CN101806929A - 数字式微流控变焦透镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式微流控变焦透镜及其制作方法。所述的数字式微流控变焦透镜中流体透镜和液压执行器单元是在基底和盖板之间充满流体的腔体，且两者腔体内流体相互连通。液压执行器单元是由若干个可独立控制的、容积相同或不同的腔体组成，工作状态下液压执行器单元腔体内流体输出量满足二进制变化。在公共电极和控制电极之间施加电压时，对应的液压执行器单元盖板会产生变形或移动，挤压执行器单元腔体内一部分流体进入透镜腔体内，使得流体透镜的透明盖板变形，从而改变透镜的焦距。选通不同的液压执行器单元腔体，能挤压不同容积的流体进入透镜腔体内，使透镜盖板产生不同程度的变形，实现透镜焦距的变化。

Description

数字式微流控变焦透镜及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种数字式微流控变焦透镜及其制作方法，属于变焦透镜以及微光机电系统领域。

背景技术

变焦透镜是显微镜、照相机、拍照手机、医学内窥镜、光存储、光互连等光学系统中的一个关键组件。传统变焦镜头一般是由多片透镜及其它光学元件组成，利用马达等机械装置改变透镜之间位置以改变透镜焦距。这类变焦透镜变焦速度慢、价格昂贵，且不易实现微型化，无法集成在微型光学系统中。

微型变焦透镜具有体积小、成本低、变焦速度快、易加工等特点，可广泛应用于拍照手机等便携式微型光学系统中，在信息技术、医疗卫生、空间技术等领域具有广泛的应用前景。目前，已经提出了基于不同机制的微型变焦透镜，且部分已实现商业化，代表性的公司有法国Varioptic、美国Sunex Inc.、瑞士Optotune、加拿大Artificial Muscle Inc.等。其中，微型可变焦液体透镜尤为引人注目。液体透镜实现变焦的原理主要可分为以下三种类型：基于电润湿效应、基于折射率变化以及基于填充液体表面曲率变化。基于电润湿效应的变焦透镜(B.Berge，et.al.，IEEE MEMS2005，2005，227-230；H.Zappe，Optoelctron.Lett.，2007，4，86-88；)是利用外加电压变化改变电润湿介质与绝缘层之间的接触角，从而改变液体截面的表面曲率实现透镜变焦。这种变焦透镜响应时间短、集成性能好，但驱动电压高、透镜口径大小有限；基于折射率变化的通过改变材料折射率实现透镜的连续变焦，如液晶变焦透镜(H.W.Ren，et.al.，Opt.Express，2007，15，11328-11335)通过改变施加电压调节液晶折射率分布，这种变焦透镜具有结构简单、抗振性能好、易阵列化等特点、但由于液晶中电场的非均匀性会产生光学像差；基于填充液体表面曲率变化的变焦透镜通过执行器(静电驱动(B.K.Nguyen，et.al.，Appl.Phys.Lett.，2008，93，124101)、压电驱动(H.Oku，et.al.，Opt.Express，2004，12，2138-2149)，微泵驱动(G.H.Feng，et.al.，Appl.Opt.，2009，48，3284-3290；M.Agarwal，et.al.，J.Micromech.Microeng.，2004，14，1665-1673)、热驱动(W.S.Wang，et.al.，IEEESens.J.，2007，7，11-17)、形状记忆合金驱动(H.M.Song，et.al.，Opt.Express，2009，17，14339-14350)等)挤压腔体内液体，改变腔体表面透明的柔性薄膜曲率，从而实现透镜聚焦。这种变焦透镜具有功耗低、透镜口径大小灵活、加工容易、变焦范围大等特点，但对执行器控制精度要求高。

综上所述，已报道的微流体变焦透镜大多是通过改变电压等模拟输入方式实现透镜变焦，因此需要控制电路模块提供变化的电压输出，增加了器件成本。提高最大输出电压可增大透镜变焦比，但功耗也随之增加。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种数字式微流控变焦透镜，所述的数字式微流控变焦透镜包括流体透镜、液压执行器单元、公共电极、控制电极、电极引线及引脚、引线和引线槽、流体连通槽、进样孔、排气孔、密封带等。其特征在于：①流体透镜和液压执行器单元是位于基底和盖板之间的充满流体的腔体，且两者腔体内流体互相连通；②进样孔与排气孔通过流体连通槽或引线槽与透镜或液压执行器单元的腔体连通；③控制电极位于液压执行器单元的正下方，且与液压执行器单元的形状相同。液压执行器单元是由若干个可独立控制的、容积相同或不相同的腔体组成。在公共电极和控制电极之间施加电压时，对应的液压执行器单元盖板会产生变形或移动，挤压执行器单元腔体内一部分流体进入透镜腔体内，使得流体透镜的透明盖板变形，从而改变透镜的焦距。选择不同的液压执行器单元或多个执行器单元的控制电极，能够挤压不同容积的流体进入透镜腔体内，使得流体透镜盖板产生不同程度的变形，实现透镜焦距在一定范围内变化。

