微流控光学器件与系统的研究进展

第1期
吴建刚 , 等 :
微流控光学器件与系统的研究进展
5。其基本结构 : 以高反射聚合物为衬底 , 其上淀积 透明导电薄膜氧化铟锡 ( IT O) 作为下电极, 然后再 淀积疏水绝缘层并制作围堰 , 分别注入有色油滴和 水后, 加上有 IT O 薄膜的玻璃作为上盖板。 在 未加 驱动 电 压 时, 由 于 油 和水界面 张力与 油和疏水 性绝缘
( 清华大学 微电子学研究所 , 北京 摘 100084)
*
要 : 微流控技术作为微全分析系统的关键与核心 , 一 直是 M EM S 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 , 近年来已经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。微流控技术与光学器件的融合 , 为传统光学器件 的微型化、 阵列化、 低成本 化以及 高精度 控制提 供了可 能。叙述了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 新型光 学器件 的近期 研究成 果和应用背景。 关 键 词 : 微流控 ; M EM S; 光学器件 ; 介质上电润 湿 ; 热毛细管 文献标识码 : A 中图分类号 : T P751
* [ 1]
收稿日期 : 2004 - 12 -20
E - mail : w jg02@ mails. tsinghua. edu. cn
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 10472055) ; 清华大学基础研究资金项目( JC2003060) 作者简介 : 吴建刚 ( 1978 -) , 男 , 江苏省人 , 清华大学博士研究生 , 从事微流控技术的研究。
微 机 电 系 统 ( M icro - Electro -M echanical Sys t ems, M EMS) 技术的巨大成功引起了一场微 小型 机械制造领域的科技革命 , 形成了集微传感器、 微型 机械、 微执行器、 智能控制于一体的新兴科学领域。 近年来 , 在 MEM S 系统中 , 又迅速发展起来了一种 极具 活 力的 微 生 化 分 析 系 统 ) ) ) 微 全 分 析 系 统 ( Micro T ot al Analysis Syst em, uTAS) , 其中微流 控 芯片系统 ( Microfluidic chip system) , 又称/ 芯片实验 室0 ( Lab on a chip) , 正处于当前发展的主流和前沿。 在微流控芯片系统中, 受控流体的典型尺寸在几微 米到几百微米之间。在这种尺度下 , 相对其它作用 力, 流体表面张力起着主导性作用。到目前为止, 对 微流 体 操纵 技 术 主要 有 : 电 化 学 反 应 , 静 电 驱 [ 2] [ 3] [ 4, 5] 动 , 介电 电 泳 , 热 毛 细管 , 介质 上 电 润 湿 ( Elect row et t ing On Dielectric, EWOD) [ 6] 以 及常 规 气压控驱动等。相对来讲, 常规气压控驱动是一种 比较成熟的流体驱动技术, 通过调节气压来驱动管
71
光 学
技
术
使透镜发生侧向位移。图 2说明 了透镜电 极设计 示 意图以 及器件截 面图, 当 所有电极都施加相同电压 时 , 液滴接触角变小, 透镜 焦距变 大; 如 果相邻两 电 极施加 偏压, 液滴将会 发 生侧向 偏移, 即整个透 镜
第 32 卷
高速发展 , 研究微小型低成本光学器件 , 无疑会对光 学系统的发展有着重要的现实意义。在新一代高速 光传输系统中, 微流控技术将在提高传输系统容量、 传输速度等方面发挥重要的作用 ; 在新型光图像显 示系统中 , 它为高清晰度、 高亮度、 高分辨率显示提 供可行的技术; 在微型光仪器系统中, 它将为仪器微 型化、 可调性以及降低成本方面提供新的思路。文 章根据目前微流控光学器件的研究现状, 主要叙述 基于微流控的可变焦光透镜、 显示器件、 光开关、 以 及可调光纤光栅等光学器件。
Review of optical devices and systems based on microfluidics
WU Jian - gang, YUE Rui feng, ZENG Xue -feng, LIU Li tian
( I nst itute of M icro electronics, T singhua U niversity , Beijing 100084, China) Abstract: M icrofluidics is the basis of micr o total analysis system ( LT A S) and the r esearch spotlig ht in M icro - Electro -Me chanical Systems ( M EM S) now . With the development of microfluidics and the cooperation w ith other technologies, many new areas, especially microfluidic optical dev ices, come into being . It is possible that the miniatur ization, arraying, low- cost and pr ecise control of the optical devices are realized by the cooperation between micr ofluidic technolog y and optical devices. So me typical o ptical devices and applications are presented, including variable - focusing microlens, display device, optical sw itch, tun able optical fiber and grating. Key words: micro fluidics; M EM S; optical dev ice; electrowetting - on - dielectr ic; thermo - capillar y
