本發(fā)明提出一種原位成形光學(xué)微透鏡微制造過程中的面形控制工藝，主要用于制造生物芯片檢測系統(tǒng)的光激發(fā)單元和光檢測單元的濾光片上的微透鏡，在結(jié)構(gòu)縮微，功能集成的基礎(chǔ)上達到提高被檢測物所激發(fā)熒光的聚焦效率和提高生物芯片檢測靈敏度目的，屬于生物學(xué)和分析化學(xué)及醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微流控芯片及檢測技術(shù)是近些年來在生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展非?？斓囊豁椄咝录夹g(shù)，它在微型化基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)將全部生物分析過程如采樣、稀釋、進樣、反應(yīng)、分離和檢測等功能集成到一個芯片中，被通俗的稱為“芯片實驗室”。生物芯片的檢測是微流控芯片技術(shù)重要的組成部分，主要包括信號產(chǎn)生、收集、傳輸、信號處理及識別部分。在各種微流控芯片信號檢測方法中，熒光光譜檢測的方法具有重復(fù)性好，選擇性強，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的檢測技術(shù)之一。研制體積小可嵌入芯片和靈敏度高的光譜檢測技術(shù)已成為當(dāng)前各國研究的熱點。

在生物芯片熒光檢測系統(tǒng)中，熒光信號微弱的原因是被測物量少，發(fā)光點小，而并不是被檢測物的濃度低，使用具有最佳聚焦效果的非球曲面光學(xué)微透鏡，并且令光學(xué)微透鏡與微檢測工作端面高精度地同光軸粘合，可以提高被測物所激發(fā)熒光的聚焦效率，這是提高生物芯片光譜檢測靈敏度的關(guān)鍵之一。在前期工作中我們設(shè)計出了原位成形微透鏡制造工藝，其基本過程是從一定高度將光學(xué)UV膠滴落在目的基底上，其表面的曲線形狀實時變化，適時的用一定功率紫外光照射進行固化，最后將UV光學(xué)膠滴固化成吻合設(shè)計形狀的光學(xué)微透鏡，這種微透鏡專門用于生物芯片光學(xué)微檢測系統(tǒng)中，見專利“原位成形式光學(xué)微透鏡的激光微制造裝置及方法”【CN 102230978 A】。這種方法解決了微透鏡制造過程的兩大難題：1、保證了透鏡底部水平面的平整度與光軸之間的垂直度；2、保證了微透鏡光軸與激發(fā)光源或者光電轉(zhuǎn)換器件中心對稱軸精確的對準(zhǔn)。在原位成形微透鏡制作過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題是光學(xué)UV膠滴(下面簡稱膠滴)頂冠在鋪展過程中三種非球面面形(拋物線形，雙曲面行，橢圓形)變化規(guī)律的揭示與控制，包括變化的速率，三種曲面出現(xiàn)次序規(guī)律的掌握和控制，在此基礎(chǔ)上才能有效實現(xiàn)基于光學(xué)膠滴的原位成形光學(xué)微透鏡的激光制造技術(shù)。目前有三種面形控制工藝，一種是通過高壓裝置對膠滴表面直接施加作用力，此作用力與與液滴表面張力共同作用實現(xiàn)面形變化的控制，另一種是通過在膠滴中摻入納米石英顆粒，通過摻入納米石英顆粒改變膠滴濃度實現(xiàn)膠滴表面張力的變化達到面形變化的控制目的，第三種是通過改變基底的表面粗糙度來實現(xiàn)面形變化的控制。在實際制作過程中發(fā)現(xiàn)高壓控制工藝裝置復(fù)雜，導(dǎo)致微透鏡制造成本高，而且操作起來危險性很高，而且這種方法對膠滴張力的作用方向是順著電場方向固定的，對面形復(fù)雜的非球面控制效果很差；第二種工藝復(fù)雜，由于納米物質(zhì)的團聚現(xiàn)象，納米顆粒濃度與面形變化控制之間的關(guān)系難以掌握，而且在微透鏡制造之前就已完成摻雜，制作過程中不能再對摻雜濃度進行調(diào)整，這樣制作完成的微透鏡往往不能達到任意的目標(biāo)面形；而改變基底粗糙度的工藝通過對基底的表面進行打磨，操作雖然相對簡單，但是也是在制造過程之前就已完成，制造過程中不能進行改變，大大阻礙了面形的實際可選擇性。

