專利名稱：數字式微流控變焦透鏡及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數字式微流控變焦透鏡及其制作方法，屬于變焦透鏡以及微光機電系統(tǒng)領域。
背景技術：
變焦透鏡是顯微鏡、照相機、拍照手機、醫(yī)學內窺鏡、光存儲、光互連等光學系統(tǒng)中 的一個關鍵組件。傳統(tǒng)變焦鏡頭一般是由多片透鏡及其它光學元件組成，利用馬達等機械 裝置改變透鏡之間位置以改變透鏡焦距。這類變焦透鏡變焦速度慢、價格昂貴，且不易實現(xiàn) 微型化，無法集成在微型光學系統(tǒng)中。微型變焦透鏡具有體積小、成本低、變焦速度快、易加工等特點，可廣泛應用于拍 照手機等便攜式微型光學系統(tǒng)中，在信息技術、醫(yī)療衛(wèi)生、空間技術等領域具有廣泛的應用 前景。目前，已經提出了基于不同機制的微型變焦透鏡，且部分已實現(xiàn)商業(yè)化，代表性的公 司有法國 Varioptic、美國 Sunex Inc.、瑞士 Optotune、力口拿大 Artificial Muscle Inc. 等。其中，微型可變焦液體透鏡尤為引人注目。液體透鏡實現(xiàn)變焦的原理主要可分為以下 三種類型基于電潤濕效應、基于折射率變化以及基于填充液體表面曲率變化?；陔姖櫇?效應的變焦透鏡(B. Berge, et. al.，IEEE MEMS2005, 2005，227-230 ；H. Zappe, Optoelctron. Lett. ,2007,4,86-88 ；)是利用外加電壓變化改變電潤濕介質與絕緣層之間的接觸角，從 而改變液體截面的表面曲率實現(xiàn)透鏡變焦。這種變焦透鏡響應時間短、集成性能好，但驅 動電壓高、透鏡口徑大小有限；基于折射率變化的通過改變材料折射率實現(xiàn)透鏡的連續(xù)變 焦，如液晶變焦透鏡(H. W.Ren，et. al.，Opt. Express，2007，15，11328-11335)通過改變施 加電壓調節(jié)液晶折射率分布，這種變焦透鏡具有結構簡單、抗振性能好、易陣列化等特點、 但由于液晶中電場的非均勻性會產生光學像差；基于填充液體表面曲率變化的變焦透鏡 通過執(zhí)行器(靜電驅動(B. K. Nguyen, et. al.，Appl. Phys. Lett.，2008，93，124101)、壓電 驅動(H. Oku, et. al.，Opt. Express, 2004，12，2138-2149)，微泵驅動(G. H. Feng, et. al.， Appl. Opt. ,2009,48,3284-3290 ；Μ. Agarwal, et. al. ， J. Micromech. Microeng. ,2004,14, 1665-1673)、熱驅動(W. S. Wang，et. al.，IEEESens. J.，2007，7，11-17)、形狀記憶合金驅動 (H. M. Song, et. al.，Opt. Express, 2009,17,14339-14350)等)擠壓腔體內液體，改變腔體 表面透明的柔性薄膜曲率，從而實現(xiàn)透鏡聚焦。這種變焦透鏡具有功耗低、透鏡口徑大小靈 活、加工容易、變焦范圍大等特點，但對執(zhí)行器控制精度要求高。綜上所述，已報道的微流體變焦透鏡大多是通過改變電壓等模擬輸入方式實現(xiàn)透 鏡變焦，因此需要控制電路模塊提供變化的電壓輸出，增加了器件成本。提高最大輸出電壓 可增大透鏡變焦比，但功耗也隨之增加。