基于液晶光電特性的靜電測量

王耀強， 謝 飛， 胡軼瑤， 徐律涵， 陳曉西

(電子科技大學 光電科學與工程學院，四川 成都 610054)

1 引 言

隨著科技的發展，靜電在人們日常生產生活中產生的影響也逐漸增大，因此靜電的應用和防護成為了一個重要的研究方向。一方面，靜電技術已被廣泛運用到各行各業，如電子照相、靜電存儲、靜電照相機等；另一方面，靜電的危害和災難也時有發生，如靜電引起的爆炸、干擾通信等[1]。靜電的監測在航天、石油化工、工業生產、氣象、集成電路等領域也具有重要意義[2]。國內外學者普遍認為：人體靜電是靜電防護工程中主要危害源之一[3]，因此人體靜電的測量是靜電的應用和防護的一個基礎。目前已有的靜電測量設備主要分兩種，一種是接觸式靜電測量設備，如利用靜電傳感器系統測量靜電，優點在于精度較高[4]；一種是非接觸式靜電測量設備，如基于微機電系統(MEMS)的非接觸式靜電測量設備、基于STM32的非接觸式靜電電位測量系統。而目前市面上的非接觸式靜電測量設備多存在受測試距離影響大、成本較高、功耗較大等缺點[5]，因此迫切需要一種簡單方便、靈敏度高、功耗小的靜電測量裝置。目前市面上的靜電檢測儀主要利用給定的高壓電場，對被測試樣定時放電，使試樣感應靜電，從而進行靜電電量大小、靜電壓半衰期、靜電殘留量的檢測，以確定被測試樣的靜電性能。液晶是一種優異的各向異性材料，在電場和溫度的作用下能產生各種電光效應和熱光效應，利用這些效應可以達到顯視測量等目的[6-7]。目前液晶器件主要用于顯示領域，最常見的是向列相液晶顯示器，如計算器、電子表、儀器儀表、手表表盤等顯示器[8]。利用液晶分子對人體靜電的響應可以達到測量人體靜電的目的。人體靜電以電荷的形式分布在人體表面，當人體與未帶電電容器的一端接觸時會形成電勢差，進而使得電荷轉移到電容器與人體接觸的一個基板上，最終形成相對穩定的電荷分布。而由于電容器的另一基板接地，兩基板之間會形成電場，基板中液晶分子在電場的作用下，其分子取向發生變化[9]，從而改變光的透過效果。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量范圍，3層上基板的器件測量范圍達到幾千伏，能夠測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量裝置，然后詳細介紹了裝置的測量原理和方法、標定實驗及測量誤差。

2 器件及系統介紹

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區域，下基板電極為整塊ITO區域。每相鄰兩個ITO電極構成一個電容，整個液晶盒由多個電容、玻璃基板及一個液晶層串聯而成。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層分別為垂面取向層和沿面取向層且摩擦方向相互垂直，此器件液晶層液晶分子扭曲混合排列。相鄰兩塊基板錯開疊加排列，每兩塊基板不重合區域設置一個電極導線端并通過導線接入外加電壓。實驗中制備了一個3層基板的液晶器件結構(如圖1所示)，最外層的兩塊偏振片的吸光軸相互正交。2層上基板結構測到的電壓范圍有限，若要測量更大的電壓范圍，可以通過增加上基板分壓的方法，上基板越多，測量的范圍越大。

圖1 液晶盒結構圖Fig.1 Structure diagram of liquid crystal cell

2.2 器件工作原理

此液晶器件通過液晶分子對電場的響應情況，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，光能夠全部通過液晶器件；加上低壓后，液晶分子指向矢發生偏轉，部分光被阻擋；加上高壓后，液晶分子完全偏轉，全部光被阻擋。器件不同區域具有不同的測量范圍，當液晶層上分壓一致時，高層的上基板電壓更大。所以上基板1測量的是低壓區域，上基板2測量的是高壓區域。不加電時，器件對光的透過率如圖2(a)所示，各區域的光均能全部透過；加低壓時，器件對光的透過率如圖2(b)所示，此時器件低壓區域由于電場的作用液晶分子發生不完全偏轉，器件對光的透過率降低，部分光被阻擋，高壓區域不受影響；加高壓時，器件對光的透過率如圖2(c)所示，此時低壓區域已經飽和，液晶分子完全偏轉，全部光被阻擋，高壓區域液晶分子不完全偏轉，部分光被阻擋。液晶分子偏轉的角度即器件透過率可以直接等效于平行光源透過器件的圖像灰度值，實驗中通過對液晶器件灰度值與所加電壓的標定得到標定關系式，利用標定關系式可以測量人體靜電。液晶器件利用多層基板疊加分壓可以實現對更大范圍電壓的測量，每層基板測量的范圍不同，而器件可以將所有測量同時顯示，因此疊加基板可以實現對更大范圍電壓的測量。器件中的不同基板對于電壓的響應有一個范圍，實驗中制備的液晶器件上基板1測量時的閾值電壓是1.0 V，飽和電壓是2.9 V，上基板2測量時的閾值電壓是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，器件透過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，不隨所加電壓變化。同時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，當采集平行光源透過基板的圖像時，就能夠同時采集器件中所有上基板的ITO區域的灰度值，也就能夠實現高低壓測量范圍在液晶器件的不同位置上同時顯示。為了獲得連續性測量，找出兩基板灰度值一致時的所加電壓，得到上下基板的放大倍數，再利用放大倍數獲得連續性測量。

