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)明涉及一種新穎的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的集成化制作方法，屬于光成像和光信息處理器件以及半導(dǎo)體集成技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
微流控光學(xué)是一項(xiàng)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(shí)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(chǔ)、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(shí)別、光無(wú)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(shí)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(jià)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(chǎng)性能，具有良好的操控性和適應(yīng)性，可應(yīng)用于光學(xué)開(kāi)關(guān)和光互連、三維光存儲(chǔ)、靜態(tài)數(shù)碼相機(jī)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(guó)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(guò)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(dòng)的液體作為變焦的透鏡組件，相對(duì)目前的機(jī)械變焦方式將有很多的優(yōu)勢(shì)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(guó)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(guó)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(guó)外對(duì)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(jiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)可變焦微透鏡陣列未見(jiàn)報(bào)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(jì)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(jià)值，將會(huì)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(gè)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(chǎng)時(shí)，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.
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Ki-Hun Jeong，Gang L.Liu，Nikolas Chronis and Luke P.Lee，Tunablemicrodoublet lens array，Optics Express，Vol.12，No.11，(2004)2494-2500.
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http://www.varioptic，com/en/technology.php

發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于提出一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法，解決微流控變焦透鏡陣列集成化制造方法問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)芯片功能。
技術(shù)方案1.基本原理和芯片結(jié)構(gòu)本發(fā)明的微流控透鏡陣列芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是“透明上蓋片+導(dǎo)電內(nèi)芯+透明下蓋片”的三明治夾心結(jié)構(gòu)。采用導(dǎo)電材料制作內(nèi)芯，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)制凹形的流道網(wǎng)絡(luò)和儲(chǔ)液池，每個(gè)圓孔分別在上下兩面通過(guò)流道網(wǎng)絡(luò)互相連接，上、下層流道網(wǎng)絡(luò)分別用于連通兩種不同的液體。上蓋片涂有疏水層，下蓋片上鍍有透明導(dǎo)電層，與圓孔之間的空隙形成透鏡腔，用于存儲(chǔ)折射率不同的兩種不混溶液體，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)芯與下蓋片電極和導(dǎo)電水溶液接觸。對(duì)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(shí)現(xiàn)透鏡焦距的調(diào)諧。
