CN1996056A - 电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法涉及一种新颖的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的集成化制作方法，该方法采用机械加工或软光刻、镀膜、封合等集成化制作技术制作包含双层微流道网络的“上盖片(1)+导电内芯(3)+下盖片(2)”的三明治夹心结构，实现电调谐微流控变焦透镜阵列芯片。集成化制作方法的主要步骤包括：内芯制作、表面处理、芯片合成和液体封装。内芯制作过程中，其内芯表面涂覆绝缘层和疏水层，绝缘层的作用是避免内芯与下盖片电极和导电水溶液接触，疏水层的作用是使两种液体边界自然形成弯曲面，并有利于芯片的封装。
Description
技术领域
本发明涉及一种新颖的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的集成化制作方法，属于光成像和光信息处理器件以及半导体集成技术领域。
背景技术
微流控光学是一项具有重要意义的新技术，它将现代微流控技术和微光电子技术相结合，研制一类能够根据外界环境变化、具有结构重组和自适应调节能力的光学集成器件和***，将在传感、通信、信息处理等领域具有重要的应用前景[1]。
微透镜阵列是一种二维集成器件，可实现光学元件的集成化，促进微光器件、波导器件、光集成器件的发展，这种器件在光通信、光成像、光存储、光显示、光处理和其它许多领域中有很广泛的应用，如利用微透镜阵列制作的光互连器件、图像多重变换和识别、光无源器件阵列等，一直受到了研究者和企业界的关注。目前已经实用化的微透镜阵列都是固定焦距的器件，由于固定焦距的透镜缺乏调节性，影响了器件的性能并限制了它的应用范围，所以研制焦距可变的微透镜阵列具有重要的技术价值和应用前景，引起了人们的很大兴趣[2-5]。
变焦微透镜可以改变微光学***的光通量和视场性能，具有良好的操控性和适应性，可应用于光学开关和光互连、三维光存储、静态数码相机和医学内窥镜等***。但现有的研究和应用集中于单透镜变焦技术，比较典型的如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜[6-7]，这些透镜的变焦是利用电控方法通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种技术采用了流动的液体作为变焦的透镜组件，相对目前的机械变焦方式将有很多的优势之处。但这些利用电控方法的小型变焦液体透镜结构复杂，难以采用传统的技术制造微透镜阵列，因此目前研究者的注意力集中于液压控制变焦的微流控透镜阵列的研制，例如德国Freiburg大学的Hans Zappe研究组基于半导体微加工技术研制的透镜阵列，美国加州大学Berkeley分校Nikolas Chronis等人基于软光刻(soft lithography)技术制作的微流控透镜阵列[2]，等。
如上所述，目前国外对可调谐微透镜阵列的研究较多，但仅限于压控式阵列器件[2-5]，电控式阵列器件未见报道。国内可变焦微透镜阵列未见报道。本专利将微流控技术与现代光学技术相结合，设计了一种电控微流控变焦透镜阵列芯片，具有重要的技术价值，将会在光学成像和光信息处理领域得到广泛的应用。
Philips公司发布的单个液体变焦透镜的基本工作原理如下：透镜材料由折射率不同的两种不混溶液体组成，一种是导电性水溶液(高折射率)，另一种是不导电性油(低折射率)，将两种液体加入上下两面透明的短圆筒中。由于圆筒侧壁进行了疏水性处理，因此两种液体界面能够形成稳定的曲面，起到透镜的作用。当施加与疏水性处理面直交的电场时，导电水溶液与侧壁之间的界面张力因电湿效应(Electrowetting)的作用而降低，从而改变两种液体界面的形状，最终导致透镜焦距的变化。Varioptic公司的液体透镜结构与此类似。其上述结构的液体变焦透镜结构比较复杂，难以在此基础上进行微透镜阵列的集成。
参考文献：
[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.
[3]Armin Werber and Hans Zappe，Tunable microfluidic microlenses，Applied Optics，Vol.44，No.16，(2005)3238-3245.
[4]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.
