一种基于微流控技术的微透镜阵列制作方法与流程

1.本发明涉及一种基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，属于微纳加工技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着微光学的发展，微光学器件在许多应用中发挥着越来越重要的作用。由于微透镜阵列具有像差小、运动跟踪速度快、视场宽等优点，未来的自动驾驶车辆和监控技术需要微透镜阵列。除了这些新的应用之外，微透镜的小几何和独特的光学性能使其成为光电器件、集成成像系统、光通信系统、生物医学成像应用、光学传感器等领域广泛应用的基本元件。
3.在传统的光学制造中，透镜结构一般是利用昂贵的高精度铣床加工而成，这需要复杂的工艺设计和精密的机器操作。然而微透镜阵列结构，由于规格和数量繁多，通过传统的铣削工艺来制作微透镜阵列，会存在成本高，生产效率低的缺点。因此，传统的铣削工艺不太适合制备微透镜阵列结构。
4.由于聚合物具有优异的光学性能和低成本，许多传统的微加工技术被应用于聚合物微透镜阵列的制备。包括热回流法,液滴法，高精密注塑法等。其中回流法,液滴法，虽然具有成本低的优点，但是其制作的微透镜尺寸却不易控制。注塑法虽然可以调控微透镜尺寸，但也需要价格昂贵的注塑机来实现。


技术实现要素：

5.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，创新性的将微流控技术用于微透镜阵列的制作上，通过向具有小孔阵列的微流控芯片中注入水，并在水压力的作用下使得超薄聚二甲基硅氧烷pdms变形，并利用聚氨酯丙烯酸酯紫外固化胶pua与pdms的相互复制工艺，实现微透镜阵列的制作。实施步骤中，通过巧妙的模具设计和工艺设计，实现了超薄pdms的制作，不仅使得超薄pdms的键合工艺得以顺利进行。同时，该工艺还可以形成一个模具槽结构，方便了后续倒模工艺的进行。其工艺优点还在于通过改变玻璃层多孔阵列的孔径大小，可以制作不同尺寸的微透镜阵列。通过控制微流控芯片内部水压，可以控制制作的微透镜高度，从而调节焦距。此外，本发明制作的微流控芯片可以重复使用，从而实现成本的降低和制作效率的提高。
6.本发明解决技术问题采用如下技术方案：
7.本发明一种基于微流控技术的微透镜阵列制作方法的特点是：第一，制作用于制作超薄聚二甲基硅氧烷pdms的模具。第二，利用该模具制作超薄pdms层。第三，制作多孔玻璃层。第四，将超薄pdms层与多孔玻璃层键合。第五，通过pdms倒模方式制作微流控流道结构。第六，将pdms微流道结构与多孔玻璃的另外一面键合，完成微流控芯片的制作。第七，通过打孔技术形成微流控出入口。第八，向微流控芯片内通入水，通过水压使得超薄pdms在玻璃孔处发生变形，形成凸微透镜阵列。第九，通过pua复制得到凹微透镜阵列。最后以pua为
模板将凹微透镜阵列转印到pdms上，最终形成pdms材质的凸型微透镜阵列。
8.该微透镜阵列制作方法是按如下步骤操作：
9.a、采用cnc精密数控机床进行加工的方式制作聚甲基丙烯酸甲酯pmma材质的模具，其特征在于模具的底部有两个条形凸台，凸台高于槽底部200微米(凸台高度用于控制超薄pdms的厚度)
10.b、对模具均匀涂抹脱模剂后，将pdms倒入模具槽中，接着将一块清洗干净的玻璃片至于槽内，通过一重物压紧玻璃片，使其紧贴槽底凸台，并保证pdms溶液浸没玻璃片。待pdms液面摊平后且内部无任何气泡后，至于烘箱中以80摄氏度固化1.5小时。pdms完全固化后自然冷却到室温。由于固化的pdms材料表面能很低，外加模具进行了降低表面能的处理，可以轻松的将固化的pdms从模具内拿出。接着去除重物。通过这个步骤，玻璃片下方会得到平整且超薄的pdms层(本发明超薄pdms厚度为200微米)。此时中间玻璃片先不取出，可以方面后续的pdms与玻璃的键合。
11.c、激光打孔方式制作多孔阵列玻璃，例如可以制作4
×
4，直径为1mm的孔阵列。
12.d、接着通过氧离子轰击键合技术将上述制作的超薄pdms结构与多孔阵列玻璃键合。随后将上层pdms切开一个开口，将玻璃片拿出，多余的pdms会形成一个槽结构，方便了后续倒模工艺的进行，至此微流控芯片主体部分。
13.e、以pmma为材料，利用cnc精密数控机床制作pdms微流道结构所需的模具，接着利用模具，将pdms溶液倒入上述模具槽内，无气泡后，至于烘箱中以80摄氏度固化1.5小时。pdms完全固化后自然冷却到室温。撕下pdms后获得pdms微流道结构。
14.接着将pdms微流道结构与微流控芯片主体部分键合，键合完成后利用打孔机制作入口，出口。最终完成用于制作微透镜阵列的微流控芯片。
15.f、采用向微流控芯片内部注入纯净水的方式，使得pdms变形形成微透镜。左侧为水入口，出口接上水压计，用于监测微流控芯片内水压力。由于水压的作用，气孔处的pdms会凸起形成微透镜阵列形状，通过调节水压大小，可以控制微透镜的高度。通过制作不同直径的孔，可以控制制作的微透镜的直径。
16.当pdms变形形成微透镜后，将pua溶液倾倒在pdms所形成的槽内。待pua完全摊平后，将pua至于紫外热灯下曝光，固化pua。曝光完成后，将pua与pdms分离。此时，微透镜阵列图案转移到pua上。获得pua材质的凹面微透镜阵列；
17.g、将pua凹透镜阵列模板放模具盒内。然后将配置好并除去气泡的pdms溶液倾倒在pua凹面微透镜阵列上。待pdms完全覆盖，液面平整且无气泡后，至于烘箱中以80摄氏度固化1.5小时。自然冷却后，将固化的pdms与pua模板剥离。这样再一次将微透镜阵列结构转移到pdms上，从而获得了pdms材质的凸型微透镜阵列。最后，可以根据需求将pdms裁剪成需要的大小。
18.所述步骤a中凸台的作用是制作超薄pdms层，其高度可以控制超薄pdms层的厚度。本发明所述凸台高度控制在200微米。
19.所述步骤b中，使用的pdms是sylgard 184型硅橡胶，由于后期需要通过压力使得pdms变形，因此这里需要配置超弹性的pdms。本发明采用的主剂和固化剂比例为20:1。主剂和固化剂充分混合后，放置与真空箱内抽真空除去气泡，完成pdms溶液的配置。
20.所述步骤b中，在将pdms到入模具内前，需要对模具槽内部进行表面处理，减少表
面能，以利于脱模。本发明用的脱模剂为氟素表面处理剂。均匀涂抹脱模剂后，将模具至于90摄氏度热台上烘烤10分钟，以去除多余溶剂，随后冷却至室温。
21.所述步骤c，本发明所述的孔为4
×
4阵列，直径为1mm。其他排布的孔阵列也在本发明保护范围内。
22.所述步骤d和e中。pdms与玻璃键合具体步骤是，首先使用异丙醇清洗pdms并氮气吹干，保证其有表面洁净度。用丙酮擦洗多孔玻璃表面并氮气吹干，保证玻璃表面清洁。接着对pdms键合面和多孔玻璃键合面进行氧气等离子轰击，增加pdms和玻璃的表面能，氧离子轰击参数为：氧气压力20pa，电压功率30w，轰击时间为60秒。处理完后将pdms键合面和玻璃紧密贴紧，并用重物压着后置于80摄氏度烘箱中加热2分钟。最后，玻璃和超薄pdms层会粘结在一起；
23.所述步骤e中，pdms主剂和固化剂比例为10:1。
24.所述步骤f中，采用pua作为中间转印材料。曝光pua曝光过程采用逐步曝光法，即曝光一分钟，停1分钟以利于散热，否则持续曝光的话，会由于产生大量的热而容易形成气泡，导致表面不平整。整个紫外曝光时间为15分钟。
25.所述步骤g中，pdms主剂和固化剂比例为10:1。在实时复制前对pua模板应该进行紫外曝光1小时，使其完全固化，避免pdms在pua模板上难以固化的问题。
26.与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：
27.一、本发明提出一种通过微流控方式制作微透镜阵列的方法，通过改变玻璃层多孔阵列的孔径大小，可以制作不同尺寸的微透镜阵列。
28.二、通过控制微流控芯片内部水压，可以控制制作的微透镜高度，从而调节焦距。
29.三、微流控芯片可以重复使用，从而实现批量制作，因此可以有效降低成本。
30.四、通过特殊的模具设计，从而获得了平整的超薄pdms结构，该结构有利于后续键合工艺的进行。同时，该工艺还可以形成一个模具槽结构，方便了后续pua材料的倒入及pua复制工艺的进行。
附图说明
31.图1是用于制作超薄pdms的pmma模具结构示意图；
32.图2是超薄pdms制作工艺图；
33.图3是多孔阵列玻璃结构示意图；
34.图4是超薄pdms结构与多孔阵列玻璃键合工艺示意图；
