專利名稱：模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的壓電調(diào)諧微流控光陣列開關(guān)芯片結(jié)構(gòu)，屬于光互聯(lián)網(wǎng)中光 交叉連接、光分插復(fù)用器件的技術(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)，是系統(tǒng)集成領(lǐng)域中的發(fā)展前沿。代表 著光學(xué)元件走向微型化、集成化的發(fā)展方向。它以微機(jī)電加工技術(shù)為依托，以微管道為結(jié)構(gòu) 特征，是當(dāng)前系統(tǒng)集成領(lǐng)域中的發(fā)展重點(diǎn)。隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新的光網(wǎng)絡(luò)核心器件技術(shù)對(duì)光開關(guān)也提出了更高的 要求。在光開關(guān)的技術(shù)指標(biāo)上，要求光開關(guān)器件具有更高的工作速度、更低的插入損耗和更 長(zhǎng)的工作壽命；在器件的體積上，由于全光網(wǎng)單元器件的增多，為使器件小型化，就要求器 件有更高的集成度。微流控芯片的主要特征是其容納流體的有效結(jié)構(gòu)至少在一維度上為微米級(jí)尺度， 顯著增大了流體環(huán)境的面積/體積比例。微流控陣列光開關(guān)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，這種器件在光通信及其它許多領(lǐng)域中有很廣泛的應(yīng)用， 如利用微流控陣列光開關(guān)制作的光互連器件光交叉連接、光分插復(fù)用器件等。目前已經(jīng)實(shí) 用化的光開關(guān)，除了 MEMS等少數(shù)類型的光開關(guān)以外，現(xiàn)存光開關(guān)的交換容量總是有限，很 難制成大陣列；而MEMS光開關(guān)本身在高端日密度及抗機(jī)械摩擦、磨損或震動(dòng)等方面也存在 不足之處。所以研制微流控陣列光開關(guān)具有重要的技術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1] J. R. Adleman, D. A. Boyd, D. Goodwin. Optofluidic Technologies [C]. Proc. LEOS Summer Topical Meetings,2007,66-67.[2]Demetri Psaltis, Stephen R. Quake2 & Changhuei Yang, Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics, Nature, Vol. 442, No. 27，(2006)381-386.[3]梁宏軍，張洪社.MEMS與MEMS光開關(guān).應(yīng)用光學(xué)，2005，01-021.[4]吳建剛，岳瑞峰，曾雪鋒，劉理天.微流控光學(xué)器件與系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].光 學(xué)技術(shù)，2006，(01).

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種微流控陣列光開關(guān)芯片，解決微流控陣列 光開關(guān)的電控制、波導(dǎo)層制作以及集成化方法問題。技術(shù)方案本發(fā)明的模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片采用“蓋板+波導(dǎo)層+ 底板”結(jié)構(gòu)，其中，第一層為蓋板，蓋板上留有接線孔；第二層為波導(dǎo)層，其中每一個(gè)單元都 設(shè)有微流道、第一條形波導(dǎo)、第二條形波導(dǎo)、第三條形波導(dǎo)、第四條形波導(dǎo)、第一等腰直角棱鏡、第二等腰直角棱鏡，其中，兩個(gè)棱鏡的斜面構(gòu)成微流道，微流道的一端密封，另一端為向 外延伸的曲面結(jié)構(gòu)，曲面外側(cè)貼有薄膜，薄膜外側(cè)是電調(diào)諧控制器件；第一條形波導(dǎo)、第二 條形波導(dǎo)、第三條形波導(dǎo)、第四條形波導(dǎo)順序相差90度設(shè)置；第三層為底板；蓋板的下表面 與波導(dǎo)層、波導(dǎo)層與底板通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定的效果。電調(diào)諧控制器件包括壓電陶瓷或，壓電雙晶片，或電控移動(dòng)的薄片。薄膜在微流道的側(cè)方或上方，壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片相應(yīng)的從 側(cè)方或上方作用在薄膜上，推動(dòng)液體移動(dòng)。