一种基于光流体的微光学芯片及其制作方法技术

本发明专利技术提出了一种基于光流体的微光学芯片及其制作方法，属于微机械电子系统（ＭＥＭＳ）中一种新型的微流体光学器件。发明专利技术提出的芯片包括微管道基体１、上盖片、第一微管道５、与第一微管道５形成交叉连接的第二微管道８、微液滴９；两个微管道内部都充满流体介质且互不相容；微液滴９和第一微管道５内部的流体介质也互不相容，并且具有不同的折射率。本发明专利技术提出的微光学芯片及其制作方法提供集成的微光学芯片，将非球面光学零件、反射镜、滤光片等光学零件集成在一个芯片上，光学零件配置灵活，满足对光学零件小型化与阵列化的要求；在ＭＥＭＳ制作工艺基础上，工艺简单，适合于批量制作；体积小，整个芯片可以达到毫米数量级的外形尺寸。

【技术实现步骤摘要】
专利说明 一、所属领域 本专利技术涉及利用微流体光学特性进行工作的微光学芯片，属于微机械电子系统(MEMS)中一种新型的微流体光学器件。 二、现有技术 现有微光学系统是基于分立光学零件组成，分立光学零件包括反射镜、滤光片、非球面镜等，按照光路设计在空间安装排列，对光路进行调节。如美国加州大学洛杉矶分校(UCLA，USA)通过微机电系统技术，将Fresnel微透鏡(Micro Lens)、微分光镜(Micro Beam Splitter)、以及微平面镜(Micro Mirror)集成在一起。这种分立光学零件组成的微光学系统光路空间尺寸较大，不能满足对光学零件小型化与阵列化的要求。 分立光学零件采用玻璃或塑料材料加工，现有光学零件加工方法包括光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术、以及传统的研磨抛光技术等。 光学玻璃透镜模压成型技术是把软化玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下直接模压成型光学零件，可以模压小型非球面透镜阵列。需要精确控制温度和压力等工艺参数、设计专用的模压机床、以及高质量的模具。对模具的材料及加工性能要求很高，对微型透镜模具的要求更为严格。现已能制造每个透镜的直径为100μm的微型透镜阵列。 光学塑料成型技术是将加热成流体的光学塑料注入到不锈钢模具中，冷却固化后获得所需要的光学塑料零件。该技术主要生产直径100mm以下的非球面光学零件，也可制造微型透镜阵列。光学塑料成型技术的关键环节仍旧是模具，非球面模具的超精密加工相当困难，通常的加工都要经过数控机床磨削、范成法精磨法、抛光等工艺。 分立光学零件加工中存在的问题是光学玻璃透镜模压成型以及光学塑料成型技术，对模具的要求很高，对模具制造的加工工艺要求更高；不能制作体积在毫米或者微米数量级的微小型透透镜；无法将透镜与其他光学元器件集成在一块芯片上。
技术实现思路
专利技术目的 本专利技术的目的是克服分立光学零件构成微光学系统的以下不足1)分立光学零件组成的微光学系统光路空间尺寸较大，不能满足对光学零件小型化与阵列化的要求；2)在现有塑料和玻璃为基体材料的分立光学零件工艺，对模具的要求很高，对模具制造的加工工艺要求更高；3)现有技术无法将透镜与其他光学元器件集成在一块芯片上。由此，本专利技术提出基于光流体的微光学芯片及其制作方法，使得制作毫米甚至微米数量级的微型光学芯片成为可能。 技术方案 本专利技术提出的基于光流体的微光学芯片，包括以下部分微管道基体1，位于微管道基体1上第一微管道5，位于第一微管道5内的微液滴9，上盖片2；第一微管道5的两端用密封片11密封，内部充满流体介质；微液滴9和第一微管道5内部的流体介质具有不同的折射率且互不相容。 还可以有第二微管道8与第一微管道5形成交叉连接，如十字形、双T型或其他形式；第二微管道8的两端密封，内部充满流体介质；第一微管道5内部的流体介质和第二微管道8内部的流体介质互不相容。 第一微管道5和第二微管道8横截面形状可以为圆形或者矩形，管道的特征尺寸为1～1000微米。 第一微管道5的两端可以形成任意角度的折线形式，并保证微液滴9不处于折线部分。 第一微管道5折线段的管壁的一面可以制作转角凹台，转角凹台的中心线与第一微管道5中心轴线在管壁的另一面上相交。 第一微管道5的两端可以有储液池I6和储液池II10；第二微管道8两端可以有储液池III4和储液池IV7；在上盖片2上有用以密封储液池III4、储液池I6、储液池IV7、储液池II10开口的密封薄膜3。 