內(nèi)芯與蓋片組合后形成內(nèi)部互相連通的鏡腔陣列和上下流道網(wǎng)絡(luò)陣列芯片，其總體布局如圖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(gè)儲(chǔ)液池相連，儲(chǔ)液池通過(guò)蓋片開(kāi)孔與外部相連，同時(shí)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。雙層流道是本芯片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一，這種設(shè)計(jì)有利于液體灌入和封裝。
2、集成芯片制作方法電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法采用機(jī)械加工、準(zhǔn)分子激光打標(biāo)或軟光刻、鍍膜、封合來(lái)實(shí)現(xiàn)包含雙層微流道網(wǎng)絡(luò)的“上蓋片+導(dǎo)電內(nèi)芯+下蓋片”的三明治夾心結(jié)構(gòu)的集成制作，其主要步驟包括1.)導(dǎo)電內(nèi)芯的制作采用軟光刻的方法，通過(guò)光刻模具制作、導(dǎo)電硅橡膠旋涂、固化脫模過(guò)程，制作得到僅有一面刻有微流道網(wǎng)絡(luò)的帶有圓柱狀通孔腔陣列的導(dǎo)電平板，將兩片導(dǎo)電平板未刻有微流道網(wǎng)絡(luò)的光滑面對(duì)接，通過(guò)加熱固化使兩光滑面之間發(fā)生鍵合，形成導(dǎo)電內(nèi)芯；2.)表面處理表面處理分為內(nèi)芯表面處理和蓋片表面處理兩部分，內(nèi)芯表面采用生長(zhǎng)法在內(nèi)芯上生成一層500nm的SiO2絕緣層，并通過(guò)浸蘸疏水劑得到疏水層；同樣，上蓋片表面通過(guò)涂敷疏水劑進(jìn)行表面疏水處理得到疏水層，下蓋片表面則采用噴涂方法進(jìn)行導(dǎo)電層鍍膜得到透明導(dǎo)電層；3.)芯片合成而將上、下蓋片表面旋涂粘合劑后與內(nèi)芯拼接，再送入烘干箱烘烤固定；4.)液體封裝先將導(dǎo)電流體注入下層一個(gè)儲(chǔ)液池，通過(guò)壓力作用充滿下流道和另一個(gè)下層儲(chǔ)液池，再將絕緣流體注入上層一個(gè)儲(chǔ)液池，通過(guò)毛細(xì)作用充滿上流道和另一個(gè)上層儲(chǔ)液池，通過(guò)調(diào)節(jié)上、下流層壓力差使兩種液體界面處于鏡腔內(nèi)的適當(dāng)位置；最后用粘合劑封閉流體出入口。
導(dǎo)電內(nèi)芯制作時(shí)，在尺寸較大的情況下，選用金屬平板通過(guò)機(jī)械加工或準(zhǔn)分子激光打標(biāo)技術(shù)在平板上下表面分別刻槽形成微流道網(wǎng)絡(luò)，機(jī)鉆或激光打孔加工微透鏡腔。導(dǎo)電內(nèi)芯表面處理可采用不銹鋼表面鈍化方法，將由機(jī)械加工或準(zhǔn)分子激光打標(biāo)產(chǎn)生的金屬表面毛刺消除，得到很高的表面光潔度，再利用旋涂、浸漬、噴涂的不同方式，在不銹鋼表面上制備出均勻、致密、無(wú)裂紋且具有厚度為5μm的陶瓷涂層作為絕緣層，通過(guò)噴涂/干燥技術(shù)，在內(nèi)芯表面涂布上一層疏水層。
有益效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)本發(fā)明將軟光刻技術(shù)與微器件表面處理技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的集成化制作方法，具有重要的技術(shù)價(jià)值。采用本發(fā)明專利制作的這種電調(diào)諧微流控透鏡陣列集成芯片將會(huì)在微光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本專利的微流控器件集成制作方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可操作性高、可靠性高及可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。
創(chuàng)新之處在于(1)獨(dú)特的微流控透鏡陣列芯片集成化制作技術(shù)；(2)采用軟光刻技術(shù)或金屬機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)具有雙層流道的內(nèi)芯；(3)通過(guò)內(nèi)芯及蓋片表面處理，利用電濕效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧可變透鏡焦距。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。(a)為未加電時(shí)示意圖，(b)為加電時(shí)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、流道網(wǎng)絡(luò)9。
