水滴上的电荷的一对图形表示；
图17是锯齿形的电极指的图案的俯视图；
图18是下面具有隔离的接地平面的分层的平面内几何形状IDE的实例的图形图示；
图19是分层的平行几何形状的实例的图形图示；
图20是电极指的分层的散列图案的俯视图；
图21是电极指的重叠图案的俯视图；
图22是光学装置用作电容式触摸表面的图形图示；
图23A和23B是强加在具有大间距和较小间距的小水滴上的电场的一对图形表示；
图24A和24B是强加在具有不同数量的独立电极N＝2和N＝8的大水滴上的电场的一对图形表示；
图25A是具有8个独立电极的eWash表面的有源区域的俯视图；
图25B是图25A所示的eWash表面的有源区域上的水滴的照片；
图26A是具有64个独立电极的eWash表面的有源区域的俯视图；
图26B是图26A所示的eWash表面的有源区域上的水滴的照片；
图27是示出7组(A-G)平铺式电极如何连接的eWash表面的有源区域的俯视图；
图28是示出用于调制AC信号以产生递送到图27中所示的交叉指型电极指中的每一个的相位调制的信号的相位调制信号的第三时序图；
图29是展示强加在由电场推动的液滴上的电场的图形侧视图；
图30是由电场推动的液滴的俯视图的照片；
图31是eWash表面的有源区域的边缘处的液滴的照片；并且
图32是示出具有电极指的连接并且还具有经扩展的第一电极指和最后一个电极指的区域的eWash表面的有源区域的俯视图。
具体实施方式
出于本文描述目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“竖直”、“水平”和其派生词将与本发明在图2中的定向有关。除非另有说明，否则术语“前”应指元件的可能暴露于水中的表面，并且术语“后”应指元件的离前表面更远的表面。然而，应理解，除了明确指定相反的方向之外，本发明可以采用各种替代定向。还应理解，附图中说明且在下文说明书中所描述的具体装置和过程仅仅是所附权利要求书中定义的发明性概念的示例性实施例。因此，除非权利要求书另外明确陈述，否则与本文中公开的实施例有关的具体尺寸和其它物理特性不应被视为限制性的。
术语“包含”、“包括”或其任何其它变化意图涵盖非排它的包含物，使得包括一系列要素的过程、方法、制品或设备不仅包含那些要素，还可包含并未明确地列出的或并非此类过程、方法、制品或设备固有的其它要素。在没有更多约束的前提下，之前加“包含……”的要素并不排除包含所述要素的过程、方法、物品或设备中存在另外的相同元素。
如本文所使用的，当用于两个或多于两个项目的列表中时，术语“和/或”意指所列项目中的任一个自身可以单独使用，或所列项目中的两个或多于两个的任何组合可被使用。例如，如果组合物被描述为含有组分A、B和/或C，那么所述组合物可含有：仅A；仅B；仅C；A和B的组合；A和C的组合；B和C的组合；或A、B和C的组合。
随着光学和电磁成像器和传感器变得普遍存在，如在高级驾驶员辅助系统和自主驾驶车辆中，自清洁外表面对于这些传感器和成像器的可靠操作变得很重要。在现场操作的传感器和成像器受环境元件的影响，所述环境元件在感测装置的第一表面上留下污染物或水滴。为了保持视场不受阻挡，优选地尽可能快且高效地去除第一表面上的污染物。
机械刮水器已是去除挡风玻璃的流体和清洁表面以及各种传感器和成像器的第一表面的常规方法。随着未来技术朝着先进的驾驶员辅助和无人操纵系统发展，必须在车辆的若干个重要位置上安装多个传感器。这些传感器上的清晰信号需要通过光学元件，如光学或传感器装置的第一表面不受阻挡地观察。尽管有效，但刮水器可能会在操作期间阻挡传感器的观察，并且过多的这些机械刮水器将增加车辆的重量、机械故障的可能性和功率要求。
在自清洁表面(如浴室或建筑物表面)添加刮水器会很碍眼。
已提出对表面施加剧烈机械振动的自清洁装置来清洁车辆。这种装置的实例公开于共同转让的美国专利第8,899,761号中。尽管振动能够将流体和碎屑垂直地喷射出表面，但在移动车辆中，除非吹到侧面，否则碎屑很可能被气流推进回到表面。液滴如常规刮水器那样沿着表面扫掠。如果被设计和定向成沿相同方向扫掠，如重力和气流等外力将帮助并提高表面清洁的效率。
另一种方法是在具有图案化电极的表面上使用电信号使用表面除湿设备，此后，所述表面将被称为电润湿、有源自清洁疏水(eWASH)表面。eWash表面的实例公开于美国专利第8,172,159B2号中，所述表面使用施加到图案化电极的DC电压。
本公开涉及经改进的eWASH表面。本公开的经改进的eWASH表面是清洁表面的无阻挡、稳健、非机械解决方案。这些经改进的eWASH表面可以由肉眼不明显的透明材料制成。
经改进的eWash表面使得能够移动多个流体液滴，多个液滴大小为约几十微米至毫米，可扩展到大区域，适用于任何应用。经改进的eWash表面不一定仅清除或清洁表面，而是更通常地，所述表面移动液滴，这可用于其它目的，如在一天的某个时候总是有雾但不下雨的沿海的沙漠中主动集水。对于集水应用，水可以在其蒸发之前或甚至在冷凝/积聚达到重力的体积阈值之前主动地扫入到收集池中，以克服静摩擦并影响液滴的运动。应注意，根据天气条件，可能无法达到重力移动液滴所需的液滴大小。然而，利用这项技术，可以移动水滴，而不需要等待液滴大小变得足够大以使重力控制。
