CN102540705A

CN102540705A - 一种仿生pdms曲面复眼的制备方法

Info

Publication number: CN102540705A
Application number: CN201210013959XA
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 王万军; 唐军; 张斌珍; 薛晨阳; 石云波; 李向红; 刘尧; 张勇; 孟祥娇
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN102540705B

Abstract

本发明涉及仿生曲面复眼，具体为一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法。本发明解决了现有仿生曲面复眼体积大、视场小、实用性低的问题。一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法包括如下步骤：制备PDMS微凸透镜模；制备PDMS栅格模；制备PDMS外围包裹模；将PDMS微凸透镜模和PDMS栅格模的底部粘合在一起；将光纤插入PDMS栅格模的圆柱状空腔中；将PDMS外围包裹模粘在PDMS栅格模的外圆周上形成位于PDMS栅格模与PDMS外围包裹模之间的空腔；对空腔加压使PDMS微凸透镜模弯曲，从而得到复眼。本发明制得的复眼具有成本低、制作简单、微米尺度、纳米精度的优势，可广泛适用于三维成像检测领域。

Description

一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法

技术领域

本发明涉及仿生曲面复眼，具体为一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法。

背景技术

仿生学一直是科学家们灵感的重要源泉，多年来，人们通过研究动物的形体与器官，得到启迪进而发明出来的科技成果不计其数。从蜻蜓的长尾得到直升机，从蝙蝠的回声定位得到雷达，从萤火虫的发光方式得到日光灯，不一而足。复眼，是一类位于昆虫头部两侧大而突出的光感受器，具有视场大、重量轻、灵敏度高、对偏振光敏感等特点，因而对其进行仿生研究将在成像检测等领域具有很大的应用前景。目前，科学工作者们虽然对复眼结构及其工作原理有了很深的认识，国内外学者也设计出了很多仿生光学复眼并制造出了许多光学系统，但是，真正具有实用性的并不多。华中科技大学曾用传统热熔工艺得到光轴垂直于基底的平面微透镜阵列，再经PDMS翻模，并在SU-8负光刻胶上进行压印，最后通过SU-8负光刻胶自聚焦曝光的方法制作出直径50um并集成了晶椎的微透镜阵列，但该阵列为平面阵列；上海交通大学曾用柔性材料制作透镜阵列得负模，并利用压力差的方法得到曲面透镜阵列负模，最后用光敏材料注塑并固化，得到曲面透镜阵列结构；他们提出的另一种方法是直接用柔性材料制作平面微透镜阵列，再通过曲面镜头将其压制成曲面。但是，上述复眼结构体积大、视场小，而且并无晶椎或光纤引导光信号并加以检测，不具有实用性。

发明内容

本发明为了解决现有仿生曲面复眼体积大、视场小、实用性低的问题，提供了一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法，包括如下步骤：

（一）、PDMS（polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷）微凸透镜模的制备：

步骤1：取遮光部分为若干个直径为100um的小圆的第一掩膜版，若干个小圆均布在直径为1cm的大圆范围内，其中：相邻小圆的间距为10um且相邻三小圆圆心连接在一起为正三角形；

步骤2：取直径为4英寸的第一圆形基片进行表面预处理（用酒精和去离子水超声波清洗十分钟）后在180⁰C烘台上烘30min（去除表面附着的水分）再降至室温；（用匀胶机以2500 转/分转30 秒）在第一圆形基片上涂一层厚度为 15um的AZ4620光刻胶后放在80⁰C烘盘上烘90分钟再降到室温；将第一圆形基片和第一掩膜板一起放入光刻机内紫外曝光37秒，取出第一圆形基片放在显影液里显影27秒后（此时第一圆形基片上的光刻胶只留下与掩膜板上遮光部分形状相同的若干个圆柱体）得到第一圆形基片上的第一圆柱状结构；然后把第一圆形基片取出用氮气吹干后放在80⁰C烘盘上坚膜45分钟再降到室温；

