專利名稱:電控光開關陣列微流控芯片的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種新穎的電調諧微流控光丌關陣列芯片的集成化制作方法,屬 于光通信網絡器件集成技術領域。
背景技術:
微流控光學是一項具有重要意義的新技術,它將現代微流控技術和微光電子 技術相結合,研制一類能夠根據外界環境變化、具有結構重組和自適應調節能力 的光學集成器件和系統,將在傳感、通信、信息處理等領域具有重要的應用前景。
微流控技術作為微全分析系統的關鍵與核心, 一直是MEMS領域中的一個研 究重點。隨著微流控技術水平的不斷提高以及與其它學科的不斷滲透與融合,近 年來已涌現出一批令人注目的研究熱點,其中微流控光學器件就是其典型代表。 微流控技術與光器件的融合,為傳統光器件的微型化、陣列化、低成本化以及高 精度控制提供了可能。新型光學器件的近期研究成果包括一些基于微流控技術的 可變焦光透鏡、顯示器件、光開關、以及可調光纖光柵等。
盡管現存光丌關各具有獨特的優點,但也讓我們看到現存光丌關的不足之 處,特別是交換矩陣這一參數。除了 MEMS等少數類型的光丌關以外,現存光開 關的交換容量總是有限,很難制成大陣列;而MEMS光開關本身在高端口密度及 抗機械摩擦、磨損或震動等方面也存在不足之處。本發明將提出一種新的設計思 想,與目前的微流控技術相結合,產生一種新型陣列光開關。
微流控芯片的主要特征是其容納流體的有效結構至少在一維度上為微米級 尺度,顯著增大了流體環境的面積/體積比例。這一特征在微流控系統中導致一 系列物體表面有關的,決定其特殊性能的特有效應。
參考文獻 Demetri PsalUs, Stephen R. Quake2 & Changhuei Yang, Developing
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發明內容
技術問題本發明的目的在于提出一種電控光開關陣列微流控芯片的制作方 法,解決微流控光開關陣列的集成化制造方法問題,實現結構功能。 技術方案-
1、基本原理和芯片結構
本發明的微流控光丌關陣列的基本結構如圖1所示,它是"光波導層+底導 電層+帶導電膜塊的絕緣層+上蓋板"的夾心結構。單元結構中,第一層為蓋板, 上面留有通氣孔、注液孔和電極孔,底部還有用微流道工藝制作的凹槽;第二層 為絕緣層,其上鍍有導電小膜塊,以及與蓋板上小孔對應匹配的通氣孔和注液孔; 第三層是光波導層,除了微流道工藝制作的微流道外,中部是儲液小槽及其穿過 的細管;第四層為底板,在底板的PDMS上鍍有一層導電膜。在光開關結構中, 蓋板、光波導層和底板皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為基材。
在光波導層的正面二維結構中,細管在儲液小槽的另一端也有少許伸出。這 是為了避免絕緣層上注液孔位覽與導電膜塊對應的區域交叉,其一方便了液體的 注入,保證液體充滿小槽,其二也方便了注液后注液孔的填封。
光丌關結構中,在蓋板和絕緣層都增加了通氣孔。原因有兩點,首先在封閉 的光開關結構中方便注液孔液體的進入,避免氣體壓強的反壓力抵制液體的毛細 作用,同時有利于控制液體的流量;其次,由于TOMS對于多數非極性氣體稍微 滲透,故為了避免非極性氣體進入微流道,產生氣泡而影響光波導及產生光損耗, 就需要去除細管和小槽的非極性氣體。
蓋板底部采用微流控工藝制成凹槽。原因是首先導電膜塊具有一定的厚度, 這造成了次層(絕緣層)的不平坦,有礙于芯片的封合;其次,當丌關處于狀態 '關'時,這時底板上的電荷與絕緣層上導電膜塊所帶電荷同性,將會對小膜塊 產生向上的排斥力,致使與絕緣層粘合的小膜塊突起,因此為了使光丌關能更好 的工作,蓋板底部的凹槽必不可少。 2、集成芯片制作方法
采用機械加工、制作P固S微流控芯片、鍍膜、封合來實現包含光波導層、 底導電層、帶導電膜塊的絕緣展和上蓋板的夾心結構的集成制作,其歩驟包括
1) 光波導層的制作采用制作光掩膜的方法,同過CAD設計微通道網絡, 將其打印在透明膠片上作為掩膜,在硅片上甩涂一薄層光刻膠,通過紫外線曝光,
未曝光區域用顯影液溶解,硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結構用作制作PDMS 基片的陽模,硅陽模表面用氟化的硅烷化試劑處理,然后將固化的PDMS從陽模 剝離,制成具有特定微通道的基片;