35.图5是用于制作微流控流道的pmma模具示意图；
36.图6是利用pdms倒模制作的微流控流道结构图；
37.图7是pdms微流道结构与微流控芯片主体部分键合工艺示意图；
38.图8是利用水压形成pdms微透镜并使用pua记录微透镜结构工艺示意图；
39.图9是以pua为模板再复制制作pdms微透镜阵列工艺示意图；
40.图中标号：1为制作超薄pdms的pmma模具，2为模具凸台，3为pdms溶液，4为玻璃片，5为重物，6为固化的pdms，7为超薄pdms层，8为多孔阵列玻璃，9为孔阵列，10为pdms槽结构，11为制作微流道结构的pmma模具，12为pdms微流道结构。13为入口，14为出口，15为纯净水，16为微透镜阵列形状，17为pua溶液，18为pua材质的凹面微透镜阵列，19为模具盒，20为复
制pua结构时所用的pdms溶液，21为pdms微透镜阵列，22为裁剪后的pdms微透镜阵列。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例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。
42.本发明基于微流控技术的微透镜阵列的制作方法包括以下步骤：a、用于制作超薄pdms模具的制作。b、倾倒pdms，制作超薄pdms结构。c、制作多孔阵列玻璃。d、多孔玻璃与超薄pdms结构键合，形成微流控芯片主体。e、微流控芯片出入口制作。最终完成微流控芯片制作。f、pua记录微透镜结构。g、以pua为模板再复制，制作pdms微透镜阵列。具体细节如下：
43.a、用于制作超薄pdms模具的制作
44.模具示意图如1图所示。
45.该制作超薄pdms的pmma模具1的材料为聚甲基丙烯酸甲酯pmma，并采用cnc精密数控机床进行加工。该结构的特殊之处在于，模具的底部有两个条形模具凸台2。该凸台用来控制后续制作的pdms薄膜的厚度。本发明中，凸台高于槽底部200微米，凸台高度用于控制超薄pdms的厚度。
46.b、超薄pdms层制作
47.接着是制作超薄pdms层7，如图2所示。
48.本发明使用的pdms是sylgard 184型硅橡胶，其需要将主剂与固化剂按照一定比例搅拌混合后使用。由于后期需要通过压力使得pdms变形，因此这里需要配置超弹性的pdms。本发明采用的主剂和固化剂比例为20:1。主剂和固化剂充分混合后，放置与真空箱内抽真空除去气泡，自此完成pdms溶液3的配置。
49.在将pdms到入模具内前，需要对模具槽内部进行表面处理，减少表面能，以利于脱模。本发明用的脱模剂为氟素表面处理剂。均匀涂抹脱模剂后，将模具至于90摄氏度热台上烘烤10分钟，以去除多余溶剂，随后冷却至室温。表面处理完后，将pdms溶液倒入模具中，工艺图如图2
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1所示。接着将一块清洗干净的玻璃片4至于槽内，通过一重物5压紧玻璃片，使其紧贴槽底凸台。并保证pdms溶液浸没玻璃片。
50.待pdms液面摊平后且内部无任何气泡后，至于烘箱中以80摄氏度固化1.5小时。pdms完全固化后自然冷却到室温。由于固化的pdms材料6，其表面能很低，外加模具进行了降低表面能的处理，因此可以轻松的将固化的pdms从模具内拿出。去除重物后得到如图2
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2所示的组合结构，通过这个步骤，玻璃片下方会得到平整且超薄的pdms层7(本发明中超薄pdms厚度为200微米)。此时中间玻璃片先不取出，可以方面后续的pdms与玻璃的键合。
51.c、多孔阵列玻璃
52.多孔阵列玻璃8如图3所示，可以通过激光打孔方式制作。例如可以制作4
×
4，直径为1mm的孔阵列9。
53.d、多孔玻璃与超薄pdms结构键合形成微流控芯片主体
54.接着通过氧离子轰击键合技术将上述制作的超薄pdms结构与多孔阵列玻璃键合。如图4所示。具体步骤是，首先使用异丙醇清洗pdms并氮气吹干，保证其有表面洁净度。用丙
