基于液晶光電特性的靜電測(cè)量

王耀強(qiáng)， 謝 飛， 胡軼瑤， 徐律涵， 陳曉西

(電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054)

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，靜電在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中產(chǎn)生的影響也逐漸增大，因此靜電的應(yīng)用和防護(hù)成為了一個(gè)重要的研究方向。一方面，靜電技術(shù)已被廣泛運(yùn)用到各行各業(yè)，如電子照相、靜電存儲(chǔ)、靜電照相機(jī)等；另一方面，靜電的危害和災(zāi)難也時(shí)有發(fā)生，如靜電引起的爆炸、干擾通信等[1]。靜電的監(jiān)測(cè)在航天、石油化工、工業(yè)生產(chǎn)、氣象、集成電路等領(lǐng)域也具有重要意義[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為：人體靜電是靜電防護(hù)工程中主要危害源之一[3]，因此人體靜電的測(cè)量是靜電的應(yīng)用和防護(hù)的一個(gè)基礎(chǔ)。目前已有的靜電測(cè)量設(shè)備主要分兩種，一種是接觸式靜電測(cè)量設(shè)備，如利用靜電傳感器系統(tǒng)測(cè)量靜電，優(yōu)點(diǎn)在于精度較高[4]；一種是非接觸式靜電測(cè)量設(shè)備，如基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的非接觸式靜電測(cè)量設(shè)備、基于STM32的非接觸式靜電電位測(cè)量系統(tǒng)。而目前市面上的非接觸式靜電測(cè)量設(shè)備多存在受測(cè)試距離影響大、成本較高、功耗較大等缺點(diǎn)[5]，因此迫切需要一種簡(jiǎn)單方便、靈敏度高、功耗小的靜電測(cè)量裝置。目前市面上的靜電檢測(cè)儀主要利用給定的高壓電場(chǎng)，對(duì)被測(cè)試樣定時(shí)放電，使試樣感應(yīng)靜電，從而進(jìn)行靜電電量大小、靜電壓半衰期、靜電殘留量的檢測(cè)，以確定被測(cè)試樣的靜電性能。液晶是一種優(yōu)異的各向異性材料，在電場(chǎng)和溫度的作用下能產(chǎn)生各種電光效應(yīng)和熱光效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可以達(dá)到顯視測(cè)量等目的[6-7]。目前液晶器件主要用于顯示領(lǐng)域，最常見(jiàn)的是向列相液晶顯示器，如計(jì)算器、電子表、儀器儀表、手表表盤等顯示器[8]。利用液晶分子對(duì)人體靜電的響應(yīng)可以達(dá)到測(cè)量人體靜電的目的。人體靜電以電荷的形式分布在人體表面，當(dāng)人體與未帶電電容器的一端接觸時(shí)會(huì)形成電勢(shì)差，進(jìn)而使得電荷轉(zhuǎn)移到電容器與人體接觸的一個(gè)基板上，最終形成相對(duì)穩(wěn)定的電荷分布。而由于電容器的另一基板接地，兩基板之間會(huì)形成電場(chǎng)，基板中液晶分子在電場(chǎng)的作用下，其分子取向發(fā)生變化[9]，從而改變光的透過(guò)效果。通常人體所帶靜電量為幾百伏到幾千伏[2]，而本文中介紹的器件利用疊加上基板的方法增大了測(cè)量范圍，3層上基板的器件測(cè)量范圍達(dá)到幾千伏，能夠測(cè)量人體所帶的靜電量。本文介紹了一種基于液晶光電特性的人體靜電測(cè)量裝置，然后詳細(xì)介紹了裝置的測(cè)量原理和方法、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及測(cè)量誤差。

2 器件及系統(tǒng)介紹

2.1 多層基板器件

液晶器件由多塊玻璃ITO圖形上基板、液晶層及一塊ITO圖形玻璃下基板構(gòu)成。上、下基板靠近液晶層端為ITO電極端，上基板電極為含有不同圖樣的ITO區(qū)域，下基板電極為整塊ITO區(qū)域。每相鄰兩個(gè)ITO電極構(gòu)成一個(gè)電容，整個(gè)液晶盒由多個(gè)電容、玻璃基板及一個(gè)液晶層串聯(lián)而成。為了得到更低的液晶器件閾值電壓，下基板與相鄰上基板所用的取向?qū)臃謩e為垂面取向?qū)雍脱孛嫒∠驅(qū)忧夷Σ练较蛳嗷ゴ怪?，此器件液晶層液晶分子扭曲混合排列。相鄰兩塊基板錯(cuò)開(kāi)疊加排列，每?jī)蓧K基板不重合區(qū)域設(shè)置一個(gè)電極導(dǎo)線端并通過(guò)導(dǎo)線接入外加電壓。實(shí)驗(yàn)中制備了一個(gè)3層基板的液晶器件結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，最外層的兩塊偏振片的吸光軸相互正交。2層上基板結(jié)構(gòu)測(cè)到的電壓范圍有限，若要測(cè)量更大的電壓范圍，可以通過(guò)增加上基板分壓的方法，上基板越多，測(cè)量的范圍越大。

