专利名称：基于微流控学的数字可调式微镜芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微镜芯片及其制备方法，特别涉及一种基于微流控学的数字可调式微镜芯片及其制备方法。
背景技术：
光流体学是一种将微流控学与微型光学组件结合的学科。在器件越来越小型化，各种科学实验集成在一块小芯片上进行的今天，光流体学为在芯片平台上产生、控制以及处理光信号提供了一种独特的解决方案。例如在液芯波导芯片中，微流管道里的液体被用作光全内反射传播的介质，而简单通过更换不同折射率的液体就可以实现对波导光学性能 的调制。诸如此类，微流芯片可以提供多种方式操控光传播的特性，特别是光的聚焦和发散。在数量众多的光流体学器件中，液体填充(液滴)微镜常作为它们的核心部件用于传统的光刻，光开关或是光学成像。而近年来，多类基于不同原理的自适应式液体微镜又被报道用于完成各种新型的，向生物学延展的芯片任务，例如细胞分类、单细胞分析等。当这类自适应式液体微镜用于和观察，成像相关的研究时，芯片的变焦速度、变焦范围以及调焦的精确性将是衡量其性能好坏的关键因素。在早期的通过更换液体，调节折射率实现变焦功能的微镜芯片中存在的主要问题是器件的响应速度较慢；在随后发展出来的基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)弹性体材料的微镜芯片中，液体被灌入一个个由PDMS薄膜构成的微腔中，形成微镜。外接气动泵连入微流管道中调节微腔内液体压力，实时驱使PDMS弹性薄膜膨胀或收缩。这种设计不改变器件中光学介质的折射率，转而通过改变微镜单元的形状(曲率半径)来实现变焦，并由PDMS弹性膜的高度可伸缩性实现了大的变焦比。但由于这种设计高度依赖外接压力源的稳定性，因此会存在变焦不够精准，可控性不够好等问题。在此，在一个优选的方案中，我们以PDMS弹性体为材料，使用多层软光刻技术，研制出一种新型的具有大变焦比的复合结构液体微镜。镜组包含三个联动的微镜单元，在控制层阀门的数字式调控下，一组尺寸700微米的微镜焦距可以在数厘米至数百微米之间精确变换，实现可控的大变焦比和显微成像。
发明内容
本发明的目的正是为了解决上述技术问题，提供一种具有大的变焦比且变焦精准、可控性好的复合微镜芯片。本发明中的“微腔”指的是参与成像的具有光学功能的微腔，而“蓄液微腔”只有储存液体的功能，不参与成像。本发明的微镜芯片由透明弹性体构成。由于微镜要实现光的聚集和发散，其材料需要选择透明材料，这是显而易见的；选择弹性体则是为了易于控制其形状而达到变焦的目的。微镜芯片包括顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个微腔，三个微腔的中心彼此垂直对齐，每个微腔均与带入口的管道相通。其中，中间层的微腔是核心的形变元件，其尺寸可以根据实际需要设定。每个微腔均与带入口的管道相通，用于流体的注入。三个微腔是通过上下两层透明弹性体薄膜彼此分离的。如果两个相邻的微腔内的压力不同，透明弹性体薄膜就会形变，使得中间层的微腔上下表面曲率半径发生变化，这样中间层的微腔就变成一个压力控制下，形状可调的液体微镜。然而，仅有这样的结构，想精确和快速地通过控制压力得到对应精确变化的微镜形状依然是困难的。因此，我们在中间层中设置一个或多个蓄液微腔(若蓄液微腔为多个，则多个蓄液微腔彼此连通)，通过管道连接上述蓄液微腔与中间层的微腔；同时，顶层和/或底 层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，所述气动阀的阀门均与带入口的管路相通，所述入口与压缩气泵连接。