一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种芯片型微粒子光悬浮装置，依次顺序设有驱动电路板、半导体激光器、微型透镜组、波片、微粒子腔室、光电探测器；半导体激光器位于驱动电路板上；微型透镜组用于将半导体激光器发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；波片用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室内微粒子的悬浮捕获；光电探测器用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室内微粒子的状态信息；芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片，陶瓷压电片的振动带动微粒子腔室，激发微粒子腔室内的微粒子悬浮在微粒子腔室内。

【技术实现步骤摘要】
一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法
本专利技术涉及光悬浮
，具体涉及一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法。
技术介绍
自从上世纪八十年代Ashkin利用激光成功实现了对微小粒子进行操控并提出光悬浮技术以来，这种利用激光的辐射压力效应并通过高聚焦透镜对细胞等微型颗粒进行无接触式操纵的方法逐渐成为进行物理学、生物学等基础研究的重要手段，其优点在于不会对微粒产生机械损伤且捕获效率和精度高。光悬浮技术的应用主要归纳为五个大类：生命科学、光子晶体、表面科学及凝聚态物理、微操控及微细加工、材料科学等领域。光悬浮技术诞生后，根据不同的应用需求，发展出了品种繁多的各类光悬浮技术，其中包括空间光悬浮技术、光纤光悬浮技术等。基于显微物镜的传统空间光悬浮技术采用高数值孔径的显微物镜，并且还需要光束准直器件，耦合器件和增透膜滤光片等光学元件，使整个光悬浮系统光路较为复杂，体积大无法灵活搬运，成本较高，而光纤和硅基波导光悬浮装置尽管光路简单，较为灵活，主体尺寸较小，但均采用传统的箱式半导体激光器，使得总体尺寸仍然较大，无法适用于芯片型器件的需求。开发这种基于MEMS工艺的高集成度芯片型微粒子光悬浮装置系统有利于扩展光力领域的应用范围，降低多学科应用光力技术的研究难度与门槛，特别是为紧凑型惯性传感单元，如微加速度计、微陀螺仪利用光力效应提供解决方案，为未来芯片型器件利用光悬浮技术进行理论和工程研究提供了可能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种小型化、集成化的一种芯片型微粒子光悬浮装置及微粒子捕获方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种芯片型微粒子光悬浮装置，依次顺序设有驱动电路板、半导体激光器、微型透镜组、波片、微粒子腔室、光电探测器；所述半导体激光器位于驱动电路板上；所述微型透镜组包括第一平凸微透镜和第二平凸微透镜，所述第一平凸微透镜、第二平凸微透镜的凸面相对设置，且用于将半导体激光器发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；所述波片用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室内微粒子的悬浮捕获；所述光电探测器用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室内微粒子的状态信息；所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片，所述陶瓷压电片的振动带动微粒子腔室，激发微粒子腔室内的微粒子悬浮在微粒子腔室内。作为对上述技术方案的进一步改进：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括悬臂梁，所述微粒子腔室通过悬臂梁与陶瓷压电片连接。所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括支撑件，所述支撑件用于固定第一平凸微透镜、第二平凸微透镜、波片、微粒子腔室和光电探测器；所述微粒子腔室相对于第一平凸微透镜和/或第二平凸微透镜可移动。所述支撑件包括第一支撑座、第二支撑座和第三支撑座，所述第一支撑座用于固定第一平凸微透镜、第二平凸微透镜、波片；所述第二支撑座用于固定光电探测器，所述第三支撑座用于固定微粒子腔室。所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括第三平凸微透镜，所述第三平凸微透镜位于微粒子腔室和光电探测器之间且用于将出射光整形形成平行光。所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括封装层，所述驱动电路板、半导体激光器、第一平凸微透镜、第二平凸微透镜、波片、微粒子腔室、光电探测器用封装层封装。所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括多个透镜支架，所述透镜支架与支撑件连接且用于夹持第一平凸微透镜、第二平凸微透镜。所述微粒子腔室包括硅基体和位于硅基体上、下表面的玻璃片层，所述硅基体内设有用于容纳微粒子的空腔，所述微粒子腔室采用MEMS工艺和阳极键合工艺制备而成。所述微粒子腔室由以下步骤制备而成：A1、以硅片为基底，在硅片一表面形成二氧化硅层；A2、在具有二氧化硅层的硅片表面涂抹光刻胶，进行光刻处理；A3、光刻处理后去除未被光刻胶保护的掩膜层，从而得到带有腐蚀窗口的硅片；A4、将带有腐蚀窗口的硅片进行腐蚀，得到微粒子腔室主体结构，去除二氧化硅层，得到微粒子腔室框架基片；A5、将A4中的微粒子腔室框架基片放在玻璃片的上表面，放入真空键合装置中进行阳极键合处理形成硅-玻璃半腔室；A6、将微米级或纳米级的微颗粒置于硅-玻璃半腔室中；A7、将另一玻璃片放置在硅-玻璃半腔室上，放入真空键合装置中进行阳极键合处理形成含有微颗粒的玻璃-硅-玻璃微粒子腔室。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种芯片型微粒子光悬浮装置的微粒子捕获方法，包括以下步骤：S1、开启驱动电路板，调节恒流输出至半导体激光器的输出功率稳定,微型透镜组的第一平凸微透镜和第二平凸微透镜将半导体激光器发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；S2、调节微粒子腔室的位置，使半导体激光器出射光的焦点位于微粒子腔室内；S3、打开陶瓷压电片振动微粒子腔室，使得微粒子腔室内的微粒子悬浮在微粒子腔室内；S4、用示波器观测光电输出，直至振动信号稳定，微粒子已被捕获。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的芯片型光悬浮装置用小体积半导体激光器、微型透镜组（即第一平凸微透镜、第二平凸微透镜）、微粒子腔室作为光悬浮装置的主体，大大缩小传统型光悬浮装置的体积。小体积的半导体激光器相较于盒式激光器效率高、体积小、重量轻且价格低、采用小体积的半导体激光器作为激励源，利用微型透镜组等小尺寸光学元件替代高数值孔径的大物镜又进一步缩小了整体尺寸，利用微粒子腔室替代真空腔的方式既降低了真空系统的设计和加工难度，又实现了整套光悬浮设备的小型化，微型透镜组（即第一平凸微透镜、第二平凸微透镜）实现光束由发散到平行再到会聚的光路，保证焦点在微粒子腔室内部，其捕获原理为通过调整半导体激光器输出激光的功率实现作用在微粒子上的梯度力、散射力、重力及其余环境阻力达到平衡，实现微粒子在光阱内的稳定控制。波片的目的是将出射的线偏振光转换为圆偏振光，实现微粒在光阱内的旋转效应。光电探测器将光信号转化为电信号进而输出微粒子在光阱内的振动、旋转信息通过实时收集光电信号即可判断微粒子的运动状态。芯片型光悬浮装置的整体体积小，小型化、集成化，通过调节半导体激光器的激光功率实现对不同大小微粒的的精确捕获，操作简单，成本低廉，使其可以被运用在芯片型工程器件中，丰富和发展了光力技术的应用领域。附图说明图1为本专利技术的整体结构图。图2为微粒子腔室的工艺流程图。图例说明：1、驱动电路板；2、半导体激光器；3、第一支撑座；4、透镜支架；5、第一平凸微透镜；6、第二平凸微透镜；7、波片；8、微粒子腔室；81、硅基体；82、玻璃片层；9、第三平凸微透镜；10、光电探测器；11、第二支撑座；12、悬臂梁；13、陶瓷压电片；14、第三支撑座；15、封装层。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。除非特殊说明，本专利技术采用的仪器或材料为市售。...