圖1 液晶盒結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of liquid crystal cell

2.2 器件工作原理

此液晶器件通過(guò)液晶分子對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)情況，判斷所加電壓大小。器件中的液晶分子扭曲混合排列，且器件兩端所放置的偏振片的吸光軸相互正交。不加電壓時(shí)，光能夠全部通過(guò)液晶器件；加上低壓后，液晶分子指向矢發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分光被阻擋；加上高壓后，液晶分子完全偏轉(zhuǎn)，全部光被阻擋。器件不同區(qū)域具有不同的測(cè)量范圍，當(dāng)液晶層上分壓一致時(shí)，高層的上基板電壓更大。所以上基板1測(cè)量的是低壓區(qū)域，上基板2測(cè)量的是高壓區(qū)域。不加電時(shí)，器件對(duì)光的透過(guò)率如圖2(a)所示，各區(qū)域的光均能全部透過(guò)；加低壓時(shí)，器件對(duì)光的透過(guò)率如圖2(b)所示，此時(shí)器件低壓區(qū)域由于電場(chǎng)的作用液晶分子發(fā)生不完全偏轉(zhuǎn)，器件對(duì)光的透過(guò)率降低，部分光被阻擋，高壓區(qū)域不受影響；加高壓時(shí)，器件對(duì)光的透過(guò)率如圖2(c)所示，此時(shí)低壓區(qū)域已經(jīng)飽和，液晶分子完全偏轉(zhuǎn)，全部光被阻擋，高壓區(qū)域液晶分子不完全偏轉(zhuǎn)，部分光被阻擋。液晶分子偏轉(zhuǎn)的角度即器件透過(guò)率可以直接等效于平行光源透過(guò)器件的圖像灰度值，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)液晶器件灰度值與所加電壓的標(biāo)定得到標(biāo)定關(guān)系式，利用標(biāo)定關(guān)系式可以測(cè)量人體靜電。液晶器件利用多層基板疊加分壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍電壓的測(cè)量，每層基板測(cè)量的范圍不同，而器件可以將所有測(cè)量同時(shí)顯示，因此疊加基板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍電壓的測(cè)量。器件中的不同基板對(duì)于電壓的響應(yīng)有一個(gè)范圍，實(shí)驗(yàn)中制備的液晶器件上基板1測(cè)量時(shí)的閾值電壓是1.0 V，飽和電壓是2.9 V，上基板2測(cè)量時(shí)的閾值電壓是75 V，飽和電壓是150 V，兩基板所加電壓在其閾值電壓與飽和電壓之間時(shí)，器件透過(guò)率隨著所加電壓的變化而變化，低于閾值電壓或高于飽和電壓時(shí)，不隨所加電壓變化。同時(shí)由于器件中不同基板的ITO圖像分別位于基板的不同位置上且互不重合，當(dāng)采集平行光源透過(guò)基板的圖像時(shí)，就能夠同時(shí)采集器件中所有上基板的ITO區(qū)域的灰度值，也就能夠?qū)崿F(xiàn)高低壓測(cè)量范圍在液晶器件的不同位置上同時(shí)顯示。為了獲得連續(xù)性測(cè)量，找出兩基板灰度值一致時(shí)的所加電壓，得到上下基板的放大倍數(shù)，再利用放大倍數(shù)獲得連續(xù)性測(cè)量。

(a)器件不加電(a)No voltage applied to the device

2.3 測(cè)量原理及方法

此液晶器件利用液晶的光電特性對(duì)靜電進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)人體與測(cè)試端接觸時(shí)會(huì)在兩基板間形成電場(chǎng)，從而改變液晶分子的指向矢方向，即改變此器件光源的透過(guò)率。圖像傳感器采集光源透過(guò)此液晶器件的圖像，并讀取圖像的灰度值。按照標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中所確定的灰度值與電壓曲線即可判斷此時(shí)靜電電位的大小。

