CN108333651B - 一种微透镜阵列的制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微透镜阵列的制造方法，包括以下步骤：步骤一，向微流控芯片内注入酒精使得微流控芯片的多个并行管道以及开口腔体内充满酒精；步骤二，抽取光刻胶并对抽取后的光刻胶进行抽真空处理；步骤三，将抽真空后的光刻胶置于烤箱中加热10～20min；步骤四，对加热后的光刻胶进行遮光处理；步骤五，将被遮光的光刻胶注入到多个并行管道内，并在并行管道的喷嘴处形成光刻胶液滴且落入开口腔体内形成初始微透镜阵列；步骤六，对微流控芯片进行紫外光照射使得光刻胶液滴固化；步骤七，将酒精蒸发得到液滴状的微透镜阵列。根据该微透镜阵列的制造方法微透镜阵列结构紧凑，单个微透镜之间无缝隙排列。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件制造领域，具体涉及一种微透镜阵列的制造方法及装置。
背景技术
微透镜阵列在光伏电池、微流体装置、三维成像、单分子成像、人造复眼以及光耦合器件等领域有着广泛的应用。由于微透镜阵列作为一个核心光学元件，在众多应用中都起到了重要的作用，因此微透镜阵列的制作方法也逐渐被提出并得到重视。
在现有技术中，利用电流体力学对材料和模具施加电动势使材料发生形变的方式制作微透镜阵列的方法。
但是，基于热回流效应对光刻胶进行曝光来制作微透镜阵列的方法，以及利用飞秒激光对材料进行蚀刻产生曲面形变制作微透镜阵列的方法，操作过程复杂，制作成本高，微透镜的表面平滑度低。另外，利用电流体力学对材料和模具施加电动势使材料发生形变的方式制作微透镜阵列的方法，需要制作相应尺寸的模具，对模具制作要求较高，利用电动势操控液体表面张力的可控性低，制作微透镜阵列的成功率及重复率低。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种微透镜阵列的制造方法及装置。
本发明提供了一种微透镜阵列的制造方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，向微流控芯片内注入酒精使得微流控芯片的多个并行管道以及开口腔体内充满酒精；步骤二，抽取光刻胶并对抽取后的光刻胶进行抽真空处理；步骤三，将抽真空后的光刻胶置于烤箱中加热10～20min；步骤四，对加热后的光刻胶进行遮光处理；步骤五，将被遮光的光刻胶注入到多个并行管道内，并在并行管道的喷嘴处形成光刻胶液滴且落入开口腔体内形成初始微透镜阵列；步骤六，对微流控芯片进行紫外光照射使得光刻胶液滴固化；以及步骤七，将酒精蒸发得到液滴状的微透镜阵列。
在本发明提供的一种微透镜阵列的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤一中，采用可编程的注射泵推动第一注射器将酒精注入到微流控芯片内，第一注射器的注射速率为0.05μL/min。
在本发明提供的一种微透镜阵列的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤二中，采用第二注射器抽取光刻胶，对抽取有光刻胶的第二注射器进行抽真空处理；在步骤三中，将抽真空后的第二注射器放置在烤箱中进行加热；在步骤四中，采用锡纸对抽真空后的第二注射器包裹进行遮光处理。
在本发明提供的一种微透镜阵列的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤五中，采用可编程的注射泵推动第二注射器将光刻胶注入到微流控芯片内，第二注射器的注射速率为0.05μL/min。
在本发明提供的一种微透镜阵列的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤三中，烤箱的温度为80℃，加热时间为20min。
在本发明提供的一种微透镜阵列的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，光刻胶的密度大于酒精的密度。
在本发明提供的一种微透镜阵列的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，酒精对并行管道的喷嘴处的压强小于光刻胶在喷嘴处对于外界的压强。
本发明还提供了用于制造上述微透镜阵列的微透镜阵列制造装置，具有这样的特征，包括：注射单元，用于注射酒精以及光刻胶，包含可编程的注射泵、第一注射器以及第二注射器，注射泵用于调整第一注射器以及第二注射器的注射速率；导管，一端与第一注射器以及第二注射器连通；以及微流控芯片，具有注液口、多个并行管道以及开口腔体，注液口与导管的另一端连通，光刻胶在多个并行管道的喷嘴处形成光刻胶液滴，开口腔体用于容纳光刻胶液滴以及由该光刻胶液滴形成的微透镜阵列。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的微透镜阵列的制造方法及装置，因为利用光刻胶的光敏特性使得光刻胶在通过充满连续相酒精的多个并行管道时，能够在并行管道的喷嘴处自发形成液滴状的光刻胶液滴并进入敞口腔体，光刻胶液滴在充满酒精的开口腔体由于受到表面张力的影响紧密聚集在一起，形成光刻胶液滴阵列，将形成的液滴阵列固化成微透镜阵列，因此本发明中的微透镜阵列制作方法步骤简单，且成本低。另外，该制造方法中的形成的单个光刻胶液滴也就是固化后的微透镜直径小，可形成光滑曲面，微透镜之间的差异度小，成功率较高，得到微透镜阵列结构紧凑，单个微透镜之间无缝隙排列。