[5]Ki-Hun Jeong，Gang L.Liu，Nikolas Chronis and Luke P.Lee，Tunablemicrodoublet lens array，Optics Express，Vol.12，No.11，(2004)2494-2500.
[6]S.Kuiper and，B.H.W Hendriks，Variable focus liquid lens for miniaturecameras，Appl.Phys.Lett.，Vol.85，No.7，(2004)1128-1130.
[7]
http://www.varioptic，com/en/technology.php
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法，解决微流控变焦透镜阵列集成化制造方法问题，实现芯片功能。
技术方案：
1.基本原理和芯片结构：
本发明的微流控透镜阵列芯片的基本结构如图1所示，它是“透明上盖片+导电内芯+透明下盖片”的三明治夹心结构。采用导电材料制作内芯，内芯如图2是具有圆柱状通孔阵列的平板，平板两面分别预制凹形的流道网络和储液池，每个圆孔分别在上下两面通过流道网络互相连接，上、下层流道网络分别用于连通两种不同的液体。上盖片涂有疏水层，下盖片上镀有透明导电层，与圆孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储折射率不同的两种不混溶液体，分别为高折射率导电水溶液和低折射率的不导电油。在内芯表面涂覆绝缘层，避免内芯与下盖片电极和导电水溶液接触。对镜腔内进行疏水处理，使两种液体边界自然形成弯曲面。当内芯与ITO导电层之间加上电压后，导电水溶液与侧壁之间的界面张力因电湿效应的作用而降低，从而改变两种液体界面的形状，实现透镜焦距的调谐。
内芯与盖片组合后形成内部互相连通的镜腔阵列和上下流道网络阵列芯片，其总体布局如图3所示。微透镜区域可以根据需要做成不同的排列形式，上、下流层网络分别与两个储液池相连，储液池通过盖片开孔与外部相连，同时作为灌注液体的出入口。电极可由内芯和ITO导电层从边缘方便地引出。双层流道是本芯片结构的特点之一，这种设计有利于液体灌入和封装。
2、集成芯片制作方法：
电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法采用机械加工、准分子激光打标或软光刻、镀膜、封合来实现包含双层微流道网络的“上盖片+导电内芯+下盖片”的三明治夹心结构的集成制作，其主要步骤包括：
1.)导电内芯的制作：采用软光刻的方法，通过光刻模具制作、导电硅橡胶旋涂、固化脱模过程，制作得到仅有一面刻有微流道网络的带有圆柱状通孔腔阵列的导电平板，将两片导电平板未刻有微流道网络的光滑面对接，通过加热固化使两光滑面之间发生键合，形成导电内芯；
2.)表面处理：表面处理分为内芯表面处理和盖片表面处理两部分，内芯表面采用生长法在内芯上生成一层500nm的SiO2绝缘层，并通过浸蘸疏水剂得到疏水层；同样，上盖片表面通过涂敷疏水剂进行表面疏水处理得到疏水层，下盖片表面则采用喷涂方法进行导电层镀膜得到透明导电层；
3.)芯片合成：而将上、下盖片表面旋涂粘合剂后与内芯拼接，再送入烘干箱烘烤固定；
4.)液体封装：先将导电流体注入下层一个储液池，通过压力作用充满下流道和另一个下层储液池，再将绝缘流体注入上层一个储液池，通过毛细作用充满上流道和另一个上层储液池，通过调节上、下流层压力差使两种液体界面处于镜腔内的适当位置；最后用粘合剂封闭流体出入口。
导电内芯制作时，在尺寸较大的情况下，选用金属平板通过机械加工或准分子激光打标技术在平板上下表面分别刻槽形成微流道网络，机钻或激光打孔加工微透镜腔。导电内芯表面处理可采用不锈钢表面钝化方法，将由机械加工或准分子激光打标产生的金属表面毛刺消除，得到很高的表面光洁度，再利用旋涂、浸渍、喷涂的不同方式，在不锈钢表面上制备出均匀、致密、无裂纹且具有厚度为5μm的陶瓷涂层作为绝缘层，通过喷涂/干燥技术，在内芯表面涂布上一层疏水层。