由于靜電測(cè)量一般都由靜電電位測(cè)量替代[3]，所以在測(cè)試前，首先需要對(duì)圖像的灰度值與所加電壓間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)試系統(tǒng)包括從左至右的平行光源、液晶器件、圖像采集和處理模塊(圖3)，液晶器件共分為n個(gè)電壓測(cè)量區(qū)域，上基板共引出n條導(dǎo)線與人體相連，下基板引出一條導(dǎo)線接地。為了測(cè)量更大的電壓范圍，可以繼續(xù)疊加上基板。在測(cè)量過(guò)程中，將此液晶器件下基板一端接地，上基板作為測(cè)試端，使人體與測(cè)試端接觸。人體靜電驅(qū)動(dòng)液晶器件后，圖像采集裝置采集平行光源透過(guò)器件的圖像。采集圖像后，圖像處理系統(tǒng)利用采集的圖像首先判斷出電壓位于哪個(gè)區(qū)域，然后求出對(duì)應(yīng)ITO區(qū)域的平均灰度值，最后利用灰度值及該區(qū)域標(biāo)定關(guān)系式求出所加電壓。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of test system

3 系統(tǒng)的標(biāo)定

3.1 各基板灰度值與電壓關(guān)系標(biāo)定

對(duì)于圖像灰度值與所加電壓間關(guān)系的標(biāo)定，所采用的標(biāo)定系統(tǒng)由電壓輸出端(函數(shù)發(fā)生器、放大器)、平行光源、多層基板疊加的液晶器件、圖像采集和處理模塊組成，電壓輸出端用來(lái)模擬人體提供已知可變的交流電壓。在標(biāo)定過(guò)程中依次對(duì)各上基板進(jìn)行標(biāo)定，并由圖像采集處理模塊采集基板不同壓差下對(duì)應(yīng)的圖像，后提取采集圖像的灰度數(shù)據(jù)，將施加的電壓及對(duì)應(yīng)的圖像灰度值進(jìn)行繪圖，最后將灰度-電壓曲線進(jìn)行擬合從而得到一個(gè)完整的表達(dá)式，通過(guò)此表達(dá)式可以由圖像灰度值求出給定范圍內(nèi)的任一電壓值。圖4(a)是上基板1施加0.5～3.5 V電壓時(shí)圖像采集系統(tǒng)采集到對(duì)應(yīng)的圖像，圖4(b)是上基板1施加70～220 V電壓時(shí)圖像采集系統(tǒng)采集到對(duì)應(yīng)的圖像。

(a)上基板1不同壓差對(duì)應(yīng)圖像(a) Images of upper substrate 1 under different voltage

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)每塊基板均存在閾值電壓和飽和電壓，即圖像灰度值只在一定電壓范圍內(nèi)變化。圖5中藍(lán)線代表實(shí)際灰度值-電壓曲線，紅線代表擬合曲線，上基板1的閾值電壓是1.0 V，飽和電壓是2.9 V；上基板2的閾值電壓是75 V，飽和電壓是150 V。低于閾值電壓和高于飽和電壓區(qū)域灰度值不隨電壓改變而改變，于是對(duì)線性部分進(jìn)行擬合，可以得到以下兩個(gè)表達(dá)式，式(1)為上基板1灰度-電壓關(guān)系式，式(2)為上基板2灰度-電壓關(guān)系式。

(a)上基板1電壓-灰度關(guān)系圖 (a)Upper substrate 1 voltage-gray diagram

(1)

式中：g1代表上基板1圖像的灰度值，ua代表對(duì)應(yīng)所加電壓值。

g2=3.18ub-230.50，

(2)

式中：g2代表上基板2圖像的灰度值，ub代表對(duì)應(yīng)所加電壓值。

通過(guò)上述工作可以得到1.3～2.0 V和75～120 V之間的灰度值-電壓關(guān)系式，因此可以通過(guò)灰度值求得此范圍內(nèi)的電壓值。

3.2 放大倍數(shù)的標(biāo)定

對(duì)于放大倍數(shù)的標(biāo)定，首先將液晶器件等效為電路，等效電路圖如圖6所示。將上基板1與下基板看成第一電容，上基板2與上基板1看成第二電容。其中ULC、U2分別是第一電容上的電壓和第二電容上的電壓，U是第一電容和第二電容串聯(lián)電路的總電壓，CLC、C2分別是第一電容和第二電容的電容值，dLC、d2分別是第一電容和第二電容極板間距。

