CN101187717A - 微流控阵列光开关芯片 - Google Patents

Abstract

微流控阵列光开关芯片采用“上盖片+绝缘层+波导层+底板”结构，其中，第一层为上盖片包括盖板(10)，在盖板上面留有通气孔(3)、注液孔(2)和电极孔(14)，底部还有用微流道工艺制作的凹槽(15)；第二层为绝缘层(11)，在绝缘层(11)上镀有导电小膜块(5)，导电膜块(5)通过电导线(4)与外部控制电压相连，盖板上第一小孔(16)、第二小孔(17)对应匹配通气孔(3)和注液孔(2)；第三层是光波导层(12)，在光波导层中设有微流道工艺制作的第一微流道(8)、第二微流道(9)，中部设有储液小槽(6)及其穿过的细管(7)；第四层为底板(13)，在底板的PDMS上镀有一层导电膜(18)，本发明结构简单、容易制作、适于集成、易构成大型交换矩阵。

Description

微流控阵列光开关芯片

技术领域

本发明涉及一种微流控阵列光开关芯片结构，属于光互联网中光交叉连接、光分插复用器件的技术领域。

背景技术

微流控光学是一项具有重要意义的新技术，它将现代微流控技术和微光电子技术相结合，研制一类能够根据外界环境变化、具有结构重组和自适应调节能力的光学集成器件和系统，将在传感、通信、等领域具有重要的应用前景。

微流控阵列光开关是一种二维集成器件，可实现光学元件的集成化，促进微光器件、波导器件、光集成器件的发展，这种器件在光通信及其它许多领域中有很广泛的应用，如利用微流控阵列光开关制作的光互连器件：光交叉连接、光分插复用器件等。目前已经实用化的光开关，除了MEMS等少数类型的光开关以外，现存光开关的交换容量总是有限，很难制成大阵列；而MEMS光开关本身在高端口密度及抗机械摩擦、磨损或震动等方面也存在不足之处。所以研制微流控阵列光开关具有重要的技术价值和应用前景。

随着光通信技术的飞速发展，新的光网络核心器件技术对光开关也提出了更高的要求。在光开关的技术指标上，要求光开关器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命；在器件的体积上，由于全光网单元器件的增多，为使器件小型化，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纳流体的有效结构至少在一维度上为微米级尺度，显著增大了流体环境的面积/体积比例。

参考文献：

[1]Demetri Psaltis，Stephen R.Quake2 & Changhuei Yang，Developingoptofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics，Nature，Vol.442，No.27，(2006)381-386

[2]MEMS与MEMS光开关  梁宏军张兴社 应用光学2005，01-021。

[3]吴建刚，岳瑞峰，曾雪锋，刘理天.微流控光学器件与系统的研究进展[J].光学技术，2006，(01).

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种微流控阵列光开关芯片，解决微流控光开关阵列的电控以及集成化制造方法问题。

技术方案：基本原理和芯片结构：

基本思想是利用电荷之间的作用力，即同性电荷的互斥力和异性电荷的相吸力，控制与微流道交叉的细管中的物质，如在电荷相吸力的作用下使液体压入细管，而在电荷排斥力的作用下将细管中的液体抽离。这样，光可穿过充有液体的细管到达微流道的另一端，实现‘开’动作；而不能通过装有空气的细管，因为光在液-气界面发生全反射，故这时实现了‘关’动作。

图1中，储液池1通过注液孔2将液体注入储液小槽6，在外力作用下，当储液小槽的盖向下压时，内部液体被挤进细管7，由于储液小槽相连的细管7中的液体和微通道8、9的液体相同，故折射率相等，光能够通过微通道8，这时表示‘开’状态；而当储液小槽的盖往上突起时，这时一方面细管7末端被压缩的空气将管中液体推入储液小槽，另一方面储液小槽的盖突起后，和槽底之间形成一个真空状态，也同样帮助液体倒流回小槽。此时细管7中充满空气，由于液体的折射率大于空气的折射率，在液体和空气的界面上发生全反射，光不能到达微通道8的另一端，光到达微通道9，这时表示‘关’状态。

本发明专利的微流控阵列光开关的结构如图1所示，光开关由四层组成，即该结构采用“上盖片+绝缘层+波导层+底板”结构，单元结构中，第一层为上盖片包括盖板，在盖板上面留有通气孔、注液孔和电极孔，底部还有用微流道工艺制作的凹槽；第二层为绝缘层，在绝缘层上镀有导电膜块，导电膜块通过电导线与外部控制电压相连，盖板上第一小孔、第二小孔对应匹配通气孔和注液孔；第三层是光波导层，其中设有微流道工艺制作的第一微流道、第二微流道，中部设有储液小槽及其穿过的细管；第四层为底板，在底板的PDMS上镀有一层导电膜；构成光波导层的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇膜即形成绝缘层；盖板下表面与绝缘层上表面通过等离子辅助键合方式连接，盖板上的通气孔和注液孔贯穿绝缘层，并通过储液小槽连通光波导层中的细管；在底板的上表面镀的导电膜通过等离子辅助键合方式与光波导层的PDMS基质下表面实现连接粘合。