此eWASH表面清洁装置未在自清洁表面中发现的新颖特征是通过电润湿、重力或其它机构来诱导液滴的运动，以高效地从表面扫掠流体。eWASH系统可以将水、常见溶剂和清洁流体的小液滴聚集成较大的液滴，并且使如重力等外力使液滴脱落。同时和/或在表面的各个时间点和区域处，自清洁装置可以沿着适于应用的一个方向或多个方向主动地且连续扫掠流体液滴。
如图1和2所示，下文所描述的实施例涉及一种具有外表面15的光学元件10，光学元件10包括：外表面15上的任选的疏水(或超疏水)涂层20，所述任选的疏水涂层用于使其上的任何流体形成流体液滴5；介电层25，所述疏水涂层20安置在所述介电层上；定位在介电层25上的多个交叉指型电极30、40、60、70，所述多个交叉指型电极靠近外表面15并且跨外表面15的区域延伸；以及驱动电路50，所述驱动电路用于将AC信号选择性地施加到所述多个电极30、40、60、70，其中施加到相邻电极的AC信号以使跨外表面15在预定方向上连续扫掠流体液滴5的方式各自具有相对于彼此的相移。
根据一个实施例，所述多个电极可以包括第一电极30，所述第一电极被定位成靠近所述外表面15，第一电极30具有多个第一指32，所述多个第一指跨所述外表面15的区域延伸；以及第二电极40，所述第二电极被定位成靠近外表面15，所述第二电极40具有多个第二指42，所述多个第二指跨所述外表面15的区域延伸并且与所述多个第一指32以间隔开的关系相互交叉。
所述多个电极可以进一步包括任选的第三电极60，所述任选的第三电极具有多个第三指62，所述多个第三指跨外表面15的区域延伸并与所述多个第一指32和所述多个第二指42以间隔开的关系交叉；以及任选的第四电极70，所述任选的第四电极具有多个第四指72，所述多个第四指跨外表面15的区域延伸并与所述多个第一指32、所述多个第二指42和所述多个第三指62以间隔开的关系交叉。如下文关于另外的实施例所解释，可以提供更多数量的电极。
驱动电路50可以被进一步配置成以使流体液滴聚集成较大的流体液滴和/或跨表面扫掠流体液滴的方式在第一电极30与第二电极40之间(以及任选地在第三电极60与第四电极70之间)选择性地施加电压电位。
光学元件10可以用于多种应用。一个实例是用于车辆的相机或成像器的透明盖，其中透明盖包括光学元件10。其它非限制性实例包括：透镜盖玻片；透镜第一表面；挡风玻璃；车窗；建筑物窗户；太阳能电池；镜子；任何自清洁表面(家庭汽车)；激光雷达或雷达的盖透镜；以及相机盖。
图2示出了根据第一实施例的表面15或基板12上的eWASH系统的基本结构。电极阵列层(32、42以及任选地62和72)、介电层25以及疏水、超疏水和/或疏油层20可以各自由多层相同或不同的材料制成。与流体接触的最顶层20的疏水性和/或疏油性的特征在于流体在表面15上的接触角(θC)。介电层25和疏水层20可以由不同材料层制成或由一个且相同的层制成。基板12本身可以是与介电层25一样的一个且相同的层，或者可以是与介电层25不同的单独的层。进一步地，基板12本身或介电层25本身可以具有疏水特性，由此不需要单独的涂层20。导电电极30、40、60和70和/或其指32、42、62和72可以放置在介电层25的底表面上。在有源区域上，单独的电极30、40、60和70不一定彼此电接触，但指32、42、62和72可以经由有源区域外部的触点分组在一起。电极30、40、60和70的总体图案将根据实施例或应用而变化。一个或多个电极30、40、60和70可以直接暴露于环境或放置在第一表面15上。电极30、40、60与70之间的间隙不需要均匀。电极30、40、60和70可以是不透明的或透明的。尽管外表面15优选地是疏水的，但下文所描述的实施例将与可能不被视为疏水的表面一起工作(即，其中接触角小于90度)。
此eWASH表面将有效地除湿水。还可以清洁其它流体和溶剂，如水-醇混合物、咸水等。对各种流体的功效程度取决于流体与疏水涂层20的相互作用和流体的极化性。通过驱动器电路施加到电极30、40、60和70的功率或电压电平可以被调谐为对于除水之外的流体或溶剂更高效。
非极性、极性或电解流体可以在存在电场的情况下以不同程度极化。例如，在例如异丙醇等非极性分子上施加电场使电子云位移，从而引起偶极矩。另一方面，水是极性的，并且由由于其分子电荷分布而具有净永久偶极子的分子构成。只要存在电场，这些水分子偶极子就会沿着所述电场对准(参见图3)。
当解释由于此极化介电或水滴5上的力而产生的系统动力学时，介电现象通常是所提及的原理。下文提供了对现象的简要描述。由于流体的永久偶极子或经诱导的偶极子的极化，这些中性流体液滴受电力的影响。例如，在电场中存在梯度的情况下，经诱导的液滴偶极子的能量最小化，
这产生驱动力。对于图3所示的电极几何形状和液滴定位，电力将使液滴5平坦化。等式还告知，极化的液滴被吸引朝向增加的电场的区域。利用适当的电极几何形状来产生动态场图，液滴平坦化效应和吸引力可以用于使液滴聚集和/或将液滴扫掠出表面。
查看电润湿现象的等效方式是根据表面上的流体5的经诱导的接触角的动态变化。当间隙之间或在具有差分压力的区域中存在不均匀场时，水滴被吸引到电极间隙或润湿所述区域，同时表现出减小的接触角。一旦去除电压差，接触角就增加。
如上文所述，液滴可以通过聚集或扫掠来清除。另外，可以使用聚集和扫掠的组合。下文讨论了这三种清洁模式。
