專利名稱：電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種新穎的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片結(jié)構(gòu)及其工作原理，屬于光成像和光信息處理器件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控光學(xué)是一項具有重要意義的新技術(shù)，它將現(xiàn)代微流控技術(shù)和微光電子技術(shù)相結(jié)合，研制一類能夠根據(jù)外界環(huán)境變化、具有結(jié)構(gòu)重組和自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的光學(xué)集成器件和系統(tǒng)，將在傳感、通信、信息處理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[1]。
微透鏡陣列是一種二維集成器件，可實現(xiàn)光學(xué)元件的集成化，促進(jìn)微光器件、波導(dǎo)器件、光集成器件的發(fā)展，這種器件在光通信、光成像、光存儲、光顯示、光處理和其它許多領(lǐng)域中有很廣泛的應(yīng)用，如利用微透鏡陣列制作的光互連器件、圖像多重變換和識別、光無源器件陣列等，一直受到了研究者和企業(yè)界的關(guān)注。目前已經(jīng)實用化的微透鏡陣列都是固定焦距的器件，由于固定焦距的透鏡缺乏調(diào)節(jié)性，影響了器件的性能并限制了它的應(yīng)用范圍，所以研制焦距可變的微透鏡陣列具有重要的技術(shù)價值和應(yīng)用前景，引起了人們的很大興趣[2-5]。
變焦微透鏡可以改變微光學(xué)系統(tǒng)的光通量和視場性能，具有良好的操控性和適應(yīng)性，可應(yīng)用于光學(xué)開關(guān)和光互連、三維光存儲、靜態(tài)數(shù)碼相機和醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡等系統(tǒng)。但現(xiàn)有的研究和應(yīng)用集中于單透鏡變焦技術(shù)，比較典型的如荷蘭Philips公司發(fā)布的FluidFocus和法國Varioptic公司發(fā)布的小型液體變焦透鏡[6-7]，這些透鏡的變焦是利用電控方法通過改變液體的界面曲率進(jìn)而調(diào)節(jié)焦距。這種技術(shù)采用了流動的液體作為變焦的透鏡組件，相對目前的機械變焦方式將有很多的優(yōu)勢之處。但這些利用電控方法的小型變焦液體透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用傳統(tǒng)的技術(shù)制造微透鏡陣列，因此目前研究者的注意力集中于液壓控制變焦的微流控透鏡陣列的研制，例如德國Freiburg大學(xué)的Hans Zappe研究組基于半導(dǎo)體微加工技術(shù)研制的透鏡陣列，美國加州大學(xué)Berkeley分校Nikolas Chronis等人基于軟光刻(soft lithography)技術(shù)制作的微流控透鏡陣列[2]，等。
如上所述，目前國外對可調(diào)諧微透鏡陣列的研究較多，但僅限于壓控式陣列器件[2-5]，電控式陣列器件未見報道。國內(nèi)可變焦微透鏡陣列未見報道。本專利將微流控技術(shù)與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種電控微流控變焦透鏡陣列芯片，具有重要的技術(shù)價值，將會在光學(xué)成像和光信息處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
Philips公司發(fā)布的單個液體變焦透鏡的基本工作原理如下透鏡材料由折射率不同的兩種不混溶液體組成，一種是導(dǎo)電性水溶液(高折射率)，另一種是不導(dǎo)電性油(低折射率)，將兩種液體加入上下兩面透明的短圓筒中。由于圓筒側(cè)壁進(jìn)行了疏水性處理，因此兩種液體界面能夠形成穩(wěn)定的曲面，起到透鏡的作用。當(dāng)施加與疏水性處理面直交的電場時，導(dǎo)電水溶液與側(cè)壁之間的界面張力因電濕效應(yīng)(Electrowetting)的作用而降低，從而改變兩種液體界面的形狀，最終導(dǎo)致透鏡焦距的變化。Varioptic公司的液體透鏡結(jié)構(gòu)與此類似。其上述結(jié)構(gòu)的液體變焦透鏡結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微透鏡陣列的集成。
參考文獻(xiàn)[1]Demetri Psaltis，Stephen R.Quake2 & Changhuei Yang，Developingoptofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics，Nature，Vol.442，No.27，(2006)381-386[2]T.Krupenkin，S.Yang，and P.Mach，Tunable liquid microlens，Appl.Phys.Lett.Vol.82，(2003)316-318. Armin Werber and Hans Zappe，Tunable microfluidic microlenses，Applied Optics，Vol.44，No.16，(2005)3238-3245. Nikolas Chronis，Gang L.Liu，Ki-Hun Jeong，and Luke P.Lee，Tunableliquid-filled microlens array integrated with microfluidic network，Optics Express，Vol.11，No.19，(2003)2370-2378. Ki-Hun Jeong，Gang L.Liu，Nikolas Chronis and Luke P.Lee，Tunablemicrodoublet lens array，Optics Express，Vol.12，No.11，(2004)2494-2500. S.Kuiper and，B.H.W Hendriks，Variable focus liquid lens for miniaturecameras，Appl.Phys.Lett.