具有上述结构的微镜芯片即可实现精确、快速的变焦了。微腔的形状并没有特别的限定，可以是常见的圆形、方形或三角形。本发明的实施例中采用了常见的圆形，但是本领域的技术人员能够了解，其他形状的微腔也能够达到相同的技术效果。具体操作方法如下首先，往中间层的蓄液微腔中注入一定体积的液体，由于蓄液微腔与中间层的微腔是连通的，微腔中必然也会充满液体；在液体注入到中间层的微腔后，关闭阀门，将整个流体层通路封闭，这样就在连通的中间层蓄液微腔与微腔中封闭了总量一定的液体。当底控制层(或顶控制层)的气动阀被依次加压关闭后，阀门充气膨胀，挤压位于其上方(或下方)的流体层蓄液腔，蓄液腔中的液体被挤入封闭末端中的微腔内，同时使其上下两层的透明弹性体薄膜逐级膨胀。这样，通过体积调节的方式，流体层的微腔变成了一个焦距离散可调的双凸液体微镜。并且，在中间层的微腔由平面变成双凸形的同时，顶层和底层的微腔也被挤压得凹陷下去，形成两个单凹微镜。因此，在操作的过程中，这样的三层微腔结构就变成了一个形状动态可调的复合微镜组，它包含一个双凸镜和两个单凹镜。优选的，可以通过如下的设置进一步增强上述微镜芯片的性能。为了在微小的体系中应用，可以将圆形微腔的直径设置在50μπι-2πιπι之间(方形或三角形微腔的最长边尺寸设置在50 μ m-2mm之间)；将上层和底层的圆形微腔直径设置为相同，且上层和底层的圆形微腔直径大于中层的圆形微腔的直径，可以提高微镜芯片的成像质量；所述蓄液微腔个数大于等于2，更优选地设置为4个-8个，蓄液微腔的体积随着其与微腔的距离增加而增大，如此可以更加精确地控制中间层微腔的形变，进而控制微镜芯片的变焦；选择具有透气性的高分子材料作为透明弹性体，在适当的压力下，单端封死的管路也能被注满液体，这样便可以方便地在中间层的微腔中注入没有气泡的液体，该透气性的高分子材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯丙纶、聚氨酯、聚I-三甲硅基丙炔、聚I-三甲硅基丙炔、聚甲基丙烯酸甲脂、聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、聚乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甘油酯中的一种或两种以上的混合物；在中层微腔中填充折射率与所述透明弹性体相近的液体作为光学介质，顶层和底层的微腔中填充气体作为光学介质，上述“相近”是指光学介质折射率透明弹性体折射率=O. 8 I. 2，一般来说，腔内气体的折射率低于包围在外的透明弹性体的折射率，它们就会像正折射率的凸透镜一样汇聚光，所述光学介质可以是reliber PF6802氟油，所述气体可以是空气。下面将具体地通过实例以及结合附图来说明本发明的微镜芯片的制备方法及结构特征。图Ia展示的是一块制备好的复合微镜芯片。三层微流管道的结构在分别三种颜色染料的演示下清晰可见。芯片的设计如图Ib所示，我们先用AutoCAD画出芯片每层结构的图案，分别为为顶微镜层，中流体层和底控制层。然后按图案打印出菲林掩膜，再通过光刻制作出每层结构的模板。顶层和底层的图案使用负曝光胶SU-8制作，定影后的图案留在硅片上形成模板(图l(cl、c7))，而中间流体层模板则由正胶AZ-100(管道部分)和负胶SU-8(圆形微腔部分)经过两次分区域的曝光、显影、定影步骤制成(图lc4)。流体层模板还需经过24小时的回流烘烤处理，使得管道部分的图案变得平整和圆滑，以确保复印出的PDMS管路能在后续的实验中被控制阀完全关死。