專利名稱：馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘臀⒘骺毓鈱W(xué)陀螺芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的基于微流控技術(shù)的馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘凸鈱W(xué)陀螺芯片的
制作方法，屬于光纖傳感器集成技術(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。 光學(xué)陀螺具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括國(guó)防軍工、工程測(cè)量、石油鉆探、飛行導(dǎo) 航、GPS定位以及智能機(jī)器人控制等。目前已發(fā)展到以光纖陀螺和集成光學(xué)陀螺為標(biāo)志的 新階段，并且受到各種應(yīng)用的廣泛關(guān)注。各種類型的光纖陀螺，其基本原理都是利用Sagnac 效應(yīng)，只是各自所采用的位相或頻率解調(diào)方式不同，或者對(duì)光纖陀螺的噪聲補(bǔ)償方法不同 而已。根據(jù)sagnac效應(yīng)，如圖1， 一環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光 路內(nèi)相向傳播的兩列光波之間，將因光波的慣性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致兩束相干光 波的干涉。對(duì)于光纖陀螺儀，光在介質(zhì)中傳播，其光程差與介質(zhì)的折射率有關(guān)，也與介質(zhì)的 切線速率有關(guān)。該光程差對(duì)應(yīng)的位相差與旋轉(zhuǎn)角速率之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)對(duì)干涉 光強(qiáng)信號(hào)的檢測(cè)和解調(diào)，即可確定旋轉(zhuǎn)角速率。本專利中就是采用微環(huán)腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)陀螺 利用薩格納(Sagnac)效應(yīng)，產(chǎn)生光程差，得到轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的信息。 因此，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，結(jié)合了微流控技術(shù)后為傳統(tǒng)光纖陀螺器件的微型
化、集成化、低成本化以及高精度控制提供了可能。
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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基于微流控的馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘臀h(huán)腔
3光學(xué)陀螺芯片的制作方法，解決光學(xué)陀螺集成化制作方法問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能。 技術(shù)方案 1、基本原理和芯片結(jié)構(gòu) 本發(fā)明的基于微流控的微環(huán)腔光陀螺的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是"上蓋板+微型氣泵層+光波導(dǎo)層+下底板"的夾心結(jié)構(gòu)。單元結(jié)構(gòu)中，第一層為上蓋板，上面留有排氣孔、注液孔和電極孔；第二層為微型氣泵層，其上有微型氣泵模塊，以及與上蓋板上小孔對(duì)應(yīng)匹配的排氣孔，注液孔及電極孔；第三層是光波導(dǎo)層，除了利用微流道工藝制作的微流道外，中部是儲(chǔ)液小槽及與環(huán)形流道相通的細(xì)流道；第四層為下底板，在下底板下有支撐系統(tǒng)的支點(diǎn)。在該結(jié)構(gòu)中，上蓋板、光波導(dǎo)層和下底板皆采用聚二甲基硅氧烷(P匿S)?？紤]到P匿S材料的透光性，結(jié)構(gòu)的上蓋板，下底板都需要做遮光處理——即鍍反射膜。同時(shí)，P匿S材料極強(qiáng)的疏水性，需要通過(guò)涂抹聚乙烯醇(PVA)材料來(lái)改善。