CN101629824A

CN101629824A - 马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片

Info

Publication number: CN101629824A
Application number: CN200910181888A
Authority: CN
Inventors: 涂兴华; 梁忠诚; 徐宁; 沈鹏; 黄舒舒
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: CN101629824B

Abstract

马赫－曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片采用“上盖板+微型气泵层+光波导层+下底板”的夹心结构，其中：第一层为上盖板(11)，上面留有排气孔(3)、注液孔(2)和电极孔(1、4)；第二层为微型气泵层(12)，其上有微型气泵模块(5、6)，以及对应匹配的排气孔、注液孔及电极孔；第三层为光波导层(13)，除了利用微流道工艺制作的微流道(10)外，中部是储液小槽及与微环腔(9)相通的细流道；第四层为下底板(14)。在该结构中，上盖板(11)、光波导层(13)和下底板(14)皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。上盖板、下底板均镀有反射膜，光波导层(13)的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇(PVA)薄膜。本发明结构简单、容易制作、适于集成，可用于导航及定位。

Description

马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片

技术领域

本发明涉及一种新颖的基于微流控技术的马赫-曾德尔干涉型光学陀螺芯片，属于光纤传感器集成技术领域。

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。

光学陀螺具有十分广泛的应用领域，包括国防军工、工程测量、石油钻探、飞行导航、GPS定位以及智能机器人控制等。目前已发展到以光纤陀螺和集成光学陀螺为标志的新阶段，并且受到各种应用的广泛关注。各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。根据sagnac效应，如图1，一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。对于光纤陀螺仪，光在介质中传播，其光程差与介质的折射率有关，也与介质的切线速率有关。该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。本专利中就是采用微环腔结构的光学陀螺利用萨格纳(Sagnac)效应，产生光程差，得到转动角速度的信息。

因此，本发明的创新之处在于，结合了微流控技术后为传统光纤陀螺器件的微型化、集成化、低成本化以及高精度控制提供了可能。

参考文献：

1齐绩.对Sagnac效应的一种解释[J].大庆石油大学学报，2007，31(3)：146-147.

2梁阁亭，惠俊军，李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹，2007，4：38-40.

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5梁忠诚，赵瑞.微流控光学及其应用[J].激光与光电子学进展[J].2008，45(6).17-20.

6吴重庆.光波导理论[M].第二版.北京：清华大学出版社，2005：190-226.

7D.Psaltis，S.Quake，C.H.Yang.Developing optofluidic technologythrough the fusion of microfluidics and optics[J].Nature，2006，442(7101)：381-386.

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种基于微流控的马赫-曾德尔干涉型微环腔光学陀螺芯片的结构方案，解决光学陀螺集成化，微型化的问题。

技术方案：本发明的马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片的结构采用“上盖板+微型气泵层+光波导层+下底板”的夹心结构，其中：第一层为上盖板，上面留有排气孔、注液孔和第一电极孔、第二电极孔；第二层为由PDMS薄膜构成的微型气泵层，其上有第一微型气泵模块、第二微型气泵模块，以及与上盖板对应匹配的排气孔、注液孔及电极孔；第三层为光波导层，其中的微流道与中部的储液小槽及与微环腔相连通；第四层为下底板，在下底板下有支撑系统的支点；从横向看，第一微型气泵模块及第二微型气泵模块分别加载于微环腔两侧，环形流道与中部的储液小槽相连通，并通过上下两部分的第一耦合器、第二耦合器实现与微流道之间的耦合分离与汇聚输出；其中，储液小槽上留有相应的注液孔及排气孔；第一微型气泵模块及第二微型气泵模块上分别留有第一电极孔和第二电极孔。

上盖板、光波导层和下底板皆采用聚二甲基硅氧烷，上盖板、下底板均镀有反射膜，光波导层的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇薄膜，上盖板下表面与微型气泵层上表面通过等离子辅助键合方式连接，上盖板上的注液孔和排气孔贯穿微型气泵层，并通过储液小槽连通光波导层；下底板上表面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。

