CN104199130B - 一种pdms透镜的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PDMS透镜的制作方法。本方法利用传统方法在基底模板上钻孔，得到至少一个通孔，并进行硅烷化处理，控制基底模板下方PDMS预聚物液面两侧的压力差，使液面形成凹陷或者凸起的弧面，再通过加热固化成型，剥离后可形成PDMS透镜。本方法生产的透镜的曲率半径(焦距)易于控制，焦距取决于固化前PDMS预聚物液面的曲率半径，而曲率半径的大小可以通过控制液面两侧的压力差轻松实现。本方法具有工艺简单、成本低等特点，适用于大批量微纳尺度透镜及透镜阵列的生产。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物透镜的加工领域，具体为一种PDMS(聚二甲基硅氧烷)透镜的制作方法。
背景技术
PDMS是一种透光性好、无毒、不易燃的高分子有机硅化合物，广泛用于制作微流控芯片系统的微通道、填充剂和光学元件。由于其良好的加工性和透光性，可用于制作微纳尺度的透镜或透镜阵列，用于光学检测。
光学透镜及阵列的加工方法有传统物理磨削加工法、热熔法、疏水控制法等。物理加工需要精密加工工艺和抛光处理，且光学玻璃材料昂贵，加工成本高。热熔法利用聚合物熔融态下的流动性制作透镜，但模具的设计与开发成本高，适用于大批量生产，不利于实现小批量定制式透镜的低成本加工。
专利(一种制作弧形的凹陷小孔的PDMS聚合物芯片的方法与应用，公开号CN102787364B)通过软光刻工艺制作互相连通的PDMS小孔阵列制作PDMS薄膜，并与上述PDMS小孔阵列封接，并进行硅烷化处理将PDMS预聚物倒入，通过控制气体压力和通入量，使PDMS薄膜发生凸变形，形成凸模加热使PDMS预聚物固化，剥离得到弧形的凹陷小孔PDMS聚合物芯片。此方法缺点在于在浇筑PDMS预聚物形成所需要的微结构(带有弧形凹陷小孔的聚合物芯片)之前，用到了两种PDMS结构作为辅助：一是软光刻成型得到的PDMS小孔阵列作为模板；二是PDMS固化成型得到的薄膜。整个过程中，包含三次PDMS加热固化成型步骤，操作较为繁琐。此外采用此技术，只能得到带有凹陷小孔的PDMS微结构，未能得到带有凸起的PDMS微结构。
专利(一种微纳米透镜阵列的制备方法，公开号CN101481079B)首先在模板上通过常规方法加工微纳孔阵列；然后对模板进行硅烷化处理；接着滴加PDMS预聚物到模板表面，利用硅烷化处理过的表面属性，使得孔内空气浮力、PDMS预聚物重力与液体的表面张力平衡，形成具有凹陷的气液界面；加热固化成型得到凹透镜阵列。采用复制的方法也可以得到凸透镜阵列。此方法缺点在于为了使体系平衡需采用加热空气或者抽真空的方法使微孔内的空气膨胀得到凹陷界面。加热的温度和时长、抽真空的真空度不易把握和控制。此外采用此方法可以直接制备凹透镜阵列，但是若要得到凸透镜阵列，需将固化好的凸透镜阵列作为模板进行复制。为了避免同种物质PDMS的交联，需要对凸透镜阵列模板进行严格的硅烷化处理，且剥离较为困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种PDMS透镜的制作方法。本方法利用传统方法在基底模板上钻孔，得到至少一个通孔，并进行硅烷化处理，控制基底模板下方PDMS预聚物液面两侧的压力差，使液面形成凹陷或者凸起的弧面，再通过加热固化成型，剥离后可形成PDMS透镜。本方法具有工艺简单、成本低等特点，适用于大批量微纳尺度透镜及透镜阵列的生产。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：提供一种PDMS透镜的制作方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
