CN112635094B - 一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片型微粒子光悬浮装置，依次顺序设有驱动电路板、半导体激光器、微型透镜组、波片、微粒子腔室、光电探测器；半导体激光器位于驱动电路板上；微型透镜组用于将半导体激光器发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；波片用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室内微粒子的悬浮捕获；光电探测器用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室内微粒子的状态信息；芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片，陶瓷压电片的振动带动微粒子腔室，激发微粒子腔室内的微粒子悬浮在微粒子腔室内。

Description

一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法

技术领域

本发明涉及光悬浮技术领域，具体涉及一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法。

背景技术

自从上世纪八十年代Ashkin利用激光成功实现了对微小粒子进行操控并提出光悬浮技术以来，这种利用激光的辐射压力效应并通过高聚焦透镜对细胞等微型颗粒进行无接触式操纵的方法逐渐成为进行物理学、生物学等基础研究的重要手段，其优点在于不会对微粒产生机械损伤且捕获效率和精度高。

光悬浮技术的应用主要归纳为五个大类：生命科学、光子晶体、表面科学及凝聚态物理、微操控及微细加工、材料科学等领域。光悬浮技术诞生后，根据不同的应用需求，发展出了品种繁多的各类光悬浮技术，其中包括空间光悬浮技术、光纤光悬浮技术等。

基于显微物镜的传统空间光悬浮技术采用高数值孔径的显微物镜，并且还需要光束准直器件，耦合器件和增透膜滤光片等光学元件，使整个光悬浮系统光路较为复杂，体积大无法灵活搬运，成本较高，而光纤和硅基波导光悬浮装置尽管光路简单，较为灵活，主体尺寸较小，但均采用传统的箱式半导体激光器，使得总体尺寸仍然较大，无法适用于芯片型器件的需求。

开发这种基于MEMS工艺的高集成度芯片型微粒子光悬浮装置系统有利于扩展光力领域的应用范围，降低多学科应用光力技术的研究难度与门槛，特别是为紧凑型惯性传感单元，如微加速度计、微陀螺仪利用光力效应提供解决方案，为未来芯片型器件利用光悬浮技术进行理论和工程研究提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种小型化、集成化的一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种芯片型微粒子光悬浮装置，依次顺序设有驱动电路板、半导体激光器、微型透镜组、波片、微粒子腔室、光电探测器；

所述半导体激光器位于驱动电路板上；

所述微型透镜组包括第一平凸微透镜和第二平凸微透镜，所述第一平凸微透镜、第二平凸微透镜的凸面相对设置，且用于将半导体激光器发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；

所述波片用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室内微粒子的悬浮捕获；

所述光电探测器用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室内微粒子的状态信息；

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片，所述陶瓷压电片的振动带动微粒子腔室，激发微粒子腔室内的微粒子悬浮在微粒子腔室内。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括悬臂梁，所述微粒子腔室通过悬臂梁与陶瓷压电片连接。

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括支撑件，所述支撑件用于固定第一平凸微透镜、第二平凸微透镜、波片、微粒子腔室和光电探测器；所述微粒子腔室相对于第一平凸微透镜和/或第二平凸微透镜可移动。

所述支撑件包括第一支撑座、第二支撑座和第三支撑座，所述第一支撑座用于固定第一平凸微透镜、第二平凸微透镜、波片；所述第二支撑座用于固定光电探测器，所述第三支撑座用于固定微粒子腔室。

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括第三平凸微透镜，所述第三平凸微透镜位于微粒子腔室和光电探测器之间且用于将出射光整形形成平行光。

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括封装层，所述驱动电路板、半导体激光器、第一平凸微透镜、第二平凸微透镜、波片、微粒子腔室、光电探测器用封装层封装。

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括多个透镜支架，所述透镜支架与支撑件连接且用于夹持第一平凸微透镜、第二平凸微透镜。

