柔性薄膜光柵數字化制作及光譜檢測應用

羅寧寧， 張志敏

(南昌航空大學 大學物理實驗中心， 江西 南昌 330063)

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柔性薄膜光柵數字化制作及光譜檢測應用

羅寧寧， 張志敏

(南昌航空大學 大學物理實驗中心， 江西 南昌 330063)

建立了數字微鏡(DMD)數字化制作系統(tǒng)，通過光柵數字掩模生成、曝光、顯影、PDMS復制、PDMS固化，制作了PDMS柔性薄膜光柵。將該柔性薄膜光柵應用于光柵光譜儀原理系統(tǒng)中，先對系統(tǒng)進行定標，再測量待測光源波長，波長測量相對偏差為2.10%。為了評估光柵的制作質量，采用光柵光譜儀原理系統(tǒng)對光柵周期進行測量，相對偏差為2.15%；利用光學輪廓儀對光柵二維、三維形貌進行檢測，光柵周期相對偏差為1.45%，光柵的整體輪廓光滑，均勻性較好。制作實驗及測量結果表明，基于DMD的數字化制作技術為柔性微結構及器件的制作提供了一條簡單、高效、低成本、高精度制作的新途徑。

數字化制作； 柔性薄膜光柵； 光柵光譜儀； 原理系統(tǒng)； 制作質量

0 引 言

隨著柔性高分子材料的研究和聚合物材料的發(fā)展，柔性微結構及器件以其耐用性好、質量輕、可彎曲等優(yōu)點，廣泛應用于高亮度有機發(fā)光器件[1-3]、傳感器[4-5]、生物芯片[6]和聚合物MEMS[7]等新興領域。柔性微結構的傳統(tǒng)加工方法,如電子束直寫[8]、離子束光刻[9]、激光直寫[10]、LIGA[11]存在低產高耗等問題；非傳統(tǒng)加工方法,如納米壓印[12]，掩模成本較高；熱熔法[13]雖然成本低、效率高，卻難以精確控制制作面形。探索低成本、高精度、簡單高效的柔性微結構制作技術，一直都是微加工領域的研究熱點和前沿課題。

基于數字微鏡(DMD)的數字化制作技術[14-15]是一種短周期、高產出、低成本的制作方法，該技術利用DMD代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理掩模，采用并行曝光方式，通過精確控制微鏡狀態(tài)來實現微結構的精細制作。本文借鑒數字化制作原理，建立DMD數字化制作系統(tǒng)，在光刻膠上一次曝光成型光柵母板，并利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，復制出柔性薄膜光柵。

衍射光柵是光柵光譜儀的核心元件[16-17]，其制作精度將直接影響光柵光譜儀光譜檢測分辨率。為了評價柔性薄膜光柵的制作質量，本文不僅利用光學輪廓儀對光柵形貌進行測量， 并搭建光柵光譜儀原理系統(tǒng)，測量薄膜光柵的制作偏差，用以優(yōu)化數字化制作工藝，獲得最佳制作效果。

1 DMD數字化制作系統(tǒng)

首先建立如圖1所示的DMD數字化制作系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控計算機、照明模塊、調焦控制模塊、工件臺模塊組成。照明模塊是系統(tǒng)的核心部分，包括高壓汞燈、準直鏡、場鏡、蠅眼鏡、反射鏡、DMD、投影物鏡(14×)等部件。調焦控制模塊包括分束鏡、CCD等部件。工件臺模塊由x、y、z三維精密電動臺組成。計算機與控制箱相連，通過控制箱控制照明模塊、調焦控制模塊及工件臺模塊協(xié)調工作。高壓汞燈(曝光譜線為i線)發(fā)出的光經準直、勻光后，以與DMD法線成24°空間角入射到DMD表面；DMD由1 024×768陣列像素構成，每個像素邊長為13.68 μm，可沿對角線±12°翻轉，±12°翻轉時，反射光垂直進入投影物鏡；-12°翻轉時，反射光不能進入投影物鏡。預先設計的數字掩模轉換成二進制數據，控制DMD像素的翻轉角度和時間，從而決定投影物鏡像平面上各點具有不同光能量，即光刻膠面上各點可獲得不同的曝光劑量。

