[发明专利]在复杂相变特性流体环境中的微透镜热回流工艺分析方法

说明书

一种热回流工艺分析方法，包括以下步骤：步骤1：建立整体的三维几何模型，该整体的几何模型为一个长方体，其表面即为计算的边界，其内部即为计算域；步骤2：取整体几何模型的一部分作为局部研究对象，取局部三维几何模型的一个截面，建立一个二维几何模型；步骤3：用前处理软件对二维几何模型进行网格划分，设置初步的边界条件和流体区域；步骤4：将网格导入FLUENT软件中，定义用于仿真计算热回流过程的计算模型，同时确定求解计算该过程的控制方程；步骤5：设置仿真模型的边界条件和求解控制方程的数值计算方法；步骤6：对控制方程进行迭代计算。基于此方法，可以分析和评估热回流成型过程，更好地控制实际生产的相应参数来实现更精确的制造。

技术领域

本发明属于微光学器件、微流体器件的加工工艺领域，具体涉及微纳 加工方法的分析和评估，尤其涉及一种在复杂相变特性流体环境中的微透 镜热回流工艺分析方法。

背景技术

微透镜是一种应用广泛的微光学元件，在光学传感器，光纤耦合，集 成三维成像，光束整型等领域都有应用。对于不同的应用场合，微透镜的 形态也各不相同，包括不同数值孔径的球形透镜、椭球透镜、圆柱形透镜、 倾斜透镜等等。由于微透镜的广泛应用和形态多样性，学者们提出了许多 加工方法，如超精密机床加工、激光直写技术、灰度掩膜技术、湿法刻蚀、 挤出打印、热回流等等。在这些技术中，热回流是最简单、经济的加工方 法，且能够获得非常高的表面精度。

热回流技术是利用处于熔融状态的有机物在表面张力的作用下，趋于 能量最小化的原理来实现微结构的整形和表面光滑。在没有任何技术手段 的作用下，熔融的有机物会最终回流成球形，数值孔径由有机物和基底的 属性决定。为了加工形态多样的微透镜，需要对热回流过程进行控制。近 年来，学者们提出许多新的热回流加工方法，来实现对热回流过程的控制。 在这些方法中，通过将热回流和翻模过程结合起来，利用PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)辅助热回流具有高度的稳定性 和普适性。引入PDMS之后，不仅可以加工接触线确定的不同数值孔径的 球形透镜，还可以加工倾斜角不同的倾斜透镜，两者分别利用了热回流的 整型和表面光滑的原理。在现有技术中，这两种作用是不能同时满足的， 那么引入PDMS后该方法是如何实现高度的普适性是一个亟待探索的问 题。由于基于该方法的微透镜加工在很短的时间内就完成了，很难用实验 方法研究它的成型过程，也就很难细致地分析实验过程中一些工艺参数对 实验的影响，不利于进一步优化实验参数，更精确地控制实验过程。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在复杂相变特性流体环境 中的微透镜热回流工艺分析方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的 至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种热回流工艺分析方法，包括以 下步骤：

步骤1：根据热回流实验涉及的两相流体的整个流动区域，建立整体 的三维几何模型，该整体的几何模型为一个长方体，其表面即为计算的边 界，其内部即为计算域；利用仿真计算前处理软件划分网格，设置初步的 边界条件和计算域内流体的性质；将网格导入FLUENT软件中，设置用于 仿真计算的计算模型，从而确定相应的控制方程；设置计算域内材料参数 和计算边界的边界条件；在计算域内，距离底部计算边界一定高度处设置 监控点，用于采集该点处温度值在仿真计算过程中随时间的变化情况；设 置求解控制方程的计算方法并给求解计算中涉及到的变量设置初值，基于 这些初值和计算方法，对控制方程进行迭代计算；最后对之前监控点处得 到的数据进行处理，拟合得到该处的温度时间函数；

步骤2：取步骤1中整体几何模型的一部分作为局部研究对象，建立 一个局部的三维的几何模型，为了简化计算量，仅取局部三维几何模型的 一个截面，建立一个二维几何模型，用于之后的仿真计算，该二维几何模 型的边线为计算边界，内部为计算域；

步骤3：用前处理软件对步骤2中的二维几何模型进行网格划分，设 置初步的边界条件和流体区域；