CN108572405B

CN108572405B - 一种微透镜及其制作方法

Info

Publication number: CN108572405B
Application number: CN201710142178.3A
Authority: CN
Inventors: 李木军; 黄胜洲; 沈连婠
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: CN108572405A

Abstract

本发明提供了一种微透镜及其制作方法，由于氧阻聚层是光固化材料表层与氧气接触形成的一层极薄的液态胶层，该氧阻聚层的厚度在微米级别，通过模具蘸取该氧阻聚层，能够在模具上形成厚度极薄的氧阻聚层液滴，将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上并进行固化，进而能够形成小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜。

Description

一种微透镜及其制作方法

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别涉及一种微透镜及其制作方法。

背景技术

微透镜是一种重要的光学元件，用于折射光线或聚焦光束等，具有体积小、重量轻、集成度高等优点，在光学、光电系统、微机电系统及传感器等领域中有着广泛的应用。

例如，将微透镜设置于发光二极管的发光面，可有效地减少全反射现象+和波导效应，从而提升发光二极管的出光效率；将微透镜设置于太阳能电池的光接收面，可以提供光的吸收效率和电池的光电转换效率；将微透镜设置于光检测器，可以提高光的利用率、改善光检测器的信号与噪音的比率、缩短反应时间、减少失真。

目前制作微透镜结构主要方法有光刻胶热回流技术、微液滴喷射技术等。但是，均无法实现小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜的制作。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种微透镜及其制作方法，实现了小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜的制作。技术方案如下：

一种微透镜的制作方法，包括：

提供光固化材料和基板，所述光固化材料的表层具有液态氧阻聚层；

采用模具蘸取氧阻聚层，在所述模具上形成氧阻聚层液滴；

将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上；

固化粘附在所述基板上的氧阻聚层液滴，形成微透镜。

优选的，所述提供光固化材料，包括：

提供液态光固化材料；

在所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层；

曝光所述氧阻聚层下的液态光固化材料，使所述氧阻聚层下方的液态光固化材料固化。

优选的，所述在所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层，包括：

将液态光固化材料的表层暴露在空气或氧气中，以使所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层；其中，所述液态光固化材料的表层暴露的时间越长，所述预设厚度越大。

优选的，所述光固化材料为光固化树脂。

优选的，所述液态光固化树脂的厚度为10～40微米，所述氧阻聚层的厚度为所述液态光固化树脂厚度的5％～70％。

优选的，所述曝光所述氧阻聚层下的液态光固化材料的曝光剂量为200～1000mJ/cm²。

优选的，所述模具包括凸出部，所述凸出部具有平坦的端面。

优选的，所述采用模具蘸取氧阻聚层，具体为：

将所述模具的凸出部的端部浸入所述氧阻聚层，蘸取氧阻聚层。

优选的，所述模具为PDMS模具。

优选的，所述将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上，具体为：

预设压力下，使所述模具上的所述氧阻聚层液滴接触所述基板，使预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上。

优选的，所述固化粘附在所述基板上的氧阻聚层液滴，包括：

静置所述基板上的氧阻聚层液滴；

曝光所述基板上的氧阻聚层液滴，使所述基板上的氧阻聚层液滴固化。

一种微透镜，其特征在于，采用上述制作方法得到的微透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明中的微透镜及其制作方法，由于氧阻聚层是光固化材料表层与氧气接触形成的一层极薄的液态胶层，该氧阻聚层的厚度在微米级别，通过模具蘸取该氧阻聚层，能够在模具上形成厚度极薄的氧阻聚层液滴，将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上并进行固化，进而能够形成小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例微透镜的制作方法流程图；

图2是本发明实施例模具结构示意图；

图3是本发明实施例中模具蘸取氧阻聚层的示意图；

图4是本发明实施例中模具蘸取氧阻聚层的示意图；

图5是本发明实施例中氧阻聚层液滴粘附至基板的示意图；

图6是本发明实施例中氧阻聚层液滴静置成形示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术所述，目前制作微透镜结构主要方法有光刻胶热回流技术、微液滴喷射技术等。但是，均无法实现小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜的制作。

发明人发现，在进行光固化材料曝光时，由于光固化材料表层与空气中的氧气接触，使得氧气与自由基的聚合反应竞争而消耗自由基，从而形成不易固化的氧阻聚层，而该氧阻聚层的厚度极小。

