CN105334553A - 基于pdms-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列制造方法 - Google Patents

Abstract

基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造方法，包括：A制造微透镜阵列凹模板：采用光刻和热熔技术制作微透镜阵列母版，将液态的PDMS预聚物和固化剂混合物注入母版，并通过加热固化PDMS，最后将固化成型的PDMS从母版剥离，得到微透镜阵列凹模板；B制造磁控微透镜阵列：将PDMS-磁性纳米粒子混合溶液旋涂于微透镜阵列凹模板表面，然后对其施加磁场，在磁场作用下磁性纳米粒子沿磁场方向重新排列，形成纤维状微结构，最后将PDMS加热固化后去掉凹模板即得到基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列。由此制作的微透镜，其焦距、数值孔径和光学透过率可以通过施加外磁场调节，成为磁控微透镜。

Description

基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列制造方法

【技术领域】

本发明属于微光学元件和聚合物基光学材料技术领域，具体涉及一种基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造方法。

【背景技术】

磁流变弹性体(MagnetorheologicalElastomer,MRE)是一种应用前景广阔的智能型功能材料，一般由非磁性的弹性聚合物基体和微米级的磁性粒子组成，它的机械性能和电学性能可以通过施加外磁场控制。目前，MRE的应用主要集中于振动控制，在光学领域的应用很少。

聚合物材料聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)是物理和化学性能稳定的硅橡胶弹性体，可以用作MRE基体材料。此外，PDMS还具有一些特殊性能，例如，它的光学透明度很高；当存在形变时，它的折射率会发生显著变化；另外，PDMS的轮廓精度可达10nm以下，因而广泛应用于微纳米技术领域，如微流体系统(微流道、微泵、微阀门)、微光学系统(微透镜)等。PDMS微结构成型一般采用模铸，即先在模具上形成微纳米结构，然后将液态的PDMS预聚物和固化剂混合物注入其中，最后通过加热使PDMS固化成型。文献研究显示，用于制造微透镜的PDMS一般为纯材料,其不属于智能型功能材料。

【发明内容】

为克服现有技术存在的缺点和不足，本发明提供一种基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造方法，将磁流变弹性体的应用拓展到光学领域。

本发明的技术方案如下：

一种基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造方法，包括以下步骤：

A:微透镜阵列凹模板的制造：

1)采用旋涂技术将光刻胶均匀地涂在清洗过的基底上；

2)采用光刻技术在步骤1)所得的涂覆光刻胶的基底上形成光刻胶圆柱形结构阵列；

3)将步骤2)所得光刻胶圆柱形结构阵列置于烘干机上，加热至光刻胶玻璃态转化温度以上，为达到系统能量最小化，光刻胶圆柱形结构转变为球冠状结构，冷却后即得到微透镜阵列母版；

4)将PDMS预聚物和固化剂(DowCorningSylgard184)按10:1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物注入步骤3)所得微透镜阵列母版，抽真空10分钟以去除气泡，然后置于烘干机上烘烤(烘烤温度65℃，时间4小时)，使PDMS固化成型；

5)将步骤4)所得的已固化成型的PDMS从微透镜阵列母版剥离，即得到PDMS微透镜阵列凹模板；

B：基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造：

1)将PDMS预聚物和固化剂按10:1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入40KHz超声波振荡仪中振荡25分钟去泡，同时促进其进一步充分混合；

2)将步骤1)得到的混合物与有机溶剂氯仿按1:1的重量比混合，搅拌均匀后放入40KHz超声波振荡仪中振荡10分钟，用以去除气泡，并使各成分均匀混合；

3)将磁性纳米粒子以适当的重量比与步骤2)所得溶液混合，用玻璃棒搅拌2分钟后，放入40KHz超声波振荡仪中振荡30分钟；

4)将步骤3)得到的PDMS-磁性纳米粒子混合溶液旋涂于经防粘表面处理的PDMS微透镜阵列凹模板表面；

5)将步骤4)获得的旋涂了PDMS-磁性纳米粒子混合溶液的微透镜阵列凹模板放置于500mT强磁场中5分钟，在强磁场作用下磁性纳米粒子沿磁场方向重新排列，形成纤维状微结构；

6)将经步骤5)处理后的旋涂了PDMS-磁性纳米粒子混合溶液的微透镜阵列凹模板置于烘干机上烘烤(烘烤温度150℃，时间35分钟)，当PDMS完全固化后将微透镜阵列凹模板与微透镜阵列分离，即得到基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列。

本发明提供了一种基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造方法，将磁流变弹性体的应用拓展到光学领域。对于这种使用PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜制作的微透镜，其焦距、数值孔径和光学透过率可以通过施加外磁场调节，因而成为磁控微透镜。

