一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法.pdf

一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，通过压印的方式在ITO导电玻璃基材上制作微柱阵列，然后使用另一块ITO导电玻璃作为上电极，与基材形成一对平行平板电极，并在电极间施加直流电压，当加热基材至聚合物的玻璃态转换温度以上时，受电场力诱导作用，微柱阵列重新流变成具有非球面面型的微透镜阵列，具体步骤为先进行压印模具的制备及处理，再进行基材、电极和聚合物的选择，然后压印及脱模，再施加外电场进行电场诱导再成型，最后进行聚合物的固化，得到非球面微透镜阵列，本发明不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。

权利要求书一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）压印模具的制备及处理：在晶圆表面利用光刻和刻蚀工艺加工出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行表面处理，使其利于压印后的脱模；
2）基材、电极和聚合物的选择：基材和电极都采用表面蒸镀了一层厚度为50nm‑300nm的导电纳米铟锡金属化合物的ITO导电玻璃，聚合物采用具有热塑性的材料，或同时具有热塑性和紫外可固化的材料；
3）压印及脱模：利用匀胶机在基材上旋涂一层聚合物，聚合物厚度为10um‑50um，以10Mpa的压力P将处理后的压印模具压在基材上，与基材紧密结合，并保证环境温度在聚合物的玻璃态转换温度以上，1‑20分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下聚合物柱状阵列；
4）施加外电场：利用另一块ITO导电玻璃作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是柱状阵列高度的2‑4倍，采用直流电源，电压调节范围在300‑500V，正极连上电极，负极连基材，对形成的聚合物微柱阵列施加外电场；
5）电场诱导再成型：再将环境温度升至玻璃态转化温度以上，调节电压大小，使电场力大于聚合物表面张力，持续1‑20分钟，直至成型过程结束；
6）聚合物的固化：在保持施加电压不变的情况下，根据聚合物材料性质，选择相应的固化方式，最终得到非球面微透镜阵列。
根据权利要求1所述的一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，其特征在于，所述的聚合物为PMMA、PS或SU‑8胶。