首先，参照图4A-4C描述了聚集模式，这示出了平行或交叉指型电极(IDE)30、40、60和70，所述电极可以同时具有交流电压，或者可以在不同时间和次序在单独指上施加任意电压。当在电极指32、42、62与72之间施加差分电压时，产生电场。场分布和强度导致液滴5的平坦化。平坦化液滴5接触其它平坦化液滴5并合并以形成较大液滴5。大液滴5经由如重力和气流等外力更高效地滑出。
还可以通过巧妙地图案化表面的疏水区域和亲水区域来实现被动聚集。这在下文中另外讨论。
另一个新颖的想法是通过顺序地扫掠跨表面15存在的场来主动地从eWASH表面15去除流体液滴5的过程。扫掠模式展示于图5中。如先前所讨论，液滴5被吸引朝向具有成对电极指32、42、62和72的区域，所述电极指在存在不均匀电场的情况下具有差分电压。因此，当成对或成组的电极指32、42、62和72如图5A-5C所展示地顺序地供电时，使可以跨越下一个电极的流体的液滴5在电扫掠的方向上移动。下文描述了用于电扫掠、扫掠方向和几何形状的分布。
图6A-6C和7A-7C中示出了玻璃基板、氧化铟锡(ITO)电极30、40、60和70、SU8光致抗蚀剂作为电介质25，并且AF作为疏水层20的示例结果。图6A-6C示出了聚集(竖直取向)和脱落(沿指的重力)的实例。图7A-7C示出了在没有重力辅助的情况下的扫掠(水平取向)的实例。
高效的除湿和表面清洁可以涉及在清洁程序期间使液滴聚集并扫掠液滴两者。供电分布、聚集或扫掠可以任意次序完成，或者可以同时在样品的不同区域处发生。
通过顺序地为电极组30、40、60和70供电，存在扫掠电极的各种方式。新颖的想法是能够连续且顺序地为电极30、40、60和70供电，而不必独立地为每个电极供电。图8有助于描述想法的执行。一开始，需要可管理数量的可以独立供电的电极30、40、60和70，例如，一个接一个编号为1-4的四个电极指32、42、62和72。这些四个电极指组可以重复以相加，无论期望多少电极指。在此实例中，将有分别标记为R、G和B的三组(或图块)指32、42、62和72，如图8所示，总共有12个电极指。所有三组上的编号为1的电极指32R、32G和32B物理连接(下文描述了连接方法)，并且编号为2的电极指42R、42G和42B；编号为3的电极指62R、62G和62B；以及编号为4的电极指72R、72G和72B也是如此。因此，当电极编号1(30)供电时，所有其它组上的所有编号为1的指32R、32G和32B也供电。换句话说，指32R、32G和32B从驱动器电路50接收具有相同相的相同信号。因此，这些电极指被视为交叉指型的并且布置在图块中。换句话说，所述多个交叉指型指32、42、62和72布置在多个图块R、G和B中，其中每个图块R、G和B包括按顺序次序设置的所述多个电极p30、40、60和70中的每一个的一个指32、42、62和72，其中对每个图块R、G和B重复顺序次序。
为了在所有电极上产生有效连续扫掠，可以构造驱动器电路50以使指32、42、62和72上的信号周期或供电周期等于一组扫掠的周期。一旦此方案顺序地应用于所有组，就将扫掠定位在第一组上的流体液滴，如同连续一样，因为所述流体液滴沿着所有组的电极30、40、60和70移动。连续扫掠效果如图9和10所示的示例时序图所展示。
关于扫掠几何形状或方向，电极30、40、60和70可以例如被定向成使其指32、42、62和72水平地垂直于重力方向延伸，使得扫掠方向可以与重力拉动的方向平行或反平行。定向电极指32、42、62和72并且以适当的电极功率排序加聚集引导扫掠的能力开启无限数量的可以扫掠流体液滴的方向(下文讨论新颖电极几何形状)。
扫掠几何形状和方向的非详尽列表包括：上-下扫掠；左-右扫掠；从中心向外扫掠；从中心向内扫掠以诱导聚集；朝向一个或多个聚集点扫掠；径向扫掠(向内或向外)；以及对角和任意角度扫掠。
可以创建液滴分级/初始化区域以用于滚雪球式效果。此处的想法是为有源区域外部的聚集和/或扫掠提供领先优势，使得在液滴到达有源区域时，所述液滴已滚雪球式地成更高效地清洁有源区域的大小或达到更易受除湿力和外力影响的体积。
电极/指之间的场的差异可以通过以各种波形(正方形、正弦等)施加AC电压信号来实现。频率、波形、相位和电压可以根据几何形状(指宽度、间隙宽度、层厚度)和材料的电特性(基板、介电涂层、疏水涂层)的细节进行优化。
每个电极30、40、60和70可以在操作期间在带电状态、接地状态、浮置状态之间切换或在所述状态之间连续地翻转。间歇地将所有电极30、40、60和70接地将使液滴有时间不被电吸引到表面，并且可以有助于高效地让如重力和/或风等外力扫掠水滴和污染物。图11中示出此类方法的实例。
施加到电极的信号可以是相位调制的。可以在所有电极30、40、60和70上施加均匀波形。通过在电极30、40、60和70之间施加波形的相位差来实现差分电压。然后，异相区域可以顺序地扫过指以实现流体液滴的扫掠。图12中示出实例。
可以在不同时间时施加振幅和相位调制，或者可以同时在有源区域的单独区域处施加振幅和相位调制两者。间隙相对于另一间隙的相位差可以是固定的，或者一系列间隙中的相位可以连续或任意地变化。还可以通过调谐电极30、40、60与70之间的相位差来调整电压差的振幅。驱动器电路50可以将两相或多相输出信号源接到单独电极。可用信号与单独指32、42、62和72之间的多极或多掷切换接着可以在不同信号之间拨动或波形选择以产生适当的电压扫掠分布。
