CN106405692B - 一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，先在透明导电基材表面制备一层低玻璃态转化温度的热塑性高介电常数聚合物，然后在热塑性高介电常数聚合物表面制备一层低介电常数聚合物，在低介电常数聚合物上制备一层阵列结构，再采用结构化的高掺导电Si片作为诱导模板，与结构化低介电常数聚合物间施加外部电压，同时施加外加热场，使热塑性高介电常数聚合物温度超过其玻璃态转换温度，驱动液态热塑性高介电常数聚合物按照诱导模板的结构化形貌向上生长，直至复形过程结束；最后去除外加热场，固化电诱导复形所得的多尺度复合结构，得到复眼透镜多级结构，本发明实现宏微、宏纳以及微纳尺度复眼透镜复合结构的可控制造，加工成本低，加工效率高。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造中的复眼透镜技术领域，具体涉及一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺。
背景技术
在微纳光学元件的设计与制造中，自然界给予人类很多重要的启示，复眼透镜就是从昆虫复眼获得灵感的典型例子。昆虫的复眼是一种跨尺度多级结构，在毫米级或微米级尺度的复眼上，密排着若干微米级或纳米级的小眼。与哺乳动物不同，昆虫的复眼不能够通过肌肉来调节感知方向以及实现变焦功能，但大量小眼构成的复眼具有视场大，运动感知灵敏度高等优点，能够实现对运动物体的快速反应和定位，在大面积均匀光照系统、运动物体检测、信息通信等方面具有广泛的应用。目前，复眼透镜多级结构的制备通常采用激光或聚焦离子束直写、等离子体干法刻蚀、柔性纳米压印等工艺实现，然而，现有的曲面复眼透镜的制造工艺集中于宏微、宏纳或微纳复眼透镜中某一复合结构的特定形式，难以实现不同跨尺度曲面复眼透镜的普适性制造，即缺少一种工艺方法能够同时满足宏微、宏纳或微纳的曲面复眼透镜制造需求。因此，一种满足复眼透镜多级结构制造特征的三维微纳结构制造技术，实现多级结构跨尺度的普适性制造，是理想复眼透镜从器件原理走向器件产品的关键前提和技术保障。
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电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，能够满足复眼透镜宏微、宏纳或微纳跨尺度普适性制造的需求。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，包括以下步骤：
第一步，基材及成形材料的选择及制备：在透明导电基材表面利用旋涂工艺制备一层厚度为毫米级或微米级的低玻璃态转化温度的热塑性高介电常数聚合物，作为复眼透镜的底层结构材料，然后在热塑性高介电常数聚合物表面旋涂制备一层厚度为微米级或纳米级的低介电常数聚合物，作为复眼透镜的顶层结构材料；
第二步，复眼透镜顶层结构的制备：选用特征尺度为微米级或纳米级的压印模板，利用压印工艺在低介电常数聚合物上制备一层特征尺度为微米级或纳米级的阵列结构，作为复眼透镜的顶层结构；
第三步，复眼透镜底层结构的制备：利用光刻工艺在高掺导电Si片表面制备特征尺度为毫米级或微米级的结构，采用结构化的高掺导电Si片作为诱导模板，与结构化低介电常数聚合物间隔距离为毫米级或微米级，施加外部电压，同时施加外加热场，使热塑性高介电常数聚合物温度超过其玻璃态转换温度，外部电压会在固态低介电常数聚合物与液态热塑性高介电常数聚合物界面处产生麦克斯韦应力，驱动液态热塑性高介电常数聚合物按照诱导模板的结构化形貌向上生长，施加外部电压0.2-2小时，直至复形过程结束；
第四步，复眼透镜复合结构固化成形：在保持外部电压不变的情况下去除外加热场，固化电诱导复形所得的多尺度复合结构，从而得到具有跨尺度特征的复眼透镜多级结构。
所述的透明导电基材为氧化铟锡ITO玻璃或氧化氟锡FTO玻璃。
所述的热塑性高介电常数聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
所述的低介电常数聚合物为NOA系列UV光固化胶或聚二甲基矽氧烷PDMS。
本发明的有益效果：
本发明一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，克服了目前工艺难以实现不同跨尺度曲面复眼透镜的普适性制造难题，能够实现宏微、宏纳以及微纳尺度复眼透镜复合结构的可控制造，同时加工成本低，加工效率高，制备的复眼透镜多级结构可以广泛地应用在大面积均匀光照系统、运动物体检测、信息通信等方面。
附图说明：
图1为本发明在透明导电基材上制备两层介电常数不同的聚合物材料的结构示意图。
图2为本发明利用压印工艺制备复眼透镜顶层结构的工艺示意图。
图3为本发明制备的复眼透镜顶层结构示意图。
图4为本发明电场诱导复眼透镜底层结构的工艺示意图。
图5为本发明电场诱导制备的复眼透镜底层结构示意图。
图6为本发明制备的复眼透镜多级结构示意图。
图7为本发明电场诱导过程中双层聚合物材料的诱导原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种电场诱复眼透镜多级结构的制备工艺，包括以下步骤：
