专利名称：在流体聚焦透镜中避免溶液流的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电润湿单元的疏水层，并且还涉及一种电润湿单 元，尤其是一种流体聚集透镜的电润湿单元，这种流体聚集透镜结合 这种层和组装这种单元的方法。
背景技术：
在电润湿单元中，将电压用于修改材料的润湿能力。这种单元中 的两种不混溶流体可在一种弯月面(meniscus )接触，且这两种流体中 的一种电气绝缘，另一种导电。在两个电极之间的电压的影响下，这 种弯月面的形状可以变化，在电润湿单元的一种构造中，这两个电极 中的一个连接到导电流体，且另一个电极连接到一种表面，这种表面 由一种流体接触层与这些流体隔离。这种电压引起电润湿效果，从而 这种弯月面的形状也被改变。流体聚集透镜是光在其中由电润湿单元 中的两种不混溶流体之间的弯月面折射的透镜。例如，可从于2003年1月24日公开的PCT专利申请WO-03/069380 Al获知这种流体聚集透镜。在该申请中，所公开的透镜结构基本上呈 圆柱形，且流体含在圆柱形内空间中并首先由流体接触层包围然后由 用金属电极材料制成的环状芯包围，这种环状芯用电气绝缘材料层涂例如，可从WO-03/069380 Al获知电润湿单元的流体室内的疏水 层，在这些疏水层中，流体接触层确定液滴的位置，因为流体接触层 的一部分疏水，且相邻的部分亲水。由于电润湿单元具有光学性能并包括流体，所以这种单元的组装 工序质量和足够运行最为重要，以实现单元的完全填充，且在组装期间，流体并不从单元泄漏出去。除了其它的之外，本申请人的在先共同待决申请的申请号PCT/WO/IB2005/051435公开了实现完全填充的 方法和在完成的电润湿单元中避免流体泄漏，本申请是该共同待决的 申请的部分延续，且该申请通过参考整体地结合在本申请中。发明内容为此，本发明进一步提供一种包括电润湿单元的流体聚集透镜或 另 一种器件，这种器件易于组装且不易受到储存和使用期间的泄漏的 影响。在一个实施例中，在基板的区域上提供一种疏水层，基板的这种 区域朝向用于容纳电润湿流体的芯或其它结构。在一个方面，朝向单 元的流体室的基板的区域疏水或制成具有疏水性，这种芯或其它结构 置于这种单元的流体室周围。在另一个实施例中，将一种结构化疏水层设在相对亲水的基板上。 对这种疏水层进行构造，因为将这种疏水层布置成对流体进行限制或 阻止基板的组装期间的流体流动和进入电润湿器件的流体的流动。这种疏水层可邻接于在组装期间含有电润湿流体的芯或其它结构或在组 装期间含有电润湿流体并在完成的器件中的芯或其它结构。根据本发明的一个实施例，将疏水材料的图案化层设在基板的至 少一部分上，这种基板具有用疏水材料制成的表面层，这种表面层暴 露或本身在某些区域亲水，这种疏水材料在这些区域并不出现。本发明还提供一种组装流体聚集透镜或另一种器件的方法，这种 流体聚集透镜或另一种器件采用电润湿，在这种流体聚集透镜或另一 种器件中，将用于容纳电润湿流体的芯或另一种结构置于基板的疏水 区域上。在一个方面，本发明的方法包括在具有疏水层的基板上提供一个 或多个疏水表面的步骤， 一个或多个疏水表面以及疏水层布置成将电 润湿流体保持在区域中，这些区域对应于完成的器件中的芯或其它结 构内的区域。本发明还通过在单元的组装期间避免流体的移动和泄漏以确保用 流体将单元的芯内的空间完全填充来提供电润湿单元的质量的改进。根据本发明的另一个实施例，提供一种流体聚集透镜，这种流体聚集透镜包括 一种芯内的流体室以及前元件或前盖板和后元件或后 盖板；在这种流体室内的第一和第二不混溶流体，这些流体由一种弯 月面分离；第一电极，这种第一电极以芯的形式，这种芯上的疏水材 料的至少一个层在芯与该流体室内的第一和第二流体之间；第二电极， 该第二电极与该第二流体接触；以及在这种后元件上的疏水层，这种 疏水层在该芯与该后元件之间，且并不暴露或仅在一种边缘暴露给该 流体室的内部。根据本发明的一个或多个实施例，在已用疏水材料涂覆这种基板 之后通过紫外线照射、UV/臭氧处理或本领域中熟练的技术人员公知的 其它构造方法在这种基板的一部分上形成一种疏水区域。这种疏水材料可以是对水的亲和力相对较低的任何材料，如氟化 物、硅树脂或碳氟化合物。