基于大气压冷等离子体微加工的人工仿生复眼制备方法与流程

本发明涉及光学仿生领域，具体地，涉及基于大气压冷等离子体微加工的人工仿生复眼制备方法。

背景技术：

自然界中的昆虫复眼具有体积小、视场角宽以及灵敏度极高的特点。根据动物复眼研制的人工仿生复眼在大视场监测、快速目标跟踪以及导弹制导等方面具有的应用潜力。近年来随着微纳米加工技术的发展，对于复眼的制备大都采用飞秒激光和热回流两种方式。

其中liuhetal.在“fabricationofbioinspiredomnidirectionalandgaplessmicrolensarrayforwidefield-of-viewdetections”appliedphysicsletters,100(13),133701(2012)中描述了飞秒激光加工人工仿生复眼透镜的方法，从中可以看出飞秒激光加工工艺不但设备昂贵，而且在进行单点烧蚀之后还需辅以酸刻蚀可能得到需要的凹陷结构，工艺复杂。

jeongk.-h.etal.在“biologicallyinspiredartificialcompoundeyes”science,312(5773),557-561(2006)中描述的热回流法制备人工仿生复眼透镜的方法需要进行两次倒模，多次复制导致透镜的制作精度降低。

经检索发现，申请号为cn201710219871.6的中国专利，公开了一种多焦点仿生复眼结构的成形方法，该方法主要步骤为：(1)基材的选择以及光刻胶旋涂；(2)移动掩模曝光，实现平面连续面形多焦点复眼结构的光刻胶成形；(3)将平面多焦点复眼光刻胶结构刻蚀传递到基材上；(4)基于基材上多焦点复眼结构，制备与之互补的柔性多焦点复眼结构模板；(5)引入光固化材料，利用曲率相互匹配的结构装置，将平面多焦点仿生复眼结构信息转移变换为曲面结构，形成一体化的多焦点仿生复眼结构。该专利的形成方法则需要两次倒模，复制精度会略有降低，制备工艺复杂，成本较高。

因此，需要开发一种工艺简单且复制精度高的制备工艺。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于大气压冷等离子体微加工的人工仿生复眼制备方法。

基于上述发明目的，本发明提供一种基于大气压冷等离子体微加工的人工仿生复眼制备方法，包括：

在衬底上旋涂一层光刻胶；

对所述光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，经刻蚀后在所述光刻胶的上面得到平面凹陷阵列结构；

在得到所述平面凹陷阵列结构上表面制备脱模隔离层；

在所述脱模隔离层上旋涂一层光学透明材料，所述光学透明材料经固化后形成透明膜；

剥离固化后的所述透明膜，得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜。

优选地，所述在衬底上旋涂一层光刻胶，其中，所述衬底为硅；所述光刻胶为正性光刻胶az50xt。

优选地，所述对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，对所述光刻胶的刻蚀深度为所述光刻胶的厚度的1/3-1/4。当光刻胶太薄会导致等离子体射流与衬底发生交互，容易导致光刻胶刻穿，底部成为平面，而不再是圆弧状尖端。在光刻胶的厚度为刻蚀深度的3-4倍的情况下，可保证结构的形成。

优选地，所述对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，所述大气压冷等离子体是在1个标准大气压条件下产生的处于部分电离的非热平衡状态的等离子体；所述大气压冷等离子体的电离度在10^-7-10^-4之间，且电子温度高于重粒子温度。

优选地，所述对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，大气压冷等离子体射流发生器采用单针电极射流源、环电极射流源、针-环电极射流源、板-板电极射流源或阵列射流源中任意一种形式。

优选地，所述对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，在刻蚀过程中，工作气体为he、ar、ar/o2、he/o2或者空气中的任意一种。

优选地，所述对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，在刻蚀过程中，通过三轴运动平台实现任意路径的轨迹扫描，实现大气压冷等离子体射流无掩膜微加工。

优选地，所述对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，通过控制单点刻蚀时间来控制对所述光刻胶的刻蚀深度，保证刻蚀完成后所述光刻胶未被刻蚀完全，即刻蚀得到凹形结构最低处与所述衬底之间仍有光刻胶。

优选地，所述剥离固化后的所述透明膜，得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜之后包括：将得到所述复眼透镜经热变形后形成曲面人工仿生复眼。

优选地，所述光学透明材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或光学固化树脂中的任意一种。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述制备方法，创新性的将冷等离子体刻蚀应用到制备仿生复眼透镜阵列工艺，仅需一步即可得到平面凹陷阵列结构，无需要再进行进一步的加工，并且经一次倒模即可得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜，提高了复制精度。与传统工艺相比，省去掩模版以及减少倒模次数，减少了工艺步骤，从而降低加工成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的基于大气压冷等离子体微加工的人工仿生复眼制备方法的工艺流程图；

