CN110286427A - Pdms微透镜阵列及利用凹模液相成型制备pdms微透镜阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种PDMS微透镜阵列及利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法，属于微透镜阵列制造技术领域。利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法，包括：在衬底的表面形成液面层，液面层的材料为可固化材料。将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与液面层接触并保持后固化液面层，以使液面层形成与每个圆孔的位置对应的凹面。将PDMS片与固化后的液面层剥离得到微透镜阵列凹模。从微透镜阵列凹模制得PDMS微透镜阵列。利用凹模液相成型的方法制备微透镜阵列凹模，工艺简单、操作容易、成本低廉，由此制得的PDMS微透镜阵列外表面轮廓成型质量高，成像效果好。
Description
技术领域
本申请涉及微透镜阵列制造技术领域，具体而言，涉及一种PDMS微透镜阵列及利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法。
背景技术
软光刻是制造PDMS微透镜阵列的一种常用方法，这种方法需要先制造微透镜阵列凹模，再通过PDMS软光刻得到PDMS微透镜阵列，因此制造微透镜阵列凹模是关键步骤。
凹模可以通过光刻胶热熔技术实现，首先使用光刻技术在硅片衬底上形成光刻胶圆柱阵列微结构，然后加热至光刻胶玻璃态转化温度以上，由于系统能量最小化趋势，光刻胶圆柱结构在熔融状态下转变为半球结构，冷却后得到微透镜阵列母版，最后通过PDMS软光刻制得PDMS微透镜阵列凹模。
湿法刻蚀也被用于制造凹模，将适当的光刻掩膜图案转移到沉积在硅片表面的硬质掩膜上，然后放入酸溶液中对硅片实施各向同性湿法刻蚀，在硅片上形成半球形模子，除去表面硬质掩膜层即得到硅质微透镜阵列凹模。
凹模还可以通过机械拉伸诱导屈曲获得，双向同时拉伸PDMS片直至产生适当应变，在处于拉伸状态的PDMS片一侧放置携带六方结构孔阵列的掩膜进行紫外臭氧处理，其余部分用胶带覆盖。处理后，暴露区域会形成一层硅酸盐薄层。移除掩膜，双向同时释放应变即得到微透镜阵列凹模。
上述制造凹模的方法工艺复杂、操作困难，成本也较高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种PDMS微透镜阵列及利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法，利用凹模液相成型的方法制备微透镜阵列凹模，获得外表面轮廓成型质量高的PDMS微透镜阵列。
第一方面，本申请实施例提供一种利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法，包括：在衬底的表面形成液面层，液面层的材料为可固化材料。将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与液面层接触并保持后固化液面层，以使液面层形成与每个圆孔的位置对应的凹面。将PDMS片与固化后的液面层剥离得到微透镜阵列凹模。从微透镜阵列凹模制得PDMS微透镜阵列。
使用PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的表面接触液面层，圆孔的开口一侧表面与液面层接触，由于Cassie润湿模型原理，液面层的表面能够形成向下凹陷的趋于球面形状的液面，使液相的可固化液面层形成凹模结构。固化具有凹模结构的可固化液面层获得微透镜阵列凹模。从微透镜阵列凹模制得PDMS微透镜阵列，其微结构成型质量良好。
结合第一方面，在另一实施例中，在衬底的表面形成液面层的步骤包括：在衬底的表面滴涂SU-8液，加热至60-70℃保持0.4-0.6h，再继续加热至90-100℃保持。
如果可固化的材料是SU-8液，将SU-8液滴涂在衬底的表面以后，在60-70℃的条件下保持0.4-0.6h，可以去除SU-8液中的溶剂，然后在90-100℃保持，使得SU-8液具有良好的流动性，以便均匀铺展在衬底的表面并保持液相状态。
结合第一方面，在另一实施例中，接触在90-100℃的条件下进行。在90-100℃下，SU-8液的流动性保持在一个合适的范围内，在与PDMS片的圆孔阵列结构接触以后，在接触液面对应圆孔的位置趋于形成下凹曲面。
结合第一方面，在另一实施例中，接触并保持的时间为0.8-3h。在圆孔阵列结构与SU-8液的液面层接触较长的时间，能够形成稳定的下凹曲面结构，在固化的过程中，凹模的形状不会发生变化。
