專利名稱：流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)、集成光學(xué)領(lǐng)域的 流體光波導(dǎo)領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù)流體光波導(dǎo)能夠?yàn)樯餀z測提供賴于生存的液體環(huán)境，同時(shí)提供光信息傳輸?shù)奈?理通道，近年來得到了廣泛的研究。目前研究中的流體光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)包括三種(1)導(dǎo)波層 材料為流體，覆蓋層材料為固體；(2)導(dǎo)波層材料為流體，覆蓋層材料為流體；(3)導(dǎo)波層材 料為流體，覆蓋層材料為氣體。由流體導(dǎo)波層和固體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)。中國專利(CN200710044173. 3) 中提出了一種由流體導(dǎo)波層和固體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，選擇折射率大于固體覆 蓋層折射率的流體，使得光在流體導(dǎo)波層發(fā)生全內(nèi)反射傳播；類似結(jié)構(gòu)還可以參見Datta 等人2003年在IEEE SENSORS JOURNAL上第3卷第788-795頁發(fā)表的文章?；蛘吖腆w覆蓋 層利用干涉原理進(jìn)行光傳輸，Yin等人在2004年APL 85第3477-3479頁上發(fā)表的文章中提 出了一種由流體導(dǎo)波層和固體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，固體覆蓋層折射率大于流體 折射率，多層覆蓋層內(nèi)的相干干涉使得光在覆蓋層發(fā)生干涉?zhèn)鞑?。還可以參見Yin等人在 2005年OPTICSEXPRESS上第13期第23號上發(fā)表的文章。固體覆蓋層組成的流體光波導(dǎo)必 須選擇合適的材料，或者復(fù)雜的制造工藝，使得滿足固體覆蓋層折射率小于流體的條件。由流體導(dǎo)波層和氣體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)。Yang Seung Man等人在歐洲專利 (KR20090100956)中提出一種由流體導(dǎo)波層和氣體覆蓋層構(gòu)成的光波導(dǎo)。由流體導(dǎo)波層和流體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)，同樣采用折射率大于覆蓋層流體 折射率的導(dǎo)波層流體，滿足光在流體導(dǎo)波層發(fā)生全反射傳播。Wolfe等人獲得的美國專利 (US2009/0097808A1)提出了在兩種流體處于層流狀態(tài)時(shí)具有小的擴(kuò)散系數(shù)，由折射率數(shù)值 不同的流體分別形成導(dǎo)波層和覆蓋層的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。中國專利(200680005292)提出 了一種由兩種導(dǎo)電性不同的不相溶流體組成的流體光波導(dǎo)，折射率大的流體作為導(dǎo)波層， 該結(jié)構(gòu)能夠通過電潤濕效應(yīng)改變液體的分界面以改變光的傳輸特性。Tang等人在2006年 APL 88，061112上發(fā)表的文章中描述了一種由不同溫度的相同流體組成的流體光波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)。類似結(jié)構(gòu)還可以參見Li等人在2008年APL 93，193901上發(fā)表的文章。由流體覆蓋層 組成的流體光波導(dǎo)，由于流體之間分子的擴(kuò)散作用，以及溫度場的不穩(wěn)定性，而影響光在流 體光波導(dǎo)中的穩(wěn)定傳播。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有由固體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)對固體覆蓋層和流體 導(dǎo)波層材料有限制，以及由流體覆蓋層構(gòu)成的流體光波導(dǎo)因流體之間分子的擴(kuò)散作用引起 的光傳播不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，提出一種結(jié)構(gòu)簡單，能夠在流體微管道中實(shí)現(xiàn)光穩(wěn)定傳播的流體 光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用方法。
