Dựa vào các kết quả mô phỏng được, chúng tôi chế ta ̣o lần lượt các thấu kính với các kích thước khác nhau và đô ̣ cao khác nhau để so sánh. Chúng tôi sẽ chế tạo các thấu kính có bán kính đáy 1 mm, 1,2 mm và 1,5 mm với đô ̣ cao của giếng quang khắ c là 18 μm.
Hình 3-6 Độ cao của giếng quang khắc SU-8.
Hình 3-7 Hình ảnh các giếng SU-8 với bán kính lần lượt là 1,5 mm, 1 mm và 1,2mm được quan sát bằng kính hiển vi quang học (5x).
Hình 3-8 Hình ảnh thực tế các giếng SU-8 sau khi được quang khắc với lần lượt bá n kính đáy là 1,5 mm, 1 mm và 1,2 mm.
3.2.1.a.Thấu kính có kích thước đáy khác nhau
Chú ng tôi chế ta ̣o các thấu kính có các bán kính đáy lần lượt là 1, 1,2 và 1,5 mm. Khi cù ng nhỏ cùng mô ̣t khố i lươ ̣ng dung di ̣ch SU-8 là 1 μl, chú ng ta lần lươ ̣t nhâ ̣n đươ ̣c các vi thấu kính có đô ̣ cao khác nhau (Bảng 3-3).
Hình 3-10 Thấu kính bán kính đáy 1,2 mm.
Hình 3-11 Thấu kính bán kính đáy 1,5 mm.
Hình 3-12 Hình ảnh thực tế sự thay đổi độ cao của các vi thấu kính với cá c bán kính đáy lần lượt là 1,5 mm, 1 mm, 1,2 mm.
Quan sát các kết quả thu đươ ̣c ta thấy rằng khi nhỏ cùng mô ̣t khối lươ ̣ng dung tích thì đố i với các giếng có bán kính đáy càng nhỏ ta sẽ thu đươ ̣c các vi thấu kính có các đô ̣ cao càng lớn. Các thấu kính thu đươ ̣c cong đều, đe ̣p cân bằng, đối xứng nhau. Đă ̣c biê ̣t, Hình 3-11 ta quan sát được chân của vi thấu kính đã chế tạo không đươ ̣c phẳng mà la ̣i lõm xuống. Nguyên nhân ở đây là khi nhỏ dung di ̣ch SU-8 vào giếng nhưng đã không bi ̣ lấp đầy nên hình thành ra hiê ̣n tượng như vâ ̣y. Ngoài ra còn các yếu tố khác ảnh hưởng đến viê ̣c ta ̣o thành các vi thấu kính bao gồ m nhiệt đô ̣ ủ nhiê ̣t, đô ̣ nhớt của dung di ̣ch SU-8.
Bảng 3-3 So sánh các thấu kính có bán kính đáy khác nhau
Vi thấu kính 1 2 3
Bán kính đáy (mm)
1 1,2 1,5
Khố i lượng SU-8 (μl)
1 1 1
Đô ̣ cao thấu kính (mm)
0.375 0.32 0.23
3.2.1.b.Thấu kính cùng kích thước đáy
Cách thứ hai để thay đổi tiêu cự lẫn đô ̣ cao của thấu kính, chúng tôi chế ta ̣o các thấu kính có cùng kích thước nhưng sẽ thay đổi dung tích dung di ̣ch SU-8 nhỏ vào các giếng. Chúng tôi cho ̣n chế ta ̣o vi thấu kính có bán kính đáy là 1mm và sẽ lần lượt nhỏ khối lượng dung di ̣ch là 0,6 μl, 0,8 μl và 1 μl và thu đươ ̣c các kết quả như sau.
Hình 3-14 Thấu kính được hình thành từ giếng được nhỏ 0,8 μl.
Hình 3-15 Thấu kính được hình thành từ giếng được nhỏ 1 μl.