说明书一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法。
背景技术
微透镜是指微小透镜，通常其直径为10μm到1㎜级，而按照表面曲率的不同，微透镜可以分为球面微透镜和非球面微透镜，其中非球面微透镜由于其能更好地消除球面像差而更加实用，由这些微小透镜按照一定的填充率和排列方式组成的阵列就是微透镜阵列。鉴于其在通信技术，光学测量以及平板显示和摄像等诸多领域的巨大应用，各种关于微透镜阵列的制备方法相继提出，比如光刻胶热熔法，喷墨打印法和准分子激光烧蚀法等。但是，这些方法都只能制备球面型的微透镜，严重影响了其在应用领域的采用和推广。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，可以制造出聚合物非球面微透镜阵列，在降低加工成本，提高加工效率的同时，还保证了微透镜的表面光洁度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，在ITO导电玻璃基材上留下微柱阵列，然后使用另一块ITO导电玻璃作为上电极，与基材形成一对平行平板电极，并在电极间施加直流电压，当加热基材至聚合物的玻璃态转换温度以上时，受电场力诱导作用，微柱阵列重新流变成具有非球面面型的微透镜阵列。
一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，包括以下步骤：
1）压印模具的制备及处理：在晶圆表面利用光刻和刻蚀工艺加工出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行表面处理，使其利于压印后的脱模；
2）基材、电极和聚合物的选择：基材和电极都采用表面蒸镀了一层厚度为50nm‑300nm的导电纳米铟锡金属化合物的ITO导电玻璃，聚合物采用具有热塑性的材料，或同时具有热塑性和紫外可固化的材料；
3）压印及脱模：利用匀胶机在基材上旋涂一层聚合物，聚合物厚度为10um‑50um，以10Mpa的压力P将处理后的压印模具压在基材上，与基材紧密结合，并保证环境温度在聚合物的玻璃态转换温度以上，1‑20分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下聚合物柱状阵列；
4）施加外电场：利用另一块ITO导电玻璃作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是柱状阵列高度的2‑4倍，采用直流电源，电压调节范围在300‑500V，正极连上电极，负极连基材，对形成的聚合物微柱阵列施加外电场；
5）电场诱导再成型：再将环境温度升至玻璃态转化温度以上，调节电压大小，使电场力大于聚合物表面张力，持续1‑20分钟，直至成型过程结束；
6）聚合物的固化：在保持施加电压不变的情况下，根据聚合物材料性质，选择相应的固化方式，最终得到非球面为透镜阵列。
所述的聚合物为PMMA、PS或SU‑8胶。
本发明突破了常规微透镜阵列制备工艺只能制备球面透镜的限制，得到的微透镜阵列具有超光滑表面特性，更有利于光学领域的广泛应用。同时由于本发明不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。本技术方案可以广泛地应用在芯片实验室，平板显示器，光学系统检测及观察等多方面。
附图说明：
图1‑1为压印模具主视图。
图1‑2为压印模具的仰视图。
图2为旋涂有聚合物材料基材示意图。
图3为将模板压在聚合物材料上的示意图。
图4为脱模后形成的聚合物柱状阵列示意图。
图5为在加热状态下施加外电场进行电诱导再成型示意图。
图6为电场诱导再成型过程中聚合物局部流变原理示意图。
图7为固化成型后的聚合物微透镜阵列示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述。
将压印模具以10Mpa的压力压在事先涂覆有聚合物的导电基材表面，使压印模具和基材紧密结合，保证环境温度在聚合物玻璃态转换温度以上，以实现聚合物在压印模具腔体内的完全填充，然后冷却至室温脱模，得到在导电基材上的聚合物微柱阵列，用另一块导电极板作为上电极，与基材形成一对平行电极对，在之间施加300‑500V的直流电压，并再次将环境温度升至聚合物的玻璃态转换温度以上，在电场力的诱导作用下，聚合物微柱阵列重新流变成型，得到具有非球面面型的聚合物微透镜阵列，最后根据聚合物材料性质，通过相应的固化方式，将聚合物固化。
一种非球面微透镜阵列的电场诱导压印方法，包括以下步骤：
1）压印模具的制备及处理：参照图1，压印模具1采用光刻和刻蚀的传统工艺，在晶圆上制作微孔阵列2，完成后进行低表面能处理，即在压印模具正面制作一层厚度为20‑100nm的抗粘层3，防止脱模时损伤微柱阵列结构；
2）基材、电极和聚合物的选择：参照图2，选择ITO导电玻璃作为基材4和上电极5，二者组成一对平面平板电极，聚合物6可采用具有热塑性材料，或同时具有热塑性和紫外可固化的材料；
3）压印及脱模：参照图3和图4，在基材4上用匀胶机旋涂一层厚度为10‑50um的聚合物6，以恒定的压力P=10MPa将处理后的压印模具1压在基材4上，使压印模具和基材紧密结合，并用热板7加热基材至材料的玻璃态转换温度以上，1‑20分钟后，冷却至室温，脱模，在基材4上留下了聚合物微柱阵列8；
4）施加外加电场：参照图5，用另一块ITO玻璃作为上电极5，在一对平板电极之间施加恒定的电压，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是柱状阵列高度的2‑4倍，采用直流电源，电压300‑500V连续可调，基材4上的导电纳米铟锡金属氧化为ITO层接电源的负极，上电极5的ITO层接电源的正极，对形成的聚合物微柱阵列8施加外电场；
5）电场诱导再成型：参照图6，通过热板7对基材4再次进行加热，使温度升至玻璃态转换温度以上，调节直流电压9的大小，使电场力增大至足以克服材料的表面张力，从而驱动聚合物微柱阵列8的再成型，以得到非球面面型的结构，处于上下平板电极之间的聚合物微柱阵列8受到一个向上的电场力F的作用，电场力F可以使此处的聚合物材料克服表面张力和粘滞阻力向上流动。在这些力的共同作用下，聚合物最终流变形成一个具有非球面面型的结构10；
6）聚合物的固化：参照图7，使聚合物材料在不变的电压下，电压大小为300‑500V的某值均可，保持1‑20分钟，固化聚合物，聚合物的固化方式由聚合物的性质决定，如紫外曝光固化、降温固化等，固化完成后，撤离上电极，最终的非球面微透镜阵列10便留在了基材4上。
上述方法，可以实现的非球面微透镜阵列尺寸为：模具凸起部分尺寸W1以及凹陷部分尺寸W2均为10微米至100微米级，平板电极之间的距离d为50微米至100微米级，压印高度和透镜高度h1，h2为10微米至100微米级，压印留膜和最终成型留膜厚度h3，h4为1微米至10微米级，最终的透镜尺寸W3为10微米至100微米级，透镜间隙W4为10微米至100微米级。
压印光刻与电场诱导再成型的聚合物非球面微透明阵列，是利用压印光刻完成对微透镜阵列的大面积的定位，此步骤简单经济，出产率高，形成的微柱阵列在后续的电场诱导成型过程中，进一步流变，最终形成了具有良好表面结构的微透镜阵列，由于此种加工工艺没有涉及到任何材料去除和烧蚀，在聚合物自然流动的过程中，微透镜的表面粗糙度非常细小，可以达到10个纳米以下，所以是一种非常简单实用的制备方法，产品光学性能优良，可以用于各种光学领域。
另一方面，本发明克服了传统微透镜阵列制备工艺只能制备球面微透镜的限制，通过电场诱导微柱阵列的再成型，形成的微透镜阵列具有非球面面型，适合于各种光学领域的应用和推广。