參閱附

圖1和附圖2，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，依次包括基底 II、結(jié)構(gòu)層2和基底113，結(jié)構(gòu)層2上有與基底Il和基底113平行的微管道，微管道里充滿 流體，其兩端分別與輸入口 5和輸出口 7連通，一對金屬電極4分別處在基底11和基底113 上相應(yīng)的位置上以直接加熱微管道中的流體；金屬電極4也可以處在結(jié)構(gòu)層2的兩個(gè)內(nèi)壁 上，或者金屬電極4包覆整個(gè)微管道；基底Il上在與結(jié)構(gòu)層2上輸入口 5和輸出口 7相應(yīng) 的位置上布有開孔，用于流體的輸入和輸出。為了保證金屬電極4和流體絕緣，在金屬電極4表面覆蓋聚合物薄膜8，參閱附圖 7-9。本發(fā)明的有益效果是基于流體折射率隨流體溫度的變化而變化的原理形成流體 光波導(dǎo)。通過對金屬電極4施加恒定電流導(dǎo)致金屬電極4溫度升高，由于熱量傳遞，微管道 中與金屬電極4接觸的流體區(qū)域溫度升高，使得該區(qū)域流體 的折射率降低，在微管道中的 流體形成具有不同折射率的區(qū)域，與金屬電極4接觸的區(qū)域構(gòu)成流體覆蓋層11，夾在流體 覆蓋層之間的流體區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo)波層12 ；由于流體導(dǎo)波層12與流體覆蓋層11之間存在 折射率梯度，使得光在流體導(dǎo)波層12中穩(wěn)定傳播。本發(fā)明提出的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用流體微管道邊緣的電極加熱方法，使得接觸 電極區(qū)域流體的折射率發(fā)生變化，形成流體覆蓋層。在微管道中使用任意同種流體制備流 體光波導(dǎo)，使得流體光波導(dǎo)的材料選擇性更靈活；通過簡單的電路控制，實(shí)現(xiàn)光在流體光波 導(dǎo)中的穩(wěn)定傳播，為生物細(xì)胞及生物大分子的光學(xué)檢測提供了簡便工具。附圖概述圖1為一種流體光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中流體光波導(dǎo)6的橫截面示意圖；圖3為圖2中B-B截面的剖視圖；圖4為對金屬電極4施加恒定電流時(shí)流體9的折射率變化與流體9和金屬電極4 之間距離的關(guān)系曲線圖；圖5A-C為實(shí)施例1中流體導(dǎo)波層12和流體覆蓋層11之間相對位置關(guān)系的示意 圖；圖6為光束10在流體光波導(dǎo)6中傳播的示意圖；圖7為實(shí)施例2中流體光波導(dǎo)6的橫截而示意圖；圖8為圖7中C-C截面的剖視圖；圖9為實(shí)施例3中流體光波導(dǎo)6的橫截面示意圖；圖中1_基底I，2-結(jié)構(gòu)層，3-基底II，4-金屬電極，5-輸入口，6-流體光波導(dǎo)， 7_輸出口，8-聚合物薄膜，9-流體，10-光束，11-流體覆蓋層，12-流體導(dǎo)波層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 參閱附圖1和附圖2，本發(fā)明提出的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)依次包括基底II、結(jié)構(gòu)層2和 基底113，所述基底Il和基底113材料均為PI，結(jié)構(gòu)層2材料為PDMS ；結(jié)構(gòu)層2上有與基 底Il和基底113平行的微管道，微管道里充滿去離子水，其兩端分別與輸入口 5和輸出口 7連通，一對鎳金屬電極4分別處在基底Il和基底113上相應(yīng)的位置上以直接加熱微管道中的流體。