Qua sát các kết quả thu đươ ̣c ta cũng nhâ ̣n đươ ̣c các thấu kính có đô ̣ cao khác nhau nên tiêu cự của chúng cũng sẽ ảnh hưởng và khác nhau. Các thấu kính thu đươ ̣c cong đều, đe ̣p và khá cân bằng. Đối với các giếng có cùng mô ̣t bán kính, khi nhỏ dung di ̣ch SU-8 vào với dung tích càng nhỏ sẽ cho ta được các thấu kính có đô ̣ cao càng thấp, tiêu cự sẽ càng nhỏ. Ngươ ̣c la ̣i đố i với các giếng khi nhỏ dung di ̣ch SU-8 vào với dung tích càng lớn sẽ cho ta được các thấu kính có đô ̣ cao càng lớn.
Hình 3-16 Hình ảnh thực tế sự thay đổi độ cao của các vi thấu kính với bán kính đáy là 1 mm.
Bảng 3-4 So sánh các thấu kính có khối lượng nhỏ SU-8 khác nhau.
Vi thấu kính 1 2 3
Bán kính đáy (mm)
1 1 1
Khố i lượng SU-8 0,6 0,8 1
Đô ̣ cao thấu kính (mm)
0,25 0,35 0,4
3.2.2. Khả o sát các đặc trưng của vi thấu kính
Quá trình khảo sát đo đa ̣c các đă ̣c trưng của vi thấu kính được thực hiê ̣n bằng một hê ̣ đo quang ho ̣c như đã trình bày ở mu ̣c 2.4.2. Đă ̣c trưng của vi thấu kính bao gồ m tiêu cự, điểm ảnh và kích thước điểm sáng. Cách thức đo sẽ như sau: Ta chiếu nguồ n sáng trực tiếp vào nguồn thu để tìm kích thước của nguồn sáng, sau đó ta sẽ đă ̣t thấu kính ở giữa nguồn sáng và nguồn thu, di ̣ch chuyển nguồ n thu sao cho thu nhận đươ ̣c mô ̣t điểm sáng hô ̣i tu ̣ sáng và rõ nét nhất. Khoảng cách di ̣ch chuyển của nguồ n thu chính là tiêu cự của thấu kính ta chế ta ̣o. Điểm sáng nhâ ̣n đươ ̣c chúng tôi sẽ đươ ̣c thu kích thước. Ở phía cuối nguồn thu sẽ lắp thêm máy đo cường độ ánh sáng truyền qua, trước và sau khi chiếu qua thấu kính, từ đó sẽ tính được tỉ lệ truyền qua thấu kinh. Các kết quả đo được thể hiê ̣n ở Bảng 3-5.
Thông số hệ đo:
Nguồ n sáng có bước sóng đỏ 650 nm.
Thấu kính và nguồn sáng đươ ̣c đă ̣t cách nhau 1 cm. Tổng hợp các kết quả thu được ta sẽ có được bảng sau:
Bảng 3-5 Tổng hợp các kết quả thu được. Vi thấu kính 1 2 3 4 5 Bán kính đáy (mm) 1 1,2 1,5 1 1 Khố i lượng SU-8 nhỏ vào (μl) 1 1 1 0,6 0,8 Tiêu cự (mm) 7.5 6,3 4.8 4.2 5.2 Kích thước điểm ảnh (μm) 400 179 142 196 220 Tỉ lệ truyền qua (%) 85% 78,5% 76,4% 79,1% 82%
Trên Hình 3-17 là ảnh kính hiển vi quang ho ̣c (5x) ba thấu kính có bán kính đấy lần lươ ̣t là 1,5 mm, 1,2 mm và 1 mm được nhỏ dung di ̣ch SU-8 1 μl và hai thấu kính có bán kính đáy là 1mm lần lươ ̣t đươ ̣c nhỏ dung di ̣ch SU-8 0,6 μl, 0,8 μl. Chú ng tôi sẽ thay đổi tiêu cự của kính hiển vi quang ho ̣c sao cho khi quan sát đươ ̣c các điểm sáng hô ̣i tu ̣ của kính hiển vi đo đa ̣c các điểm sáng quan sát được. So sánh Hình 3-7 là nguồn sáng chiếu vào thấu kính với điểm ảnh quan sát được trên Hình 3-17 ta thấy các thấu kính có hoa ̣t đô ̣ng tốt, có sự hô ̣i tu ̣ thu nhỏ la ̣i ta ̣i một điểm sáng. Các kích thước điểm sáng nhỏ, sáng rõ.