步骤3：将第一圆形基片放在140⁰C烘盘上热熔65分钟后第一圆形基片上的圆柱状结构变成微凸透镜结构，冷却后固化成型；

步骤4：取PDMS液体抽真空去除气泡后浇在第一圆形基片的微凸透镜结构上，再次抽真空去除气泡后在80⁰C烘箱内加热2小时使PDMS液体固化，揭下PDMS固态模，从而完成一次对微凸透镜结构的PDMS倒模，得到带有凹透镜结构的PDMS负模；

步骤5：将PDMS负模浸泡于HPMC（Hydroxyprolymethyl cellulose羟丙基甲基纤维素）溶液中进行表面处理后再对PDMS负模进行如上所述的PDMS倒膜，得到PDMS微凸透镜模；

（二）、PDMS栅格模的制备：

步骤1：取透光部分为若干个圆形且相邻圆形之间的间距均为25um的第二掩膜版，若干个圆形均布在直径为1cm的圆范围内；

步骤2：取直径为4英寸的第二圆形基片进行表面预处理（用酒精和去离子水超声波清洗十分钟）后在180⁰C烘台上烘30分钟（去除表面附着的水分）再降至室温；（用匀胶机500转/分转10秒后1500转/分转30秒）在第二圆形基片上涂一层厚度为200um的SU-8负光刻胶（负光刻胶曝光显影后得到遮光部分以外的形状）；将第二圆形基片放到烘盘上从室温缓慢升至65⁰C后停留7分钟，再升至95⁰C后停留45分钟，接着缓慢降至室温；将第二圆形基片和第二掩膜板一起放入光刻机内进行紫外曝光35秒；将第二圆形基片放在烘盘上从室温升至65⁰C停留5分钟，再升至95⁰C停留15分钟，接着缓慢降至室温后放入显影液中显影15分钟，得到第二圆形基片上的第二圆柱状结构；

步骤3：对第二圆柱状结构进行如第一步步骤4中所述的PDMS倒膜，得到带有圆柱状空腔的PDMS栅格模；

（三）、PDMS外围包裹模的制备：

步骤1：取上表面中心处开有直径为2cm且高度大于1cm的盲孔的圆柱体模具，圆柱体模具上盲孔底部的中心固定有直径为1cm且高度为1cm的小圆柱体；

步骤2：取PDMS溶液抽真空去除气泡后浇在圆柱体模具的盲孔内以及小圆柱体的上表面上，再抽真空去除气泡后放入80⁰C烘箱加热2小时使PDMS溶液固化，揭下PDMS固态模，得到PDMS外围包裹模；

（四）、在显微镜下将PDMS微凸透镜模和PDMS栅格模的底部均涂一层PDMS液体后粘合在一起并使PDMS栅格模上圆柱状空腔以为的部分与PDMS微凸透镜模上相邻微凸透镜之间的间隙相对应；

（五）、在显微镜下将直径小于80um的光纤插入PDMS栅格模的每个圆形栅格中，在每个圆柱状空腔内注入PDMS液体后固化使光纤固定在圆形栅格内；在PDMS外围包裹模的底部开与光纤数量相同且直径为90-100um的通孔（因PDMS材料的柔软性可用尖针扎通孔），将光纤从通孔内引出后在PDMS栅格模的外圆周上涂一层PDMS液体，接着将PDMS外围包裹模套在PDMS栅格模的外圆周上并粘合在一起，从而形成位于PDMS栅格模与PDMS外围包裹模之间的空腔；

（六）、将内置空气、PDMS液体或NOA73液体的注射泵通过管道与空腔相连并对空腔加压使PDMS微凸透镜模弯曲（根据所需曲率值确定所加压力值），当注射泵内置空气时对空腔内注入固化液体（如PDMS液体等）使其固化成型，从而得到仿生PDMS曲面复眼。

使用时，将本发明制得的仿生PDMS曲面复眼中光纤的输出端与平面图像传感器粘合后放在相机或摄像机中，这时仿生PDMS曲面复眼就相当于一个具有微尺寸、大视场的镜头，可将立体图像完整的聚焦到平面图像传感器上从而将光学图像信息转化为电信号，通过数字处理电路将立体图像在显示设备上显示出来。