在倒胶，除气泡，以及80°C、15分钟的烘烤后，我们从第一层模板上揭下处于半聚合状态并印好图案的微镜层PDMS (厚度约5毫米)，在入口处打好孔后与经过与第一层相似处理，同样处于半聚合状态的流体层PDMS薄膜(厚度约150微米)贴合并对齐图案。经过80°C，约I小时烘烤后，两层聚合，紧密粘连，整体从第二张模板上撕下。重复上述步骤，将聚合的两层PDMS对齐贴到第三层控制层PDMS上 (厚度约190微米)，80°C烘烤一小时，此时三层PDMS聚合，将它们从第三张模板上整体揭下，贴在一层厚度约I毫米的PDMS底膜上，经过最后一次80°C过夜烘烤后，一块三层结构的复合微镜芯片就宣告完成。整个软光刻制备的流程如图Ic所示。接下来我们按图Id所示预处理芯片，为后续实验做准备在位于中间的流体层管道中，注入特定的光学液体作为填充介质，PDMS是透气型材料，确保了在适当的压力下，单端封死的管路也能被注满液体；顶层和底层管道通常不注入任何液体，使用折射率最低的空气作为光传播介质。顶部(或底部)控制层的充气阀通过针孔与外接压缩气泵连通。如图2a所示，芯片的三个功能层各有一个圆形的微腔，彼此垂直对齐。中间层的微腔是核心的形变元件，直径设计在数百微米间。顶层与底层的微腔略大(约一毫米直径)，对称地对中间层微腔形成包围。微腔一端均与带入口的管道连通，用于微量流体的注入(图2b)。在中流体层，4-8个体积渐变的方形蓄液腔被纤细的管道像糖葫芦一样串联在一起，形成宝塔状的流体管路，并与末端的圆形微腔连通。蓄液腔体积随着与圆微腔距离的增加而增加。在芯片的底控制层集成进一组方形气动阀，它们一一对齐地位于蓄液腔的正下方，阀门均与带入口的管路相通，外接压缩气泵，构成芯片的控制部分(图2c)。在上述结构中，三个圆形的微腔是通过上下两层PDMS薄膜彼此分离的。如果两个圆形微腔内的压力不同，弹性的PDMS薄膜就会形变，使得中间层的微液腔上下表面曲率半径发生变化，这样中间层的微液腔就变成一个压力控制下，形状可调的液体微镜(凸透镜)。但在这样的配置下，想精确和快速地通过控制压力得到对应精确变化的微镜形状是很困难的。而我们通过往微镜中注入特定体积液体的方法则可以精确地调控液压以及微镜组的形变。在液体注入到中间流体层的管路中后，我们关闭距离微镜最远的一个阀门，将整个流体层通路封闭。这样就在连通的微镜和流体管路中封闭了总量一定的液体。当底控制层的气动阀被依次加压关闭后，阀门充气膨胀，挤压位于其上方的流体层蓄液腔，蓄液腔中的液体被相继挤入封闭末端中的圆形微腔内，同时使其上下两层的PDMS薄膜(约70微米厚)逐级膨胀。这样，通过体积调节的方式，流体层的圆形微腔变成了一个焦距离散可调的双凸液体微镜。并且，在中间层的微腔由平面变成双凸形的同时，顶层和底层的圆形微腔也被挤压得凹陷下去，形成两个单凹微镜。因此，在操作的过程中，这样的三层微腔结构就变成了一个形状动态可调的复合微镜组，它包含一个双凸镜和两个单凹镜(图3a至3d所示)。选择好合适折射率的介质，这个微镜组将能有效地操控光的传播特性。在实验中，流体层我们灌入reliber PF6802氟油作为光学介质。PF6802氟油是一种化学性能稳定的高流动性透明液体，同时它具有和PDMS材料相近的折射率(I. 39)。而上下两层的单凹形微腔则是留空的，由于腔内空气的折射率远低于包围在外的PMDS折射率(nsn l，npdms I. 47)，它们就会像正折射率的凸透镜一样汇聚光，而如果当腔内填充折射率大于PDMS的液体时(如镜油)，他们则会像负镜一样使光发散。在图4a中，从O到7，我们依次加压关闭7个控制阀门，流体层液体被逐步挤入管道末端的微镜中，压迫微镜上下的两层PDMS薄膜相应地往两侧形变、膨胀，挤出一个曲率(焦距)逐级变化的双凸镜加两单凹镜的组合。