CN110955041A - 一种基于sebs薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域和MEMS领域，具体涉及一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其结构为：SEBS薄膜放置在两层不同厚度的玻璃层中间。两片环形压电致动器分别粘结在玻璃薄膜的上下底面。当给压电致动器施加电压时，压电致动器会迫使玻璃薄膜弯曲，从而使整体形成透镜结构，不同的电压会使得玻璃薄膜有不同的弯曲曲率，从而使得微透镜的焦距发生改变。压电驱动式微透镜是一种典型的微米级MEMS集成产品，其具有体积小，功耗低，无磁干扰，变焦范围广以及响应快速等优点。

Description

一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜

技术领域

本发明涉及光学技术元件领域和MEMS领域，具体为一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜。

背景技术

近年来，随着信息技术的发展，基于微透镜的摄像头的性能研究就成为了当前信息领域的研究热点。传统的摄像***是控制透镜的焦距不变，而利用音圈马达调节透镜间的相对位置来实现变焦，使整体光学结构所占空间较大。因此，传统的微透镜存在结构复杂、机械磨损严重、能耗高、电磁干扰、响应时间长等缺点，且不利于微型化。当前，国内外的专家和学者已经开始探索可以改变透镜自身焦距的微透镜。

在目前所报道的可变焦微透镜中，可变焦微透镜是通过一种或多种外加可调控物理量（如力、热、电等）来改变微透镜的表面形状和折射率分布，从而实现其焦距的变化。对于表面形状调控方法，通常采用液体作为微透镜的主体结构，利用压力、电湿润、热形变等效应来改变微透镜的表面曲率，从而实现对透镜焦距的控制。液体可变焦微透镜有变焦范围广的优点，但是它容易漏液，容易受重力影响且其使用磁驱动时会产生电磁干扰，响应速度慢，体积比较大，驱动电压过高。对于折射率的调控方法，可调液晶微透镜就是这种类型中的典型代表，它将透镜置于液晶氛围中，通过改变施加的电压来调节液晶的折射率，从而实现对透镜焦距的控制。这种微型透镜易于实现阵列化，但焦距调控精度不够高，并且由于液晶在电场中的非均匀性会造成较大的光学失真。

发明内容

本发明提供了一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，它的体积小，结构简单，功耗低，无电磁干扰，变焦范围广，改善了传统微透镜不能变焦或变焦范围小这一缺陷，也解决了目前可变焦液体透镜存在的漏液和电磁干扰等问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，包括两片圆环状的压电致动器、玻璃薄膜、橡胶、支撑玻璃和固定框架，两片压电致动器分别放置在玻璃薄膜上下表面，橡胶放置在玻璃薄膜下表面和支撑玻璃上表面之间，橡胶的上端端部位于玻璃薄膜下表面处的压电致动器环内，固定框架固定压电致动器和玻璃薄膜的边缘。

当玻璃薄膜上表面压电致动器的上下表面分别施加负正电压时，上表面压电致动器会缩短，玻璃薄膜下表面压电致动器的上下表面分别施加正负电压，下表面压电致动器会伸长，由于上下表面压电致动器边缘被固定，上下表面压电致动器会迫使玻璃薄膜中间部分相应地向上凸起，边缘部分没有发生形变，相当于一个平凸透镜，它聚焦于有限距离。本发明中压电致动器的应用取代了传统的音圈马达，它拥有在微米级别的精度，响应速度快，低功耗，且不存在音圈马达电磁干扰的问题。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，微透镜变焦由压电驱动，通过控制所加电压的大小可实现微透镜的焦距变化，且不存在磁干扰。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，玻璃薄膜为二氧化硅玻璃薄膜，二氧化硅玻璃薄膜的透光率好，拥有良好的弹性形变，即当不施加电压时，玻璃薄膜恢复到原来的位置。二氧化硅玻璃薄膜的硬度要比SEBS薄膜的大，即不给压电致动器施加电压时，玻璃薄膜恢复原来的形状。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，橡胶材料是SEBS，橡胶是可变焦微透镜的透镜体，必须拥有永久弹性、低杨氏模量、化学稳定性、全透明性等性能。SEBS是以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物。SEBS具有优异的耐老化性能，可塑性，高弹性，良好的透明度，无需硫化即可加工使用，广泛用于生产高档弹性体、塑料改性、胶粘剂、润滑油增粘剂、薄膜等,符合可变焦微透镜对透镜体的弹性度和透明度的要求，可应用于光学***中。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，将颗粒状的SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）放入模具中在轻微压力下加热塑型，模具为圆筒没有上下底面，制作出来的橡胶为圆柱体。本发明中采用的材料是SEBS，它是将KratonG1645粉末放入模具中轻微压力下加热塑型得到一个圆柱状的SEBS。制得的聚合物拥有高弹性、低硬度和高透光率等优点。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，采用压电陶瓷材料制作压电驱动器的过程如下：