结合第一方面，在另一实施例中，固化液面层的步骤包括：紫外照射液面层15-25s后，在90-100℃的条件下保持0.4-0.6h，再降温至60-70℃保持8-12min后停止加热。
实施紫外曝光后，继续加热使SU-8加速交联固化。
结合第一方面，在另一实施例中，可固化材料为环氧树脂，环氧树脂包括混合的A组分和B组分；形成微透镜凹模的方法包括：在衬底的表面滴涂环氧树脂，环氧树脂在衬底的表面均匀流动铺展形成液面层，将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与液面层接触并保持40h以上使液面层固化，将PDMS片与固化后的液面层剥离得到。
如果可固化的材料是环氧树脂，将环氧树脂滴涂在衬底的表面以后，环氧树脂均匀流动铺展形成液面层，然后使液面层与PDMS片的圆孔阵列结构接触，由于Cassie润湿模型原理，液面层的表面能够形成向下凹陷的曲面结构，在整个过程中，环氧树脂的A组分和B组分发生交联，缓慢固化，获得凹模结构。由于不需要加热，静置一段时间以后就可以自然固化，且过程较为缓慢，因此得到的凹模结构成型质量较SU-8更好。
结合第一方面，在另一实施例中，PDMS片的制备方法包括：制备圆柱体结构阵列凸模。将去除气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物倾倒于圆柱体结构阵列凸模中并固化PDMS混合物。将固化后的PDMS混合物从圆柱体结构阵列凸模上剥离得到。
通过上述方法获得PDMS片，以便后续与液面层形成Cassie接触。
结合第一方面，在另一实施例中，从微透镜阵列凹模制得微透镜阵列的步骤包括：将去除气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物倾倒于微透镜阵列凹模表面并固化PDMS混合物。将固化后的PDMS混合物从微透镜阵列凹模上剥离得到。
实施上述方法以便制得的PDMS微透镜阵列具有良好的外形轮廓成型质量和成像效果。
第二方面，本申请实施例提供一种PDMS微透镜阵列，由上述利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法制备得到。
通过上述方法获得的PDMS微透镜阵列具有良好的外形轮廓成型质量和成像效果。
本申请提供的利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法的有益效果为：
(1)相比现有的凹模制造方法，本发明的凹模液相成型方法具有工艺简单、操作容易、成本低廉的优势。
(2)采用本发明的凹模液相成型方法制造的PDMS微透镜阵列不仅微结构成型质量好，而且具有良好的光学成像效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请实施例中步骤S220的结构示意图：制造具有圆孔阵列的PDMS片；
图2为本申请实施例中步骤S220后的结构示意图：具有圆孔阵列的PDMS片；
图3为本申请实施例中步骤S330的结构示意图：在可固化液面层表面形成向下的凹面；
图4为本申请实施例中步骤S340的结构示意图：固化具有凹面的液面层；
图5为本申请实施例中步骤S340后的结构示意图：微透镜阵列凹模及衬底；
图6为本申请实施例中步骤S420的结构示意图：制造PDMS微透镜阵列；
图7为本申请实施例中步骤S420后的结构示意图：PDMS微透镜阵列；
图8为本实施例1制造的SU-8光刻胶圆柱体结构阵列凸模光学显微图片；
图9为本实施例1制造的SU-8微透镜阵列凹模光学显微图片；
图10为本实施例1制造的SU-8微透镜阵列凹模中单个凹模的表面轮廓；
图11(a)和图11(b)为本实施例1制造的PDMS微透镜阵列表面微观形貌光学显微图片：其中，图11(a)放大倍率50X，图11(b)放大倍率200X；
图12为本实施例1中PDMS微透镜阵列的截面光学显微图片；
图13为本实施例1中PDMS微透镜阵列的单个微透镜的结构示意图；
图14(a)和图14(b)为本实施例1中PDMS微透镜阵列的成像分析图片。
图标：110-圆柱体结构阵列凸模；120-具有圆孔阵列的PDMS片；130-硅衬底；140-可固化液面层；150-微透镜阵列凹模；160-PDMS微透镜阵列。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的PDMS微透镜阵列及利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法进行具体说明。
利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列160的方法，包括如下步骤：
S10，制备圆柱体结构阵列凸模110：图1为本申请实施例中步骤S220的结构示意图。请参阅图1，本申请实施例中，采用SU-8厚胶光刻工艺，制造出SU-8光刻胶圆柱体结构阵列凸模110，每个圆柱体的尺寸是(直径)×250μm(高)。