2) 驅動開關結構的制作采用CA1〕設計制作PVA掩膜,通過甩涂光刻膠、
顯影得到導電模塊分布,然后在PVA薄膜上用鉆孔器產生通氣孔和注液孔;
3) 鍍膜采用蒸鍍技術來進行鍍膜,在真空下加熱靶材金屬,使其蒸發壓
力超過環境壓力,從而加速蒸發,被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近,當 蒸氣接觸到較冷的基片表面時,金屬蒸氣被壓縮,且在基片上顆粒邊界生長出膜
層;
4) 底板導電層的制作以PDMS為基板,使用蒸鍍或其他方法在基板上鍍金 屬膜,即可實現底導電層的制作;
5) 芯片封合光丌關四層之間的封合,即PVA膜層與PDMS的封合、金屬膜 層與PDMS的封合,這兩種封合都用等離子輔助鍵合,制作后的絕緣層與蓋板先
封合,脫離基片,再與光波導層封合。
紫外線通過光掩膜使光刻膠曝光,未曝光區域用顯影液溶解。硅片以及表面 上剩下的凸起SU-8結構用作制作PDMS基片的陽模。這樣可以獲得較高的深寬比, 其結構側壁與基體表面垂直。光開關四層之間的封合,即PVA膜層與PDMS的封 合、金屬膜層與PDMS的封合。這兩種封合都可用等離子輔助鍵合,氧等離子體 有助于表面清洗,同時可提高表面化學活性,特別是聚合物材料的表面活性。氧 等離子體處理的TOMS可實現永久封合。
有益效果根據以上敘述可知,本發明具有如下特點
本發明直接利用電控制信號的電荷對微管道中納升量級的液體進行控制,很 好地體現了微流控技術的優勢,具有的大交換容量和高效率特性有利于構造當前 期待的高速光開關。
創新之處在于
(1) 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勢。
(2) 直接由外界電壓就可影響光開關的速度,這使得這種光丌關的應用范圍
延伸至各個對幵關速度要求不同的領域。
(3) 陣列結構對外圍的控制電路要求很低,可直接用電尋址,只要改變控制 電壓的極性就可達到開關效果,即與底板的電壓極性相反時,光開關就 表現為"開";與底板的電壓極性相同時,光開關則表現為"關"。
(4) 無波長選擇性和偏振敏感性。
圖1是本發明的結構和工作原理示意圖。(a)光開關陣列四層結構示意圖, (b)為蓋板底部結構示意圖。圖中有通氣孔l、電極2、注液孔3、蓋板4、絕 緣層5、導電小膜塊6、光波導層7、細管8、儲液小槽9、 PDMSIO、底板11、導 電膜12、通氣孔13、凹槽]4、電極孔15、注液孔16。
圖2是本發明的三維立體剖面圖。
圖3是本發明中有關SU-8結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提出一種基于微流控技術的陣列光開關結構,其結構采用"光波導層+底導電層+帶導電膜塊的絕緣層+上蓋板"的夾心結構。其中,蓋板、光波導層 和底板的基材都是聚二甲基硅氧垸(PDMS)。 TOMS具有良好的透光性,介電性, 惰性,無毒,容易加工等性質,并且廉價;光波導層上微流道、細管和儲液小槽 中的液體選用201#甲基硅油。2()tt甲基硅油具有溫粘系數小、耐高低溫、抗 氧化、閃點高、揮發性小、絕緣性好、表面張力小、對金屬無腐蝕、無毒等特點; 絕緣層材料用的是聚乙烯醇(PVA)薄膜。PVA薄膜韌性好,拉伸強度大,耐候 性好,可以熱封合。
本發明電調諧微流控光開關陣列芯片的制作方法主要分為光波導層的制作、 驅動開關結構的制作、底板導電層的制作和芯片封合四個基本過程
1) 光波導層的制作采用制作光掩膜的方法,同過CAD設計微通道網絡,
將其打印在透明膠片上作為掩膜,在硅片上甩涂一薄層光刻膠(如光固化SU-8)。 通過紫外線曝光,未曝光區域用顯影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8 結構用作制作PDMS基片的陽模。硅陽橫表面用氟化的硅烷化試劑處理,然后將 固化的PDMS從陽模剝離,制成具有特定微通道的基片。
可以看到,光波導jl上的微結構包括波導微通道、細管結構和儲液槽結構, 其中直接控制光波導方向的是細管結構。細管結構是整個光波導層的核心所在; 同時,也是制作最精細的部分。細管的寬度只有數微米,這樣有助于提高開關的 速度;而且細管壁應光滑,避免光散射。這些要求制作的光掩膜設備具有很高的 分辨率。
