一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列及其制作方法与流程

本发明涉及一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列及其制作方法，属于液体透镜阵列领域。

背景技术：

1、随着集成光学以及光通信技术的迅速发展，对微透镜阵列微纳光学元件提出了更高的要求，包括焦距可调以及较高的集成度等。相较于传统的机械式变焦光学系统，电润湿液体透镜是一种仿人眼视觉系统，通过改变外加电压来调节液体在介电疏水层上的润湿性，以此调节液滴曲率半径，从而实现焦距连续可调，优势显著，具有非常诱人的应用前景。在深入电润湿液体透镜的研究过程中发现，光轴不稳定是其一大缺点；并且相邻液滴容易粘连，相互干扰，从而使电润湿液体透镜难以阵列化。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列及其制作方法，光轴稳定，相邻液滴不易粘连。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，本申请提供一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：

4、取一面涂镀有下导电膜的基板，作为下基板；

5、取一带有孔阵列的模板，孔正对所述下导电膜地置于所述下基板之上，以使所述下基板的上表面与所述模板之间保持预设间距；

6、往所述下基板的上表面与所述模板之间注入疏水材料溶液；

7、去除所述疏水材料溶液的溶剂，以在所述下基板上获得图案化的疏水层；

8、撤离所述模板，在所述下基板上制备围堰形成盒体；

9、往所述盒体内先注入非导电液体，再注满与所述非导电液体不相溶的导电液体；

10、取一面涂镀有上导电膜的基板，作为上基板，将所述上导电膜与所述非导电液体接触地用所述上基板对所述盒体封盖，得到所述基于电润湿效应的变焦微透镜阵列。

11、本申请提供的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法较现有技术中的光刻法更加简单，且获得的疏水层精度更高，光轴稳定，相邻的非导电液体不易粘连，模板可重复利用。

12、进一步地，所述预设间距为0.4μm-2μm，所述疏水层的厚度为0.3μm-1.5μm。

13、涂镀的下导电膜通常为金属膜，表面能大于疏水层，如果疏水材料溶液的溶质为绝缘材料，可在下导电膜表面直接形成具有介电性的疏水层。本发明利用毛细力作用将疏水材料溶液聚集于模板非孔部分与下基板之间，预设间距太大则无法形成毛细力，预设间距太小则模板与下基板之间的溶液体积不足，最终形成的疏水层不完整或厚度不足。

14、进一步地，所述下导电膜上还涂覆形成有亲油介电层，所述亲油介电层的表面能大于所述疏水层的表面能。

15、如果疏水材料溶液的溶质为导电材料，必须在下导电膜上形成亲油介电层，使导电液体不直接与上下电极连通，防止发生导电液体的电解效应。

16、更进一步地，所述亲油介电层为派瑞林或su-8，厚度为0.3 μm-1.5 μm。太薄容易被击穿，过厚会导致微透镜阵列所需的驱动电压更大，增加微透镜阵列的工作能耗。

17、更进一步地，所述预设间距为0.2μm-0.5μm，所述疏水层的厚度为0.1μm-0.3μm，保证非导电液体对疏水层和亲油介电层的润湿性差异。当疏水材料溶液的溶质为绝缘材料时，亲油介电层可有可无，无亲油介电层的情况下，疏水层要做得更厚，保证疏水层不被击穿。

18、更进一步地，所述疏水材料溶液中，溶质为可溶性氟树脂，溶剂为dmf或全氟三丁胺。

19、更进一步地，所述疏水材料溶液的浓度为10mg/ml-40mg/ml。

20、本发明利用毛细力作用将疏水材料溶液聚集于模板非孔部分与下基板之间，为保证形成毛细力，模板与下基板之间的溶液体积有限，如果疏水材料溶液的浓度太小，则难以形成足够大足够厚的疏水层，如果疏水材料溶液的浓度太大，不利于液膜的规律分割收缩或者容易导致图案化疏水层过度生长，不能形成图案化疏水层。

