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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Mikrolinsen und genauer Flüssigkeitsmikrolinsen.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Die
meisten abstimmbaren Mikrolinsen sind entweder Gradientenindex(GRIN)-Linsen,
wobei der Brechungsindex elektrostatisch gesteuert wird, oder biegsame
polymere Linsen, wobei die Form mechanisch gesteuert wird. Beide
Technologien weisen innewohnende Beschränkungen auf, die der Leistung dieser
bestehenden abstimmbaren Mikrolinsen strenge Beschränkungen
auferlegen.
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Abstimmbare
Gradientenindex-Linsen weisen innewohnende Beschränkungen
auf, die mit den verhältnismässig kleinen
elektrooptischen Koeffizienten verbunden sind, die sich bei der
Mehrheit der elektrooptischen Materialien finden. Dies führt zu einer
kleinen Lichtwegsmodulation und erfordert daher, daß dicke
Linsen oder sehr hohe Spannungen eingesetzt werden. Zusätzlich zeigen
viele elektrooptische Materialien eine starke Doppelbrechung, die
eine Polarisationsabhängigkeit
der Eigenschaften der Mikrolinse verursacht.
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Mechanisch
abstimmbare biegsame Linsen weisen typischerweise einen im Wesentlichen
weiteren Bereich der Abstimmbarkeit als die Gradientenindex-Linsen
auf. Sie benötigen
jedoch zum Betrieb externe Betätigungsvorrichtungen
wie etwa Mikropumpen. Die Mikrointegration derartiger Vorrichtungen
ist mit wesentlichen Problemen verbunden, die in dem Fall, in dem
eine zweidimensionale Anordnung von abstimmbaren Mikrolinsen benötigt wird,
besonders schwerwiegend sind.
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Es
wurden auch Versuche angestellt, andere Technologien zu verwenden,
um abstimmbare Mikrolinsen her zustellen, wie etwa Flüssigkeitsmikrolinsen,
die durch sich selbst organisierende monomolekulare Schichten (SAMs)
gesteuert werden. Einige dieser Versuche sind in der am 11. Januar
2000 herausgegebenen US-Patentschrift Nr. 6,014,259 an Wohlstadter
beschrieben. Mikrolinsen, die sich selbst organisierende monomolekulare
Schichten benutzen, leiden jedoch ebenfalls an verschiedenen Problemen
einschließlich
strenger Beschränkungen
bei der Materialwahl und der starken Hysterese, die dazu führt, daß die Mikrolinse
dabei versagt, nach dem Unterbrechen einer Abstimmungsspannung zu
einer ursprünglichen
Form zurückzukehren.
Zusätzlich
gestattet keine der oben beschriebenen Mikrolinsen sowohl eine Linsenpositionsjustierung
als auch eine Brennweitenabstimmung.
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Eine
abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse wird
im mit "Tunable
Liquid Microlens" betitelten
Dokument US-A-6,538,823
an Timofei N. Kroupenkine und Shu Yang, das am 19. Juni 2001 eingereicht
wurde, vorgeschlagen. Die abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse des '823er-Patents gestattet
sowohl eine Linsenpositionsjustierung als auch eine Brennweitenabstimmung.
In einer Ausführungsform
einer beispielhaften abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse, die im '823er-Patent beschrieben
ist, wird ein Tröpfchen einer
transparenten leitenden Flüssigkeit
auf einem Tragesubstrat angeordnet, das ein fluoriertes Polymer
wie etwa einen hochfluorierten Kohlenwasserstoff enthält. Diese
Gestaltung stellt eine Flüssigkeitsmikrolinse
bereit, die hochabstimmbar ist und nicht an den wohlbekannten Wirkungen
der Hysterese und des Haftens und Rutschens leidet, die während der
Elektrobenetzung auftreten können.
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Das
Dokument FR-A-2 769 375 offenbart eine Linse mit veränderlichem
Brennpunkt, bei der ein Tröpfchen
einer Isolierflüssigkeit
an einer Isolierwand einer Kammer angeordnet ist. Eine leitende Flüssigkeit
füllt die
Kammer und umgibt das Tröpfchen.
Die Linse enthält
ein Mittel zum Zentrieren des Rands des Tröpfchens, wenn eine Spannung
zwischen der leitenden Flüssigkeit
und Elektroden, die unter der Isolierschicht angeordnet sind, angelegt wird.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Eine
abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse, ein
Verfahren zum Abstimmen einer Flüssigkeitsmikrolinse,
eine Vorrichtung, die eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse enthält, und
ein Verfahren zum Übertragen
eines Lichtsignals, das das Abstimmen einer Flüssigkeitsmikrolinse nach der
Erfindung enthält,
sind in den unabhängigen
Ansprüchen
dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Während das '605er-Patent eine
beispielhafte abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
bereitstellt, verbleibt ein Bedarf an einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse,
die eine noch größere Freiheit
bei der Materialwahl und eine hervorragende Abstimmbarkeit bereitstellt,
während
die Wirkungen der Kontaktwinkelhysterese und Haftens und Rutschens
verringert oder beseitigt werden. Dies wird durch eine verbesserte
abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
erreicht, die eine Isolierschicht, ein Tröpfchen einer transparenten
leitenden Flüssigkeit
und, gemäß den Grundsätzen der
Erfindung, eine Schmierschicht enthält, welche auf einer ersten
Oberfläche
der Isolierschicht und zwischen dem Tröpfchen und der Isolierschicht
angeordnet ist. Die Mikrolinse enthält auch mehrere Elektroden,
die durch die Isolierschicht und die Schmierschicht vom Tröpfchen isoliert
sind, wobei die mehreren Elektroden derart angeordnet sind, daß sie selektiv
vorgespannt werden können,
um ein jeweiliges Spannungspotential zwischen dem Tröpfchen und
jeder der mehreren Elektroden zu erzeugen, wobei ein Winkel zwischen
dem Tröpfchen
und einer Ebene parallel zur ersten Oberfläche der Isolierschicht verändert werden
kann und das Tröpfchen relativ
zur Isolierschicht umpositioniert werden kann.