绝缘层上的导电模块采用导电材料并作为一个电极，另一个电极则是镀在底板的PDMS上的一层导电膜。

光波导层中由第一微流道和第二微流道组成的的开关阵列区域，阵列区域可以根据需要做成m×n维阵列的排列形式，其中m，n为正整数。

光开关结构中，在盖板和绝缘层都增加了通气孔。这通气孔在结构中是不可缺少的，原因有两点，首先在封闭的光开关结构中方便注液孔液体的进入，避免气体压强的反压力抵制液体的毛细作用，同时有利于控制液体的流量；其次，由于PDMS对于多数非极性气体稍微渗透，故为了避免非极性气体进入微流道，产生气泡而影响光波导及产生光损耗，就需要去除细管和小槽的非极性气体。第二点理由同样决定了PDMS制成的光开关不能裸露在空气中，因为空气中的氧气和氮气都是非极性气体，其对策可以是将光开关用环氧胶封闭。

盖板底部采用微流控工艺制成的凹槽同样是必须的。首先导电小膜块5具有一定的厚度，这造成了次层(绝缘层)的不平坦，有碍于芯片的封合；其次，我们根据开关的工作机理，当开关处于状态‘关’时，这时底板上的电荷与绝缘层上导电膜块所带电荷同性，将会对小膜块产生向上的排斥力，致使与绝缘层粘合的小膜块突起，因此为了使光开关能更好的工作，盖板底部的凹槽必不可少。

光开关的工作过程：当在盖板上的电极加正电压，使绝缘层的小膜块带正电，与带负电的底板之间存在相吸力，于是绝缘层对下一层储液小槽的液体存在正压力，迫使小槽中的液体流入细管，使光穿过细管，不改变波导方向，体现光开关的‘开’动作；当在盖板上的电极加负电压，使绝缘层的小膜块带负电，与带负电的底板之间存在排斥力，于是绝缘层对储液小槽的液体产生向上提的力，绝缘层向上隆起，这时细管中的液体倒推回储液小槽，光在细管壁上发生全反射，折入另一微通道，体现光开关的‘关’动作。

本发明设计一种外围控制电路产生盖板电极上控制信号。由于现实中大多控制都应用电寻址，这里也采用电逻辑控制，即外部输送逻辑“1”或逻辑“0”对光开关控制电路进行开关控制。目前电路普遍采用正逻辑，也就是“1”为正电平，一般为5V；“0”为负电平，一般为0V。设所需要的控制电平为±U，为了实现逻辑电平与正负控制电平的转换，用图2中简单单元电路实现。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本专利与现有的光开关相比，采用这种方案的阵列光开关的独特之处在于直接利用电控制信号的电荷对微管道中纳升量级的液体进行控制，很好地体现了微流控技术的优势，避免了像现有的一些光开关繁琐而又费时间的控制过程，它具有的大交换容量和高效率特性有利于构造当前期待的高速光开关。

其创新之处在于：

(1)由于避免了层层控制能量传递的繁琐过程，其高速度性能将是一大优势。

(2)直接由外界电压就可影响光开关的速度，这使得这种光开关的应用范围延伸至各个对开关速度要求不同的领域。

(3)阵列结构对外围的控制电路要求很低，可直接用电寻址，只要改变控制电压的极性就可达到开关效果，即与底板的电压极性相反时，光开关就表现为“开”；与底板的电压极性相同时，光开关则表现为“关”。

(4)无波长选择性和偏振敏感性。

本发明采用微流控技术，致力于在微流控芯片的微通道中对光进行开关控制，即一种电控微流控阵列光开关，具有重要的技术价值，将会在光互连领域得到广泛的应用。

附图说明

图1是阵列光开关基本结构示意图。图中有：储液池1、注液孔2、通气孔3、电导线4、导电小膜块5、储液小槽6、细管7、第一微通道8、第二微通道9、盖板10、绝缘层11、光波导层12、底版13、电极孔14、凹槽15、第一小孔16、第二小孔17、导电膜18。

