CN106680907B - 一种原位成形微透镜制造过程中uv胶粘度控制工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位成形微透镜制造过程中UV胶粘度控制工艺，属于生物学和分析化学及医学检测领域。通过温度的升高或者降低增加或者减少紫外光学胶的粘度，使得胶滴的流淌性得到控制，此时胶滴非球表面曲率半径也得到了控制，适时的使用紫外光束对其进行照射，完成特定面形原位成形微透镜的制作。通过温度的改变引起光学胶滴张力系数的改变，即改变胶滴粘度，从而改变光学胶滴非球面顶冠的形状变化的规律；在各种非球面胶滴变化过程中，采用强激光在捕捉到胶滴非球面顶冠形状与设计形状吻合时对胶滴表面进行预固化，然后通过改变温度调整非球面顶冠的高度，使得其焦点落在需要的工作面上。节省了微透镜制造成本，简化了制作工艺。

Description

一种原位成形微透镜制造过程中UV胶粘度控制工艺

技术领域

本发明提出一种原位成形光学微透镜微制造过程中的面形控制工艺，主要用于制造生物芯片检测系统的光激发单元和光检测单元的滤光片上的微透镜，在结构缩微，功能集成的基础上达到提高被检测物所激发荧光的聚焦效率和提高生物芯片检测灵敏度目的，属于生物学和分析化学及医学检测领域。

背景技术

微流控芯片及检测技术是近些年来在生命科学领域发展非常快的一项高新技术，它在微型化基础上可以实现将全部生物分析过程如采样、稀释、进样、反应、分离和检测等功能集成到一个芯片中，被通俗的称为“芯片实验室”。生物芯片的检测是微流控芯片技术重要的组成部分，主要包括信号产生、收集、传输、信号处理及识别部分。在各种微流控芯片信号检测方法中，荧光光谱检测的方法具有重复性好，选择性强，灵敏度高，非破坏性等优点，是目前应用最广泛的检测技术之一。研制体积小可嵌入芯片和灵敏度高的光谱检测技术已成为当前各国研究的热点。

在生物芯片荧光检测系统中，荧光信号微弱的原因是被测物量少，发光点小，而并不是被检测物的浓度低，使用具有最佳聚焦效果的非球曲面光学微透镜，并且令光学微透镜与微检测工作端面高精度地同光轴粘合，可以提高被测物所激发荧光的聚焦效率，这是提高生物芯片光谱检测灵敏度的关键之一。在前期工作中我们设计出了原位成形微透镜制造工艺，其基本过程是从一定高度将光学UV胶滴落在目的基底上，其表面的曲线形状实时变化，适时的用一定功率紫外光照射进行固化，最后将UV光学胶滴固化成吻合设计形状的光学微透镜，这种微透镜专门用于生物芯片光学微检测系统中，见专利“原位成形式光学微透镜的激光微制造装置及方法”【CN 102230978 A】。这种方法解决了微透镜制造过程的两大难题：1、保证了透镜底部水平面的平整度与光轴之间的垂直度；2、保证了微透镜光轴与激发光源或者光电转换器件中心对称轴精确的对准。在原位成形微透镜制作过程中面临的关键技术问题是光学UV胶滴(下面简称胶滴)顶冠在铺展过程中三种非球面面形(抛物线形，双曲面行，椭圆形)变化规律的揭示与控制，包括变化的速率，三种曲面出现次序规律的掌握和控制，在此基础上才能有效实现基于光学胶滴的原位成形光学微透镜的激光制造技术。目前有三种面形控制工艺，一种是通过高压装置对胶滴表面直接施加作用力，此作用力与与液滴表面张力共同作用实现面形变化的控制，另一种是通过在胶滴中掺入纳米石英颗粒，通过掺入纳米石英颗粒改变胶滴浓度实现胶滴表面张力的变化达到面形变化的控制目的，第三种是通过改变基底的表面粗糙度来实现面形变化的控制。在实际制作过程中发现高压控制工艺装置复杂，导致微透镜制造成本高，而且操作起来危险性很高，而且这种方法对胶滴张力的作用方向是顺着电场方向固定的，对面形复杂的非球面控制效果很差；第二种工艺复杂，由于纳米物质的团聚现象，纳米颗粒浓度与面形变化控制之间的关系难以掌握，而且在微透镜制造之前就已完成掺杂，制作过程中不能再对掺杂浓度进行调整，这样制作完成的微透镜往往不能达到任意的目标面形；而改变基底粗糙度的工艺通过对基底的表面进行打磨，操作虽然相对简单，但是也是在制造过程之前就已完成，制造过程中不能进行改变，大大阻碍了面形的实际可选择性。