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增加了排氣孔。原因有兩點(diǎn)，首先在封閉的微環(huán)結(jié)構(gòu)中方便注液孔液體的進(jìn)入，避免氣體壓強(qiáng)的反壓力抵制液體的毛細(xì)作用，同時(shí)有利于控制液體的流量；其次，由于PDMS對(duì)于多數(shù)非極性氣體稍微滲透，故為了避免非極性氣體進(jìn)入微流道，產(chǎn)生氣泡而影響光波導(dǎo)及產(chǎn)生光損耗，就需要去除細(xì)管和小槽的非極性氣體。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可由注液孔向流道內(nèi)注入液體，液體可選用硅油d.41)，甘油(1.47)，苯(1.50)等折射率大且無(wú)色，透明的液體。隨著液體的注入，流道內(nèi)多余的氣體可以由排氣孔排出。
啟動(dòng)微型氣泵，可以通過(guò)加熱，冷卻氣泵內(nèi)的電熱阻控制氣泵的氣腔膨脹、收縮，從而擠壓環(huán)形流道內(nèi)的液體，使其勻速繞流道流動(dòng)。由激光器發(fā)射的一束激光經(jīng)過(guò)分光器進(jìn)入系統(tǒng)的兩路平行腔內(nèi)，通過(guò)上下兩耦合器進(jìn)入環(huán)形腔，分別以順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较?，繞環(huán)形腔一周，然后通過(guò)各自的耦合器離開(kāi)環(huán)形腔，回到平行腔，兩光束最后匯合，根據(jù)Sagnac效應(yīng)，它們會(huì)發(fā)生干涉。使用光電接收器測(cè)量光強(qiáng)變化可得知它們的相位差，最終推得系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角速度的大小。
2、集成芯片制作方法 采用機(jī)械加工、制作PDMS微流控芯片、鍍膜、封合來(lái)實(shí)現(xiàn)包含上蓋板、微型氣泵層、光波導(dǎo)層、下底板的夾心結(jié)構(gòu)的集成制作，包括步驟如下 1)光波導(dǎo)層的制作采用制作光掩膜的方法，通過(guò)CAD設(shè)計(jì)微流道，將其打印在透明膠片上作為掩膜，在硅片上甩涂一薄層光刻膠，通過(guò)紫外線曝光，未曝光區(qū)域用顯影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結(jié)構(gòu)用作制作PDMS基片的陽(yáng)模，硅陽(yáng)模表面用氟化的硅烷化試劑處理，然后將固化的PDMS從陽(yáng)模剝離，制成具有特定微流道的基片；
2)在PDMS薄膜上用鉆孔器產(chǎn)生排氣孔，注液孔和電極孔； 3)鍍膜采用蒸鍍技術(shù)來(lái)進(jìn)行鍍膜，在真空下加熱靶材金屬，使其蒸發(fā)壓力超過(guò)環(huán)境壓力，從而加速蒸發(fā)，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，當(dāng)蒸氣接觸到較冷的基片表面時(shí)，金屬蒸氣被壓縮，且在基片上顆粒邊界生長(zhǎng)出膜層。再采用聚乙烯醇(PVA)管壁涂層修飾微流道內(nèi)壁； 4)芯片封合光陀螺四層之間的封合，即四層PDMS膜層的封合，這兩種封合都用等離子輔助鍵合，制作后與上蓋板先封合，脫離基片，再與光波導(dǎo)層封合。紫外線通過(guò)光掩膜使光刻膠曝光，未曝光區(qū)域用顯影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結(jié)構(gòu)用作制作PDMS基片的陽(yáng)模。這樣可以獲得較高的深寬比，其結(jié)構(gòu)側(cè)壁與基體表面垂直。這種封合
4可用等離子輔助鍵合，氧等離子體有助于表面清洗，同時(shí)可提高表面化學(xué)活性，特別是聚合物材料的表面活性。氧等離子體處理的PDMS可實(shí)現(xiàn)永久封合。
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)明直接利用微流道中納升量級(jí)的液體對(duì)光波進(jìn)行控制，很好地體現(xiàn)了微流控
技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有利于構(gòu)造當(dāng)前期待的高靈敏度的光陀螺。