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Die
abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
mit schmierunterstützter
Elektrobenetzung gestattet sowohl eine Linsenpositionsjustierung
als auch eine Brennweitenabstimmung. Zusätzlich stellt die abstimmbare
Flüssigkeitsmikrolinse
eine noch größere Freiheit
bei der Materialwahl ohne Kontaktwinkelhysterese oder Haft-Rutsch-Wirkung bereit,
während eine
hervorragende Abstimmungssteuerung bereitgestellt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung wie auch andere Informationen, die zur Offenbarung gehören, wobei
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1A eine
diagrammatische Darstellung von Lichtwellen ist, die durch eine
Flüssigkeitsmikrolinse
verlaufen;
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1B eine
diagrammatische Darstellung der Elektrobenetzungserscheinung ist;
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2A eine
diagrammatische Darstellung einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung ist;
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2B ein
beispielhaftes Elektrodenmuster für eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2C bis 2E die
Reaktion der abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Vorspannungen der Elektroden
von 2B veranschaulicht;
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3A bis 3C diagrammatische
Darstellungen beispielhafter Ausführungsformen einer abstimmbaren
Flüssigkeitsmikrolinse
nach der vorliegenden Erfindung sind;
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4 ein
Lichtsystem veranschaulicht, das eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung enthält;
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5 ein
Diagramm einer Vorrichtung ist, die einen Planarwellenleiter und
eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung enthält;
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6 eine
diagrammatische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung ist, die eine Schmierschicht benutzt;
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7 eine
diagrammatische Darstellung einer anderen beispielhaften Ausführungsform
einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung ist, die eine Schmierschicht benutzt; und
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8 eine
graphische Darstellung der Wirkung der Materialwahl auf die Mikrolinse
von 6 und 7 ist.
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Es
sollte sich verstehen, daß die
Figuren zu Veranschaulichungszwecken beigelegt sind und nicht maßstabsgetreu
gezeichnet sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Bevor
die abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
der vorliegenden Erfindung ausführlich
beschrieben wird, werden zuerst eine Beschreibung einer Flüssigkeitsmikrolinse
im Allgemeinen und eine Beschreibung der Elektrobenetzungserscheinungen
bereitgestellt.
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Unter
Bezugnahme auf 1A ist eine Flüssigkeitsmikrolinse 10 gezeigt.
Die Mikrolinse 10 enthält
ein kleines Tröpfchen 12 einer
transparenten Flüssigkeit
wie etwa Wasser, typischerweise (aber nicht notwendigerweise) mit
einem Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern.
Das Tröpfchen 12 ist
auf einem transparenten Substrat 14 angeordnet. Das Substrat
ist typischerweise hydrophob oder enthält einen hydrophoben Überzug.
Die Flüssigkeit
und das Substrat müssen
nur für
Lichtwellen transparent sein, die eine Wellenlänge innerhalb eines gewählten Bereichs
aufweisen. Die Lichtwellen sind durch das Bezugszeichen 16 veranschaulicht. Die
Lichtwellen verlaufen durch die Flüssigkeitsmikrolinse 10 und
fokussieren an einem Brennpunkt oder Brennfleck (der durch das Bezugszeichen 18 bezeichnet
ist) in einer Brennebene, die eine Brennweite "f" von
der Kontaktebene zwischen dem Tröpfchen 12 und
dem Substrat 14 entfernt ist.
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Der
Kontaktwinkel "θ" zwischen dem Tröpfchen 12 und
dem Substrat 14 wird durch die Grenzflächenspannungen (auch als Grenzflächenenergie bezeichnet) "γ" bestimmt, die im Allgemeinen in Millinewton
pro Meter (mN/m) gemessen werden. Wie hierin verwendet ist γS-V die
Grenzflächenspannung zwischen
dem Substrat und der Luft, dem Gas oder einer anderen Flüssigkeit,
die das Substrat 14 umgibt, γL-V die
Grenzflächenspannung
zwischen dem Tröpfchen 12 und
der Luft, dem Gas oder der anderen Flüssigkeit, die das Tröpfchen 12 umgibt,
und YS-Ldie Grenzflächenspannung zwischen dem Substrat 14 und
dem Tröpfchen 12.
Der Kontaktwinkel θ kann
aus Gleichung (1) bestimmt werden: cosθ = (γS-V – γS-L)/γL-V Gleichung (1)
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Der
Radius "R" in Metern der Oberflächenkrümmung des
Tröpfchens 12 wird
nach Gleichung (2) wie folgt durch den Kontaktwinkel θ und das Tröpfchenvolumen
in Kubikmetern (m3) bestimmt: R3 = 3Volumen/[π(1 – cosθ)(2 – cos2θ – cosθ)] Gleichung (2)
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Die
Brennweite in Metern ist eine Funktion des Radius R und der Brechungsindizes "n", wobei nFlüssigkeit der
Brechungsindex des Tröpfchens 12 und nDampf der Brechungsindex der Luft, des Gases
oder der anderen Flüssigkeit,
die das Tröpfchen 12 umgibt,
ist. Die Brennweite f kann aus Gleichung (3) bestimmt werden: f = R/(nFlüssigkeit – nDampf) Gleichung
(3)
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Der
Brechungsindex des Substrats ist aufgrund der parallelen Eintritts-
und Austrittsebenen der Lichtwellen nicht von Bedeutung. Die Brennweite der
Mikrolinse 10 ist daher eine Funktion des Kontaktwinkels θ.
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1B zeigt,
daß die
Erscheinungen der Elektrobenetzung verwendet werden können, um den
Kontaktwinkel θ zwischen
einem Tröpfchen 22 einer
leitenden Flüssigkeit
(die transparent oder nicht transparent sein kann) und einer dielektrischen
Isolierschicht 24 mit einer als "d" bezeichneten
Dicke und einer Dielektrizitätskonstanten ε umkehrbar
zu verändern.
Eine Elektrode wie etwa eine Metallelektrode 26 ist unter
der dielektrischen Schicht 24 angeordnet und wird durch
die Schicht 24 vom Tröpfchen 22 isoliert.
Das Tröpfchen 22 kann
zum Beispiel ein Wassertröpfchen
sein, und das Substrat 24 kann zum Beispiel eine Teflon/Parylen-Oberfläche sein.
