（光学工程专业论文）基于金属导电内芯的微流控光学变焦透镜阵列的研制.pdf

南京邮电人学硕上研究生学位论文摘要 摘要 随着现代光学的发展，微光学元件的研究及其在各个领域中的应用已经引起国内外科 研工作者越来越高度的重视。微透镜阵列就是其中一种重要的微光学元件，在光通信和光 信息处理等众多领域中有着广泛应用。本文对微透镜阵列的设计理论、制作工艺进行了研 究，并提出种新颖的基于金属导电内芯的微流控光学变焦透镜阵列的制作方案，该透镜 具有变焦范围大、响应快、失真度小、可靠性高等特点，弥补了固定焦距微透镜阵列的不 足。本课题主要工作如下： ( 1 ) 提出一种基于介质上电润湿效应的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的结构，该 芯片的内芯位于上盖片和下盖片之间，形成一种具有表面微流道网络的三明治夹心结构。 ( 2 ) 研究了导电内芯的介质上电润湿效应，并通过实验分析了不同介电材料和歹 介电层厚度对金属基片e w o d 效应的影响。 ( 3 ) 制作了基于金属导电内芯的微流控光学变焦透镜阵列，该透镜阵列的研制工作 主要包括：内芯材料的选择，内芯的设计与制作，内芯表面处理与镀膜，芯片合成与液体 灌注以及电极制作等。 ( 4 ) 测试和分析了微流控变焦透镜阵列的性能，实验测量了透镜阵列的焦距随电压 变化的关系，并与计算机仿真结果进行比较。同时，还研究了液体界面曲率半径和液体界 面形变量随电压的变化关系。 关键字：微流控光学，可变焦透镜，微透镜阵列，导电金属，介质上电润湿 南京邮电人学硕一l j 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mo p t i c s ，t h er e s e a r c h e r so ft h ew o r l di nt h i sf i e l da r e a t t a c h i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c et o t h ei n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o n so fm i c r o o p t i c s e l e m e n t si nm a n yf i e l d s t h em i c r o l e n sa r r a yi sa l li m p o r t a n tk i n do fm i c r o o p t i c se l e m e n t ， w h i c hh a sa b r o a du s ei no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s ，e t c t h i s d i s s e r t a t i o n p l a c e se m p h a s i su p o n t h ed e s i g nt h e o r ya n dt h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f m i c r o l e n sa r r a y an o v e lp r o g r a mo fo p t o f l u i d i cz o o ml e n sa r r a yi sp u tf o r w a r dw h i c hi sb a s e d o nt h em e t a lc o n d u c t i v ei n n e rc o r e t h i sl e n sa r r a yh a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt h ef i x e d f o c u s o n e s ，s u c ha sl a r g ez o o mr a n g e ，r a p i dr e s p o n d i n ga n ds m a l ld i s t o r t i o n ，e t c t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ac h i ps t r u c t u r eo fv o l t a g e c o n t r o l l e dz o o ml e n sa r r a yb a s e do ne l e c t r o w e t t i v ： d i e l e c t r i c ( e w o d ) h a sb e e np r o p o s e d t h ei n n e rc o r eo ft h i sc h i pi sb e t w e e nt h eu p p e rl a y e r a n dt h el o w e rl a y e r ，w h i c hf o r m sas a n d w i c hs t r u c t u r e 、i t hm i c r oc h a n n