CN108680970B - 一种微透镜阵列及其微流控芯片的制作方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微透镜阵列的制作方法，包括将光刻胶液体与酒精液体交汇于同一输出管道内，光刻胶液体被酒精液体切断形成光刻胶液滴，使用多个输出管道将所述光刻胶液滴均匀滴落在腔体表面形成液滴阵列，待光刻胶液滴完全固化及腔体表面的酒精液体完全蒸发后，得到微透镜阵列。本发明还公开了一种微透镜阵列的制作系统、微流控芯片以及制作方法。采用本发明制作方法可制作大面积微透镜阵列，阵列面积，单个透镜的半径及孔径均可控，从而可以实现不同需求的微透镜阵列。

Description

一种微透镜阵列及其微流控芯片的制作方法及系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种微透镜阵列及其微流控芯片的制作方法及系统。

背景技术

微透镜阵列是一种重要的微光学器件,通过对形状、排布、占空比等参数的设计，微透镜阵列可以实现扩散、整形、均匀、聚焦、成像等功能，其被广泛应用于光学信息处理、光互连、光束整形、成像等技术领域。微透镜阵列的广泛应用促使其制备要求简易化和低成本化。

针对上述需求，现有技术公开专利“一种微透镜阵列的制作方法”(专利公开号：CN103955014A，公开日：20140730)公开了一种基于激光打点在基板上后通过硅胶聚合物复刻来制备微透镜阵列的方法。该方法需要调整激光器的功率靶面，对设备要求高，操作过程复杂，制作成本高，微透镜的表面平滑度低。另一公开专利“微透镜阵列模具的制作方法”(专利公开号：CN103353627A，公开日：20131016)通过在金属模具上涂覆UV固化胶后利用匀胶机在真空环境下旋转后剥离得到模具，通过复刻模具来制作微透镜阵列。此方法需要制作模具，模具制作复杂且重复率低，阵列面积大小由模具单一决定，无法根据需求变化。

为使制作要求简易化低成本化，并且克服上述现有技术设备要求要、阵列面积不可调、操作过程复杂、制作成本高等缺陷，本发明提出一种微透镜阵列的制作方法。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明提出的一种微透镜阵列的制作方法，包括：将光刻胶液体与酒精液体交汇于同一输出管道内，光刻胶液体被酒精液体切断形成光刻胶液滴，使用多个输出管道将所述光刻胶液滴均匀滴落在腔体表面形成液滴阵列，待光刻胶液滴完全固化及腔体表面的酒精液体完全蒸发后，得到微透镜阵列；所述腔体为PDMS腔体。

本发明提出的所述微透镜阵列的制作方法中，所述光刻胶液体被酒精液体切断形成光刻胶液滴包括：将酒精液体按第一注入速率注入连续相管道内；将光刻胶液体按第二注入速率注入分散相管道内；连续相管道与分散相管道正交并与输出管道连接；所述酒精液体在管道交叉处对光刻胶液体施加剪切力，使光刻胶液体断裂形成光刻胶液滴。

本发明提出的所述微透镜阵列的制作方法中，所述管道交叉处自发形成光刻胶液滴的形成条件如下：

F_p＝μ_cQ_cω/h²ε³，F_τ＝μ_cQ_cω/ε²，F_p>>F_τ；

上式中，F_p表示分散相液滴在管道交界处所受到的压力；F_τ表示分散相液滴的黏性力；ε表示液滴与所处管道壁面之间的距离为，μ_c是连续相液体的粘度，Q_c是连续相液体的流量，ω、h分别代表管道的宽度和高度。

本发明提出的所述微透镜阵列的制作方法中，分别使用第一注射泵和第二注射泵注入光刻胶液体和酒精液体。

本发明提出的所述微透镜阵列的制作方法中，使用紫外光照射腔体表面使光刻胶液滴完全固化。

本发明还提出了一种制作微透镜阵列的微流控芯片，包括内部设有中空的分散相管道的分散相层，以及内部设有中空的连续相管道的连续相层；所述分散相管道和所述连续相管道分别具有相连通的分散相注入口和连续相注入口；所述分散相管道向所述连续相层延伸并所述连续相管道交叉，交叉后形成输出管道向外部延伸形成输出口。

本发明提出的所述微流控芯片中，分散相管道的宽度ω和高度h满足如下条件：

F_p＝μ_cQ_cω/h²ε³，F_τ＝μ_cQ_cω/ε²，F_p>>F_τ；

上式中，F_p表示分散相液滴在管道交界处所受到的压力；F_τ表示分散相液滴的黏性力；ε表示液滴与所处管道壁面之间的距离为，μ_c是连续相液体的粘度，Q_c是连续相液体的流量，ω、h分别代表管道的宽度和高度。

本发明还提出了一种制作微透镜阵列的系统，包含所述的微流控芯片、与所述连续相注入口连接的第一注射泵、与所述分散相注入口连接的第二注射泵、以及设置在所述微流控芯片的输出口的腔体；所述腔体为PDMS腔体，所述第一注射泵内填充酒精液体，所述第二注射泵内填充光刻胶液体。