因此，本发明发明人利用氧阻聚层进行微透镜的制作，得到了尺寸极小的微透镜。

有鉴于此，本发明提出一种微透镜及其制作方法，包括：

提供光固化材料和基板，所述光固化材料的表层具有液态氧阻聚层；采用模具蘸取氧阻聚层，在所述模具上形成氧阻聚层液滴；将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上；固化所述预设量的氧阻聚层液滴，形成微透镜。

以上是本发明的中心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种微透镜的制作方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S110：提供光固化材料和基板，所述光固化材料的表层具有液态氧阻聚层；

步骤S120：采用模具蘸取氧阻聚层，在所述模具上形成氧阻聚层液滴；

步骤S130：将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上；

步骤S140：固化所述预设量的氧阻聚层液滴，形成微透镜。

具体的，首先，执行步骤S110，提供光固化材料和基板，所述光固化材料的表层具有液态氧阻聚层。

其中，所述基板用于为后续的氧阻聚层液滴提供固化平台，因此，所述基板只要具有平坦的表面即可，具体的，所述基地可以为硅基板、载玻片、聚酯薄膜或表面涂有聚四氟乙烯涂层的硅。较优的，所述基板的表面自由能大于后续蘸取氧阻聚层液滴的模具的表面自由能。在本实施例中，所述基板为硅基板。

在本步骤中，提供光固化材料可以包括：

步骤S111：提供液态光固化材料。

其中，所述光固化材料为在光诱导下的可以固化的单体、低聚体或聚合体基质，在本实施例中，所述光固化材料具体为光固化树脂。所述液态光固化材料的厚度可以为10～40微米，本领域技术人员在本发明公开的基础上可以根据实际情况确定具体的厚度，在本实施例中，所述液态光固化材料的厚度为20微米。

步骤S112：在所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层。

具体的，本步骤中可以将液态光固化材料的表层暴露在空气或氧气中，以使所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层；其中，所述液态光固化材料的表层暴露的时间越长，所述预设厚度越大。其中，所述预设厚度可以为液态光固化树脂厚度的5％～70％。在本实施例中，所述预设厚度为5微米。

步骤S113：曝光所述氧阻聚层下的液态光固化材料，使所述氧阻聚层下的液态光固化材料固化。

其中，通过使氧阻聚层下的液态光固化材料，使得氧阻聚层下方为固态，进而在固态光固化材料的表面形成一层预设厚度的氧阻聚层，以便于后续采用模具蘸取氧阻聚层时，可以仅蘸取液态氧阻聚层，而不受光固化材料的影响。

具体的，在本实施例中，所述曝光所述氧阻聚层下的液态光固化材料的曝光剂量为200～1000mJ/cm²。

接着，执行步骤S120，采用模具蘸取氧阻聚层，在所述模具上形成氧阻聚层液滴。

在本实施例中，如图2所示，所述模具200包括凸出部210，所述凸出部具有平坦的端面，以便于蘸取所述氧阻聚层。并且，在本实施例中，所述凸出部端面与待形成的微透镜的最大截面形状相同，具体的，所述凸出部的端面圆形，且所述在本发明的其他实施例中，所述模具200的端面还可以为椭圆形、三角形等其他形状。

其中，在本实施例中，所述采用模具蘸取氧阻聚层，如图3所示，其中，320为固化后的光固化材料，330为氧阻聚层，将所述模具的凸出部210的端部浸入所述氧阻聚层330中，蘸取氧阻聚层。由于本实施例中的氧阻聚层的厚度极小，因此，在本步骤中，如图4所示，所述模具蘸取氧阻聚层后，在模具凸出部的端部形成的氧阻聚层液滴340的厚度也极小。本领域技术人员可以理解，如果对厚度较大的液体胶层进行蘸取，由于液体胶层表面张力的原因，蘸取的液滴的量会很大。而本实施例中形成的氧阻聚层厚度极小，使得本实施例中蘸取得到的氧阻聚层液滴的厚度仅受到氧阻聚层厚度的影响，进而可以得到的液滴的量随之减少。