圖2是微透鏡內(nèi)芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有流道網(wǎng)絡(luò)9、微透鏡腔10、儲(chǔ)存上下兩種流體的儲(chǔ)液池11。
具體實(shí)施方式本發(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)芯是具有圓柱狀通孔陣列的導(dǎo)電平板，每個(gè)圓孔分別在上下兩面通過(guò)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(chǔ)折射率不同的兩種不混溶液體。本發(fā)明具體實(shí)施例1中導(dǎo)電內(nèi)芯采用金屬鋁平板通過(guò)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(gè)電極；另一電極是采用真空鍍膜方法制備的ITO導(dǎo)電層。蓋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(shí)驗(yàn)專用的蓋玻片。型號(hào)WEST Chester，PA19380)，該玻片韌性很好，透光率高；絕緣層采用生長(zhǎng)法在內(nèi)芯上生成一層500nm的SiO2，疏水處理可通過(guò)涂布疏水材料FOTs(含氟三氯硅烷)來(lái)實(shí)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)。
本發(fā)明透鏡陣列集成芯片的制作方法主要分為內(nèi)芯制作、表面處理、芯片合成和液體封裝四個(gè)基本過(guò)程1)內(nèi)芯制作內(nèi)芯結(jié)構(gòu)大致如圖2所示。內(nèi)芯采用導(dǎo)電材料，這是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一，其結(jié)果是簡(jiǎn)化了芯片的結(jié)構(gòu)和制作工藝。
在尺寸較大的情況下，可以選用金屬平板通過(guò)機(jī)械加工技術(shù)制作。例如，根據(jù)實(shí)際需要的透鏡陣列的行數(shù)和列數(shù)，設(shè)計(jì)流道分布及圓柱通孔尺寸、位置，通過(guò)機(jī)械切削在表面加工流槽，機(jī)鉆或激光打孔加工圓腔。
在尺寸較小的情況下，可以選用導(dǎo)電硅橡膠通過(guò)軟光刻技術(shù)制作，主要步驟包括光刻模具制作、硅橡膠旋涂、固化脫模等。
光刻模具制作采用傳統(tǒng)的光刻方法，按照透鏡陣列要求設(shè)計(jì)流道分布以及圓腔尺寸、位置，制作掩膜；在經(jīng)過(guò)預(yù)清潔處理過(guò)的硅基片旋涂光刻膠(如SU-8)；經(jīng)過(guò)曝光及顯影，將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)印至硅基片上，形成陽(yáng)刻模具。
硅橡膠旋涂在流態(tài)硅橡膠單體中加入交聯(lián)劑，經(jīng)過(guò)離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)后取出備用。將模板吸附在勻膠機(jī)的托盤表面，在模板表面滴注準(zhǔn)備好的流態(tài)硅橡膠。開(kāi)動(dòng)勻膠機(jī)使硅橡膠單體涂布于模板表面，形成一定厚度的薄膜。
固化脫模將旋涂了硅橡膠單體的聚合物模具放入干燥箱中，在80℃溫度下預(yù)固化約40分鐘。在預(yù)固化的硅橡膠表面覆蓋芯層玻璃片后繼續(xù)固化2小時(shí)以上，使蓋玻片與硅橡膠層產(chǎn)生鍵合。蓋玻片與硅橡膠層鍵合后，將聚合物模具剝離。
2)表面處理包括內(nèi)芯表面處理和蓋片表面處理。內(nèi)芯表面處理包括絕緣層涂覆、疏水處理。絕緣層可采用聚合物材料，疏水處理可通過(guò)涂布疏水材料實(shí)現(xiàn)。蓋片表面處理包括上蓋片疏水處理、下蓋片導(dǎo)電層鍍制、流體出入口鉆孔。蓋片采用高韌性蓋玻片，ITO導(dǎo)電層采用真空鍍膜方法制備。下蓋片也可以采用商用導(dǎo)電玻璃。
3)芯片合成將蓋片與內(nèi)芯通過(guò)合適的絕緣膠或者表面活性處理方法粘合成如圖2、圖4所示的獨(dú)立芯片。
4)液體封裝先將導(dǎo)電水溶液注入下層一個(gè)儲(chǔ)液池，通過(guò)壓力作用充滿下流道和另一個(gè)下層儲(chǔ)液池；再將絕緣油溶液注入上層一個(gè)儲(chǔ)液池，通過(guò)毛細(xì)作用充滿上流道和另一個(gè)上層儲(chǔ)液池。通過(guò)調(diào)節(jié)上、下流層壓力差使兩種液體界面處于鏡腔內(nèi)的適當(dāng)位置；最后封閉流體出入口。