陣列光開關(guān)根據(jù)需要由多個(gè)單元任意連接成mXn陣列形式，其中m，η為正整數(shù)。四個(gè)條形波導(dǎo)和兩個(gè)等腰直角棱鏡構(gòu)成光傳輸通道，通過液體的流動(dòng)和等腰直角 棱鏡表面的折射和反射實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的“開”、“關(guān)”動(dòng)作；波導(dǎo)層基材采用有機(jī)聚合物材料，條 形波導(dǎo)、等腰直角棱鏡、微流道和固定電調(diào)諧控制器件的凹槽的制作采用熱壓或注塑法一 次成型得到；蓋板與波導(dǎo)層、波導(dǎo)層與底板之間利用等離子輔助健合方式實(shí)現(xiàn)密封的效果。 將微流體封裝在微流道靠近貼有薄膜的一端，另一端封存空氣，液體封裝后在平衡狀態(tài)下 停留在微流道中的固定位置，微流體與波導(dǎo)層材料折射率相近。當(dāng)電調(diào)諧控制器件通電，在 電調(diào)諧控制器件推力的作用下，薄膜產(chǎn)生形變，推動(dòng)微流體向微流道另一端移動(dòng)，并壓縮微 流道中的氣體，達(dá)到電調(diào)諧控制器件驅(qū)動(dòng)微流體的效果。模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)的工作過程圖1中，將液體封裝在微流道中，當(dāng) 電調(diào)諧控制器件為通電狀態(tài)時(shí)，電調(diào)諧控制器件發(fā)生位移，其推力使薄膜變形向流道方向 擠壓，推動(dòng)微流體向微流道另一端移動(dòng)，并壓縮微流道中的氣體，如圖2a，當(dāng)液體移動(dòng)至微 流道與光路交匯區(qū)，由于微流道中的液體與波導(dǎo)層材料的折射率相近，故光束由條形波導(dǎo) 通過微流道，到達(dá)條形波導(dǎo)，此時(shí)為‘開’狀態(tài)；當(dāng)斷開電流，電調(diào)諧控制器件恢復(fù)原狀，在微 流道內(nèi)被壓縮的空氣的作用下，微流體向相反方向移動(dòng)，薄膜恢復(fù)形變，如圖2b，微流道與 光路的交匯區(qū)為空氣時(shí)，由于棱鏡材料折射率大于空氣折射率，光束在直角棱鏡斜面發(fā)生 全反射，光傳輸方向發(fā)生變化，光束由條形波導(dǎo)6到達(dá)條形波導(dǎo)，此時(shí)為‘關(guān)’的狀態(tài)?？刂破骷捎脡弘娞沾苫驂弘婋p晶片，其原因是壓電陶瓷等器件具有很高的敏感 性，響應(yīng)速度快，符合高速光開關(guān)的要求，另外它具有頻率穩(wěn)定性好、精度高、體積小、不吸 潮、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。波導(dǎo)層基材采用有機(jī)聚合物材料，條形波導(dǎo)、等腰直角棱鏡、微流道和固定電調(diào)諧 控制器件的凹槽的制作采用熱壓或注塑法一次成型得到，這樣可以方便的實(shí)現(xiàn)微流道和光 波導(dǎo)的制作，大大降低了制作成本。微流道的一端密封，另一端為向外延伸的曲面結(jié)構(gòu)，可 以方便地貼上薄膜，并且由于微流道的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的電調(diào)諧控制器件的尺寸，該曲 面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得電調(diào)諧控制器件可以作用在尺寸合適的薄膜上來達(dá)到驅(qū)動(dòng)微流道中液 體的效果。薄膜采用具有良好的彈性、耐久性和熱學(xué)穩(wěn)定性、且價(jià)格便宜可大規(guī)模生產(chǎn)的彈 性薄膜。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)明直接利用壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片對(duì)微管道中納升量級(jí) 的液體進(jìn)行控制，很好地體現(xiàn)了微流控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有的大交換容量和高效率特性，有利 于構(gòu)造當(dāng)前期待的高速光開關(guān)。創(chuàng)新之處在于