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種數字式微流控變焦透鏡，所述的數字式微流控變 焦透鏡包括流體透鏡、液壓執(zhí)行器單元、公共電極、控制電極、電極引線及引腳、引線和引線槽、流體連通槽、進樣孔、排氣孔、密封帶等。其特征在于①流體透鏡和液壓執(zhí)行器單元是位于基底和蓋板之間的充滿流體的腔體，且兩者腔體內流體互相連通；②進樣孔與排氣孔 通過流體連通槽或引線槽與透鏡或液壓執(zhí)行器單元的腔體連通；③控制電極位于液壓執(zhí)行 器單元的正下方，且與液壓執(zhí)行器單元的形狀相同。液壓執(zhí)行器單元是由若干個可獨立控 制的、容積相同或不相同的腔體組成。在公共電極和控制電極之間施加電壓時，對應的液壓 執(zhí)行器單元蓋板會產生變形或移動，擠壓執(zhí)行器單元腔體內一部分流體進入透鏡腔體內， 使得流體透鏡的透明蓋板變形，從而改變透鏡的焦距。選擇不同的液壓執(zhí)行器單元或多個 執(zhí)行器單元的控制電極，能夠擠壓不同容積的流體進入透鏡腔體內，使得流體透鏡蓋板產 生不同程度的變形，實現(xiàn)透鏡焦距在一定范圍內變化。所述的流體透鏡腔體的基底和蓋板是透明的，蓋板為單層或多層薄膜。所述的液壓執(zhí)行器單元蓋板為單層薄膜或多層薄膜。所述的液壓執(zhí)行器單元在施加電壓后腔體內流體輸出量滿足二進制變化，具體 地，液壓執(zhí)行器單元腔體i，i+1在施加電壓后腔體內流體輸出量分別為V(i)，V(i+1)，則 V(i+1)/V(i) = 2。所述的液壓執(zhí)行器單元腔體環(huán)繞透鏡任意排列。所述的進樣孔與排氣孔通過流體連通槽或引線槽與透鏡、液壓執(zhí)行器單元腔體連
ο所述的液壓執(zhí)行器單元蓋板作為公共電極。所述的控制電極以及電極引線、引腳材料是導電薄膜。所述的控制電極位于液壓執(zhí)行器單元正下方且與液壓執(zhí)行器單元形狀相同。所述 的控制電極是若干個可獨立控制、彼此電隔離的電極。所述的電極引線是具有任意傾斜角度的直線或任意弧度的曲線。所述的弓I線槽側壁具有絕緣薄膜。本發(fā)明的目的之一在于提供一種數字式微流控變焦透鏡制作方法，主要包括弓丨 線槽、流體連通槽形成，透鏡與執(zhí)行器腔體、進樣孔、排氣孔形成，電極及其引線形成，密封 帶形成等。具體特征在于(1)在第一基底單晶硅上形成引線槽和流體連通槽。(2)在步驟(1)所述的第一基底上單晶硅形成透鏡與液壓執(zhí)行器腔體、進樣孔、排 氣孔。(3)在第二基底玻璃襯底上形成電極、引線及引腳圖形的導電薄膜。(4)將第一基底單晶硅和第二基底玻璃襯底圖形面鍵合，背面減薄第一基底至一 定厚度。(5)在第一基單晶硅底背面形成電接觸圖形的導電薄膜，刻蝕透鏡腔體、排氣孔、 進樣孔和電極引腳孔正上方的第一基底單晶硅至完全露出第二基底玻璃襯底上控制電極。 將制作好的薄膜貼在透鏡腔體開口處并完成鍵合。(6)劃片、密封引線槽，灌液后密封進樣孔、排氣孔、打線。所述的透鏡與液壓執(zhí)行器腔體內填充絕緣的親水性流體，在步驟(2)后，第一基 底單晶硅圖形面上須覆蓋親水性薄膜或步驟(6)灌液前作芯片親水處理。所述的透鏡與液壓執(zhí)行器腔體內填充絕緣的疏水性流體，在步驟(3)后，第二基底玻璃襯底上形成的電極及引線須覆蓋疏水性薄膜或步驟(6)在灌液前作芯片疏水處理。本發(fā)明的有益效果是采用數字微流控變焦透鏡降低了對執(zhí)行器的控制精度要求，且控制方式更加簡單。透鏡變焦是通過選通透鏡液壓執(zhí)行器控制單元的“開”和“關”兩種 狀態(tài)實現(xiàn)的。