作為本發(fā)明的具體實(shí)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(gè)圓孔分別在上下兩面通過(guò)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(chǔ)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(guò)粘合劑與透明基片很好地粘合，形成一體，且可以作為一個(gè)電極；另一電極采用ITO導(dǎo)電層?；匀徊捎酶咝阅艿纳w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(lái)實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樘馗积埣仁且环N絕緣體又具有很好的疏水性。導(dǎo)電流體可以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(duì)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的制作方法，其特征在于采用機(jī)械加工、準(zhǔn)分子激光打標(biāo)或軟光刻、鍍膜、封合來(lái)實(shí)現(xiàn)包含雙層微流道網(wǎng)絡(luò)的“上蓋片(1)+導(dǎo)電內(nèi)芯(3)+下蓋片(2)”的三明治夾心結(jié)構(gòu)的集成制作，其主要步驟包括1.)導(dǎo)電內(nèi)芯的制作采用軟光刻的方法，通過(guò)光刻模具制作、導(dǎo)電硅橡膠旋涂、固化脫模過(guò)程，制作得到僅有一面刻有微流道網(wǎng)絡(luò)(9)的帶有圓柱狀通孔腔陣列的導(dǎo)電內(nèi)芯(3)，將兩片導(dǎo)電平板未刻有微流道網(wǎng)絡(luò)(9)的光滑面對(duì)接，通過(guò)加熱固化使兩光滑面之間發(fā)生鍵合，形成導(dǎo)電內(nèi)芯(3)；2.)表面處理表面處理分為內(nèi)芯表面處理和蓋片表面處理兩部分，內(nèi)芯表面采用生長(zhǎng)法在內(nèi)芯上生成一層500nm的SiO2絕緣層(8)，并通過(guò)浸蘸疏水劑得到疏水層(7)；同樣，上蓋片(1)表面通過(guò)涂敷疏水劑進(jìn)行表面疏水處理得到疏水層(7)，下蓋片(2)表面則采用噴涂方法進(jìn)行導(dǎo)電層鍍膜得到透明導(dǎo)電層(6)；3.)芯片合成而將上、下蓋片表面旋涂粘合劑后與內(nèi)芯拼接，再送入烘干箱烘烤固定；4.)液體封裝先將導(dǎo)電流體(4)注入下層一個(gè)儲(chǔ)液池，通過(guò)壓力作用充滿下流道和另一個(gè)下層儲(chǔ)液池，再將絕緣流體(5)注入上層一個(gè)儲(chǔ)液池，通過(guò)毛細(xì)作用充滿上流道和另一個(gè)上層儲(chǔ)液池，通過(guò)調(diào)節(jié)上、下流層壓力差使兩種液體界面處于鏡腔內(nèi)的適當(dāng)位置；最后用粘合劑封閉流體出入口。
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，其特征在于導(dǎo)電內(nèi)芯(3)制作時(shí)，在尺寸較大的情況下，選用金屬平板通過(guò)機(jī)械加工或準(zhǔn)分子激光打標(biāo)技術(shù)在平板上下表面分別刻槽形成微流道網(wǎng)絡(luò)(9)，機(jī)鉆或激光打孔加工微透鏡腔(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片的制作方法，其特征在于導(dǎo)電內(nèi)芯(3)表面處理可采用不銹鋼表面鈍化方法，將由機(jī)械加工或準(zhǔn)分子激光打標(biāo)產(chǎn)生的金屬表面毛刺消除，得到很高的表面光潔度，再利用旋涂、浸漬、噴涂的不同方式，在不銹鋼表面上制備出均勻、致密、無(wú)裂紋且具有厚度為5μm的陶瓷涂層作為絕緣層(8)，通過(guò)噴涂/干燥技術(shù)，在內(nèi)芯表面涂布上一層疏水層(7)。
專利摘要
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集成化制作方法，該方法采用機(jī)械加工或軟光刻、鍍膜、封合等集成化制作技術(shù)制作包含雙層微流道網(wǎng)絡(luò)的“上蓋片(1)+導(dǎo)電內(nèi)芯(3)+下蓋片(2)”的三明治夾心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧微流控變焦透鏡陣列芯片。集成化制作方法的主要步驟包括內(nèi)芯制作、表面處理、芯片合成和液體封裝。內(nèi)芯制作過(guò)程中，其內(nèi)芯表面涂覆絕緣層和疏水層，絕緣層的作用是避免內(nèi)芯與下蓋片電極和導(dǎo)電水溶液接觸，疏水層的作用是使兩種液體邊界自然形成彎曲面，并有利于芯片的封裝。
文檔編號(hào)G02B6/32GK1996056SQ200610161276
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月19日
發(fā)明者梁忠誠(chéng), 涂興華, 徐寧, 陳陶 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan