摘　要: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。

　　1　引　言

　　微机电系统(Micro-Electro-MechaNIcal Sys-tems, MEMS)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MEMS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 Total Analysis System,uTAS),其中微流控芯片系统(Microfluidic chip system),又称“芯片实室”(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[1],静电驱动[2],介电电泳[3],热毛细管[4,5],介质上电润湿(Electrowetting 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。

　　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1μL左右的小液滴组成,将液滴放置在低表面能疏水性介质层上,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θ0,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Lippmann-Young’s方程[9],液滴接触角和电势关系可以推导为

　　式中v是外加的电势;θv是外加电压下液滴的三相接触角;rlv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。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,即整个透镜产生侧向位移。该透镜焦距最大可调为原来的1.2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”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”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3μm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,Luke PLee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流控可变焦透镜[14]雏形;同年,Luke P. Lee等再次提出了基于流体的可调双重微透镜[15],图4说明了其原理示意图。

　　该可调双重微透镜由可调液体填充透镜以及固定负透镜组合而成,主体材料为硅橡胶人造弹性材料(Polydimethyl-Siloxane,PDMS)。若在填充有某种折射率液体的腔体内施加不同的气压,会使圆形PDMS弹性腔膜发生形变,从而透镜特性参数发生变化。图4,当外加流体压强大于大气压强时,腔膜鼓起,透镜呈现拱形;反之,透镜呈弯月形。因此,该透镜特性参数不仅可以通过改变填充液体折射率来调节,而且可以通过改变外加气压大小来调整。除此以外,该透镜制造工艺简单、廉价、精确度高,且不需要外加电极,所以容易形成大规模透镜阵列,并有望应用到动态图像系统和自适应光学系统中。但它也存在不少缺陷:如在阵列透镜中很难实现对具体单元透镜的单独控制,而且需要外加气压驱动,不适应便携式器件的应用。

　　总体来讲,目前关于流体可调透镜的研究才刚刚起步,很多器件自身还存在一些缺陷,还无法替代传统光学可调透镜。然而,由于流体可调透镜可调范围大、精度高、工艺简单、体积小、成本低等特点,有可能部分替代现有笨重、昂贵的光学可调透镜。

　　2.2　显示器件

　　随着信息多元化以及便携式设备的普及,使显示技术飞速发展成为必然。2003年,Philips公司首先研制出基于EWOD的反射式显示器件[16],见图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(ITO)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ITO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层界面张力之和小于水和疏水性绝缘层界面张力,根据稳定系统能量最低原理,油滴将自动平铺在水层和疏水性绝缘层之间,见图5(a)。当可见光入射到显示单元上时,由于有色油滴平铺在整个显示单元内,可见光部分光谱被油滴吸收,反射光谱主要集中在油滴颜色的光谱段,此时整个显示单元表现为“关”状态———油滴颜色。当施加驱动电压后,整个系统获得了附加的静电能(~0·5CV2,其中C是平板电容),原来的平衡状态被打破。系统将通过使水与疏水性绝缘层表面接触来降低自身的总能量,到达新的平衡状态,见图5(b)。当可见光入射到显示单元上时,由于油滴与绝缘衬底的接触面积减少,在没有油滴覆盖的绝缘衬底处表现为透明状,可见光被高反射衬底反射,此时整个显示单元表现为“开”状态———反射衬底颜色。Philips公司指出该显示单元具有高反射率、高对比度、低电压、低功耗的特点,并可望达到视频响应速度。如果考虑显示颜色的概念,实验表明此单元的亮度是反射型液晶的4倍,是现有其它技术的2倍。若将这种显示单元阵列应用到电子纸上,它将具有电控显示信息的能力,在文字辨认上,类似甚至优于常规LCD,可以与报纸相比拟,能广泛应用在电子广告看板以及超薄电子书上。

　　2.3　光开关

　　在光网络中,光交换是一项核心技术,而光交换系统的基本单元是光开关。目前,已经提出了多种机理的光开关,其中基于微流体的光开关主要有:Agilent喷墨气泡光开关[7]和热毛细管光开关[17]。这两种光开关都属于内部全反射开关,其基本机理见图6。