所述的流体透镜腔体的基底和盖板是透明的，盖板为单层或多层薄膜。

所述的液压执行器单元盖板为单层薄膜或多层薄膜。

所述的液压执行器单元在施加电压后腔体内流体输出量满足二进制变化，具体地，液压执行器单元腔体i，i+1在施加电压后腔体内流体输出量分别为V(i)，V(i+1)，则V(i+1)/V(i)＝2。

所述的液压执行器单元腔体环绕透镜任意排列。

所述的进样孔与排气孔通过流体连通槽或引线槽与透镜、液压执行器单元腔体连通。

所述的液压执行器单元盖板作为公共电极。

所述的控制电极以及电极引线、引脚材料是导电薄膜。

所述的控制电极位于液压执行器单元正下方且与液压执行器单元形状相同。所述的控制电极是若干个可独立控制、彼此电隔离的电极。

所述的电极引线是具有任意倾斜角度的直线或任意弧度的曲线。

所述的引线槽侧壁具有绝缘薄膜。

本发明的目的之一在于提供一种数字式微流控变焦透镜制作方法，主要包括：引线槽、流体连通槽形成，透镜与执行器腔体、进样孔、排气孔形成，电极及其引线形成，密封带形成等。具体特征在于：

(1)在第一基底单晶硅上形成引线槽和流体连通槽。

(2)在步骤(1)所述的第一基底上单晶硅形成透镜与液压执行器腔体、进样孔、排气孔。

(3)在第二基底玻璃衬底上形成电极、引线及引脚图形的导电薄膜。

(4)将第一基底单晶硅和第二基底玻璃衬底图形面键合，背面减薄第一基底至一定厚度。

(5)在第一基单晶硅底背面形成电接触图形的导电薄膜，刻蚀透镜腔体、排气孔、进样孔和电极引脚孔正上方的第一基底单晶硅至完全露出第二基底玻璃衬底上控制电极。将制作好的薄膜贴在透镜腔体开口处并完成键合。

(6)划片、密封引线槽，灌液后密封进样孔、排气孔、打线。

所述的透镜与液压执行器腔体内填充绝缘的亲水性流体，在步骤(2)后，第一基底单晶硅图形面上须覆盖亲水性薄膜或步骤(6)灌液前作芯片亲水处理。

所述的透镜与液压执行器腔体内填充绝缘的疏水性流体，在步骤(3)后，第二基底玻璃衬底上形成的电极及引线须覆盖疏水性薄膜或步骤(6)在灌液前作芯片疏水处理。

本发明的有益效果是采用数字微流控变焦透镜降低了对执行器的控制精度要求，且控制方式更加简单。透镜变焦是通过选通透镜液压执行器控制单元的“开”和“关”两种状态实现的。具体地，通过选通具有不同容积的静电-液压执行器单元或单元组合以挤压不同容量的液体进入透镜腔体，从而可实现透镜焦距在一定范围变化，而模拟式变焦透镜则需通过专用芯片提供精确的连续变化的控制电压才能获得精确的透镜焦距变化。另外，由于便携式设备本身供电电源输出电压往往比较低，为了提高透镜变化范围，模拟式变焦透镜还需要专用芯片提供高的变压比输出(如手机锂电池标称电压为3.7伏，一款变焦透镜模组需配备Maxim专用手机驱动芯片MAX14515以提供最高47伏的电压输出)，这无疑又会增加了整个芯片组的成本。除此之外，本发明提供的数字式控制模组在抗电磁干扰方面也优于模拟式控制模组。因此，数字式液体变焦透镜具有控制方式简单、芯片成本低、抗干扰性能好等优点，此外，数字式液体变焦透镜还具有驱动电压低、透镜口径大小灵活、易加工等特点。综上所述，数字式液体变焦透镜结构和控制方式新颖，与现有商业化微流体变焦透镜相比，所述的器件在控制方式、成本等方面具有一定的竞争优势和潜在的商业前景。