圖1 DMD數字化制作系統(tǒng)結構示意圖

2 柔性薄膜光柵制作

柔性薄膜光柵的數字化制作主要包括以下5個步驟，如圖2所示。

(1) 光柵數字掩模生成。利用繪圖軟件繪制光柵掩模，保存為bmp格式圖片文件，圖片分辨率設置為1 024×768，與DMD陣列像素相對應。預先設計了周期d=4 μm(a=b=2 μm)的光柵數字掩模。

(2) 曝光制作。首先將RZJ-304正性光刻膠以低速500 r/min、10 s，高速2 700 r/min、30 s旋涂在基底上，再以90 °C溫度烘烤15 min。將設計好的光柵掩模通過計算機輸入至DMD，利用圖1所示的數字化制作系統(tǒng)對涂覆有光刻膠的基底曝光30 s。

(3) 顯影。采用0.35%NaOH溶液顯影15 s，在光刻膠上形成浮雕結構。

(4) PDMS復制。配置PDMS，將主劑與固化劑按照10∶1比例混合均勻，靜置30 min直至氣泡完全消失，再將混合液緩慢傾倒于光刻膠光柵表面。

(5) PDMS固化。為使PDMS充分固化，采用80 °C溫度烘烤基底20 min，冷卻后輕輕剝離PDMS層，即得到薄膜光柵。

圖2 柔性薄膜光柵制作流程

3 柔性薄膜光柵光譜檢測應用

3.1 光柵光譜儀原理系統(tǒng)定標

將柔性薄膜光柵應用于光柵光譜儀原理系統(tǒng)中，可測量待測光源的波長。光柵光譜儀原理系統(tǒng)光路結構見圖3。定標光源垂直入射到柔性薄膜光柵上，距離光柵L3處放置一光屏接收光柵衍射圖像，光屏和CCD與成像鏡頭之間的距離分別為L2和L1。CCD接收到的圖像為光屏上光柵衍射圖案通過透鏡成的像，假設成像透鏡的縮小倍率為N，根據物像關系：

H2=NH1

(1)

圖3 光柵光譜儀原理系統(tǒng)光路結構

式中：H2為光屏上±1級間的距離;H1為CCD采集到的±1級間的距離。

只選取0級、±1級衍射進行定標。假設CCD單個像素尺寸為pixel， CCD采集到的±1級間距占據M個像素，即H1=pixel×M。根據夫瑯禾費衍射原理及圖中幾何關系，考慮近軸條件，可以得到：

(2)

(3)

式中：λ標為定標光源波長；d為柔性薄膜光柵周期。只需計算出CCD采集到的±1級間距包含的CCD像素個數M，便可得出系統(tǒng)常數P。

3.2 待測光源波長測量

將圖3中的定標光源替換為某待測光源，提取出CCD接收的±1級間距包含的像素個數M′，即可通過下式計算出待測光源波長：

(4)

實驗中采用波長為532nm(LD泵浦固體激光器)的激光作為定標光源；CCD芯片尺寸為1.27 cm(1/2英寸)，分辨率為768×576，單個像素尺寸為13 μm。根據圖4(a)所示定標光源照射薄膜光柵的衍射圖樣，采用Matlab軟件對其處理分析，如圖4(c)中綠色實線所示，提取出±1級衍射光斑的中心位置坐標分別為47和730，因此M=683。圖4(b)為待測光源照射薄膜光柵的衍射圖樣，采用Matlab軟件對其處理分析，如圖4(c)中藍色實線所示，提取出±1級衍射光斑的中心位置坐標分別為125和634，因此M′=509。根據式(3)和(4)，即可計算出λ測=396.5 nm。實驗中使用的待測光源實為波長405 nm的半導體激光器，因此采用光柵光譜儀原理系統(tǒng)測量的波長相對偏差為2.10%。

4 光柵質量評價

為了評價柔性薄膜光柵的制作質量，利用光柵光譜儀原理系統(tǒng)，測量出柔性薄膜光柵周期d；采用光學輪廓儀檢測柔性薄膜光柵的形貌。通過分析制作偏差，改進優(yōu)化數字化制作工藝，獲得最佳制作效果。