具體地，通過選通具有不同容積的靜電_液壓執(zhí)行器單元或單元組合以擠壓 不同容量的液體進入透鏡腔體，從而可實現(xiàn)透鏡焦距在一定范圍變化，而模擬式變焦透鏡 則需通過專用芯片提供精確的連續(xù)變化的控制電壓才能獲得精確的透鏡焦距變化。另外， 由于便攜式設備本身供電電源輸出電壓往往比較低，為了提高透鏡變化范圍，模擬式變焦 透鏡還需要專用芯片提供高的變壓比輸出(如手機鋰電池標稱電壓為3. 7伏，一款變焦透 鏡模組需配備Maxim專用手機驅動芯片MAX14515以提供最高47伏的電壓輸出)，這無疑又 會增加了整個芯片組的成本。除此之外，本發(fā)明提供的數字式控制模組在抗電磁干擾方面 也優(yōu)于模擬式控制模組。因此，數字式液體變焦透鏡具有控制方式簡單、芯片成本低、抗干 擾性能好等優(yōu)點，此外，數字式液體變焦透鏡還具有驅動電壓低、透鏡口徑大小靈活、易加 工等特點。綜上所述，數字式液體變焦透鏡結構和控制方式新穎，與現(xiàn)有商業(yè)化微流體變焦 透鏡相比，所述的器件在控制方式、成本等方面具有一定的競爭優(yōu)勢和潛在的商業(yè)前景。


圖1為本發(fā)明提供的數字式微流控變焦透鏡的一個實施例結構示意圖；圖2為圖1所示的結構的引線槽、流體連通槽俯視圖；圖3為圖1所示結構的液壓執(zhí)行器單元腔體、透鏡腔體、排氣孔、進樣孔和電極孔 俯視圖；圖4為圖3A-A，，B-B，，C-C，的局部剖視圖；圖5為圖1所示的結構中第2基底上控制電極及其引線俯視圖；圖6數字式微流控變焦透鏡的另一個實施例結構示意圖；圖7為圖6所示的結構中引線槽、流體連通槽俯視圖；圖8為圖6所示的結構所示的液壓執(zhí)行器單元腔體、透鏡腔體、排氣孔、進樣孔和 電極引腳孔俯視圖；圖9為圖8所示D-D’和E-E，的局部剖視圖；圖10為圖6所示的結構在第2基底上的控制電極及其引線俯視圖；圖11數字式微流控變焦透鏡的一個加工流程實例示意圖(a)形成單晶硅刻蝕掩 模層，(b)刻蝕形成流體連通槽及引線槽，(c)形成單晶硅刻蝕掩模層，(d)刻蝕單晶硅，形 成執(zhí)行器單元腔體、透鏡腔體、排氣孔、進樣孔和電極孔，(e)玻璃襯底上形成導電薄膜作為 控制電極，(f)圖形面硅玻璃鍵合，(g)氫氧化鉀腐蝕單晶硅至一定厚度，(h)形成單晶硅刻 蝕掩模層，(i)在硅片上形成導電薄膜并刻蝕形成電接觸，(j)刻蝕去除透鏡、進樣孔、排氣 孔、電極引腳孔上方單晶硅薄膜，(k)密封引線槽與玻璃襯底之間微通道在電極引腳孔處單 面，形成密封帶，(1)粘貼透鏡薄膜并密封進樣孔和排氣孔。圖中各數字代表含義1第一基底單晶硅片；2第二基底玻璃襯底；3 (a-h)液壓執(zhí)行器單元蓋板；4透鏡 腔體蓋板；5透鏡與執(zhí)行器單元以及執(zhí)行器單元間隔離框架；6公共電極引線；7進樣孔蓋 板；8排氣孔蓋板；9電接觸；10公共電極引腳；11 (a-h)控制電極引腳；12 (a-h)電極引線；13密封帶；14執(zhí)行器單元陣列蓋板；15(a-h)流體連通槽；16(a-h)引線槽；17進樣孔；18 排氣孔；19電極引腳孔；20(a-h)執(zhí)行器單元腔體；21透鏡腔體；22(a-h)控制電極；23液 壓執(zhí)行器單元陣列腔體；24熱氧化硅。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作詳細說明，以進一步闡明數字式微流控變焦透鏡及其制 作方法的實質性特點和顯著的進步，但本發(fā)明絕非僅局限于介紹的實施例。實施例1本發(fā)明的實施例1涉及一種數字式微流控變焦透鏡，結合圖1、圖2-5進行說明。 