【附图说明】

图1为旋涂于基底上的光刻胶(AZ4620)示意图。

图2为光刻工艺的曝光工序示意图。

图3为采用光刻技术在基底上形成的光刻胶圆柱形结构阵列示意图。

图4为微透镜阵列母版示意图。

图5为注入了PDMS预聚物和固化剂混合物的微透镜阵列母版示意图。

图6为从微透镜阵列母版剥离的PDMS微透镜阵列凹模板示意图。

图7为旋涂了PDMS-磁性纳米粒子混合溶液的微透镜阵列凹模板示意图。

图8为放置于磁场中的旋涂了PDMS-磁性纳米粒子混合溶液的微透镜阵列凹模板示意图。

图9为基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列示意图。

图1-图9中：1-光刻胶AZ4620；2-基底；3-紫外光；4-光刻掩膜板；5-光刻胶圆柱形结构；6-光刻胶球冠状结构；7-PDMS预聚物和固化剂混合物；8-PDMS微透镜阵列凹模板；9-PDMS-Fe₃O₄纳米粒子混合溶液；10-在强磁场作用下沿磁场方向重新排列的Fe₃O₄纳米粒子；11-永磁体；12-基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列。

图10为被选择用于数字图像相关分析的PDMS-Fe₃O₄纳米粒子复合薄膜区域，其中薄膜厚度为15μm，薄膜中Fe₃O₄重量分数为5％。

图11为图10所示复合薄膜区域在磁场作用下沿平行于磁场方向的应变测量。

图12为Fe₃O₄重量分数为1％～13％的PDMS-Fe₃O₄纳米粒子复合薄膜在施加B＝～80mT外磁场(“方形”图标)和无外磁场(“菱形”图标)条件下测量得到的位于700nm波长的光学透过率。薄膜厚度为15μm。

【具体实施方式】

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例

APDMS微透镜阵列凹模板8的制造过程，包括以下步骤：

1)采用旋涂技术将光刻胶1均匀地涂在清洗过的基底2上(图1)，所用旋涂参数为：转速3500rpm、时间30s，本发明光刻胶选用AZ4620。

2)采用光刻技术(图2)在步骤1)所得的涂覆光刻胶的基底2上形成光刻胶圆柱形结构5阵列(图3)，图2为光刻工艺的曝光工序示意图，其中：紫外光3，光刻掩膜板4。

3)将步骤2)所得光刻胶圆柱形结构5阵列置于烘干机上，加热至100℃～140℃使光刻胶达到熔融状态，为达到系统能量最小化，光刻胶圆柱形结构5转变为球冠状结构6，冷却后即得到微透镜阵列母版(图4)。

4)将PDMS预聚物和固化剂(DowCorningSylgard184)按10:1的重量比混合，搅拌均匀后将PDMS预聚物和固化剂混合物7注入步骤3)所得微透镜阵列母版(图5)，抽真空10分钟以去除气泡，然后置于烘干机上烘烤(烘烤温度65℃，时间4小时)，使PDMS固化成型。

5)将步骤4)所得的已固化成型的PDMS从微透镜阵列母版剥离，即得到PDMS微透镜阵列凹模板8(图6)。

B基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列12的制造过程，包括以下步骤：

1)将PDMS预聚物和固化剂(DowCorningSylgard184)按10:1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入40KHz超声波振荡仪中振荡25分钟去泡，同时促进其进一步充分混合。

2)将步骤1)得到的混合物与有机溶剂氯仿按1:1的重量比混合，搅拌均匀后放入40KHz超声波振荡仪中振荡10分钟，用以去除气泡，并使各成分均匀混合。

3)将粒径20nm的球形Fe₃O₄纳米粒子(AladdinChemistryCo.,Ltd.)以重量分数5％的比例与步骤2)所得溶液混合，用玻璃棒均匀搅拌2分钟，然后放入40KHz超声波振荡仪中振荡30分钟，充分混合和完全清除气泡后，即得到PDMS-Fe₃O₄纳米粒子混合溶液9。

4)将步骤3)得到的PDMS-Fe₃O₄纳米粒子混合溶液9旋涂于经三氯硅烷防粘表面处理的PDMS微透镜阵列凹模板8表面(图7)。

5)将步骤4)获得的旋涂了PDMS-Fe₃O₄纳米粒子混合溶液9的PDMS微透镜阵列凹模板8放置于500mT强磁场中5分钟，在强磁场作用下Fe₃O₄纳米粒子沿磁场方向重新排列，形成纤维状微结构(图8)，图8中：在强磁场作用下沿磁场方向重新排列的Fe₃O₄纳米粒子10，永磁体11。