S20，制备具有圆孔阵列的PDMS片120：图2为本申请实施例中步骤S220后的结构示意图。请一并参阅图1和图2，本申请实施例中：
S210，去除PDMS混合物中的气泡：将PDMS预聚物与固化剂混合，在超声振荡仪中振动3-8min，使混合更加均匀得到PDMS混合物，抽真空20-40min，去除PDMS混合物中的气泡。
其中，PDMS预聚物与固化剂的质量比为10：1，固化剂催化交联反应使PDMS固化，以获得具有圆孔阵列的PDMS片120。
S220，为获得具有圆孔阵列的PDMS片120，将去除气泡的PDMS混合物倾倒至圆柱体结构阵列凸模110中并固化PDMS混合物，将固化后的PDMS混合物从圆柱体结构阵列凸模110上剥离得到具有圆孔阵列的PDMS片120。
可选地，去除了气泡的PDMS混合物浇注到步骤S10获得的SU-8光刻胶圆柱体结构阵列凸模110的中心，均匀倾倒以避免引入气泡。然后将模具放在水平平板上静置，使PDMS混合物流动铺展直至均匀覆盖整个模具。在20-30℃常温下静置30-48h，PDMS混合物固化，然后将具有圆孔阵列的PDMS片120从模具上剥离，即得到具有圆孔阵列的PDMS片120。
本实施例中，使用SU-8光刻胶圆柱体结构阵列凸模110制备具有圆孔阵列的PDMS片120。
S30，制备微透镜阵列凹模150：图3为本申请实施例中步骤S330后的结构示意图；图4为本申请实施例中步骤S340的结构示意图；图5为本申请实施例中步骤S340后的结构示意图。请参阅图3-图5，本申请实施例中：
S310，清洗衬底。可选地，衬底可以是硅衬底130或其它适当的衬底。下面以衬底为硅衬底130为例进行说明。
将硅衬底130(18mm×18mm)浸入丙酮溶液中，在超声振动仪中清洗3-8min取出。然后用去离子水清洗硅片表面后烘干，获得洁净的硅衬底130。
S320，在衬底的表面形成可固化液面层140，液面层的材料为可固化材料。可选地，可固化的材料为SU-8液，在硅衬底130的表面滴涂SU-8液，加热至60-70℃保持0.4-0.6h，再继续加热至90-100℃并保持。
例如：可固化的材料为SU-8 2050液，SU-8 2050液通过购买获得。将0.15-0.2g的SU-8 2050液滴于清洗后的硅衬底130的中心，然后放在电热板上加热(加热温度60-70℃)，在该温度下溶剂逐渐蒸发，0.4-0.6h后将加热温度升至90-100℃以使溶剂继续蒸发并增大SU-8流动性使其液面呈水平均匀铺展，保持90-100℃以维持SU-8的液相状态。
S330，将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与可固化液面层140接触并保持，以使可固化液面层140表面形成与每个圆孔位置对应的向下凹面。可选地，PDMS片的一表面具有圆孔阵列，将具有圆孔阵列的PDMS片120贴于安装在垂直移动架上的水平玻璃板下方，并使具有圆孔阵列的一面朝下，调节移动架，使具有圆孔阵列的PDMS片120缓慢向下移动直至与保持液相状态的SU-8液面(90-100℃加热)接触，并保持接触0.8-3h。
其中，圆孔阵列与SU-8液面的接触为Cassie润湿模型接触。由于表面张力的作用，与每个圆孔的位置对应的液面形成向下的凹面。
S340，固化可固化液面层140后，将具有圆孔阵列的PDMS片120从固化后的可固化液面层140剥离得到微透镜阵列凹模150。
在实施固化可固化液面层140的过程中，首先对SU-8液实施紫外照射15-25s，并在90-100℃的条件下保持0.4-0.6h，再降温至60-70℃保持8-12min后停止加热。实施紫外曝光后，继续加热使SU-8加速交联固化，以得到固化成型的SU-8微透镜阵列凹模150。
可选地，使用紫外灯(紫外线强度为60mW/cm2)照射SU-8液(95℃加热并与具有圆孔阵列的PDMS片120保持接触状态)，使其曝光，照射时间为20s。曝光后保持95℃加热0.5h，然后将加热温度降至65℃，10min后停止加热，使其自然冷却至室温。
在其他实施例中，可固化的材料为环氧树脂，环氧树脂包括混合的A组分和B组分。形成微透镜阵列凹模150的方法包括：在硅衬底130的表面滴涂环氧树脂，环氧树脂均匀流动铺展于硅衬底130的表面形成可固化液面层140，将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与可固化液面层140接触并保持40h以上使可固化液面层140固化。