各种新颖几何形状可以用于电极30、40、60和70。虽然平行或交叉指型电极(IDE)对于电润湿和有源自清洁特征来说是可以实现的最简单的图案，但许多其它电极图案变化是可能的。一个此类实例是浮置指82。取决于自清洁操作模式、聚集和/或扫掠，IDE的方向可以平行于或垂直于脱落/扫掠方向定向。例如，如果指32、42、62和72具有交流高电压和低电压(参见图13A和13B)，由于下一间隙上的电场取向，液滴5将难以穿过下一间隙。在这种情况下，如果IDE沿着重力或其它外力的方向对准，则表面上的自清洁将更高效，这避免了水滴必须穿过具有相对的场或相对的力的间隙的困境。
用于使液滴扩张和横穿间隙的有用技巧是将电绝缘或浮置的导电电极指82放置在具有电压差的两个电极指32与42之间。如果液滴5足够大，那么液滴5可以在所述两个带电电极指32与42之间一直拉伸(参见图13B)。在带电电极指32与42之间也将不存在相对的场。浮置电极指82的间隙周围的场将始终在相同方向上。这具有有源电极指32和42内的液滴彼此吸引的另外的益处。
浮置电极指82还避免液滴5被静电吸引到电极指32和42，如图14A和14B所展示。当电介质25非常薄(电介质厚度<<间隙宽度)时，在电极指32和42上留下残留电荷以及水滴5的静电极化的概率很高(参见图15A和15B)。
浮置指82是中性的且绝缘的。因此，净电荷不变或始终平衡。不管装置供电时会发生什么电荷分离，一旦装置终止断电，浮置指就会丢失。
具有暴露电极/指92可能是有用的，因为暴露电极指92可以通过接触的水滴的电离来转移电荷。图16A和16B示出了所关注的表面15上的交叉指型暴露电极92。另外的绝缘电极90a和90b放置在除湿表面15上方的周边中，并且绝缘交叉指型电极指32、42和62位于表面15下方。过程的第一步骤是在暴露电极指92与周边电极90a和90b之间施加电压差。电荷转移发生在暴露电极指92与水滴之间。第二步骤涉及在绝缘交叉指型电极指32、42和62上通过供电和电位的适当顺序扫掠液滴5。电泳现象是适当地描述在带电水滴5上的所得力的原理。
如图17所示，电极指还也可以呈锯齿形。没有明确线的指增加了间隙线的密度、间隙的数量、间隙线的有效长度或液滴被吸引的区域。电极指上的尖峰还有助于产生不均匀的电场，从而产生可能推进水滴5的不平衡力。液滴5将在边界处停止移动，并且如果边界是尖的，则液滴将继续被拉到尖峰的端部，在一些锯齿形设计中，所述尖峰可以将液滴5拉到下一个电极的起点，因此防止液滴5卡住。
指32、42、62和72的大小以及间隙宽度也可以逐渐改变。这可以提高液滴扫掠效率。例如，扫掠可以从较窄的指/间隙开始到较大的指/间隙，以更高效地扫掠液滴5，因为所述液滴开始时很小，并且随着所述液滴跨指和间隙继续移动而变得越来越大。
还可以组合/分组单独指32、42、62和72以有效地产生更大的指。越来越多的单独指可以同时/相同地一起供电，以在液滴生长或沿着电极指“滚雪球”时高效地移动液滴。
薄膜晶体管(TFT)是在支撑基板12(如玻璃或透明聚酰亚胺)的表面上产生有源电极图案的选项。电极图案可以被像素化，并且可以在一对或一组像素之间施加差分电压以在任意方向上移动液滴。TFT允许基板上集成电路，这实现需要大区域或高信道计数的应用。TFT还可以用于减少所需的触点数量。
还可以使用电极指32、42、62和72的分层几何形状。分层几何形状的实例是下面具有隔离的接地平面95的平面内几何形状IDE，如图18所示。另外的电极指32、42、62和72或导电平面95也可以放置在由绝缘材料或电介质25分开的表面上的不同层中。例如，图18示出了非平面几何形状。导电平面95放置在交叉指型电极下方。通过将具有与导电平面95相反极性的单独电极供电并使其相邻电极浮置来产生液滴被吸引的不均匀场。
分层几何结构的另一实例是分层平行几何结构。当施加功率时，电极指32可以具有零场或均匀场的区域，如分别在电极指的中间中或间隙的中间处。因此，定位于那些区域中的液滴可能不会经历聚集或扫掠力。用于使那些场不均匀性很小的区域最小化的方法是添加偏移第一图案的另一下层电极指42，如图19所示。
分层几何结构的仍另一实例是分层散列。另外的下面电极指62和72无需平行于电极指32和42的第一层图案。如图20所示，交叉指型层可以彼此正交。这种“散列”图案允许液滴的多向扫掠。
可以使用的另一几何形状是反向涂覆的几何形状。最后一层覆盖有电极，翻转，并且然后粘合到基板，其中电极夹置在最后一层与基板之间。电极，例如ITO、PDOT、石墨烯可以涂覆在第一层的背面(例如，玻璃、聚对二甲苯)上。
其它几何形状包括：堆叠式IDE(IDE|电介质|IDE)；堆叠式IDE，其之间具有轻微角偏移；以及平铺式团聚(平铺式IDE)，其避免更大的电容。
已经描述了电极的各种几何形状，现在描述了电极的各种形式的连接。一个此类连接是重叠连接或旁路交叉电极。电极指可以通过使重叠物短路并且由此提供重叠连接而分组在一起。可以通过在重叠电极之间放置高介电强度材料层来实现电极之间的电绝缘交叉、旁路交叉。这些是分组或绕过具有螺旋或重叠几何形状的电极指32、42、62和72的有用方法，如图21所示。其它连接可以通过通孔或非对称导电膜(ACF)进行。