創(chuàng)新之處在于 (1)由于避免了由增大光纖長(zhǎng)度來(lái)增大光程差的冗余結(jié)構(gòu)，其可集成性能將大大提高。 (2)結(jié)合了微流控技術(shù)可直接感測(cè)外界變化，這使得這種光陀螺的應(yīng)用范圍延伸至各個(gè)對(duì)靈敏度要求不同的領(lǐng)域。 (3)微型氣泵對(duì)電路要求很低，只要改變控制電壓就可達(dá)到改變輸送液體速度的作用。
(4)可反復(fù)使用多種介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。


圖1是SAGNAC效應(yīng)的原理圖。
圖2是本發(fā)明的四層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的三維立體剖面圖。 圖中有第一電極孔1、注液孔2、排氣孔3，第二電極孔4、第一氣泵模塊5、第二氣泵膜塊6、第一耦合器7、第二耦合器8、微環(huán)腔9、微流道10、上蓋板11、微型氣泵層12、光波導(dǎo)層13、下底板14、PDMS15。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種基于馬赫_曾德?tīng)柛缮嫘臀⒘骺毓鈱W(xué)陀螺芯片結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)采用"上蓋板+微型氣泵層+光波導(dǎo)層+下底板"的夾心結(jié)構(gòu)。其中，上蓋板、光波導(dǎo)層和下底板的基材都是聚二甲基硅氧烷(P匿S)。 P匿S具有良好的透光性，介電性，惰性，無(wú)毒，容易加工等性質(zhì)，并且廉價(jià)；光波導(dǎo)層上微流道、細(xì)管和儲(chǔ)液小槽中的液體選用201#甲基硅油。201#甲基硅油具有溫粘系數(shù)小、耐高低溫、抗氧化、閃點(diǎn)高、揮發(fā)性小、絕緣性好、表面張力小、對(duì)金屬無(wú)腐蝕、無(wú)毒等特點(diǎn)；考慮到PDMS材料的透光性，結(jié)構(gòu)的上蓋板，下底板都需要做遮光處理——即鍍反射膜。同時(shí)，PDMS材料極強(qiáng)的疏水性，需要通過(guò)涂抹聚乙烯醇(PVA)材料來(lái)改善。PVA薄膜韌性好，拉伸強(qiáng)度大，耐候性好，可以熱封合。 本發(fā)明馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘臀⒘骺毓鈱W(xué)陀螺芯片的制作方法主要分為光波導(dǎo)層的制作、微型氣泵層的制作、鍍膜和芯片封合四個(gè)基本過(guò)程 1)光波導(dǎo)層的制作采用制作光掩膜的方法，通過(guò)CAD設(shè)計(jì)微流道，將其打印在透
明膠片上作為掩膜，在硅片上甩涂一薄層光刻膠，通過(guò)紫外線曝光，未曝光區(qū)域用顯影液溶
解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結(jié)構(gòu)用于制作PDMS基片的陽(yáng)模，硅陽(yáng)模表面用氟化的
硅烷化試劑處理，然后將固化的PDMS從陽(yáng)模剝離，制成具有特定微流道的基片。 可以看到，光波導(dǎo)層上的微結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)微通道、細(xì)管結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)液槽結(jié)構(gòu)。其中，
細(xì)管的寬度只有數(shù)微米，這樣有助于提高速度，而且細(xì)管壁應(yīng)光滑。這些要求制作的光掩膜設(shè)備具有很高的分辨率。 2)微型氣泵層的制作本設(shè)計(jì)中的微型氣泵屬于機(jī)械微泵中的熱氣動(dòng)力微泵。微泵的結(jié)構(gòu)，由一個(gè)腔體、一個(gè)泵膜、兩個(gè)被動(dòng)單向閥和一個(gè)制動(dòng)器組成，腔體的一側(cè)用一彈
