柔性薄膜光栅数字化制作及光谱检测应用

罗宁宁， 张志敏

(南昌航空大学 大学物理实验中心， 江西 南昌 330063)



柔性薄膜光栅数字化制作及光谱检测应用

罗宁宁， 张志敏

(南昌航空大学 大学物理实验中心， 江西 南昌 330063)

建立了数字微镜(DMD)数字化制作系统，通过光栅数字掩模生成、曝光、显影、PDMS复制、PDMS固化，制作了PDMS柔性薄膜光栅。将该柔性薄膜光栅应用于光栅光谱仪原理系统中，先对系统进行定标，再测量待测光源波长，波长测量相对偏差为2.10%。为了评估光栅的制作质量，采用光栅光谱仪原理系统对光栅周期进行测量，相对偏差为2.15%；利用光学轮廓仪对光栅二维、三维形貌进行检测，光栅周期相对偏差为1.45%，光栅的整体轮廓光滑，均匀性较好。制作实验及测量结果表明，基于DMD的数字化制作技术为柔性微结构及器件的制作提供了一条简单、高效、低成本、高精度制作的新途径。

数字化制作； 柔性薄膜光栅； 光栅光谱仪； 原理系统； 制作质量

0 引 言

随着柔性高分子材料的研究和聚合物材料的发展，柔性微结构及器件以其耐用性好、质量轻、可弯曲等优点，广泛应用于高亮度有机发光器件[1-3]、传感器[4-5]、生物芯片[6]和聚合物MEMS[7]等新兴领域。柔性微结构的传统加工方法,如电子束直写[8]、离子束光刻[9]、激光直写[10]、LIGA[11]存在低产高耗等问题；非传统加工方法,如纳米压印[12]，掩模成本较高；热熔法[13]虽然成本低、效率高，却难以精确控制制作面形。探索低成本、高精度、简单高效的柔性微结构制作技术，一直都是微加工领域的研究热点和前沿课题。

基于数字微镜(DMD)的数字化制作技术[14-15]是一种短周期、高产出、低成本的制作方法，该技术利用DMD代替传统物理掩模，采用并行曝光方式，通过精确控制微镜状态来实现微结构的精细制作。本文借鉴数字化制作原理，建立DMD数字化制作系统，在光刻胶上一次曝光成型光栅母板，并利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，复制出柔性薄膜光栅。

衍射光栅是光栅光谱仪的核心元件[16-17]，其制作精度将直接影响光栅光谱仪光谱检测分辨率。为了评价柔性薄膜光栅的制作质量，本文不仅利用光学轮廓仪对光栅形貌进行测量， 并搭建光栅光谱仪原理系统，测量薄膜光栅的制作偏差，用以优化数字化制作工艺，获得最佳制作效果。

1 DMD数字化制作系统

首先建立如图1所示的DMD数字化制作系统。该系统由主控计算机、照明模块、调焦控制模块、工件台模块组成。照明模块是系统的核心部分，包括高压汞灯、准直镜、场镜、蝇眼镜、反射镜、DMD、投影物镜(14×)等部件。调焦控制模块包括分束镜、CCD等部件。工件台模块由x、y、z三维精密电动台组成。计算机与控制箱相连，通过控制箱控制照明模块、调焦控制模块及工件台模块协调工作。高压汞灯(曝光谱线为i线)发出的光经准直、匀光后，以与DMD法线成24°空间角入射到DMD表面；DMD由1 024×768阵列像素构成，每个像素边长为13.68 μm，可沿对角线±12°翻转，±12°翻转时，反射光垂直进入投影物镜；-12°翻转时，反射光不能进入投影物镜。预先设计的数字掩模转换成二进制数据，控制DMD像素的翻转角度和时间，从而决定投影物镜像平面上各点具有不同光能量，即光刻胶面上各点可获得不同的曝光剂量。

图1 DMD数字化制作系统结构示意图

2 柔性薄膜光栅制作

柔性薄膜光栅的数字化制作主要包括以下5个步骤，如图2所示。

(1) 光栅数字掩模生成。利用绘图软件绘制光栅掩模，保存为bmp格式图片文件，图片分辨率设置为1 024×768，与DMD阵列像素相对应。预先设计了周期d=4 μm(a=b=2 μm)的光栅数字掩模。

(2) 曝光制作。首先将RZJ-304正性光刻胶以低速500 r/min、10 s，高速2 700 r/min、30 s旋涂在基底上，再以90 °C温度烘烤15 min。将设计好的光栅掩模通过计算机输入至DMD，利用图1所示的数字化制作系统对涂覆有光刻胶的基底曝光30 s。

(3) 显影。采用0.35%NaOH溶液显影15 s，在光刻胶上形成浮雕结构。

(4) PDMS复制。配置PDMS，将主剂与固化剂按照10∶1比例混合均匀，静置30 min直至气泡完全消失，再将混合液缓慢倾倒于光刻胶光栅表面。

(5) PDMS固化。为使PDMS充分固化，采用80 °C温度烘烤基底20 min，冷却后轻轻剥离PDMS层，即得到薄膜光栅。

图2 柔性薄膜光栅制作流程

3 柔性薄膜光栅光谱检测应用

3.1 光栅光谱仪原理系统定标

将柔性薄膜光栅应用于光栅光谱仪原理系统中，可测量待测光源的波长。光栅光谱仪原理系统光路结构见图3。定标光源垂直入射到柔性薄膜光栅上，距离光栅L3处放置一光屏接收光栅衍射图像，光屏和CCD与成像镜头之间的距离分别为L2和L1。CCD接收到的图像为光屏上光栅衍射图案通过透镜成的像，假设成像透镜的缩小倍率为N，根据物像关系：