加热器可以与电润湿组合使用。如果表面15暴露于雪和冰，使得加热器将雪和冰熔化，从而将其转化为水，然后可以使用上述方法去除，则这可能是有用的。
而且，可以期望利用装置的电容感测、触发能力。IDE基本上是电容器。电润湿装置的表面上的污染物和液滴通过电容耦合改变装置中测量的有效电容，并且由于水和污染物的另外层而改变有效介电常数。图22中示出实例。eWASH的这种固有电容感测能力可以用于触发装置的电压扫掠或喷水、空气抽吸和其它互补或补充清洁程序。电容感测能力可以用于触发eWASH表面内外的内部和外部过程。换句话说，所述多个交叉指型指提供对外表面上的液滴的电容感测，并且驱动电路被配置成响应于对外表面上的液滴的电容感测而将信号施加到所述多个电极。
在以下实施例中，电极设置在单个平面中，并且在电极之间存在间隙。在这种布置中，以下度量允许主动地且高效地扫掠各种液滴大小。
间距<液滴直径<N*间距，
其中N是每个图块独立激活的电极指的数量，并且间距是相邻电极指的中心之间的距离，这些电极指的大小和间隔是均匀的。图23A和23B示出了间距对小液滴5的影响。在图23A中，相邻电极之间的间距大于液滴5的直径。在这种大间距的情况下，可能难以移动液滴5。在图23B中，间距较小由此更容易扫掠小液滴5。在图24A中，示出了更大的液滴5，并且其间距与图23B的间距相同但小于液滴的直径。图24A中所示的实例具有两个独立激活的电极30和40(N＝2)，每个电极分别具有指32和42。因此，每个图块存在两个电极指32和42。由于与液滴5相比，图块大小相对较小，因此移动较大的液滴5可能是挑战。在图24B中，对于每个图块的八个电极指32、42、62、72、82、92，独立激活的电极数量为N＝8，其中每4个电极指相位变化一次。较大的图块大小在移动较大的液滴5方面更有效。然而，为了移动较小的液滴，执行如下文进一步描述的扫掠是有益的。
本发明人已发现，较小的间距更好，因为其可以更有效地移动较小的液滴，并且仍然可以移动较大的液滴，具体地当采用“平铺”概念将电极指的组分组在一起时。因此，间距可以等于或小于750μm，或更优选地等于或小于200μm，或甚至更优选地等于或小于100μm。
平铺或创建有限数量(N)的有源独立电极的复制品是一种用于从少量独立电极中构建更大的有源区域的新颖技术。平铺使技术可扩展到大区域。平铺通过连接电极指组(参见图27中的组A-G)与总线/导电连接器18来执行。通过平铺，任何一个单独电极指(例如，组A的电极指1)上设置的电压都会复制到电极组B-G的其余电极指1上。在平铺的情况下，外表面15的有源区域17的扫掠同时发生在多个扫掠前部上。图25A、25B、26A和26B展示了阴影和非阴影部分(或图块)的扫掠运动。液滴被吸引到存在电场的阴影区段与非阴影区段之间的边界。
尽管平铺使有源区域17的区段是镜像其它区段，但在电极上产生新颖的顺序电压操作，使得液滴5通过贯穿有源区域17的区域的连续拉动起作用，即使每个区段上发生的事情与其它区段相同。在所有电极上产生有效连续扫掠的一个关键是使电极指上的电压信号周期或供电周期的整数倍等于整个扫掠信号/图案在空间上穿过一组电极指的时间。一旦将此方案应用于所有组，就将扫掠定位于第一组上的与区段相对应的流体液滴5，如同连续一样，因为所述流体液滴沿着所有组的电极指移动。连续扫掠效应由图28中所示的时序图展示，所述时序图示出用于每个电极以调制AC信号的相位的相位调制信号，使得将相位调制的AC信号施加到每个电极。在图28中，调制信号为低或高，分别表示同相和反相。为了描述的目的，每个电极可以通过次序参考n来标识(其中n＝1至N，并且N是单独激活的电极的总数)。每个电极具有多个电极指，继承其电极的参考编号。电极指以从1至N的重复顺序次序布置，以用于每个图块A、B、C、…。每个电极1-N由对应的相位调制的AC信号驱动。例如，每个相位调制的AC信号都是由单个AC信号产生的，所述单个AC信号使用图28所示的对应N个的相位调制信号为每个电极单独进行相位调制。因此，每个相位调制信号还可以通过次序参考n(其中n＝1至N)来标识，以对应于相应电极。每个相位调制信号以Tw的周期在同相状态(例如，0°)与反相状态(例如180°)之间来回周期性地对AC信号强加相移。每个相位调制信号n中的相移在时间上相对于顺序在前的相位调制信号n-1中的相移延迟了时间步长ts，使得跨外表面在预定方向上连续扫掠液滴。
在图27所示的实例中，为每组电极(或图块)A-G设置十二个独立控制的电极(N＝12)的电极指，并且施加到每个指的相位调制的AC信号是相同的，但处于如通过图28所示的针对每个电极的相位调制信号确定的同相状态或反相状态。为了提供连续扫掠，对于任何N个独立激活的电极，时间步长ts将为ts＝Tw/N。ts和Tw的值可以随时间的推移而变化。因此，继续从图块A的第N个手指将液滴扫掠到图块B的第1个手指。如果不符合时间标准(ts＝Tw/N)，则图块之间的这种“切换”就像扫掠不连续性。作为实例，AC信号的频率可以为500Hz，独立激活的电极N的数量为12，并且相位调制信号可以具有24毫秒的周期Tw。在这种情况下，时间步长ts将为2毫秒。对于在时间上在任何时刻对AC信号强加0°或180°相位的方波相位调制信号，0°/180°相位偏移的前进每ts(例如，2毫秒)从一对指移动到下一对指。同相/反相(0°/180°相)选择的附加益处在于其允许两倍的较高有效电压，同时使通过驱动器供应的电压最小化。驱动器的电压越高，复杂性和成本越高。以N＝12和0°或180°相移为例，下表示出了在一个周期Tw内，以时间间隔ts施加到36个电极指(每个电极3个电极指)中的每个电极指的AC信号的相移：