本发明成功的将性能卓越的生物器官转化为工程应用结构，实现了仿生学和微机械加工技术的结合；利用PDMS材料的柔韧性以加压的方式形成曲面复眼从而实现了曲面复眼的曲率可控；同时与光纤集成在一起可将每一个仿生小眼（PDMS微凸透镜模上的每个微凸透镜都相当于一个昆虫小眼）中得到的光信号经光纤进行传输，便于CCD等感光器件的采集与处理。

本发明制得的仿生PDMS曲面复眼具有成本低、制作简单、微米尺度、纳米精度的优势，解决了现有仿生曲面复眼体积大、视场小、实用性低的问题，可广泛适用于三维成像检测领域。

附图说明

图1是本发明第一步中步骤1的结构示意图。

图2是本发明第一步中步骤2的结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明第一步中步骤3的结构示意图。

图5是本发明第一步中步骤4的结构示意图。

图6是本发明第一步中步骤5的结构示意图。

图7是本发明第二步中步骤1的结构示意图。

图8是本发明第二步中步骤2的结构示意图。

图9是图8中B-B剖视图。

图10是本发明第二步中步骤3的结构示意图。

图11是本发明第三步中步骤1的结构示意图。

图12是图11中C-C剖视图。

图13是本发明第三步中步骤2的结构示意图。

图14是图13中D-D剖视图。

图15是本发明制得的仿生PDMS曲面复眼的结构示意图。

图中：1-小圆；2-第一掩膜板；3-第一圆形基片；4-第一圆柱状结构；5-微凸透镜结构；6-PDMS负膜；7-PDMS微凸透镜模；8-第二掩膜板；9-第二圆形基片；10-第二圆柱状结构；11-PDMS栅格模；12-圆柱体模具；13-小圆柱体；14-PDMS外围包裹模；15-光纤；16-空腔。

具体实施方式

一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法，包括如下步骤：

（一）、PDMS微凸透镜模7的制备：

步骤1：取遮光部分为若干个直径为100um的小圆1的第一掩膜版2，若干个小圆1均布在直径为1cm的大圆范围内，其中：相邻小圆的间距为10um且相邻三小圆圆心连接在一起为正三角形；

步骤2：取直径为4英寸的第一圆形基片3进行表面预处理后在180⁰C烘台上烘30min再降至室温；在第一圆形基片3上涂一层厚度为 15um的AZ4620光刻胶后放在80⁰C烘盘上烘90分钟再降到室温；将第一圆形基片3和第一掩膜板2一起放入光刻机内紫外曝光37秒，取出第一圆形基片3放在显影液里显影27秒后得到第一圆形基片3上的第一圆柱状结构4；然后把第一圆形基片3取出用氮气吹干后放在80⁰C烘盘上坚膜45分钟再降到室温；

步骤3：将第一圆形基片3放在140⁰C烘盘上热熔65分钟后第一圆形基片3上的圆柱状结构4变成微凸透镜结构5，冷却后固化成型；

步骤4：取PDMS液体抽真空去除气泡后浇在第一圆形基片3的微凸透镜结构5上，再次抽真空去除气泡后在80⁰C烘箱内加热2小时使PDMS液体固化，揭下PDMS固态模，从而完成一次对微凸透镜结构5的PDMS倒模，得到带有凹透镜结构的PDMS负模6；