附图说明
图1是本发明的实施例中微透镜阵列制造装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中微流控芯片的结构示意图；
图3是本发明的实施例中微透镜阵列的制造方法中得到微透镜阵列时的微透镜阵列制造装置的结构示意图；
图4是本发明的实施例中微透镜阵列的制造方法中得到的微透镜阵列的结构示意图；以及
图5是本发明的实施例中并行管道的喷嘴处自发形成液滴状光刻胶的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明微透镜阵列的制造方法及其使用的微透镜阵列制造装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中微透镜阵列制造装置的结构示意图。
如图1所示，微透镜阵列制造装置100用于制造微透镜阵列，包括注射单元10、导管20以及微流控芯片30。
注射单元10包括可编程的注射泵11以及安装在注射泵11上的注射器12。在本实施例中，注射器12包括第一注射器与第二注射器，第一注射器用于注射酒精，第二注射器用于注射光刻胶。
导管20的一端与注射器12的针头口连通，用于流通酒精与光刻胶。
图2是本发明的实施例中微流控芯片的结构示意图。
如图2所示，微流控芯片30包括盖片31、基底32、注液口33、多个并行管道34、管道喷嘴35以及开口腔体36。在本实施例中，盖片31以及基底21采用的材料均为聚二甲基硅氧烷。
微流控芯片30的制作过程包括以下步骤：
步骤一，将浓硫酸双氧水3:1煮沸，将硅片放在煮沸后的浓硫酸双氧水中浸泡15分钟，然后依次用无水乙醇、丙酮各清洗1分钟，清洗后用超纯水冲洗并用氮***吹干，吹干后将硅片放在200℃电热板上加热并烘干15分钟。
步骤二，将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。在本实施里中，由于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，转速为500rpm/s时，时间为5s，转速为1500rpm/s时，时间为20s，预估涂布厚度100um左右。使用的光刻胶为SU-8GM2075光刻胶。
步骤三，根据光刻胶文件参数烘烤涂胶硅片，在65℃接触式烘烤的设定下烘烤5分钟，然后在95℃接触式烘烤的设定下烘烤30分钟烘干，烘烤结束后取处硅片冷却。
步骤四，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。
步骤五，对曝光后的硅片进行中烘，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。
步骤六，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***吹干即可。
步骤七，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。
步骤八，将聚二甲基硅氧烷(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。
步骤九，脱模后对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30的制作。
利用微透镜阵列制造装置100制造微透镜阵列的制造方法包括以下步骤：
步骤一：用5mL的第一注射器抽取酒精5mL，将第一注射器的针头连接导管20，导管20出口处***针嘴，将针嘴***制作好的微流控芯片30的注液口33中。
步骤二，将收取酒精后的第一注射器放置在注射泵11上，调节注射泵11使得第一注射器的注射速率为0.05μL/min，将酒精注射入芯片中，使酒精充满多个并行管道34和开口腔体36中。
步骤三，用5mL的第二注射器抽取光刻胶5mL，然后利用真空机对抽取有光刻胶的第二注射器进行抽真空。在本实施例中，光刻胶为SU-8GM2010光刻胶。
步骤四，将抽真空后的第二注射器置于80℃烤箱中加热20min。
步骤五，将加热后的第二注射器取出，利用锡箔纸包裹进行避光。
步骤六，将被遮光的第二注射器的针头连接导管20，导管20的出口处***针嘴，拔去含有酒精的第一注射器，将针嘴***微流控芯片30的注液口33中。
图3是本发明的实施例中微透镜阵列的制造方法中得到微透镜阵列时的微透镜阵列制造装置的结构示意图。
如图3所示，步骤七，将第二注射器放置在注射泵11上，调节注射泵11使得第二注射器的注射速率为0.05μL/min，使得光刻胶注射入微流控芯片30的多个并行管道34中并在管道喷嘴35处自发形成由酒精包裹的光刻胶液滴，该光刻胶液滴落入开口腔体36中形成由光刻胶液滴组成的初始微透镜阵列50。
