CN105824063B - 一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构和制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构和制备工艺，结构为“三明治”结构，底层为透明导电电极，中间层为弹性有机透明聚合物层，顶层为柔性导电层；制备工艺是先在导电电极表面制备一层图形化的介电聚合物薄膜层，以此作为诱导模板；然后在透明导电电极表面制备一层弹性有机透明聚合物层，将诱导模板置于弹性有机透明聚合物层上部，施加电压使弹性有机透明聚合物层受到的麦克斯韦应力克服表面张力以及粘滞阻力流变，直至复型过程结束；最后在已成型的弹性有机透明聚合物层表面制备一层导电聚合物水溶液，加热使溶剂挥发，在弹性聚合物薄膜层凹陷部分形成一层柔性导电层，实现变焦微透镜阵列结构灵活、性能优越和工艺简单的有机统一。

Description

一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构和制备工艺

技术领域

本发明属于微纳制造中的变焦微透镜阵列技术领域，具体涉及一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构和制备工艺。

背景技术

在微纳光学技术领域中，变焦微透镜阵列是一种极其重要的微光学元器件，具有光学性能可调、体积小、重量轻、无机械运动、稳定性好等诸多优点，在成像、微流体传感、自适应光学等诸多领域具有广阔的应用。目前的变焦微透镜阵列主要有压力驱动变焦微透镜、电润湿变焦微透镜、基于热效应变焦微透镜、液晶可调变焦微透镜等，主要是通过改变微透镜的表面形状或者其折射率，从而达到调节焦距的效果。但是现有的变焦微透镜阵列在结构灵活性、性能优越性和工艺简单性方面难以实现有机的结合：压力驱动变焦微透镜能够实现较大的调焦范围，但是存在响应速度慢、调控单元结构复杂等缺点；电润湿驱动变焦微透镜结构设计灵活、焦距调节范围比较大，但是存在难以实现较大孔径尺寸、受环境影响大、不易集成等缺点；基于热效应变焦微透镜通常具有价格低廉、结构设计灵活等优点，但是存在制作工艺比较复杂、响应速度慢以及焦距调控范围不够大等缺点；液晶变焦微透镜具有调控速度快、调焦范围广、无表面形变以及稳定性好、易于集成等优点，但是其焦距调控精度不够高，并且还存在着相差、色差等问题。因此，如何在满足结构设计灵活、性能优越的前提下，以一种简单的工艺方法实现变焦微透镜阵列的制备是目前变焦微透镜阵列领域面临的重大挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构和制备工艺，实现变焦微透镜阵列结构灵活、性能优越和工艺简单的有机统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构，为“三明治”结构，底层为透明导电电极，中间层为弹性有机透明聚合物层，顶层为柔性导电层；未施加电场时，柔性导电层和弹性有机透明聚合物层处于稳定初始状态；施加电场时，柔性导电层与透明导电电极之间由于静电吸引会挤压弹性有机透明聚合物层，导致其薄膜厚度的减小，从而对微透镜阵列结构凸起区域结构产生挤压推动力，导致微透镜结构的曲率增大，通过改变施加的电场强度实现透镜曲率可控。

所述的透明导电电极为ITO氧化铟锡或FTO氧化氟锡玻璃。

所述的弹性有机透明聚合物层为PDMS聚二甲基硅氧烷。

所述的柔性导电层为PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)薄膜。

一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，诱导模板的制备：在导电电极表面利用光刻工艺或压印工艺制备一层图形化的介电聚合物薄膜层，以此作为诱导模板，导电电极为ITO氧化铟锡玻璃、FTO氧化氟锡玻璃或高掺硅片，介电聚合物薄膜材料为氟树脂或PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯；

第二步，中间层弹性有机透明聚合物层电场诱导流变成型：在透明导电电极表面制备一层厚度为微米级的弹性有机透明聚合物层，将诱导模板置于弹性有机透明聚合物层上部，空气间距为微米级，施加电压100V～1000V，使弹性有机透明聚合物层受到的麦克斯韦应力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电压0.25-4小时，直至复型过程结束，进而施加第一外部热场，固化弹性有机透明聚合物层；

第三步，顶层柔性导电层的制备：在已成型的弹性有机透明聚合物层表面利用旋涂工艺制备一层厚度为微米级的导电聚合物水溶液，加热导电聚合物水溶液，导电聚合物水溶液的溶剂挥发，在挥发过程中，导电聚合物水溶液中的溶质在弹性聚合物薄膜层的凹陷部分，溶剂挥发完毕后，在弹性聚合物薄膜层凹陷部分形成一层厚度为纳米级或微米级的柔性导电层，导电聚合物水溶液为PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)。

本发明的有益效果为：

通过控制施加电场实现微透镜阵列结构焦距的变化，基于透明弹性聚合物微加工工艺和电致形变特性，具有响应速度快、变焦范围大、集成度高的优点，有效避免了传统变焦微透镜阵列难以同时满足焦距调节灵活、响应快、范围广、集成高的难题。

基于电致动的变焦微透镜阵列结构设计灵活，性能表现优越，具有响应速度快、变焦范围大、集成度高的特点，针对此复合结构，在光刻、压印、旋涂和电场诱导弹性聚合物流变成型等工艺的基础上，提出了一种简单的工艺方法实现所设计的微透镜阵列结构的可控制造，本发明的基于电致动的变焦微透镜阵列结构可广泛用在成像、微流体传感、自适应光学等诸多领域。