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Wenn
zwischen dem Tröpfchen 22 und
der Elektrode keine Spannungsdifferenz vorhanden ist, behält das Tröpfchen 22 eine
Form bei, die durch das Volumen des Tröpfchens 22 und den
Kontaktwinkel θ1 bestimmt ist, wobei θ1 wie
oben erklärt
durch die Grenzflächenspannungen γ bestimmt
wird. Die gestrichelte Linie 28 veranschau licht, daß sich das Tröpfchen 22 von
seiner mittleren Position in Bezug zur Elektrode 26 gleichmäßig über die
Schicht 24 ausbreitet, wenn zwischen der Elektrode 26 und
dem Tröpfchen 22 eine
Spannung angelegt wird. Die Spannung kann von einigen Volt bis zu
einigen hundert Volt reichen. Konkret nimmt der Kontaktwinkel θ von θ1 zu θ2 ab, wenn die Spannung ungeachtet der Polarität zwischen
der Elektrode 26 und dem Tröpfchen 22 angelegt
wird. Das Ausmaß der
Ausbreitung, d.h., wie es durch den Unterschied zwischen θ1 und θ2 bestimmt ist, ist eine Funktion der angelegten Spannung
V. Der Kontaktwinkel θ2 kann aus Gleichung (4) bestimmt werden: cosθ(V)
= cosθ (V
= 0) + (ε0εr/2dγL-V)V2 Gleichung (4), wobei
cosθ(V
= 0) der Kontaktwinkel zwischen der Isolierschicht 24 und
dem Tröpfchen 22 ist,
wenn zwischen dem Tröpfchen 22 und
der Elektrode 26 keine Spannung angelegt ist, γL-V die
oben beschriebene Grenzflächenspannung
ist, εr die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht
ist, und ε0 8,85 × 10–12F/m – die absolute
Dielektrizitätskonstante
eines Vakuums – ist.
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2A und 2B veranschaulichen
eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse,
die wie später beschrieben
fähig ist,
sowohl die Position als auch die Brennweite zu verändern. Unter
besonderer Bezugnahme auf 2A enthält eine
abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse 100 ein
Tröpfchen 102 einer transparenten
leitenden Flüssigkeit,
die auf einer ersten Oberfläche
einer transparenten, dielektrisch isolierenden Schicht 104 angeordnet
ist. Die Isolierschicht 104 kann zum Beispiel ein mit einem
fluorierten Polymer wie etwa einem hochfluorierten Kohlenwasserstoff überzogenes
Polyimid sein. In jedem Fall sollte die Isolierschicht 104 vorherbestimmte
Werte des Kontaktwinkels und der Kontaktwinkelhysterese bereitstellen
und eine hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit aufweisen, die
für die
angelegten Spannungen geeignet ist. Die Mikrolinse 100 enthält mehrere
Elektroden 106a bis 106d, die durch die Isolierschicht 104 vom
Tröpfchen 102 isoliert
sind. Die Mikrolinse 100 kann auch ein transparentes Tragesubstrat 110 enthalten,
das die Elektroden 106 und die Isolierschicht 104 trägt. Die
Elektroden 106 und das Tragesubstrat 110 können zum
Beispiel Gold bzw. Glas sein.
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2B ist
eine Draufsicht auf eine beispielhafte Gestaltung für die Elektroden 106a bis 106d. Obwohl
eine Gestaltung aus vier Elektroden 106a bis 106d gezeigt
ist, können
abhängig
vom gewünschten Ausmaß der Kontrolle über das
Abstimmen der Mikrolinse 100 andere Zahlen, Kombinationen
und Muster von Elektroden 106 benutzt werden. Jede Elektrode 106a bis 106d ist
an eine jeweilige Spannung V1 bis V4 gekoppelt, und das Tröpfchen 102, das anfänglich in
Bezug zu den Elektroden 106 zentriert ist, ist an eine
Tröpfchenelektrode 108 gekoppelt,
die an eine Spannung V0 gekoppelt ist.
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Wenn
es zwischen dem Tröpfchen 102 und einer
beliebigen der Elektroden 106 keine Spannungsdifferenz
gibt (d.h., V1 = V2 =
V3 = V4 = V0) und das Tröpfchen 102 in Bezug
zu den Elektroden 106 und den Quadranten I bis IV zentriert
ist, nimmt das Tröpfchen 102 eine
wie in Übereinstimmung
mit den oben erklärten
Gleichungen (1) bis (3) durch den Kontaktwinkel θ und das Volumen des Tröpfchens 102 bestimmte
Form an. 2C veranschaulicht diese anfängliche
Position des Tröpfchens 102 durch eine
gestrichelte Linie. Die Position des Tröpfchens 102 und die
Brennweite der Mikrolinse 100 können durch selektives Anlegen
eines Spannungspotentials zwischen dem Tröpfchen 102 und den
Elektroden 106 justiert werden. Wenn an alle vier Elektroden gleiche
Spannungen angelegt werden, d. h., V1 =
V2 = V3 = V4 ≠ V0, breitet sich das Tröpfchen 102 wie durch
die gestrichelte Linie von 2D gezeigt gleichmäßig innerhalb
der Quadranten I, II, III und IV (d.h., gleichmäßig entlang der Querachsen
X und Y) aus. Im Wesentlichen nimmt der Kon taktwinkel θ zwischen
dem Tröpfchen 102 und
der Isolierschicht 104 ab. Dabei nimmt die Brennweite der
Mikrolinse 100 von der Brennweite der Mikrolinse beim anfänglichen Kontaktwinkel θ (d.h.,
wenn V1 = V2 = V3 = V4 = V0 ist) zu.
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2E veranschaulicht,
daß die
seitliche Positionierung des Tröpfchens 102 entlang
der X- und der Y-Achse durch selektives Vorspannen der Elektroden 106 in
Bezug zum Tröpfchen 102 ebenso in
Bezug zur anfänglichen
Stelle des Tröpfchens 102 auf
der ersten Oberfläche
der Isolierschicht 104 verändert werden kann. Zum Beispiel
wird das Tröpfchen 102 durch
Einrichten von V1 = V3 =
V0 und einen größeren Wert für V2 als für
V4 zur höheren
Spannung der Elektrode 106b hin angezogen und bewegt es sich
zum Quadranten II hin. Durch Justieren der seitlichen Position des
Tröpfchens 102 wird
auch die seitliche Position des Brennpunkts der Mikrolinse in der
Brennebene justiert.
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Aus
den obigen Beispielen sollte ersichtlich sein, daß die Elektroden 106 in
jeder beliebigen Anzahl von Kombinationen selektiv in Bezug zur
Tröpfchenelektrode
(und somit zum Tröpfchen 102)
vorgespannt werden können,
um den Kontaktwinkel θ zu justieren
und dadurch die Brennweite der Mikrolinse 100 abzuändern. Desgleichen
können
die Elektroden 106 in jeder beliebigen Anzahl von Kombinationen selektiv
vorgespannt werden, um das Tröpfchen 102 in
Bezug zu einer anfänglichen
Stelle auf der Isolierschicht 104 umzupositionieren, wodurch
die seitliche Position des Brennpunkts der Mikrolinse justiert wird. Daher
gestattet die Mikrolinse die Justierung des Brennpunkts in drei
Dimensionen – die
Position des Brennpunkts, wie sie durch die Brennweite und die seitliche
Position des Brennpunkts in der Brennebene, welche zu einer ersten
Oberfläche
der Mikrolinse parallel ist, bestimmt ist und eine Brennweite von
der Mikrolinse entfernt ist.