图2是本发明一优选实施例的光刻胶经大气压冷等离子体射流刻蚀后的结构示意图；

图3是本发明一优选实施例的光刻胶上表面涂覆脱模隔离层后的结构示意图；

图4是本发明一优选实施例的脱模隔离层上旋涂光学透明材料后的结构示意图；

图5是本发明一优选实施例的制备曲面人工仿生复眼工艺示意图；

图6是本发明一优选实施例的曲面人工复眼结构示意图。

图中标记分别表示为：1为衬底、2为光刻胶、3为脱模隔离层、4为光学透明材料、5为钢球。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的基于大气压冷等离子体微加工的人工仿生复眼制备方法的工艺流程图，图中包括以下步骤：

s1：在衬底1上旋涂一层光刻胶2，在衬底1上制备具有一定厚度的光刻胶2层。作为一优选方式，衬底1可以选用硅基板，光刻胶2可以选用型号为az50xt光刻胶2。

s2：对光刻胶2采用大气压冷等离子体射流刻蚀，经刻蚀后在光刻胶2的上面得到平面凹陷阵列结构，如图2所示。作为一优选方式，对光刻胶2的刻蚀深度为光刻胶2厚度的1/4-1/3。

s3：在刻蚀后得到平面凹陷阵列结构上表面制备脱模隔离层3，如图3所示。通过脱模隔离层3能使光学透明材料4无损伤地从带有凹陷阵列结构的光刻胶2上方剥离。

s4：在隔离层上旋涂一层光学透明材料4，光学透明材料4在室温下固化后形成透明膜，如图4所示。作为一优选方式，在本步骤中光学透明材料4可以选用pdms(聚二甲基硅氧烷)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)或者光学固化树脂中的任意一种。当选择pmma作为倒模材料时，pmma的溶剂、配比以及旋涂厚度可以根据情况进行调整。在一具体实施例中pmma溶剂可以选用氯仿、丙酮，且浓度为30wt％。将pmma粉末溶解于溶剂后需要封口后在室温下静置30min去除溶液中的气泡静置除去气泡，采用封口静置以防止易挥发的溶剂挥发后造成溶液固化。

s5：剥离固化后的透明膜，得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜。作为一优选方式，复眼透镜结构可以为平面人工仿生复眼或者加工成曲面人工仿生复眼结构。

如背景技术所述目前制备人工仿生复眼透镜主要采用飞秒激光加工、热回流技术等工艺，但是这两种工艺步骤均相对复杂。上述实施例的制备方法中，利用大气压冷等离子体射流刻蚀制备复眼透镜，一步即可刻蚀出平面凹陷阵列，仅经一次倒模便可得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜构。避免了飞秒激光技术中激光烧蚀后需要酸辅助刻蚀的步骤，同时避免了热回流工艺中至少需要两次倒模使得复制精度下降的缺点，大幅度降低了工艺的复杂度，简化工艺步骤，降低了加工成本。

在其他部分优选实施例中：对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，大气压冷等离子体是在1个标准大气压条件下产生的处于部分电离的非热平衡状态的等离子体；大气压冷等离子体的电离度在10^-7-10^-4之间，且电子温度高于重粒子温度。

在其他部分优选实施例中：对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，大气压冷等离子体射流发生器采用单针电极射流源、环电极射流源、针-环电极射流源、板-板电极射流源或阵列射流源中任意一种形式。

在其他部分优选实施例中：对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，在刻蚀过程中，工作气体为he、ar、ar/o2、he/o2或者空气中的任意一种。

在其他部分优选实施例中：对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，在刻蚀过程中，通过三轴运动平台实现任意路径的轨迹扫描，即可根据实际需求设定刻蚀的运动轨迹，实现大气压冷等离子体射流无掩膜微加工。

在其他部分优选实施例中：对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，通过控制单点刻蚀时间来控制对光刻胶的刻蚀深度，保证刻蚀完成后光刻胶未被刻蚀完全，即刻蚀得到凹形结构最低处与衬底之间仍有光刻胶。

在其他部分优选实施例中：剥离固化后的透明膜，得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜之后包括：参照图5所示，将得到复眼透镜放置到钢球5上，经热变形后，如图6所示，加工成曲面结构的人工仿生复眼。

在一应用实施例中，提供一种曲面人工仿生复眼的制备方法，参照图1所示，方法包括如下步骤：

s1：在硅基板上制备厚度为60μm光刻胶，光刻胶的型号采用az50xt。在其他实施例中光刻胶的厚度、型号可以根据情况进行更改。

s2：对光刻胶采用大气压冷等离子体射流刻蚀，其中，光刻胶的厚度是刻蚀深度的4倍，经刻蚀后在光刻胶的上面得到平面凹陷阵列结构。本步骤中冷等离子体射流发生器的结构采用石英毛细管、以及采用电极为针-环电极。冷等离子体射流发生器采用以下工艺参数：在11kv的工作电压以及氦气(he)的工作条件下，单点刻蚀时间为330s。

在其他实施例中冷等离子体射流发生器的结构、电极以及工作时间和电压可根据实际需要进行调整。

s3：在刻蚀后得到平面凹陷阵列结构上表面沉积3μm厚的parylene-c作为脱模隔离层。在其他实施例中脱模隔离层可替换为其他脱模材料。

s4：在涂覆过隔离层的光刻胶上旋涂pdms，pdms室温下固化后形成pdms透明膜。

s5：剥离固化后的pdms透明膜，得到具有平面凸起阵列结构的复眼透镜。

s6：将复眼透镜经过热变形后形成曲面人工仿生复眼结构。在本步骤中对复眼透镜热变形工艺中所采用球形模具，该球形模具表面光滑可以耐受95℃的高温。作为一优选方式，可以采用440钢球模具。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。