基于此，本发明提出一种通过温度控制紫外光学胶流淌性的方法，在微透镜制造过程中升高或降低温度，引起胶滴表面张力的变化,即改变其粘度，使其原有沾湿润湿状态发生平面铺展或球形收缩，进而可以获得多种不同条件下胶滴非球面顶冠变化的规律，实现原位成形光学微透镜制造过程中光学胶滴不同面形的控制。

发明内容

本发明提出一种原位成形微透镜制造过程中UV胶粘度控制工艺，该工艺为一种利用温度控制紫外光学胶流淌性的方法，通过温度的升高或者降低增加或者减少紫外光学胶的粘度，使得胶滴的流淌性得到控制，此时胶滴非球表面曲率半径也得到了控制，适时的使用紫外光束对其进行照射，完成特定面形原位成形微透镜的制作。其理论基础如下：铺展静止后的胶滴曲面在任意一个竖直平面内的截面如图1所示，该截线是个左右对称的曲线，设顶点O为坐标原点，建立直角坐标系，水平方向为x轴、向右为正，竖直方向为z轴、向下为正。G为表面曲线上任意一个观察点，其位置除用直角坐标x、z表示外，还能够用弧坐标s和角坐标θ表示，s为从顶点O到G点的弧长，θ为G点处的切线与水平方向之间的夹角。

若胶滴除了受重力作用以外，不受其它外力，则G点处胶滴内的压强为

胶滴外的压强为其中和分别为顶点O处胶滴内、外的压强，ρ_胶和ρ_空分别为胶和空气的密度，g为重力加速度。两式相减，可得到G点附加压强为

Δp_G＝Δp_O+Δρgz

其中Δρ为胶滴与空气的密度差，由于空气密度远小于胶的密度，实际计算时用ρ_胶代替Δρ，Δp_O为顶点O的附加压强，由于对称性，O点处的两个正曲率半径相等，记为R_O，由式计算，σ为胶滴的表面张力系数。Δp_G由式计算。为确定两个正曲率半径，过G点作两个正交平面，一个即纸面，该平面中G点处圆弧的曲率中心为O₁，曲率半径为R₁，用曲率半径的定义进行计算

dθ和ds分别为G点处的角坐标与弧坐标的微分。另一个平面与纸面垂直，它与纸面的交线为G点切线的法线GO₂，该平面内G点处圆弧的曲率中心O₂在z轴上，曲率半径为R₂，计算方法为

由此得到胶滴的表面方程组

式中参数L的定义为光学胶的特征长度，该参数L取决于光学胶本身的性能，并且具有长度的量纲。

胶滴表面方程组的求解需要给定V、θ、L三个胶滴性能参数，性能参数的变化，会引起胶滴表面形状的变化。其中V是胶滴体积，它对于目标微透镜是固定的，θ、L取决于胶滴表面张力系数σ和两个界面张力系数σ_玻胶和σ_玻空，通过改变这三个系数就可以达到微透镜表面形状的控制，温度越低，张力系数越大，胶滴收缩程度越高，温度越低，胶滴伸展程度越高。通过温度的升高降低可以改变三个张力系数σ，σ_玻胶和σ_玻空，进而改变光学胶的流淌性能，实现改变胶滴表面形状变化规律的目的，使用面形检测装置实时检测紫外光学胶滴表面形状，然后通过半导体制冷片干预其面形的变化，适时采用紫外光源照射最终完成微透镜的固化成形。

