[發明專利]一種利用顯微投影制備三維微結構的裝置及方法

在審

• 申請號: 202310049795.4
• 申請日: 2023-02-01
• 公開（公告）號: CN116277934A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 孫安玉;曲凱歌;鐘皓澤;虞兵;居冰峰;朱吳樂;陳遠流
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B29C64/129
• 分類號: B29C64/129;B29C64/264;B29C64/232;B29C64/393;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種利用顯微投影制備三維微結構的裝置及方法。本發明包括圖案生成器、圖案顯示器、投影光源、準直透鏡、結像透鏡、顯微物鏡、樣品基板以及Z軸運動平臺。圖案顯示器、投影光源、準直透鏡、結像透鏡及顯微物鏡組成一個光學系統。投影光源所產生特定波長的光控制液態光固化材料以縮微圖案的形式發生固化。通過Z軸運動平臺控制樣品基板和顯微物鏡之間的相對位置，并有圖案生成器生成與位置對應的圖案，生成特定的三維微結構。本發明將數字光處理、液晶顯示器打印相結合，實現微米級精度的三維微結構光固化打印成型。本發明簡單且易于實現，制備方法不需要嚴格的環境控制，降低了高精度三維微結構的制造成本。

技術領域

本發明涉及一種三維微結構制備技術，具體涉及一種利用顯微投影制備三維微結構的裝置及方法。本發明適用于微鏡頭及其陣列、微棱鏡及其陣列等光學元件的光固化打印制備，也適用于微流道等微結構的高精度制造，同時適用于不透明液態光固化材料的微型結構制備。

背景技術

近年來，三維微結構在航空航天、光纖通信、生物醫學和光計算技術等諸多領域，都發揮這越來越重要的作用，并表現出越來越廣闊的應用前景。光學微透鏡陣列在微光夜視儀領域使用廣泛，可以顯著提高光捕捉面積，提高信噪比；光子微結構可在微米甚至亞微米尺度上對光信號進行調制，實現對光的運動進行控制；仿生微結構常用于超疏水、自清潔、流體減阻等新型材料表面功能設計。同時，三維微結構器件也常作為微機電(MEMS)系統的核心元件。

當前用于三維微結構制備的微細加工技術主要包括基于光刻技術的三維微細加工技術和傳統的精密機械加工技術兩大類，主要的微結構制備方法有LIGA技術、激光微加工技術、硅基微加工技術、電子束曝光技術、微細電火花加工技術、納米壓印制圖技術及單點金剛石切削技術等。LIGA技術是一種基于X射線光刻技術的三維微結構加工技術，由德國Karlsruhe原子能研究中心在80年代開發出來，當時開發的主要目的是為了制造用于提煉鈾同位素的微噴嘴。LIGA技術能夠實現傳統精密機械加工無法制造的微小金屬和塑料器件，目前已成為微納米結構的一種重要加工技術。激光微加工技術是由激光加工技術發展出來的，采用適當的激光器作為光源，能夠用于制備微米量級甚至更小尺度的微納米結構，具有高空間和高時間分辨率、無污染、非接觸、低噪聲以及智能控制等優點。硅基微加工技術采用光刻掩模、硅干法刻蝕及硅濕法刻蝕，通過曝光有選擇地去除部分單晶硅材料。電子束曝光技術是利用電子束在涂有感光膠的晶片上直接刻寫或投影樣板的曝光技術，具有與LIGA技術相同的優點，還可以制備任意曲面微結構。微細電火花加工技術是利用材料和電極之間的脈沖性火花放電時的電腐蝕現象來制備微結構，對制備系統的移動及定位精度、微結構制備過程的檢測與控制具有較高要求，可以制備微米級的復雜三維微結構。納米壓印制圖(NIL)技術由美國明尼蘇達大學納米結構實驗室開發，利用物理成型方法，先用其他微納米加工技術在模板上加工出需要的微結構，然后通過一定壓力在涂覆有納米壓印膠上去壓印復制出微結構。單點金剛石車削技術通過對超精密數控車床和加工環境進行精確控制，利用金剛石刀具單點車削的方式，可以直接加工出符合要求的三維微結構。近些年，出現了一些新的三維微結構制備方法。如浙江大學光電學院張冬仙團隊提出兩種新方法：一種是激光熱塑成型三維微結構制備方法，利用激光束使熱塑性材料產生熱融膨脹形成凸起的微結構，在液體環境中完成微結構的制備，使微結構垂直生長；一種是利用毛細管微探針的微結構制備方法，通過毛細微探針結合局部電化學微加工技術，通過電化學沉積生成微結構。蔡司旗下的Nanoscribe公司成功研制出基于雙光子聚合作用的微納3D打印機，利用雙光子吸收的空間選擇性實現高空間分辨率，可以打印小于100nm分辨率微結構。上述技術和方法為不同應用場景的三維微結構提供了制備的路線。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用顯微投影制備三維微結構的裝置及方法。一種基于顯微投影利用光固化材料制備微鏡頭、微棱鏡、微流道等三維微結構單元及其陣列的裝置與方法。本發明利用逆向顯微光路將液晶屏等圖案顯示器上顯示的圖案縮微到顯微物鏡的物方焦平面，并控制對液態光固化材料的圖案固化。本發明基于光固化原理，將數字光處理(DLP)打印和液晶顯示器(LCD)打印相結合，可實現微米級的三維微結構的打印成型。