酮擦洗多孔玻璃表面并氮气吹干，保证玻璃表面清洁。接着对pdms键合面和多孔玻璃键合面进行氧气等离子轰击，增加pdms和玻璃的表面能，氧离子轰击参数为：氧气压力20pa，电压功率30w，轰击时间为60秒。处理完后将pdms键合面和玻璃紧密贴紧，并用重物压着后置于80摄氏度烘箱中加热2分钟。最后，玻璃和超薄pdms层会粘结在一起，如图4
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1所示。
55.随后将上层pdms切开一个开口，将玻璃片4拿出，多余的pdms会形成一个pdms槽结构10，方便了后续倒模工艺的进行，至此微流控芯片主体部分，如图4
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2所示。
56.e、底部设置微流体出入口，完成微流控芯片制作
57.利用cnc精密数控机床对pmma材料进行加工，制作出如图5所示的制作微流道结构的pmma模具11。本发明其内部流道结构的高度为1mm。接着利用pdms倒模。倒模方法和参数与上述参数类似，即将pdms溶液倒入上述模具槽内(pdms主剂和固化剂比例为10:1)，无气泡后，至于烘箱中以80摄氏度固化1.5小时。pdms完全固化后自然冷却到室温。撕下pdms后获得如图6所示的pdms微流道结构12。
58.接着将pdms微流道结构与微流控芯片主体部分键合，如图7所示。键合方法与上面所述的方法相同，即对pdms微流道结构键合面和多孔玻璃的下表面进行氧离子轰击，增加表面能，然后对准、贴合、压重物，并置于80摄氏度的烘箱中加热2分钟，从而实现键合。键合完成后利用打孔机制作入口13，出口14。最终完成的用于制作微透镜阵列的微流控芯片如图7所示。
59.f、pua记录微透镜阵列结构。
60.由于pdms是透气型材料，因此，不能通过向微流道内加气压来使得pdms变形。本发明采用向微流控芯片内部注入纯净水15的方式，使得pdms变形形成微透镜。如图8
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1所示，左侧为水入口。右侧为水出口，接上水压计，用于监测微流控芯片内水压力。
61.由于水压的作用，气孔处的pdm会凸起，形成微透镜阵列形状16，通过调节水压大小，可以控制微透镜的高度。通过制作不同直径的孔，可以控制制作的微透镜的直径。
62.当pdms变形形成微透镜后，将pua溶液17倾倒在pdms所形成的槽内。如图8
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2所示。待pua完全摊平后，将pua至于紫外热灯下曝光，固化pua。这里需要注意的是曝光过程采用逐步曝光法，即曝光一分钟，停1分钟以利于散热，否则持续曝光的话，会由于产生大量的热而容易形成气泡，导致表面不平整。整个紫外曝光时间为15分钟。
63.曝光完成后，将pua与pdms分离。此时，微透镜阵列图案转移到pua上。获得pua材质的凹面微透镜阵列18，如图8
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3所示。
64.g、以pua为模板再复制，制作pdms微透镜阵列
65.工艺流程示意图如图9所示。在实时复制前pua模板应该进行紫外曝光1小时使其完全固化，避免pdms在pua模板上难以固化的问题。接着，将pua凹透镜阵列模板放模具盒19内。将复制pua结构时所用的pdms溶液20(主剂与固化剂以10:1配比混合)倾倒在pua凹面微透镜阵列上，如图9
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1所示。待pdms完全覆盖，液面平整且无气泡后，至于烘箱中以80摄氏度固化1.5小时。自然冷却后，将固化的pdms与pua模板剥离。这样再一次将微透镜阵列结构转移到pdms上，从而获得了pdms微透镜阵列21，如图9
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2所示。最后，可以根据需求将pdms裁剪成需要的大小，得到裁剪后的pdms微透镜阵列22，如图9
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3所示。