專利名稱：一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法
一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法。
背景技術(shù)：
微透鏡是指微小透鏡，通常其直徑為ΙΟμπι到I mm級，而按照表面曲率的不同，微透鏡可以分為球面微透鏡和非球面微透鏡，其中非球面微透鏡由于其能更好地消除球面像差而更加實(shí)用，由這些微小透鏡按照一定的填充率和排列方式組成的陣列就是微透鏡陣列。鑒于其在通信技術(shù)，光學(xué)測量以及平板顯示和攝像等諸多領(lǐng)域的巨大應(yīng)用，各種關(guān)于微透鏡陣列的制備方法相繼提出，比如光刻膠熱熔法，噴墨打印法和準(zhǔn)分子激光燒蝕法等。但是，這些方法都只能制備球面型的微透鏡，嚴(yán)重影響了其在應(yīng)用領(lǐng)域的采用和推廣。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，可以制造出聚合物非球面微透鏡陣列，在降低加工成本，提高加工效率的同時(shí)，還保證了微透鏡的表面光潔度。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
—種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，在ITO導(dǎo)電玻璃基材上留下微柱陣列，然后使用另一塊ITO導(dǎo)電玻璃作為上電極，與基材形成一對平行平板電極，并在電極間施加直流電壓，當(dāng)加熱基材至聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上時(shí)，受電場力誘導(dǎo)作用，微柱陣列重新流變 成具有非球面面型的微透鏡陣列。
一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，包括以下步驟
I)壓印模具的制備及處理在晶圓表面利用光刻和刻蝕工藝加工出所需的圓孔陣列圖形結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行表面處理，使其利于壓印后的脫模；
2)基材、電極和聚合物的選擇基材和電極都米用表面蒸鍍了一層厚度為 50nm-300nm的導(dǎo)電納米銦錫金屬化合物的ITO導(dǎo)電玻璃，聚合物采用具有熱塑性的材料， 或同時(shí)具有熱塑性和紫外可固化的材料；
3)壓印及脫模利用勻膠機(jī)在基材上旋涂一層聚合物，聚合物厚度為10um_50um， 以IOMpa的壓力P將處理后的壓印模具壓在基材上，與基材緊密結(jié)合，并保證環(huán)境溫度在聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上，1-20分鐘后，冷卻至室溫，脫模，在基材上留下聚合物柱狀陣列；
4)施加外電場利用另一塊ITO導(dǎo)電玻璃作為上電極,與基材組合形成一對平板電極，兩平板電極之間有一層空氣間隙，空氣間隙是柱狀陣列高度的2-4倍，采用直流電源，電壓調(diào)節(jié)范圍在300-500V，正極連上電極，負(fù)極連基材，對形成的聚合物微柱陣列施加外電場；
5)電場誘導(dǎo)再成型再將環(huán)境溫度升至玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度以上，調(diào)節(jié)電壓大小，使電場力大于聚合物表面張力，持續(xù)1-20分鐘，直至成型過程結(jié)束；
6)聚合物的固化在保持施加電壓不變的情況下，根據(jù)聚合物材料性質(zhì)，選擇相應(yīng)的固化方式，最終得到非球面為透鏡陣列。
所述的聚合物為PMMA、PS或SU-8膠。
本發(fā)明突破了常規(guī)微透鏡陣列制備工藝只能制備球面透鏡的限制，得到的微透鏡陣列具有超光滑表面特性，更有利于光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)由于本發(fā)明不需要復(fù)雜的工藝控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。本技術(shù)方案可以廣泛地應(yīng)用在芯片實(shí)驗(yàn)室，平板顯示器，光學(xué)系統(tǒng)檢測及觀察等多方面。