第 32 卷 第 1 期 2 0 06 年 1 月
光 学 技 术
OP T ICA L T ECHN IQ U E
V ol. 32 No. 1 Jan. 2006
文章编号 : 1002 - 1582( 2006) 01 -0071 - 04
微流控光学器件与系统的研究进展
吴建刚, 岳瑞峰, 曾雪锋, 刘理天
的可变焦光透镜示意图
2. 1 可变焦光透镜 可变焦光微透镜是一种非常重要的光子器件 , 广泛应用于光通讯、 显微镜、 生物医学检测以及光刻 技术等领域。相对于传统可变焦光透镜, 微流控可 变焦光透镜工艺简单 , 控制精度高 , 光学质量好。目 前, 根据驱动机理可将微流控可变焦光透镜分为两 大类: 基于 EWOD 的可变焦光透镜和基于压控流体 的可变焦光透镜。 2001 年 , S Kwon 和 L P Lee 首先提出基于 E WOD 的 可变 焦光 透镜 的原型 [ 8] , 见图 1。 此透 镜由一个 1L L 左右的小 液滴组成 , 将液滴 放置 在低表面能疏水性介质 层wk.baidu.com, 并 将其钳制 为零 电位。通过改变介质层 下的电极电势来调节透 图 1 基于 EWOD 的 可变焦 距光透镜结构示意图 镜的焦距 : 当未加 电压 时, 液滴在疏水介质层上 的初始接触角为 H 0 , 此时 液滴的形状见图 1 虚半圆 , 透镜的焦距见图 1 实线 ; 当在电极上外加电势后, 疏水性介质层上的液滴接 触角 即 发 生 变 化。 根 据 Lippm ann - Young . s 方 程[ 9] , 液滴接触角和电势关系可以推导为 1 1 cos H cv 2 v = cos H 0+ 2 r lv 式中 v 是外加的电势 ; H v 是外加电压下液滴的三相 接触角; r lv 是液体和固体的表面张力系数 ; c 是电极 和液体之间的介质层单位面积电容。因此, 外加电 压后液滴形状如图 1 中实线半圆所示, 液滴三相接 触角变小, 液滴曲率半径增大, 焦距变长 ( 见图 1 虚 线) 。在外加电压下 , 该透镜的焦距最大可达初始焦 距的 1. 3 倍, 并且响应速度很快, 大约只有 100ms。 2003 年 , T Krupenkin 等提出了一种改 进的基 于 EWOD 的可变焦光透镜[ 10] , 见图 2。通过电极结 72
构的合理设计, 不仅可以使透镜焦距可调 , 而且可以
2
各种微流控光学器件
产生侧向位移。该透镜焦 距最大可调为原来的 1. 2 图 2 改进的基于 EWOD 倍 , 响应速度更快 , 大约只 要 5ms。 以上叙述的可变焦光透镜都是基于平面介质上 的电润湿体系, 液滴易发生滚动 , 易蒸发 , 因此稳定 性较差 , 易受外界干扰。目前, 人们开始关注另一种 基于 EWOD 的可变焦/ 体结构0 光透镜, 此结构中电 润湿界面 为液 体 - 液体 界 面, 通 常 为油 / 水界 面。 2000 年 , Bruno Berge 提出了基于 EWOD 的可变焦 / 体结构0 光透镜雏形[ 11] , 该透镜由填充两种液滴的 透明基底组成, 其响应速度在几十毫秒左右。 2004 年 , S Kuiper 和 B H W Hendriks 在此基础上提出了 柱状可变焦光透镜 [ 12] 。图 3 所示 , 在柱状容器内有 两种不同折射率的液体 : 一种是导电液体 , 如水的盐 溶液; 另一种是绝缘液体, 通常是油。一层透明电极 被涂覆在柱状玻璃表面 , 然后在内侧涂覆 3L m 厚的 Parylene 作为绝缘层 , 并在其上涂覆疏水层。最后, 利用环氧树脂胶将上下盖板粘结在一起。在初始状 态下 , 两种互不相混的液滴形状以及交界面曲率见 图 3( a) ; 当外加电压后 , 由于电润湿作用, 外加电势 将降低导电液体和绝缘体之间的表面张力 , 从而使 导电液滴的油、 水和绝缘体三相接触角变小, 三相交 界面发生变化, 见图 3( b) 。该透镜不仅可以改变透 镜的焦距 , 甚至能改 变透镜 的类型。如 图 3( c) ~ ( e) 所示, 在外加 0V 、 100V 以及 120V 电压下 , 两液 滴交界面从凸曲面变成凹曲面。 基于 EWOD 可变焦 光透镜 结构简 单、 重 复性 好、 易控制, 抗干扰能力强, 但其驱动电压仍很高 , 一 般需要百伏以上 , 不利于 便携式光学系统 的应用。 因此 , 降低驱动电压是此类可变焦光透镜的一个发 展必然趋势。 与此同时 , 基于其它机理的流体光透镜也被普 遍关注 , 如压控流体光透镜阵列。 2003 年 , L uke P L ee 等提出了基于压控填充流体的可变焦微透镜阵 列[ 13] ; 2004 年, Jackie Chen 等也提出了类似基于微
1
引
言
道内流体 ; 介质上电润湿( EWOD) 是指通过在介质 层下面的微电极阵列上施加电势来控制液体和固体 表面之间的润湿特性。通过部分改变液体和固体表 面的界面能, 造成液体的不对称形变来实现对液体 的驱动和控制; 而热毛细管是指在液体局部加热 , 产 生热梯度, 改变液体局部表面界面能 , 从而实现对液 体的操纵。与常规气压控驱动相比, 后两种操纵机 制不需要活动的泵、 阀, 并能够进行一些复杂的、 高 并行性操作。 随着光学系统的蓬勃发展, 光学器件的微型化、 集成化、 可调化将成为光技术的重要发展方向。然 而 , 传统光学器件具有体积大、 成本高、 可调性差等 缺陷, 这些将直接阻碍现代光学系统的微型化、 产业 化进程。J E Fouquet 等首先将微流控技术应用到 光开关[ 7] 上 , 这揭开了微流控技术应用到光学系统 ) ) ) 微流控光学 系统的序幕。微 流体技术 为光开 关、 光透镜以及可调光纤等器件的微型化、 阵列化、 低成本化和高精度控制提供了技术的可行性。近年 来随着光通信技术、 多媒体技术以及光测试系统的