第一步，基材及成形材料的选择及制备：在透明导电基材1表面利用旋涂工艺制备一层厚度h1为毫米级或微米级的低玻璃态转化温度的热塑性高介电常数聚合物2，作为复眼透镜的底层结构材料，然后在热塑性高介电常数聚合物2表面旋涂制备一层厚度h2为微米级或纳米级的低介电常数聚合物3，作为复眼透镜的顶层结构材料，如图1所示，透明导电基材1为氧化铟锡ITO玻璃或氧化氟锡FTO玻璃，热塑性高介电常数聚合物2为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，低介电常数聚合物3为NOA系列UV光固化胶或聚二甲基矽氧烷PDMS；
第二步，复眼透镜顶层结构的制备：选用宽度w1为微米级或纳米级，间距w2为微米级或纳米级，深度h3为微米级或纳米级的压印模板，利用压印工艺在低介电常数聚合物3上制备一层特征尺度为微米级或纳米级的阵列结构，作为复眼透镜的顶层结构，如图2所示，压印工艺制备的复眼透镜顶层结构宽度w3微米级或纳米级，间距w4为微米级或纳米级，高度h5为微米级或纳米级，留膜厚度h4为微米级或纳米级，如图3所示；
第三步，复眼透镜底层结构的制备：利用光刻工艺在高掺导电Si片5表面制备凸起结构，凸起结构的宽度w5为毫米级或微米级，凸起结构的深度h6为毫米级或微米级，采用结构化的高掺导电Si片5作为诱导模板，与结构化低介电常数聚合物间隔距离h7为毫米级或微米级，施加外部电压6，同时施加外加热场7，使热塑性高介电常数聚合物2温度超过其玻璃态转换温度，外部电场6会在固态低介电常数聚合物3与液态热塑性高介电常数聚合物2界面处产生麦克斯韦应力，驱动液态热塑性高介电常数聚合物2按照诱导模板的结构化形貌向上生长，施加外部电压6持续0.2-2小时，直至复形过程结束，如图4所示；
第四步，复眼透镜复合结构固化成形：在保持外部电压6不变的情况下去除外加热场7，固化电诱导复形所得的多尺度复合结构，如图5所示，从而得到具有跨尺度特征的复眼透镜多级结构，顶层低介电常数聚合物3宽度w3为微米或纳米级，间距w4为微米或纳米级，留膜厚度h9为微米或纳米级，底层热塑性高介电常数聚合物2留膜厚度h8为毫米或微米级，总体高度h10为毫米或微米级，如图6所示；
在电场诱导复眼透镜流变成形的过程中，底层热塑性高介电常数聚合物2由于外加热场7的引入，会超过玻璃态转化温度保持流动状态，即液态，而顶层低介电常数聚合物3由于固化作用保持为固态，外部电压6在热塑性高介电常数聚合物2和低介电常数聚合物3之间由于介电常数的差异性，会产生垂直于界面且由热塑性高介电常数聚合物2指向低介电常数聚合物3的电场力F，如图7所示；维持一段时间后，待液态热塑性高介电常数聚合物2完成复形，去除外加热场7使热塑性高介电常数聚合物2固化，最后脱去诱导模板，即得到所需要的复眼透镜多级结构。
本发明利用电场诱导工艺制备的复眼透镜多级结构，能够满足宏微、宏纳以及微纳尺度复眼透镜多级结构普适性及可控性制造的需求，加工复杂度低，提高了结构复形准确度，可以广泛应用于运动物体检测、均匀光照系统、光信息通信等领域。
Claims (4)
1.一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，基材及成形材料的选择及制备：在透明导电基材表面利用旋涂工艺制备一层厚度为毫米级或微米级的低玻璃态转化温度的热塑性高介电常数聚合物，作为复眼透镜的底层结构材料，然后在热塑性高介电常数聚合物表面旋涂制备一层厚度为微米级或纳米级的低介电常数聚合物，作为复眼透镜的顶层结构材料；
第二步，复眼透镜顶层结构的制备：选用特征尺度为微米级或纳米级的压印模板，利用压印工艺在低介电常数聚合物上制备一层特征尺度为微米级或纳米级的阵列结构，作为复眼透镜的顶层结构；
第三步，复眼透镜底层结构的制备：利用光刻工艺在高掺导电Si片表面制备特征尺度为毫米级或微米级的结构，采用结构化的高掺导电Si片作为诱导模板，与结构化低介电常数聚合物间隔距离为毫米级或微米级，施加外部电压，同时施加外加热场，使热塑性高介电常数聚合物温度超过其玻璃态转化温度，外部电压会在固态低介电常数聚合物与液态热塑性高介电常数聚合物界面处产生麦克斯韦应力，驱动液态热塑性高介电常数聚合物按照诱导模板的结构化形貌向上生长，施加外部电压0.2-2小时，直至复形过程结束；
第四步，复眼透镜复合结构固化成形：在保持外部电压不变的情况下去除外加热场，固化电诱导复形所得的多尺度复合结构，从而得到具有跨尺度特征的复眼透镜多级结构。
2.根据权利要求1所述的一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，其特征在于：所述的透明导电基材为氧化铟锡ITO玻璃或氧化氟锡FTO玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，其特征在于：所述的热塑性高介电常数聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
4.根据权利要求1所述的一种电场诱导复眼透镜多级结构的制备工艺，其特征在于：所述的低介电常数聚合物为NOA系列UV光固化胶或聚二甲基矽氧烷PDMS。
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