客观日本

用玻璃吹制原理制作玻璃微透镜,可高精度、简便快捷地批量生产

2020年01月21日 化学材料

日本理化学研究所(简称“理研”)开发出了能在短时间内高精度简便规模化制作微圆顶结构玻璃的技术。这种结构是通过使薄板玻璃上形成的微小空腔中的气体热膨胀来实现的,可作为透镜使用。

研究团队验证确认,按照以下步骤可形成符合不同尺寸要求的玻璃微圆顶结构:①在玻璃基板上形成浅而小的凹槽;②重叠玻璃片临时接合,形成封闭的微小空腔;③利用玻璃吹制的原理,边对周围抽真空边加热,使空腔中的空气膨胀;④慢慢冷却。

此次试验使用厚度为100μm(1μm为千分之一毫米)~250μm的玻璃板,制作了直径为30μm~1mm不等的多种微圆顶结构。试验结果显示,直接使用的话具有凹透镜(缩小透镜)功能,导入填充液的话则具有凸透镜(放大透镜)的功能。另外确认,在高温条件下以及酸和有机溶剂等中透镜功能也不会丧失,保持了玻璃的特性。

用玻璃吹制原理制作玻璃微透镜,可高精度、简便快捷地批量生产

图:本次研究开发的热膨胀法实施前和实施后的玻璃微圆顶结构的截面图

此次,研究团队着眼于利用玻璃中所含气体热膨胀的吹制玻璃制法。将玻璃加工领域流传数百年的传统技术用于微型加工,开发出了能在短时间内高精度、简单地大量生产以高纵横比从表面突出的薄型玻璃微圆顶结构的技术。

图1(a-d)是此次开发的技术加工流程简略图。首先,用能溶解玻璃的氢氟酸进行蚀刻,在玻璃基板上形成浅而小的凹槽;然后叠加盖玻片使临时接合,形成封闭的空腔;在这种状态下,边将周围抽成真空边加热(减压,升温),空腔中的空气膨胀使得平板玻璃逐渐成圆顶状,形成微圆顶结构;同时,圆顶以外部分的基板与盖板玻璃接合;当达到预想的形状时停止加热,边抽真空边控制程序缓慢冷却(减压,降温)。由此,便在保持圆顶状的同时,根据设计的尺寸生成了玻璃微圆顶结构。

图1(e)是这种结构作为透镜工作时的机制。不使用填充液时,玻璃壁的厚度差发挥透镜的作用。即在热膨胀的作用下,透镜中央部分的玻璃壁厚度稍微变薄,上下双层(图中为左右双层)组成了双重凹透镜(准确地说是凹弯月型透镜)。此时,观察对象看起来会比实际小,因此是缩小透镜。

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图1:利用玻璃膨胀法的玻璃微圆顶构造制作工序及功能

另一方面,使用折射率与玻璃相同、比空气大的填充液时,则变成双凸透镜。此时,观察对象看起来比实际大,因此是放大透镜。使用填充液时虽然不再完全是玻璃透镜,但由于外侧为玻璃,保持了玻璃的物理强度和化学耐性等基本特性。

玻璃圆顶结构的变形程度会根据所用玻璃的厚度而变化。如图2a和b,上侧玻璃厚,变形程度便小;下侧玻璃薄,变形程度就大。截面呈漂亮的吊钟型,圆顶结构中央部分的玻璃比周围薄。不过,凹槽部以外的接合部分如果上下玻璃厚度不一的话,会因热膨胀率不同而开裂,因此需要接合厚度基本相同的玻璃。

此外,如图2c和d所示,可以自由设定数量、形状和尺寸等不同的设计条件,而且能以高再现性均匀制作,另外还可以设置导入填充液的流路。因此,可以说利用该方法制作的圆顶结构的应用范围非常广。

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图2:作制的玻璃微圆顶结构的照片

研究团队还调查了圆顶结构如何随着玻璃的厚度以及凹槽的直径和深度而变化的过程。调查发现,使用的玻璃片越薄、凹槽直径越大、深度越深,圆顶的高度越高(图3a、b)。这种趋势与基于玻璃硬度和厚度理论计算的结果高度一致,圆顶的高度偏差也非常小,误差在5%以内。由此确认,微圆顶结构设计简单,再现性好。另外,利用表面形状测量仪实施的测量显示,圆顶结构具有非常漂亮的吊钟型三维结构和截面形状(图3c、d)。

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图3:圆顶结构设计条件的验证机立体形状测量

除此之外,研究团队还以观察标尺刻度调查了制作的玻璃微圆顶结构是否会发挥玻璃透镜的作用(图4a、b)。经观察确认,使用没有填充液的“空腔”透镜时,标尺刻度缩小;而使用矿物质油作填充液的“填充”透镜时,标尺刻度放大。另外还发现,放大或缩小的倍率取决于透镜的直径,填充透镜最大具有1.65倍的放大效果(图4c)。

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图4:玻璃微圆顶结构的透镜功能验证实验

最后,研究团队验证了制作的玻璃透镜能否在高温、强酸或有机溶剂环境下使用。结果显示,用热板加热至300℃以上后即使有填充液的玻璃透镜也功能不变;在强酸硫酸和有机溶剂丙酮中,空腔透镜和填充透镜也能继续使用,确认透镜保持了玻璃的基本特性。

该研究成果有望应用于在新一代产业中至关重要的分析用光学元件、微化学反应和医疗用细胞分离分析检查仪器,以及用作基板嵌入式相机的高精度微透镜等。

论文信息
题目:Thin glass micro-dome structure based microlens fabricated by accurate thermal expansion of microcavities
期刊:《Applied Physics Letters》
DOI:10.1063/1.5123186

日文发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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