e ln e t w o r k s ( 2 ) t h ep r o p e r t i e sa n df i l mp l a t i n go f d i e l e c t r i cm a t e r i a l sh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h r o u g h e x p e r i m e n t so fe w o de f f e c to nc o n d u c t i v ei n n e rc o r e ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt h i c k n e s so f d i e l e c t r i cm a t e r i a l sh a sb e e nr e s e a r c h e d ( 3 ) t h eo p t o f l u i d i ez o o ml e n sa r r a yb a s e do nm e t a li n n e rc o r eh a sb e e nf a b r i c a t e d ，a n dt h e w o r ko ft h i sr e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e s ：c h o o s i n gm a t e r i a l s ，d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt h e i n n e rc o r e ，d e a l i n gw i t ht h es u r f a c e ，i n t e g r a t i n gt h ec h i p ，f i l l i n gw i t hl i q u i da sw e l la sp r o d u c i n g e l e c t r o d e s ，e t c ( 4 ) s o m ep r i m a r yp a r a m e t e r s o ft h em i c r o - l e n s a r r a yh a v eb e e na n a l y z e da n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a t c hw e l l 、 r i t l lt h es i m u l a t e dc o n c l u s i o n s k e y w o r d s ： o p t o f l u i d i c s ， z o o m l e n s ， m i c r o l e n s a r r a y s ， e o n d u e t i v e m e t a l ， e l e e t r o w e t t i n g - o n - d i e l e c t r i c ( e w 0 0 ) i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 啦日期：之掣 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：狸堕 导师签 同期：塑望：鱼! ! 南京邮电人学硕上研究生学位论文第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 随着光学系统的蓬勃发展，光学器件的微型化、集成化、可调谐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 f o u q u e t 等首先将微流控技术应用到光开关【l 】 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。微流控技术为光开 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高速发展，研究微小k 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。本文根据目前微流控光 学器件的研究现状，主要叙述基于金属导电内芯微流控光学可变焦微透镜阵列的制作工艺 及其性能方面的些研究等内容。 微透镜阵列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、光成像、光存储、光显示、光处理和其它许 多领域中有很广泛的应用，如利用微透镜阵列制作的光互连器件、图像多重变换和识别、 光无源器件阵列等，一直受到了研究者和企业界的关注【2 ，3 】。目前已经实用化的微透镜阵 列都是固定焦距的器件，由于固定焦距的透镜缺乏调节性，影响了器件的性能并限制了它 的应用范围【4 l ，所以研制焦距可变的微透镜阵列具有重要的技术价值和应用前景，引起了 人们的很大兴趣【5 引。 可变焦微透镜是一种非常重要的光学器件，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。