图2是外围控制电路示意图。

具体实施方式

本发明提出一种电控阵列光开关芯片，其结构采用“上盖片+绝缘层+波导层+下盖片”结构，其中，第一层为上盖片包括盖板10，在盖板10上面留有通气孔3、注液孔2和电极孔14，底部还有用微流道工艺制作的凹槽15；第二层为绝缘层11，在绝缘层11上镀有导电膜块5，导电膜块5通过电导线4与外部控制电压相连，盖板10上第一小孔16、第二小孔17对应匹配通气孔3和注液孔2；第三层是光波导层12，其中设有微流道工艺制作的第一微流道8、第二微流道9，中部设有储液小槽6及其穿过的细管7；第四层为底板13，在底板13的PDMS上镀有一层导电膜18；构成光波导层12的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇膜即形成绝缘层11；盖板10下表面与绝缘层11上表面通过等离子辅助键合方式连接，盖板上的通气孔3和注液孔2贯穿绝缘层，并通过储液小槽6连通光波导层12中的细管7；在底板13的上表面镀的导电膜18通过等离子辅助键合方式与光波导层12的PDMS基质下表面实现连接粘合。绝缘层11上的导电模块5采用导电材料并作为一个电极，另一个电极则是镀在底板13的PDMS上的一层导电膜18。光波导层12中由第一微流道8和第二微流道9组成的的开关阵列区域，阵列区域可以根据需要做成m×n维阵列的排列形式，其中m，n为正整数。波导层有维通道互相连接，光在微通道中传播。本发明中盖板、光波导层和底板皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基材。PDMS具有独特的弹性，良好的透光性，介电性，惰性，无毒，容易加工等性质，并且廉价；容易由单体和交联剂的预聚物热交联而得，反应温和，100℃以下即可实现；在300nm以上有很好的光透过性。绝缘层材料采用聚乙烯醇(PVA)薄膜。光波导层上微流道、细管和储液小槽中的液体：i、为了能让细管的液体完全并快速回到储液小槽，这就要求液体的疏水性能好、黏度小；ii、光开关用电荷控制，为了防止液体发生电极化或带电而使折射率分布不均匀进而影响光波导，这就要求液体的绝缘性好；iii、液体的折射率应与细管物质的折射率接近，避免光在液体-细管壁的界面上引起较大的损耗以及减小光波导间的串扰，所以液体的折射率≈细管材料PDMS的折射率，这里取1.41。，本专利选取硅油。它具有温粘系数小、耐高低温、抗氧化、闪点高、挥发性小、绝缘性好、表面张力小、对金属无腐蚀、无毒等特点。其中的甲基硅油无味无毒，具有生理惰性、良好的化学稳定性、电缘性和耐候性，粘度范围广，凝固点低，闪点高，疏水性能好，并具有很高的抗剪能力，是硅油中最主要的品种。

光波导层的微结构单元，按照微结构设计光掩膜，常规制作方法即可得到光波导层的PDMS结构。阵列光开关结构第二层(绝缘层)，其工艺实现的重点在于导电膜块分布的制作。

顶层盖板的制作，盖板底部凹槽的形状和绝缘层上的膜块相似，尺寸略大。凹槽的制作与光波导层的制作类似，仅仅是掩膜的制作不同。盖板上通气孔和注液孔的位置与绝缘层上的孔一致。通气孔和注液孔以及电极孔都可用钻孔机钻孔得到。地板导电层的制作以PDMS为基板，使用蒸镀或其他方法在基板上镀金属膜，即可实现底导电层的制作。

阵列光开四关层结构的封合

光开关四层之间的封合，即PVA膜层与PDMS的封合、金属膜层与PDMS的封合。这两种封合都可用等离子辅助键合。

需要注意的是，由于制作后的绝缘层还在基片上，应与盖板先封合。封合后，脱离基片，再与光波导层封合。

Claims (3)

1.一种微流控阵列光开关芯片，其特征在于该结构采用“上盖片+绝缘层+波导层+底板”结构，其中，第一层为上盖片包括盖板(10)，在盖板(10)上面留有通气孔(3)、注液孔(2)和电极孔(14)，底部还有用微流道工艺制作的凹槽(15)；第二层为绝缘层(11)，在绝缘层(11)上镀有导电膜块(5)，导电膜块(5)通过电导线(4)与外部控制电压相连，盖板(10)上第一小孔(16)、第二小孔(17)对应匹配通气孔(3)和注液孔(2)；第三层是光波导层(12)，其中设有微流道工艺制作的第一微流道(8)、第二微流道(9)，中部设有储液小槽(6)及其穿过的细管(7)；第四层为底板(13)，在底板(13)的PDMS上镀有一层导电膜(18)；构成光波导层(12)的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇膜即形成绝缘层(11)；盖板(10)下表面与绝缘层(11)上表面通过等离子辅助键合方式连接，盖板上的通气孔(3)和注液孔(2)贯穿绝缘层，并通过储液小槽(6)连通光波导层(12)中的细管(7)；在底板(13)的上表面镀的导电膜(18)通过等离子辅助键合方式与光波导层(12)的PDMS基质下表面实现连接粘合。

2.根据权利要求1所述的电控阵列光开关芯片，其特征在于绝缘层(11)上的导电模块(5)采用导电材料并作为一个电极，另一个电极则是镀在底板(13)的PDMS上的一层导电膜(18)。

3.根据权利要求1所述的电控阵列光开关芯片，其特征在于光波导层(12)中由第一微流道(8)和第二微流道(9)组成的开关阵列区域，阵列区域可以根据需要做成m×n维阵列的排列形式，其中m，n为正整数。

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