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 電成像、光電傳感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。
微透鏡陣列是一種二維集成器件，可實現(xiàn)光學元件的集成化，促進微光器件、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。
變焦微透鏡可以改變微光學系統(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)用于光學開關(guān)和光互連、三維光存儲、靜態(tài)數(shù)碼相機和醫(yī)學內(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大學的Hans Z印pe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，電控 式陣列器件很少見報道。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 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的制作方法，具有重要的技術(shù)價值， 將會在光學成像、光電傳感和光信息處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
Phi 1 ips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。Vari叩tic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)上進行微透鏡陣列的集成。

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制作方法, 解決微流控電控調(diào)諧變焦透鏡陣列的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)電片狀結(jié)構(gòu)；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；由兩種互不相溶的液體構(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。導(dǎo)電內(nèi)芯作為一個電極，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。
本發(fā)明的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法是采用管狀物體堆積并加熱拉制來 構(gòu)成上蓋片+內(nèi)芯+下蓋片三明治透鏡陣列夾心結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯的集成制作，其主要步驟包括
1) 內(nèi)芯管狀物體的堆積按外徑3: 1 2.5: 1選取大小兩種薄壁管狀物體一石英玻璃 毛細管堆積成三角形排列或四邊形排列狀，其中大管用作透鏡腔，小管(9)起支撐作用和填充 導(dǎo)電材料來充當電極，其中大管的內(nèi)外徑比例選取為10: 1 5:1;
2) 陣列內(nèi)芯的拉制將管狀堆積物固定，送入高溫塔爐中加熱緩慢拉制使大管和小管等 比例縮小至所需微尺寸，冷卻后橫向切割成毫米厚度的片狀并打磨；
3) 電極制作利用毛細現(xiàn)象往大管之間的間隙和小管內(nèi)填充導(dǎo)電材料并用導(dǎo)電膠密封作 為一個電極，導(dǎo)電膠外設(shè)一絕緣涂層；大管微米量級尺寸的管壁作為電介質(zhì)層即內(nèi)芯的絕緣 層，管壁內(nèi)側(cè)涂上一層疏水層，另一個電極設(shè)在下蓋片的透明導(dǎo)電層上，可以實現(xiàn)對陣列的微 透鏡進行尋址電控制；
4) 透鏡介質(zhì)封裝將內(nèi)芯的下表面與下蓋片膠合，將液體透鏡材料即絕緣油(5)和導(dǎo)電 水溶液充分混合均勻灌入大管內(nèi)，取上蓋片與內(nèi)芯膠合，靜置48小時以上待油水充分分層。
內(nèi)芯的絕緣層由絕緣材料薄壁毛細管直接拉至微米量級而成；作為內(nèi)芯導(dǎo)電層的管間空 隙和小管腔內(nèi)的填充導(dǎo)電材料可以是導(dǎo)電水溶液或良好的導(dǎo)電且易填充材料。
所述的透鏡腔尺寸大到毫米量級的情況下，直接由毛細管狀物堆積粘合而成，內(nèi)芯的導(dǎo) 電層由內(nèi)外表面通過真空蒸鍍或濺射方法生成；大小管狀物采用金屬材料，其中小管是實心 微棒或者省去小管。
對陣列的微透鏡進行尋址電控制時，其控制電路可以刻蝕導(dǎo)電玻璃的ITO導(dǎo)電層形成。 有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點-
本發(fā)明將微流控技術(shù)與現(xiàn)代光學技術(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。本設(shè)計制作方法具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、利于微型化、適于集 成的優(yōu)點。