圖6 液晶盒等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit diagram of liquid crystal cell

第一電容和第二電容構(gòu)成了串聯(lián)電路，根據(jù)串聯(lián)電路分壓知識(shí)，有：

(3)

又由：

(4)

其中εr是相對(duì)介電常數(shù)，S是電容器兩基板上ITO區(qū)域的面積大小，k是靜電力常量，d是兩電容上下基板間距，Q是電容器的帶電量。將式(4)帶入式(3)可得：

(5)

對(duì)于驗(yàn)證器件的正確性，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)出兩基板放大倍數(shù)，與理論計(jì)算的放大倍數(shù)相比較，即上基板1和上基板2同時(shí)加電，觀察兩者灰度值一致時(shí)的電壓比即放大倍數(shù)。圖7為兩基板灰度值一致時(shí)采集圖像，紅色虛線圖像為上基板1圖案，綠色虛線圖案為上基板2圖案，圖中數(shù)字代表對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻上基板1與上基板2所加電壓，通過(guò)表1可得放大倍數(shù)為59～68，與理論計(jì)算得出的放大倍數(shù)相吻合。

圖7 上基板1和上基板2灰度值一致時(shí)采集圖像Fig.7 Collected images as the gray values of upper substrate 1 consisten with upper substrtez

表1 上基板1和上基板2灰度值一致時(shí)的電壓倍數(shù)Tab.1 Voltage multiple as the gray values of upper substrate 1 consistent with upper substrate 2

在基板標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中得到1.3～2.0 V和75～120 V之間的灰度值-電壓關(guān)系式，為了拓展電壓測(cè)量范圍，可根據(jù)放大倍數(shù)關(guān)系求得2.0～75 V之間灰度值-電壓關(guān)系，從而求得0～120 V整個(gè)范圍內(nèi)的灰度值-電壓關(guān)系。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及測(cè)量誤差

對(duì)于驗(yàn)證器件的可行性，利用液晶盒進(jìn)行實(shí)際操作測(cè)試，即讓人體接觸測(cè)試端，觀察器件液晶分子響應(yīng)情況。圖8(a)是人體接觸器件之前圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像，ITO區(qū)域即圖中紅色虛線部分與其他區(qū)域透過(guò)率一樣。圖8(b)是人體接觸之后的圖像，可以觀察到ITO區(qū)域透過(guò)率發(fā)生變化。對(duì)于計(jì)算系統(tǒng)的測(cè)量誤差，給液晶盒施加另一組已知可變的電壓，圖9(a)和(b)分別是液晶盒加電壓后采集到的上基板1、2圖像。通過(guò)圖像處理系統(tǒng)讀取圖像灰度值并通過(guò)所標(biāo)定的灰度值-電壓關(guān)系得到所加電壓值，將計(jì)算出的電壓值與實(shí)際電壓值進(jìn)行比較，得到測(cè)量誤差。

測(cè)量誤差代表器件測(cè)量的準(zhǔn)確性程度，是衡量器件好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。測(cè)量誤差為計(jì)算電壓值相較于實(shí)際電壓值的偏差率，即：

(6)

其中U1為計(jì)算電壓值，U為實(shí)際電壓值。

圖8 人體測(cè)量效果圖Fig.8 Rendering of measuring the human body

(a)上基板1采集的圖像(a)Images captured by the upper substrate 1

上基板1和上基板2各組數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差如表2和表3所示，從中可以得出上基板1與上基板2的最大測(cè)量誤差均不超過(guò)9%，因此器件的測(cè)量誤差不超過(guò)9%。且可以觀察到計(jì)算電壓均在一定程度上小于實(shí)際電壓，這是標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有考慮到電極分壓造成的。

表2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中上基板1的測(cè)量誤差Tab.2 Measurement error of upper substrate 1 in test (V)

表3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中上基板2的測(cè)量誤差Tab.3 Measurement error of upper substrate 2 in test (V)

5 結(jié) 論

本文基于液晶光電特性設(shè)計(jì)了人體靜電測(cè)量裝置，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)各基板灰度值與電壓關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，得到1.0～2.0 V與75～120 V范圍的兩個(gè)關(guān)系式，然后對(duì)兩基板放大倍數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得到放大倍數(shù)為59～68。為了拓展電壓測(cè)量范圍，可通過(guò)疊加上基板和利用放大倍數(shù)關(guān)系的方法。此器件具有高精度、不易受外界環(huán)境影響、適用于高電壓測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件測(cè)量誤差不超過(guò)9%。