(a) 定標光源照射薄膜光柵

(b) 待測光源照射薄膜光柵

(c) 圖樣的Matlab分析

仍然采用圖3所示光柵光譜儀原理系統(tǒng)，波長為532 nm的激光定標后，即系統(tǒng)常數P確定之后，再利用波長405 nm的半導體激光器進行光柵周期測量，光柵周期的絕對偏差可用下式計算：

(5)

式中:d設=4 μm，為光柵設計值；M和M′分別表示波長532 nm、405 nm光源照射薄膜光柵產生的±1級衍射光斑中心相距的CCD像素個數;M=683，M′=509。經計算，Δd=0.086 μm，相對偏差為2.15%，說明制作的光柵周期略有擴展。

MicroXAM-100型光學輪廓儀的形貌測量結果如圖5所示。圖(a)為顯微測量結果，由圖可見，PDMS薄膜光柵邊緣清晰，線條均勻性較好；圖(b)為光柵三維輪廓圖；圖(c)為光柵截面測量圖。從圖中可以看出，光柵輪廓光滑，制作均勻性較好；輪廓儀測量光柵

(a) 顯微照片

(b) 光柵三維輪廓

(c) 光柵截面測量結果

圖5 PDMS光柵制作結果

周期為4.058 μm，與設計值的絕對偏差為0.058 μm，相對偏差為1.45%。測量結果表明，PDMS復制效果良好，但是光柵周期略有增大，這與光柵光譜儀原理系統(tǒng)的測量結果吻合較好。

柔性光柵周期略有擴大，可能由以下因素導致：

(1) 曝光時間稍長。曝光時間應由曝光劑量精確確定，而曝光劑量需根據設計的光柵浮雕，結合光刻膠光譜響應特性及DMD光調制特性，通過精確計算獲得。因此，如何準確測得光刻膠光譜響應特性曲線和DMD光調制特性曲線，是解決曝光時間精確性的有效途徑。

(2) 顯影時間稍長。實驗中憑經驗控制顯影時間，要精確控制顯影時間，需要建立光刻膠在顯影液中溶解的動態(tài)模型。

(3) PDMS薄膜光柵從基底剝離時，用力不當導致光柵橫向拉伸。

5 結 語

本文建立的DMD數字化制作系統(tǒng)，采用DMD代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理掩模，一次性面曝光、復制成型柔性微結構及器件，具有高效率、高精度、低成本、靈活性大等優(yōu)點。將數字化制作的柔性薄膜光柵應用于光柵光譜儀原理系統(tǒng)中，進行了光譜測量研究；并采用光柵光譜儀原理系統(tǒng)測量了柔性薄膜光柵周期；為了更全面的評估光柵質量，采用光學輪廓儀測量了光柵形貌。測量結果驗證了DMD數字化制作技術的可行性和優(yōu)越性。隨著柔性微結構及器件在新興領域的廣泛應用，該技術將具有較強的工業(yè)應用潛力。

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Digital Fabrication and Spectrum Detection Application of Flexible Film Grating

LUONing-ning,ZHANGZhi-min

(Physics Experiment Center, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

A fabrication system based on digital micromirror device (DMD) is established and used to fabricate PDMS grating. The digital fabrication process includes digital mask design, exposure, development, PDMS replication and curing. The film grating is applied in the principle system of grating spectrometer. After system calibration, the wavelength of another light source is measured and the relative error is 2.10%. To evaluate the grating quality, the principle system of grating spectrometer is adopted to measure the grating period, and the relative error is 2.15%. In addition, the optical profiler is utilized to measure the 2D/3D grating profile. The test results show that the fabricated grating has smooth surface and good uniformity, and the relative error of grating period is 1.45%. The digital fabrication method descried in the paper provides a simple, high-efficiency, low-cost and high-precision way for flexible microstructures.

digital fabrication; flexible film grating; grating spectrometer; principle system; fabrication quality

2015-12-03

國家自然科學基金(61464008)；江西省自然科學基金(20142BAB211003)

羅寧寧(1981-)，女，江西南昌人，講師，現主要從事數字光刻應用研究。

Tel.:13879177625；E-mail:ningningluo2002@126.com

TN 305.7

A

1006-7167(2016)09-0024-04