步骤5：将PDMS负模6浸泡于HPMC溶液中进行表面处理后再对PDMS负模6进行如上所述的PDMS倒膜，得到PDMS微凸透镜模7；

（二）、PDMS栅格模11的制备：

步骤1：取透光部分为若干个圆形且相邻圆形之间的间距均为25um的第二掩膜版8，若干个圆形均布在直径为1cm的圆范围内；

步骤2：取直径为4英寸的第二圆形基片9进行表面预处理后在180⁰C烘台上烘30分钟再降至室温；在第二圆形基片9上涂一层厚度为200um的SU-8负光刻胶；将第二圆形基片9放到烘盘上从室温缓慢升至65⁰C后停留7分钟，再升至95⁰C后停留45分钟，接着缓慢降至室温；将第二圆形基片9和第二掩膜板8一起放入光刻机内进行紫外曝光35秒；将第二圆形基片9放在烘盘上从室温升至65⁰C停留5分钟，再升至95⁰C停留15分钟，接着缓慢降至室温后放入显影液中显影15分钟，得到第二圆形基片9上的第二圆柱状结构10；

步骤3：对第二圆柱状结构10进行如第一步步骤4中所述的PDMS倒膜，得到带有圆柱状空腔的PDMS栅格模11；

（三）、PDMS外围包裹模的制备：

步骤1：取上表面中心处开有直径为2cm且高度大于1cm的盲孔的圆柱体模具12，圆柱体模具12盲孔底部的中心固定有直径为1cm且高度为1cm的小圆柱体13；

步骤2：取PDMS溶液抽真空去除气泡后浇在圆柱体模具12的盲孔内以及小圆柱体13的上表面上，再抽真空去除气泡后放入80⁰C烘箱加热2小时使PDMS溶液固化，揭下PDMS固态模，得到PDMS外围包裹模14；

（四）、在显微镜下将PDMS微凸透镜模7和PDMS栅格模11的底部均涂一层PDMS液体后粘合在一起并使PDMS栅格模11上圆柱状空腔以为的部分与PDMS微凸透镜模7上相邻微凸透镜之间的间隙相对应；

（五）、在显微镜下将直径小于80um的光纤15插入PDMS栅格模11的每个圆形栅格中，在每个圆柱状空腔内注入PDMS液体后固化使光纤15固定在圆形栅格内；在PDMS外围包裹模14的底部开与光纤15数量相同且直径为90-100um的通孔，将光纤15从通孔内引出后在PDMS栅格模11的外圆周上涂一层PDMS液体，接着将PDMS外围包裹模14套在PDMS栅格模11的外圆周上并粘合在一起，从而形成位于PDMS栅格模11与PDMS外围包裹模14之间的空腔16；

（六）、将内置空气、PDMS液体或NOA73液体的注射泵通过管道与空腔16相连并对空腔16加压使PDMS微凸透镜模7弯曲，当注射泵内置空气时对空腔16内注入固化液体使其固化成型，从而得到仿生PDMS曲面复眼。

具体实施时，对空腔加压时的压力根据所需仿生PDMS曲面复眼的曲率确定；SU-8负光刻胶采用SU-8 2100负光刻胶；在第一圆形基片上涂光刻胶时用匀胶机以2500 转/分转30 秒；在第二圆形基片上涂光刻胶时用匀胶机500转/分转10秒后1500转/分转30秒。

Claims

1.一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（一）、PDMS微凸透镜模（7）的制备：

步骤1：取遮光部分为若干个直径为100um的小圆（1）的第一掩膜版（2），若干个小圆（1）均布在直径为1cm的大圆范围内，其中：相邻小圆的间距为10um且相邻三小圆圆心连接在一起为正三角形；

步骤2：取直径为4英寸的第一圆形基片（3）进行表面预处理后在180⁰C烘台上烘30min再降至室温；在第一圆形基片（3）上涂一层厚度为 15um的AZ4620光刻胶后放在80⁰C烘盘上烘90分钟再降到室温；将第一圆形基片（3）和第一掩膜板（2）一起放入光刻机内紫外曝光37秒，取出第一圆形基片（3）放在显影液里显影27秒后得到第一圆形基片（3）上的第一圆柱状结构（4）；然后把第一圆形基片（3）取出用氮气吹干后放在80⁰C烘盘上坚膜45分钟再降到室温；