光波导层中干涉臂和微环的连接可以看作是在直波导与微环腔之间通过第一耦合器、第二耦合器实现光波耦合，分别将两束平行光耦合进微环腔，使其顺时针和逆时针绕环一周，进而耦合输出实现汇聚。

第一微型气泵模块中的微型泵属于机械微泵中的热气动力微泵，其结构由一个腔体、一个泵膜、两个被动单向阀和一个制动器组成，腔体的一侧用一弹性膜封闭，通过改变控制电压，弹性膜上下移动，使腔体内的气体在高压，低压之间交替变化，可实现液体通过泵的连续运动。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明直接利用微管道中纳升量级的液体对光波进行控制，很好地体现了微流控技术的优势，有利于构造当前期待的高灵敏度的光陀螺。

创新之处在于：

(1)由于避免了由增大光纤长度来增大光程差的冗余结构，其可集成性能将大大提高。

(2)结合了微流控技术可直接感测外界变化，这使得这种光陀螺的应用范围延伸至各个对灵敏度要求不同的领域。

(3)微型气泵对电路要求很低，只要改变控制电压就可达到改变输送液体速度的作用。

(4)可反复使用多种介质进行测量。

附图说明

图1是SAGNAC效应的原理图。

图2是本发明的结构和工作原理示意图。

图3是本发明的三维立体剖面图。

图4是本发明的横向位置关系图。

图中有第一电极孔1、注液孔2、排气孔3，第二电极孔4、第一气泵模块5、第二气泵膜块6、第一耦合器7、第二耦合器8、微环腔9、微流道10、上盖板11、微型气泵层12、光波导层13、下底板14。

具体实施方式

1、基本原理和芯片结构：

本发明的基于微流控的微环腔光陀螺的基本结构如图1所示，它是“上盖板+微型气泵层+光波导层+下底板”的夹心结构。单元结构中，第一层为上盖板，上面留有排气孔、注液孔和电极孔；第二层为由PDMS薄膜构成的微型气泵层，其上有微型气泵模块，以及与上盖板上小孔对应匹配的排气孔和注液孔及电极孔；第三层是光波导层，除了利用微流道工艺制作的微流道外，中部是储液小槽及与环型流道相通的细流道；第四层为下底板，在下底板下有支撑系统的支点。在该结构中，上盖板、光波导层和下底板皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。考虑到PDMS材料的透光性，结构的上盖板，下底板，内壁都需要做遮光处理——即镀反射膜。从横向看，第一微型气泵模块及第二微型气泵模块分别加载于微环腔两侧，环形流道与中部的储液小槽相连通，并通过上下两部分的第一耦合器、第二耦合器实现与微流道之间的耦合分离与汇聚输出；其中，储液小槽上留有相应的注液孔及排气孔；第一微型气泵模块及第二微型气泵模块上分别留有第一电极孔和第二电极孔。

同时，PDMS材料极强的疏水性，需要通过涂抹聚乙烯醇(PVA)材料来改善。该系统结构中增加了排孔。原因有两点，首先在封闭的微环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。系统运行时，可由注液孔向流道内注入液体，液体可选用硅油(1.41)，甘油(1.47)，苯(1.50)等折射率大去且无色，透明的液体。随着液体的注入，流道内多余的气体可以由排气孔排出。启动微型气泵，可以通过加热，冷却气泵内的电热阻控制气泵的气腔膨胀，收缩，从而挤压环形流道内的液体，使其匀速绕流道流动。由激光器发射的一束激光经过分光器进入系统的两路平行腔内，通过上下两耦合器进入环形腔，分别以顺时针和逆时针方向，绕环形腔一周，然后通过各自的耦合器离开环形腔，回到平行腔，两光束最后汇合，根据Sagnac效应，它们会发生干涉。使用光电接收器测量光强变化可得知它们的相位差，最终推得系统的旋转的角速度的大小。