聚集周期和扫掠周期的组合是一个新颖的想法。通过将较小的液滴聚集成较大的液滴，扫掠可能更有效。
聚集周期是施加电压以使得总电压图案平均不在特定方向上移动。扫掠周期是在时间上朝着一个方向进行空间移位的电压图案。在扫掠周期的情况下，瞬时或平均速度可以被定义为总电压图案。在聚集周期中，图案的单独部分可能存在运动，但有源区域中的总电压图案不会在空间中移位。
在本发明申请中，针对清除和清洁流体液滴，可以使用聚集周期和扫掠周期两者。扫掠周期已在上文进行了描述，并在图27和28中进行了说明。聚集周期是其中通过跨两个电极上或跨电极组施加电压差来施加AC或DC场。回想一下，液滴被吸引到产生差分电压的区域。所述聚集周期允许用差分电压将多个液滴吸引到所述区域，并且液滴可以通过彼此聚集或组合而变得更大。对于聚集，所有其它电极指可以处于相反的相位，并且因此可能需要仅两个通道。对于扫掠，更独立的通道更好，并且这种布置仍然可以执行聚集。
AC扫掠不同于跨电极或电压通道扫掠的DC电压。AC扫掠意味着在扫掠图案在空间上移动到下一电极之前，每个电极的极性已经翻转一次或多次。应注意，下一个电极不一定意指相邻电极。AC扫掠在以下方面更有效：(1)避免电极上的电荷积聚，这可能导致钉扎，(2)由于AC扫掠期间的液滴振动而使液滴从钉扎点移开，以及(3)推动液滴以及吸引液滴。还应注意，使已经用DC电压驱动的电极短暂短路可能不足以从外表面去除积聚电荷。然而，当使用AC电压时，电压从正变成负，表面上没有净电荷，因此平均电压为零。
在AC扫掠的情况下可以推动液滴。推动/排斥液滴而不是吸引液滴是一种新颖的想法。当场或电压处于DC时，具有固定偶极子取向的水滴与附近的DC重新定向，其中偶极子矩与场反平行或成角度。在AC电压或AC场扫掠的情况下，液滴的一部分可以重新定向其偶极子，但每次重新定向都导致液滴内的总势能瞬间增加。所述增加与对水滴上的经诱导的偶极子的排斥力相关联。此处，如图29和30所示，接地(GND)是介于低电压与高电压之间的电压电平。通过使用中间接地电压来推动液滴5，由接地电极产生的场不如由跨高低电压电极的电压差产生的场强。这意味着跨高低电压的场足够强以保持偶极子取向固定，而来自接地电极的电场提供推动，但不足以翻转偶极子取向。
扩展第一个电极16和最后一个电极19的区域使得液滴在第一电极或最后电极上不被排斥(取决于扫掠的方向)存在明显优点。图31示出了最后一个电极的端部处的液滴排斥或来自有源区域外部的排斥的实例。
对此的解释类似于液滴推动效应。此处，电极外部的区域接地，使得从有源区域外部到端部电极的场与水滴中诱导的偶极子相对。如图32所示，为了避免在扫掠结束时产生排斥，可以扩展最后一个电极(或第一个电极，取决于扫掠方向)的区域。这在有源区外部产生等电位表面，使得在操作期间由于电场引起的力不会阻止液滴滑动超出有源区域。
除了经扩展的第一个电极16和最后一个电极19之外，或作为其替代，这些区域还可以涂覆有亲水性材料，以便将从有源区域17排出液滴5。换句话说，亲水涂层可以被定位成靠近扫掠液滴的外表面的边缘。
应注意，外表面层不需要仅仅是疏水的。这可能是超疏水的。也可以移动油和其它液滴，例如，冰滴或雪花。在疏液滴或亲液滴的各种图案的情况下，液滴可以从储集器收集或下沉到有源区域内外的位置。
驱动器电路50可以被配置成可变地调整AC信号的频率，以改变跨外表面扫掠液滴的速度。例如，扫掠速度可以通过在约400Hz与1KHz之间改变频率来在约20-40毫米/秒之间调节。AC信号的周期可以被选择成使得每个周期引起将液滴移动一个电极指的距离。液滴扫掠的速度可以适于液滴的终端速度。
控制表面上的水滴的另一种方式是通过使用图案化疏水性。如果水滴落在更疏水的区域与更不疏水的区域之间的边界上，则液滴通常将朝向更不疏水的区域移动。这可以用于被动地将液滴引导(或诱导其冷凝)到较小区域中以迫使液滴合并，这有助于除了聚集或扫掠之外形成较大的液滴。例如，可以具有更疏水层和更不疏水层的交替条纹。如果较不疏水的区域过于亲水，效果就不理想了，因为这样水就会过多地渗出，并且无法形成水珠并从玻璃上脱落/被驱离，或者可能影响扫掠。另一实施例将是具有更疏水和更不疏水区域的棋盘图案，或在更疏水的背景上具有更少疏水的“斑点”。在每种情况下，目标将是获得更多下降以进行合并的替代方法。疏水图案化可以独立于电润湿或与其组合使用。
疏水性梯度是疏水性图案化的连续版本，其可被视为具有更精细变化的疏水性的相邻区域或真实梯度。想法是液滴将更容易在较低疏水性的方向移动，并且因此可以利用这一点来帮助液滴朝着期望的方向移动。梯度也可以由两种疏水性的二元组合产生，但图案的尺度要比液滴小得多，因此有效疏水性是一个梯度。不同的疏水性可以是不同材料的两个空间图案化涂层、单个涂覆的材料的去除或单个基板或涂层材料的表面图案化。
疏水层20可以通过使表面微结构化和/或纳米结构化来喷涂、涂覆或制造。可能的疏水材料包括AF、Optool UD120、聚对二甲苯AF4、Optool DSX、CYTOP、PDMS、聚异丁烯(PIB)、稀土陶瓷氧化物和Aquapel。