相对于传统可变焦微透镜，微流控可变焦微透镜工艺简单，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：基于介 质上电润湿效应的可变焦微透镜和基于压控流体的可变焦微透镜。当前国外对可调谐微透 镜阵列的研究较多，但仅限于压控流体可变焦透镜的研究，电控式阵列器件未见报道。国 内仅见固定焦距透镜阵列的研制，可变焦微透镜阵列的研制工作较少，基本是个空白。本 查塞些! 坚叁堂鉴：生竺壅兰堂些堡塞兰! ! 笙丝 文将微流控技术与微透镜技术相结合，基于e w o d 的基本原理，制作以金属为导电内芯 的微流控透镜阵列。该类型透镜阵列具有十分重要的学术价值和实用价值，将在光成像和 光信息处理等领域得到广泛的应用。 1 2 微流控光学技术及其应用 微流控光学是现代光学、光电子学与微流控技术相结合而形成的新型交叉前沿学科与 技术【9 l 。不同于2 0 世纪6 0 年代的射流技术( f l u i d i e s ) 以宏观机械控制为目标，微流控技术 ( m i c r o f l u i d i c s ) 意图实现微量化学或生物样品的合成与分析【1 0 】，而微流控光学技术则是在 微观尺度上通过操控流体达到调节系统的光学或光电子学特性的目的。微流控光学研究微 流控系统中的光学现象，探索微流控系统与光子的相互作用规律，目的是开发具有结护晋 组和调节能力的微流控光学器件与系统。微流控光学系统的主要优点在于可调化、集成化 和微型化。可调化是通过微流体的操控和置换实现系统结构的调整，集成化则是将微流控 分析和光电检测功能集中在同一芯片以实现系统的微型化。结构可调为自适应光学系统提 供了新的技术途径，功能集成将会促进微流控分析技术的广泛应用和快速发展，而微流控 与光学技术的融合同时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。 ( 1 ) 微流控自适应光学器件 可变焦光学微透镜是一种非常重要的自适应器件，广泛应用于光成像、光通信以及光 刻技术等领域。相对于传统的机械变焦透镜，微流控变焦透镜工艺简单，控制精度高，光 学质量好。2 0 0 1 年，s k w o n 等【l l 】首先发表基于介质上电湿润效应的可变焦光透镜的原型。 此透镜由一个1 “l 左右的小液滴组成，将液滴放置在低表面能疏水性介电层上，通过改变 介电层下的电极电势可以控制液滴与介电层的接触角，从而调节透镜的焦距。在外加电压 下，该透镜的焦距最大可达初始焦距的1 3 倍，响应速度约为l o o m s 。2 0 0 3 年，t k r u p e n k i n 等【1 2 】提出了种改进的基于e w o d 的可变焦光透镜。特点是通过电极结构的合理设计， 不仅可以使透镜焦距可调，而且可以使透镜发生侧向位移。 可变形镜面是自适应光学系统的重要部件之一，采用液体表面形变的微流控光学反射 镜可以克服传统固体薄膜形变反射镜成本高、空间分辨率低的缺点。最近荷兰d e l f t 技术 大学的e m v u e l b a n 等【l3 j 研制了一种液体形变反射镜并用于动态波前校正。 2 侑m 电 学碰1 。 ，挂学也论史 第1 章持论 图l - 1 、( 吣微流控光学反射镜结构示意图； ( 曲“毛细管阵列的微流控光学反射镜系统 该反射镜的镜面是位于毛细管阵列上的液膜表面，表面的形变是由毛细管内液体的流 动引起的，见圈】一k a ) 。毛细* 的结构与f l u i d f o c u s 液体变焦透镜类似，内壁有导电 绝缘层和疏水层，管内充满导电和绝缘两种液体，见图i - 1 c o ) 。其工作原理是通过外加电 压产生的电毛细力驱动毛细管内液体流动从而使管外液体薄层表面产生形变。图1 1 ( c ) 是包含“6 4 毛细管阵列的液体表面变形反射镜的微流控光学波前校正器原型，在1 9 6 v 方波电压驱动下，器件具有1 m m 的表面位移和5 0 0 h z 的工作频率。 ( 2 ) 微流控光学检测 微流控光学技术在生物技术、化学合成和分析化学等诸多领域都有重要应用。尽管微 流控技术已经实现了将诸多微流分析功能集成在一个芯片中的任务，但多数的光学部件， 如光源、传感器、透镜和波导却仍然无法集成到芯片中。微流控光学欲将光学检测元件集 成于微流控芯片，从而提高微流控分析系统的功能集成度和便携性。微流控光学检测系统 的两个最主要的组成部分是探测器和光源，因此光学检测系统的微型化也就是探测器和光 源这两个主要部件的微型化。 2 0 0 3 年美国加州理工学院( c a l t e e h ) 的ml a d a m s 等使用c m o s 成像阵列制作 了一个集微流控部件和光谱检测功能于同一芯片的系统。如图1 - 2 ( a ) 所示，该系统建立在 硅基底上，最底层是c m o s 成像阵列，然后在其表面上制作滤光层。接着将微流控部件 集成到带有滤光层的c m o s 阵列上，再在上面放置l e d 光源，就构成了一个完整的微流 控光潜分析仪。滤光层为多层介质膜，做荧光检测时滤光层的作用是阻挡激发光但允许样 品辐射的荧光通过，从而降低背景噪声提高分析质量，见图1 - 2 ( b ) 。