H2=NH1

(1)

图3 光栅光谱仪原理系统光路结构

式中：H2为光屏上±1级间的距离;H1为CCD采集到的±1级间的距离。

只选取0级、±1级衍射进行定标。假设CCD单个像素尺寸为pixel， CCD采集到的±1级间距占据M个像素，即H1=pixel×M。根据夫琅禾费衍射原理及图中几何关系，考虑近轴条件，可以得到：

(2)

(3)

式中：λ标为定标光源波长；d为柔性薄膜光栅周期。只需计算出CCD采集到的±1级间距包含的CCD像素个数M，便可得出系统常数P。

3.2 待测光源波长测量

将图3中的定标光源替换为某待测光源，提取出CCD接收的±1级间距包含的像素个数M′，即可通过下式计算出待测光源波长：

(4)

实验中采用波长为532nm(LD泵浦固体激光器)的激光作为定标光源；CCD芯片尺寸为1.27 cm(1/2英寸)，分辨率为768×576，单个像素尺寸为13 μm。根据图4(a)所示定标光源照射薄膜光栅的衍射图样，采用Matlab软件对其处理分析，如图4(c)中绿色实线所示，提取出±1级衍射光斑的中心位置坐标分别为47和730，因此M=683。图4(b)为待测光源照射薄膜光栅的衍射图样，采用Matlab软件对其处理分析，如图4(c)中蓝色实线所示，提取出±1级衍射光斑的中心位置坐标分别为125和634，因此M′=509。根据式(3)和(4)，即可计算出λ测=396.5 nm。实验中使用的待测光源实为波长405 nm的半导体激光器，因此采用光栅光谱仪原理系统测量的波长相对偏差为2.10%。

4 光栅质量评价

为了评价柔性薄膜光栅的制作质量，利用光栅光谱仪原理系统，测量出柔性薄膜光栅周期d；采用光学轮廓仪检测柔性薄膜光栅的形貌。通过分析制作偏差，改进优化数字化制作工艺，获得最佳制作效果。

(a) 定标光源照射薄膜光栅

(b) 待测光源照射薄膜光栅

(c) 图样的Matlab分析

仍然采用图3所示光栅光谱仪原理系统，波长为532 nm的激光定标后，即系统常数P确定之后，再利用波长405 nm的半导体激光器进行光栅周期测量，光栅周期的绝对偏差可用下式计算：

(5)

式中:d设=4 μm，为光栅设计值；M和M′分别表示波长532 nm、405 nm光源照射薄膜光栅产生的±1级衍射光斑中心相距的CCD像素个数;M=683，M′=509。经计算，Δd=0.086 μm，相对偏差为2.15%，说明制作的光栅周期略有扩展。

MicroXAM-100型光学轮廓仪的形貌测量结果如图5所示。图(a)为显微测量结果，由图可见，PDMS薄膜光栅边缘清晰，线条均匀性较好；图(b)为光栅三维轮廓图；图(c)为光栅截面测量图。从图中可以看出，光栅轮廓光滑，制作均匀性较好；轮廓仪测量光栅

(a) 显微照片

(b) 光栅三维轮廓

(c) 光栅截面测量结果

图5 PDMS光栅制作结果

周期为4.058 μm，与设计值的绝对偏差为0.058 μm，相对偏差为1.45%。测量结果表明，PDMS复制效果良好，但是光栅周期略有增大，这与光栅光谱仪原理系统的测量结果吻合较好。

柔性光栅周期略有扩大，可能由以下因素导致：

(1) 曝光时间稍长。曝光时间应由曝光剂量精确确定，而曝光剂量需根据设计的光栅浮雕，结合光刻胶光谱响应特性及DMD光调制特性，通过精确计算获得。因此，如何准确测得光刻胶光谱响应特性曲线和DMD光调制特性曲线，是解决曝光时间精确性的有效途径。

(2) 显影时间稍长。实验中凭经验控制显影时间，要精确控制显影时间，需要建立光刻胶在显影液中溶解的动态模型。

(3) PDMS薄膜光栅从基底剥离时，用力不当导致光栅横向拉伸。

5 结 语

本文建立的DMD数字化制作系统，采用DMD代替传统物理掩模，一次性面曝光、复制成型柔性微结构及器件，具有高效率、高精度、低成本、灵活性大等优点。将数字化制作的柔性薄膜光栅应用于光栅光谱仪原理系统中，进行了光谱测量研究；并采用光栅光谱仪原理系统测量了柔性薄膜光栅周期；为了更全面的评估光栅质量，采用光学轮廓仪测量了光栅形貌。测量结果验证了DMD数字化制作技术的可行性和优越性。随着柔性微结构及器件在新兴领域的广泛应用，该技术将具有较强的工业应用潜力。

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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

国家自然科学基金(61464008)；江西省自然科学基金(20142BAB211003)

罗宁宁(1981-)，女，江西南昌人，讲师，现主要从事数字光刻应用研究。

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

TN 305.7

A

1006-7167(2016)09-0024-04