a.将压电陶瓷粉末和聚乙烯醇粘结剂混合，造粒并过筛后，取出粉末放入模具中，挤压成型，得到圆形素坯，即压电致动器素坯；

b.将上述圆形素坯先烧除掉其中含有的粘结剂有机物，同时使素坯保持一定的机械强度；

c.在圆形素坯的几何中心处打孔，形成圆环形结构的压电板；

d.进行烧结，得到致密、均一的圆环形压电板；

e.在圆环形结构的压电板的上下表面焙烧银电极，之后对其进行高压极化；

f.用砂纸打磨掉圆环形结构的压电板的上下表面的银电极，并经过超声清洗、烘干后，通过溅射或化学电镀方法在压电陶瓷的上下表面制备镀一层金膜。

上述的一种基于SEBS的全固态可变焦压电驱动式微透镜， SEBS的制备过程如下：

a.先将加热板上铺上一层锡纸，再把事先切割好的支撑玻璃放置在锡纸上；

b.把圆筒状模具放在支撑玻璃的中心位置，然后粉末状的SEBS放入模具通孔中；

c.打开加热板的开关加热；

d.等待SEBS冷却固化后取下模具，支撑玻璃和圆柱型的SEBS薄膜结合在了一起。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，可变焦微透镜的组装：首先把结合在一起的支撑玻璃和SEBS放置在金属框架底座并用高温环氧化胶在100℃下粘合在一起；然后用透明高温环氧化胶把SEBS薄膜的上端面和带有压电致动器的玻璃薄膜下表面粘合在一起；最后把玻璃薄膜和压电致动器的边缘固定在金属框架上。

上述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，模具的制作过程如下：

a. 玻璃片表面的处理：用丙酮、乙醇溶液分别超声清洗玻璃片，之后用去离子水冲洗，氮气吹干；再将其置于用烘箱烘干，冷却待用；

b.涂光刻胶：采用旋涂法用甩胶机旋涂光刻胶；

c.前烘：将旋涂光刻胶的玻璃片放置在加热板上加热并自然冷却至室温，从而完成胶层的前烘固化；

d.对准和曝光：首先把一个圆形图案在玻璃片表面上方准确定位或对准，其次通过曝光将图案转移到光刻胶涂层上；

e.后烘：使曝光区域的胶层能够充分发生交联反应进而形成致密结构；

f.显影：通过有机溶剂二甲苯溶液将没有被紫外光照射的胶层溶解、去除，即在光刻胶层上得到一个通孔；

g.硬烘：把玻璃片放置在加热板上加热；

h.剥离：采用湿法化学剥离的方法，使用强酸或强碱溶液在加热的条件下可以在不破坏光刻胶的前提下，完成胶层的剥离，模具形成, 模具为带有通孔的光刻胶块状结构。

本发明中的SEBS薄膜用来连接支撑玻璃和玻璃薄膜。当给压电致动器施加不同的电压时会使得玻璃薄膜有不同的弯曲曲率，从而使得微透镜的焦距发生改变。解决了可变焦微透镜液体泄漏的问题并且消除了重力对成像的影响。