基于以上原理，本发明拟采取的技术方案如下：

如上图所示1为背景光源模块1、柔光板2、隔热材料腔3、胶滴释放导管4、精密注射泵5、紫外光源6、未完成固化的紫外光学胶滴7、目的基底8、半导体制冷片a9、半导体制冷片b10、CCD模块11、上位机12。背景光源模块1、精密注射泵5、半导体制冷片a9、半导体制冷片b10均受到上位机12的控制。两个半导体制冷片a9和b10可以起到调节胶滴温度的作用，从而改变了σ，σ_玻胶和σ_玻空，胶滴表面形状变化规律也得到改变和控制，隔热材料腔3是为了使腔内温度与腔外进行隔绝，使温度更好的得到控制。精密注射泵5内装有紫外光学胶，通过胶滴释放导管4将精密注射泵5内的紫外光学胶胶滴释放到目的基底8上，根据设计面形的要求改变半导体制冷片a9、半导体制冷片b10的工作方式使得紫外光学胶滴流淌性得到控制，在捕捉到设计面形的时候开启紫外光源6对胶滴顶冠进行预固化，此时胶滴表面已经成型。预固化完成后继续通过改变半导体制冷片a9、半导体制冷片b10的工作方式使得胶滴顶冠高度得到调整，从而使非球面透镜的焦点调整到目的基底8的工作面上。背景光源模块1、柔光板2设置在隔热材料腔3的外面，作用是为了在CCD模块11采集紫外光学胶滴轮廓图像时避免胶滴表面反射光线的影响。

本发明发明点主要有以下两个方面：1、通过温度的改变引起光学胶滴张力系数的改变，即改变胶滴粘度，从而改变光学胶滴非球面顶冠的形状变化的规律；2、在各种非球面胶滴变化过程中，采用强激光在捕捉到胶滴非球面顶冠形状与设计形状吻合时对胶滴表面进行预固化，然后通过改变温度调整非球面顶冠的高度，使得其焦点落在需要的工作面上。

相比目前的三种原位成形微透镜面形控制工艺，本发明提出的通过温度控制光学UV胶滴粘度，进而控制胶滴面形的方法具有如下优点：

1、去除了高压装置，简化了制造设备，节省了微透镜制造成本。

2、不需要进行如掺杂或者基底粗糙度改变的预处理，在掌握温度和三种曲面形状变化规律之间关系的基础上，直接在制造过程中控制面形的改变，大大简化了制作工艺。

3、在各种非球面胶滴变化过程中，采用强激光在捕捉到胶滴非球面顶冠形状与设计形状吻合时对胶滴表面进行预固化，然后通过改变温度调整非球面顶冠的高度，使得其焦点落在需要的工作面上，即具有微透镜焦点调节的功能，这是其他工艺难以做到的。

附图说明

图1为铺展静止后的胶滴截面受力图。

图2为基于温度控制的原位成形微透镜制造装置示意图

具体实施方式

结合图2说明本发明的一种具体实施方式，背景光源1采用采用四针吸顶H型灯管，隔热材料腔3材质采用JGS2紫外光学石英玻璃，精密注射泵5采用V6精密注射泵，紫外光源6采用激光光源，能量密度限制在5J/cm²以内。通过上位机12控制电路给半导体制冷片a9和半导体制冷片b10通正向电流，使得半导体制冷片开始制冷，当腔内温度接近5℃时使精密注射泵5中的紫外光学胶通过胶滴释放导管4释放到目的基底8上，体积约为10μl，此时通过CCD模块11检测到胶滴形状的变化，由于温度较低，此时胶滴粘度较大，流淌性较差，胶滴收缩程度较高(曲率半径较小)，面形变化速率慢，在即将达到设计面形的时候开启紫外光源6(能量密度约为5J/cm²)对紫外光学胶滴7进行预固化后关闭紫外光源6，同时给半导体制冷片a9和半导体制冷片b10通反向电流，温度升高后胶滴收缩程度降低，顶冠高度开始下降，当非球面焦点落在可通过位移平台控制位置的目的基底8上时开启紫外光源6(能量密度约为3J/cm²)直至胶滴固化完成。

Claims (2)

1.一种原位成形微透镜制造过程中UV胶粘度控制工艺，其特征在于：该工艺为一种利用温度控制紫外光学胶流淌性的方法，通过温度的升高或者降低增加或者减少紫外光学胶的粘度，使得胶滴的流淌性得到控制，此时胶滴非球表面曲率半径也得到了控制，适时的使用紫外光束对其进行照射，完成特定面形原位成形微透镜的制作；其理论基础如下：铺展静止后的胶滴曲面与任意一个竖直平面形成的截线，该截线是个左右对称的曲线，设顶点O为坐标原点，建立直角坐标系，水平方向为x轴、向右为正，竖直方向为z轴、向下为正；G为表面曲线上任意一个观察点，其位置除用直角坐标x、z表示外，还能够用弧坐标s和角坐标θ表示，s为从顶点O到G点的弧长，θ为G点处的切线与水平方向之间的夹角；