其中，环氧树脂液体滴涂在硅衬底130上时为液态，将具有圆孔阵列的PDMS片120贴于安装在垂直移动架上的水平玻璃板下方，并使具有圆孔阵列的一面朝下，调节移动架，使具有圆孔阵列的PDMS片120缓慢向下移动直至与保持液相状态的环氧树脂液面接触，形成Cassie润湿模型接触。可固化液面层140的表面能够形成向下凹陷的曲面，且在整个过程中可固化液面层140的A组分和B组分缓慢交联固化，在接触48h以上以后，环氧树脂完全固化，将具有圆孔阵列的PDMS片120从固化后的可固化液面层140剥离得到微透镜阵列凹模150。
S40，制备PDMS微透镜阵列160：图6为本申请实施例中步骤S420的结构示意图；图7为本申请实施例中步骤S420后的结构示意图。请参阅图6和图7，本申请实施例中，从微透镜阵列凹模150制得PDMS微透镜阵列160。由于凹模结构为光滑曲面，从微透镜阵列凹模150制得的PDMS微透镜阵列160具有与之相同的外形轮廓，微结构成型质量良好。
S410，去除PDMS混合物中的气泡：将PDMS预聚物与固化剂混合，在超声振荡仪中振动3-8min，使混合更加均匀，抽真空8-12min，去除混合物中的气泡。
其中，PDMS预聚物与固化剂的质量比为10：1，固化剂催化交联反应使PDMS固化，以获得PDMS微透镜阵列160。
S420，将去除气泡的PDMS混合物倾倒至微透镜阵列凹模150内并固化PDMS混合物，将固化后的PDMS混合物从微透镜阵列凹模150上剥离得到PDMS微透镜阵列160。
可选地，将去除了气泡的PDMS混合物0.2g浇注到S30获得的微透镜阵列凹模150中心部位，保持其水平放置状态，使PDMS混合物流动铺展直至均匀覆盖整个微透镜阵列凹模150，在20-30℃的常温下静置30-48h，PDMS混合物固化，然后将固化的PDMS混合物从微透镜阵列凹模150上剥离，即得到PDMS微透镜阵列160。
通过上述方法制备的PDMS微透镜阵列160具有良好的外形轮廓成型质量和成像效果。
实施例1
利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列160的方法，包括如下步骤：
(1)采用SU-8厚胶光刻工艺制造SU-8光刻胶圆柱体结构阵列凸模110，每个圆柱体的尺寸是(直径)×250μm(高)。
(2)将PDMS预聚物8g与固化剂0.8g混合，在超声振荡仪中振动5min，使混合更加均匀，抽真空30min得到PDMS混合物。
将PDMS混合物均匀倾倒于圆柱体结构阵列凸模110的中心，将模具放在水平平板上静置，使PDMS混合物流动铺展直至均匀覆盖整个模具。在25℃下静置36h，PDMS混合物固化，然后将固化的PDMS从模具上剥离，即得到具有圆孔阵列的PDMS片120。
(3)将硅衬底130(18mm×18mm)浸入丙酮溶液中，在超声振动仪中清洗5min取出，然后用去离子水清洗硅片表面后烘干。
将0.15g的SU-8 2050液滴于清洗后的硅衬底130的中心，然后放在电热板上加热(加热温度65℃)，在该温度下溶剂逐渐蒸发，0.5h后将加热温度升至95℃以使溶剂继续蒸发并增大SU-8流动性使其液面呈水平均匀铺展，保持95℃以维持SU-8的液相状态。
将具有圆孔阵列的PDMS片120贴于安装在垂直移动架上的水平玻璃板下方，并使具有圆孔阵列的一面朝下，调节移动架，使具有圆孔阵列的PDMS片120缓慢向下移动直至与保持液相状态的SU-8液面(95℃加热)接触，并保持接触1h。
使用紫外灯(紫外线强度为60mW/cm2)照射SU-8液(95℃加热并与具有圆孔阵列的PDMS片120保持接触状态)，使其曝光，照射时间为20s。曝光后保持95℃加热0.5h，然后将加热温度降至65℃，10min后停止加热，使其自然冷却至室温。
将PDMS片从固化后的可固化液面层140剥离得到SU-8微透镜阵列凹模150。
(4)将PDMS预聚物2g与固化剂0.2g混合，在超声振荡仪中振动5min，使混合更加均匀，抽真空10min得到PDMS混合物。
将PDMS混合物浇注到微透镜阵列凹模150中心部位，保持其水平放置状态，使PDMS混合物流动铺展直至均匀覆盖整个SU-8微透镜阵列凹模150，在25℃下静置36h，PDMS混合物固化，然后将固化的PDMS从SU-8微透镜阵列凹模150上剥离，即得到PDMS微透镜阵列160。
实验例1
图8为实施例1制造的SU-8光刻胶圆柱体结构阵列凸模光学显微图片。从图片中观察到各圆柱体结构的圆形轮廓高度一致，且圆柱体结构纵横排列整齐规则。
图9为实施例1制造的SU-8微透镜阵列凹模光学显微图片。图片中明亮区域是凹模表面的平面结构，各圆形暗区为下凹曲面结构。各圆形暗区的圆形轮廓高度一致，且圆形暗区纵横排列整齐规则。
利用探针式表面轮廓仪(Veeco，Dektak150)对实施例1制备的SU-8微透镜阵列凹模的表面进行扫描，得到阵列凹模中单个凹模的表面轮廓如图10所示。从图中看到，凹模具有光滑的曲面轮廓。
使用光学显微镜(OLYMPUS,STM6-F10-3)表征实施例1制造的PDMS微透镜阵列表面微观形貌。在光学显微镜下观察PDMS微透镜阵列(图11(a)和图11(b))，可以看到整个阵列横纵排列整齐规则，各微透镜表面微观形貌高度一致；每个微透镜都具有规则的圆形外轮廓，且微透镜阵列表面质量良好。