(1)在基底模板上加工通孔：利用传统方法在基底模板上加工至少一个通孔；在基底模板上开槽定位，将基底模板放置于基底座侧面和侧板侧面的凸起位置处；通孔直径范围是100um～50mm，孔深度是0.5～5mm，孔中心距是150um～75mm；
(2)对上述基底模板进行硅烷化处理：将上述基底模板置于干燥箱中，滴加2～6uL硅烷，抽真空15分钟，并在真空环境中保持30～60分钟；
(3)利用注射器或移液器，从PDMS预聚物入口注入液态PDMS预聚物直至液态PDMS预聚物液面高度与基底模板下表面相平，所述液态PDMS预聚物由硅橡胶单体和硅酮树脂塑化剂按照重量比10:1混合均匀而成；
(4)利用外接气泵使密封腔内形成相对于标准大气压的正压力或者负压力，固化剥离后得到透镜：利用外接气泵通过气泵接口向密封腔内通入具有1～1000Pa的压力的气体，使PDMS预聚物液面呈现凹陷，保持该气压，在80～90℃温度下加热2～4小时，待PDMS固化后与基底模板剥离，得到凹透镜；此过程中PDMS预聚物液面下侧腔体压力为大气压，上侧密封腔的压力通过外接气泵调控，保持液面两侧的正压压力差范围为1～1000Pa；
利用外接气泵的抽吸作用，通过气泵接口使密封腔内形成负压，保持腔内负压为1～1000Pa，使PDMS预聚物液面呈现凸起，保持该气压，在80～90℃温度下加热2～4小时，待PDMS固化后与基底模板剥离，得到凸透镜；此过程中PDMS预聚物液面下侧腔体压力为大气压，上侧密封腔的压力通过外接气泵调控，保持液面两侧的负压压力差范围为1～1000Pa。
优选的所述通孔直径范围是500um～30mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)透镜的曲率半径(焦距)易于控制。本发明制备的透镜的焦距取决于固化前PDMS预聚物液面的曲率半径，而曲率半径的大小可以通过控制液面两侧的压力差轻松实现。
(2)透镜的直径尺寸范围广。本方法可加工形成直径100um～50mm范围的透镜。
(3)工艺简单，对PDMS透镜的成型仅需一次加热固化，仅需一步脱模，操作简单，成本大大降低。
(4)设备简易方便，可重复使用。
附图说明
图1是本发明PDMS透镜的制作方法一种实施例的基底模板通孔分布示意图；
图2是本发明PDMS透镜的制作方法一个实施例的装置结构示意图(其中1、端面；2、密封腔；3、气泵接口；4、基底模板；5、腔体；6、PDMS预聚物入口；7、基底座；8、侧板)；
图3是本发明PDMS透镜的制作方法一个实施例的凹透镜成型原理图；
图4是本发明PDMS透镜的制作方法一个实施例的凸透镜成型原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明方法做进一步说明(参见图1-4)。
本发明PDMS透镜的制作方法，具体工艺过程如下：
(1)在基底模板4上加工通孔：利用机加工、化学蚀刻、激光刻蚀等传统方法在基底模板4上加工至少一个通孔。在基底模板4上开槽定位，将基底模板4放置于基底座7侧面和侧板8侧面的凸起位置处。基底模板材料是硅片、玻璃、有机玻璃。通孔尺寸100um～50mm，优选为通孔直径范围500um～30mm，孔深度0.5～5mm，孔中心距150um～75mm。
(2)对上述基底模板4进行硅烷化处理：将上述基底模板4置于真空干燥箱中，滴加2～6uL硅烷，抽真空15分钟，并在真空环境中保持30～60分钟。
(3)利用注射器或移液器，从PDMS预聚物入口6注入液态PDMS预聚物：该液态PDMS预聚物由硅橡胶单体和硅酮树脂塑化剂按照重量比10:1混合均匀而成，加料直至液态PDMS预聚物液面高度与基底模板4下表面相平。