根据本发明的一个实施例，这种疏水层的 材料可以是如氟珪烷或一种无定形碳氟化合物聚合物(amorphous fluoro-carbon polymer)，这种无定形碳氟化合物聚合物如Teflon AF1600或Cytop,这种Teflon AF1600是Dupont公司的一种产品，这 种Cytop是一种来自朝日玻璃公司(Asahi Glass Co.)的无定形氟聚合 物。可单独使用本发明的流体聚集透镜的实施例，也可与照像机中的 其它透镜、光学记录装置或其它任何光学设备结合使用。可将这种流 体聚集透镜与其它的透镜组装以获得所需的光学路径，或甚至获得变 焦透镜。或者，可将这种流体聚集透镜用在显示器中，如反射显示器， 在这种情形中，仅需这些基板中的一个在光学上透明。还可将这种流 体聚集透镜用作一种传感器。在本申请中，还可将流体聚集透镜称为 变焦透镜，在本申请中，这些术语可互换使用。
可参考下面的描述和附图明白本发明的图案化基板、结构化疏水 层、流体聚集透镜或其它电润湿器件和方法，且参考下面的描述和附 图对本发明的图案化基板、结构化疏水层、流体聚集透镜或其它电润 湿器件和方法进行说明，在这些图中图1示出了本发明的流体聚集透镜的一个实施例的示意性截面图； 图2示出了本发明的流体聚集透镜的另一个实施例的示意性截面图；图3示出了本发明的流体聚集透镜的优选实施例的示意性截面图； 图4A、 4B和4C是图3中的芯的左侧的一部分的视图，这些视图示出了根据本发明的流体聚集透镜的不同组装阶段。这些附图是示意性的，且并不按比例绘制。不同视图中相同的附图标记指类似的部分。
具体实施方式
图l示出了一种流体聚集透镜或变焦透镜100，这种流体聚集透镜 或变焦透镜100包括芯108，这种芯108形成圓柱形管，这种圆柱形管 由以透明前元件104和透明后元件106的形式的基板密封，以封闭一 种含有两种流体的流体室105。芯108可具有涂覆在这种管的内壁上的 传导涂层。这两种流体是两种非混溶液体， 一种是电气绝缘第一流体IOI，如 硅油或烷烃，另一种是导电笫二流体102,如含有盐溶液的水。在此实 施例中，将这些流体选择为使第一流体101的折射指数大于第二流体 102的折射指数。芯108是第一电极，在此实施例中，这种第一电极以圆柱体的形 式，这种圆柱体的内径通常介于lmm与20mm之间。芯108用金属材 料制成并用绝缘层涂覆，例如，这种绝缘层用聚对二甲苯形成。不过， 芯108可不导电并具有导电涂层(在图1中未示出)，这种导电涂层 由导电材料形成，如黄铜或铟锡氧化物(ITO)，并且在芯与绝缘层 135之间。这样，芯108就可以是如聚甲基丙烯酸曱酯(PMMA)、玻 璃或陶瓷，只要这种材料在如涂层的粘附力、膨胀系数、表面光滑度 和制造成本等方面满足特定用途的要求。这种绝缘层的厚度介于50nm与10u m之间，通常在lu m与10 um之间。这种绝缘层涂有流体接触层110，这种流体接触层110减少 弯月面与流体室的圆柱形壁的接触角的滞后。优选用疏水材料形成这 种流体接触层IIO,这种疏水材料如无定形碳氟化合物，这种无定形碳 氟化合物如DupontTM公司制造的Teflon AF1600。这种流体接触层 110的厚度介于5nm与500nm之间。可通过涂覆芯108以形成厚度基本上一致的均匀材料层来产生聚对二曱苯涂层。可利用化学汽相淀积来涂覆聚对二甲苯涂层。当未在 第一电极与第二电极之间加上电压时，第二流体对流体接触层的可润湿性在弯月面114与流体接触层110的相交线的两侧基本上相等。第二电极112布置在流体室的一个端部，在此情形中，第二电极 112与后元件106相邻。将第二电极112布置成使其至少一部分在该流 体室内，以使该电极作用于第二流体102上。这两种流体101和102非混溶，以倾向于由弯月面114分成两个流 体。当未在第一电极与第二电极之间加上电压(VI )时，流体接触层 对第一流体101的润湿性高于对第二流体102的润湿性。出于电润湿 的原因，在第一电极与第二电极之间加上电压时，第二流体102的润 湿性变化，这种变化往往改变弯月面在三相线(流体接触层110与两 种流体101和102之间的接触线)的接触角。因此，弯月面的形状可 随着所加的电压而改变。根据本发明，将第一疏水层115设在邻近于芯108的后元件106 上。所使用的疏水材料可以是氟化物、硅树脂或碳氟化合物，如Teflon AF1600或氟硅烷。可以用可印刷涂层的形式涂覆这种疏水材料，或者 可将疏水材料连续地涂覆到后元件106，并接着通过紫外线照射、UV/ 臭氧处理或类似的工序将疏水材料从该后元件的表面的并不制成疏水 的部分除去。