使用手术刀沿垂直于实施例1制造的微透镜阵列表面的方向切割微透镜阵列，即可在光学显微镜下观察微透镜阵列的截面结构。如图12所示，阵列中各微透镜具有高度一致的凸起光滑曲面轮廓。
由于图11所示的实施例1制造的PDMS微透镜阵列是从图9所示凹模制得，图11所示微透镜阵列中单个微透镜的几何结构尺寸可以由图9所示凹模中单个凹模的表面轮廓获得(图10)，由此可以得到微透镜冠高为70μm，孔径为250μm(图13)。
微透镜焦距测量系统由携带CCD成像的光学显微镜、激光器以及搭载微透镜阵列的移动平台组成，使用该测量系统获得图11所示的实施例1制造的微透镜阵列的焦距测量值为399μm。
微透镜阵列成像系统由携带CCD成像的光学显微镜、微透镜阵列、用于成像的实物以及白光光源组成。成像实物是写在滤纸上的尺寸约5mm的字母“A”，用于成像分析的是图11所示的实施例1制造的PDMS微透镜阵列。成像结果显示(图14(a)和图14(b))，每个微透镜均能清晰成像，整个阵列具有良好的成像效果。倒立的成像实物隐约出现在图14(a)中，用线条标示。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
Claims (10)
1.一种利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法，其特征在于，包括：
在衬底的表面形成液面层，所述液面层的材料为可固化材料；
将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与所述液面层接触并保持后固化所述液面层，以使所述液面层形成与每个所述圆孔的位置对应的凹面；
将所述PDMS片与固化后的所述液面层剥离得到微透镜阵列凹模；
从所述微透镜阵列凹模制得所述PDMS微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液面层的材料为SU-8液或环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底的表面形成液面层的步骤包括：
在所述衬底的表面滴涂SU-8液，加热至60-70℃保持0.4-0.6h，再继续加热至90-100℃保持。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述接触在90-100℃的条件下进行。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述接触并保持的时间为0.8-3h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述固化所述液面层的步骤包括：
紫外照射所述液面层15-25s后，在90-100℃的条件下保持0.4-0.6h，再降温至60-70℃保持8-12min后停止加热。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可固化材料为环氧树脂，所述环氧树脂包括混合的A组分和B组分；形成所述微透镜阵列凹模的方法包括：
在所述衬底的表面滴涂所述环氧树脂，所述环氧树脂均匀流动铺展于所述衬底的表面形成所述液面层，将PDMS片的具有呈阵列分布的圆孔的开口一侧表面与所述液面层接触并保持40h以使所述液面层固化，将所述PDMS片与固化后的所述液面层剥离得到。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PDMS片的制备方法包括：制备圆柱体结构阵列凸模，将去除气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物倾倒于所述圆柱体结构阵列凸模中并固化所述PDMS混合物，将固化后的所述PDMS混合物从所述圆柱体结构阵列凸模上剥离得到。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述从所述微透镜阵列凹模制得所述PDMS微透镜阵列的步骤包括：将去除气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物倾倒于所述微透镜阵列凹模表面并固化所述PDMS混合物，将固化后的所述PDMS混合物从所述微透镜阵列凹模上剥离得到。
10.一种PDMS微透镜阵列，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的利用凹模液相成型制备PDMS微透镜阵列的方法制备得到。
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