創(chuàng)新之處在于
1 )新穎微流控透鏡陣列的拉制方法可以使微流控陣列的透鏡單元做到微米量級尺寸； 2)新穎的微流控透鏡絕緣層制作方法，簡化了制作過程，避免了復(fù)雜的絕緣層的涂敷制作；
3) 新穎的內(nèi)芯電極制作方法，直接由毛細作用將導(dǎo)電材料填充到透鏡腔間間隙，制作方 法極為便利；
4) 獨特的透鏡介質(zhì)材料灌裝技術(shù)，保證了每個透鏡的導(dǎo)電/絕緣材料的均勻性。


圖1是微流控透鏡陣列芯片結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。圖1 (a)為未加電時示意圖，圖1 (b)為加電時示意圖。圖中有上蓋片l、下蓋片2、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。
圖2是微透鏡內(nèi)芯單元結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。圖中有大毛細管9、小毛細管IO。每一個大 毛細管周圍分布有六個小毛細管。
圖3是微透鏡內(nèi)芯單元結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。圖中有大毛細管9、小毛細管IO。每一個大 毛細管周圍分布有十二個小毛細管。
圖4是一種圓形陣列芯片結(jié)構(gòu)橫截面圖。圖中有大毛細管9、小毛細管IO，以及大小毛 細管之間的空隙11?；締卧纱竺毠?六個小毛細管組成。
圖5是一種方形陣列芯片結(jié)構(gòu)橫截面圖。圖中有大毛細管9、小毛細管IO，以及大小毛 細管之間的空隙11?；締卧纱竺毠?六個小毛細管組成。
圖6是另一種方形陣列芯片結(jié)構(gòu)橫截面圖。圖中有大毛細管9、小毛細管IO、大小毛細 管之間的空隙ll，以及其他填充物12?；締卧纱竺毠?十二個小毛細管組成。
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制作新方法，其基本特征在于采用管狀 物體堆積并加熱拉制來構(gòu)成"上蓋片+內(nèi)芯+下蓋片"的三明治透鏡陣列夾心結(jié)構(gòu)內(nèi)芯的集成 制作。
1) 內(nèi)芯管狀物體的堆積按外徑3: 1 2.5: 1選取大小兩種薄壁管狀物體一石英玻璃 毛細管堆積成三角形排列或四邊形排列狀，其中大管10用作透鏡腔，小管9起支撐作用和填 充導(dǎo)電材料來充當電極，其中大管的內(nèi)外徑比例選取為10: 1 5:1;
2) 陣列內(nèi)芯的拉制將管狀堆積物固定，送入高溫塔爐中加熱緩慢拉制使大管10和小 管9等比例縮小至所需微尺寸，冷卻后橫向切割成毫米厚度的片狀并打磨；
3) 電極制作利用毛細現(xiàn)象往大管之間的間隙11和小管9內(nèi)填充導(dǎo)電材料并用導(dǎo)電膠 密封作為一個電極，導(dǎo)電膠外設(shè)一絕緣涂層；大管微米量級尺寸的管壁作為電介質(zhì)層即內(nèi)芯3 的絕緣層8，管壁內(nèi)側(cè)涂上一層疏水層7，另一個電極設(shè)在下蓋片2的透明導(dǎo)電層6上,可以 實現(xiàn)對陣列的微透鏡進行尋址電控制；
4) 透鏡介質(zhì)封裝將內(nèi)芯的下表面與下蓋片2膠合，將液體透鏡材料即絕緣油5和導(dǎo)電 水溶液4充分混合均勻灌入大管10內(nèi)，取上蓋片l與內(nèi)芯膠合，靜置48小時以上待油水充 分分層。
具體實施例l:透鏡單元采用圖2所示的大毛細管+六個小毛細管結(jié)構(gòu)。芯片陣列采用圖 4所示的圓形排列。按一定比例選取大小兩種石英玻璃毛細管堆積成圖4排列狀，其中大管用 作透鏡腔，小管起支撐作用和填充導(dǎo)電材料來充當電極。大管內(nèi)外直徑尺寸可以取0.9和l.Omm，小管內(nèi)外直徑尺寸分別為大管的三分之一。將管狀堆積物固定，在邊沿的大空隙處 用小毛細管填充。送入高溫塔爐中加熱緩慢拉制使大管內(nèi)外壁等比例縮小至所需微尺寸，例 如大孔外徑尺寸在100微米。冷卻后橫向切割成一定厚度例如lmm的片狀并打磨備用。利用 毛細現(xiàn)象往大管之間的間隙和小管內(nèi)填充導(dǎo)電材料比如導(dǎo)電水溶液或石墨粉并用導(dǎo)電膠密封 封住端面作為一個電極，導(dǎo)電膠外涂一絕緣涂層。此時大管的管壁厚度已達微米量級，可以 作為電介質(zhì)層(即透鏡腔內(nèi)絕緣層)，管壁內(nèi)側(cè)涂上一層疏水層。蓋片采用商用的ITO玻璃。 另一個電極設(shè)在蓋片的透明導(dǎo)電層ITO上。將內(nèi)芯的一面與下蓋片膠合，液體透鏡介質(zhì)即絕 緣油和導(dǎo)電水溶液選用溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，導(dǎo)電流體采用配置為密度 與之相等的食鹽水溶液，以去除重力的影響。將兩種液體充分混合均勻灌入大孔內(nèi)，取上蓋 片與內(nèi)芯膠合，靜置48小時以上待油水充分分離分層。其控制電路通過刻蝕導(dǎo)電玻璃的ITO 導(dǎo)電層形成。