性膜封閉。該層采用聚二甲基硅氧烷(pmis)薄膜構(gòu)成。 3)在PDMS薄膜上用鉆孔器產(chǎn)生排氣孔，注液孔和電極孔。 4)鍍膜采用蒸鍍技術(shù)來(lái)進(jìn)行鍍膜，在真空下加熱靶材金屬，使其蒸發(fā)壓力超過(guò)環(huán)境壓力，從而加速蒸發(fā)，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，當(dāng)蒸氣接觸到較冷的基片表面時(shí)，金屬蒸氣被壓縮，且在基片上顆粒邊界生長(zhǎng)出膜層。再采用聚乙烯醇(PVA)管壁涂層修飾微流道內(nèi)壁。 5)芯片封合光陀螺四層之間的封合，即四層PDMS膜層的封合，這兩種封合都用等離子輔助鍵合，制作后與上蓋板先封合，脫離基片，再與光波導(dǎo)層封合。紫外線通過(guò)光掩膜使光刻膠曝光，未曝光區(qū)域用顯影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結(jié)構(gòu)用作制作PDMS基片的陽(yáng)模。這樣可以獲得較高的深寬比，其結(jié)構(gòu)側(cè)壁與基體表面垂直。這種封合可用等離子輔助鍵合，氧等離子體有助于表面清洗，同時(shí)可提高表面化學(xué)活性，特別是聚合物材料的表面活性。氧等離子體處理的PDMS可實(shí)現(xiàn)永久封合。
權(quán)利要求
一種馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘臀⒘骺毓鈱W(xué)陀螺芯片的制作方法，其特征在于采用機(jī)械加工、制作PDMS微流控芯片、鍍膜、封合來(lái)實(shí)現(xiàn)包含上蓋板(11)、由PDMS薄膜構(gòu)成的微型氣泵層(12)、光波導(dǎo)層(13)和下底板(14)的夾心結(jié)構(gòu)的集成制作，其主要步驟包括1)光波導(dǎo)層的制作采用制作光掩膜的方法，通過(guò)CAD設(shè)計(jì)微流道，將其打印在透明膠片上作為掩膜，在硅片上甩涂一薄層光刻膠，通過(guò)紫外線曝光，未曝光區(qū)域用顯影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結(jié)構(gòu)用作制作PDMS基片的陽(yáng)模，硅陽(yáng)模表面用氟化的硅烷化試劑處理，然后將固化的PDMS從陽(yáng)模剝離，制成具有特定微流道的基片；2)在PDMS薄膜上用鉆孔器產(chǎn)生排氣孔，注液孔和電極孔；3)鍍膜采用蒸鍍技術(shù)來(lái)進(jìn)行鍍膜，在真空下加熱靶材金屬，使其蒸發(fā)壓力超過(guò)環(huán)境壓力，從而加速蒸發(fā)，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，當(dāng)蒸氣接觸到較冷的基片表面時(shí)，金屬蒸氣被壓縮，且在基片上顆粒邊界生長(zhǎng)出膜層。再采用聚乙烯醇(PVA)管壁涂層修飾微流道內(nèi)壁；4)芯片封合光陀螺四層之間的封合，即四層PDMS膜層的封合，這兩種封合都用等離子輔助鍵合，制作后與上蓋板先封合，脫離基片，再與光波導(dǎo)層封合。紫外線通過(guò)光掩膜使光刻膠曝光，未曝光區(qū)域用顯影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結(jié)構(gòu)用作制作PDMS基片的陽(yáng)模。這樣可以獲得較高的深寬比，其結(jié)構(gòu)側(cè)壁與基體表面垂直。這種封合可用等離子輔助鍵合，氧等離子體有助于表面清洗，同時(shí)可提高表面化學(xué)活性，特別是聚合物材料的表面活性。氧等離子體處理的PDMS可實(shí)現(xiàn)永久封合。
全文摘要
微流控光學(xué)陀螺的工藝制作方法涉及一種新穎的基于微流控技術(shù)，用電控制信號(hào)進(jìn)行操作的光學(xué)陀螺結(jié)構(gòu)的集成化制作方法，該方法采用機(jī)械加工、制作PDMS微流控芯片、鍍膜、封合來(lái)實(shí)現(xiàn)包含上蓋板(11)、微型氣泵層(12)、光波導(dǎo)層(13)和下底板(14)的夾心結(jié)構(gòu)的集成制作，實(shí)現(xiàn)微流控光學(xué)陀螺芯片結(jié)構(gòu)。集成化制作方法的主要步驟包括光波導(dǎo)層的制作、微型氣泵層的制作、鍍膜和芯片封合四個(gè)基本過(guò)程。其中，上蓋板、光波導(dǎo)層和下底板皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)；結(jié)構(gòu)的上蓋板，下底板都需要鍍反射膜，通過(guò)涂抹聚乙烯醇(PVA)材料來(lái)改善。
文檔編號(hào)G01C19/64GK101704499SQ200910185328
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者徐寧, 梁忠誠(chéng), 沈鵬, 涂興華, 黃舒舒 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)