附图说明：

图1为本发明未施加电场时微透镜阵列的结构示意图。

图2为本发明施加电场时微透镜阵列的结构示意图。

图3为本发明制备的电诱导模板的结构示意图。

图4为本发明电场诱导弹性有机透明聚合物流变成型的工艺示意图。

图5为本发明电场诱导弹性有机透明聚合物流变成型的成型结构示意图。

图6为本发明中间层弹性有机透明聚合物加热固化示意图。

图7为本发明顶层柔性导电层制备的工艺示意图。

图8为本发明制备的变焦微透镜阵列结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构，为“三明治”结构，底层为透明导电电极1，中间层为弹性有机透明聚合物层2，顶层为柔性导电层3；未施加电场U₁时，柔性导电层3和弹性有机透明聚合物层2处于稳定初始状态，如图1所示；施加电场U₁时，柔性导电层3与透明导电电极1之间由于静电吸引会挤压弹性有机透明聚合物层2，导致薄膜厚度的减小，从而对微透镜阵列结构凸起区域结构产生挤压推动力，导致微透镜结构的曲率增大，如图2所示；在此过程中，施加的电场U₁不一致，产生的麦克斯韦静电吸引力就不一致，从而引发具有微透镜形貌的弹性有机透明聚合物列2初始结构的弹性形变不一致，达到通过改变外加电场实现透镜曲率可控。

所述的透明导电电极1为ITO氧化铟锡或FTO氧化氟锡玻璃。

所述的弹性有机透明聚合物层2为PDMS聚二甲基硅氧烷。

所述的柔性导电层3为PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)薄膜。

一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，诱导模板的制备：在导电电极4表面利用光刻工艺或压印工艺制备一层图形化的介电聚合物薄膜层5，以此作为诱导模板，图形化的介电聚合物薄膜5的宽度w₁为微米级，高度h₁为微米级，如图3所示，导电电极4为ITO氧化铟锡玻璃、FTO氧化氟锡玻璃或高掺硅片，介电聚合物薄膜5材料为氟树脂或PMMA聚甲基丙烯酸甲酯；

第二步，中间层弹性有机透明聚合物层电场诱导流变成型：在透明导电电极1表面制备一层厚度h₂为微米级的弹性有机透明聚合物层2，将诱导模板置于弹性有机透明聚合物层2上部，空气间距h₃为微米级，施加外接电场U₂，如图4所示，调节电场U₂，使弹性有机透明聚合物层2受到的麦克斯韦应力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电场U₂电压0.25-4小时，直至复型过程结束，弹性有机透明聚合物层2形成的结构尺寸凸起部分高度h₄为微米级，宽度d₁为微米级，留膜厚度h₅为微米级或纳米级，如图5所示，进而施加第一外部热场6，固化弹性有机透明聚合物层2，如图6所示；

第三步，顶层柔性导电层的制备：在已成型的弹性有机透明聚合物层2表面利用旋涂工艺制备一层厚度h₆为微米级的导电聚合物水溶液31，通过第二外部加热7加热导电聚合物水溶液31，导电聚合物水溶液31的溶剂挥发，如图7所示，在挥发过程中，导电聚合物水溶液31中的溶质逐渐沉积在弹性有机透明聚合物层2的凹陷部分，溶剂挥发完毕后，在弹性有机透明聚合物2凹陷部分形成一层厚度h₇为纳米级或微米级的柔性导电层3，如图8所示。

Claims (5)

1.一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构，为“三明治”结构，其特征在于：底层为透明导电电极，中间层为弹性有机透明聚合物层，顶层为柔性导电层；未施加电场时，柔性导电层和弹性有机透明聚合物层处于稳定初始状态；施加电场时，柔性导电层与透明导电电极之间由于静电吸引会挤压弹性有机透明聚合物层，导致其薄膜厚度的减小，从而对微透镜阵列结构凸起区域结构产生挤压推动力，导致微透镜结构的曲率增大，通过改变施加的电场强度实现透镜曲率可控。

2.根据权利要求1所述的一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构，其特征在于：所述的透明导电电极为ITO氧化铟锡或FTO氧化氟锡玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构，其特征在于：所述的弹性有机透明聚合物层为PDMS聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求1所述的一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构，其特征在于：所述的柔性导电层为PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于电致动的变焦微透镜阵列结构的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，诱导模板的制备：在导电电极表面利用光刻工艺或压印工艺制备一层图形化的介电聚合物薄膜层，以此作为诱导模板，导电电极为ITO氧化铟锡玻璃、FTO氧化氟锡玻璃或高掺硅片，介电聚合物薄膜材料为氟树脂或PMMA聚甲基丙烯酸甲酯；

第二步，中间层弹性有机透明聚合物层电场诱导流变成型：在透明导电电极表面制备一层厚度为微米级的弹性有机透明聚合物层，将诱导模板置于弹性有机透明聚合物层上部，空气间距为微米级，施加电压100V～1000V，使弹性有机透明聚合物层受到的麦克斯韦应力克服表面张力以及粘滞阻力流变，保持施加电压0.25-4小时，直至复型过程结束，进而施加第一外部热场，固化弹性有机透明聚合物层；

第三步，顶层柔性导电层的制备：在已成型的弹性有机透明聚合物层表面利用旋涂工艺制备一层厚度为微米级的导电聚合物水溶液，加热导电聚合物水溶液，导电聚合物水溶液的溶剂挥发，在挥发过程中，导电聚合物水溶液中的溶质在弹性聚合物薄膜层的凹陷部分，溶剂挥发完毕后，在弹性聚合物薄膜层凹陷部分形成一层厚度为纳米级或微米级的柔性导电层，导电聚合物水溶液为PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)。