圖1-1為壓印模具主視圖。圖1-2為壓印模具的仰視圖。圖2為旋涂有聚合物材料基材示意圖。圖3為將模板壓在聚合物材料上的示意圖。
圖4為脫模后形成的聚合物柱狀陣列示意圖。
圖5為在加熱狀態(tài)下施加外電場進(jìn)行電誘導(dǎo)再成型示意圖。
圖 6為電場誘導(dǎo)再成型過程中聚合物局部流變原理示意圖。
圖 7為固化成型后的聚合物微透鏡陣列示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
將壓印模具以IOMpa的壓力壓在事先涂覆有聚合物的導(dǎo)電基材表面，使壓印模具和基材緊密結(jié)合，保證環(huán)境溫度在聚合物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上，以實(shí)現(xiàn)聚合物在壓印模具腔體內(nèi)的完全填充，然后冷卻至室溫脫模，得到在導(dǎo)電基材上的聚合物微柱陣列，用另一塊導(dǎo)電極板作為上電極，與基材形成一對平行電極對，在之間施加300-500V的直流電壓，并再次將環(huán)境溫度升至聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上，在電場力的誘導(dǎo)作用下，聚合物微柱陣列重新流變成型，得到具有非球面面型的聚合物微透鏡陣列，最后根據(jù)聚合物材料性質(zhì)， 通過相應(yīng)的固化方式，將聚合物固化。
一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，包括以下步驟
1)壓印模具的制備及處理參照圖1，壓印模具I采用光刻和刻蝕的傳統(tǒng)工藝， 在晶圓上制作微孔陣列2，完成后進(jìn)行低表面能處理，即在壓印模具正面制作一層厚度為 20-100nm的抗粘層3,防止脫模時(shí)損傷微柱陣列結(jié)構(gòu)；
2)基材、電極和聚合物的選擇參照圖2，選擇ITO導(dǎo)電玻璃作為基材4和上電極 5，二者組成一對平面平板電極，聚合物6可采用具有熱塑性材料，或同時(shí)具有熱塑性和紫外可固化的材料；
3)壓印及脫模參照圖3和圖4，在基材4上用勻膠機(jī)旋涂一層厚度為10_50um的聚合物6，以恒定的壓力P=IOMPa將處理后的壓印模具I壓在基材4上，使壓印模具和基材緊密結(jié)合，并用熱板7加熱基材至材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上，1-20分鐘后，冷卻至室溫， 脫模，在基材4上留下了聚合物微柱陣列8 ；
4)施加外加電場參照圖5,用另一塊ITO玻璃作為上電極5,在一對平板電極之 間施加恒定的電壓，兩平板電極之間有一層空氣間隙，空氣間隙是柱狀陣列高度的2-4倍， 采用直流電源，電壓300-500V連續(xù)可調(diào)，基材4上的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化為ITO層接電 源的負(fù)極，上電極5的ITO層接電源的正極，對形成的聚合物微柱陣列8施加外電場；
5)電場誘導(dǎo)再成型參照圖6，通過熱板7對基材4再次進(jìn)行加熱，使溫度升至玻 璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上，調(diào)節(jié)直流電壓9的大小，使電場力增大至足以克服材料的表面張力，從 而驅(qū)動聚合物微柱陣列8的再成型，以得到非球面面型的結(jié)構(gòu)，處于上下平板電極之間的 聚合物微柱陣列8受到一個(gè)向上的電場力F的作用，電場力F可以使此處的聚合物材料克 服表面張力和粘滯阻力向上流動。在這些力的共同作用下，聚合物最終流變形成一個(gè)具有 非球面面型的結(jié)構(gòu)10 ；
6)聚合物的固化參照圖7，使聚合物材料在不變的電壓下，電壓大小為300-500V 的某值均可，保持1-20分鐘，固化聚合物，聚合物的固化方式由聚合物的性質(zhì)決定，如紫外 曝光固化、降溫固化等，固化完成后，撤離上電極，最終的非球面微透鏡陣列10便留在了基 材4上。
上述方法，可以實(shí)現(xiàn)的非球面微透鏡陣列尺寸為模具凸起部分尺寸Wl以及凹陷 部分尺寸W2均為10微米至100微米級，平板電極之間的距離d為50微米至100微米級， 壓印高度和透鏡高度hi，h2為10微米至100微米級，壓印留膜和最終成型留膜厚度h3，h4 為I微米至10微米級，最終的透鏡尺寸W3為10微米至100微米級，透鏡間隙W4為10微 米至100微米級。