本发明还提出了一种所述微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

将浓硫酸与双氧水混合并煮沸，将硅片浸泡在其中，取出后洗净并吹干加热；

将SU-8GM2075光刻胶倾倒在硅片上，手动摆匀放置匀胶机片托，静置1～2分钟；

根据光刻胶文件参数，烘烤涂胶硅片，之后取片冷却；

用紫外辐照计测出光刻机辐照能量及所需要的时间，对硅片进行曝光；

调整中烘时间进行中烘；

中烘冷却后对硅片使用显影液进行显影，将残留显影液洗净并利用氮气枪吹干；

利用试剂对硅片表面进行输水修饰；

调配PDMS后对硅片进行浇筑，后放入烘箱内进行烘烤，烘干后脱模；

脱膜后对PDMS进行切割打孔，利用等离子进行键合，后放入烘箱内至少烘烤一小时取出，得到微控流芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提出一种基于微流控芯片的微透镜阵列的制作方法，能够高度集成地在单位时间内生成数量庞大的透镜阵列，单个透镜的直径小(小于50μm)，具有单个透镜曲面完整、透镜阵列面积大、紧凑排列的效果。

附图说明

图1为本发明微透镜阵列制作系统的示意图；

图2为本发明方法制作的PDMS微流控芯片；

图3为本发明方法制作后的微透镜阵列示意图。

图中，1-第一注射泵，2-第二注射泵，3-连续相注入口，4-分散相注入口，5-连续相管道，6-分散相管道，7-输出管道，8-PDMS腔体，9-微流控芯片。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明提出的微透镜阵列及其微流控芯片的制作方法及系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明提出的微透镜阵列的制作方法包括：光刻胶液体被酒精液体切断形成光刻胶液滴包括：将酒精液体按第一注入速率注入连续相管道内；将光刻胶液体按第二注入速率注入分散相管道6内；连续相管道与分散相管道6正交并与输出管道7连接；酒精液体在管道交叉处对光刻胶液体施加剪切力，使光刻胶液体断裂形成光刻胶液滴。更为优选地，分别使用第一注射泵1和第二注射泵2注入光刻胶液体和酒精液体，第一注射泵1和第二注射泵2可连接计算机控制注入速率。更为优选地，使用紫外光照射腔体8表面使光刻胶液滴完全固化。

其中，管道交叉处自发形成光刻胶液滴的形成条件如下，分散相液滴在管道交界处所受到的压力F_p表达式如下：

F_p＝μ_cQ_cω/h²ε³

上式中，液滴与管道壁面之间的距离为ε，μ_c是连续相液体的粘度，Q_c是连续相液体的流量，ω、h分别代表管道的宽度和高度。随着分散相液体流入连续相管道的体积变大，ε变小，F_p将逐渐变大直到远远大于分散相液体的黏性力F_τ，其中

F_τ＝μ_cQ_cω/ε²

从而断裂形成液滴。最终，形成的微液滴在腔内均匀排布，经过UV固化后，形成微透镜阵列。

如图1和图2所示，本发明提出了一种制作微透镜阵列的系统，包含微流控芯片9、与连续相注入口3连接的第一注射泵1、与分散相注入口4连接的第二注射泵2、以及设置在微流控芯片9的输出口的腔体8；腔体8为PDMS腔体，第一注射泵1内填充酒精液体，第二注射泵2内填充光刻胶液体。其中，微流控芯片9包括内部设有中空的分散相管道6的分散相层，以及内部设有中空的连续相管道5的连续相层；分散相管道6和连续相管道5分别具有相连通的分散相注入口4和连续相注入口3；分散相管道6向连续相层延伸并连续相管道5交叉，交叉后形成输出管道7向外部延伸形成输出口。

以下提供具体实施例1进一步阐述微透镜阵列的制作过程。

实施例1制作微透镜阵列

所示用5mL针筒抽取酒精液体5mL，将针头连接导管，导管出口处插入针嘴，将针嘴插入制作好的微流控芯片9下层的连续相注入口3中。

用5mL针筒抽取SU-8 GM2010光刻胶5mL，利用真空机抽真空，置于80℃烤箱中加热20min，取出后利用锡箔纸包裹避光，将针头连接导管，导管出口处插入针嘴，将针嘴插入制作好的微流控芯片9分散相注入口4中。

将注有酒精的针筒放置在注射泵1上，调节注射速率为10μL/min，注入微流控芯片9中，使酒精充满管道以及腔体8。

将注有光刻胶的针筒放置在第二注射泵上，注射速率为0.05μL/min，在管道交叉处的T型结构光刻胶液体被酒精切断，形成液滴。液滴形成如图1所示。

关于上述微流控芯片9的制作过程，以下结合具体实施例2做进一步阐述。

实施例2制作微流控芯片9

1)加工微流控芯片9：将浓硫酸与双氧水按质量比3:1混合并煮沸，将硅片浸泡15分钟，用无水乙醇清洗1分钟，丙酮清洗1分钟、超纯水冲洗、氮气枪吹干，200℃电热板加热烘干15分钟。