具體實施例2:透鏡單元采用圖3所示的大毛細管+十二個小毛細管結(jié)構(gòu)。芯片陣列采用 圖6所示的方形排列或其他任意形狀。在大管的周圍排列十二個小管并加以其他支撐材料使 得大管在高溫拉制時受力更均勻，更不容易變形和塌陷，透鏡單元的尺寸可以做得更小。
具體實施例3:透鏡單元采用圖2所示的大毛細管+六個小毛細管結(jié)構(gòu)。芯片陣列采用圖 5所示的方形排列。對于較大尺寸的透鏡單元，小毛細管可以采用金屬材料或者實心玻璃材料。
具體實施例4:在尺寸較大的情況下，例如大毛細石英玻璃管的內(nèi)外直徑分別取0.7和 0.8mm。將大小石英毛細管堆積成以上任意結(jié)構(gòu)，不需拉制而直接由導(dǎo)電膠粘合而成芯片，芯 片的全部表面用真空鍍膜法生成3微米厚的派瑞林作為絕緣層，疏水層采用聚四氟乙烯聚合 物材料(英文縮寫為PTFE，商標名特富龍⑧，Teflon@AF)涂層來實現(xiàn)。
具體實施例5:在尺寸較大的情況下，大小管狀物均可以采用金屬材料，其中小管可以 是實心微棒，甚至可以省去小管而直接由大管堆積粘合而成。
權(quán)利要求
1、一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法，其特征在于采用管狀物體堆積并加熱拉制來構(gòu)成上蓋片+內(nèi)芯+下蓋片三明治透鏡陣列夾心結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯的集成制作，其主要步驟包括1)內(nèi)芯管狀物體的堆積按外徑3∶1～2.5∶1選取大小兩種薄壁管狀物體—石英玻璃毛細管堆積成三角形排列或四邊形排列狀，其中大管(10)用作透鏡腔，小管(9)起支撐作用和填充導(dǎo)電材料來充當電極，其中大管的內(nèi)外徑比例選取為10∶1～5∶1；2)陣列內(nèi)芯的拉制將管狀堆積物固定，送入高溫塔爐中加熱緩慢拉制使大管(10)和小管(9)等比例縮小至所需微尺寸，冷卻后橫向切割成毫米厚度的片狀并打磨；3)電極制作利用毛細現(xiàn)象往大管之間的間隙(11)和小管(9)內(nèi)填充導(dǎo)電材料并用導(dǎo)電膠密封作為一個電極，導(dǎo)電膠外設(shè)一絕緣涂層；大管微米量級尺寸的管壁作為電介質(zhì)層即內(nèi)芯(3)的絕緣層(8)，管壁內(nèi)側(cè)涂上一層疏水層(7)，另一個電極設(shè)在下蓋片(2)的透明導(dǎo)電層(6)上，可以實現(xiàn)對陣列的微透鏡進行尋址電控制；4)透鏡介質(zhì)封裝將內(nèi)芯的下表面與下蓋片(2)膠合，將液體透鏡材料即絕緣油(5)和導(dǎo)電水溶液(4)充分混合均勻灌入大管(10)內(nèi)，取上蓋片(1)與內(nèi)芯膠合，靜置48小時以上待油水充分分層。
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的制作方法，其特征在于內(nèi)芯 (3)的絕緣層由絕緣材料薄壁毛細管直接拉至微米量級而成；作為內(nèi)芯(3)導(dǎo)電層的管間空隙 和小管腔內(nèi)的填充導(dǎo)電材料可以是導(dǎo)電水溶液或良好的導(dǎo)電且易填充材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法，其特征在于所述 的透鏡腔尺寸大到毫米量級時，直接由毛細管狀物堆積粘合而成，內(nèi)芯的導(dǎo)電層由內(nèi)外表面 通過真空蒸鍍或濺射方法生成；大小管狀物采用金屬材料，其中小管是實心微棒或者省去小 管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法，其特征在于對陣 列的微透鏡進行尋址電控制時，其控制電路可以刻蝕導(dǎo)電玻璃的ITO導(dǎo)電層形成。
全文摘要
一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法涉及一種新穎的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的微型化和集成化制作方法，采用管狀物體堆積并加熱拉制來構(gòu)成“上蓋片(1)+內(nèi)芯(3)+下蓋片(2)”三明治透鏡陣列夾心結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯的集成制作。其主要步驟包括1)內(nèi)芯管狀物體的堆積；2)陣列內(nèi)芯的拉制；3)電極制作；4)透鏡介質(zhì)封裝。本發(fā)明將微流控技術(shù)與現(xiàn)代光學技術(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。本設(shè)計制作方法具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、利于微型化、適于集成的優(yōu)點。
文檔編號G02B3/00GK101487906SQ200910024459
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者信恒杰, 菁 李, 鵬 楊, 梁忠誠, 嵐 畢, 瑞 趙, 陶 陳 申請人:南京郵電大學