So sánh các thấu kính có cùng bán kính đáy nhưng nhỏ dung di ̣ch SU-8 lần lươ ̣t 1 μl, 0,6 μl, 0,8 μl cho ta thấu kính có tiêu cự giảm dần và kích thước các điểm sáng cũng giảm theo.
a) b)
c) d)
e)
Hình 3-17 Các điểm ảnh sau khi chiếu nguồn sáng qua các thấu kính chế tạo chụp qua kính hiển vi quang học.
a) Thấu kinh có bán kính đáy 1,5 mm, nhỏ dung di ̣ch SU-8 1μl. b) Thấu kính có bán kính đáy 1,2 mm, nhỏ dung di ̣ch SU-8 1 μl. c) Thấu kính có bán kính đáy 1 mm, nhỏ dung di ̣ch SU-8 1 μl. d) Thấu kính có bán kính đáy 1 mm, nhỏ dung di ̣ch SU-8 0,6 μl. e) Thấu kính có bán kính đáy 1 mm, nhỏ dung di ̣ch SU-8 0,8 μl.
Như vâ ̣y, với viê ̣c nhỏ các dung tích SU-8 khác nhau với các giếng có bán kính đáy khác nhau, chúng tôi có thể ta ̣o ra các vi thấu kính có tiêu cự, kích thước khác nhau, đủ đáp ứng đươ ̣c yêu cầu khi ghép vào hê ̣ thống quang MEMS/NEMS. Các vi thấu kính đã chế tạo hoạt động tốt, có tính chất tương đồng với kết quả mô phỏng. Như vậy, sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm OSLO đã giúp giảm thời gian và tăng tính hiệu quả trong chế tạo vi thấu kính MEMS. Đây là một phương pháp mới, dễ thực hiê ̣n, giá thành la ̣i rẻ. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn mô ̣t số điều cần khắc phu ̣c như cần kiểm soát đươ ̣c đúng dung tích SU-8 cần nhỏ vào, nhiê ̣t đô ̣ và thời gian ủ nhiê ̣t, đô ̣ nhớt của SU-8 để sao cho các thấu kính nhâ ̣n đươ ̣c sẽ cong đều hơn, tròn và cân bằng đối xứng nhau.
KẾT LUẬN
Vớ i viê ̣c chế ta ̣o các thấu kính nhờ vào hê ̣ thống thiết bi ̣ ta ̣i phòng thí nghiê ̣m Micro-Nano, luận văn đã chế ta ̣o thành công các thấu kính có đă ̣c điểm quang ho ̣c khác nhau phù hơ ̣p vào trong hê ̣ thống quang MEMS/NEMS.
Luận văn đã thu được mô ̣t số kết quả sau:
- Tìm hiểu về thấu kính, phân loa ̣i và cách vẽ ảnh qua các thấu kính đó. - Tìm hiểu về MEMS/NEMS, các bước quy trình chế ta ̣o và ứng du ̣ng của MEMS/NEMS vào trong thực tế.
- Chế tạo thành công các thấu kính có bán kính đáy lần lượt là 1 mm, 1,2 mm và 1,5 mm có đă ̣c điểm quang ho ̣c khác nhau. Như vâ ̣y chúng ta có thể làm chủ đô ̣ng về công nghê ̣, chế ta ̣o các thấu kính theo như cầu mong muốn bằng cách thay đổi bán kính đáy hoă ̣c khối lượng dung tích SU-8 nhỏ vào các giếng. Viê ̣c tạo thành thấu kính ở đây do sức căng bề mă ̣t, nhiê ̣t đô ̣ thời gian ủ và độ nhớt của dung dịch SU-8.