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3A veranschaulicht
eine Weise des Koppelns des Tröpfchens 102 an
eine Spannung V0 wie etwa die Erdung oder
einen anderen Konstantspannungspegel. Die Mikrolinse 100a kann
ein Tragesubstrat 110a enthalten, das ein leitfähiges Glas wie
etwa Indiumzinnoxidglas enthält.
Das leitfähige Glas
ist an eine Spannung V0 gekoppelt, und eine Elektrode 116 koppelt
das Substrat 110a an das Tröpfchen 102. Die Elektrode 116 und
das Tragesubstrat 110a können zusammen als eine Tröpfchenelektrode
angesehen werden. 3A veranschaulicht auch, daß die isolierende
dielektrische Schicht 104 eine dielektrische Schicht 114 und
eine hydrophobe Überzugsschicht 112 enthalten
kann. Die Überzugsschicht 112 sollte
einen verhältnismäßig großen Kontaktwinkel θ bereitstellen.
Ein Beispiel ist ein hochfluoriertes Polymer wie etwa ein Teflon
oder ein anderes Material mit einem chemischen Aufbau, der Teflon ähnlich ist.
Materialien mit niedriger Oberflächenenergie
wie etwa siliziumhaltige Polymere oder Moleküle sind ebenfalls geeignet.
In einer Ausführungsform enthält die Isolierschicht 104a eine Überzugsschicht 112,
die ein Teflonfilm ist, der auf einer dielektrischen Polyimidschicht 114 angeordnet
ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
einer Mikrolinse 100B, die in der isometrischen Ansicht
von 3B gezeigt ist, kann die Tröpfchenelektrode 116 zum
Beispiel eine Goldelektrode sein, die in einem Bereich oder mehreren
Bereichen, welche sicherstellen, daß die Elektrode 116 den
Kontakt mit dem Tröpfchen 102 beibehält, wenn
das Tröpfchen
seine Position entlang der ersten Oberfläche der Isolierschicht 104 verändert, auf
eine erste Oberfläche
einer (nicht gezeigten) Isolierschicht 104 gedampft oder
anderweitig aufgebracht ist. Obwohl die Elektrode 116 angeordnet
ist, um den Kontakt mit dem Tröpfchen 102 beizubehalten,
wenn das Tröpfchen 102 seine
Position verändert,
ist das Tröpfchen 102 im
Wesentlichen auf der ersten Oberfläche der Isolierschicht 104 angeordnet.
Die Mikrolinse 100B kann ein Tragesubstrat 110a enthalten,
das nicht leitfähig
sein muß und
zum Beispiel nicht leitfähiges Glas
sein kann, das als eine mechanische Trageschicht für die Isolierschicht 104 und
die Elektroden 106 dient. In diesem Fall kann die Tröpfchenelektrode 116 direkt
an eine Spannung V0 gekoppelt sein. Alternativ
kann die Trageschicht 110a ein leitfähiges Glassubstrat sein, das
an eine Spannung V0 gekoppelt ist. In dieser
Ausführungsform
kann die Tröpfchenelektrode 116 an
die Trageschicht 110a gekoppelt sein. In 3B sind
auch Elektroden 106a bis 106d und ihre jeweiligen
Leistungszuführungen 118a bis 118d gezeigt,
die jeweils an Spannungen V1 bis V4 gekoppelt sind. Obwohl in 3B keine
Isolierschicht 104 gezeigt ist, ist dies nur zu Veranschaulichungszwecken
der Fall, und eine Isolierschicht 104 isoliert das Tröpfchen 102 und
die Elektrode 116 von den Elektroden 106a bis 106d.
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3C veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform
einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse 1000,
wobei keine Elektrode 116 benötigt wird, wodurch jedwede
mögliche
Interferenz von der Elektrode 116 mit der Mikrolinse verringert
wird. Die Mikrolinse 100C enthält ein Tröpfchen 102, das auf einer
ersten Oberfläche
einer Isolierschicht 104b angeordnet ist. Die Mikrolinse 100C enthält auch
eine transparente leitfähige
Trageschicht 110a, die als eine Tröpfchenelektrode dient, welche
entlang einer zweiten Oberfläche
der Isolierschicht 104b gegenüber der ersten Oberfläche der
Isolierschicht 104b angeordnet ist. Die Mikrolinse 100C ist
im Querschnitt gezeigt, um zu veranschaulichen, daß die Isolierschicht 104b eine Öffnung 118 enthält, die
durch die Isolierschicht 104b definiert ist und sich durch
diese hindurch fortsetzt. Das Tröpfchen 102 belegt
die Öffnung 118 zumindest
teilweise, wodurch das Tröpfchen 102 in
eine elektrische Verbindung mit der Tröpfchenelektrode, d.h., dem
Tragesubstrat 110a, gestellt wird. Das Tragesubstrat 110a wird
dann an eine Spannung V0 gekoppelt. In dieser
beispielhaften Ausfüh rungsform
muß die
Isolierschicht 104b ebenfalls nicht transparent sein, solange
die Öffnung
breit genug ist, daß das
Licht, das durch die Öffnung
hindurchdringt, für
die spezielle Anwendung ausreichend ist.
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Das
Flüssigkeitströpfchen kann
jede beliebige Flüssigkeit
sein, die für
die gewünschte
Wellenlänge
transparent ist und an sich leitfähig ist oder wie etwa durch
die Verwendung verschiedenster Zusatzstoffe leitfähig gemacht
werden kann. Typische Beispiele enthalten wäßrige Lösungen von verschiedensten
Salzen. Die Elektroden können
jedes beliebige feste leitfähige
Material sein, das transparent oder nicht transparent sein kann,
wie etwa Gold, Aluminium oder Indiumzinnoxidglas. Die Isolierschicht kann
jedes beliebige feste Dielektrikum oder ein Satz von festen Dielektrika
sein, die eine ausreichend große
dielektrische Stärke
und vorherbestimmte Werte des Kontaktwinkels und der Kontaktwinkelhysterese bereitstellen.
Die Isolierschicht kann transparent oder nicht transparent sein.
Beispiele enthalten feste Polymere wie etwa Polyimid oder Parylen.
Das Tragesubstrat kann jedes beliebige Substrat sein, das für eine gegebene
Wellenlänge
transparent ist, wie etwa Glas oder ein festes Polymer. Die angelegten
Spannungen hängen
von den gewählten
Materialien, dem Aufbau der Mikrolinse und der wie durch die obigen
Gleichungen (1) bis (4) angeleiteten gewünschten Veränderung im Kontaktwinkel ab.