本實(shí)施例采用電極加熱的方法形成流體光波導(dǎo)。對鎳金屬電極4施加恒定電流， 導(dǎo)致鎳金屬電極4溫度升高，由于熱量傳遞，微管道中與鎳金屬電極4接觸的去離子水區(qū)域 溫度升高，使得該區(qū)域去離子水的折射率降低，在微管道中的去離子水形成具有不同折射 率的區(qū)域，參閱附圖4，與鎳金屬電極4接觸的區(qū)域構(gòu)成流體覆蓋層11，夾在流體覆蓋層11 之間的去離子水區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo)波層12，參閱附圖5。由于流體導(dǎo)波層12與流體覆蓋層11 之間存在折射率梯度，使得光束10在流體導(dǎo)波層12中按照附圖6的方式傳播。參閱附圖4和附圖5，當(dāng)對基底II和基底113上的鎳金屬電極4施加相同的恒定 電流時(shí)，基底II和基底113上的鎳金屬電極4溫度同步升高，熱量的傳遞速率相同，因此形 成高度h相同的流體覆蓋層11，流體導(dǎo)波層12處于微管道中間位置；如果施加在基底II和 基底113上的鎳金屬電極4的恒定電流不相同，引起兩鎳金屬電極4溫度升高的速率不同， 導(dǎo)致熱量的傳遞速率不相同，因此形成高度h不相同的流體覆蓋層11，流體導(dǎo)波層12偏離 微管道中間位置。當(dāng)施加在基底II上的鎳金屬電極4的恒定電流大于施加在基底113上 的鎳金屬電極4的恒定電流時(shí)，流體導(dǎo)波層12向下偏離，如附圖5B所示；當(dāng)施加在基底II 上的鎳金屬電極4的恒定電流小于施加在基底113上的鎳金屬電極4的恒定電流時(shí)，流體 導(dǎo)波層12向上偏離，如附圖5C所示。因此，通過控制施加在基底II和基底113上的鎳金 屬電極4的恒定電流大小，改變流體導(dǎo)波層12和流體覆蓋層11之間的相對位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn) 光束在空間上的調(diào)制。由于一對鎳金屬電極4分別處在基底II和基底113上相應(yīng)的位置上，當(dāng)對鎳金屬 電極4施加恒定電流時(shí)，引起微管道中與其接觸的去離子水的折射率發(fā)生變化，僅 在垂直 于基底II和基底113方向上滿足流體導(dǎo)波層12的折射率大于流體覆蓋層11的折射率，因 此形成平面波導(dǎo)。實(shí)施例2 參閱附圖7和附圖8，本發(fā)明提出的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)依次包括基底II、結(jié)構(gòu)層2和 基底113，所述基底II和基底113材料均為PMMA，結(jié)構(gòu)層2材料為PDMS ；結(jié)構(gòu)層2上有與基 底II和基底113平行的微管道，微管道里充滿乙醇，其兩端分別與輸入口 5和輸出口 7連 通，一對銅金屬電極4分別處在結(jié)構(gòu)層2的兩個(gè)內(nèi)壁上以直接加熱微管道中的流體。為了 保證金屬電極4和乙醇絕緣，在金屬電極4表面覆蓋材料為聚乙烯醇的聚合物薄膜8。本實(shí)施例采用電極加熱的方法形成流體光波導(dǎo)。對銅金屬電極4施加恒定電流， 導(dǎo)致銅金屬電極4溫度升高，出于熱量傳遞，微管道中與銅金屬電極4接觸的乙醇區(qū)域溫度 升高，使得該區(qū)域乙醇的折射率降低，在微管道中的乙醇形成具有不同折射率的區(qū)域，與銅 金屬電極4接觸的區(qū)域構(gòu)成流體覆蓋層11，夾在流體覆蓋層11之間的乙醇區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo) 波層12。由于銅金屬電極4處在結(jié)構(gòu)層2的兩個(gè)內(nèi)壁上，當(dāng)對銅金屬電極4施加恒定電流 時(shí)，引起微管道中與其接觸的乙醇的折射率發(fā)生變化，僅在垂直于內(nèi)壁方向上滿足流體導(dǎo) 波層12的折射率大于流體覆蓋層11的折射率，因此形成平面波導(dǎo)。實(shí)施例3 參閱附圖9，本發(fā)明提出的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)依次包括基底II、結(jié)構(gòu)層2和基底113， 所述基底II和基底113材料均為玻璃，結(jié)構(gòu)層2材料為SU-8 ；結(jié)構(gòu)層2上有與基底II和基底113平行的微管道，微管道里充滿氯化鈣溶液，其兩端分別與輸入口 5和輸出口 7連通， 鎳鋁合金電極4包覆整個(gè)微管道以直接加熱微管道中的流體。