(1)利用壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片作為微流體控制器，壓電陶瓷 具有很高的敏感性，響應(yīng)速度快，符合高速光開關(guān)的要求。(2)波導(dǎo)層基材采用有機(jī)聚合物材料，條形波導(dǎo)、等腰直角棱鏡、微流道和固定電 調(diào)諧控制器件的凹槽的制作采用熱壓或注塑法一次成型得到，降低制作光開光成本，并且 保證微流道內(nèi)壁的光滑，減小光傳播過程中的損耗。(3)由于避免了層層控制能量傳遞的繁瑣過程，其高速度性能將是一大優(yōu)勢(shì)。(4)易于對(duì)陣列結(jié)構(gòu)的控制，只要改變壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片 的狀態(tài)就可達(dá)到開關(guān)效果，即壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片向外推動(dòng)時(shí)，光開 關(guān)就表現(xiàn)為“開”;壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片松開時(shí)，光開關(guān)則表現(xiàn)為“關(guān)”。(5)采用模塊化設(shè)計(jì)，可由多個(gè)單一模塊任意連接成mXn陣列形式。本發(fā)明采用微流控技術(shù)，致力于在微流控芯片的微通道中對(duì)光進(jìn)行開關(guān)控制，即 一種壓電控制微流控光開關(guān)，具有重要的技術(shù)價(jià)值，將會(huì)在光互連領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有蓋板1，接線孔2 ；波導(dǎo)層3，微流道4、第一 條形波導(dǎo)5、第二條形波導(dǎo)6、第三條形波導(dǎo)7、第四條形波導(dǎo)8、第一等腰直角棱鏡9、第二等 腰直角棱鏡10，向外延伸的曲面結(jié)構(gòu)11，薄膜12，電調(diào)諧控制器件13，底板14。圖2是壓電控制微流控陣列光開關(guān)的工作原理示意圖。圖加為光開關(guān)處于‘開’ 狀態(tài)，圖2b為光開關(guān)處于‘關(guān)’狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出一種基于微流控技術(shù)的陣列光開關(guān)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)采用“蓋板+波導(dǎo)層 +底板”的結(jié)構(gòu)。第一層為蓋板1，蓋板上留有接線孔2，蓋板的材料使用玻璃，玻璃材質(zhì)易 于微型鉆頭打孔，同時(shí)硬度好，具有保護(hù)芯片的作用。第二層為波導(dǎo)層3，其中設(shè)有微流道 4和第一條形波導(dǎo)5、第二條形波導(dǎo)6、第三條形波導(dǎo)7、第四條形波導(dǎo)8，微流道一端密封， 另一端為向外延伸的曲面結(jié)構(gòu)11，曲面外側(cè)貼有薄膜12，薄膜的材料采用彈性薄膜，例如 聚二甲基硅氧烷(PDMQ彈性薄膜，PDMS材料是一種耐久性材料，有良好的絕緣性和熱學(xué) 穩(wěn)定性，且價(jià)格便宜可大規(guī)模生產(chǎn)，制備容易，另外PDMS材料具有很好的柔性，這樣使得它 與物體的表面可以有很好的接觸，PDMS材料具有彈性，可調(diào)楊氏模量約為750KPa，粘性為 3900mPaUSo薄膜外側(cè)是壓電陶瓷13，壓電陶瓷與外部控制電源連接，可以使用壓電陶瓷 或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片作為驅(qū)動(dòng)器，壓電驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)，廣泛應(yīng)用與微 驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，壓電陶瓷材料具有很高的敏感性，響應(yīng)速度快，符合高速光開關(guān)的要求，另外它 具有頻率穩(wěn)定性好、精度高、體積小、不吸潮、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。波導(dǎo)層采用有機(jī)聚合物材料， 例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制作，PMMA材料是高度透明的無定形熱塑性聚合物，透 光率達(dá)到90%-92%,折射率1. 49，機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，拉伸強(qiáng)度為65-70MPa，耐酸、稀酸、 油脂等，并且PMMA具有質(zhì)輕、價(jià)廉、易于成型等優(yōu)點(diǎn)。為了能讓微流道中的液體能安全并快 速的移動(dòng)位置，這就要求作為微流體的液體物質(zhì)疏水性能好、黏度小，并且液體的折射率應(yīng) 與波導(dǎo)層材料的折射率相近，避免光在微流道-微流道管壁的界面上較大的損耗以減小光 波導(dǎo)間的串?dāng)_，所以液體的折射率 波導(dǎo)層材料的折射率。