所述微粒子腔室包括硅基体和位于硅基体上、下表面的玻璃片层，所述硅基体内设有用于容纳微粒子的空腔，所述微粒子腔室采用 MEMS 工艺和阳极键合工艺制备而成。

所述微粒子腔室由以下步骤制备而成：

A1、以硅片为基底，在硅片一表面形成二氧化硅层；

A2、在具有二氧化硅层的硅片表面涂抹光刻胶，进行光刻处理；

A3、光刻处理后去除未被光刻胶保护的掩膜层，从而得到带有腐蚀窗口的硅片；

A4、将带有腐蚀窗口的硅片进行腐蚀，得到微粒子腔室主体结构，去除二氧化硅层，得到微粒子腔室框架基片；

A5、将A4中的微粒子腔室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中进行阳极键合处理形成硅-玻璃半腔室；

A6、将微米级或纳米级的微颗粒置于硅-玻璃半腔室中；

A7、将另一玻璃片放置在硅-玻璃半腔室上，放入真空键合装置中进行阳极键合处理形成含有微颗粒的玻璃-硅-玻璃微粒子腔室。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种芯片型微粒子光悬浮装置的微粒子捕获方法，包括以下步骤：

S1、开启驱动电路板，调节恒流输出至半导体激光器的输出功率稳定,微型透镜组的第一平凸微透镜和第二平凸微透镜将半导体激光器发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；

S2、调节微粒子腔室的位置，使半导体激光器出射光的焦点位于微粒子腔室内；

S3、打开陶瓷压电片振动微粒子腔室，使得微粒子腔室内的微粒子悬浮在微粒子腔室内；

S4、用示波器观测光电输出，直至振动信号稳定，微粒子已被捕获。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的芯片型光悬浮装置用小体积半导体激光器、微型透镜组（即第一平凸微透镜、第二平凸微透镜）、微粒子腔室作为光悬浮装置的主体，大大缩小传统型光悬浮装置的体积。小体积的半导体激光器相较于盒式激光器效率高、体积小、重量轻且价格低、采用小体积的半导体激光器作为激励源，利用微型透镜组等小尺寸光学元件替代高数值孔径的大物镜又进一步缩小了整体尺寸，利用微粒子腔室替代真空腔的方式既降低了真空系统的设计和加工难度，又实现了整套光悬浮设备的小型化，微型透镜组（即第一平凸微透镜、第二平凸微透镜）实现光束由发散到平行再到会聚的光路，保证焦点在微粒子腔室内部，其捕获原理为通过调整半导体激光器输出激光的功率实现作用在微粒子上的梯度力、散射力、重力及其余环境阻力达到平衡，实现微粒子在光阱内的稳定控制。波片的目的是将出射的线偏振光转换为圆偏振光，实现微粒在光阱内的旋转效应。光电探测器将光信号转化为电信号进而输出微粒子在光阱内的振动、旋转信息通过实时收集光电信号即可判断微粒子的运动状态。

芯片型光悬浮装置的整体体积小，小型化、集成化，通过调节半导体激光器的激光功率实现对不同大小微粒的的精确捕获，操作简单，成本低廉，使其可以被运用在芯片型工程器件中，丰富和发展了光力技术的应用领域。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为微粒子腔室的工艺流程图。

图例说明：

1、驱动电路板；2、半导体激光器；3、第一支撑座；4、透镜支架；5、第一平凸微透镜；6、第二平凸微透镜；7、波片；8、微粒子腔室；81、硅基体；82、玻璃片层；9、第三平凸微透镜；10、光电探测器；11、第二支撑座；12、悬臂梁；13、陶瓷压电片；14、第三支撑座；15、封装层。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

实施例1：

如图1所示，一种芯片型微粒子光悬浮装置，依次顺序设有驱动电路板1、半导体激光器2、微型透镜组、波片7、微粒子腔室8、光电探测器10；半导体激光器2位于驱动电路板1上；微型透镜组包括第一平凸微透镜5和第二平凸微透镜6，第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6的凸面相对设置，且用于将半导体激光器2发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；波片7用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室8内微粒子的悬浮捕获；光电探测器10用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室8内微粒子的状态信息；芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片13，陶瓷压电片13的振动带动微粒子腔室8，激发微粒子腔室8内的微粒子悬浮在微粒子腔室8内。