Typische Spannungen können
zwischen 0 Volt und annähernd
200 Volt schwanken, obwohl die annehmbaren Spannungen nicht auf
diesen Bereich beschränkt
sind.
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In
einer Ausführungsform
kann das Flüssigkeitströpfchen der
Mikrolinse im Wesentlichen von einer Flüssigkeit umgeben sein, die
mit dem Tröpfchen nicht
vermischt werden kann. Die umgebende Flüssigkeit kann dabei helfen,
das Mikrolinsentröpfchen an
einem Verdunsten zu hindern. Wenn das Tröpfchen auf Wasser basiert,
können
verschiedene Öle oder
Alkohole mit hohem Moleku largewicht (z.B. Pentylalkohol oder Octylalkohol
usw.) verwendet werden.
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Die
Mikrolinse 100C von 3C wurde
einer Untersuchung unterzogen. Die Mikrolinse enthielt ein Tröpfchen 102,
das 20 μm
einer 0,01%igen wäßrigen KNO3-Lösung enthielt.
Die Isolierschicht 104b enthielt eine 3 μm dicke Polyimidschicht,
die mit einer sehr dünnen
(= 0,02 bis 2 μm)
Schicht eines hochfluorierten Polymers überzogen war, welche einen
anfänglichen
Kontaktwinkel von annähernd
109° bereitstellte.
Ein Satz aus vier Goldelektroden 106 war wie in 2B und 3C gezeigt
angeordnet. Die Mikrolinse enthielt eine ITO(Indiumzinnoxid)-Glasplatte als
ein in 3C gezeigtes leitfähiges transparentes Tragesubstrat 110a.
Es wurden Betriebsspannungen zwischen 0 V und annähernd 150
V angelegt.
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Eine
umkehrbare Justierung der Brennweite der Mikrolinse innerhalb des
Bereichs zwischen 6 mm und 8 mm wurde nachgewiesen. Es wurde auch eine
Justierung einer Mikrolinsenposition innerhalb eines Bereichs von
etwa 3 mm in jeder beliebigen seitlichen Richtung entlang der Oberfläche der
Isolierschicht nachgewiesen. Es sollte sich verstehen, daß die erhaltenen
Ergebnisse nicht die Grenzen der Mikrolinse darstellen, sondern
vielmehr dazu dienen, anzuzeigen, daß eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse
hergestellt werden kann, die sowohl die Brennweite als auch die
Brennpunktposition verändern
kann.
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Aus
dem Obigen sollte offensichtlich sein, daß die beschriebene Mikrolinse
so gestaltet werden kann, daß sie
einen gewünschten
Kontaktwinkel θ aufweist,
wenn keine Spannungsdifferenz zwischen dem Tröpfchen und den Elektroden 106 vorhanden ist,
und eine gewünschte
Kontaktwinkelhysterese aufweist. Dies kann durch Wählen geeigneter
Materialien, Abmessungen und Volumina wie durch die oben bekannt
gemachten Gleichun gen angeleitet erreicht werden. Die Mikrolinse
gestattet daher eine wesentliche Freiheit sowohl bei der Tröpfchenkrümmung als
auch bei der Positionssteuerung, wodurch es zu einem weiten Bereich
der Abstimmbarkeit in der Mikrolinse, der Brennlänge, der Brennpunktposition
und der numerischen Apertur kommt.
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Ein
Durchschnittsfachmann sollte erkennen, daß die Mikrolinse der vorliegenden
Erfindung in verschiedenen optoelektronischen Anwendungen benutzt
werden kann. Zum Beispiel kann die Mikrolinse verwendet werden,
um eine optimale Kopplung zwischen einem Lichtsignalsender 204 wie
etwa einem Laser und einem Lichtsignalempfänger 202 wie etwa einem
Photodetektor zu erzielen. Dies ist in 4 veranschaulicht.
Aus 4 sollte sich verstehen, daß das Lichtsignal vom Sender 204 auseinanderläuft und
hinter der Brennebene 206 fokussiert wird. Die Linsenbrennweite
und die seitliche Positionierung des Brennpunkts 208 innerhalb
der Brennebene 206 der Mikrolinse 100 kann wie
oben beschrieben durch selektives Vorspannen der mehreren Elektroden 106 justiert
werden, um diese optimale Kopplung zu erzielen. Die vorspannenden
Elektroden können selektiv
vorgespannt werden, bis am Empfänger 202 die
höchste
Leistung festgestellt wird, was die optimale Kopplung zwischen dem
Sender 204 und dem Empfänger 202 darstellt.
Gegenwärtig
werden optoelektronische Baugruppen, d.h., physische Vorrichtungen,
die optoelektronische Komponenten wie etwa Laser und/oder Photodetektoren
beinhalten, durch physisches Bewegen von Komponententeilen zum Erzielen
der optimalen Kopplung kalibriert. Dieser Vorgang kann langsam und
ziemlich teuer sein. Durch das Aufnehmen zumindest einer Mikrolinse der
vorliegenden Erfindung in die Vorrichtung wird die Notwendigkeit
eines physischen Ausrichtens von Komponententeilen zum Erzielen
der optimalen Kopplung beseitigt. Vielmehr können die Brennweite und die
seitliche Position des Brennpunkts der Mikrolinse der vorliegenden
Erfindung justiert werden, um ein Lichtsignal von einem Sender zu
einem festen Empfänger
umzuleiten.
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In
einer in 5 veranschaulichten anderen beispielhaften
Anwendung wird eine Mikrolinse 100 oder werden mehrere
Mikrolinsen der vorliegenden Erfindung benutzt, um eine optoelektronische
Komponente wie etwa einen Photodetektor 506, der durch eine
Kugelrostanordnung 512 an der Oberfläche einer gedruckten Schaltplatte 500 angebracht
ist, mit einem eingebetteten Planarwellenleiter 504 zu
koppeln. Licht breitet sich wie durch die Richtungspfeile angegeben
durch einen Kern 502 des Planarwellenleiters 504 aus.