图4b清晰显示了这个复合镜组数字化形变的过程。实验中，顶层和底层的微镜由空气填充，为大折射率差的负镜。因此复合镜组中的两个负折射率单凹镜成为放大(显微)成像的核心组件。我们使用AUTOCAD设计了 30微米宽，50微米高的字母“F”阵列，打印成图案作为成像实验的样品。我们将带F图案的掩膜贴在芯片底部，恒定I毫米左右的物距。图4c显示的是在控制阀的逐级变焦操作中，复合 镜组焦距逐级减小，成像逐级增大的过程。图4c7中，在所有阀门都关闭后，中间层微镜被最大程度挤入液体，极度膨胀，形变的PDMS膜接触到上下两层空气微镜的底部，导致了成像的畸变，也展示了此块微镜芯片的变焦极限所在。从微镜芯片的顶视图，我们也能清楚地了解到这个形变过程。我们在芯片的顶微镜层和底微镜层分别灌入蓝色和绿色的染料。中间层微镜仍灌入透明的氟油。在初始状态，微镜区域呈蓝绿混合的深色(图5a)。当由红色染料填充的三个控制阀依次关闭后，中间层的透明液体被大量挤入微镜中，使其膨胀，将上下层微镜里的蓝色和绿色染料冲淡，中心部分恢复透明(图5b)。由上可知，我们的复合镜组设计包含了三个独立的，折射率差可调的，形状可控的微镜元件。因此，除了使用阀门注液控制形变的方式外，还可以通过改变三个微镜各自的填充介质来调节系统的光学性能。例如图5c显示的是一个正处在工作状态的复合微镜，对微字母“F”成放大的虚像。此时镜组的上下层为空气微镜，中间层为氟油液镜。在图5d中，我们将下上层空气单凹镜中也灌入了氟油，微镜系统焦距被极大改变，像尺寸迅速减小为基本等大的虚像。相对于以往基于微流控技术发展出的微镜，我们制备的多层复合微组具有焦距精确可控，响应速度快，调节方式多样的特点。同时，三层结构的设计相较于传统的单层微镜具有更大的数值孔径，而新型大折射率差空气凹镜的引入更是极大地提升了微镜的光学放大能力。我们先以5微米的步长设定PDMS薄膜中心点的横向位移量，以此模拟出微镜的各个形变状态(不同曲率的状态)，再通过光学计算软件Zemax算出每个状态下的镜组焦距，最后得到镜组从无形变到最大形变的过程中焦距的变化曲线。我们把从两组实验中得到的实测焦距与该曲线对比，吻合度尚可(图6d)。图6d说明复合微镜在具有较大动态可调范围的同时，变焦平稳且具有一致性。在变焦过程中，借助显微镜，我们观测到复合微镜从成放大虚像，到放大实像，再到等大实像，最后到缩小实像的全过程(图6a)。清晰的放大实像说明微镜系统具有不错的光学素质。基于以上两点，我们有理由对多层复合微镜芯片的实用性抱有信心。在接下来的实验中，我们撤去了体积庞大的显微镜，转将微镜与一个I瓦功率的白光LED (发光二极管)，一块网络摄像头的CMOS (互补式金属半导体氧化物)传感器结合在一起，搭建了一个独立的便携显微成像装置(图6e所示)。样品仍然使用上述的微字母F阵列。LED提供照明，微镜芯片采集样品光，CMOS传感器成像。结果如图6b所示，微字F从不可分辨到逐渐被放大到清晰可辨。我们还将激光照射两块芯片，光束通过芯片里两组沿激光传播方向对齐的复合微镜后在CMOS传感器上投射出光斑。我们通过调整两个微镜的焦距比，得到不同扩束比的激光束斑。(图6c所示)。这些实验表明，我们设计的这种基于微流控的多层复合微镜芯片在便携显微成像，集成光学等方面具有良好的应用前
旦
-5^ O简言之，基于软光刻技术，我们研制出多层结构的光流体复合微镜芯片。通过控制集成进芯片的一组充气阀的开与关，我们能快速、精确地调控复合微镜组的焦距及其相应的光学性能。而微镜系统的结构参数和光学参数，例如微镜的初始形状，孔径尺寸，最小焦距等等，也都可以方便地通过设计和制备来调整，控制。在操作过程中，通过控制阀的开关·来调整微镜的进液量和形变量，使微镜系统像一个精确变焦显微镜头一样的工作(变焦比大，在数百微米至数毫米间变化)，用于对微小的样品做出不同放大倍数的成像。我们希望这样的微镜系统能提供一个廉价，便携的解决方案，使之能在某些场合取代笨重的显微镜进行显微观察。此外，这样的微镜组件还能够相互组合或与别的微流控器件集成在一起，用来完成多种多样的光学和生物传感任务。