由于透明的微粒子，如二氧化硅粒子在重力作用下会下沉至微粒子腔室8底部，其与微粒子腔室8底部之间的范德华力会使得二氧化硅粒子被束缚在微粒子腔室8底部难以被光阱力捕获，因此采用陶瓷压电片13作为振动源，在其两端施加交流电压信号，通过其高频振动带动固连在微粒子腔室8，使得微粒子摆脱范德华力，激发并漂浮至微粒子腔室8空腔中。

本发明的芯片型光悬浮装置采用小体积的半导体激光器2作为激励源，通过微型透镜组（即第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6）实现光束由发散到平行再到会聚的光路，保证焦点在微粒子腔室8内部，其捕获原理为通过调整输出激光的功率实现作用在微粒子上的梯度力、散射力、重力及其余环境阻力达到平衡，实现微粒子在光阱内的稳定控制。波片的目的是将出射的线偏振光转换为圆偏振光，实现微粒在光阱内的旋转效应。光电探测器10将光信号转化为电信号进而输出微粒子在光阱内的振动、旋转信息通过实时收集光电信号即可判断微粒子的运动状态。

小体积的半导体激光器2相较于盒式激光器效率高、体积小、重量轻且价格低。以激光二极管为例，其封装尺寸在毫米量级，功率可达数瓦，容易实现集成化要求，这大大降低了光悬浮微粒子装置的整体体积，从而实现小型化、集成化。而利用微透镜等小尺寸光学元件替代高数值孔径的大物镜又进一步缩小了整体尺寸，此外，利用微粒子腔室8替代真空腔的方式既降低了真空系统的设计和加工难度，又实现了整套光悬浮设备的小型化。

本实施例中，悬浮驱动光源采用小体积的半导体激光器2，输出功率可调，封装体积小于100mm³。半导体激光器2采用波长为850~1550nm，最大输出功率大于1W的大功率型号，将半导体激光器2的底部电极通过点焊至驱动电路板1上的金属焊盘，第一支撑座3、第三支撑座14通过激光切割形成悬臂通孔，并通过点焊与驱动电路板1连接。

驱动电路板1为输出电流可调的恒流源电路，实现对半导体激光器2输出功率的稳定控制与调节。

芯片型微粒子光悬浮装置还包括悬臂梁12，微粒子腔室8通过悬臂梁12与陶瓷压电片13连接。本实施例中，悬臂梁12为玻璃支撑板。

芯片型微粒子光悬浮装置还包括支撑件，支撑件用于固定第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6、波片7、微粒子腔室8和光电探测器10；微粒子腔室8相对于第一平凸微透镜5和/或第二平凸微透镜6可移动。本实施例中，支撑件为金属支撑件。

支撑件包括第一支撑座3、第二支撑座11和第三支撑座14，第一支撑座3用于固定第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6、波片7；第二支撑座11用于固定光电探测器10，第三支撑座14用于固定微粒子腔室8。本实施例中，第一支撑座3位于第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6、波片7侧部，第三支撑座14位于微粒子腔室8的侧部。

本实施例中，压电陶瓷片13与第三支撑座14固连，端部连接悬臂梁12（本实施例为玻璃支撑板），微粒子腔室8底板与悬臂梁12固连。陶瓷压电片13采用一定频率的交流信号驱动,通过振动激发微粒子使其被抛于微粒子腔室8中。

芯片型微粒子光悬浮装置还包括第三平凸微透镜9，第三平凸微透镜9位于微粒子腔室8和光电探测器10之间且用于将出射光整形形成平行光。

芯片型微粒子光悬浮装置还包括封装层15，驱动电路板1、半导体激光器2、第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6、波片7、微粒子腔室8、光电探测器10用封装层15封装。

芯片型微粒子光悬浮装置还包括多个透镜支架4，透镜支架4与支撑件连接且用于夹持第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6。本实施例中，透镜支架4还用于夹持波片7，透镜支架4与支撑件固连，通过粘结剂粘结，粘结剂采用丙烯酸粘结剂。