2) 驅動開關結構的制作工藝實現重點在于導電膜塊分布的制作,制作方 法如下l.采用光膠涂敷的辦法,先將基片置于甩膠機的轉動盤上,將PVA溶液 置于基片的中間,通過甩膠在基片上均勻的涂敷上PVA薄膜,然后在7(TC左右
的溫度下將水分蒸發掉;
2. 使用蒸鍍或其他方法在基片的PVA薄膜上鍍層金屬膜;
3. 用CAD設計膜塊分布圖,將其打印在透明膠片上作為掩膜;
4. 在基片的金屬膜上用甩膠機甩上一層很薄的光刻膠;
5. 用紫外線照射光掩膜使光刻膠瞎光,曝光區域用顯影液溶解;再用金屬腐 蝕液除去裸露的金屬膜;
6. 用紫外線照射余下的光刻膠并用顯影液溶解,得到金屬膜塊分布結構。 7.在PVA薄膜上用鉆孔器產生通氣孔和注液孔。
3) 鍍膜本設計采用蒸鍍技術來進行鍍膜,在真空下加熱靶材金屬,使其 蒸發壓力超過環境壓力,從而加速蒸發。被涂敷的基片放在真空室中源材料的附 近。當蒸氣接觸到較冷的基片表面時,金屬蒸氣被壓縮,且在基片上顆粒邊界生 長出膜層;
4) 底板導電層的制作以PDMS為基板,使用蒸鍍或其他方法在基板上鍍金 屬膜,即可實現底導電層的制作。
5) 芯片封合光開關四層之間的封合,即PVA膜層與PDMS的封合、金屬膜 層與TOMS的封合。這兩種封合都用等離子輔助鍵合,制作后的絕緣層與蓋板先 封合,脫離基片,再與光波導層封合。
本發明微流控光開關陣列芯片采用"光波導層+底導電層+帶導電膜塊的絕緣 層+上蓋板"的夾心結構。紫外線通過光掩膜使光刻膠曝光,未曝光區域用顯影 液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結構用作制作PDMS基片的陽模。這樣 可以獲得較高的深寬比,其結構側壁與基體表面垂直。光丌關四層之間的封合, 即PVA膜層與PDMS的封合、金屬膜層與TOMS的封合。這兩種封合都可用等離子 輔助鍵合,氧等離子體有助于表面清洗,同時可提高表面化學活性,特別是聚合 物材料的表面活性。氧等離子體處理的PDMS可實現永久封合。
權利要求
1、一種電控光開關陣列微流控芯片的制作方法,其特征在于采用機械加工、制作PDMS微流控芯片、鍍膜、封合來實現包含光波導層(7)、底導電層(11)、帶導電膜塊的絕緣層(5)和上蓋板(4)的夾心結構的集成制作,其主要步驟包括1)光波導層的制作采用制作光掩膜的方法,同過CAD設計微通道網絡,將其打印在透明膠片上作為掩膜,在硅片上甩涂一薄層光刻膠,通過紫外線曝光,未曝光區域用顯影液溶解,硅片以及表面上剩下的凸起SU-8結構用作制作PDMS基片的陽模,硅陽模表面用氟化的硅烷化試劑處理,然后將固化的PDMS從陽模剝離,制成具有特定微通道的基片;2)驅動開關結構的制作采用CAD設計制作PVA掩膜,通過甩涂光刻膠、顯影得到導電模塊分布,然后在PVA薄膜上用鉆孔器產生通氣孔和注液孔;3)鍍膜采用蒸鍍技術來進行鍍膜,在真空下加熱靶材金屬,使其蒸發壓力超過環境壓力,從而加速蒸發,被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近,當蒸氣接觸到較冷的基片表面時,金屬蒸氣被壓縮,且在基片上顆粒邊界生長出膜層;4)底板導電層的制作以PDMS為基板,使用蒸鍍或其他方法在基板上鍍金屬膜,即可實現底導電層的制作;5)芯片封合光開關四層之間的封合,即PVA膜層與PDMS的封合、金屬膜層與PDMS的封合,這兩種封合都用等離子輔助鍵合,制作后的絕緣層與蓋板先封合,脫離基片,再與光波導層封合。
全文摘要
微流控光開關陣列的工藝制作方法涉及一種新穎的基于微流控技術,用電控制信號進行操作的光開關陣列結構的集成化制作方法,該方法采用機械加工、制作PDMS微流控芯片、鍍膜、封合來實現包含“光波導層(7)、底導電層(11)、帶導電膜塊的絕緣層(5)和上蓋板(4)”的夾心結構的集成制作,實現微流控光開關陣列芯片結構。集成化制作方法的主要步驟包括光波導層的制作、驅動開關結構的制作、底板導電層的制作和芯片封合四個基本過程。其中,蓋板、光波導層和底板的基材是聚二甲基硅氧烷(PDMS);絕緣層上的導電膜塊采用PVA薄膜制作。
文檔編號G02B6/35GK101187718SQ20071019106
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者寧 徐, 李培培, 梁忠誠, 鵬 沈, 涂興華, 陳金秋 申請人:南京郵電大學