图I复合微镜芯片设计，制备流程与器件图。(a)复合微镜芯片实拍图。芯片小巧，三层结构清晰可见。(b)芯片的CAD设计。黑色图案为顶微镜层，绿色图案为中流体层，红色图案为底控制层。按照CAD设计打印出菲林掩膜。(c)使用掩膜曝光制作出每层结构的模板。顶层和底层的图案使用负曝光胶SU-8制作，显影、定影后的图案留在硅片上形成模板。而中间流体层模板则由正胶AZ-100(管道部分)和负胶SU-8(圆形微腔部分)经两次分别曝光制成(1、4、7)。流体层模板还需经过24小时的回流烘烤处理，使得管道部分的图案变得平整和圆滑，以确保复印出的PDMS管路能在后续的实验中被控制阀完全关死。首先从第一层的模板上揭下处于半聚合状态并印好图案的微镜层PDMS (厚度约5毫米)，在入口处打好孔后与第二层流体层PDMS对齐、贴合(厚度约150微米)。经过80° C，约I小时烘烤后，两层聚合，紧密粘连，被整体从第二张模板上撕下(2、3、5、6)。重复上述步骤，将聚合的两层PDMS对齐贴到第三层控制层PDMS上(厚度约190微米)，烘烤，直到三层PDMS聚合，再将它们整体揭下，贴在一层厚度约I毫米的PDMS底膜上，过夜烘烤后，一块三层微流结构的复合微镜芯片制作完成(8、9、10，11)。(d)芯片工作示意图。在流体层管道中灌入相对高折射率的光学液体(例如reliber PF6802氟油)。PDMS是透气型材料，确保了在适当的压力下，单端封死的管路能被注满液体；顶层和底层微镜则填充相对低折射率的介质(例如空气)。控制层的充气阀通过针孔与外接压缩气泵连通。图2复合微镜芯片内部结构详解(a)复合微镜芯片的功能部分三层结构微镜组。芯片每层各有一个圆形微镜，一次为红、绿、蓝色，彼此垂直对齐。微镜一端与带入口的管道连通，用于微量流体的注入。中间层的微镜是核心的形变元件，直径约七百微米间。上下两层的略大(约一毫米直径)，对中间层微镜形成包围。(b)芯片全图。红色部分为顶微镜层管道，绿色部分为中流体层管道，蓝色部分为底层微镜部分管道。底层的方形控制阀与外接气泵连通，用来调节流体层微镜中的液体注入量。(C)微镜芯片侧面图。在中流体层，4-8个体积渐变的方形蓄液腔被纤细的管道像糖葫芦一样串联在一起，再与末端的微镜连通。蓄液腔体积随着与微镜距离的增加而增加。在蓄液腔的下方，是一组与之对齐的方形气动阀，阀门均与带入口的管路相通，外接压缩气泵。构成芯片的控制部分。图3复合微镜芯片变焦过程演示。在流体层中通入reliber(gPF6802氟油(折射率约I. 39)，并关闭最远端的控制阀，在连通的微镜和流体管路中封闭总量一定的液体。当蓄液腔下方的气动阀被依次加压关闭后，阀门充气膨胀，挤压位于其上方的流体层蓄液腔，腔中的液体被相继挤入封闭末端中的圆形微腔内，同时使其上下两层的PDMS薄膜(约70微米厚)逐步膨胀。在中间层的微腔由平面变成双凸形的同时，顶层和底层的圆形微腔也被挤压得凹陷下去，形成两个单凹微镜。因此，在操作的过程中，初始状态的三层平面微腔结构(a)转变成形状动态可调的复合微镜组，它包含一个双凸镜和两个单凹镜(b至d)。图4复合微镜芯片变焦成像过程。(a)从O到7，我们依次加压关闭7个控制阀门，流体层液体被逐步挤入管道末端的微镜中，压迫微镜上下的两层PDMS薄膜相应地往两 侦■变、膨胀，挤出一个曲率(焦距)逐级变化的双凸镜加两单凹镜的组合。