有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：
本发明将软光刻技术与微器件表面处理技术相结合，设计了一种电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的集成化制作方法，具有重要的技术价值。采用本发明专利制作的这种电调谐微流控透镜阵列集成芯片将会在微光学领域得到广泛的应用。本专利的微流控器件集成制作方法具有实现简单、可操作性高、可靠性高及可重复性高等优点。
创新之处在于：
(1)独特的微流控透镜阵列芯片集成化制作技术；
(2)采用软光刻技术或金属机械加工方法实现具有双层流道的内芯；
(3)通过内芯及盖片表面处理，利用电湿效应，实现电调谐可变透镜焦距。
附图说明
图1是本发明的结构和工作原理示意图。(a)为未加电时示意图，(b)为加电时示意图。图中有上盖片1、下盖片2、导电内芯3、导电流体4、绝缘流体5、透明导电层6、疏水层7、绝缘层8、流道网络9。
图2是微透镜内芯结构示意图。图中有流道网络9、微透镜腔10、储存上下两种流体的储液池11。
具体实施方式
本发明提出一种电调谐微流控变焦透镜阵列芯片，其结构采用“上盖片+内芯+下盖片”的三明治夹心结构。内芯是具有圆柱状通孔阵列的导电平板，每个圆孔分别在上下两面通过流道网络互相连接。盖片与圆孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储折射率不同的两种不混溶液体。本发明具体实施例1中导电内芯采用金属铝平板通过激光打孔技术制作而成，这是由于金属铝易于加工，且可以作为一个电极；另一电极是采用真空镀膜方法制备的ITO导电层。盖片采用高性能的薄玻璃片(如VWR Scientific公司生产的一种生化实验专用的盖玻片。型号：WEST Chester，PA19380)，该玻片韧性很好，透光率高；绝缘层采用生长法在内芯上生成一层500nm的SiO2，疏水处理可通过涂布疏水材料FOTs(含氟三氯硅烷)来实现。导电流体采用氯化锂(LiCl)水溶液，绝缘流体采用苯甲基硅氧烷(phenylmethylsiloxanes)。
本发明透镜阵列集成芯片的制作方法主要分为内芯制作、表面处理、芯片合成和液体封装四个基本过程：
1)内芯制作：内芯结构大致如图2所示。内芯采用导电材料，这是本设计的特点之一，其结果是简化了芯片的结构和制作工艺。
在尺寸较大的情况下，可以选用金属平板通过机械加工技术制作。例如，根据实际需要的透镜阵列的行数和列数，设计流道分布及圆柱通孔尺寸、位置，通过机械切削在表面加工流槽，机钻或激光打孔加工圆腔。
在尺寸较小的情况下，可以选用导电硅橡胶通过软光刻技术制作，主要步骤包括：光刻模具制作、硅橡胶旋涂、固化脱模等。
光刻模具制作：采用传统的光刻方法，按照透镜阵列要求设计流道分布以及圆腔尺寸、位置，制作掩膜；在经过预清洁处理过的硅基片旋涂光刻胶(如SU-8)；经过曝光及显影，将掩膜上的图形转印至硅基片上，形成阳刻模具。
硅橡胶旋涂：在流态硅橡胶单体中加入交联剂，经过离心机高速旋转后取出备用。将模板吸附在匀胶机的托盘表面，在模板表面滴注准备好的流态硅橡胶。开动匀胶机使硅橡胶单体涂布于模板表面，形成一定厚度的薄膜。
固化脱模：将旋涂了硅橡胶单体的聚合物模具放入干燥箱中，在80℃温度下预固化约40分钟。在预固化的硅橡胶表面覆盖芯层玻璃片后继续固化2小时以上，使盖玻片与硅橡胶层产生键合。盖玻片与硅橡胶层键合后，将聚合物模具剥离。
2)表面处理：包括内芯表面处理和盖片表面处理。内芯表面处理包括：绝缘层涂覆、疏水处理。绝缘层可采用聚合物材料，疏水处理可通过涂布疏水材料实现。盖片表面处理包括上盖片疏水处理、下盖片导电层镀制、流体出入口钻孔。盖片采用高韧性盖玻片，ITO导电层采用真空镀膜方法制备。下盖片也可以采用商用导电玻璃。