步骤八，将微流控芯片30静置，利用紫外光照射使光刻胶液滴完全固化。
步骤九，使酒精完全蒸发得到自发液滴状的微透镜阵列60。
图4是本发明的实施例中微透镜阵列的制造方法中得到的微透镜阵列的示意图。
如图4所示，微透镜阵列60中单个光刻胶液滴也就是固化后的微透镜直径小，微透镜之间的差异度小，单个微透镜之间无缝隙排列得到微透镜阵列60结构紧凑。
图5是本发明的实施例中并行管道的喷嘴处自发形成液滴状光刻胶的原理图。
如图5所示，在管道喷嘴35处，光刻胶液体自发断裂形成光刻胶液滴的原理由下面的公式确定：
ΔP＝1/γ(1/R1+2/R2)
其中，ΔP表示Pd-Pc，Pd为连续相液体酒精对管道喷嘴35处的压强，Pc为微流控芯片30中的并行管道34内的分散相液体光刻胶对外部的压强，γ表示液滴光刻胶的表面张力大小，R1和R2分别代表光刻胶液滴任意点上的两个主轴的曲率半径。当Pd-Pc＜0时，光刻胶在喷嘴处发生断裂，形成光刻胶液滴。
实施例的作用与效果
根据上述实施例中的微透镜阵列的制造方法及装置，因为利用光刻胶的光敏特性使得光刻胶在通过充满连续相酒精的多个并行管道时，能够在并行管道的喷嘴处自发形成液滴状的光刻胶液滴并进入敞口腔体，光刻胶液滴在充满酒精的开口腔体由于受到表面张力的影响紧密聚集在一起，形成光刻胶液滴阵列，将形成的液滴阵列固化成微透镜阵列，因此本发明中的微透镜阵列制作方法步骤简单，且成本低。另外，该制造方法中的形成的单个光刻胶液滴也就是固化后的微透镜直径小，可形成光滑曲面，微透镜之间的差异度小，成功率较高，得到微透镜阵列结构紧凑，单个微透镜之间无缝隙排列。
另外，在上述实施例中，由于采用可以编程的注射泵以及注射器来控制酒精以及光刻胶的注射速率维持在一个固定的速率上，使得管道喷嘴处形成的液滴光刻胶的大小形状一致，提高了微透镜阵列的成功率以及重现率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种微透镜阵列的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，向微流控芯片内注入酒精使得所述微流控芯片的多个并行管道以及开口腔体内充满所述酒精；
步骤二，抽取光刻胶并对抽取后的光刻胶进行抽真空处理；
步骤三，将抽真空后的所述光刻胶置于烤箱中加热10～20min；
步骤四，对加热后的所述光刻胶进行遮光处理；
步骤五，将被遮光的所述光刻胶注入到多个所述并行管道内，并在所述并行管道的喷嘴处形成光刻胶液滴且落入所述开口腔体内形成初始微透镜阵列；
步骤六，对所述微流控芯片进行紫外光照射使得所述光刻胶液滴固化；以及
步骤七，将所述酒精蒸发得到液滴状的微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制造方法，其特征在于：
其中，在步骤一中，采用可编程的注射泵推动第一注射器将所述酒精注入到所述微流控芯片内，所述第一注射器的注射速率为0.05μL/min。
3.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制造方法，其特征在于：
其中，在步骤二中，采用第二注射器抽取所述光刻胶，对抽取有光刻胶的所述第二注射器进行抽真空处理；
在步骤三中，将抽真空后的所述第二注射器放置在所述烤箱中进行加热；
在步骤四中，采用锡纸对抽真空后的所述第二注射器包裹进行遮光处理。
4.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制造方法，其特征在于：
其中，在步骤五中，采用可编程的注射泵推动第二注射器将所述光刻胶注入到所述微流控芯片内，所述第二注射器的注射速率为0.05μL/min。
5.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制造方法，其特征在于：
其中，在步骤三中，所述烤箱的温度为80℃，加热时间为20min。
6.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制造方法，其特征在于：
其中，所述光刻胶的密度大于所述酒精的密度。
7.根据权利要求1所述的微透镜阵列的制造方法，其特征在于：
其中，所述酒精对所述并行管道的喷嘴处的压强小于所述光刻胶在所述喷嘴处对于外界的压强。
8.一种微透镜阵列制造装置，用于制造权利要求1所述的微透镜阵列，其特征在于，包括：
注射单元，用于注射酒精以及光刻胶，包含可编程的注射泵、第一注射器以及第二注射器，所述注射泵用于调整所述第一注射器以及所述第二注射器的注射速率；
导管，一端与所述第一注射器以及所述第二注射器连通；以及
微流控芯片，具有注液口、多个并行管道以及开口腔体，所述注液口与所述导管的另一端连通，所述光刻胶在多个所述并行管道的喷嘴处形成光刻胶液滴，所述开口腔体用于容纳所述光刻胶液滴以及由该光刻胶液滴形成的微透镜阵列。
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