基板12可以由任何类型的玻璃或塑料制成，并且可以是刚性的或柔性的。
电极可以由作为透明陶瓷导体的氧化铟锡或作为透明聚合物导体的PEDOT制成。
电介质25可以由以下制成：SU-8(光致抗蚀剂聚合物)；聚合物-陶瓷氧化物复合物；超薄玻璃；陶瓷氧化物或氮化物(如Al2O3、SiO2、Si3N4)；或聚对二甲苯。
尽管上文描述了两个至十二个电极，但应了解，可使用任何数量的电极。
就可以使用的内容而言，上述材料列表并不详尽。材料要求是电极优选地是充分导电的(据所知，这一特性没有具体的值)，电介质优选地不允许表面水到达电极(并且是电绝缘的)，并且疏水层优选地是充分疏水的。根据定义，疏水意味着水接触角>90度。在一些情况下，疏水性和电介质功能两者都可以通过单层材料来实现。
除非权利要求中另有说明，否则本领域的普通技术人员将理解，所描述的发明和其它组件的构造不限于任何具体材料。除非本文另有描述，否则本文所公开的发明的其它示例性实施例可以由多种材料形成。
出于本公开的目的，术语“耦合”(以其所有形式，耦合(couple)、耦合(coupling)、耦合的(coupled)等)通常意味着两个组件彼此直接或间接(电气的或机械的)接合。此类接合在本质上可为静止的或在本质上为可移动的。此类接合可使用所述两个(电气或机械)组件和彼此或与所述两个组件一体地形成为单个整体的任何另外的中间构件实现。除非另外陈述，否则此类接合在本质上可为永久性的，或者在本质上可为可移除的或可释放的。
另外值得注意的是，如在示例性实施例中展示的本发明的元件的构造和布置仅仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细地描述了本创新的少数实施例，但审阅本公开的所属领域的技术人员应容易了解，在不实质上脱离所陈述主题的新颖教示和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、色彩、定向等的改变)。例如，一体地形成的元件可由多个元件构造而成，或示出为多个元件的元件可一体地形成，可颠倒或以其它方式改变介面的操作，可改变结构的长度或宽度和/或系统的构件或连接器或其它元件，可改变元件之间的调节位置的性质或数目。应注意，系统的元件和/或组件可由提供足够强度或耐久性的广泛多种材料中的任何一种构成，并且可呈广泛多种色彩、纹理和组合中的任何一种。因此，所有此类修改旨在包括在本创新的范围内。可在不脱离本创新的精神的情况下在期望和其它示例性实施例的设计、操作条件和布置方面进行其它取代、修改、改变和省略。
应理解，任何所描述的过程或所描述过程内的步骤可与公开的其它过程或步骤组合以形成属于本发明装置的范围内的结构。本文所公开的示例性结构和过程用于说明性目的，而不应理解为具有限制性。
还应当理解，在不脱离本发明装置的概念的情况下，可对上述结构和方法做出变化和修改，还应当理解，这样的概念旨在由所附权利要求书涵盖，除非这些权利要求的措辞明确说明不是这样。
上面的描述仅被视作所示实施例的描述。本领域的技术人员以及制作或使用所述装置的技术人员可对所述装置作出修改。因此，应理解，在图中示出且在上文描述的实施例仅用作说明的目的，并不旨在限制所述装置的范围，其范围由根据专利法的原则(包括等同原则)来解释的所附权利要求书限定。

Claims (25)

1.一种光学元件，其包含：
基板，所述基板具有外表面，可在所述外表面上形成流体的液滴；
N个独立激活的电极，所述电极各自能够由次序参考n(其中n＝1至N)标识，每个电极具有多个电极指，所述多个电极指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸，所述电极指以从1至N的重复顺序次序布置；以及
驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将相位调制的AC信号施加到所述电极，所述驱动电路通过将N个相位调制信号施加到AC信号来产生所述相位调制的AC信号，其中所述N个相位调制信号等于所述N个独立激活的电极，每个相位调制信号还能够由所述次序参考n(其中n＝1至N)标识以对应于相应电极，其中每个相位调制信号以Tw的周期在同相状态与反相状态之间来回周期性地对所述AC信号强加相移，其中每个相位调制信号n中的所述相移在时间上相对于顺序在前的相位调制信号n-1中的所述相移延迟时间步长ts，使得跨所述外表面在预定方向上连续扫掠所述液滴。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述电极指布置在单个平面中，其间具有间隙。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的光学元件，其中所述电极指以均匀的间距布置，其中所述间距为所述电极的中心之间的距离，所述间距小于或等于750μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其中所述驱动电路被进一步配置成以使所述流体液滴聚集成较大流体液滴的方式在相邻指之间选择性地施加电压电位。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其中所述时间步长ts等于Tw/N。