Das Licht wird durch einen Spiegelrand 508 zu einer oberen
Oberfläche 510 der
gedruckten Schaltplatte 500 reflektiert. Eine abstimmbare
Flüssigkeitsmikrolinse 100 ist
an der oberen Oberfläche 510 der
gedruckten Schaltplatte 500 angeordnet und lenkt das Licht 502 in
der gezeigten Richtung zum Photodetektor 506. Die Elektroden
der abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse 100 können selektiv
vorgespannt werden, um die Brennweite und die seitliche Brennpunktposition
der Mikrolinse 100 zu justieren, um die Mikrolinse 100 zur
Optimierung der Sendung des Lichts vom Planarwellenleiter 504 zum
Photodetektor 506 abzustimmen. Die Form der Mikrolinse
wird durch das Anlegen der geeigneten Spannung aufrechterhalten.
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6 und 7 veranschaulichen
eine andere beispielhafte Ausführungsform
einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse,
die fähig
ist, sowohl die Brennpunktposition als auch die Brennweite zu verändern, während der
Bereich der Materialien, die in einer abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse
benutzt werden können,
erweitert wird. Zuerst wird kurz ein Überblick über die "Haft-Rutsch"-Erscheinung bereitgestellt.
Wie im Überblick über die
Elektrobenetzung, der oben im Zusammenhang mit 1B bereitgestellt
wurde, erwähnt
kann der Kontaktwinkel θ zwischen
der Schicht 24 und dem Tröpfchen 22 durch Anlegen
einer Spannung zwischen der Elektrode 26 und dem Tröpfchen 22 verändert werden.
Eine Haft-Rutsch-Erscheinung
kann verursachen, daß sich
der Kontaktwinkel θ unter
der angelegten Spannung statt in einem glatten Übergang vielmehr schrittweise
vom anfänglichen
Kontaktwinkel zum endgültigen
Kontaktwinkel verändert.
Während
eine Spannung angelegt wird, kann das Tröpfchen an der Oberfläche des
Substrats 24 "haften" und für einen
Zeitraum einen ersten Kontaktwinkel θX beibehalten. Schließlich "rutscht" das Tröpfchen unter
der angelegten Spannung, um einen neuen Kontaktwinkel θY zu definieren. Diese schrittweisen Sprünge können während eines Übergangs
zwischen einem anfänglichen
Kontaktwinkel und einem endgültigen
Kontaktwinkel abhängig
von der Spannung mehrere Male auftreten. Da das Tröpfchen anfänglich haftet
und dann rutscht, verändert
sich der Kontaktwinkel θ schrittweise
und können
Kontaktwinkel, die zwischen, zum Beispiel, θX und θY fallen, nicht leicht erzielt werden.
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Man
glaubt, daß die
Haft-Rutsch-Erscheinung hauptsächlich
durch innere Uneinheitlichkeiten, Unreinheiten und Verschmutzungen
im Substrat 24 verursacht werden, die zu örtlichen
Unbeständigkeiten
in den Grenzflächenspannungen
zwischen dem Tröpfchen 22 und
dem Substrat 24 führen.
Die Haft-Rutsch-Erscheinung kann die Fähigkeit des genauen Abstimmens
einer Mikrolinse unter Benutzung der Elektrobenetzung beschränken.
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Die
andere Erscheinung, die mit der Haft-Rutsch-Erscheinung eng verwandt ist, ist eine Kontaktwinkelhystereseerscheinung.
Die Kontaktwinkelhysterese bezieht sich auf den Unterschied zwischen
dem Kontaktwinkel des sich vorwärtsbewegenden
Tröpfchens
(wie etwa den Winkel, der bei einer gegebenen Spannung Vo während der
Spannungszunahme von, zum Beispiel, 0 V auf Vo erhalten wird) und
des sich zurückziehenden
Tröpfchens (wie
etwa den Kontaktwinkel, der bei der gleichen Spannung Vo, aber während der
Spannungsabnahme von, zum Beispiel, Vo auf 0 V erhalten wird). Die Kontaktwinkelhysterese führt zur
Abhängigkeit
des Tröpfchenkontaktwinkels
von der Tröpfchengeschichte – das heißt, ob die
Spannung zunehmend oder abnehmend war – und kompliziert die Tröpfchensteuerung
durch die Elektrobenetzung. Wenn die Hysterese hoch genug ist, kann
sie das Tröpfchen auch
an der Rückkehr
zur seiner ursprünglichen Form
hindern, wenn die Spannung entfernt wird. Es ist jedoch zu beachten,
daß das
Haften und Rutschen und die Kontaktwinkelhysterese, obwohl sie eng
verwandte Erscheinungen sind, nicht identisch sind. Im Besonderen
ist es möglich,
unter bestimmten Umständen
ein Kontaktwinkelhystereseverhalten zu erhalten, das nicht mit irgendeinem
merklichen Haft-Rutsch-Verhalten verbunden ist.
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Unter
Bezugnahme auf die in Verbindung mit 2A bis 3C beschriebenen
beispielhaften abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinsen
kann durch Wählen
einer geeigneten Isolierschicht, die zum Beispiel ein fluoriertes
Polymer wie etwa einen hochfluorierten Kohlenwasserstoff enthält, jegliche
merkliche Kontaktwinkelhysterese und jegliches Haften und Rutschen
vermieden werden. Obwohl dies eine annehmbare Lösung zum Vermeiden der Probleme der
Hysterese und des Haftens und Rutschens ist, ist es auch wünschenswert,
den Bereich von Materialien, die verfügbar sind, um in den abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinsen
der vorliegenden Erfindung als Isolierschichten zu dienen, zu verbessern.
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Unter
Bezugnahme auf 6 ist eine abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse 600 veranschaulicht.
Die abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse 600 weist
den gleichen Basisaufbau wie die Mikrolinse 100 von 2A auf,
und gleiche Komponenten teilen sich die gleichen Bezugszeichen.
Die abstimmbare Flüssigkeitsmikrolinse 600 enthält jedoch
eine verhältnismäßig dünne Schmierschicht 800 (schraffiert veranschaulicht),
die auf einer ersten Oberfläche
der Isolierschicht 104 angeordnet ist. Die Schmierschicht 800 ist über die
erste Oberfläche
der Isolierschicht 104 ausgebreitet und das Tröpf chen 102 ist
auf der Schmierschicht 800 angeordnet, so daß sich die Schmierschicht 800 zwischen
der Isolierschicht 104 und dem Tröpfchen 102 befindet.
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Ein
Winkel θa ist im Allgemeinen zwischen dem Tröpfchen 102 und
einer Ebene 602 definiert, welche parallel zur ersten Oberfläche der
Isolierschicht 104 verläuft.
Wie der in Verbindung mit 2A bis 3C beschriebene
Kontaktwinkel θ kann
der Winkel θa durch selektives Anlegen einer Spannung
zwischen den Elektroden 106 und dem Tröpfchen 102 zur Veränderung
gebracht werden. Auf diese Weise ist die Brennweite der Mikrolinse 600 abstimmbar.