基于此，本發(fā)明提出一種通過溫度控制紫外光學(xué)膠流淌性的方法，在微透鏡制造過程中升高或降低溫度，引起膠滴表面張力的變化,即改變其粘度，使其原有沾濕潤濕狀態(tài)發(fā)生平面鋪展或球形收縮，進而可以獲得多種不同條件下膠滴非球面頂冠變化的規(guī)律，實現(xiàn)原位成形光學(xué)微透鏡制造過程中光學(xué)膠滴不同面形的控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種原位成形微透鏡制造過程中UV膠粘度控制工藝，該工藝為一種利用溫度控制紫外光學(xué)膠流淌性的方法，通過溫度的升高或者降低增加或者減少紫外光學(xué)膠的粘度，使得膠滴的流淌性得到控制，此時膠滴非球表面曲率半徑也得到了控制，適時的使用紫外光束對其進行照射，完成特定面形原位成形微透鏡的制作。其理論基礎(chǔ)如下：鋪展靜止后的膠滴曲面在任意一個豎直平面內(nèi)的截面如圖1所示，該截線是個左右對稱的曲線，設(shè)頂點O為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系，水平方向為x軸、向右為正，豎直方向為z軸、向下為正。G為表面曲線上任意一個觀察點，其位置除用直角坐標(biāo)x、z表示外，還能夠用弧坐標(biāo)s和角坐標(biāo)θ表示，s為從頂點O到G點的弧長，θ為G點處的切線與水平方向之間的夾角。

若膠滴除了受重力作用以外，不受其它外力，則G點處膠滴內(nèi)的壓強為

膠滴外的壓強為其中和分別為頂點O處膠滴內(nèi)、外的壓強，ρ_膠和ρ_空分別為膠和空氣的密度，g為重力加速度。兩式相減，可得到G點附加壓強為

Δp_G＝Δp_O+Δρgz

其中Δρ為膠滴與空氣的密度差，由于空氣密度遠小于膠的密度，實際計算時用ρ_膠代替Δρ，Δp_O為頂點O的附加壓強，由于對稱性，O點處的兩個正曲率半徑相等，記為R_O，由式計算，σ為膠滴的表面張力系數(shù)。Δp_G由式計算。為確定兩個正曲率半徑，過G點作兩個正交平面，一個即紙面，該平面中G點處圓弧的曲率中心為O₁，曲率半徑為R₁，用曲率半徑的定義進行計算

dθ和ds分別為G點處的角坐標(biāo)與弧坐標(biāo)的微分。另一個平面與紙面垂直，它與紙面的交線為G點切線的法線GO₂，該平面內(nèi)G點處圓弧的曲率中心O₂在z軸上，曲率半徑為R₂，計算方法為

由此得到膠滴的表面方程組

式中參數(shù)L的定義為光學(xué)膠的特征長度，該參數(shù)L取決于光學(xué)膠本身的性能，并且具有長度的量綱。

膠滴表面方程組的求解需要給定V、θ、L三個膠滴性能參數(shù)，性能參數(shù)的變化，會引起膠滴表面形狀的變化。其中V是膠滴體積，它對于目標(biāo)微透鏡是固定的，θ、L取決于膠滴表面張力系數(shù)σ和兩個界面張力系數(shù)σ_玻膠和σ_{?？?/sub>，通過改變這三個系數(shù)就可以達到微透鏡表面形狀的控制，溫度越低，張力系數(shù)越大，膠滴收縮程度越高，溫度越低，膠滴伸展程度越高。通過溫度的升高降低可以改變?nèi)齻€張力系數(shù)σ，σ玻膠和σ玻空，進而改變光學(xué)膠的流淌性能，實現(xiàn)改變膠滴表面形狀變化規(guī)律的目的，使用面形檢測裝置實時檢測紫外光學(xué)膠滴表面形狀，然后通過半導(dǎo)體制冷片干預(yù)其面形的變化，適時采用紫外光源照射最終完成微透鏡的固化成形。}