光波導(dǎo)層3中由微流道4組成開關(guān)陣列區(qū)域，陣列區(qū)域可以根據(jù)需要做成mXn維陣列的排列形式，其中m，η為正整數(shù)。第 三層為底板14，底板的材料與蓋板一樣選取玻璃。蓋板下表面與波導(dǎo)層、波導(dǎo)層與底板之間 通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定位置的效果。蓋板上接線孔的位置是將壓電陶瓷的導(dǎo)線接出與外界電源相連接的窗口。波導(dǎo)層基材采用有機(jī)聚合物材料，條形波導(dǎo)、等腰直角棱鏡、微流道和固定壓電陶 瓷的凹槽的制作采用熱壓或注塑法一次成型得到。常規(guī)方法是首先制作具有條形波導(dǎo)、等 腰直角棱鏡、微流道和固定壓電陶瓷的凹槽形狀的金屬模具母版，若采用熱壓方法，則母版 為陽模，加熱使有機(jī)聚合物材料變?yōu)榱黧w，將模具壓入流體，使之在熱與壓力的作用下成為 硬化后符合本發(fā)明結(jié)構(gòu)的常溫保持不變的塑件；或采用注塑方法，則母版為陰模，將有機(jī)聚 合物材料置于注射機(jī)中，加熱使之變?yōu)榱黧w，將流體壓入模具中，冷卻后脫模即得到塑件。利用熱壓或注塑法一次成型的方法制作波導(dǎo)層，可以同時(shí)完成光波導(dǎo)與微流道的 制作。芯片封合光開關(guān)各層之間的封合，即蓋板與波導(dǎo)層的封合、波導(dǎo)層與底板的封合 采用等離子輔助鍵合。
權(quán)利要求
1.一種模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片，其特征在于該芯片采用“蓋板+波導(dǎo)層+ 底板”結(jié)構(gòu)，其中，第一層為蓋板(1)，蓋板上留有接線孔O)；第二層為波導(dǎo)層(3)，其中每 一個(gè)單元都設(shè)有微流道G)、第一條形波導(dǎo)(5)、第二條形波導(dǎo)(6)、第三條形波導(dǎo)(7)、第四 條形波導(dǎo)(8)、第一等腰直角棱鏡(9)、第二等腰直角棱鏡(10)，其中，兩個(gè)棱鏡的斜面構(gòu)成 微流道G)，微流道⑷的一端密封，另一端為向外延伸的曲面結(jié)構(gòu)(11)，曲面外側(cè)貼有薄 膜(12)，薄膜外側(cè)是電調(diào)諧控制器件(1 ；第一條形波導(dǎo)( 、第二條形波導(dǎo)(6)、第三條形 波導(dǎo)(7)、第四條形波導(dǎo)(8)順序相差90度設(shè)置；第三層為底板(14)；蓋板(1)的下表面與 波導(dǎo)層、波導(dǎo)層與底板通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定的效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片，其特征在于電調(diào)諧控 制器件(1 包括壓電陶瓷或，壓電雙晶片，或電控移動(dòng)的薄片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片，其特征在于薄膜 (12)在微流道的側(cè)方或上方，壓電陶瓷或壓電雙晶片或電控移動(dòng)的薄片相應(yīng)的從側(cè)方或上 方作用在薄膜上，推動(dòng)液體移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片，其特征在于陣列光開關(guān) 根據(jù)需要由多個(gè)單元任意連接成mXn陣列形式，其中m，η為正整數(shù)。
全文摘要
模塊式電調(diào)諧微流控陣列光開關(guān)芯片采用“蓋板+波導(dǎo)層+底板”結(jié)構(gòu)，其中，第一層為蓋板(1)，蓋板上留有接線孔(2)；第二層為波導(dǎo)層(3)，其中設(shè)有微流道(4)、四個(gè)條形波導(dǎo)和兩個(gè)等腰直角棱鏡，兩個(gè)棱鏡的斜面構(gòu)成微流道，微流道一端密封，另一端為向外延伸的曲面結(jié)構(gòu)(11)，曲面外側(cè)貼有薄膜(12)，薄膜外側(cè)是電調(diào)諧控制器件(13)；第三層為底板(14)；蓋板下表面與波導(dǎo)層、波導(dǎo)層與底板通過等離子輔助鍵合方式連接，實(shí)現(xiàn)密封及固定的效果。本發(fā)明屬于光交叉連接、光分插復(fù)用器件的技術(shù)領(lǐng)域，目的在于提出一種微流控陣列光開關(guān)芯片，解決微流控陣列光開關(guān)的壓電控制、波導(dǎo)層制作以及集成化方法問題。
文檔編號(hào)G02B6/35GK102122029SQ20111006885
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者徐寧, 曹作愷, 涂興華, 錢晨, 陳陶, 馬正北 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)