Die Schmierschicht trennt das Tröpfchen 102 von
der Isolierschicht 104 und stellt eine räumlich gleichförmige Grenzflächenspannung zwischen
dem Tröpfchen 102 und
der Schmierschicht 800 bereit. Für die Isolierschicht 104 kann
ein weiterer Bereich von Materialien gewählt werden, da das Tröpfchen 102 nicht
mit jeglichen örtlichen
inneren Uneinheitlichkeiten oder Verunreinigungen in Kontakt steht,
die andernfalls zu einer Kontaktwinkelhysterese und zur Haft-Rutsch-Wirkung
zwischen einem Tröpfchen 102 und
einer Isolierschicht 104 führen würden.
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Wie
die Mikrolinsen von 2A bis 3C kann
die Mikrolinse durch selektives Vorspannen der Elektroden 106 ebenfalls
ihre Position in Bezug zur Isolierschicht 104, d.h., entlang
der Ebene 602, verändern.
In dieser Weise kann die Brennpunktposition der abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse 600 verändert werden.
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6 veranschaulicht,
daß die
Schmierschicht 800 als eine Flüssigkeitsschicht ausgeführt werden
kann, die das Flüssigkeitströpfchen 102 von der
Isolierschicht 104 trennt, wenn das Tröpfchen 102 auf der
Schmierschicht 800 angeordnet ist. Bei einer anderen beispielhaften
abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinse 700,
die in 7 veranschaulicht ist, enthält die Mikrolinse 700 eine
die Schmierschicht 800 enthaltende (schraffiert gezeigte)
umgebende Flüssigkeit 802,
die mit dem Tröpfchen 102 nicht
vermischt werden kann, und die im Wesentlichen die Oberfläche des
Tröpfchens 102 umgibt.
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Ein
Winkel θb ist zwischen dem Tröpfchen 102 der Mikrolinse 700 und
einer Ebene 604 definiert, welche parallel zur ersten Oberfläche der
Isolierschicht 104 verläuft.
Wie bei der Mikrolinse 600 kann der Winkel θb durch selektives Vorspannen der Elektroden 106 in
Bezug zum Tröpfchen 102 verändert werden,
um die Brennweite der Mikrolinse 700 zu verändern. Das
Tröpfchen 102 kann
auch in Bezug zur Isolierschicht 104, d.h., entlang der
Ebene 604, umpositioniert werden, um die Brennpunktposition der
Mikrolinse 700 zu verändern.
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Wie
in 6 und 7 gezeigt kann eine Schmierschicht 800 entweder
entlang einer ersten Oberfläche
des Isoliersubstrats 104 ausgebreitet sein oder kann das
Mikrolinsentröpfchen 102 völlig in einer
Flüssigkeit 802 versenkt
sein, die die Schmierschicht 800 enthält. Die Schmierschicht 800 sollte
für eine
gewünschte
Wellenlänge
von Licht transparent sein, obwohl dies nicht der Fall zu sein braucht,
wenn ein in 3C gezeigter Aufbau mit einer Öffnung 118 benutzt
wird. In diesem Fall belegt die Schmierschicht die Öffnung 118 nicht,
wenn die Oberflächenenergie
des Materials, das für
die tragende leitfähige Schicht
gewählt
wurde, einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Dies geschieht,
da das Schmiermittel wie nachstehend näher erklärt nur die Oberflächen mit
einer Oberflächenenergie
unter einem bestimmten Schwellenwert benetzen (d.h., einen Kontaktwinkel
von "Null" bereitstellen) kann.
Die Schmierschicht sollte dielektrisch sein und sollte in einer
solchen Weise gewählt
werden, daß sie
das dielektrische Substrat 104 unter dem Mikrolinsentröpfchen 102 benetzt.
Eine beispielhafte Schmierschicht 800 enthält eine
Flüssigkeit
mit geringer Oberflächenenergie,
die mit dem Tröpfchen 102 nicht
vermischt werden kann. Eine beispielhafte Flüssigkeit ist ein Silikonöl. Eine
Anzahl von fluorierten organischen Flüssigkeiten wie etwa Fluorsilikone
wie FMS-131, FMS-221 (Poly(3,3,3-Trifluorpropylmethylsiloxan)) und
SIB1816.0 [Bis(tridecafluoroctyl)tetramethylsiloxan], die von Gelest,
Inc., Tullytown, Pennsylvania, erhältlich sind, kann ebenfalls
verwendet werden. Die Benetzung des Substrats durch die Schmierschicht kann
entweder vollständig
oder mit einem endlichen, aber kleinen Kontaktwinkel zwischen der
Schmierschicht und dem Isoliersubstrat 104 sein. In beiden Fällen bildet
die Schmierschicht 800 auf natürliche Weise eine dünne Schicht
unter dem Mikrolinsentröpfchen 102 und
verhindert im Wesentlichen die Kontaktwinkelhysterese und das "Haft-Rutsch"-Verhalten.
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Sowohl
die Mikrolinse 600 von 6 als auch
die Mikrolinse 700 von 7 zeigt
eine Schmierschicht 800, die das Tröpfchen 102 von der Isolierschicht 104 trennt.
Um sicherzustellen, daß die Schmierschicht 800 eine
Trennschicht zwischen dem Tröpfchen 102 und
der Isolierschicht 104 bildet, müssen Materialien gewählt werden,
die geeignete Oberflächenenergien γ aufweisen.
Natürlich
können
diese Materialien irgendwie empirisch gewählt werden, doch können auch
die folgenden Grundsätze
benutzt werden.
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Es
wird zum Beispiel das einfachste theoretische Szenario angenommen:
ein Tröpfchen 102 befindet
sich wie in 7 gezeigt in einer Kugelform, wenn
zwischen dem Tröpfchen 102 und
den Elektroden 106 keine Spannung angelegt wird, d.h.,
die Oberfläche
des Tröpfchens 102 ist
völlig
von einem Fluid 802 umgeben und das Tröpfchen 102 bildet
mit einer Ebene 604, die parallel zu einer ersten Oberfläche der
Isolierschicht 104 verläuft,
einen Winkel von 180°.