本专利技术提出的基于光流体的微光学芯片的制作方法包括如下步骤 1.在基体材料上制作微管道，可以采用以下工艺方法 1.1采PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)基体材料制作微管道的准LIGA工艺流程包括光刻掩膜，电铸模具，压模成型； 1.2采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)基体材料制作微管道的工艺流程包括光刻掩膜，模具制作，浇铸，固化，脱模； 1.3采用玻璃基体材料制作微管道的工艺流程包括涂胶，光刻掩膜，刻蚀。 2.微管道表面改性处理，即改变微管道表面与制作透镜用流体介质之间的浸润性关系； 3.制作储液池根据微管道基体材料的不同，在上盖片或者微管道基体上相应位置，钻削直径为0.5～2mm的孔作为储液池； 4.键合微管道基体和上盖片； 5.微液滴注入采用微流体驱动技术，将流体介质和微液滴流体介质分别驱动到第一微管道中相应的位置，选择流体驱动方式和进样参数，得到需要的微液滴参数； 6.可以根据微光学芯片对滤光的需要，驱动滤光流体介质注入到第二微管道中； 7.可以根据需要，在上盖片或基体上键合密封薄膜； 8.可以根据需要，将芯片放入恒温箱中，使微液滴固化； 9.可以根据需要切割芯片，并密封微管道两端。 专利技术的效果 本专利技术提出的基于光流体的微光学芯片具有以下优点1)提供集成的微光学芯片，将非球面光学零件、反射镜、滤光片等光学零件集成在一个芯片上，光学零件配置灵活，满足对光学零件小型化与阵列化的要求；2)在微机电系统制作工艺基础上，具有制作工艺简单，适合于批量制作的特点；3)体积小，整个芯片可以达到毫米数量级的外形尺寸。 四附图说明(附图在文字中的引用说明) 图1具体实施例1的微流体透镜芯片 图2微液滴9的参数设计 图3具体实施例2的微流体透镜芯片 图4具体实施例3的微流体透镜芯片 图5具体实施例3微流体透镜芯片的转角凹台尺寸 图6具体实施例4的微流体透镜芯片 图7图6的CC1EE1DD1向剖视图 图8具体实施例4微流体透镜芯片的转角凹台尺寸 其中，1-微管道基体，2-上盖片，3-密封薄膜，4-储液池，5-第一微管道，6-储液池I，7-储液池IV，8-第二微管道，9-微液滴，10-储液池II 五具体实施例方式 具体实施例1 参考图1，本专利技术提出的一种微光学芯片，芯片尺寸为长×宽×高＝2.5mm×2.0mm ×0.6mm，包括以下部分微管道基体1，位于微管道基体1上第一微管道5，位于第一微管道5内的微液滴9，上盖片2；微管道基体1采用PMMA制作，厚度0.3mm；第一微管道5尺寸为长×宽×高＝2.5mm×100μm×100μm，上盖片2为PMMA制作，厚度为0.3mm；第一微管道5的两端的密封片11采用厚度为0.12mm的PMMA薄膜，内部为空气介质，微液滴9为折射率为1.44的有机硅油。 工作过程描述 平行光束从第一微管道5左端A入射进入第一微管道5，经过微液滴9的透镜聚光作用，从右端B出射，汇聚在微透镜焦点处。 参阅图2，微液滴9作为会聚透镜的参数设计如下 微液滴9透镜的各参数满足如下条件折射率为n2＝1.44的微液滴的两个折射球面的半径为R，厚度为W，空气介质的折射率为n1＝1.0，则透镜两个折射面焦距计算公式为 式中，f1和f1‘为微液滴入射光非球面镜的像方焦距和物方焦距，f2和f2‘为微液滴出射光非球面镜的像方焦距和物方焦距。 透镜光学间隔Δ为 微透镜焦距f‘为 当时，f′＞0，此时透镜两主平面位于透镜内部，为正透镜。 当时，f′＜0，此时透镜两主平面位于透镜外部，为发散透镜。 选择有机硅油微液滴折射率系数为n2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光流体的微光学芯片，包括：微管道基体（１），位于微管道基体（１）上第一微管道（５），位于第一微管道（５）内的微液滴（９），上盖片（２）；第一微管道（５）的两端用密封片（１１）密封，内部充满流体介质；微液滴（９）和第一微管道（５）内部的流体介质具有不同的折射率且互不相容。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黎永前，吕湘连，叶芳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]