壓印光刻與電場誘導(dǎo)再成型的聚合物非球面微透明陣列，是利用壓印光刻完成對 微透鏡陣列的大面積的定位，此步驟簡單經(jīng)濟(jì)，出產(chǎn)率高，形成的微柱陣列在后續(xù)的電場誘 導(dǎo)成型過程中，進(jìn)一步流變，最終形成了具有良好表面結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列，由于此種加工工 藝沒有涉及到任何材料去除和燒蝕，在聚合物自然流動的過程中，微透鏡的表面粗糙度非 常細(xì)小，可以達(dá)到10個(gè)納米以下，所以是一種非常簡單實(shí)用的制備方法，產(chǎn)品光學(xué)性能優(yōu) 良，可以用于各種光學(xué)領(lǐng)域。
另一方面，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微透鏡陣列制備工藝只能制備球面微透鏡的限制， 通過電場誘導(dǎo)微柱陣列的再成型，形成的微透鏡陣列具有非球面面型，適合于各種光學(xué)領(lǐng) 域的應(yīng)用和推廣。
權(quán)利要求
1.一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，其特征在于，包括以下步驟1)壓印模具的制備及處理在晶圓表面利用光刻和刻蝕工藝加工出所需的圓孔陣列圖形結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行表面處理，使其利于壓印后的脫模；2)基材、電極和聚合物的選擇基材和電極都米用表面蒸鍍了一層厚度為50nm-300nm 的導(dǎo)電納米銦錫金屬化合物的ITO導(dǎo)電玻璃，聚合物采用具有熱塑性的材料，或同時(shí)具有熱塑性和紫外可固化的材料；3)壓印及脫模利用勻膠機(jī)在基材上旋涂一層聚合物，聚合物厚度為10Um-50Um，以 IOMpa的壓力P將處理后的壓印模具壓在基材上，與基材緊密結(jié)合，并保證環(huán)境溫度在聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上，1-20分鐘后，冷卻至室溫，脫模，在基材上留下聚合物柱狀陣列；4)施加外電場利用另一塊ITO導(dǎo)電玻璃作為上電極,與基材組合形成一對平板電極， 兩平板電極之間有一層空氣間隙，空氣間隙是柱狀陣列高度的2-4倍，采用直流電源，電壓調(diào)節(jié)范圍在300-500V，正極連上電極，負(fù)極連基材，對形成的聚合物微柱陣列施加外電場；5)電場誘導(dǎo)再成型再將環(huán)境溫度升至玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度以上，調(diào)節(jié)電壓大小，使電場力大于聚合物表面張力，持續(xù)1-20分鐘，直至成型過程結(jié)束；6)聚合物的固化在保持施加電壓不變的情況下，根據(jù)聚合物材料性質(zhì)，選擇相應(yīng)的固化方式，最終得到非球面微透鏡陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，其特征在于， 所述的聚合物為PMMA、PS或SU-8膠。
全文摘要
一種非球面微透鏡陣列的電場誘導(dǎo)壓印方法，通過壓印的方式在ITO導(dǎo)電玻璃基材上制作微柱陣列，然后使用另一塊ITO導(dǎo)電玻璃作為上電極，與基材形成一對平行平板電極，并在電極間施加直流電壓，當(dāng)加熱基材至聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度以上時(shí)，受電場力誘導(dǎo)作用，微柱陣列重新流變成具有非球面面型的微透鏡陣列，具體步驟為先進(jìn)行壓印模具的制備及處理，再進(jìn)行基材、電極和聚合物的選擇，然后壓印及脫模，再施加外電場進(jìn)行電場誘導(dǎo)再成型，最后進(jìn)行聚合物的固化，得到非球面微透鏡陣列，本發(fā)明不需要復(fù)雜的工藝控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。
文檔編號G02B3/02GK103064137SQ20131000676
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月9日
發(fā)明者邵金友, 丁玉成, 胡鴻, 田洪淼, 李祥明 申請人:西安交通大學(xué)