Der Winkel θb beim Anlegen keiner Spannung wird anfänglich durch
die Grenzflächenspannung zwischen
dem Substrat 104 und dem Tröpfchen 102 (γS-L),
die Grenzflächenspannung
zwischen dem Substrat 104 und der Schmierflüssigkeit 800 (γS-F) und
die Grenzflächenspannung
zwischen dem Tröpfchen 102 und
dem Schmierfluid 802 (γL-F) bestimmt. Der Winkel θb kann wie folgt durch Gleichung (5) bestimmt
werden: cosθb =
(γS-F – γS-L)/γL-F Gleichung (5), wobei γij (i,
j = S, L oder F) oben beschriebene Grenzflächenenergien sind. Die Werte
von γij können
nach Gleichung (6) bestimmt werden: γij = γi + γj – 2Φij√γiγj Gleichung (6), wobei Φij ein abmessungsloser Wechselwirkungsparameter
ist, der aus den molekularen Eigenschaften der beteiligten Materialien
berechnet werden kann und für
organische Systeme nahe an "Eins" liegt.
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Wie
erwähnt
stellt zum Beispiel γS-L die Grenzflächenspannung oder die Grenzflächenenergie
zwischen dem Substrat 104 und dem Tröpfchen 102 dar. Die
Oberflächenenergie
des Substrats 104 ist als γS dargestellt.
Diese Bezeichnung bezieht sich auf die Grenzflächenenergie zwischen dem fraglichen
Material (wie etwa in diesem Fall dem Substrat 104) und
seinem gesättigten
Dampf.
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Wenn θb 180° ist – die Bedingung,
die unter dem obigen Szenario garantiert, daß eine Schmierschicht 800 die
Isolierschicht 104 vom Tröpfchen 102 trennt – ist ferner
cosθb gleich Minus Eins (–1). Um einen Kontaktwinkel
von 180° zu
gestalten, folgt dann Gleichung (7) aus Gleichung (5): (γS-F – γS-L)/γL-F ≤ –1, oder γS-F – γS-L ≥ γL-F Gleichung (7).
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Dieses
Konzept ist am besten in 8 veranschaulicht, die eine
graphische Darstellung des Winkels θb in
Bezug zum Wert γS der Isolierschicht für zwei unterschiedliche Werte
von γF, 20 mN/m und 16 mN/m, ist, die Schmierflüssigkeiten
entsprechen, welche DMS-T11-Silikonöl bzw. DMS-T00-Silikonöl enthalten,
die beide von Gelest, Inc., Tullytown, Pennsylvania, hergestellt
werden. Die graphische Darstellung von 8 kann unter
Benutzung der Gleichungen (5) und (6) erzeugt werden. Das Tröpfchen 102 wird
als Wasser, mit einem Wert von γL von 72 nM/m, angenommen. Aus der graphischen
Darstellung von 8 unter Annahme eines Wassertröpfchens 102 und
eines Schmierfluids 802, das durch einen Wert von γF von
16 mN/m gekennzeichnet ist, wird ein Winkel θb von
180° erzielt
und auch die Gleichung (7) erfüllt,
wenn die Isolierschicht 104 ein Material ist, das durch
einen Wert von γS von weniger als oder gleich annähernd 26
nM/m gekennzeichnet ist (durch die gestrichelte Linie 902 veranschaulicht).
Desgleichen wird unter Annahme eines Wassertröpfchens 102 und eines
Schmierfluids, das durch einen Wert von γF von
20 mN/m gekennzeichnet ist, ein Winkel θb erzielt,
wenn die Isolierschicht 104 ein Material ist, das durch
einen Wert von γS von weniger als oder gleich annähernd 36
nM/m gekennzeichnet ist (durch die gestrichelte Linie 904 veranschaulicht).
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Das
obige Beispiel zeigt, daß ein
weiter Bereich von Materialien und ihre jeweiligen Aufbringungstechniken
verwendet werden kann, wenn eine schmierende flüssigkeitsunterstützte Elektrobenetzung
eingesetzt wird. Tatsächlich
sollte zur Bereitstellung eines haftrutsch-freien Niedrighystereseverhaltens
ohne Schmiermittel eine höchst
gleichmäßige, ultrasaubere
Niedrigenergieoberfläche
verwendet werden. Dies beschränkt
die verfügbaren
Materialien größtenteils
auf Materialien wie etwa hochfluorierte Kohlenwasserstoffe und ähnliche
Materialien. Zusätzlich
muß das
gewählte
Material sorgfältig
aufgebracht werden, um einen benötigten
Grad der Reinheit und der Oberflächengleichmäßigkeit
zu garan tieren. Es ist möglich,
diese Probleme zu überwinden,
doch die Lösungen
können
mit möglicherweise komplizierten
und kostenaufwendigen Verfahren und Ausrüstungen verbunden sein. Andererseits
gestattet die Verwendung einer Schmierschicht 800 einen größeren Spielraum
bei der Materialwahl, da keine höchst
gleichmäßige, ultrareine
Oberfläche
mit niedriger Energie benötigt
wird. Zum Beispiel würde
beim Einsatz eines Schmiermittels mit einem Wert von γS von
20 mN/m ein weiter Bereich von Materialien einschließlich solch
allgemeiner Polymere wie Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol usw.
die Bedingung einer Oberflächenenergie γS von
weniger als annähernd
36 mN/m erfüllen.
Außerdem
muß weniger darauf
geachtet werden, während
der Materialaufbringung Oberflächenverunreinigungen
und Ungleichmäßigkeit
zu vermeiden, was zu einer einfacheren und weniger teuren Aufbringungstechnik führt.
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Obwohl
die abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinsen 600, 700 als
den Basisaufbau von 2A aufweisend gezeigt sind,
sind andere Mikrolinsenaufbauten wie etwa jene, die in Verbindung
mit 3A bis 3C beschrieben
sind, gleichermaßen
geeignet. Desgleichen können
die abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinsen 600, 700 in
verschiedenen optoelektronischen Anwendungen wie etwa den in Verbindung
mit 4 und 5 beschriebenen verwendet werden.
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Die
abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinsen 600, 700 gestatten
sowohl eine Linsenpositionsjustierung als auch eine Brennweitenabstimmung.
Zusätzlich
stellen die abstimmbaren Flüssigkeitsmikrolinsen 600, 700 eine
noch größere Freiheit
bei der Materialwahl bereit, während
sie durch Vermeiden der Erscheinungen der Kontaktwinkelhysterese
und des Haftens und Rutschens eine hervorragende Abstimmbarkeit
bereitstellen.
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Obwohl
die Erfindung in Form von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist sie nicht dar auf beschränkt.
Die beiliegenden Ansprüche
sollten vielmehr weitreichend ausgelegt werden, um andere Abarten
und Ausführungsformen
der Erfindung zu enthalten, die durch Fachleute machbar sind, ohne
vom Umfang und vom Bereich von Entsprechungen der Erfindung abzuweichen.