　　内部全反射光开关一般都是基于平面光导波电路(PLC),在波导交叉处刻蚀一条沟道,并注入与波导折射率匹配的液体。当波导交叉处为折射率匹配液体时,光开关处于“通”状态。此时,若光信号从输入端输入,光信号将沿着波导通道导行,在交叉处直线传播,不发生全反射,因此大部分光信号都从相应的输出端输出,见图6(a);当波导交叉处为气泡或为折射率失配液体,并且满足光波导和液体界面发生菲涅耳全反射条件时,光开关处于“关”状态。此时,若光信号从输入端输入,信号在交叉处发生内部全反射,光路发生改变,因此大部分光信号从另一路输出端输出,见图6(b)。

　　Agilent喷墨气泡光开关和热毛细管光开关的区别在于产生折射率失配液体或气泡的机制不同:前者利用喷墨打印技术在交叉点处精确定点并加热液体,使液体温度达到它的沸点,产生气泡,并监测气泡使其维持在交叉点处;而后者利用热毛细管现象直接将折射率失配液滴(油滴)驱动到交叉点处。

　　Agilent喷墨气泡光开关具有毫秒级交换速度、偏振不敏感性、低串扰、高消光比特性,但在关状态时,要求气泡长期维持在交叉点上,因此系统稳定性、抗干扰性不太理想。经过Agilent地不断改进,8×8和32×32光开关阵列已经达到商业化要求。热毛细管光开关除了具有高交换速度、偏振不敏感性、低串扰、高消光比等特性外,还采用了自锁存机制———失配液滴被驱动到交叉点后能稳定维持到下一次被驱动。因此,器件的稳定性大大提高,系统功耗大大降低。另外,由于热毛细管光开关结构简单紧凑,它将有可能应用到大规模光开关矩阵中。

　　2.4　可调光纤

　　随着现代通信系统的高速发展,可调光纤器件充当了越来越重要的角色。Bell实验室首先提出基于EWOD和流体通道的动态可调光波导器件原型[18],具体结构见图7所示。

　　由图7可知,导电液滴被限制在两层复合基板中间,其中下层复合基板为:疏水层/介质层/电极阵列层;上层复合基板为:疏水层/参考零电位层;导电液滴周围填充低黏性、高润滑硅油。传输光纤某段包层被HF腐蚀掉,仅剩下纤芯,称之为“活性”光纤,将它穿在两层基板之间的流体中。假设润滑硅油的折射率和光纤包层折射率匹配,即noil=nclapncore。当驱动导电液体离开光纤“活性部分”,即硅油覆盖在光纤“活性部分”时,光在光纤纤芯中导波,信号不发生衰减;但当驱动导电液滴覆盖到光纤“活性部分”时,光就不能在光纤纤芯中完全导波,部分光信号辐射到导电液体中去,导致信号发生衰减。通过驱动调节导电液滴覆盖光纤“活性部分”的长短来动态调节光信号的衰减程度。若此结构中的“活性部分”换成光纤光栅,就产生新型可调光纤光栅器件。可调光纤光栅器件基本原理与上面所述类似,仅仅液滴驱动方式不同:即基于介质上电润湿驱动[19],也有基于压控驱动[20,21]。流体可调光纤器件具有可调节、无机械部件、低功耗等特点,将可能应用到可调光滤波器、波长变换器和色散补偿等领域中。

　　3　结　论

　　微流体技术与光学系统的结合所产生的微流控光学系统为现代光学系统的微型化和高性能化带来了新的机遇,其器件具有:微型化、可控精度高、低成本、低功耗、无机械部件、工艺简单等特点,有可能在光纤通信、全光网络、显示技术、光学测试仪器等领域获得广泛应用。然而,目前微流控光学器件的研究才刚刚起步,许多问题仍有待解决,如流体的长期保存特性、器件的稳定性以及与微电子常规工艺的兼容性等。

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　　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。

　　E-mail:wjg02@mails.tsinghua.edu.cn

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