附图说明

图1为本发明提供的数字式微流控变焦透镜的一个实施例结构示意图；

图2为图1所示的结构的引线槽、流体连通槽俯视图；

图3为图1所示结构的液压执行器单元腔体、透镜腔体、排气孔、进样孔和电极孔俯视图；

图4为图3A-A’，B-B’，C-C’的局部剖视图；

图5为图1所示的结构中第2基底上控制电极及其引线俯视图；

图6数字式微流控变焦透镜的另一个实施例结构示意图；

图7为图6所示的结构中引线槽、流体连通槽俯视图；

图8为图6所示的结构所示的液压执行器单元腔体、透镜腔体、排气孔、进样孔和电极引脚孔俯视图；

图9为图8所示D-D’和E-E’的局部剖视图；

图10为图6所示的结构在第2基底上的控制电极及其引线俯视图；

图11数字式微流控变焦透镜的一个加工流程实例示意图：(a)形成单晶硅刻蚀掩模层，(b)刻蚀形成流体连通槽及引线槽，(c)形成单晶硅刻蚀掩模层，(d)刻蚀单晶硅，形成执行器单元腔体、透镜腔体、排气孔、进样孔和电极孔，(e)玻璃衬底上形成导电薄膜作为控制电极，(f)图形面硅玻璃键合，(g)氢氧化钾腐蚀单晶硅至一定厚度，(h)形成单晶硅刻蚀掩模层，(i)在硅片上形成导电薄膜并刻蚀形成电接触，(j)刻蚀去除透镜、进样孔、排气孔、电极引脚孔上方单晶硅薄膜，(k)密封引线槽与玻璃衬底之间微通道在电极引脚孔处单面，形成密封带，(l)粘贴透镜薄膜并密封进样孔和排气孔。

图中各数字代表含义：

1第一基底单晶硅片；2第二基底玻璃衬底；3(a-h)液压执行器单元盖板；4透镜腔体盖板；5透镜与执行器单元以及执行器单元间隔离框架；6公共电极引线；7进样孔盖板；8排气孔盖板；9电接触；10公共电极引脚；11(a-h)控制电极引脚；12(a-h)电极引线；13密封带；14执行器单元阵列盖板；15(a-h)流体连通槽；16(a-h)引线槽；17进样孔；18排气孔；19电极引脚孔；20(a-h)执行器单元腔体；21透镜腔体；22(a-h)控制电极；23液压执行器单元阵列腔体；24热氧化硅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明，以进一步阐明数字式微流控变焦透镜及其制作方法的实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅局限于介绍的实施例。

实施例1

本发明的实施例1涉及一种数字式微流控变焦透镜，结合图1、图2-5进行说明。图1是数字式微流控变焦透镜整体结构示意图，第一基底单晶硅1、第二基底单晶玻璃衬底2内部结构分别如图2、图5所示；图1中执行器盖板3、透镜盖板4、进样孔盖板7、排气孔盖板8下方是中空的腔体；八个(不局限于此数目)执行器单元腔体20具有不同容积，彼此通过框架5隔离；执行器单元腔体20与透镜腔体21通过框架5隔离；框架5下方分布有流体连通槽15，保证执行器单元腔体20和透镜腔体21内流体是连通的；第一基底单晶硅1上的电接触9以引线方式连接到第二基底玻璃衬底2上公共电极引脚10；基底2上分布有不同面积的控制电极22，通过电极引线12至控制电极引脚11；电极引线12与控制电极引脚11材料是相同的；电极引线12与基底1之间通过分布在基底1上引线槽16隔离；引线槽16与基底2之间引线槽16在电极引脚孔19处断面通过密封带13密封；

实施例2

本实施例涉及另一种数字式微流控变焦透镜，结合图6、图8-10进行说明。实施例2与实施例1的区别在于：实施例2中液压执行器单元是由不同数目且具有相同容积的腔体23组成，其结构如实施例1所述。

实施例3

实施例3涉及一种数字式微流控变焦透镜的制作方法，下面结合图1和图2-5以及图6和图7-10阐明实施例1和实施例2所述的数字式微流控变焦透镜的具体制作方法，主要包括：

(i)高温氧化：在第一基底单晶硅片1上形成热氧化硅24，光刻胶掩膜光刻，再用缓冲氧化蚀刻剂(BOE)腐蚀氧化硅后去胶(图11(a))，以氧化硅为掩膜层，深反应离子刻蚀(DRIE)单晶硅形成流体连通槽15和引线槽16(图11(b))，对应结构图见图2、图7。

(ii)在步骤(1)高温氧化第一基底单晶硅片1形成热氧化硅，光刻胶掩膜光刻，再用BOE腐蚀氧化硅后去胶(图11(c))，以氧化硅为掩膜层，DRIE干法刻蚀单晶硅，形成执行器单元腔体20、透镜腔体21、排气孔18、进样孔17和电极引脚孔19(图11(d))，对应结构图请参阅图3、图4、图8、图9。

