喷墨打印技术在Optical MEMS上的应用

MicroFab Inkjet喷墨打印技术在MEMS光学器件上有着广泛的应用，尤其在微透镜阵列的打印制备方面。微透镜的直径分布在20μm-5mm之间，且打印的均匀性可控制在±1μm。

现阶段喷墨打印技术可以广泛应用于制造多种微光学元件和系统。光学元件通常用于通信、计量、成像和天文学领域的光耦合，对准，增强和分布。生产最多的元器件是光学微透镜——折射光学元件。覆盖8英寸的大型微透镜阵列晶片已经实现量产。由于喷墨液滴质量小，透镜形状主要由表面张力决定，导致透镜形状接近完美的球冠。除了微透镜，喷墨打印也被用于生产光波导管。传统上，透镜通过光刻来限定，并使用抗蚀剂回流技术来成形。或者，光刻法、电镀法、电子束光刻法（LIGA）、干涉光刻法、软光刻法、纳米压印光刻法以及激光写入技术等方法都已被用于光学微透镜制造。相比这些方法，喷墨打印有几个优点，它是非接触式的，数据驱动的，工艺简单的，成本较低的，并且可以应用于广泛的材料和基底。此外，作为一种附加工艺，喷墨打印系统易于集成到现有的装置或系统中。

通常喷墨打印制备出的微透镜直径分布在20μm-5mm之间。形状为凸球的帽状，打印的尺寸均匀性可以控制在±1μm，如下图所示。

微透镜的性能由打印材料的光学特性和最终的透镜形状决定。用于微透镜喷墨打印的理想油墨必须具有合适的粘度范围和打印中的稳定性、高光学透明度、低收缩率以及化学和热加工耐久性。历史上使用的材料是热固化和紫外光固化聚合物。最适合应用于MEMS的喷墨打印材料，有SU-8和改性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。为了提高打印过程的稳定性，还有正在开发和测试的新型油墨，如混合环氧树脂和水性聚氨酯。此外，有机-无机溶胶-凝胶的应用，可以确保高镜片透射率和镜片形状的灵活性。最终微透镜的形状可以通过调节油墨的粘度、打印液滴的数量和微滴在基底上的接触角来控制。改变基底表面可以改变接触角。例如用1，4-二氯苯（p-DCB）溶剂改性PMMA的表面形态，从而改变其基底润湿性，通过沉积聚四氟乙烯膜来降低表面能，以及用SAM，即氟化硅烷化进行基底功能化，以使表面疏水。微透镜的尺寸也可以通过改变衬底温度来调节。

非球面微透镜已经通过图案化液滴以产生正方形或矩形的形状而得到证明。通过改变液滴的数量、打印速度和它们之间的间距，已经证明了椭圆形或圆柱形微透镜。一种相反的方法被证明是通过在可溶性聚合物基底上沉积溶剂来生产凹透镜。为了稳定的喷墨打印，必须向油墨中添加不同比例的溶剂，以提供适当的打印粘度。溶剂随后从打印液滴中蒸发，导致最终透镜的形状和尺寸收缩和变化。然而，打印额外的液滴可以抵消这种体积损失。应小心谨慎，因为多层液滴会引入内应力，导致分层，增加镜片的表面粗糙度。微透镜属性可以通过各种方法来量化。马赫-曾德尔干涉测量法可以测量透镜焦距、均匀度和透镜像差。3D扫描激光分析仪可用于测量焦距和光斑直径。或者，焦距和f数可以从曲率和折射率的差值中计算出来。使用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、数字全息显微镜或光学轮廓仪来探测面向喷墨的微透镜的3D形状和表面粗糙度。

通过喷墨打印制造的微透镜通常适用于亚微米波长，呈现低f值，即透镜孔径的直径与透镜长度的比率（0.6–1.4），并提供从f/1到f/10的透镜速度范围。大多数研究获得了球面透镜轮廓和低表面粗糙度（<1nm）。光学性质，如透射，可以通过应用抗反射涂层来增强。在微透镜制造中使用紫外光固化聚合物的一个问题是可见光谱波长的吸收。MEMS的微透镜用作光耦合和光束整形元件，用于接收或检测光电元件。打印在多模光纤尖端的微透镜将发光二极管接收器的对准灵敏度提高了六倍。单模光纤需要更精确的对准, 当从多个喷墨微滴打印微透镜时，可以通过改变打印材料来建立轴向折射率梯度，这具有通过消除球面像差来减小焦斑尺寸的效果。

喷墨打印微透镜在MEMS上的应用包括微光学器件，光纤束，光波导和激光器等。喷墨打印微透镜已被用于提高垂直腔面发射激光器的耦合效率，而不会造成明显的光学损失。图3显示了打印在GaAs SU8柱上用于垂直腔面发射激光器耦合的微透镜。化学功能化喷墨打印微透镜已成功应用于微机电系统化学传感器。

参考来源：MicroFab官方资料