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、封合来实现包含上盖板、微型气泵层、光波导层、下底板的夹心结构的集成制作，包括步骤如下：

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)在PDMS薄膜上用钻孔器产生排气孔，注液孔和电极孔；

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。再采用聚乙烯醇(PVA)管壁涂层修饰微通道内壁；

4)芯片封合：光陀螺四层之间的封合，即四层PDMS膜层的封合，这两种封合都用等离子辅助键合，制作后的与上盖板先封合，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。这种封合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。

系统运行时，可由注液孔向流道内注入液体，选用甘油，其折射率为1.47且无色，透明。随着液体的注入，流道内多余的气体可以由排气孔排出。启动微型气泵，可以通过加热，冷却气泵内的电热阻控制气泵的气腔膨胀，收缩，从而挤压环形流道内的液体，使其匀速绕流道流动。由激光器发射的一束激光经过分光器进入系统的两路平行腔内，通过上下两耦合器进入环形腔，分别以顺时针和逆时针方向，绕环形腔一周，然后通过各自的耦合器离开环形腔，回到平行腔，两光束最后汇合，根据Sagnac效应，它们会发生干涉。将芯片置于被测物内，被测物的旋转速度将影响Sagnac效应，从而改变系统中两束相干光的相位差。使用光电接收器测量干涉点的光强变化可得知它们的相位差，最终推得被测物的旋转的角速度的大小。

Claims

1.一种马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片，其特征在于该芯片的结构采用“上盖板+微型气泵层+光波导层+下底板”的夹心结构，其中：第一层为上盖板(11)，上面留有排气孔(3)、注液孔(2)和第一电极孔(1)、第二电极孔(4)；第二层为由PDMS薄膜构成的微型气泵层(12)，其上有第一微型气泵模块(5)、第二微型气泵模块(6)，以及与上盖板(11)对应匹配的排气孔、注液孔及电极孔；第三层为光波导层(13)，其中的微流道(10)与中部的储液小槽及与微环腔(9)相连通；第四层为下底板(14)，在下底板下有支撑系统的支点；从横向看，第一微型气泵模块(5)及第二微型气泵模块(6)分别加载于微环腔(9)两侧，环形流道与中部的储液小槽相连通，并通过上下两部分的第一耦合器(7)、第二耦合器(8)实现与微流道(10)之间的耦合分离与汇聚输出；其中，储液小槽上留有相应的注液孔(2)及排气孔(3)；第一微型气泵模块(5)及第二微型气泵模块(6)上分别留有第一电极孔(1)和第二电极孔(4)。

2.根据权利要求1所述的马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片，其特征在于上盖板(11)、光波导层(13)和下底板(14)皆采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，上盖板、下底板均镀有反射膜，光波导层(13)的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇(PVA)薄膜，上盖板(11)下表面与微型气泵层(12)上表面通过等离子辅助键合方式连接，上盖板上的注液孔(2)和排气孔(3)贯穿微型气泵层，并通过储液小槽连通光波导层(13)；下底板(14)上表面通过等离子辅助键合方式与光波导层(13)的PDMS基质下表面实现连接粘合。

3.根据权利要求1所述的马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片，其特征在于光波导层(13)中干涉臂和微环的连接可以看作是在直波导与微环腔之间通过第一耦合器(7)、第二耦合器(8)实现光波耦合，分别将两束平行光耦合进微环腔，使其顺时针和逆时针绕环一周，进而耦合输出实现汇聚。

4.根据权利要求1所述的马赫-曾德尔干涉型微流控光学陀螺芯片，其特征在于第一微型气泵模块(5)中的微型泵属于机械微泵中的热气动力微泵，其结构由一个腔体、一个泵膜、两个被动单向阀和一个制动器组成，腔体的一侧用一弹性膜封闭，通过改变控制电压，弹性膜上下移动，使腔体内的气体在高压，低压之间交替变化，可实现液体通过泵的连续运动。