(b)图清晰显示了这个复合镜组数字化形变的过程。顶层和底层的微镜由空气填充，为大折射率差的负镜(nsn 1，Hpdffls I. 47)。因此复合镜组中的两个负折射率单凹镜成为放大(显微)成像的核心组件。(c)物距固定的情况下，控制阀依次关闭后，复合镜组焦距逐级减小，成像逐级增大。在7中，所有阀门均关闭，中间层微镜被最大程度挤入液体，极度膨胀，形变的PDMS膜接触到上下两层空气微镜的底部，导致成像的畸变。图5复合微镜芯片的两种变焦模式。(a)、(b)通过控制复合微镜芯片的形状实现变焦。(a)微镜初始状态。(b)微镜最大形变状态。中间层透明液体被大量挤入微镜，使其膨胀，将上下两层微镜里的蓝色和绿色染料冲淡，中心部分恢复透明。(c)、(d)通过改变复合微镜芯片中的光学介质改变焦距。(C)处在工作状态的微镜，上下两层微镜空气填充，中间层微镜氟油填充。(d)将下上层空气单凹镜中也灌入氟油，像尺寸迅速减小。图6复合微镜芯片的性能评估和应用(a)通过显微镜得到的系列变焦成像图。2-4清楚的实像展示了芯片不错的光学素质。(b)撤去显微镜，仅用微镜芯片加摄像头CMOS传感器做显微成像。6张图从左到右像尺寸逐渐增大，微字F从不可分辨到清晰可辨。(c)将激光照射两块芯片，光束通过芯片里两组沿激光传播方向对齐的复合微镜后在CMOS传感器上投射出光斑。通过调整两个微镜的焦距比，可以得到不同扩束比的激光束斑。(d)使用光学模拟软件计算微镜形变过程中各个状态的焦距值，得到焦距变化的曲线，并与实测焦距对比，吻合得较好。(e) —个白光发光二极管(LED)，一块复合微镜芯片和一个摄像头CMOS传感器组成的便携“显微镜”。成像如b图所示。
具体实施例方式实施例I复合微镜芯片变焦成像过程。实验过程及结果见图4及图5。在图4a中，从O到7，我们依次加压关闭7个控制阀门，流体层液体被逐步挤入管道末端的微镜中，压迫微镜上下的两层PDMS薄膜相应地往两侧形变、膨胀，挤出一个曲率(焦距)逐级变化的双凸镜加两单凹镜的组合。图4b清晰显示了这个复合镜组数字化形变的过程。实验中，顶层和底层的微镜由空气填充，为大折射率差的负镜。因此复合镜组中的两个负折射率单凹镜成为放大(显微)成像的核心组件。我们使用AUTOCAD设计了 30微米宽，50微米高的字母“F”阵列，打印成图案作为成像实验的样品。我们将带F图案的掩膜贴在芯片底部，恒定I毫米左右的物距。图4c显示的是在控制阀的逐级变焦操作中，复合镜组焦距逐级减小，成像逐级增大的过程。图4c7中，在所有阀门都关闭后，中间层微镜被最大程度挤入液体，极度膨胀，形变的PDMS膜接触到上下两层空气微镜的底部，导致了成像的畸变，也展示了此块微镜芯片的变焦极限所在。从微镜芯片的顶视图，我们也能清楚地了解到这个形变过程。我们在芯片的顶微镜层和底微镜层分别灌入蓝色和绿色的染料。中间层微镜仍灌入透明的氟油。在初始状态，微镜区域呈蓝绿混合的颜色(图5a)。当由红色染料填充的控制阀关闭后，中间层的透明液体被大量挤入微镜中，使其膨胀，将上下层微镜里的蓝色和绿色染料冲淡，中心部分恢复浅色透明(图5b)。实施例2