若胶滴除了受重力作用以外，不受其它外力，则G点处胶滴内的压强为

p_G胶＝p_O胶+ρ_胶gz

胶滴外的压强为p_G空＝p_O空+ρ_空gz；其中p_O胶和p_O空分别为顶点O处胶滴内、外的压强，ρ_胶和ρ_空分别为胶滴和空气的密度，g为重力加速度；两式相减，可得到G点附加压强为

Δp_G＝Δp_O+Δρgz

其中Δρ为胶滴与空气的密度差，由于空气密度远小于胶滴的密度，实际计算时用ρ_胶代替Δρ，Δp_O为顶点O的附加压强，由于对称性，O点处的两个正曲率半径相等，记为R_O，由式计算，σ为胶滴的表面张力系数；Δp_G由式计算；为确定两个正曲率半径，过G点作两个正交平面，一个即纸面，该平面中G点处圆弧的曲率中心为O₁，曲率半径为R₁，用曲率半径的定义进行计算

dθ和ds分别为G点处的角坐标与弧坐标的微分；另一个平面与纸面垂直，它与纸面的交线为G点切线的法线GO₂，该平面内G点处圆弧的曲率中心O₂在z轴上，曲率半径为R₂，计算方法为

由此得到胶滴的表面方程组

式中参数L的定义为紫外光学胶的特征长度，该参数L取决于紫外光学胶本身的性能，并且具有长度的量纲；

胶滴表面方程组的求解需要给定V、θ、L三个胶滴性能参数，性能参数的变化，会引起胶滴表面形状的变化；其中V是胶滴体积，它对于目标微透镜是固定的，θ、L取决于胶滴表面张力系数σ和两个界面张力系数σ_玻胶和σ_玻空，通过改变这三个系数就可以达到微透镜表面形状的控制，温度越低，张力系数越大，胶滴收缩程度越高，温度越低，胶滴伸展程度越高；通过温度的升高降低可以改变三个张力系数σ，σ_玻胶和σ_玻空，进而改变紫外光学胶的流淌性能，实现改变胶滴表面形状变化规律的目的，使用面形检测装置实时检测胶滴表面形状，然后通过半导体制冷片干预其面形的变化，适时采用紫外光源照射最终完成微透镜的固化成形。

2.利用权利要求1所述控制工艺进行的一种原位成形微透镜制造过程中UV胶粘度控制装置，其特征在于：该控制装置背景光源模块(1)、柔光板(2)、隔热材料腔(3)、胶滴释放导管(4)、精密注射泵(5)、紫外光源(6)、未完成固化的紫外光学胶滴(7)、目的基底(8)、半导体制冷片a(9)、半导体制冷片b(10)、CCD模块(11)、上位机(12)；背景光源模块(1)、精密注射泵(5)、半导体制冷片a(9)、半导体制冷片b(10)均受到上位机(12)的控制；半导体制冷片a(9)和半导体制冷片b(10)起到调节胶滴温度的作用，从而改变了σ，σ_玻胶和σ_玻空，胶滴表面形状变化规律也得到改变和控制，隔热材料腔(3)是为了使腔内温度与腔外进行隔绝，使温度更好的得到控制；精密注射泵(5)内装有紫外光学胶，通过胶滴释放导管(4)将精密注射泵(5)内的紫外光学胶释放到目的基底(8)上，根据设计面形的要求改变半导体制冷片a(9)、半导体制冷片b(10)的工作方式使得紫外光学胶流淌性得到控制，在捕捉到设计面形的时候开启紫外光源(6)对胶滴顶冠进行预固化，此时胶滴表面已经成型；预固化完成后继续通过改变半导体制冷片a(9)、半导体制冷片b(10)的工作方式使得胶滴顶冠高度得到调整，从而使非球面透镜的焦点调整到目的基底(8)的工作面上；背景光源模块(1)、柔光板(2)设置在隔热材料腔(3)的外面，作用是为了在CCD模块(11)采集胶滴轮廓图像时避免胶滴表面反射光线的影响。