其中，本实施例中，所述模具为PDMS模具。

另外，在本实施例中，步骤S120之前，还包括：

步骤S100：提供模具。

具体的，步骤S100提供了一种模具的形成方法。具体的，以所述模具为PDMS模具为例，所述方法包括：

步骤S210：在衬底上形成图形化的光刻胶层。

具体的，所述衬底为硅衬底，在本申请其他实施例中，所述衬底还可以是载玻片，清洗并干燥硅衬底，在所述硅衬底上旋涂正性光刻胶，所述光刻胶胶厚大于或等于10微米。并且，对所述光刻胶进行曝光和显影，形成图形化的光刻胶层。其中，可以采用DMD无掩膜曝光工艺得到微孔光刻图形。具体的，采用直径为100微米的圆孔形数字掩膜图形，曝光光源为波长为365纳米的紫外光，曝光剂量是420mJ/cm2，所用光刻胶显影液为AZ400K(1:4)碱性显影液，显影时长为2分钟左右。

步骤S220：在所述光刻胶层上浇注PDMS溶液。

具体的，将配置好的PDMS在空气中静置2小时后浇在光刻图形上，静置30分钟然后在烘箱中90℃下加热30分钟，接着，自然退火冷却至室温。

步骤S230：将固化后的PDMS材料脱模，形成PDMS模具。其中，成型的PDMS厚度大约在2毫米左右。

需要说明的是，在本实施例采用PDMS模具蘸取氧阻聚层时，由于PDMS模具为柔性模具，脱离氧阻聚层液面应沿着PDMS模具一个延伸方向脱离，避免直接向上整体脱离造成蘸取的液滴不均。

接着，执行步骤S130，将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上。

在本实施例中，如图5所示，步骤S130具体为，预设压力下，使所述模具上的所述氧阻聚层液滴340接触所述基板410，使预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板410上。具体的，所述预设压力可以为15N～40N，本实施例中采用20N的压力压在所述PDMS模具上，以确保氧阻聚层液滴与所述基板充分接触。

接着，执行步骤S140，固化粘附在所述基板上的氧阻聚层液滴，形成微透镜。

在本实施例中，步骤S140包括：

步骤S141：静置所述基板上的氧阻聚层液滴。

其中，所述静置的时间可以为20～50分钟，本实施例中静置时间为30分钟。如图6所示，通过静置，可以使得硅基底上的氧阻聚层液滴在表面张力的作用下收缩成半球形结构。

步骤S142：曝光所述基板上的氧阻聚层液滴，使所述基板上的氧阻聚层液滴固化。

其中，通过紫外曝光所述基板上的氧阻聚层液滴，使所述基板上的氧阻聚层液滴完全固化，从而得到稳定的微透镜结构。

本实施例微透镜的制作方法，由于氧阻聚层是光固化材料表层与氧气接触形成的一层极薄的液态胶层，该氧阻聚层的厚度在微米级别，通过模具蘸取该氧阻聚层，能够在模具上形成厚度极薄的氧阻聚层液滴，将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上并进行固化，进而能够形成小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜。

在本发明的另一实施例中，提供了一种采用上述实施例方法制作的微透镜，由于氧阻聚层是光固化材料表层与氧气接触形成的一层极薄的液态胶层，该氧阻聚层的厚度在微米级别，通过模具蘸取该氧阻聚层，能够在模具上形成厚度极薄的氧阻聚层液滴，将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上并进行固化，进而能够形成小尺寸，特别是厚度为微米级别的微透镜。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种微透镜的制作方法，其特征在于，包括：

采用模具蘸取氧阻聚层，在所述模具上形成氧阻聚层液滴；

将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上；

固化粘附在所述基板上的氧阻聚层液滴，形成微透镜。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述提供光固化材料，包括：

提供液态光固化材料；

在所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层；

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述在所述液态光固化材料的表层形成预设厚度的氧阻聚层，包括：

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述光固化材料为光固化树脂。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述液态光固化树脂的厚度为10～40微米，所述氧阻聚层的厚度为所述液态光固化树脂厚度的5％～70％。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述曝光所述氧阻聚层下的液态光固化材料的曝光剂量为200～1000mJ/cm²。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述模具包括凸出部，所述凸出部具有平坦的端面。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述采用模具蘸取氧阻聚层，具体为：

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述模具为PDMS模具。

10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述将预设量的氧阻聚层液滴粘附在所述基板上，具体为：

11.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述固化粘附在所述基板上的氧阻聚层液滴，包括：

静置所述基板上的氧阻聚层液滴；

12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述采用模具蘸取氧阻聚层之前，还包括：提供模具。

13.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述提供模具，包括：

在衬底上形成图形化的光刻胶层；

在所述光刻胶层上浇注PDMS溶液；

将固化后的PDMS材料脱模，形成PDMS模具。

14.一种微透镜，其特征在于，采用权利要求1～13任一项制作方法得到的微透镜。