，Vol.85，No.7，(2004)1128-1130. http://www.varioptic.com/en/technology.php發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種新穎的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片結(jié)構(gòu)，解決微流控變焦透鏡陣列的電控調(diào)諧以及集成化制造方法問題。
技術(shù)方案本發(fā)明的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的內(nèi)芯位于上蓋片和下蓋片之間，形成具有雙層微流道網(wǎng)絡(luò)的三明治夾心結(jié)構(gòu)；內(nèi)芯是具有圓柱狀通孔陣列的導(dǎo)電平板，每個圓柱狀通孔分別在上下兩面通過流道網(wǎng)絡(luò)互相連接；上蓋片和下蓋片與圓柱狀通孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲液體透鏡材料；上、下層流道網(wǎng)絡(luò)分別用于連通兩種互不相溶的液體，這兩種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)，具有不同的折射率，分別為導(dǎo)電體和絕緣體；兩種液體之間的彎曲界面起著透鏡作用，通過電濕效應(yīng)改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距。采用導(dǎo)電材料制作并作為一個電極，另一電極則是鍍在下蓋片上的透明導(dǎo)電層。內(nèi)芯全部表面涂覆有絕緣層和疏水層。所述的圓柱狀通孔陣列組成微透鏡陣列區(qū)域，儲液池通過上、下流道網(wǎng)絡(luò)分別與透鏡陣列區(qū)域相連通。
為了利用電濕效應(yīng)實現(xiàn)微透鏡焦距的調(diào)節(jié)，我們采用導(dǎo)電材料制作內(nèi)芯，同時作為一個電極，另一電極則是鍍在下基片上的ITO導(dǎo)電層。兩種不混溶的液體分別為高折射率導(dǎo)電水溶液和低折射率的不導(dǎo)電油。在內(nèi)芯表面涂覆絕緣層，避免內(nèi)芯與下基片電極和導(dǎo)電水溶液接觸。對鏡腔內(nèi)進(jìn)行疏水處理，使兩種液體邊界自然形成彎曲面。當(dāng)內(nèi)芯與ITO導(dǎo)電層之間加上電壓后，導(dǎo)電水溶液與側(cè)壁之間的界面張力因電濕效應(yīng)的作用而降低，從而改變兩種液體界面的形狀，實現(xiàn)透鏡焦距的調(diào)諧。
有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點本專利將微流控技術(shù)與現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片，具有重要的技術(shù)價值。本發(fā)明設(shè)計的微流控器件具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制作、適于集成的優(yōu)點。
創(chuàng)新之處在于1)實現(xiàn)微流控透鏡陣列的電控調(diào)節(jié)；2)新穎的微流控透鏡陣列芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括特殊的電極結(jié)構(gòu)和雙流道網(wǎng)絡(luò)。這種電調(diào)諧微流控透鏡陣列集成芯片將會在微光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。


圖1是微流控透鏡陣列芯片結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。(a)為未加電時示意圖，(b)為加電時示意圖。圖中有上蓋片1、下蓋片2、導(dǎo)電內(nèi)芯3、導(dǎo)電流體4、絕緣流體5、透明導(dǎo)電層6、疏水層7、絕緣層8、上下流道網(wǎng)絡(luò)9。
圖2是微透鏡內(nèi)芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有上下流道網(wǎng)絡(luò)9、微透鏡腔10、儲液池11。
圖3是微透鏡陣列芯片布局示意圖。圖中有用于儲存兩種不同流體的儲液池11、微透鏡陣列區(qū)域12。
具體實施例方式
本發(fā)明提出一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片，其結(jié)構(gòu)采用“上蓋片+內(nèi)芯+下蓋片”的三明治夾心結(jié)構(gòu)。內(nèi)芯3是具有圓柱狀通孔陣列的導(dǎo)電平板，每個圓柱狀通孔分別在上下兩面通過流道網(wǎng)絡(luò)9互相連接；上蓋片1和下蓋片2與圓柱狀通孔之間的空隙形成透鏡腔10，用于存儲液體透鏡材料；上、下層流道網(wǎng)絡(luò)9分別用于連通兩種互不相溶的液體，這兩種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)，具有不同的折射率，分別為導(dǎo)電體4和絕緣體5；兩種液體之間的彎曲界面起著透鏡作用，通過電濕效應(yīng)改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距。