步骤3：将第一圆形基片（3）放在140⁰C烘盘上热熔65分钟后第一圆形基片（3）上的圆柱状结构（4）变成微凸透镜结构（5），冷却后固化成型；

步骤4：取PDMS液体抽真空去除气泡后浇在第一圆形基片（3）的微凸透镜结构（5）上，再次抽真空去除气泡后在80⁰C烘箱内加热2小时使PDMS液体固化，揭下PDMS固态模，从而完成一次对微凸透镜结构（5）的PDMS倒模，得到带有凹透镜结构的PDMS负模（6）；

步骤5：将PDMS负模（6）浸泡于HPMC溶液中进行表面处理后再对PDMS负模（6）进行如上所述的PDMS倒膜，得到PDMS微凸透镜模（7）；

（二）、PDMS栅格模（11）的制备：

步骤1：取透光部分为若干个圆形且相邻圆形之间的间距均为25um的第二掩膜版（8），若干个圆形均布在直径为1cm的圆范围内；

步骤2：取直径为4英寸的第二圆形基片（9）进行表面预处理后在180⁰C烘台上烘30分钟再降至室温；在第二圆形基片（9）上涂一层厚度为200um的SU-8负光刻胶；将第二圆形基片（9）放到烘盘上从室温缓慢升至65⁰C后停留7分钟，再升至95⁰C后停留45分钟，接着缓慢降至室温；将第二圆形基片（9）和第二掩膜板（8）一起放入光刻机内进行紫外曝光35秒；将第二圆形基片（9）放在烘盘上从室温升至65⁰C停留5分钟，再升至95⁰C停留15分钟，接着缓慢降至室温后放入显影液中显影15分钟，得到第二圆形基片（9）上的第二圆柱状结构（10）；

步骤3：对第二圆柱状结构（10）进行如第一步步骤4中所述的PDMS倒膜，得到带有圆柱状空腔的PDMS栅格模（11）；

（三）、PDMS外围包裹模的制备：

步骤1：取上表面中心处开有直径为2cm且高度大于1cm的盲孔的圆柱体模具（12），圆柱体模具（12）上盲孔底部的中心固定有直径为1cm且高度为1cm的小圆柱体（13）；

步骤2：取PDMS溶液抽真空去除气泡后浇在圆柱体模具（12）的盲孔内以及小圆柱体（13）的上表面上，再抽真空去除气泡后放入80⁰C烘箱加热2小时使PDMS溶液固化，揭下PDMS固态模，得到PDMS外围包裹模（14）；

（四）、在显微镜下将PDMS微凸透镜模（7）和PDMS栅格模（11）的底部均涂一层PDMS液体后粘合在一起并使PDMS栅格模（11）上圆柱状空腔以外的部分与PDMS微凸透镜模（7）上相邻微凸透镜之间的间隙相对应；

（五）、在显微镜下将直径小于80um的光纤（15）插入PDMS栅格模（11）的每个圆柱状空腔中，在每个圆形栅格内注入PDMS液体后固化使光纤（15）固定在圆形栅格内；在PDMS外围包裹模（14）的底部开与光纤（15）数量相同且直径为90-100um的通孔，将光纤（15）从通孔内引出后在PDMS栅格模（11）的外圆周上涂一层PDMS液体，接着将PDMS外围包裹模（14）套在PDMS栅格模（11）的外圆周上并粘合在一起，从而形成位于PDMS栅格模（11）与PDMS外围包裹模（14）之间的空腔（16）；

（六）、将内置空气、PDMS液体或NOA73液体的注射泵通过管道与空腔（16）相连并对空腔（16）加压使PDMS微凸透镜模（7）弯曲，当注射泵内置空气时对空腔（16）内注入固化液体使其固化成型，从而得到仿生PDMS曲面复眼。

2.根据权利要求1所述的一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法，其特征在于：所述SU-8负光刻胶采用SU-8 2100负光刻胶。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿生PDMS曲面复眼的制备方法，其特征在于：在第一圆形基片（3）上涂光刻胶时用匀胶机以2500 转/分转30 秒；在第二圆形基片（9）上涂负光刻胶时用匀胶机500转/分转10秒后1500转/分转30秒。