CN101187718A - 电控光开关阵列微流控芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
微流控光开关阵列的工艺制作方法涉及一种新颖的基于微流控技术，用电控制信号进行操作的光开关阵列结构的集成化制作方法，该方法采用机械加工、制作PDMS微流控芯片、镀膜、封合来实现包含“光波导层(7)、底导电层(11)、带导电膜块的绝缘层(5)和上盖板(4)”的夹心结构的集成制作，实现微流控光开关阵列芯片结构。集成化制作方法的主要步骤包括：光波导层的制作、驱动开关结构的制作、底板导电层的制作和芯片封合四个基本过程。其中，盖板、光波导层和底板的基材是聚二甲基硅氧烷(PDMS)；绝缘层上的导电膜块采用PVA薄膜制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种新颖的电调谐微流控光开关阵列芯片的集成化制作方法，属于光通信网络器件集成技术领域。
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、信息处理等领域具有重要的应用前景。
微流控技术作为微全分析系统的关键与核心，一直是MEMS领域中的一个研究重点。随着微流控技术水平的不断提高以及与其它学科的不断渗透与融合，近年来已涌现出一批令人注目的研究热点，其中微流控光学器件就是其典型代表。微流控技术与光器件的融合，为传统光器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。新型光学器件的近期研究成果包括一些基于微流控技术的可变焦光透镜、显示器件、光开关、以及可调光纤光栅等。
尽管现存光开关各具有独特的优点，但也让我们看到现存光开关的不足之处，特别是交换矩阵这一参数。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。本发明将提出一种新的设计思想，与目前的微流控技术相结合，产生一种新型阵列光开关。
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。这一特征在微流控系统中导致一系列物体表面有关的，决定其特殊性能的特有效应。
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发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种电控光开关阵列微流控芯片的制作方法，解决微流控光开关阵列的集成化制造方法问题，实现结构功能。
技术方案：
1、基本原理和芯片结构：
本发明的微流控光开关阵列的基本结构如图1所示，它是“光波导层+底导电层+带导电膜块的绝缘层+上盖板”的夹心结构。单元结构中，第一层为盖板，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，其上镀有导电小膜块，以及与盖板上小孔对应匹配的通气孔和注液孔；第三层是光波导层，除了微流道工艺制作的微流道外，中部是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。在光开关结构中，盖板、光波导层和底板皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基材。
在光波导层的正面二维结构中，细管在储液小槽的另一端也有少许伸出。这是为了避免绝缘层上注液孔位置与导电膜块对应的区域交叉，其一方便了液体的注入，保证液体充满小槽，其二也方便了注液后注液孔的填封。
光开关结构中，在盖板和绝缘层都增加了通气孔。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。
盖板底部采用微流控工艺制成凹槽。原因是首先导电膜块具有一定的厚度，这造成了次层(绝缘层)的不平坦，有碍于芯片的封合；其次，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。
2、集成芯片制作方法：
采用机械加工、制作PDMS微流控芯片、镀膜、封合来实现包含光波导层、底导电层、带导电膜块的绝缘层和上盖板的夹心结构的集成制作，其步骤包括：
1)光波导层的制作：采用制作光掩膜的方法，同过CAD设计微通道网络，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上甩涂一薄层光刻胶，通过紫外线曝光，未曝光区域用显影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模，硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理，然后将固化的PDMS从阳模剥离，制成具有特定微通道的基片；
2)驱动开关结构的制作：采用CAD设计制作PVA掩膜，通过甩涂光刻胶、显影得到导电模块分布，然后在PVA薄膜上用钻孔器产生通气孔和注液孔；
3)镀膜：采用蒸镀技术来进行镀膜，在真空下加热靶材金属，使其蒸发压力超过环境压力，从而加速蒸发，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，当蒸气接触到较冷的基片表面时，金属蒸气被压缩，且在基片上颗粒边界生长出膜层；
4)底板导电层的制作：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；
5)芯片封合：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，这两种封合都用等离子辅助键合，制作后的绝缘层与盖板先封合，脱离基片，再与光波导层封合。
紫外线通过光掩膜使光刻胶曝光，未曝光区域用显影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模。这样可以获得较高的深宽比，其结构侧壁与基体表面垂直。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，氧等离子体有助于表面清洗，同时可提高表面化学活性，特别是聚合物材料的表面活性。氧等离子体处理的PDMS可实现永久封合。
有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：