(iii)在第2基底玻璃衬底2上溅射金属铝(Al)薄膜或者氧化铟锡(ITO)导电薄膜，光刻胶掩膜光刻，腐蚀后形成公共电极引脚10、控制电极引脚11、电极引线12和控制电极22(图11(e))，对应结构请见图5、图10。

(iv)图形面硅-玻璃阳极键合(图11(f))，氢氧化钾(KOH)腐蚀单晶硅片1至一定厚度(图11(g))，在第一基底单晶硅片1背面沉积氧化硅，光刻胶掩膜光刻，BOE腐蚀透镜腔体21、排气孔18、进样孔17和电极引脚孔19上方的氧化硅以及电接触9处氧化硅，去胶(图11(h))，对应结构请见图1或图6。

(v)在第一基底单晶硅片1背面溅射金属Al薄膜或ITO导电薄膜，光刻胶掩膜，腐蚀后形成电接触9(图11(i))，DRIE刻蚀至露出第2基底玻璃衬底2(图11(j))，对应结构图请参见图1或图6。

(vi)划片，密封引线槽与玻璃基底之间微通道在电极引脚孔19处断面，形成密封带13，注液后密封进样孔17、排气孔18、打线(图11(k))，去胶，将制作好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜4贴在透镜腔体21上方，形成透镜腔体盖板，采用紫外光照射或氧等离子激活方法实现键合(图11(l))。

Claims (10)

1.一种数字式微流控变焦透镜，其特征在于所述的微流控透镜包括流体透镜、液压执行器单元、公共电极、控制电极、引线和引线槽、流体连通槽、进样孔、排气孔，其中：

①流体透镜和液压执行器单元是位于基底和盖板之间的充满流体的腔体，且两者腔体内流体互相连通；

②进样孔与排气孔通过流体连通槽或引线槽与透镜或液压执行器单元的腔体连通；

③控制电极位于液压执行器单元的正下方，且与液压执行器单元的形状相同。

2.按权利要求1所述的数字式微流控变焦透镜，其特征在于：

①所述的流体透镜的腔体的基底和盖板是透明的，盖板为单层薄膜或多层薄膜；

②所述的液压执行器单元的盖板为单层薄膜或多层薄膜，且作为公共电极；

③所述的控制电极是若干个独立控制，彼此电隔离的电极。

3.按权利要求1所述的数字式微流控变焦透镜，其特征在于所述的液压执行器单元由一个或多个腔体组成，多个腔体彼此通过框架隔离。

4.按权利要求3所述的数字式微流控变焦透镜，其特征在于所述的液压执行器单元的腔体容积相同或不相同。

5.按权利要求3所述的数字式微流控变焦透镜，其特征在于液压执行器单元在施加电压后腔体内流体输出量满足二进制变化。

6.按权利要求1、3、4或5所述的数字式微流控变焦透镜，其特征在于液压执行器单元腔体环绕透镜任意排列。

7.按权利要求1所述的数字式微流控变焦透镜，其特征在于：

①所述的引线是具有任意倾斜角度的直线或任意弧度的曲线；

②所述的引线槽侧壁具有绝缘薄膜。

8.制备如权利要求1所述的数字式微流控变焦透镜的方法，其特征在于具体步骤是：

(1)在第一基底单晶硅上形成引线槽和流体连通槽；

(2)在步骤(1)所述的第一基底上单晶硅形成透镜与液压执行器腔体、进样孔、排气孔；

(3)在第二基底玻璃衬底上形成电极、引线及引脚图形的导电薄膜；

(4)将第一基底单晶硅和第二基底玻璃衬底图形面键合，背面减薄第一基底至一定厚度；

(5)在第一基单晶硅底背面形成电接触图形的导电薄膜，刻蚀透镜腔体、排气孔、进样孔和电极引脚孔正上方的第一基底单晶硅至完全露出第二基底玻璃衬底上控制电极。将制作好的薄膜贴在透镜腔体开口处并完成键合；

(6)划片、密封引线槽，灌液后密封进样孔、排气孔、打线。

9.按权利要求8所述的数字式微流控变焦透镜的制备方法，其特征在于所述的透镜或液压执行器腔体内填充绝缘的亲水或疏水性流体。

10.按权利要求8或9所述的数字式微流控变焦透镜的制备方法，其特征在于：

①填充绝缘的亲水性流体，在步骤(2)后第一基底单晶硅图形面上覆盖亲水性薄膜或步骤(6)在灌液前作芯片亲水处理；

②填充绝缘的疏水性流体，在步骤(3)后第二基底玻璃衬底上形成的电极和引线覆盖疏水性薄膜或在步骤(6)灌液前作芯片疏水处理。

Images