微粒子腔室8包括硅基体81和位于硅基体81上、下表面的玻璃片层82，硅基体81内设有用于容纳微粒子的空腔，微粒子腔室8采用MEMS工艺和阳极键合工艺制备而成。

本实施例中，半导体激光器2、光电探测器10、支撑件均焊接在电路板上。由于小体积的半导体激光器2的驱动电路板1的目的为输出可调的恒定电流以驱动半导体激光器2工作，并保证一定稳定度和精度，因此采用负反馈电路。其中包括：稳压电源、可调偏置、控制电路、延时网络、保护电路。通过稳定电源提供一个稳定的电压，可调偏置电路和控制电路使得激光器两端的输出电压在一可调范围内，并通过负反馈使得作用其上的电压维持不变，并通过加入延时网络和保护电路防止半导体激光器2受到反向电压发生损坏，由于半导体激光器2工作过程中所需驱动电流较大，其产生的热效应会严重影响焊接接头和光束品质，因此需在驱动电路板1中加入散热模块。

波片7为1/4波片或者1/2波片。

第一平凸微透镜5、第二平凸微透镜6之间的焦距小于5mm。

第一平凸微透镜5与半导体激光器2顶部的距离适当（根据半导体激光器2所选用激光二极管的发散角确定第一平凸透镜5的焦距，确保光源位于焦点上即可，当发散角较大时，大部分功率可经过第一平凸微透镜5），以减少激光光束的传输损耗。

微粒子腔室8中间空腔采用硅片为主体材料，两侧为Pyrex玻璃，通过阳极键合工艺，在真空室中键合连接。微粒子腔室8整体体积小于25mm³。

光电探测器10安装在微粒子腔室8的上方，采用高频四象限探测器、平衡光检测器或者单片光电探测器，对通过微粒子腔室8的透射光进行检测，实现对捕获粒子的位置、振动，激光强度等信息的实时测量。

封装层15尺寸小于10mm×10mm×15mm。

微粒子腔室8采用<100>晶面，双面抛光的硅片为基底，通过腐蚀液对其进行双面刻蚀形成腔室，通过单侧阳极键合形成微粒子腔室预件，在加入微粒子之后，通过第二次阳极键合将耐热玻璃与硅片上表面紧密贴合以形成密封，如图2所示，具体包括以下制备步骤：

一、通过热氧化法在硅片表面形成二氧化硅层；

二、对步骤一带有二氧化硅层的硅片均匀涂抹光刻胶，然后进行光刻处理；光刻处理后使用腐蚀液去除未被光刻胶保护的掩膜层，从而得到带有腐蚀窗口的硅片；

三、将带有腐蚀窗口的硅片进行腐蚀，得到微粒子腔室主体结构，之后去除二氧化硅层，得到微粒子腔室框架基片；

四、将步骤三中的微粒子腔室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中，控制键合加热温度与键合电压，形成硅/玻璃半腔室；

五、将少量二氧化硅颗粒置于硅/玻璃半腔室；

六、将第二片玻璃片放置在硅/玻璃半腔室上，然后放入真空键合装置中，共同升温，形成含有二氧化硅微粒的玻璃/硅/玻璃微粒子腔室；

现有技术的腔室均为大体积真空腔室，仅适用于实验室环境，本发明结合MEMS小体积优势的微粒子腔室8便于光悬浮装置的小型化，集成化。

一种芯片型微粒子光悬浮装置的微粒子捕获方法，包括以下步骤：

S1、开启驱动电路板1，调节恒流输出至半导体激光器2的输出功率稳定，微型透镜组的第一平凸微透镜5和第二平凸微透镜6将半导体激光器2发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；