為了保證鎳鋁合金金屬電極 4和氯化鈣溶液絕緣，在鎳鋁合金金屬電極4表面覆蓋材料為PI的聚合物薄膜8。因制作 工藝誤差的存在，導(dǎo)致基底II和基底113上的鎳鋁合金金屬電極與結(jié)構(gòu)層2內(nèi)壁上的鎳鋁 合金金屬電極不能夠完好地接觸，因此，在基底II和基底113上制作鎳鋁合金金屬電極時(shí)， 使鎳鋁合金金屬電極的寬度大于微管道的寬度。本實(shí)施例采用電極加熱的方法形成流體光波導(dǎo)。對鎳鋁金屬電極4施加恒定電 流，導(dǎo)致鎳鋁金屬電極4溫度升高，由于熱量傳遞，微管道中與鎳鋁金屬電極4接觸的氯化 鈣溶液區(qū)域溫度升高，使得該區(qū)域氯化鈣溶液的折射率降低，在微管道中的氯化鈣溶液形 成具有不同折射率的區(qū)域，與鎳鋁金屬電極4接觸的區(qū)域構(gòu)成流體覆蓋層11，夾在流體覆 蓋層11之間的氯化鈣溶液區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo)波層12。由于鎳鋁合金金屬電極4包覆整個(gè)微管道，當(dāng)對鎳鋁合金金屬電極4施加恒定電 流時(shí)，引起微管道中與其接觸的氯化鈣溶液的折射率發(fā)生變化，在任意方向上均滿足流體 導(dǎo)波層12的折射率大于流體覆蓋層11的折射率，光束能夠在流體導(dǎo)波層12中沿任意方向 傳播，因此形成柱形波導(dǎo)。
權(quán)利要求
一種流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，依次包括基底I(1)、結(jié)構(gòu)層(2)和基底II(3)，結(jié)構(gòu)層(2)上有與基底I(1)和基底II(3)平行的微管道，微管道里充滿流體，其兩端分別與輸入口(5)和輸出口(7)連通，一對金屬電極(4)分別處在基底I(1)和基底II(3)上相應(yīng)的位置上以直接加熱微管道中的流體；基底I(1)上與結(jié)構(gòu)層(2)上輸入口(5)和輸出口(7)相應(yīng)的位置上布有開孔，用于流體的輸入和輸出。
2.一種如權(quán)利要求1所述的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬電極(4)位置 替換為處在結(jié)構(gòu)層(2)的兩個(gè)內(nèi)壁上。
3.—種如權(quán)利要求1所述的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬電極(4)位置 替換為包覆整個(gè)微管道。
4.一種如權(quán)利要求1-3所述之一的流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的在金屬電極 表面覆蓋聚合物薄膜(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種流體光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，其基于流體折射率隨溫度變化而變化的原理，采用電極加熱的方法形成流體光波導(dǎo)。依次包括基底I、結(jié)構(gòu)層和基底II。結(jié)構(gòu)層上有微管道，其兩端分別與輸入口5和輸出口7連通。一對金屬電極分別處在基底I和基底II相應(yīng)的位置上，或者處在結(jié)構(gòu)層的兩個(gè)內(nèi)壁上，或者包覆整個(gè)微管道?；譏上與結(jié)構(gòu)層上輸入口5和輸出口7相應(yīng)的位置上布有開孔。為了保證金屬電極和流體絕緣，可以在金屬電極上覆蓋聚合物薄膜。由于可以使用任意同種流體，使得流體光波導(dǎo)的材料選擇性更靈活；通過簡單電路控制，實(shí)現(xiàn)光在流體光波導(dǎo)中穩(wěn)定傳播，為生物細(xì)胞及生物大分子的光學(xué)檢測提供了簡便工具。
文檔編號G02B6/35GK101825743SQ20101012885
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者丁麗娟, 王寧博, 黎永前 申請人:西北工業(yè)大學(xué)