本發(fā)明的微流控透鏡陣列芯片總體布局如圖3所示，微透鏡區(qū)域可以根據(jù)需要做成不同的排列形式，上、下流層網(wǎng)絡(luò)分別與兩個儲液池相連，儲液池通過基片開孔與外部相連，同時作為灌注液體的出入口。電極可由內(nèi)芯和ITO導(dǎo)電層從邊緣方便地引出。
微流控透鏡陣列芯片基本結(jié)構(gòu)為“上蓋片+內(nèi)芯+下蓋片”的三明治夾心式，如圖1所示。芯片下基片鍍有透明導(dǎo)電層，上基片涂有疏水層。內(nèi)芯如圖2是具有圓柱狀通孔陣列的平板，平板兩面分別預(yù)制凹形的流槽網(wǎng)絡(luò)和儲液池槽，與基片組合后形成內(nèi)部互相連通的鏡腔陣列和上下流道網(wǎng)絡(luò)陣列芯片。雙層流道是本芯片結(jié)構(gòu)的特點之一，這種設(shè)計有利于液體灌入和封裝。
本發(fā)明具體實施例1中導(dǎo)電內(nèi)芯采用金屬鋁平板通過激光打孔技術(shù)制作而成，這是由于金屬鋁易于加工，且可以作為一個電極；另一電極采用真空鍍膜方法制備的ITO導(dǎo)電層。透明基片采用高性能的薄玻璃片(如VWR Scientific公司生產(chǎn)的一種生化實驗專用的蓋玻片。型號WEST Chester，PA19380)，該玻片韌性很好，透光率高；絕緣層采用生長法在內(nèi)芯上生成一層500nm的SiO2，疏水處理可通過浸蘸疏水劑FOTs來實現(xiàn)。導(dǎo)電流體采用氯化鋰(LiCl)水溶液，絕緣流體采用苯甲基硅氧烷(phenylmethylsiloxanes)。
作為本發(fā)明的具體實施例2，微流控變焦透鏡陣列芯片同樣采用“上蓋片+內(nèi)芯+下蓋片”的三明治夾心結(jié)構(gòu)。內(nèi)芯是具有圓柱狀通孔陣列的導(dǎo)電平板，每個圓孔分別在上下兩面通過流道網(wǎng)絡(luò)互相連接。蓋片與圓孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲折射率不同的兩種不混溶液體。其導(dǎo)電內(nèi)芯采用導(dǎo)電硅橡膠，這是由于導(dǎo)電硅橡膠易于成型，能通過加熱方法與透明基片很好地粘合，形成一體，且可以作為一個電極；另一電極采用ITO導(dǎo)電層。透明基片仍然采用高性能的蓋玻片。絕緣層和疏水層可合并為一層采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文縮寫為PTFE，商標(biāo)名特富龍，Teflon@AF)涂層來實現(xiàn)，這是因為特富龍既是一種絕緣體又具有很好的疏水性。導(dǎo)電流體采用表面張力較大的食鹽水溶液，絕緣流體采用表面張力相對大的蓖麻油。
權(quán)利要求
1.一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片，其特征在于該芯片的內(nèi)芯(3)位于上蓋片(1)和下蓋片(2)之間，形成具有雙層微流道網(wǎng)絡(luò)(9)的三明治夾心結(jié)構(gòu)；內(nèi)芯(3)是具有圓柱狀通孔陣列的導(dǎo)電平板，每個圓柱狀通孔分別在上下兩面通過流道網(wǎng)絡(luò)(9)互相連接；上蓋片(1)和下蓋片(2)與圓柱狀通孔之間的空隙形成透鏡腔(10)，用于存儲液體透鏡材料；上、下層流道網(wǎng)絡(luò)(9)分別用于連通兩種互不相溶的液體，這兩種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)，具有不同的折射率，分別為導(dǎo)電體(4)和絕緣體(5)；兩種液體之間的彎曲界面起著透鏡作用，通過電濕效應(yīng)改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片，其特征在于內(nèi)芯(3)采用導(dǎo)電材料制作并作為一個電極，另一電極則是鍍在下蓋片(2)上的透明導(dǎo)電層(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片，其特征在于內(nèi)芯(3)全部表面涂覆有絕緣層(7)和疏水層(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片，其特征在于所述的圓柱狀通孔陣列組成微透鏡陣列區(qū)域(12)，儲液池(11)通過上、下流道網(wǎng)絡(luò)(9)分別與透鏡陣列區(qū)域(12)相連通。
全文摘要
電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片涉及一種新穎的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片結(jié)構(gòu)及其工作原理，該芯片的內(nèi)芯(3)位于上蓋片(1)和下蓋片(2)之間，形成具有雙層微流道網(wǎng)絡(luò)(9)的三明治夾心結(jié)構(gòu)；內(nèi)芯(3)是具有圓柱狀通孔陣列的導(dǎo)電平板，每個圓柱狀通孔分別在上下兩面通過流道網(wǎng)絡(luò)(9)互相連接；上蓋片(1)和下蓋片(2)與圓柱狀通孔之間的空隙形成透鏡腔(10)，用于存儲液體透鏡材料；上、下層流道網(wǎng)絡(luò)(9)分別用于連通兩種互不相溶的液體，這兩種液體構(gòu)成透鏡介質(zhì)，具有不同的折射率，分別為導(dǎo)電體(4)和絕緣體(5)；兩種液體之間的彎曲界面起著透鏡作用，通過電濕效應(yīng)改變彎曲界面的形狀以調(diào)節(jié)透鏡的焦距。
文檔編號G02B3/14GK1975470SQ20061016127
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者梁忠誠, 陳陶, 徐寧, 涂興華 申請人:南京郵電大學(xué)