由于该系统的成像 分辨率受c m o s 像素的太小限制，仅适用于非成像的吸收和荧光光谱检测。 f * g _ i u 人 砸l 究生学位沧g * 1 情精* 图l o ( 荀单芯片微流控光谱检测仪的结构示意图；( b ) 介质膜滤光层生长在 c m o s 阵列上用于阻挡激发光但允许样品辐射的荧光通过 ( 3 ) 微流控光学集成器件 全光网络l j 的光交换是一项恢心技术l f 光变换系统的基率单元是光丌关。目前，一 经提出了多种微流控光开关器件，其中以基于全内反射原理的光开光技术为主。a g i l e n t 气泡光开关是较早开发的一种全内反射型光开关【1 5 1 ，这种开光基于平面波导光路，在波 导开叉处刻蚀一条沟道，并注入与波导折射率匹配的液体，如图l - 3 ( a ) 所示。当波导交叉 处为折射率匹配液体时，开关处于“通”状卷。此时，若有光信号从输入端输入，光信号 将沿着通道行进，在交叉处直线传播，不发生全反射，因此太部分光信号都从相应的输出 端输出；当波导交叉处为气泡时，光波导和液体界面满足全反射条件，开关处于“关”状 志。此时，若光信号从输入端输入，信号在交叉处发生全内反射，光路发生改变，因此大 部分光信号从另一端输出。a g i l e n t 气泡光开关具有毫秒级交换速度、偏振不敏感性、低 串扰、高消光比的特性。经过不断改进，3 2 3 2 光开关阵列以及达到商业化要求，图l - 3 ( b ) 是带有光纤连接的光互连开关阵列系统照片。 图l - 3 ( a ) a g i l e n t 微流控气泡光开关结构和原理示意图 ( b ) 带有光纤连接的微疏控光互连开关阵列系统 4 南京帅n 学颂l ”f 究生学位论史第1 帚结论 1 3 微透镜阵列及应用 微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件，它是一系列孔径在几微米至几百 微米的微小型透镜按一定排列组成的阵列。根据其光学原理的不同，基本上可以将微透镜 分成两种：基于光的折射理论的折射微透镜阵列和基于光的衍射理论的衍射微透镜阵列。 由于微透镜具有尺寸小，便于大规模制造、传输损耗小，可制成阵列形式、有特殊功能等 优点，因而广泛用于微光学系统中的微型元件，光学及神经网络计算，光学平行处理系统 中的互连元件，宽场和红外成像系统中的元件，光学滤波和材料加工系统中的衍射元件， 以及用于抗反射和偏振态控制的亚波长光栅结构等等。 衍射微透镜与经典光学元件组舍可以改善其光学性能( 视场和孔径角) 参数及成像质 量( 对比度和分辨率) ，还可以实现与经典元件的色散补偿。这些特点可促进光学仪器和 元件向集成化、多功能化发展。有关二元光学的详细论述在其它文章中已有报道【l q ，半 文不再多做详述。 下面主要讨论基于光的折射理论的折射微透镜阵列的相关应用。 苍蝇的复服( 见图l - 4 ) 是由3 0 0 0 多个小眼组成的，这些小眼具有各自的光学系统， 既能协调一致，又能独立工作。因此，蝇眼不仅具有高速度及高精度的分辨能力，而且能 够从不同的方位感受图像。科学家由蝇眼的特殊构造和功能得到启发，研制蝇眼透镜，即 将微透镜阵列安装在照相机上，一次就能拍出数十张、上百张甚至上千张相同或不同的照 片来。这种奇特的透镜阵列式照相机在科学研究以及军事应用上都有特殊的应用，例如蝇 眼探测器和蝇眼雷达等。 幽1 4 苍蝇的复眼 目前已经实用化的一t 些光学器件，比如波前检测仪、激光耦合器、液晶显示器的增效 模块等都需要用到二维微透镜阵列。其中，波前检测仪是微透镜阵列在检测仪器方面最典 南京邮乜人学硕、l r i ) f 究生学位论文第l 荦绪论 型的应用。如图1 5 所示，首先利用微透镜阵列将入射波前分别取样，再由所对应的感测 器接收，根据各个感测器所测得的光点位置与形状大小的改变量即可推算出待测波前的相 关参数。 微透镜阵列的另一个重要应用是液晶投影电视。传统液晶投影电视最大的问题之一是 光学利用率不高，光线除了偏振片与彩色滤波片的吸收外，还有部分能量被电子晶体管以 及线路遮挡。对此问题的解决方案之一是利用微光学的概念设计出微透镜阵列，将入射光 聚焦于开口去( 见图1 6 ) ，从而避开电子晶体管与线路的遮挡，能有效地提高整个系统 的光学使用效率。 备遗蜘酾i ， 、l l 、j - 图1 - 5 微透镜阵列在波前检测方面的应用 j 么多 了受 蚕7 又 弋 遗 譬 i 图1 6 微透镜阵列在液晶投影电视上的应用 一。f备 ，吉(”扩翥 1 ，d 矗 ，曼一一、i 引 莳，；卜0_，、蜘i，f ，_h一弘i毛弘n 符 i 翻京山口f 乜人学坝士影f 冗生学位论文第1 币绪论 随着现代技术的发展，人们要求光学元件小型化、集成化，微型透镜阵列作为新一代 的光学元件在光学领域里必然会得到更加广泛的运用。在微小光学系统中，微透镜阵列除 了上述几个典型的应用外，它还可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、两维 点光源产生，也可用于复印机、图像扫描器、传真机、照相机以及医疗卫生器械中。在一 些新型的摄像机中微透镜阵列直接制作在电荷耦合器件( c c d ) 的表面上，用于光线的 聚集，提高c c d 器件的灵敏度。 