(4)利用外接气泵使密封腔2内形成相对于标准大气压的正压力或者负压力，固化剥离后得到透镜：利用外接气泵通过气泵接口3向密封腔2内通入具有1～1000Pa的压力的气体，使PDMS预聚物液面呈现凹陷，保持该气压，在80～90℃温度下加热2～4小时，待PDMS固化后与基底模板4剥离，得到凹透镜。此过程中PDMS预聚物液面下侧腔体5压力为大气压，上侧密封腔2的压力通过外接气泵调控，保持液面两侧的正压压力差范围为1～1000Pa。
利用外接气泵的抽吸作用，通过气泵接口3使密封腔2内形成负压，保持腔内负压为1～1000Pa，使PDMS预聚物液面呈现凸起，保持该气压，在80～90℃温度下加热2～4小时，待PDMS固化后与基底模板4剥离，得到凸透镜。此过程中PDMS预聚物液面下侧腔体5压力为大气压，上侧密封腔2的压力通过外接气泵调控，保持液面两侧的负压压力差范围为1～1000Pa。
PDMS透镜的制作方法所使用的装置为配套的现有技术。实施例采用的装置包括端盖1、基底模板4、基底座7和侧板8；所述端盖1具有气泵接口3；所述端盖1分别与基底座7和侧板8紧密连接；所述端盖1、基底模板4、基底座7和侧板8包围形成密封腔2；所述基底模板4的左右两端分别与基底座7和侧板8紧密连接；所述基底模板4、基底座7和侧板8包围形成腔体5；所述腔体5具有PDMS预聚物入口6。
实施例1
(1)利用钻床在有机玻璃基底模板4上加工6×6的通孔阵列，直径为0.5mm，孔深度0.25mm，孔中心距1.5mm。在基底模板4上开槽定位，将基底模板4放置于基底座7侧面和侧板8侧面的凸起位置处。
(2)对上述基底模板4进行硅烷化处理。将基底模板4置于真空干燥箱中，滴加5uL甲硅油，抽真空15分钟，并保持40分钟，对基底模板4表面进行硅烷化处理，有利于PDMS固化后与基底模板4的剥离。
(3)在基底模板4下方的腔体5内注入液态PDMS预聚物(美国道康宁Sylgard 184硅橡胶单体和硅酮树脂塑化剂按照重量比10:1混合均匀而成)，使液面高度与基底模板4下表面相平。
(4)PDMS预聚物液面下侧腔体5压力为大气压，利用外接气泵通过气泵接口3，使密封腔2内分别形成90、100、120、150、80、50、45、32、30、16、8、3.6、2.4Pa的压力(参见表1)，使得PDMS预聚物液面呈现凹陷，保持该气压，在90℃温度下加热2小时，待PDMS固化后与基底模板4果剥离，得到凹透镜阵列。
实施例2
(1)利用钻床在有机玻璃基底模板4上加工5×5的通孔阵列，直径为10mm，孔深度2mm，孔中心距15mm。在基底模板4上开槽定位，将基底模板4放置于基底座7侧面和侧板8侧面的凸起位置处。
(2)对上述基底模板4进行硅烷化处理。将基底模板4置于真空干燥箱中，滴加6uL二甲基二氯硅烷，抽真空15分钟，并保持50分钟，对基底模板4表面进行硅烷化处理，有利于PDMS固化后与基底模板4的剥离。
(3)在基底模板4下方的腔体5内注入液态PDMS预聚物(日本东芝RTV615硅橡胶单体与硅酮树脂塑化剂按照重量配比10:1混合均匀而成)，使液面高度与基底模板4下表面相平。
(4)PDMS预聚物液面下侧腔体5压力为大气压，利用外接气泵的抽吸作用，通过气泵接口3使密封腔2内分别形成-190、-210、-240、-250、-180、-150、-145、-130、-160、-70、-80、-40、-30的压力(参见表2)，使PDMS预聚物液面呈现凸起，保持该气压，在80℃温度下加热4小时，待PDMS固化后与基底模板4剥离，得到凸透镜阵列。
表1为实施例1的实验数据；表2为实施例2的实验数据。
表1
| 密封腔内相对于大气压力值[Pa] | 透镜直径[mm] | 曲率半径[mm] | 有效焦距[mm] |
| 90 | 0.5 | 0.45 | - |
| 100 | 0.5 | 0.4 | - |
| 120 | 0.5 | 0.33 | - |