本发明中的支撑玻璃是微透镜的基底，是用来支撑整个透镜的部件。支撑玻璃与橡胶连接的这一面不会发生形变相当于一个平面镜。

本发明与现有的技术比较：

A．采用压电驱动，具有响应速度快，功耗低，精度高,不存在电磁干扰的优点。

B．使用的SEBS薄膜高弹性橡胶，所以不存在液体泄漏，重力等因素的影响。

C．可变焦微透镜的体积小，易于集成，变焦范围广。

附图说明

图1为本发明中的可变焦微透镜的各个组件的示意图。

图2为本发明中的可变焦微透镜的压电驱动器的制作过程。

图3为本发明中的可变焦微透镜压电致动器/玻璃薄膜/压电致动器三层式结构的示意图。

图4为本发明中的可变焦微透镜的三维结构示意图。

图5为本发明中的可变焦微透镜施加电压前的截面结构示意图。

图6为本发明中的可变焦微透镜施加电压后的截面结构示意图。

图中：1-压电致动器，2-玻璃薄膜，3-SEBS薄膜，4-支撑玻璃，5-金属框架，6-光线。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案，结构及优点更加明了，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

图1中1为压电致动器，2为玻璃薄膜，3为SEBS薄膜，4为支撑玻璃，5为金属固定框架；两片压电致动器1和玻璃薄膜2构成压电致动器/玻璃薄膜/压电致动器三层式结构，SEBS薄膜3被夹在玻璃薄膜2和支撑玻璃4之间。压电致动器1、玻璃薄膜2、SEBS薄膜3可以形变，支撑玻璃4不可以形变。

图1中的压电致动器1的内直径为3mm，外直径为6mm。玻璃薄膜2的直径可以为6mm，厚度0.05-0.1mm。SEBS薄膜3直径为3mm，厚度可以为1mm。支撑玻璃4，其不属于关键透镜组件，直径不小于玻璃薄膜的直径，厚度0.5mm或者更多。金属固定框架5为可变焦微透镜的外壳，金属固定框架5为上方开口的圆筒状盒体，支撑玻璃4放置在盒体内底部，盒体内侧壁将玻璃薄膜2、压电致动器1边缘固定，盒体底部开有通光孔，金属固定框架5封装微透镜的各个组件。压电致动器1的内直径要不小于SEBS薄膜3的直径，压电致动器1的外直径和玻璃薄膜2的直径相等。

MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电***。是指尺寸在几毫米乃至更小的机电复合装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能***。基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式的微型透镜融合了MEMS技术并且弥补了以前透镜的缺陷，它具有结构紧凑且稳定，功耗低，无磁干扰，变焦范围广以及响应快速等优点，预计在不久的将来它将拥有较大的应用潜力和广泛的应用前景。

实施例一

一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，它的玻璃薄膜2是厚度为50 um二氧化硅玻璃，橡胶是由Kraton G1657制得。玻璃薄膜2比SEBS薄膜的硬度大，更不容易形变；支撑玻璃4为普通玻璃。

采用压电陶瓷体PZT-5H（锆钛酸铅）材料制作压电驱动器，过程如下：

a.将压电陶瓷粉末取出，加入浓度为3%-5%的聚乙烯醇粘结剂，充分混合，造粒并过80目筛后，取出粉末放入模具中，在100-200MPa的压力下成型，得到所需要尺寸的圆形素坯，即压电致动器素坯；

b.将上述圆形素坯先烧除掉其中含有的粘结剂有机物，同时使素坯保持一定的机械强度；

c.在圆形素坯的几何中心处打孔，形成圆环形结构的压电板，圆环形结构的压电板内径为3mm，外径为6mm（内外半径的比例小于或等于0.9）；

d.在1000℃进行烧结，得到致密、均一的圆环形压电板；

e.在圆环形结构的压电板的上下表面焙烧银电极，之后对其进行高压极化，极化温度为450℃，电场强度为2.5kV/cm，极化时间为20分钟；

f.用砂纸打磨掉圆环形结构的压电板的上下表面的银电极，并经过超声清洗、烘干等流程后，通过溅射或化学电镀等方法在压电陶瓷的上下表面制备镀一层约300nm后的金膜。

PZT(PbTiO₃-PbZrO₃ )由于其优良的压电性能，一出现就被用于压电器件的制作。PZT压电陶瓷的压电效应非常强且十分稳定，其价格低廉，易于制作和实现等特点，在微光学驱动领域具有广阔的前景。PZT-5H具有机电耦合系数高，压电应变常数高，时间稳定性好，高灵敏度等优点，用它制作出来的压电致动器具有尺寸小、线性好、控制方便、响应速度快、能耗低、不受电磁干扰等特点。