第一疏水层115通常具有厚度介于如lnm与10"m之间 的单分子层，如氟硅烷。第二疏水层116可处于前元件104上的朝向芯108的区域中。 在变焦透镜100的组装期间，第一疏水层115将流体102保持在适 当的位置，而将芯108置于后元件106的区域上方，第一疏水层115 处于该区域上。可用任何方法将完成的变焦透镜100保持在一起，如 夹持或密封材料的粘附或涂覆，如本领域中熟练的技术人员熟知的那 样，这些方法将实现并保持紧密配合。图2是根据本发明的另一个实施例的流体聚集透镜(变焦透镜) 200的示意图。透镜200包括第一电气绝缘流体201和第二导电流体 202，这两种流体均容纳在流体室205中。第一流体201和第二流体202 非混溶且在弯月面214上方相互接触。在此示例中，第一流体201是 一种硅油、烷烃或另一种适当的电气绝缘流体。在此示例中，第二流 体202是含有盐溶液的水或另一种适当的导电流体。通过将环状芯208夹在前盖板204与后盖板206之间来形成流体室 205。室205的侧壁由环状芯208的基本上呈圆柱形的内壁或表面217 形成，而顶壁和底壁由光学上透明的前盖板204和后盖板206形成。圓柱形壁部分218包围环状芯208并形成这种器件的外壁。环形 闭合构件221和222将这种芯/组件保持在该外壁内。与流体202绝缘 的环状芯208形成第一电极，而与流体202接触的金属膜形成流体聚 集透镜器件200的第二电极212。才艮据本发明的该实施例，在组装变焦透镜200时，在朝向芯208 的区域的全部或部分上的后盖板206的表面上形成疏水层215。第二疏板204上。根据本发明，可有利地将一种疏水层置于与疏水层215相对的芯 208上。示于图2中的实施例允许作为一种包装形成透镜200，这种包装密 封且不易于空气、水或其它流体的扩散。闭合构件221和222固定附 接到壁部分218并将这些盖板204和206以及芯208保持在一起。壁部 分218和闭合构件221和222可具有层(未示出)，这些层用导电和韧 性材料或塑料和金属的导电复合材料形成，这种导电和韧性材料如金 属，这种金属如铟或铜。为了完成组装， 一种密封层(未示出)可外 涂并封装这种导电和韧性材料以及这些盖板204和206的部分，这种 密封层用橡胶、环氧树脂或类似的防护性涂层或导电材料形成，这种 导电材料如金属。图3示出了一种结合电润湿单元的变焦透镜，也可将这种电润湿 单元完全填充，且在这种电润湿单元中，避免这种单元的组装期间和 之后的流体泄漏。在图3中仅示出了局部截面图，即仅示出了变焦透 镜300的左部分。不过，变焦透镜300是对称的，因此，并未示出的 右部分是所示出的左部分的镜像。透镜300包括流体室305，该流体室 305带有电气绝缘第一流体301和导电第二流体302，第一流体301和 笫二流体302非混溶且在弯月面314上方相互接触。流体室的侧面设 有电气绝缘层335和流体接触层310。在此实施例中，也优选流体接触 层310疏水。根据该实施例，体节段包括内壁380、外壁390和金属化层328,金属化层328在后盖板306的第二侧面323。内壁380包括用流体接触 层310涂覆的芯308。内壁380还包括端部节段的一部分。该端部节段 (或前盖板)304环形玻璃构件324,该环形玻璃构件324通过一种可 扩展接头325连接到一种内部分。可用单玻璃板制成环形玻璃构件324 和端部节段304的内部分。内壁380还包括后盖板306的端部326。后 盖板306设有通孔327、电极312和金属化层328。在一种替代实施例 中，这种板306可由在变焦透镜300的第一側面329的一种类似或相同 的结构所取代，即一种环形玻璃构件、可扩展接头或盖板。将内壁380的这三个节段即环形玻璃构件324、环形绝缘构件308 和端部326夹在外壁390的突出件330与环形闭合构件331之间。在此 实施例中，闭合构件331是一种金属片，但也可以是带有导电表面的 任何构件。外壁390包括用塑料或其它材料制成的内芯332，这种内芯 332设有金属化表面333。这种金属化表面333还覆盖第二盖板306的 金属化层328。这样就提供一种机械上稳定的连接。内壁380和外壁390相互附接，并且还连接到接头325和端部节段 304，因为密封层334处于端部节段304的周围。可用任何适当的材料 制成密封层334。