| 150 | 0.5 | 0.27 | - |
| 80 | 1.0 | 0.5 | 1.2 |
| 50 | 1.5 | 0.8 | 2.0 |
| 45 | 1.5 | 0.9 | 3.0 |
| 32 | 2.0 | 1.25 | 4.0 |
| 30 | 2.5 | 1.4 | 3.8 |
| 16 | 5 | 2.5 | 10 |
| 8 | 10 | 5.0 | 10 |
| 3.6 | 20 | 11 | 25 |
| 2.4 | 30 | 17 | 40 |
表2
| 密封腔内相对于大气压力值[Pa] | 透镜直径[mm] | 曲率半径[mm] | 有效焦距[mm] |
| -190 | 0.5 | 0.45 | - |
| -210 | 0.5 | 0.4 | - |
| -240 | 0.5 | 0.33 | - |
| -250 | 0.5 | 0.27 | - |
| -180 | 1.0 | 0.5 | 1.2 |
| -150 | 1.5 | 0.8 | 2.0 |
| -145 | 1.5 | 0.9 | 3.0 |
| -130 | 2.0 | 1.25 | 4.0 |
| -160 | 2.5 | 1.4 | 3.8 |
| -70 | 5 | 2.5 | 10 |
| -80 | 10 | 5.0 | 10 |
| -40 | 20 | 11 | 25 |
| -30 | 30 | 17 | 40 |
由以上两个表可以看出，本方法生产的透镜各项性能指标均达到透镜行业的技术标准。本发明制备的透镜焦距取决于固化前PDMS预聚物液面的曲率半径，而曲率半径的大小可以通过控制液面两侧的压力差实现。透镜的直径尺寸范围广：本发明方法可加工形成直径100um～50mm范围的透镜。
Claims (2)
1.一种PDMS透镜的制作方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
(1) 在基底模板上加工通孔：利用机加工、化学蚀刻或激光刻蚀的方法在基底模板上加工至少一个通孔；在基底模板上开槽定位，将基底模板放置于基底座侧面和侧板侧面的凸起位置处；通孔直径范围是100um~50mm，孔深度是0.5~5mm，孔中心距是150um~75mm；
(2) 对上述基底模板进行硅烷化处理：将上述基底模板置于干燥箱中，滴加2~6uL硅烷，抽真空15分钟，并在真空环境中保持30~60分钟；
(3) 利用注射器或移液器，从PDMS预聚物入口注入液态PDMS预聚物直至液态PDMS预聚物液面高度与基底模板下表面相平，所述液态PDMS预聚物由硅橡胶单体和硅酮树脂塑化剂按照重量比10:1混合均匀而成；
(4) 利用外接气泵使密封腔内形成相对于标准大气压的正压力或者负压力，固化剥离后得到透镜：利用外接气泵通过气泵接口使密封腔内形成正压，保持腔内正压为1~1000Pa，使PDMS预聚物液面呈现凹陷，保持该气压，在80~90℃温度下加热2~4小时，待PDMS固化后与基底模板剥离，得到凹透镜；此过程中PDMS预聚物液面下侧腔体压力为大气压，上侧密封腔的压力通过外接气泵调控，保持液面两侧的正压压力差范围为1~1000Pa；
利用外接气泵的抽吸作用，通过气泵接口使密封腔内形成负压，保持腔内负压为1~1000Pa，使PDMS预聚物液面呈现凸起，保持该气压，在80~90℃温度下加热2~4小时，待PDMS固化后与基底模板剥离，得到凸透镜；此过程中PDMS预聚物液面下侧腔体压力为大气压，上侧密封腔的压力通过外接气泵调控，保持液面两侧的负压压力差范围为1~1000Pa。
2.根据权利要求1所述的PDMS透镜的制作方法，其特征在于所述通孔直径范围是500um~30mm。
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