玻璃薄膜的制作：用激光切割机切割一个直径为6mm的圆形玻璃薄膜。

支撑玻璃的制作：用玻璃切割机切割一个直径为6mm的圆形玻璃片。

采用 100 ℃ 固化的耐高温环氧胶将表面镀金的的压电陶瓷粘贴在玻璃薄膜上，组成压电致动器/玻璃薄膜/压电致动器三层式结构（图3）。

用SU-8胶来进行SEBS薄膜的模具的制作，主要步骤包括基底表面预处理，涂胶，前烘，对准曝光，后烘，显影，硬烘，剥离八个部分，具体为：

a.玻璃表面的处理：玻璃片清洗烘干：用丙酮、乙醇溶液分别超声清洗玻璃片10分钟左右，之后用去离子水冲洗，氮气吹干；再将其置于用烘箱烘干，温度120℃，时间5分钟，冷却待用。

b.涂SU-8胶：采用旋涂法，设置甩胶机的转速为500转/分，时长为5min。

c.前烘：将旋涂SU-8胶的玻璃片放置在加热板上，将加热板初始温度设为35℃，然后逐渐升温在95℃结束，确保玻璃片在加热板上自然冷却至室温，从而完成胶层的前烘固化。

d.对准和曝光：首先把一个圆形图案在玻璃片表面上方准确定位或对准。其次通过曝光将图案转移到SU-8胶涂层上（由于需要曝光的胶层较厚，故需要尽量避免使用波长小于等于365 nm的紫外光源进行曝光）。

e.后烘：使曝光区域的胶层能够充分发生交联反应进而形成致密结构。

f.显影：通过有机溶剂二甲苯溶液将没有被紫外光照射的胶层溶解、去除，即在SU-8胶层上得到一个直径为3mm的通孔。

g.硬烘：把玻璃片放置在加热板上加热1-2分钟，温度为100-130℃。

h.剥离：采用湿法化学剥离的方法，使用高浓度的强酸或强碱溶液在加热的条件下可以在不破坏SU-8结构的前提下，完成胶层的剥离，模具形成, 模具为带有通孔的SU-8胶块状结构。

SEBS薄膜的制备过程如下：

a.先将加热板上铺上一层锡纸，再把事先切割好的支撑玻璃放置在锡纸上。

b.把制作的模具放在支撑玻璃的中心位置，然后粉末状的SEBS放入模具中，在模具中加热的SEBS拥有一定的粘性。

c.打开加热板的开关，把温度设置为120℃，在轻微的压力下加热15min。

d.等待SEBS冷却固化后取下模具，支撑玻璃和圆柱型的SEBS薄膜结合在了一起。

可变焦微透镜的组装：首先把结合在一起的支撑玻璃和SEBS薄膜放置在金属框架底座并用高温环氧化胶在100℃下粘合在一起；然后用透明高温环氧化胶把SEBS薄膜的上端端面和玻璃薄膜粘合在一起；最后把玻璃薄膜和压电致动器的边缘固定在金属框架上。如图4三维微透镜视图所示，各个部件粘合在了一起。

如图5所示当不给压电致动器施加电压时，压电致动器不会发生形变，所以玻璃薄膜和SEBS薄膜不会发生形变。此时的微透镜相当于一个平面镜，它聚焦于无限远处。

如图6所示当给压电致动器施加电压时，压电致动器由于逆压电效应发生形变从而迫使玻璃薄膜和SEBS薄膜变形。此时的微透镜的玻璃薄膜中间部分凸起，支撑玻璃没有发生形变相当于一个平凸透镜，它聚焦于有限距离。