基于以上原理，本發(fā)明擬采取的技術(shù)方案如下：

如上圖所示1為背景光源模塊1、柔光板2、隔熱材料腔3、膠滴釋放導(dǎo)管4、精密注射泵5、紫外光源6、未完成固化的紫外光學(xué)膠滴7、目的基底8、半導(dǎo)體制冷片a9、半導(dǎo)體制冷片b10、CCD模塊11、上位機12。背景光源模塊1、精密注射泵5、半導(dǎo)體制冷片a9、半導(dǎo)體制冷片b10均受到上位機12的控制。兩個半導(dǎo)體制冷片a9和b10可以起到調(diào)節(jié)膠滴溫度的作用，從而改變了σ，σ_玻膠和σ_{?？?/sub>，膠滴表面形狀變化規(guī)律也得到改變和控制，隔熱材料腔3是為了使腔內(nèi)溫度與腔外進行隔絕，使溫度更好的得到控制。精密注射泵5內(nèi)裝有紫外光學(xué)膠，通過膠滴釋放導(dǎo)管4將精密注射泵5內(nèi)的紫外光學(xué)膠膠滴釋放到目的基底8上，根據(jù)設(shè)計面形的要求改變半導(dǎo)體制冷片a9、半導(dǎo)體制冷片b10的工作方式使得紫外光學(xué)膠滴流淌性得到控制，在捕捉到設(shè)計面形的時候開啟紫外光源6對膠滴頂冠進行預(yù)固化，此時膠滴表面已經(jīng)成型。預(yù)固化完成后繼續(xù)通過改變半導(dǎo)體制冷片a9、半導(dǎo)體制冷片b10的工作方式使得膠滴頂冠高度得到調(diào)整，從而使非球面透鏡的焦點調(diào)整到目的基底8的工作面上。背景光源模塊1、柔光板2設(shè)置在隔熱材料腔3的外面，作用是為了在CCD模塊11采集紫外光學(xué)膠滴輪廓圖像時避免膠滴表面反射光線的影響。}

本發(fā)明發(fā)明點主要有以下兩個方面：1、通過溫度的改變引起光學(xué)膠滴張力系數(shù)的改變，即改變膠滴粘度，從而改變光學(xué)膠滴非球面頂冠的形狀變化的規(guī)律；2、在各種非球面膠滴變化過程中，采用強激光在捕捉到膠滴非球面頂冠形狀與設(shè)計形狀吻合時對膠滴表面進行預(yù)固化，然后通過改變溫度調(diào)整非球面頂冠的高度，使得其焦點落在需要的工作面上。

相比目前的三種原位成形微透鏡面形控制工藝，本發(fā)明提出的通過溫度控制光學(xué)UV膠滴粘度，進而控制膠滴面形的方法具有如下優(yōu)點：

1、去除了高壓裝置，簡化了制造設(shè)備，節(jié)省了微透鏡制造成本。

2、不需要進行如摻雜或者基底粗糙度改變的預(yù)處理，在掌握溫度和三種曲面形狀變化規(guī)律之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，直接在制造過程中控制面形的改變，大大簡化了制作工藝。

3、在各種非球面膠滴變化過程中，采用強激光在捕捉到膠滴非球面頂冠形狀與設(shè)計形狀吻合時對膠滴表面進行預(yù)固化，然后通過改變溫度調(diào)整非球面頂冠的高度，使得其焦點落在需要的工作面上，即具有微透鏡焦點調(diào)節(jié)的功能，這是其他工藝難以做到的。

附圖說明

圖1為鋪展靜止后的膠滴截面受力圖。

圖2為基于溫度控制的原位成形微透鏡制造裝置示意圖

具體實施方式

結(jié)合圖2說明本發(fā)明的一種具體實施方式，背景光源1采用采用四針吸頂H型燈管，隔熱材料腔3材質(zhì)采用JGS2紫外光學(xué)石英玻璃，精密注射泵5采用V6精密注射泵，紫外光源6采用激光光源，能量密度限制在5J/cm²以內(nèi)。通過上位機12控制電路給半導(dǎo)體制冷片a9和半導(dǎo)體制冷片b10通正向電流，使得半導(dǎo)體制冷片開始制冷，當(dāng)腔內(nèi)溫度接近5℃時使精密注射泵5中的紫外光學(xué)膠通過膠滴釋放導(dǎo)管4釋放到目的基底8上，體積約為10μl，此時通過CCD模塊11檢測到膠滴形狀的變化，由于溫度較低，此時膠滴粘度較大，流淌性較差，膠滴收縮程度較高(曲率半徑較小)，面形變化速率慢，在即將達到設(shè)計面形的時候開啟紫外光源6(能量密度約為5J/cm²)對紫外光學(xué)膠滴7進行預(yù)固化后關(guān)閉紫外光源6，同時給半導(dǎo)體制冷片a9和半導(dǎo)體制冷片b10通反向電流，溫度升高后膠滴收縮程度降低，頂冠高度開始下降，當(dāng)非球面焦點落在可通過位移平臺控制位置的目的基底8上時開啟紫外光源6(能量密度約為3J/cm²)直至膠滴固化完成。