[發明專利]一種基于電致動的變焦微透鏡陣列結構和制備工藝

有效

• 申請號: 201610326690.9
• 申請日: 2016-05-17
• 公開（公告）號: CN105824063B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 田洪淼;邵金友;李祥明;王炎;王春慧;胡鴻;陳首任
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B26/08;G02B7/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明屬于微納制造中的變焦微透鏡陣列技術領域，具體涉及一種基于電致動的變焦微透鏡陣列結構和制備工藝。

背景技術

在微納光學技術領域中，變焦微透鏡陣列是一種極其重要的微光學元器件，具有光學性能可調、體積小、重量輕、無機械運動、穩定性好等諸多優點，在成像、微流體傳感、自適應光學等諸多領域具有廣闊的應用。目前的變焦微透鏡陣列主要有壓力驅動變焦微透鏡、電潤濕變焦微透鏡、基于熱效應變焦微透鏡、液晶可調變焦微透鏡等，主要是通過改變微透鏡的表面形狀或者其折射率，從而達到調節焦距的效果。但是現有的變焦微透鏡陣列在結構靈活性、性能優越性和工藝簡單性方面難以實現有機的結合：壓力驅動變焦微透鏡能夠實現較大的調焦范圍，但是存在響應速度慢、調控單元結構復雜等缺點；電潤濕驅動變焦微透鏡結構設計靈活、焦距調節范圍比較大，但是存在難以實現較大孔徑尺寸、受環境影響大、不易集成等缺點；基于熱效應變焦微透鏡通常具有價格低廉、結構設計靈活等優點，但是存在制作工藝比較復雜、響應速度慢以及焦距調控范圍不夠大等缺點；液晶變焦微透鏡具有調控速度快、調焦范圍廣、無表面形變以及穩定性好、易于集成等優點，但是其焦距調控精度不夠高，并且還存在著相差、色差等問題。因此，如何在滿足結構設計靈活、性能優越的前提下，以一種簡單的工藝方法實現變焦微透鏡陣列的制備是目前變焦微透鏡陣列領域面臨的重大挑戰。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于電致動的變焦微透鏡陣列結構和制備工藝，實現變焦微透鏡陣列結構靈活、性能優越和工藝簡單的有機統一。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于電致動的變焦微透鏡陣列結構，為“三明治”結構，底層為透明導電電極，中間層為彈性有機透明聚合物層，頂層為柔性導電層；未施加電場時，柔性導電層和彈性有機透明聚合物層處于穩定初始狀態；施加電場時，柔性導電層與透明導電電極之間由于靜電吸引會擠壓彈性有機透明聚合物層，導致其薄膜厚度的減小，從而對微透鏡陣列結構凸起區域結構產生擠壓推動力，導致微透鏡結構的曲率增大，通過改變施加的電場強度實現透鏡曲率可控。

所述的透明導電電極為ITO氧化銦錫或FTO氧化氟錫玻璃。

所述的彈性有機透明聚合物層為PDMS聚二甲基硅氧烷。

所述的柔性導電層為PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(對苯乙烯磺酸)薄膜。

一種基于電致動的變焦微透鏡陣列結構的制備工藝，包括以下步驟：

第一步，誘導模板的制備：在導電電極表面利用光刻工藝或壓印工藝制備一層圖形化的介電聚合物薄膜層，以此作為誘導模板，導電電極為ITO氧化銦錫玻璃、FTO氧化氟錫玻璃或高摻硅片，介電聚合物薄膜材料為氟樹脂或PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯；

第二步，中間層彈性有機透明聚合物層電場誘導流變成型：在透明導電電極表面制備一層厚度為微米級的彈性有機透明聚合物層，將誘導模板置于彈性有機透明聚合物層上部，空氣間距為微米級，施加電壓100V～1000V，使彈性有機透明聚合物層受到的麥克斯韋應力克服表面張力以及粘滯阻力流變，保持施加電壓0.25-4小時，直至復型過程結束，進而施加第一外部熱場，固化彈性有機透明聚合物層；

第三步，頂層柔性導電層的制備：在已成型的彈性有機透明聚合物層表面利用旋涂工藝制備一層厚度為微米級的導電聚合物水溶液，加熱導電聚合物水溶液，導電聚合物水溶液的溶劑揮發，在揮發過程中，導電聚合物水溶液中的溶質在彈性聚合物薄膜層的凹陷部分，溶劑揮發完畢后，在彈性聚合物薄膜層凹陷部分形成一層厚度為納米級或微米級的柔性導電層，導電聚合物水溶液為PEDOT:PSS聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(對苯乙烯磺酸)。

本發明的有益效果為：

通過控制施加電場實現微透鏡陣列結構焦距的變化，基于透明彈性聚合物微加工工藝和電致形變特性，具有響應速度快、變焦范圍大、集成度高的優點，有效避免了傳統變焦微透鏡陣列難以同時滿足焦距調節靈活、響應快、范圍廣、集成高的難題。

基于電致動的變焦微透鏡陣列結構設計靈活，性能表現優越，具有響應速度快、變焦范圍大、集成度高的特點，針對此復合結構，在光刻、壓印、旋涂和電場誘導彈性聚合物流變成型等工藝的基礎上，提出了一種簡單的工藝方法實現所設計的微透鏡陣列結構的可控制造，本發明的基于電致動的變焦微透鏡陣列結構可廣泛用在成像、微流體傳感、自適應光學等諸多領域。

附圖說明：

圖1為本發明未施加電場時微透鏡陣列的結構示意圖。