S2、调节微粒子腔室8的位置，使半导体激光器2出射光的焦点位于微粒子腔室8内；

S3、打开陶瓷压电片13振动微粒子腔室8，使得微粒子腔室8内的微粒子悬浮在微粒子腔室8内；

S4、用示波器观测光电输出，直至振动信号稳定，微粒子已被捕获。

捕获过程采用先调整半导体激光器2输出功率达到恒定，再将包含光电探测器10的上盖板打开，接入外部显微镜，激光焦点位于微粒子腔室8内部，反复控制陶瓷压电片13振动与停止使得微粒子不断被抛掷空中，直至光电探测器10输出稳定的电信号。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：依次顺序设有驱动电路板（1）、半导体激光器（2）、微型透镜组、波片（7）、微粒子腔室（8）、光电探测器（10）；

所述半导体激光器（2）位于驱动电路板（1）上；

所述微型透镜组包括第一平凸微透镜（5）和第二平凸微透镜（6），所述第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）的凸面相对设置，且用于将半导体激光器（2）发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；

所述波片（7）用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室（8）内微粒子的悬浮捕获；

所述光电探测器（10）用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室（8）内微粒子的状态信息；

所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片（13），所述陶瓷压电片（13）的振动带动微粒子腔室（8），激发微粒子腔室（8）内的微粒子悬浮在微粒子腔室（8）内。

2.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括悬臂梁（12），所述微粒子腔室（8）通过悬臂梁（12）与陶瓷压电片（13）连接。

3.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括支撑件，所述支撑件用于固定第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）、波片（7）、微粒子腔室（8）和光电探测器（10）；所述微粒子腔室（8）相对于第一平凸微透镜（5）和/或第二平凸微透镜（6）可移动。

4.根据权利要求3所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述支撑件包括第一支撑座（3）、第二支撑座（11）和第三支撑座（14），所述第一支撑座（3）用于固定第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）、波片（7）；所述第二支撑座（11）用于固定光电探测器（10），所述第三支撑座（14）用于固定微粒子腔室（8）。

5.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括第三平凸微透镜（9），所述第三平凸微透镜（9）位于微粒子腔室（8）和光电探测器（10）之间且用于将出射光整形形成平行光。

6.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括封装层（15），所述驱动电路板（1）、半导体激光器（2）、第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）、波片（7）、微粒子腔室（8）、光电探测器（10）用封装层（15）封装。

7.根据权利要求4所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括多个透镜支架（4），所述透镜支架（4）与支撑件连接且用于夹持第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）。

8.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述微粒子腔室（8）包括硅基体（81）和位于硅基体（81）上、下表面的玻璃片层（82），所述硅基体（81）内设有用于容纳微粒子的空腔，所述微粒子腔室（8）采用 MEMS 工艺和阳极键合工艺制备而成。

9.根据权利要求8所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述微粒子腔室（8）由以下步骤制备而成：

A1、以硅片为基底，在硅片一表面形成二氧化硅层；

A2、在具有二氧化硅层的硅片表面涂抹光刻胶，进行光刻处理；

A3、光刻处理后去除未被光刻胶保护的掩膜层，从而得到带有腐蚀窗口的硅片；

A4、将带有腐蚀窗口的硅片进行腐蚀，得到微粒子腔室主体结构，去除二氧化硅层，得到微粒子腔室框架基片；

A5、将A4中的微粒子腔室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中进行阳极键合处理形成硅—玻璃半腔室；

A6、将微米级或纳米级的微颗粒置于硅-玻璃半腔室中；

A7、将另一玻璃片放置在硅-玻璃半腔室上，放入真空键合装置中进行阳极键合处理形成含有微颗粒的玻璃-硅-玻璃微粒子腔室。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述芯片型微粒子光悬浮装置的微粒子捕获方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、开启驱动电路板（1），调节恒流输出至半导体激光器（2）的输出功率稳定,微型透镜组的第一平凸微透镜（5）和第二平凸微透镜（6）将半导体激光器（2）发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；

S2、调节微粒子腔室（8）的位置，使半导体激光器（2）出射光的焦点位于微粒子腔室（8）内；

S3、打开陶瓷压电片（13）振动微粒子腔室（8），使得微粒子腔室（8）内的微粒子悬浮在微粒子腔室（8）内；

S4、用示波器观测光电输出，直至振动信号稳定，微粒子已被捕获。

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