MicroFab Inkjet噴墨打印技術(shù)在MEMS光學(xué)器件上有著廣泛的應(yīng)用，尤其在微透鏡陣列的打印制備方面。微透鏡的直徑分布在20μm-5mm之間，且打印的均勻性可控制在±1μm。
現(xiàn)階段噴墨打印技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于制造多種微光學(xué)元件和系統(tǒng)。光學(xué)元件通常用于通信、計量、成像和天文學(xué)領(lǐng)域的光耦合，對準(zhǔn)，增強和分布。生產(chǎn)最多的元器件是光學(xué)微透鏡——折射光學(xué)元件。覆蓋8英寸的大型微透鏡陣列晶片已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。由于噴墨液滴質(zhì)量小，透鏡形狀主要由表面張力決定，導(dǎo)致透鏡形狀接近**的球冠。除了微透鏡，噴墨打印也被用于生產(chǎn)光波導(dǎo)管。傳統(tǒng)上，透鏡通過光刻來限定，并使用抗蝕劑回流技術(shù)來成形?；蛘?，光刻法、電鍍法、電子束光刻法（LIGA）、干涉光刻法、軟光刻法、納米壓印光刻法以及激光寫入技術(shù)等方法都已被用于光學(xué)微透鏡制造。相比這些方法，噴墨打印有幾個優(yōu)點，它是非接觸式的，數(shù)據(jù)驅(qū)動的，工藝簡單的，成本較低的，并且可以應(yīng)用于廣泛的材料和基底。此外，作為一種附加工藝，噴墨打印系統(tǒng)易于集成到現(xiàn)有的裝置或系統(tǒng)中。通常噴墨打印制備出的微透鏡直徑分布在20μm-5mm之間。形狀為凸球的帽狀，打印的尺寸均勻性可以控制在±1μm，如下圖所示。微透鏡的性能由打印材料的光學(xué)特性和最終的透鏡形狀決定。用于微透鏡噴墨打印的理想油墨必須具有合適的粘度范圍和打印中的穩(wěn)定性、高光學(xué)透明度、低收縮率以及化學(xué)和熱加工耐久性。歷史上使用的材料是熱固化和紫外光固化聚合物。最適合應(yīng)用于MEMS的噴墨打印材料，有SU-8和改性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。為了提高打印過程的穩(wěn)定性，還有正在開發(fā)和測試的新型油墨，如混合環(huán)氧樹脂和水性聚氨酯。此外，有機-無機溶膠-凝膠的應(yīng)用，可以確保高鏡片透射率和鏡片形狀的靈活性。最終微透鏡的形狀可以通過調(diào)節(jié)油墨的粘度、打印液滴的數(shù)量和微滴在基底上的接觸角來控制。改變基底表面可以改變接觸角。例如用1，4-二氯苯（p-DCB）溶劑改性PMMA的表面形態(tài)，從而改變其基底潤濕性，通過沉積聚四氟乙烯膜來降低表面能，以及用SAM，即氟化硅烷化進行基底功能化，以使表面疏水。微透鏡的尺寸也可以通過改變襯底溫度來調(diào)節(jié)。▲ 圖2 在氟化硅烷化的玻璃基底上打印測微透鏡陣列非球面微透鏡已經(jīng)通過圖案化液滴以產(chǎn)生正方形或矩形的形狀而得到證明。通過改變液滴的數(shù)量、打印速度和它們之間的間距，已經(jīng)證明了橢圓形或圓柱形微透鏡。一種相反的方法被證明是通過在可溶性聚合物基底上沉積溶劑來生產(chǎn)凹透鏡。為了穩(wěn)定的噴墨打印，必須向油墨中添加不同比例的溶劑，以提供適當(dāng)?shù)拇蛴≌扯?。溶劑隨后從打印液滴中蒸發(fā)，導(dǎo)致最終透鏡的形狀和尺寸收縮和變化。然而，打印額外的液滴可以抵消這種體積損失。應(yīng)小心謹(jǐn)慎，因為多層液滴會引入內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致分層，增加鏡片的表面粗糙度。微透鏡屬性可以通過各種方法來量化。馬赫-曾德爾干涉測量法可以測量透鏡焦距、均勻度和透鏡像差。3D掃描激光分析儀可用于測量焦距和光斑直徑?；蛘?，焦距和f數(shù)可以從曲率和折射率的差值中計算出來。使用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、數(shù)字全息顯微鏡或光學(xué)輪廓儀來探測面向噴墨的微透鏡的3D形狀和表面粗糙度。通過噴墨打印制造的微透鏡通常適用于亞微米波長，呈現(xiàn)低f值，即透鏡孔徑的直徑與透鏡長度的比率（0.6–1.4），并提供從f/1到f/10的透鏡速度范圍。大多數(shù)研究獲得了球面透鏡輪廓和低表面粗糙度（<1nm）。光學(xué)性質(zhì)，如透射，可以通過應(yīng)用抗反射涂層來增強。在微透鏡制造中使用紫外光固化聚合物的一個問題是可見光譜波長的吸收。MEMS的微透鏡用作光耦合和光束整形元件，用于接收或檢測光電元件。打印在多模光纖**的微透鏡將發(fā)光二極管接收器的對準(zhǔn)靈敏度提高了六倍。單模光纖需要更精確的對準(zhǔn), 當(dāng)從多個噴墨微滴打印微透鏡時，可以通過改變打印材料來建立軸向折射率梯度，這具有通過消除球面像差來減小焦斑尺寸的效果。噴墨打印微透鏡在MEMS上的應(yīng)用包括微光學(xué)器件，光纖束，光波導(dǎo)和激光器等。噴墨打印微透鏡已被用于提高垂直腔面發(fā)射激光器的耦合效率，而不會造成明顯的光學(xué)損失。圖3顯示了打印在GaAs SU8柱上用于垂直腔面發(fā)射激光器耦合的微透鏡?；瘜W(xué)功能化噴墨打印微透鏡已成功應(yīng)用于微機電系統(tǒng)化學(xué)傳感器。
▲ 圖3 （a）噴墨打印制備的微透鏡陣列元件，（b）切割好的4*1垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列