6)将经步骤5)处理后的旋涂了PDMS-Fe₃O₄纳米粒子混合溶液的PDMS微透镜阵列凹模板8置于烘干机上烘烤(烘烤温度150℃，时间35分钟)，当PDMS完全固化后将微透镜阵列凹模板8与微透镜阵列12分离，即得到基于PDMS-Fe₃O₄纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列12(图9)。

7)相关试验

采用数字图像相关技术(DigitalImageCorrelation，DIC)研究PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜在磁场作用下的应变。在无磁场和施加磁场(B＝～80mT)条件下从薄膜表面同一区域拍摄光学显微图片，分别作为参考图像和形变图像，图10表示被选择用于分析的复合薄膜区域，图11为图10所示复合薄膜区域在磁场作用下沿平行于磁场方向的应变测量，分析结果显示所选择薄膜区域在该方向的平均应变为-0.0192％，这表明当施加磁场时薄膜会产生应变(收缩)。根据几何学和光学理论，微透镜的曲率半径(R)、焦距(f)和数值孔径(NA)表示为：

$R=\frac{D^2+4h^2}{8h}---\left(1\right),$

$f=\frac{R}{n-1}---\left(2\right),$

$NA=\frac{D}{2f}---\left(3\right).$

其中D、h、n分别是微透镜的直径、矢高和折射率。因此，对于使用PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜制作的微透镜，当施加磁场时，一方面薄膜产生应变使微透镜的直径、矢高和曲率半径变化，另一方面应变还会引起PDMS的折射率发生显著变化，从而导致微透镜的焦距、数值孔径等光学参数变化。

PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的透射光谱采用UV2100分光光度计(ChemitoInstrumentsPvt.Ltd.)在施加磁场和不施加磁场的条件下测量。实验结果表明，外磁场显著影响薄膜的光学透过率。例如，对于薄膜厚度为15μm，Fe₃O₄重量分数为3％～10％的复合薄膜，施加磁场(B＝～80mT)会减小薄膜的光学透过率，如图12所示，在700nm波长，Fe₃O₄重量分数为5％的薄膜在不施加磁场的条件下透过率达到75.24％，当施加磁场时其透过率减小到66.68％。

综上所述，对于使用PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜制作的微透镜，其焦距、数值孔径和光学透过率可以通过施加外磁场调节，成为磁控微透镜。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：微透镜阵列凹模板的制造：

1)采用旋涂技术将光刻胶均匀地涂在清洗过的基底上；

2)采用光刻技术在步骤1)所得的涂覆光刻胶的基底上形成光刻胶圆柱形结构阵列；

3)将步骤2)所得光刻胶圆柱形结构阵列置于烘干机上，加热至光刻胶玻璃态转化温度以上，为达到系统能量最小化，光刻胶圆柱形结构转变为球冠状结构，冷却后即得到微透镜阵列母版；

4)将PDMS预聚物和固化剂(DowCorningSylgard184)按10:1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物注入步骤3)所得微透镜阵列母版，抽真空10分钟以去除气泡，然后置于烘干机上烘烤(烘烤温度65℃，时间4小时)，使PDMS固化成型；

5)将步骤4)所得的已固化成型的PDMS从微透镜阵列母版剥离，即得到PDMS微透镜阵列凹模板；

B：基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列的制造：

1)将PDMS预聚物和固化剂按10:1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入40KHz超声波振荡仪中振荡25分钟去泡，同时促进其进一步充分混合；

2)将步骤1)得到的混合物与有机溶剂氯仿按1:1的重量比混合，搅拌均匀后放入40KHz超声波振荡仪中振荡10分钟，用以去除气泡，并使各成分均匀混合；

3)将磁性纳米粒子以适当的重量比与步骤2)所得溶液混合，用玻璃棒搅拌2分钟后，放入40KHz超声波振荡仪中振荡30分钟；

4)将步骤3)得到的PDMS-磁性纳米粒子混合溶液旋涂于经防粘表面处理的PDMS微透镜阵列凹模板表面；

5)将步骤4)获得的旋涂了PDMS-磁性纳米粒子混合溶液的微透镜阵列凹模板放置于500mT强磁场中5分钟，在强磁场作用下磁性纳米粒子沿磁场方向重新排列，形成纤维状微结构；

6)将经步骤5)处理后的旋涂了PDMS-磁性纳米粒子混合溶液的微透镜阵列凹模板置于烘干机上烘烤(烘烤温度150℃，时间35分钟)，当PDMS完全固化后将微透镜阵列凹模板与微透镜阵列分离，即得到基于PDMS-磁性纳米粒子复合薄膜的磁控微透镜阵列。