微镜芯片变焦性能。相对于以往基于微流控技术发展出的微镜，我们制备的多层复合微组具有焦距精确可控，响应速度快，调节方式多样的特点。同时，三层结构的设计相较于传统的单层微镜具有更大的数值孔径，而新型大折射率差空气凹镜的引入更是极大地提升了微镜的光学放大能力。我们先以5微米的步长设定PDMS薄膜中心点的横向位移量，以此模拟出微镜的各个形变状态(不同曲率的状态)，再通过光学计算软件Zemax算出每个状态下的镜组焦距，最后得到镜组从无形变到最大形变的过程中焦距的变化曲线。我们把从两组实验中得到的实测焦距与该曲线对比，吻合度尚可(图6d)。图6d说明复合微镜在具有较大动态可调范围的同时，变焦平稳且具有一致性。在变焦过程中，借助显微镜，我们观测到复合微镜从成放大虚像，到放大实像，再到等大实像，最后到缩小实像的全过程(图6a)。清晰的放大实像说明微镜系统具有不错的光学素质。基于以上两点，我们有理由对多层复合微镜芯片的实用性抱有信心。实施例3用本发明的微镜芯片搭建的便携显微成像系统的实际应用。我们撤去体积庞大的显微镜，转将微镜与一个I瓦功率的白光LED (发光二极管)，一块网络摄像头的CMOS(互补式金属半导体氧化物)传感器结合在一起，搭建了一个独立的便携显微成像装置(图6e所示)。样品仍然使用上述的微字母F阵列。LED提供照明，微镜芯片采集样品光，CMOS传感器成像。结果如图6b所示，微字F从不可分辨到逐渐被放大到清晰可辨。我们还将激光照射两块芯片，光束通过芯片里两组沿激光传播方向对齐的复合微镜后在CMOS传感器上投射出光斑。我们通过调整两个微镜的焦距比，得到不同扩束比的激光束斑。(图6c所示)。这些实验表明，我们设计的这种基于微流控的多层复合微镜芯片在便携显微成像，集成光学等方面具有良好的应用前景。
权利要求
1.一种基于微流控学的数字可调式微镜芯片，其特征在于所述微镜芯片由透明弹性体构成，具有顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个微腔，三个微腔的中心彼此垂直对齐，每个微腔均与带入口的管道相通，中层的微腔通过管道与至少一个设置在同一层中的蓄液微腔连通，顶层和/或底层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，所述气动阀的阀门均与带入口的管路相通，所述入口与压缩气泵连接，所述三个微腔一起组成形状动态可调的复合微镜组。
2.根据权利要求I所述的微镜芯片，其特征在于所述微腔的形状为圆形、方形或三角形。
3.根据权利要求2所述的微镜芯片，其特征在于圆形微腔的直径在50ymlmrn之间，方形或三角形微腔的最长边尺寸在50 V- m-2mm之间。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的微镜芯片，其特征在于上层和底层的微腔形状、尺寸相同，且上层和底层的微腔尺寸大于中层的微腔尺寸，所述尺寸指微腔边缘两点之间的最大距离。
5.根据权利要求1-4的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述蓄液微腔个数大于等于2，且通过管道相互连通。
6.根据权利要求1-5的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述蓄液微腔个数为4个-8个，且彼此通过管道连成一条直线，蓄液微腔的体积随着其与微腔的距离增加而增大。
7.根据权利要求1-6的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述透明弹性体是具有透气性的高分子材料。
8.根据权利要求1-7的任一项所述的微镜芯片，其特征在于所述透明弹性体是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯丙纶、聚氨酯、聚I-三甲硅基丙炔、聚I-三甲硅基丙炔、聚甲基丙烯酸甲脂、聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、聚乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甘油酯中的一种或两种以上的混合物。