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其中所述驱动电路被配置成可变地调整所述AC信号的频率，以改变跨所述外表面扫掠所述液滴的速度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其中所述多个电极指中的最后一个电极指被定位成靠近所述外表面的所述液滴被扫掠到的边缘，其中所述多个电极指中的所述最后一个电极指大于其它电极指。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，并且其进一步包含亲水涂层，所述亲水涂层被定位成靠近所述外表面的所述液滴被扫掠到的边缘。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，其中所述多个电极指提供对所述外表面上的液滴的电容感测，并且其中所述驱动电路被配置成响应于所述对所述外表面上的液滴的电容感测而将所述相位调制的AC信号施加到所述电极。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学元件，其中所述多个电极指布置在多个图块中，其中每个图块包括按顺序次序设置的所述多个电极中的每个电极的一个指，其中对每个图块重复所述顺序次序。
11.一种光学元件，其包含：
基板，所述基板具有外表面，可在所述外表面上形成流体的液滴；
多个独立激活的电极，所述电极各自具有多个指，所述多个指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸；以及
驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将信号施加到所述多个电极，
其中所述电极指以均匀的间距布置，其中所述间距为所述电极的中心之间的距离，所述间距小于或等于750μm。
12.根据权利要求11所述的光学元件，其中所述间距小于或等于200μm。
13.根据权利要求12所述的光学元件，其中所述间距小于或等于100μm。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的光学元件，其中所述驱动电路被配置成选择性地将相位调制的AC信号施加到所述多个电极。
15.根据权利要求14所述的光学元件，其中施加到具有相邻指的电极的所述相位调制的AC信号是相同的，但以使跨所述外表面在预定方向上连续扫掠流体液滴的方式相对于彼此在相移中具有时间步长ts的时间延迟。
16.根据权利要求11至16中任一项所述的光学元件，其中所述电极指布置在单个平面中，其间具有间隙。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的光学元件，其中所述驱动电路被进一步配置成以使所述流体液滴聚集成较大流体液滴的方式在相邻指之间选择性地施加电压电位。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的光学元件，其中多个交叉指型指提供对所述外表面上的液滴的电容感测，并且其中所述驱动电路被配置成响应于所述对所述外表面上的液滴的电容感测而将所述信号施加到所述多个电极。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的光学元件，其中所述多个交叉指型指布置在多个图块中，其中每个图块包括按顺序次序设置的所述多个电极中的每个电极的一个指，其中对每个图块重复所述顺序次序。
20.一种光学元件，其包含：
基板，所述基板具有外表面，可在所述外表面上形成流体的液滴；
多个独立激活的电极，所述电极各自具有多个指，所述多个指被定位成靠近所述外表面并跨所述外表面的区域延伸；以及
驱动电路，所述驱动电路用于选择性地将信号施加到所述多个电极，
其中所述电极指布置在单个平面中，其间具有间隙。
21.根据权利要求20所述的光学元件，其中所述驱动电路被配置成选择性地将相位调制的AC信号施加到所述多个电极。
22.根据权利要求21所述的光学元件，其中施加到具有相邻指的电极的所述相位调制的AC信号是相同的，但以使跨所述外表面在预定方向上连续扫掠流体液滴的方式相对于彼此在相移中具有时间步长ts的时间延迟。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的光学元件，其中所述电极指以均匀的间距布置，其中所述间距为所述电极的中心之间的距离，所述间距小于或等于750μm。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的光学元件，其中多个交叉指型指提供对所述外表面上的液滴的电容感测，并且其中所述驱动电路被配置成响应于所述对所述外表面上的液滴的电容感测而将所述信号施加到所述多个电极。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的光学元件，其中所述多个交叉指型指布置在多个图块中，其中每个图块包括按顺序次序设置的所述多个电极中的每个电极的一个指，其中对每个图块重复所述顺序次序。
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