1 4 本文主要工作和特色 本课题的提出依托于国家自然基金项目微流控光学变焦透镜阵列集成芯片的研制 ( 6 0 8 7 8 0 3 7 ) 和南京邮电大学攀登计划资助项目( n y 2 0 6 0 7 6 ) 。传统自适应光学利用t 磷 面的形变等方法来实时校正因大气扰动等原因所引起的波前畸变，从而获得清晰成像。但 由于单元变形镜面大，控制复杂，额外增加系统的体积、重量和功耗，已无法满足现代航 空航天领域中小型化的要求。微流控光学系统是微流体技术与传统光学融合的新型微光学 系统，以最小的体积与轻巧的结构，实时校正波前及像差，实现复杂环境下清晰成像。随 着微光机电技术的发展，单元尺寸为微米级的微透镜阵列的制作已成为可能，将它们应用 于气动光学校正中，则可实现系统的轻小型化及低功耗，且成本低，适合批量生产。 本论文根据微流控光学前沿学术研究动向和微透镜阵列应用背景，基于介质上电润湿 效应( e w o d ) 基本原理，研究基于金属导电内芯的电调谐液体变焦微透镜阵列芯片的理 论和制作工艺，并分析该芯片的性能和各项参数。 本文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 提出一种基于介质上电润湿效应的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的结构，该 芯片的内芯位于上盖片和下盖片之间，形成一种具有表面微流道网络的三明治夹心结构。 ( 2 ) 介绍了不同介电材料的特性和镀膜工艺，研究了导电内芯的介质上电润湿效应， 并通过实验分析了不同介电材料和不同介电层厚度对金属基片e w o d 效应的影响，为介 电层的制作提供实验依据。 ( 3 ) 制作了基于金属导电内芯的微流控光学变焦透镜阵列，该透镜阵列的研制工作 主要包括：内芯材料的选择，内芯的设计与制作，内芯表面处理与镀膜，芯片合成与液体 灌注以及电极制作等。 ( 4 ) 测试和分析了微流控变焦透镜阵列的性能，实验测量了透镜阵列的焦距随电压 变化的关系，并与计算机仿真结果进行比较。同时，还仿真了液体界面曲率半径和液体界 7 南京邮i 乜人学侦上研究生学位论文第1 章绪论 面形变量随电压的变化关系，结论和实验结果一致。 本课题的主要特色有： ( 1 ) 提出一种基于介质上电润湿效应的电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的结构，其 特征在于该芯片的内芯位于上盖片和下盖片之间，形成一种具有双层微流道网络的三明治 夹心结构。 ( 2 ) 与传统的微透镜阵列制作材料如玻璃、聚合物等不同，我们采用导电金属制作 内芯，同时作为一个电极，另一电极则是镀在下基片上的透明导电层。采用导电金属内芯 的方法简化了电极结构和芯片制作工艺，同时，省去了复杂的表面电极布局问题，明显地 减小微透镜腔的间隔，有效地提高透镜阵列的占空比和光能利用率，解决了微流控变焦透 镜阵列集成化制作的难题。 ( 3 ) 独特的微流透镜阵列芯片加工技术，采用机械加工的方法制作金属内芯与内莨 表面微流道网络，工艺简单可行。 ( 4 ) 本课题设计的基于金属导电内芯的微流控光学变焦透镜阵列，其焦距可正可 负，变化范围大，具有一定的实用价值。 本文的框架结构为： 第1 章是绪论，调研了近年来微流控光学技术在国内、外的发展现状，研究了微透镜 阵列及其应用，指出本课题研究的目的和意义，并分析了本文的主要工作和特色。 第2 章分析了微透镜工作的原理，研究了液体的表面张力理论以及介质上电润湿的基 本理论和实验现象，并对双液体变焦透镜理论做了初步分析。 第3 章研究了导电内芯介质上电润湿效应，介绍了两种不同的介电层材料及其镀膜工 艺，并通过实验分析了两种不同介电层材料在金属上的电润湿效应，为导电内芯镀制绝缘 膜提供实验依据。 第4 章提出了一种基于金属导电内芯的微流控光学变焦透镜阵列的结构，并对该透镜 阵列进行了研制，制作过程包括：内芯材料选择和制作、表面处理和镀膜、芯片合成和液 体灌注以及电极的制作等。 第5 章对金属导电内芯微透镜阵列的各项参数进行测量，通过实验测量出微透镜阵列 的焦距随电压变化的关系，并与计算机仿真模拟的结果进行比较。同时还仿真了透镜曲率 半径和液体界面形变量随电压变化的关系。 第6 章对全部研究工作进行分析总结，并提出对下步工作的展望。 8 南京l l l l i i 乜人学硕f 二副f 究生学位论文第2 章微流控透镜1 = 作原理 第2 章微流控透镜工作原理 本章主要内容包括三个部分：第一部分描述了微流体的驱动方式和液体表面张力理 论；第二部分详细介绍了介质上电润湿效应的相关理论和研究；第三部分介绍了双液体变 焦透镜的相关理论和研究进展，进而为以金属为导电内芯的微透镜阵列的研制奠定理论依 据。 2 1 微流体驱动 现在微流体的研究大体可分为传统的连续微流体系统和新兴的数字微流体系统。茌，： 的连续微流体系统依赖于微泵、微阀等来调节流体。常用的微流体驱动方式分为压力驱动 和电渗驱动。压力驱动的微流体系统需要高压，制造无泄漏的闭合微流体器件成了当前微 流体器件制造的棘手问题。另外，不可避免的剪切流和流体扩散现象导致了微流道中样品 泄露的危险。 