【技术保护点】
1.一种芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：依次顺序设有驱动电路板（1）、半导体激光器（2）、微型透镜组、波片（7）、微粒子腔室（8）、光电探测器（10）；/n所述半导体激光器（2）位于驱动电路板（1）上；/n所述微型透镜组包括第一平凸微透镜（5）和第二平凸微透镜（6），所述第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）的凸面相对设置，且用于将半导体激光器（2）发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；/n所述波片（7）用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室（8）内微粒子的悬浮捕获；/n所述光电探测器（10）用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室（8）内微粒子的状态信息；/n所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片（13），所述陶瓷压电片（13）的振动带动微粒子腔室（8），激发微粒子腔室（8）内的微粒子悬浮在微粒子腔室（8）内。/n

【技术特征摘要】
1.一种芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：依次顺序设有驱动电路板（1）、半导体激光器（2）、微型透镜组、波片（7）、微粒子腔室（8）、光电探测器（10）；
所述半导体激光器（2）位于驱动电路板（1）上；
所述微型透镜组包括第一平凸微透镜（5）和第二平凸微透镜（6），所述第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）的凸面相对设置，且用于将半导体激光器（2）发射的散射光束聚焦形成类高斯光束的出射光；
所述波片（7）用于调整出射光的偏振态，实现对微粒子腔室（8）内微粒子的悬浮捕获；
所述光电探测器（10）用于将接受的光信号转化为电信号，输出微粒子腔室（8）内微粒子的状态信息；
所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括陶瓷压电片（13），所述陶瓷压电片（13）的振动带动微粒子腔室（8），激发微粒子腔室（8）内的微粒子悬浮在微粒子腔室（8）内。


2.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括悬臂梁（12），所述微粒子腔室（8）通过悬臂梁（12）与陶瓷压电片（13）连接。


3.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括支撑件，所述支撑件用于固定第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）、波片（7）、微粒子腔室（8）和光电探测器（10）；所述微粒子腔室（8）相对于第一平凸微透镜（5）和/或第二平凸微透镜（6）可移动。


4.根据权利要求3所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述支撑件包括第一支撑座（3）、第二支撑座（11）和第三支撑座（14），所述第一支撑座（3）用于固定第一平凸微透镜（5）、第二平凸微透镜（6）、波片（7）；所述第二支撑座（11）用于固定光电探测器（10），所述第三支撑座（14）用于固定微粒子腔室（8）。


5.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括第三平凸微透镜（9），所述第三平凸微透镜（9）位于微粒子腔室（8）和光电探测器（10）之间且用于将出射光整形形成平行光。


6.根据权利要求1所述的芯片型微粒子光悬浮装置，其特征在于：所述芯片型微粒子光悬浮装置还包括封装层（15），所述驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宇列，吴学忠，肖定邦，蒲俊吉，曾凯，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43