2)将SU-8GM2075光刻胶倾倒在硅片上，手动摆匀放置匀胶机片托，静置1～2分钟。根据温湿度及以往记录数据；设定转速、时间；温度影响光刻胶粘稠度；湿度影响光刻胶与衬底粘附力，设定匀胶机转速，500rpm 5s，1500rpm 20s，预估涂布厚度100um左右。

3)根据光刻胶文件参数，烘烤涂胶硅片，65摄氏度接触式烘烤5分钟，或95摄氏度烘烤30分钟烘干，取片冷却。

4)用紫外辐照计测出光刻机辐照能量，在计算出光刻机所需要的时间，对硅片进行曝光。

5)中烘：合理调整中烘时间，促进交联反应步骤，提高图形结构的分辨率。

6)中烘冷却后对硅片进行显影，一般更换显影液3到4次，将残留尽量洗净氮气枪吹干即可。

7)利用三甲基氯硅烷或以其他硅烷试剂对硅片表面进行输水修饰，保证后续脱模方便。

8)注塑PDMS：将PDMS调配好去除气泡后，对硅片进行浇筑，后放入烘箱内85℃进行烘烤，注意烘箱托盘水平，烘烤时间20分钟，烘干后脱模。

9)脱膜后对PDMS进行切割打孔，利用等离子进行键合，后放入烘箱内85℃进行烘烤一小时或更长，完成微流控芯片9制作。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包括：将光刻胶液体与酒精液体交汇于同一输出管道内，光刻胶液体被酒精液体切断形成光刻胶液滴，使用多个输出管道将所述光刻胶液滴均匀滴落在腔体表面形成液滴阵列，待光刻胶液滴完全固化及腔体表面的酒精液体完全蒸发后，得到微透镜阵列；所述腔体为PDMS腔体；

所述光刻胶液体被酒精液体切断形成光刻胶液滴包括：

将酒精液体按第一注入速率注入连续相管道内；

将光刻胶液体按第二注入速率注入分散相管道内；连续相管道与分散相管道正交并与输出管道连接；

所述酒精液体在管道交叉处对光刻胶液体施加剪切力，使光刻胶液体断裂形成光刻胶液滴；

所述管道交叉处自发形成光刻胶液滴的形成条件如下：

F_p＝μ_cQ_cω/h²ε³，F_τ＝μ_cQ_cω/ε²，F_p＞＞F_τ；

上式中，F_p表示分散相液滴在管道交界处所受到的压力；F_τ表示分散相液滴的黏性力；ε表示液滴与所处管道壁面之间的距离为，μ_c是连续相液体的粘度，Q_c是连续相液体的流量，ω、h分别代表管道的宽度和高度；

制作微透镜阵列的微流控芯片包括内部设有中空的分散相管道的分散相层，以及内部设有中空的连续相管道的连续相层；所述分散相管道和所述连续相管道分别具有相连通的分散相注入口和连续相注入口；所述分散相管道向所述连续相层延伸并所述连续相管道交叉，交叉后形成输出管道向外部延伸形成输出口。

2.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制作方法，其特征在于，分别使用第一注射泵和第二注射泵注入光刻胶液体和酒精液体。

3.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制作方法，其特征在于，使用紫外光照射腔体表面使光刻胶液滴完全固化。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，分散相管道的宽度ω和高度h满足如下条件：

F_p＝μ_cQ_cω/h²ε³，F_τ＝μ_cQ_cω/ε²，F_p＞＞F_τ；

上式中，F_p表示分散相液滴在管道交界处所受到的压力；F_τ表示分散相液滴的黏性力；ε表示液滴与所处管道壁面之间的距离为，μ_c是连续相液体的粘度，Q_c是连续相液体的流量，ω、h分别代表管道的宽度和高度。

5.一种制作微透镜阵列的系统，其特征在于，包含如权利要求1或4所述的微流控芯片、与所述连续相注入口连接的第一注射泵、与所述分散相注入口连接的第二注射泵、以及设置在所述微流控芯片的输出口的腔体；所述腔体为PDMS腔体，所述第一注射泵内填充酒精液体，所述第二注射泵内填充光刻胶液体。

6.一种权利要求1或4所述的微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

将浓硫酸与双氧水混合并煮沸，将硅片浸泡在其中，取出后洗净并吹干加热；

将SU-8GM2075光刻胶倾倒在硅片上，手动摆匀放置匀胶机片托，静置1～2分钟；

根据光刻胶文件参数，烘烤涂胶硅片，之后取片冷却；

用紫外辐照计测出光刻机辐照能量及所需要的时间，对硅片进行曝光；

调整中烘时间进行中烘；

中烘冷却后对硅片使用显影液进行显影，将残留显影液洗净并利用氮气枪吹干；

利用试剂对硅片表面进行输水修饰；

调配PDMS后对硅片进行浇筑，后放入烘箱内进行烘烤，烘干后脱模；

脱膜后对PDMS进行切割打孔，利用等离子进行键合，后放入烘箱内至少烘烤一小时取出，得到微控流芯片。