与压力驱动的流体相比，采用高压直流驱动的电渗流是微流体中一种新兴的流体驱动 方式，稳态时其速度剖面呈栓塞形状。在生物芯片的应用中，这种速度剖面形状与压力驱 动流的相比，可以大大减小样品泄露的风险，但系统往往要求有高压电源支持。对微器件 的性能参数表征是微机械领域一个重要的研究内容，对电渗流驱动中的诸多参数( 如流道 宽度等结构参数、表面电势等材料与工艺参数、外加电场、离子浓度等样品参数) 影响的 研究对于实际的芯片设计也具有指导价值。与高压直流驱动的电泳、电渗流技术相对应， 在微电极阵列中施加低至1 i o v 的交流电压来驱动流体可以达到与之相近的速度。这种 技术大大方便了电源的设计制造，在微流体系统中有潜在的应用【1 7 】。交直流电场控制的 微流体技术( 电泳、电渗、介电泳等) 是目前研究的热点之一。 在传统的连续微流体系统中，由于闭合微流道的尺寸往往很小，样品中的大颗粒或被 流道壁吸附的粒子容易堵塞流道。与传统微流体相对，数字微流体强调将流体数字化为单 个的液滴来操纵。这样做有诸多优点：第一，不需要微流道结构，消除了死体积的存在； 第二，不需要可动的组件( 如微阀、微泵) 来驱动；第- - - - 贝, 1 是容易进行定量控制与时序、 并行控制。 根据尺度分析知道，对于微量液体，表面张力起主导作用，因此控制表面张力成为控 9 南京邮i 乜人! 孚颂【j 研生学位论义 第2 章微流挖透镜：【作原理 制流体的有效手段。表面张力的控制方法有电场控制【1 8 】、热场控制【1 9 j 、化学方法控制2 0 1 。 很小的液滴由于表面张力作用，在疏水性表面形成半球状。通过各种场改变液滴的表面张 力或通过可逆化学反应改变疏水表面能或通过微加工方法制造疏水表面的纹路( s u r f a c e p a t t e r n ) 结构，就可以操纵液滴。数字微流体液滴的驱动按有无动力源可分为主动式驱动 和被动式驱动。主动驱动易于实现过程控制。被动式驱动通过微加工的疏水表面纹路来控 制液滴的移动。近年发展起来的主动式驱动机理有：电润湿( e l e c t r o w e t t i n g ) 驱动、介电 泳( d i e l e c t r o p h o r e s i s ) 驱动、静电驱动、表面声波驱动、热毛细管( t h e r m a lm a r a n g o n ie f f e c t ) 驱动、磁力操纵和光驱动。2 0 0 5 年，d a r h u b e r 和t r o i a n 综述了通过控制表面张力驱动微 流体的几种方法1 2 1 1 。 ( 1 ) 介电泳驱动 介电泳最初由英国物理化学家p o h l 于1 9 7 8 年定义为不带电荷的粒子在非均匀电扬r b 由于极化而在外加电场中发生的泳动，并将其引入生物与化学领域。介电泳原理不同于电 泳原理。电泳是指粒子本身带电而与外加电场同性相斥，异性相吸的现象，一般电泳的外 加电场为直流电场，而介电泳的外加电场为交流电场。现在，介电泳己广泛应用于微纳米 生化领域，例如在碳纳米管操纵、d n a 的操纵和分离、细胞分离等方面有许多研究。2 0 0 1 年，液滴的介电泳驱动和产生首次由美国r o c h e s t e r 大学的j o n e s 等人实现。介电泳技术 具有良好的液滴生成能力，可作宏观样品存储器与微观芯片的接口。 ( 2 ) 静电驱动 1 9 9 7 年，日本的m w a s h i z u 基于液滴反应器( d r o p l e tr e a c t o r ) 的概念使用静电驱动 液滴。其在基片上制造电极阵列然后覆盖一层绝缘的疏水层，由于表面张力作用，液滴在 疏水层上接触角大于9 0 度。当接近液滴的电极加正电压时，靠近电极的液滴表面产生诱 导负电荷。加电压的电极与诱导电荷之间产生的麦克斯韦应力( m a x w e l ls t r e s s ) 驱动液 滴向加电压的电极方向移动。当顺序给电极阵列加电压时，就可以连续驱动液滴。实现的 最小驱动电压是3 0 0 v ，最大液滴速度是0 4 m m s 。从系统能量最小化原理来看，液滴移 动是为了最大化液滴与加电压的电极之间的电容，从而最小化系统能量。由于液滴与加电 压的电极之间的电容很小，所以在低频交流电压驱动时，生化溶液中的焦耳热可忽略不计。 ( 3 ) 表面声波驱动 表面声波技术现在已经相当发达，在移动通信设备中已经广泛用作电磁波的频率滤波 器、谐振器、振荡器。表面声波通常由压电物质上的交叉金属电极激发产生，激发的声波 面波波长可由相互交叉的变频器调节。在表面声波驱动技术中，表面声波沿着芯片表面传 播，当碰到液滴时，表面声波的辐射压使液滴产生内流，最终实现液滴驱动。因为表面声 1 0 南京邮i 乜人学硕一i ：研究生学位论文第2 章微i ：i 控迈饶工作原理 波的发射装置可以与液滴的轨道分离，所以与其它液滴驱动技术相比，表面声波驱动可以 实现远程驱动。表面声波驱动的数字微流体芯片研究主要在德国慕尼黑大学w i x f o r t h 研 究小组进行。其研究还利用横向加工的具有不同表面自由能的纹路来定义液滴的移动轨 道。这与许多利用势阱捕捉微观物体的做法有共通之处。 ( 4 ) 热毛细管驱动 热毛细管驱动是指使用微加工的电极加热器加热微液滴产生温度梯度，温度梯度导致 的表面张力梯度驱动液滴移动。其应用领域包括无阀微泵、微光学开关和微全分析系统。 热毛细管驱动因为需要加热液滴，往往消耗电源能量较大，还有驱动速度慢和液滴挥发的 缺点。k a t a o k a 和t r o i a n 开拓了使用热毛细管驱动液滴的方法。之后，普林斯顿大学t r o i a n 领导的研究小组一直从事基于电极加热的热毛细管驱动。台湾微系统暨纳微热流实验室曾 繁根等人对热毛细管控制的液滴进行了数值仿真。k o t z 等人使用激光加热引起的热毛细 管现象控制液滴。 ( 5 ) 磁力操纵 l y u k s y u t o v 研究小组通过磁场将微小液滴或粒子举升到空中进行操纵，实现了移动、 聚合、聚集和旋转的功能。微小液滴脱离平面被举升到空中进行操纵，可有效减小操纵阻 力，避免了平面上液滴驱动的接触角滞后现象。l e h m a n n 等人将超顺磁性微小粒子植入 液滴，利用多组线圈产生的磁场操纵超顺磁性微小粒子从而驱动液滴，实现了液滴移动、 聚合、分裂和混合功能。磁力操纵的优点是操纵力大，对液滴的驱动与液滴样品的介电性 质无关。 ( 6 ) 光驱动 在微流控的研究中，光操纵逐渐发展成为一个亮点。2 0 0 3 年，美国u c l a 的c h i o u 等人通过光电润湿原理( o p t o e l e c t r o w e t t i n g ) 操纵液滴。所谓光电润湿是指在介电润湿 ( e w o d ) 设备中嵌入光敏材料。因为光敏材料通常暗电阻比明电阻大几个数量级，所以 当没有光照时，电压大部分加在光敏材料的暗电阻上，当l e d 光照射光导表面时，光敏 材料的电阻急剧减小，电压大部分加在介电层上，从而引起液滴的润湿角减小，控制液滴 移动。i c h i m u r a 利用光照射化学感光表面，在芯片表面产生能量梯度从而驱动液滴移动。 c h i o u 利用光图像驱动介电泳实现单细胞和粒子的大通量并行操控。光操纵液滴与电驱动 液滴的方式相比，光操纵不需要电路系统，易于实现系统的可重配置，集成数字微镜器件 ( d m d ) 的系统还可以实现可编程的光操纵，对液滴的路径操纵不局限于从一个电极到 另一个电极。利用光控制技术，还易于实现并行阵列操纵。通过时间共享，单束激光快速 扫描可以产生多束有效光束。多束光束也可以通过垂直腔表面发射层阵列、全息图或空间 1 1 塑塞堕! 坚奎堂竺主型! 壅竺堂垡笙苎笙! 里丝堕堡垒堡三堡堕里 光调制器( 如数字微镜器件d m d ) 产生。但是就目前的技术水平而言，光操纵不易于集 成到片上系统上。光学微机电系统的发展趋势是在微器件上制造微透镜、集成波导管、微 光开关和光电二极管等，这方面的发展也许可以为集成光学器件到片上系统上提供解决方 案。 ( 7 ) 介质上电润湿效应驱动 本课题所研制的微流控光学变焦透镜阵列的工作原理就是基于介质上的电润湿效应， 因此将在2 3 节中对介质上电润湿效应做详细介绍。 2 2 液体表面张力理论 2 2 1 微量液体表面张力 表面张力是液体分子在液体气体界面的粘附力起作用的结果。从微观上看，表面张 力是由于液体表面层内分子之间的相互作用不同于液体内部，从而使表面层具有一种特殊 性质的结果。物体表面的分子与内部的分子处境不同，因而能量也不同。处于液体内部的 分子，周围邻近的分子对它的吸引是对称的，结果互相抵消，因而分子在液体内部移动时 无需做功。但处在表面的分子却不同，液体内部分子对它的引力大，而外部气相分子对它 的引力小，结果是受到向内的吸引力，将表面的分子拉向内部，因而液体有自动缩小表面 的趋势，而表面张力就是在液体表面内垂直作用于单位长度上的收缩表面的力，在微元单 位长度上表面张力万r 可以表示为： 6 1 - = y n xd x ( 2 1 ) 式中a x 是微元弧长的位移向量，y 是单位长度的表面张力。 在直角坐标系中，任意取一个微元曲面，设微元曲面的顶点为坐标原点，且微元曲面 的边界周线为平面曲线平行于x y 平面，如图2 1 所示，由式( 2 - 1 ) 可推导得到： 一降貌觚 2 ， 式中万彳是微元周线l 所围成平面的面积。 1 2 南京邮电人学硕二1 j 研究生学位论文第2 章微流控透镜丁作原理 图2 1 微元的表面张力示意图 在宏观情况下，表面张力一般都可以忽略不计。而在物体的特征长度在足够小的微观 情况下，表面张力便成为了主要的作用力。设想在微观情况下，一个液滴由于表面张力悬 挂在天花板上的情况。如果液滴足够大的话，由于重力的作用，液滴会掉下来；而当液滴 较小的时候，可以吸附在天花板上。假设液滴边缘为一个完整的圆弧，半径为r ，和天花 板的接触线为圆弧，则表面张力f 为： f = 2 z r y ( 2 3 ) 其中y 为表面张力系数，n m 。此时重力w 为： ：i4石r3pg(2-4) 其中p 为液体的密度，k g m 3 ，g 为重力加速度。当重力和表面张力相等的时，为液滴可 以从天花板上掉下来的临界情况，此时液滴的半径r 为： ( 2 - 5 ) 根据一些常见液体的密度和表面张力系数，由此可以推算出它们在临界情况下的半 径。