21、进一步地，所述去除所述疏水材料溶液的溶剂的步骤包括，在40℃-60℃下保温3h-4h，然后在80℃-100℃下保温10h-20h。

22、该蒸发条件能够避免溶剂过快挥发尽，避免各处疏水层的厚度不够均匀，避免在模板孔洞下方也形成疏水层。

23、进一步地，所述模板为图形化的硅晶片，孔直径为100 μm，孔间距为150 μm，深度为0.5 μm-2 μm。

24、模板的孔洞为盲孔而非通孔，溶剂挥发时，模板边缘处的溶剂先挥发，在边缘处优先结晶，中部的溶液在浓度差的作用下向模板的边缘渗透，完成由中部向边缘的传质过程，从而实现晶体的外延生长。在上下基板的限域作用下，保证了疏水层的厚度均匀。

25、第二方面，本申请提供一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列，由第一方面所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法制成。

26、基于电润湿效应的变焦微透镜阵列包括下基板、下导电膜、疏水层、导电液体、非导电液体、围堰、上导电膜和上基板，所述下导电膜涂镀在所述下基板的上表面，所述上导电膜涂镀在所述上基板的下表面，所述疏水层设置在所述下导电膜之上，所述疏水层阵列有通孔，通孔边缘的表面能小于孔底的表面能，所述非导电液体依靠润湿性差异稳定在所述通孔中，所述围堰的下端与所述疏水层密封连接，上端与所述上导电膜或上基板密封连接，密封的空间内充满所述导电液体，所述导电液体与所述非导电液体不互溶，且所述导电液体的密度等于或接近于所述非导电液体的密度。

27、未施加电场时，非导电液体液滴聚集于亲油介电层表面的圆形定位格（疏水层的通孔）呈初始高曲率球冠状，施加电场时，液体两相界面的形状改变，非导电液体液滴曲率减小，进而可实现对透镜焦距的调节。

28、本发明的有益效果是：本发明利用亲和性差异，使非导电液体在下基板表面自组装形成球形液体阵列，又对非导电液体有固定作用，制作方法简单，获得的疏水层精度更高，相邻的非导电液体不易粘连，可以有效稳定透镜光轴，防止图像失真，具有高集成度以及良好的光学性，模板可重复利用能，便于大量生成，可广泛应用于光学成像、光通讯等诸多微纳光学领域。

29、本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述预设间距为0.4μm-2μm，所述疏水层的厚度为0.3μm-1.5μm。

3.根据权利要求1所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述下导电膜上还涂覆形成有亲油介电层，所述亲油介电层的表面能大于所述疏水层的表面能。

4. 根据权利要求3所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述亲油介电层为派瑞林或su-8，厚度为0.3 μm-1.5 μm。

5.根据权利要求3所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述预设间距为0.2μm-0.5μm，所述疏水层的厚度为0.1μm-0.3μm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述疏水材料溶液中，溶质为可溶性氟树脂，溶剂为dmf或全氟三丁胺。

7.根据权利要求6所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述疏水材料溶液的浓度为10mg/ml-40mg/ml。

8.根据权利要求7所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述去除所述疏水材料溶液的溶剂的步骤包括，在40℃-60℃下保温3h-4h，然后在80℃-100℃下保温10h-20h。

9. 根据权利要求1所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于，所述模板为图形化的硅晶片，孔直径为100 μm，孔间距为150 μm，深度为0.5 μm-2 μm。

10.一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列，其特征在于，由权利要求1至9任一项所述的基于电润湿效应的变焦微透镜阵列的制作方法制成。

技术总结
本发明公开了一种基于电润湿效应的变焦微透镜阵列及其制作方法，属于液体透镜阵列领域，方法步骤包括，将带有孔阵列的模板孔正对下导电膜地置于下基板之上，使下基板的上表面与模板之间保持预设间距，往下基板的上表面与模板之间注入疏水材料溶液，去除溶剂形成疏水层，在下基板上制备围堰形成盒体，往盒体内先注入非导电液体，再注满与非导电液体不相溶的导电液体，最后用一面涂镀有上导电膜的上基板封盖。该方法制作工艺简单，获得的疏水层精度更高，相邻的非导电液体不易粘连，可以有效稳定透镜光轴，防止图像失真，具有高集成度以及良好的光学性，模板可重复利用，便于大量生成，可广泛应用于光学成像、光通讯等诸多微纳光学领域。

技术研发人员：董美秋,王魁,李欣怡,郭扬武,于紫薇,张钰,訾剑臣
受保护的技术使用者：季华实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13