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

2.3 測量原理及方法

此液晶器件利用液晶的光電特性對靜電進行測量。當人體與測試端接觸時會在兩基板間形成電場，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率。圖像傳感器采集光源透過此液晶器件的圖像，并讀取圖像的灰度值。按照標定實驗中所確定的灰度值與電壓曲線即可判斷此時靜電電位的大小。

由于靜電測量一般都由靜電電位測量替代[3]，所以在測試前，首先需要對圖像的灰度值與所加電壓間的關系進行標定。測試系統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個電壓測量區域，上基板共引出n條導線與人體相連，下基板引出一條導線接地。為了測量更大的電壓范圍，可以繼續疊加上基板。在測量過程中，將此液晶器件下基板一端接地，上基板作為測試端，使人體與測試端接觸。人體靜電驅動液晶器件后，圖像采集裝置采集平行光源透過器件的圖像。采集圖像后，圖像處理系統利用采集的圖像首先判斷出電壓位于哪個區域，然后求出對應ITO區域的平均灰度值，最后利用灰度值及該區域標定關系式求出所加電壓。

圖3 測試系統框圖Fig.3 Block diagram of test system

3 系統的標定

3.1 各基板灰度值與電壓關系標定

對于圖像灰度值與所加電壓間關系的標定，所采用的標定系統由電壓輸出端(函數發生器、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，電壓輸出端用來模擬人體提供已知可變的交流電壓。在標定過程中依次對各上基板進行標定，并由圖像采集處理模塊采集基板不同壓差下對應的圖像，后提取采集圖像的灰度數據，將施加的電壓及對應的圖像灰度值進行繪圖，最后將灰度-電壓曲線進行擬合從而得到一個完整的表達式，通過此表達式可以由圖像灰度值求出給定范圍內的任一電壓值。圖4(a)是上基板1施加0.5～3.5 V電壓時圖像采集系統采集到對應的圖像，圖4(b)是上基板1施加70～220 V電壓時圖像采集系統采集到對應的圖像。

(a)上基板1不同壓差對應圖像(a) Images of upper substrate 1 under different voltage

通過實驗數據可以發現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變化。圖5中藍線代表實際灰度值-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域灰度值不隨電壓改變而改變，于是對線性部分進行擬合，可以得到以下兩個表達式，式(1)為上基板1灰度-電壓關系式，式(2)為上基板2灰度-電壓關系式。

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

(1)

式中：g1代表上基板1圖像的灰度值，ua代表對應所加電壓值。

g2=3.18ub-230.50，

(2)

式中：g2代表上基板2圖像的灰度值，ub代表對應所加電壓值。

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

3.2 放大倍數的標定

對于放大倍數的標定，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成了串聯電路，根據串聯電路分壓知識，有：

(3)

又由：

(4)

其中εr是相對介電常數，S是電容器兩基板上ITO區域的面積大小，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)

對于驗證器件的正確性，利用實驗測出兩基板放大倍數，與理論計算的放大倍數相比較，即上基板1和上基板2同時加電，觀察兩者灰度值一致時的電壓比即放大倍數。圖7為兩基板灰度值一致時采集圖像，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，圖中數字代表對應某一時刻上基板1與上基板2所加電壓，通過表1可得放大倍數為59～68，與理論計算得出的放大倍數相吻合。

圖7 上基板1和上基板2灰度值一致時采集圖像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灰度值一致時的電壓倍數Tab.1 Voltage multiple as the gray values of upper substrate 1 consistent with upper substrate 2

在基板標定實驗中得到1.3～2.0 V和75～120 V之間的灰度值-電壓關系式，為了拓展電壓測量范圍，可根據放大倍數關系求得2.0～75 V之間灰度值-電壓關系，從而求得0～120 V整個范圍內的灰度值-電壓關系。

4 系統實驗及測量誤差

對于驗證器件的可行性，利用液晶盒進行實際操作測試，即讓人體接觸測試端，觀察器件液晶分子響應情況。圖8(a)是人體接觸器件之前圖像采集系統采集到的圖像，ITO區域即圖中紅色虛線部分與其他區域透過率一樣。圖8(b)是人體接觸之后的圖像，可以觀察到ITO區域透過率發生變化。對于計算系統的測量誤差，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。通過圖像處理系統讀取圖像灰度值并通過所標定的灰度值-電壓關系得到所加電壓值，將計算出的電壓值與實際電壓值進行比較，得到測量誤差。

測量誤差代表器件測量的準確性程度，是衡量器件好壞的一個重要指標。測量誤差為計算電壓值相較于實際電壓值的偏差率，即：

(6)

其中U1為計算電壓值，U為實際電壓值。

圖8 人體測量效果圖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各組數據的測量誤差如表2和表3所示，從中可以得出上基板1與上基板2的最大測量誤差均不超過9%，因此器件的測量誤差不超過9%。且可以觀察到計算電壓均在一定程度上小于實際電壓，這是標定實驗中沒有考慮到電極分壓造成的。

表2 系統實驗中上基板1的測量誤差Tab.2 Measurement error of upper substrate 1 in test (V)

表3 系統實驗中上基板2的測量誤差Tab.3 Measurement error of upper substrate 2 in test (V)

5 結 論

本文基于液晶光電特性設計了人體靜電測量裝置，標定實驗中首先對各基板灰度值與電壓關系進行標定，得到1.0～2.0 V與75～120 V范圍的兩個關系式，然后對兩基板放大倍數進行標定，得到放大倍數為59～68。為了拓展電壓測量范圍，可通過疊加上基板和利用放大倍數關系的方法。此器件具有高精度、不易受外界環境影響、適用于高電壓測量等優點，實驗結果表明，器件測量誤差不超過9%。