表2 1 为一些常见液体的密度、表面张力系数和临界半径。从表中的数据可以看出， 虽然这些液体的密度和表面张力系数相差很多，但重力和表面张力在临界状态时的液体半 径都是毫米( m m ) 量级。如果液体的特征长度大于这个临界值，则重力起主要作用；而如 果液体的特征长度小于这个临界值，则表面张力起主要作用。 南京邮电人学顷j j 研究生学位论文第2 章微流控透镜t 作原理 表2 1 液滴的临界半径 液体 密度p ( k g m 3 ) 表面张力系数y ( n m )半径r ( m m ) 耍l 水 6 0 82 1 32 3 1 苯 8 8 12 8 8 2 2 4 甘油( 丙三醇) 1 2 6 0 6 3 3 1 8 7 水银 1 3 5 5 04 8 42 3 3 水 9 9 87 2 83 3 4 因此当微流体尺寸在毫米到几十微米尺寸时，相较其它作用力( 如重力等) ，我们主 要需要考虑微流体腔内流体的表面张力即可。由于这个特点，表面张力非常适合在微机电 系统( m e m s ) 中提供驱动力。目前，已经发展了许多利用表面张力来提供作用力的微型 器件。近年来，一种新型的电控表面张力液体透镜变焦机制一一介质上电润湿 ( e l e c t r o w e t t i n go nd i e l e c t r i c ，e w o d ) 被大家所关注。它通过在介电层下面的电极上施加 电势来控制固体一液体之间的表面润湿特性，从而调节液面曲率，达到改变透镜焦距的目 的。和传统的光学变焦透镜相比较，基于e w o d 原理的电调谐微流控变焦透镜只需改变 外加电压便能快速调节透镜焦距，并且具有尺寸小、结构简单灵活、重复性好、易控制、 功耗低、抗干扰能力强、焦距调节范围广等许多突出优点，从而为制作基于微液滴的微流 控芯片系统奠定了坚实的基础。 2 。2 。2 溶液的表面张力与溶液浓度的关系 关于溶质的存在可以影响溶液的表面张力的观点已经是众所公认的，值得指出的是这 种影响效应又具有多样性。麦贝恩( m e b a i n ) ，福特( f o r d ) ，维尔逊( w i l s o n ) 等人曾将 溶液的表面张力随浓度变化的曲线分为三大类型。如图2 2 所示，a 型曲线表示张力降低， 这是最为普遍的一种类型，绝大多数有机化合物属于此类。b 型曲线表示表面张力稍有升 高，此类不多，强电解质及某些多烃化合物属于此类。c 型曲线表示表面张力的下降幅度 更大，十二烷基磺酸钠( 肥皂水) 等两亲化合物质，表面活性物质属于此类。 1 4 南京邮i 乜人学硕1 ：f r ) f 究生学位论文 第2 章微流控透镜工作原理 移 2 5 7 被度( 砒) 口j 图2 - 2 表面张力浓度曲线主要类型示意图 由图2 - 2 所示实验曲线可见，溶液的表面张力和浓度之间的关系比较复杂，定量的讨 论比较困难，主要还是靠一些理论公式或者经验公式来描述溶液浓度和表面张力的关。 哥根汉( g u g g e n h e i n ) 曾用热力学的方法求得溶液浓度和表面张力的理论关系，假定 溶液为理想溶液，则有： 一! z一丑一! ：丝 e r = 1 e 盯- i - 2 p 灯 ( 2 6 ) 式中，n l ，n 2 分别为溶质和溶剂的克分子分数，乃，托分别为溶质和溶剂本身的表面张 力，盯为分子面积。此处假定溶质和溶剂的分子面积相等，都为盯。y 则为所要求的溶液 表面张力。 一个简单的半经验处理认为溶液的表面张力与表面成分的组成有线性关系： 。 厂= 吖乃- t - m 兄 ( 2 7 ) 其中吖，m 分别为溶质和溶剂在表面相的克分子分数。 2 2 3 溶液粘度与溶液浓度的关系 溶剂的粘度若为r o ，浓度c 为1 0 g m l 。的线性高分子溶液的粘度为r ，则粘度的增 加分数一搋( 兰) 称作增比粘度。每单位浓度的增加量勺彳是溶液浓度c 的函数， 在低浓度下与浓度呈直线关系，如式( 2 8 ) 所示： 等= m + 砭f + 乜c 2 ” ( 2 - 8 ) 其中k 2 、k 3 是依赖于高分子的分子量、溶剂、温度等的常数，表示双分子间相互作用参 1 5 喜一r趟嚏群 南京邮i 乜人学颂i ：1 _ i j f 究生学位论文第2 章微流控透镜工作原理 数k 2 的分子量依赖性的公式。【r 】称为特性粘数，它与在无限大的溶剂中溶解一个高分子 时的粘度的增加量成正比。 2 3 介质上电润湿效应 介质上电润湿的提出最早可以追溯到一个世纪之前。早在1 8 9 5 年，l i p p m a n n 就提出 可以利用电或热的方法来改变表面张力。但是由于技术的原因，直到9 0 年代之后，随着 m e m s 技术的出现和成熟，使得制作毫米甚至微米尺度的器件成为可能。正因为这些器 件的出现，才能使用电场或电势来控制表面张力。 2 3 1 介质上电润湿的研究状况和进展 ( 1 ) 连续电润湿( c o n t i n u o u se l e c t r o w e t t i n g ) 当液态金属，如水银，和电解质接触时，由于两种物质之间不同的电化学势，两种物 质之间的界面会带电，就像电解质中的离子吸附在金属表面似的，这个界面叫做电极化界 0 面，或者双电层( e l e c t r i c a ld o u