CN107356993A - 一种微透镜阵列的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：（1）在基底1上采用磁场诱导自组装磁性胶体粒子2单层膜；（2）以磁性胶体粒子2为掩膜、采用电沉积工艺得到沉积层3；（3）在磁性胶体粒子2和沉积层3上浇注聚合物4，固化后剥离聚合物4，得到微透镜母模5；（4）在微透镜母模5上浇注聚合物6并固化，翻制微透镜阵列7。通过调节沉积的厚度和粒子尺寸来改变模具的尺寸，从而控制微透镜阵列的尺寸。本发明具有工艺简单、参数可调、制作成本低、模具可重复使用、加工精度高以及均匀性好等优点。

Description

一种微透镜阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及一种微透镜阵列的制作方法，属于微纳米结构制备技术领域。
背景技术
近年来，随着微光电子机械系统（MOEMS，Micro-Opto-Electro-MechanicalSystem）的发展，用于MOEMS的微光学元件受到越来越多的关注与研究，在MOEMS中具有重要作用的一个元件就是体力小、重量轻、便于集成化、阵列化的微透镜阵列。微透镜阵列是由一系列尺寸相同的透镜按照一定的周期排列而成的微光学器件，其中每个微透镜的尺寸在几微米到几毫米之间。微透镜阵列因可以使光束转化为指定强度的光斑，实现光束的聚焦、发射、偏折、分割、复合等作用而被广泛的用于光束整形、器件互连、三维成像、光开关、光通讯、光纤耦合等领域。
目前，已有多种方法可用于加工微透镜阵列，如激光加工、光刻胶热熔法、电场诱导流变成型法、受限微孔电湿润法、离子交换法等，但以上方法具有加工成本高、加工精度低、难控制以及不适用于大面积微透镜阵列的加工等缺点。此外，模具转印法加工微透镜阵列因其加工效率高、适用于大批量加工、模具可重复使用的优点而备受关注，但用于转印的模具的制作困难限制了其使用范围，目前用于转印的模具的制作有光刻法、刻蚀法等，开模周期比较长、成本高、模具精度低，因而转印得到的微透镜阵列制作周期长、质量差。现有专利（CN1772463A）中提出一种在高软化低弹点聚合物表面自组装胶体粒子并进行加热处理，随后采用HF去除粒子并进行模压得到微透镜阵列的方法，但这种方法胶体粒子的自组装过程比较复杂。
发明内容
本发明针对现有模具转印加工微透镜阵列加工周期长、加工精度低等缺点，提出一种以快速自组装磁性胶体粒子为掩膜采用沉积工艺制作模具、通过转印方法加工微透镜阵列的方法。包括以下步骤。
（1）在基底上采用磁场诱导自组装磁性胶体粒子单层膜；采用有机溶剂和蒸馏水对基底进行清洗并烘干，在磁场力的作用下采用磁场诱导自组装方法在基底上组装单层规律排列的磁性胶体晶体粒子阵列。
（2）以磁性胶体粒子为掩膜、采用电沉积工艺得到沉积层；以单层规律排列的磁性胶体粒子为掩膜，采用沉积工艺在磁性胶体粒子间隙中进行沉积，至沉积层厚度大于等于磁性胶体粒子半径为止，其具体厚度由所需微透镜尺寸要求确定。
（3）在磁性胶体粒子和沉积层上浇注聚合物，固化后剥离聚合物，得到微透镜母模；以沉积层和未被沉积层包裹的磁性胶体粒子为模具，在其上浇注液态聚合物，聚合物固化后，从沉积层和粒子上剥离聚合物、得到和沉积层及粒子形状相反的聚合物结构阵列，为后继制备微透镜的母模。
（4）在微透镜母模上浇注聚合物并固化，翻制微透镜阵列。以得到的微透镜母模为模具、在其上填充液态聚合物，固化后从微透镜母模上剥离聚合物，得到与磁性胶体粒子图形一致的微透镜阵列。
与现有的模具转印制作微透镜阵列的方法相比，本发明采用以磁性胶体粒子为掩膜结合沉积技术制作模具母模并进行翻制，得到周期性良好的微透镜阵列，通过控制沉积的厚度和选用的粒子尺寸来调控模具上微结构的尺寸和深度，从而控制微透镜阵列。与其它微透镜阵列制作方法相比，本发明的特点在于模具制作工艺简单，且可以重复使用，从而降低了制作成本，提高了制作效率，且制作的微透镜阵列周期性良好、精度高。
附图说明
图1为在基底表面上在磁场力作用下磁场诱导组装磁性胶体粒子示意图。
图2为在磁性胶体粒子之间的间隙内电沉积金属层工艺示意图。
图3为沉积之后胶体粒子之间覆有沉积层的结构示意图。
图4制备微透镜模具母模工艺示意图。
图5为制备的微透镜母模阵列示意图。
图6为以微透镜母模为模具、翻制微透镜阵列工艺示意图。
图7为翻制的微透镜阵列示意图。
其中：1为基底；2为磁性胶体粒子，3为沉积层，4为聚合物，5为微透镜母模，6为聚合物，7为微透镜阵列。
具体实施方式
本实施方式中以单层的磁性胶体粒子为掩膜、采用电沉积工艺制作微透镜母模，下面结合附图说明本实施方式。
（1）在基底1上采用磁场诱导自组装磁性胶体粒子2单层膜。选用表面光滑的材料作为基底1，采用有机溶剂（如丙酮、乙醇）和蒸馏水交替对基底1进行清洗并烘干。在基底1上滴涂一定量的磁性胶体粒子2悬浮液，将基底1置入磁场中并进行超声振荡分散。磁性胶体粒子2在磁场的作用下被极化为磁偶极子，磁偶极子间通过静磁力的相互作用下在基底1上有序排列，干燥后形成周期性排列的单层胶体粒子掩膜，如图1所示。
所述的基底1为可导电的光滑平面材料，如金属镍、不锈钢、ITO玻璃或表面带有导电层的玻璃。
所述的磁性胶体粒子2为绝缘的高分子磁性胶体粒子或在磁场中可被磁化的绝缘胶体粒子，如磁性二氧化硅胶体粒子或磁性聚苯乙烯胶体粒子，其直径由微透镜所需尺寸确定，本发明选择的直径范围为500nm~20μm。
所述磁场的强度以其磁场力可以改变磁性粒子的排列为基准，本发明选择强度为1~2T的磁场。
（2）以磁性胶体粒子2为掩膜、采用电沉积工艺得到沉积层3。以磁性胶体粒子2为掩膜，以基底1为阴极在磁性胶体粒子之间的空隙中电沉积金属，得到沉积层3，如图2所示，至沉积层3厚度大于等于磁性胶体粒子2半径为止，如图3所示。
所述沉积层3的金属为电沉积性好的金属，如镍、铜。
所述沉积层3厚度根据磁性胶体粒子2的半径确定，至少不小于磁性胶体粒子2半径、但小于磁性胶体粒子2直径，其具体厚度由所需微透镜尺寸要求确定。
（3）在磁性胶体粒子2和沉积层3上浇注聚合物4，固化后剥离聚合物4，得到微透镜母模5。以沉积层3和未被沉积层包裹的磁性胶体粒子2为模具，在其上浇注液态聚合物4，如图4所示。在一定温度下保温一定时间使聚合物4固化后，从沉积层3和磁性胶体粒子2上剥离聚合物、得到和沉积层3及磁性胶体粒子2形状相反的聚合物结构阵列，为后继制备微透镜的母模5，如图5所示。
所述聚合物4为抗粘附性良好的高分子材料，适用于常温浇注工艺，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、或特氟龙（Teflon），其固化温度选择50~60℃，保温时间为1~4小时。
（4）在微透镜母模5上浇注聚合物6并固化，翻制微透镜阵列7。以得到的微透镜母模5为模具、在其上浇注聚合物6，在一定温度下保温一定时间，固化后从微透镜母模5上剥离聚合物6，得到和磁性胶体粒子结构一致的微透镜阵列7，如图6和7中所示。
所述的聚合物6为微透镜所需材料，适用于常温浇注工艺的高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、或环氧树脂，其固化温度选择50~60℃，保温时间为1~4小时。