圖1是數字式微流控變焦透鏡整體結構示意圖，第一基底單晶硅1、第二基底單晶玻璃襯底 2內部結構分別如圖2、圖5所示；圖1中執(zhí)行器蓋板3、透鏡蓋板4、進樣孔蓋板7、排氣孔 蓋板8下方是中空的腔體；八個(不局限于此數目)執(zhí)行器單元腔體20具有不同容積，彼 此通過框架5隔離；執(zhí)行器單元腔體20與透鏡腔體21通過框架5隔離；框架5下方分布有 流體連通槽15，保證執(zhí)行器單元腔體20和透鏡腔體21內流體是連通的；第一基底單晶硅1 上的電接觸9以引線方式連接到第二基底玻璃襯底2上公共電極引腳10 ；基底2上分布有 不同面積的控制電極22，通過電極引線12至控制電極引腳11 ；電極引線12與控制電極引 腳11材料是相同的；電極引線12與基底1之間通過分布在基底1上引線槽16隔離；引線 槽16與基底2之間引線槽16在電極引腳孔19處斷面通過密封帶13密封；實施例2本實施例涉及另一種數字式微流控變焦透鏡，結合圖6、圖8-10進行說明。實施 例2與實施例1的區(qū)別在于實施例2中液壓執(zhí)行器單元是由不同數目且具有相同容積的 腔體23組成，其結構如實施例1所述。實施例3實施例3涉及一種數字式微流控變焦透鏡的制作方法，下面結合圖1和圖2-5以 及圖6和圖7-10闡明實施例1和實施例2所述的數字式微流控變焦透鏡的具體制作方法， 主要包括(i)高溫氧化在第一基底單晶硅片1上形成熱氧化硅24，光刻膠掩膜光刻，再用 緩沖氧化蝕刻劑(BOE)腐蝕氧化硅后去膠(圖11 (a))，以氧化硅為掩膜層，深反應離子刻蝕 (DRIE)單晶硅形成流體連通槽15和引線槽16(圖11(b))，對應結構圖見圖2、圖7。(ii)在步驟(1)高溫氧化第一基底單晶硅片1形成熱氧化硅，光刻膠掩膜光刻，再 用BOE腐蝕氧化硅后去膠(圖11 (c))，以氧化硅為掩膜層，DRIE干法刻蝕單晶娃，形成執(zhí)行 器單元腔體20、透鏡腔體21、排氣孔18、進樣孔17和電極引腳孔19 (圖11 (d))，對應結構 圖請參閱圖3、圖4、圖8、圖9。(iii)在第2基底玻璃襯底2上濺射金屬鋁(Al)薄膜或者氧化銦錫(ITO)導電薄 膜，光刻膠掩膜光刻，腐蝕后形成公共電極引腳10、控制電極引腳11、電極引線12和控制電 極22(圖11(e))，對應結構請見圖5、圖10。(iv)圖形面硅-玻璃陽極鍵合(圖11(f))，氫氧化鉀(KOH)腐蝕單晶硅片1至一 定厚度(圖11(g))，在第一基底單晶硅片1背面沉積氧化硅，光刻膠掩膜光刻，BOE腐蝕透 鏡腔體21、排氣孔18、進樣孔17和電極引腳孔19上方的氧化硅以及電接觸9處氧化硅，去膠(圖11(h))，對應結構請見圖1或圖6。(ν)在第一基底單晶硅片1背面濺射金屬Al薄膜或ITO導電薄膜，光刻膠掩膜，腐 蝕后形成電接觸9(圖ll(i))，DRIE刻蝕至露出第2基底玻璃襯底2(圖ll(j))，對應結構 圖請參見圖1或圖6。(vi)劃片，密封引線槽與玻璃基底之間微通道在電極引腳孔19處斷面，形成密封帶13，注液后密封進樣孔17、排氣孔18、打線(圖ll(k))，去膠，將制作好的聚二甲基硅氧 烷(PDMS)薄膜4貼在透鏡腔體21上方，形成透鏡腔體蓋板，采用紫外光照射或氧等離子激 活方法實現(xiàn)鍵合(圖11(1))。
權利要求
一種數字式微流控變焦透鏡，其特征在于所述的微流控透鏡包括流體透鏡、液壓執(zhí)行器單元、公共電極、控制電極、引線和引線槽、流體連通槽、進樣孔、排氣孔，其中①流體透鏡和液壓執(zhí)行器單元是位于基底和蓋板之間的充滿流體的腔體，且兩者腔體內流體互相連通；②進樣孔與排氣孔通過流體連通槽或引線槽與透鏡或液壓執(zhí)行器單元的腔體連通；③控制電極位于液壓執(zhí)行器單元的正下方，且與液壓執(zhí)行器單元的形狀相同。