例如，可使用公知的防护涂层，如橡胶、环氧树脂或 类似的材料的聚合物涂层。不过，优选密封层334包括金属，如通过 电镀淀积的金属。这就允许提供一种包装，这种包装密封且不易于空 气、水或其它流体的扩散。在本发明的此实施例中，疏水层315处于邻接于芯308的第二盖 板306的端部326的区域上。第二疏水层316可处于与芯308接触的端部节段304的构件324上。图4A示出了在将导电流体402设在基板406的第二侧面413上的 外壁490内之后制造流体聚集透镜的一个阶段的组件400。金属层433 在外壁490上方延伸、包括外壁490的突出件430并且连接到基板406 的粘附层428。在此示例中，流体402是一种含水盐溶液。乙醇等可用 作另外的溶剂。这种流体延伸到孔427中，并且在孔427内与电极412 接触。电极412起到这种单元的封盖的作用。导电流体402的液滴由 第一疏水层415保持在第二側面413的区域上，芯408将置于与该区域 相对的位置。图4B示出了提供电气绝缘流体401之后的组件400。这种电气绝 缘流体是一种油，如烷烃或硅油。为了避免亲水玻璃表面受到油的污 染，在提供导电流体402之后提供这种油。所示出的弯月面414的形 状和到基板406的第二侧面413的附着仅是示范性的，且并不一定对 应于任何物理效果。图4C示出了将芯408插入之后的结果。在此情形中，芯408是一 种环形导电构件408，这种环形导电构件408设有用聚对二甲苯制成的 电气绝缘层410。芯408置于第一疏水层415的至少一部分上，且在此 示例中，也可具有疏水性的电气绝缘层410的一部分与第一疏水层415 的一部分相对。前面所描述的实施例涉及流体聚集透镜。不过，可将本发明有利 地用在包括电润湿单元的其它器件中，如光学开关、微流体泵或微致 动器。本发明并不仅限于基板上的单电润湿单元。例如，可将根据本发 明的亲水层有利地涂覆到基板的表面，两个或更多的含有电润湿流体的结构或结构阵列固定到这些表面。虽然参考特定实施例对本发明进行了描述，但将会理解，将会有多种变化形式，而并不背离所附的权利要求书所提出的本发明的精神 和范围。因此，仅认为说明书和附图是示范性的，且并不旨在限定所 附的权利要求书的范围。在对所附的权利要求书进行解释时，应理解a) 词语"包括，，并不排除列于特定权利要求中的要素或行为之外 的要素或行为的出现；b) 在要素之前的词语"一个，，并不排除多个这些要素的出现；c) 权利要求书中的任何附图标记并不限制权利要求书的范围；d) 几个"器件"可由相同的项目或硬件或软件实现的结构或功能表示；e) 除非另有明确说明，所公开的任何器件或这些器件的任何部分 可结合在一起或分成其它的部分；以及f) 除非另有明确说明，并不旨在要求行为的特定顺序。
权利要求
1.一种电润湿单元，所述电润湿单元包括基板(106、206、306、406)、结构(108、208、308、408)和疏水材料制成的第一层(115、215、315、415)，所述结构(108、208、308、408)基本上将电润湿流体(102、202、302、402)限制到所述基板(106、206、306、406)的表面，所述第一层(115、215、315、415)在所述基板(106、206、306、406)上并位于所述基板(106、206、306、406)与所述结构(108、208、308、408)之间。
2. 如权利要求1所述的电润湿单元，其特征在于所述结构(108、 206)包括中空圆柱体。
3. 如权利要求1所述的电润湿单元，其特征在于所述结构(308、 408)包括环。
4. 如权利要求1所述的电润湿单元，其特征在于疏水流体接触 层(110、 310、 410)处于所迷结构(108、 308、 408)的一部分上。
5. 如权利要求4所述的电润湿单元，其特征在于所述疏水流体 接触层(110、 310、 410)的一部分邻接于所述疏水材料制成的第一层(115、 315、 415)的至少一部分。
6. 如权利要求1所述的电润湿单元，其特征在于所述疏水材料 制成的第一层(115、 215、 315、 415)包括一种材料，所述材料是氟 硅烷或无定形碳氟化合物聚合物。