3)芯片合成：将盖片与内芯通过合适的绝缘胶或者表面活性处理方法粘合成如图2、图4所示的独立芯片。
4)液体封装：先将导电水溶液注入下层一个储液池，通过压力作用充满下流道和另一个下层储液池；再将绝缘油溶液注入上层一个储液池，通过毛细作用充满上流道和另一个上层储液池。通过调节上、下流层压力差使两种液体界面处于镜腔内的适当位置；最后封闭流体出入口。
作为本发明的具体实施例2，微流控变焦透镜阵列芯片同样采用“上盖片+内芯+下盖片”的三明治夹心结构。内芯是具有圆柱状通孔阵列的导电平板，每个圆孔分别在上下两面通过流道网络互相连接。盖片与圆孔之间的空隙形成透镜腔，用于存储折射率不同的两种不混溶液体。其导电内芯采用导电硅橡胶，这是由于导电硅橡胶易于成型，能通过粘合剂与透明基片很好地粘合，形成一体，且可以作为一个电极；另一电极采用ITO导电层。基片仍然采用高性能的盖玻片。绝缘层和疏水层可合并为一层采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文缩写为PTFE，商标名特富龙，Teflon@AF)涂层来实现，这是因为特富龙既是一种绝缘体又具有很好的疏水性。导电流体可以采用表面张力较大的食盐水溶液，绝缘流体采用表面张力相对大的蓖麻油。
Claims (3)
1、一种电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法，其特征在于采用机械加工、准分子激光打标或软光刻、镀膜、封合来实现包含双层微流道网络的“上盖片(1)+导电内芯(3)+下盖片(2)”的三明治夹心结构的集成制作，其主要步骤包括：
1.)导电内芯的制作：采用软光刻的方法，通过光刻模具制作、导电硅橡胶旋涂、固化脱模过程，制作得到仅有一面刻有微流道网络(9)的带有圆柱状通孔腔阵列的导电内芯(3)，将两片导电平板未刻有微流道网络(9)的光滑面对接，通过加热固化使两光滑面之间发生键合，形成导电内芯(3)；
2.)表面处理：表面处理分为内芯表面处理和盖片表面处理两部分，内芯表面采用生长法在内芯上生成一层500nm的SiO2绝缘层(8)，并通过浸蘸疏水剂得到疏水层(7)；同样，上盖片(1)表面通过涂敷疏水剂进行表面疏水处理得到疏水层(7)，下盖片(2)表面则采用喷涂方法进行导电层镀膜得到透明导电层(6)；
3.)芯片合成：而将上、下盖片表面旋涂粘合剂后与内芯拼接，再送入烘干箱烘烤固定；
4.)液体封装：先将导电流体(4)注入下层一个储液池，通过压力作用充满下流道和另一个下层储液池，再将绝缘流体(5)注入上层一个储液池，通过毛细作用充满上流道和另一个上层储液池，通过调节上、下流层压力差使两种液体界面处于镜腔内的适当位置；最后用粘合剂封闭流体出入口。
2、根据权利要求1所述的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法，其特征在于导电内芯(3)制作时，在尺寸较大的情况下，选用金属平板通过机械加工或准分子激光打标技术在平板上下表面分别刻槽形成微流道网络(9)，机钻或激光打孔加工微透镜腔(10)。
3、根据权利要求1或2所述的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法，其特征在于导电内芯(3)表面处理可采用不锈钢表面钝化方法，将由机械加工或准分子激光打标产生的金属表面毛刺消除，得到很高的表面光洁度，再利用旋涂、浸渍、喷涂的不同方式，在不锈钢表面上制备出均匀、致密、无裂纹且具有厚度为5μm的陶瓷涂层作为绝缘层(8)，通过喷涂/干燥技术，在内芯表面涂布上一层疏水层(7)。
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