2.按權利要求1所述的數字式微流控變焦透鏡，其特征在于①所述的流體透鏡的腔體的基底和蓋板是透明的，蓋板為單層薄膜或多層薄膜；②所述的液壓執(zhí)行器單元的蓋板為單層薄膜或多層薄膜，且作為公共電極；③所述的控制電極是若干個獨立控制，彼此電隔離的電極。
3.按權利要求1所述的數字式微流控變焦透鏡，其特征在于所述的液壓執(zhí)行器單元由 一個或多個腔體組成，多個腔體彼此通過框架隔離。
4.按權利要求3所述的數字式微流控變焦透鏡，其特征在于所述的液壓執(zhí)行器單元的 腔體容積相同或不相同。
5.按權利要求3所述的數字式微流控變焦透鏡，其特征在于液壓執(zhí)行器單元在施加電 壓后腔體內流體輸出量滿足二進制變化。
6.按權利要求1、3、4或5所述的數字式微流控變焦透鏡，其特征在于液壓執(zhí)行器單元 腔體環(huán)繞透鏡任意排列。
7.按權利要求1所述的數字式微流控變焦透鏡，其特征在于①所述的引線是具有任意傾斜角度的直線或任意弧度的曲線；②所述的引線槽側壁具有絕緣薄膜。
8.制備如權利要求1所述的數字式微流控變焦透鏡的方法，其特征在于具體步驟是(1)在第一基底單晶硅上形成引線槽和流體連通槽；(2)在步驟(1)所述的第一基底上單晶硅形成透鏡與液壓執(zhí)行器腔體、進樣孔、排氣孔；(3)在第二基底玻璃襯底上形成電極、引線及引腳圖形的導電薄膜；(4)將第一基底單晶硅和第二基底玻璃襯底圖形面鍵合，背面減薄第一基底至一定厚度；(5)在第一基單晶硅底背面形成電接觸圖形的導電薄膜，刻蝕透鏡腔體、排氣孔、進樣 孔和電極引腳孔正上方的第一基底單晶硅至完全露出第二基底玻璃襯底上控制電極。將制 作好的薄膜貼在透鏡腔體開口處并完成鍵合；(6)劃片、密封引線槽，灌液后密封進樣孔、排氣孔、打線。
9.按權利要求8所述的數字式微流控變焦透鏡的制備方法，其特征在于所述的透鏡或 液壓執(zhí)行器腔體內填充絕緣的親水或疏水性流體。
10.按權利要求8或9所述的數字式微流控變焦透鏡的制備方法，其特征在于①填充絕緣的親水性流體，在步驟(2)后第一基底單晶硅圖形面上覆蓋親水性薄膜或 步驟(6)在灌液前作芯片親水處理；②填充絕緣的疏水性流體，在步驟(3)后第二基底玻璃襯底上形成的電極和引線覆蓋 疏水性薄膜或在步驟(6)灌液前作芯片疏水處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數字式微流控變焦透鏡及其制作方法。所述的數字式微流控變焦透鏡中流體透鏡和液壓執(zhí)行器單元是在基底和蓋板之間充滿流體的腔體，且兩者腔體內流體相互連通。液壓執(zhí)行器單元是由若干個可獨立控制的、容積相同或不同的腔體組成，工作狀態(tài)下液壓執(zhí)行器單元腔體內流體輸出量滿足二進制變化。在公共電極和控制電極之間施加電壓時，對應的液壓執(zhí)行器單元蓋板會產生變形或移動，擠壓執(zhí)行器單元腔體內一部分流體進入透鏡腔體內，使得流體透鏡的透明蓋板變形，從而改變透鏡的焦距。選通不同的液壓執(zhí)行器單元腔體，能擠壓不同容積的流體進入透鏡腔體內，使透鏡蓋板產生不同程度的變形，實現(xiàn)透鏡焦距的變化。
文檔編號G02B3/14GK101806929SQ201010125510
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權日2010年3月16日
發(fā)明者熊斌, 王躍林, 閆許 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所