9.根据权利要求1-8的任一项所述的微镜芯片，其特征在于中层微腔中填充折射率与所述透明弹性体相近的液体作为光学介质，顶层和底层的微腔中填充气体作为光学介质，上述“相近”是指光学介质折射率透明弹性体折射率=0. 8 I. 2。
10.根据权利要求9所述的微镜芯片，其特征在于所述光学介质为reliberPF6802氟油，所述气体为空气。
11.根据权利要求1-8的任一项所述的微镜芯片，其特征在于三个微腔中均填充液体作为光学介质。
12.根据权利要求11所述的微镜芯片，其特征在于三个微腔中填充相同的液体作为光学介质。
13.一种便携显微成像装置，包括光源、传感器以及权利要求1-12的任一项所述的微镜心片。
14.根据权利要求13所述的便携显微成像装置，其特征在于所述光源为白光发光二极管，传感器为互补式金属半导体氧化物CMOS或电荷耦合元件CCD。
15.权利要求1-12的任一项所述的微镜芯片的制造方法，其特征在于包括以下步骤 I)制作出每层结构的图案，按图案打印出掩膜，通过光刻制作出每层结构的模板，顶层和底层的图案使用负曝光胶制作，定影后的图案留在基片上形成模板，中间层图案的管道部分使用正曝光胶、微腔部分使用负曝光胶经过两次分区域的曝光、显影、定影制成； 2)将高分子聚合物前体倾倒在顶层模板上，使其发生聚合反应至半聚合的状态，揭下印好图案的该层，在入口处打好孔； 3)将高分子聚合物前体倾倒在中层模板上，使其发生聚合反应至半聚合的状态； 4)将步骤2的从模板上揭下处于半聚合状态的高分子层和步骤3的高分子层贴合并对齐图案，使两个高分子层发生聚合反应至紧密粘连形成一个整体，然后从模板上揭下； 5)将高分子聚合物前体倾倒在底层模板上，使其发生聚合反应至半聚合的状态； 6)将步骤4的从模板上揭下处于半聚合状态的高分子层的中层和步骤5的高分子层贴合并对齐图案，使其发生聚合反应至紧密粘连形成一个整体，然后从模板上揭下； 7)将步骤6得到的高分子层的底层与一层高分子底膜贴合并发生聚合反应至紧密粘连形成一个整体，即得到具有三层结构的复合微镜芯片。
16.一种根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于步骤I的最后还对中间层模板进行回流烘烤处理，使得管道部分的图案变得平整和圆滑。
17.一种根据权利要求15或16所述的制造方法，其特征在于所述负曝光胶是SU-8，正曝光胶是AZ-IOO。
18.一种根据权利要求15-17的任一项所述的制造方法，其特征在于所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
全文摘要
本发明涉及一种新型的具有大变焦比的复合结构液体微镜，微镜芯片由透明柔性材料构成，具有顶层、中层和底层共三个功能层，每个功能层中均设置一个圆形微腔，三个圆形微腔的中心彼此垂直对齐，每个圆形微腔均与带入口的管道相通，中层的圆形微腔通过管道与至少一个设置在同一层中的蓄液微腔连通，顶层和/或底层中在与所述蓄液微腔对应的位置设置气动阀，气动阀的阀门均与带入口的管路相通，入口与压缩气泵连接，三个圆形微腔一起组成形状动态可调的复合微镜组镜，在控制层阀门的数字式调控下，微镜焦距可以在数厘米至数百微米之间精确变换，实现可控的大变焦比和显微成像。
文档编号G03F7/00GK102841443SQ20111017253
公开日2012年12月26日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者黄岩谊, 费鹏, 赫滋, 郑春红, 陈涛, 门涌帆 申请人:北京大学