Claims (9)

1.一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：包括两片圆环状压电致动器（1）、玻璃薄膜（2）、橡胶、支撑玻璃（4）和固定框架（5），两片压电致动器（1）分别固定在玻璃薄膜（2）上下表面，橡胶固定在玻璃薄膜（2）和支撑玻璃（4）之间，橡胶的上端端部位于玻璃薄膜（2）下表面处的压电致动器环内，固定框架（5）固定压电致动器（1）和玻璃薄膜（2）的边缘。

2.根据权利要求1所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：微透镜变焦由压电驱动，通过控制所加电压的大小实现微透镜的焦距变化。

3.根据权利要求2所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：玻璃薄膜（2）为二氧化硅玻璃薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：橡胶材料是SEBS。

5.根据权利要求4所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：将颗粒状的SEBS放入圆筒状模具通孔中加热塑型，制作出来圆柱体橡胶。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：采用压电陶瓷材料制作压电驱动器（1）的过程如下：

a.将压电陶瓷粉末和聚乙烯醇粘结剂混合，造粒并过筛后，取出粉末放入模具中，挤压成型，得到圆形素坯，即压电致动器素坯；

b.将上述圆形素坯先烧除掉其中含有的粘结剂有机物，同时使素坯保持一定的机械强度；

c.在圆形素坯的几何中心处打孔，形成圆环形结构的压电板；

d.进行烧结，得到致密、均一的圆环形压电板；

e.在圆环形结构的压电板的上下表面上焙烧银电极，之后对其进行高压极化；

f.用砂纸打磨掉圆环形结构的压电板的上下表面的银电极，并经过超声清洗、烘干后，通过溅射或化学电镀方法在压电陶瓷的上下表面制备镀一层金膜。

7.根据权利要求5所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：SEBS薄膜的制备过程如下：

a.先将加热板上铺上一层锡纸，再把事先切割好的支撑玻璃（4）放置在锡纸上；

b.把圆筒状模具放在支撑玻璃的中心位置，然后粉末状的SEBS薄膜放入模具通孔中；

c.打开加热板的开关加热；

d.等待SEBS冷却固化后取下模具，支撑玻璃（4）和圆柱型的SEBS薄膜结合在了一起。

8.根据权利要求7所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：可变焦微透镜的组装：首先把结合在一起的支撑玻璃（4）和SEBS薄膜放置在金属框架底座并用高温环氧化胶在100℃下粘合在一起；然后用透明高温环氧化胶把SEBS薄膜的上端面和带有压电致动器（1）的玻璃薄膜（2）下表面粘合在一起；最后把玻璃薄膜（2）和压电致动器的边缘固定在金属框架（5）上。

9.根据权利要求7所述的一种基于SEBS薄膜的全固态可变焦压电驱动式微透镜，其特征在于：模具的制作过程如下：

a. 玻璃片表面的处理：用丙酮、乙醇溶液分别超声清洗玻璃片，之后用去离子水冲洗，氮气吹干；再将其置于用烘箱烘干，冷却待用；

b.涂光刻胶：采用旋涂法用甩胶机旋涂光刻胶；

c.前烘：将旋涂光刻胶的玻璃片放置在加热板上加热并自然冷却至室温，从而完成胶层的前烘固化；

d.对准和曝光：首先把一个圆形图案在玻璃片表面上方准确定位或对准，其次通过曝光将图案转移到光刻胶涂层上；

e.后烘：使曝光区域的胶层能够充分发生交联反应进而形成致密结构；

f.显影：通过有机溶剂二甲苯溶液将没有被紫外光照射的胶层溶解、去除，即在光刻胶层上得到一个通孔；

g.硬烘：把玻璃片放置在加热板上加热；

h.剥离：采用湿法化学剥离的方法，使用强酸或强碱溶液在加热的条件下可以在不破坏光刻胶的前提下，完成胶层的剥离，模具形成, 模具为带有通孔的光刻胶块状结构。

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