本发明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，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。
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。
附图说明
图1是本发明的结构和工作原理示意图。(a)光开关阵列四层结构示意图，(b)为盖板底部结构示意图。图中有通气孔1、电极2、注液孔3、盖板4、绝缘层5、导电小膜块6、光波导层7、细管8、储液小槽9、PDMS10、底板11、导电膜12、通气孔13、凹槽14、电极孔15、注液孔16。
图2是本发明的三维立体剖面图。
图3是本发明中有关SU-8结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于微流控技术的阵列光开关结构，其结构采用“光波导层+底导电层+带导电膜块的绝缘层+上盖板”的夹心结构。其中，盖板、光波导层和底板的基材都是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。PDMS具有良好的透光性，介电性，惰性，无毒，容易加工等性质，并且廉价；光波导层上微流道、细管和储液小槽中的液体选用201#甲基硅油。201#甲基硅油具有温粘系数小、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；绝缘层材料用的是聚乙烯醇(PVA)薄膜。PVA薄膜韧性好，拉伸强度大，耐候性好，可以热封合。
本发明电调谐微流控光开关阵列芯片的制作方法主要分为光波导层的制作、驱动开关结构的制作、底板导电层的制作和芯片封合四个基本过程：
1)光波导层的制作：采用制作光掩膜的方法，同过CAD设计微通道网络，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上甩涂一薄层光刻胶(如光固化SU-8)。通过紫外线曝光，未曝光区域用显影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模。硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理，然后将固化的PDMS从阳模剥离，制成具有特定微通道的基片。
可以看到，光波导层上的微结构包括波导微通道、细管结构和储液槽结构，其中直接控制光波导方向的是细管结构。细管结构是整个光波导层的核心所在；同时，也是制作最精细的部分。细管的宽度只有数微米，这样有助于提高开关的速度；而且细管壁应光滑，避免光散射。这些要求制作的光掩膜设备具有很高的分辨率。
2)驱动开关结构的制作：工艺实现重点在于导电膜块分布的制作，制作方法如下：1.采用光胶涂敷的办法，先将基片置于甩胶机的转动盘上，将PVA溶液置于基片的中间，通过甩胶在基片上均匀的涂敷上PVA薄膜，然后在70℃左右的温度下将水分蒸发掉；
2.使用蒸镀或其他方法在基片的PVA薄膜上镀层金属膜；
3.用CAD设计膜块分布图，将其打印在透明胶片上作为掩膜；
4.在基片的金属膜上用甩胶机甩上一层很薄的光刻胶；
5.用紫外线照射光掩膜使光刻胶曝光，曝光区域用显影液溶解；再用金属腐蚀液除去裸露的金属膜；
6.用紫外线照射余下的光刻胶并用显影液溶解，得到金属膜块分布结构。
7.在PVA薄膜上用钻孔器产生通气孔和注液孔。
3)镀膜：本设计采用蒸镀技术来进行镀膜，在真空下加热靶材金属，使其蒸发压力超过环境压力，从而加速蒸发。被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近。当蒸气接触到较冷的基片表面时，金属蒸气被压缩，且在基片上颗粒边界生长出膜层；
4)底板导电层的制作：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。
5)芯片封合：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。这两种封合都用等离子辅助键合，制作后的绝缘层与盖板先封合，脱离基片，再与光波导层封合。
本发明微流控光开关阵列芯片采用“光波导层+底导电层+带导电膜块的绝缘层+上盖板”的夹心结构。紫外线通过光掩膜使光刻胶曝光，未曝光区域用显影液溶解。硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模。这样可以获得较高的深宽比，其结构侧壁与基体表面垂直。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，氧等离子体有助于表面清洗，同时可提高表面化学活性，特别是聚合物材料的表面活性。氧等离子体处理的PDMS可实现永久封合。
Claims (1)
1.一种电控光开关阵列微流控芯片的制作方法，其特征在于采用机械加工、制作PDMS微流控芯片、镀膜、封合来实现包含光波导层(7)、底导电层(11)、带导电膜块的绝缘层(5)和上盖板(4)的夹心结构的集成制作，其主要步骤包括：
1)光波导层的制作：采用制作光掩膜的方法，同过CAD设计微通道网络，将其打印在透明胶片上作为掩膜，在硅片上甩涂一薄层光刻胶，通过紫外线曝光，未曝光区域用显影液溶解，硅片以及表面上剩下的凸起SU-8结构用作制作PDMS基片的阳模，硅阳模表面用氟化的硅烷化试剂处理，然后将固化的PDMS从阳模剥离，制成具有特定微通道的基片；
2)驱动开关结构的制作：采用CAD设计制作PVA掩膜，通过甩涂光刻胶、显影得到导电模块分布，然后在PVA薄膜上用钻孔器产生通气孔和注液孔；
3)镀膜：采用蒸镀技术来进行镀膜，在真空下加热靶材金属，使其蒸发压力超过环境压力，从而加速蒸发，被涂敷的基片放在真空室中源材料的附近，当蒸气接触到较冷的基片表面时，金属蒸气被压缩，且在基片上颗粒边界生长出膜层；
4)底板导电层的制作：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；
5)芯片封合：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，这两种封合都用等离子辅助键合，制作后的绝缘层与盖板先封合，脱离基片，再与光波导层封合。
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