Phương hướng phát triển tương lai : Đánh giá lắp ghép các thấu kính chế tạo đươ ̣c vào hê ̣ thống cảm biến phát hiê ̣n Asen trong nước, kiểm tra sự lắp ghép củ a thấu kính đã chế ta ̣o vào hê ̣ thống quang MEMS/NEMS.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Trần Trác, Diệp Ngọc Anh (2004), Quang học, Khoa vật lý, Trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh.
Tiếng Anh
2. MicroChem Corp, SU-8 datasheet, http://www.microchem.com/Prod- SU83000.htm.
3. Sihai Chen, (2002), “Monolithic integration technique for microlens arrays with infrared focal plane arrays,” Infrared Physics & Technology pp. 109– 112.
4. Y. S. Cherng and G. D. S. Su, (2014), J. Micromech. Microeng, 22, 025007- 1-8
5. Eustace L Dereniak, Teresa D Dereniak, “Geometrical and trigonometrical optics optic-laser ”, The university of Arizona.
6. Dirk Englund, Andrei Faraon, IIya Fushman, Nick Stoltz, Pierre Petroff, Jelena Vuckovic, (2007), “Controlling cavity reflectivity with a single quantum dot”, Physics Letters.
7. Douglas S. Goodman, “Geometric optics”, Polaroid Cambrigde, Massachusetts.
8. K. Y. Hung,(2008), “Electrostatic-Force-Modulated Microaspherical Lens for Optical Pickup Head,”Journal of Icroelectromechanical Systems,Volume 17, No. 2, pp. 370-380.
9. Minh Hang Nguyen, Hai Binh Nguyen, Tuan Hung Nguyen, Xuan Manh Vu, Jain Ren Lai, Fan Gang Tseng, Te Chang Chen, and Ming Chang Lee, (2016), “SU-8 Lenses: Simple Methods of Fabrication and Application in Optical Interconnection Between Fiber/LED and Microstructures”, Journal of Electronic Materials.
10. Minh Hang Nguyen, Chia Jung Chang, Minh Chang Lê and Fan Gang Tseng (2011), “ SU8 3D prisms with ultra small inclined angle for low-insertion- loss fiber/waveguide interconnection ”, Optics Express, Volume 19, pp. 18956-18964.
11. Jiseok Lim, (2006), “Demonstration of two-dimensional fluidic lens for integration into microfluidic flow cytometers,” Applied Physics Letters 89, pp. 061106-1 - 061106-3.
12. Wei Liang, Yanyi Huang, Yong Xu, Reginald K. Lee, Amnon Yariv, (2005), “Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index sensors”, Physics Letters.
13. H. Ottevaere and H. Thienpont, (2006), “ Comparing glass and plastic refractive microlenses fabricated with different technologies”, Journal of Optics A : Pure and Applied Optics, Volume 8, Number 7.
14. Abraham J. Qavi, Adam L. Washburn, Ji-Yeon Byeon, Ryan C. Balley, (2009), “Label-free technologies for quantitative multiparameter biological analysis”, Anal Bioanal Chem.
15. F. Schiappelli, (2004), “Efficient fiber-to-waveguide coupling by a lens on the end of the optical fiber fabricated by focused ion beam milling,” Microelectronic Engineering V73–74, pp 397–404.
16. H. C. Wei and G. D. J. Su, (2012),J. Micromech. Microeng, 22, 025007-1-8. 17. J. Yan, W. Ou and Y. Ou, (2012), Semiconductors, 33, 034008-1-4.
18. Yingying Zhao,(2013), “An LED-induced fluorescence detection system with integrated on-chip lens based on microfluidic chips technology,” Photon Lasers Med, pp. 51–57.