7. —种流体聚集透镜，所述流体聚集透镜包括流体室(205 )，所述流体室(205 )由前盖板(204 )、后盖板(206 ) 和包围一种空间的芯(208)形成，所述流体室(205)包括第一流体 (201)和轴向布置的第二流体(202 )，这些流体(201、 202 )非混 溶并在弯月面(214)上方接触；疏水层(215)，所述疏水层(215)布置在所述后盖板(206)上， 所述后盖板(206)在与所述芯(208)的表面相对的区域上。
8. 如权利要求7所述的流体聚集透镜，其特征在于所述疏水层 (215)仅在所述疏水层(215)的边缘与所述第二流体(202)接触。
9. 一种制造电润湿单元的方法，所述方法包括 提供基板(406 );在所述基板(406)的第一区域上提供疏水层(415)，将所述第一区域的形状确定为对应于一种结构(108、 208、 308、 408)的接触表面的至少一部分，所述结构(108、 208、 308、 408)包围一种空间； 将电润湿流体(402)置于所述基板(406)的第二区域上；以及 将所述结构(108、 208、 308、 408)置于所述基板上，所述接触表面接触所述第一区域和所述空间的至少一部分，并因此而包括所述第二区域。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述结构(108、 208、 308、 408 )在所述基板(406 )上的所述放置步骤在所述电润湿流体(402 ) 在所述基板(406)的所述第二区域上的所述放置之后进行。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述结构(108、 208、 308、 408 )在所述基板(406 )上的所述放置步骤在所述电润湿流体(402 ) 在所述基板(406)的所述第二区域上的所述放置之前进行。
12. 如权利要求9所述的方法，其特征在于包括提供亲水基板 (406)的步骤。
13. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述亲水基板(406) 是玻璃。
14. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述提供疏水层(415) 的步骤包括将疏水材料置于所述基板(406)的表面上并将所述疏水材 料从所述表面的一部分上去除的步骤。
15. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述疏水层(415) 包括无定形碳氟化合物聚合物。
16. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述疏水层(415) 包括氟硅烷。
17. 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述结构(108、 208、 308、 408)具有疏水流体接触层(110、 310、 410)，且所述疏水流体 接触层(110、 310、 410)处于所述接触表面的至少一部分上。
18. —种电润湿单元的元器件，所述元器件包括基板(406)和在 所述基板(406)的一部分上的疏水材料层(415)，所述疏水材料以 图案形式布置，所述图案对应于介于所述基板(406)与相对的完成的 电润湿单元的构件(408)之间的接触区域。
19. 如权利要求18所述的元器件，其特征在于所述元器件是电 润湿单元的盖板。
20.如权利要求18所述的元器件，其特征在于所述元器件是用 于流体聚集透镜(30)的部件。
全文摘要
在一种流体聚集透镜(ff1)中，将一种结构化疏水层(415)涂覆在一种亲水玻璃基板(406)上。这种疏水层(415)和亲水玻璃基板(406)是水滴置于亲水玻璃基板(406)上，以保持在受限位置(或区域)中。但这种ff1的芯(408)并不附到这种基板(406)时，这种疏水层防止泄漏。这种疏水层(415)还起到一种阻挡层的作用，以将水保持在液滴形状，这样就简化了这种ff1产品的组装。
文档编号G02B3/14GK101331411SQ200680046735
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月12日
发明者A·L·鲍坎普-威诺尔茨, G·J·弗霍克克斯, P·范德米尔, R·M·蒂伯格, T·R·格罗布 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司