Claims (7)

1.本发明提出一种微透镜阵列的制作方法，其特征包括以下步骤：
（1）在基底1上采用磁场诱导自组装磁性胶体粒子2单层膜；
（2）以磁性胶体粒子2为掩膜、采用电沉积工艺得到沉积层3；
（3）在磁性胶体粒子2和沉积层3上浇注聚合物4，固化后剥离聚合物4，得到微透镜母模5；
（4）在微透镜母模5上浇注聚合物6并固化，翻制微透镜阵列7。
2.根据权利要求1中所述的一种微透镜阵列的加工方法，其特征在于：所述的基底1为可导电的光滑平面材料，如金属镍、不锈钢、ITO玻璃或表面带有导电层的玻璃。
3.根据权利要求1中所述的一种微透镜阵列的加工方法，其特征在于：所述的磁性胶体粒子2为绝缘的高分子磁性胶体粒子或在磁场中可被磁化的绝缘胶体粒子，如磁性二氧化硅胶体粒子或磁性聚苯乙烯胶体粒子。
4.根据权利要求1中所述的一种微透镜阵列的加工方法，其特征在于：所述的磁性胶体粒子2的自组装方法采用磁场诱导自组装方法，胶体粒子2在磁场中被磁化为磁偶极子，磁偶极子间通过静磁力的作用进行有序排列，自组装后的粒子层数为单层。
5.根据权利要求1中所述的一种微透镜阵列的加工方法，其特征在于：所述的沉积层3的材料可以是沉积性良好的金属，如镍、铜，且沉积层3的厚度不小于所选用的胶体粒子2的半径，但小于胶体粒子2直径。
6.根据权利要求1中所述的一种微透镜阵列的加工方法，其特征在于：所述聚合物4为抗粘附性良好的高分子材料，适用于常温浇注工艺，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、或特氟龙（Teflon）。
7.根据权利要求1中所述的一种微透镜阵列的加工方法，其特征在于：所述的聚合物6为微透镜所需材料，适用于常温浇注工艺的高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、或环氧树脂。
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