一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝的制作方法
【專利摘要】一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝，復(fù)合結(jié)構(gòu)頂層為蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)，底層為周期性陣列結(jié)構(gòu)的氣閥板，氣閥板和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)通過一層低表面能材料粘結(jié)成為一個整體，氣閥板的通孔與氣壓機連接；制造工藝是先進行頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)的制備，再進行底層的氣閥板的制造，最后進行復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型，得到基于氣致動的復(fù)合結(jié)構(gòu)，本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高強度粘附和可控脫附的有機統(tǒng)一。
【專利說明】
一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微納工程中的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的粘附方式主要有:干粘附、濕粘附、以及傳統(tǒng)的真空吸附、機械嚙合、靜電吸附或磁致吸附等粘附方式。和傳統(tǒng)的真空吸附、機械嚙合、靜電吸附或磁致吸附等粘附方式相比，干粘附可以不過于依賴被粘附表面材料表面形貌，具有粘附力大、穩(wěn)定性好、對材質(zhì)和形貌適應(yīng)性強、不會對接觸物體表面造成損傷和污染等特點，其在結(jié)構(gòu)簡單性、控制靈活性、對工作環(huán)境及粗糙表面適應(yīng)性等方面具有獨特的優(yōu)勢。因此干粘附功能表面替代傳統(tǒng)粘附方式已成為仿生爬壁機器人、太空環(huán)境/超潔凈環(huán)境無損精確輸運、生物醫(yī)療診斷等方面發(fā)展的重要方向和趨勢。
[0003]在干粘附結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)用過程中，如何實現(xiàn)高強度粘附與可控脫附是干粘附研究領(lǐng)域的重要方面。德國馬普研究院del Campo等人研究發(fā)現(xiàn)蘑菇狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高強度粘附特性，然而蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)由于形貌的對稱性，表現(xiàn)出各向等同的粘附強度，無法實現(xiàn)有效可控的脫附；美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Mentin Sitti教授、美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校JacobN.1sraelachviIi教授、韓國首爾大學(xué)Suh教授等人研究的基于傾斜微結(jié)構(gòu)陣列和三角形微柱陣列等各向異性的微結(jié)構(gòu)功能表面，能夠?qū)崿F(xiàn)干粘附表面的可控脫附，然而前提是以犧牲粘附強度為代價的。因此，如何實現(xiàn)干粘附功能表面高強度粘附和可控脫附的有機統(tǒng)一是目前干粘附結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制造方向面臨的困難和挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝，實現(xiàn)高強度粘附和可控脫附的有機統(tǒng)一。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，頂層為蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2，底層為周期性陣列結(jié)構(gòu)的氣閥板4，氣閥板4和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2通過一層低表面能材料3粘結(jié)成為一個整體，氣閥板4的通孔5與氣壓機連接。
[0007]所述的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2和低表面能材料3采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0008]所述的氣閥板4采用有機玻璃材料。
[0009]—種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝，包括以下步驟:
[0010]第一步，頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2的制備:在基材7的表面旋涂一層厚度為微米級別的光刻膠8，利用雙面曝光技術(shù)在光刻膠8上實現(xiàn)蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)，進而采用旋涂工藝在反型結(jié)構(gòu)的光刻膠8表面制備一層厚度為微米級別的聚二甲基硅氧烷TOMS，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠，實現(xiàn)蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2的制備；
[0011]所述的基材7為載玻片或Si片，所述的光刻膠8為EPG533或AZ系列光刻膠；
[0012]第二步，底層的氣閥板4的制造:氣閥板4用機加工的方式制造；
[0013]第三步，復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型:在第一步制備的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2的底面旋涂一層低表面能材料3，把氣閥板4和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2粘結(jié)成一個整體，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠8，最終去除光刻膠8和基材7，得到基于氣致動的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠在保持蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)高粘附強度的前提下，利用聚合物的氣致動特性，實現(xiàn)干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)在氣壓調(diào)控下的可控脫附與粘附；其制造工藝，采用基于光刻、壓印和旋涂的工藝手段，實現(xiàn)頂層結(jié)構(gòu)的準確可控制造，采用機加工的工藝手段，實現(xiàn)底層氣閥板的制備。本發(fā)明的基于氣致動的復(fù)合結(jié)構(gòu)可廣泛用于帶式輸送機、機械手、微吸盤等干粘附領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0015]圖1為未施加外部氣壓并且未粘附任何表面時復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體示意圖。
[0016]圖2-1為未施加外部氣壓時復(fù)合結(jié)構(gòu)粘附光滑表面的不意圖。
[0017]圖2-2為施加外部正氣壓時復(fù)合結(jié)構(gòu)粘附光滑表面的變形示意圖。
[0018]圖2-3為施加外部負氣壓時復(fù)合結(jié)構(gòu)粘附光滑表面的變形示意圖。
[0019]圖2-4為未施加外部負氣壓時復(fù)合結(jié)構(gòu)粘附粗糙表面的示意圖。
[0020]圖2-5為施加外部正氣壓時復(fù)合結(jié)構(gòu)粘附粗糙表面的變形示意圖。
[0021]圖2-6為施加外部負氣壓時復(fù)合結(jié)構(gòu)粘附粗糙表面的變形示意圖。
[0022]圖3-1為在基材7上制備一層光刻膠的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3-2為利用雙面曝光技術(shù)在光刻膠層制備蘑菇狀陣列反型結(jié)構(gòu)的工藝示意圖。
[0024]圖3-3為在光刻膠層制備的蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3-4為在光刻膠蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)表面旋涂制備一層聚二甲基硅氧烷PDMS的示意圖。
[0026]圖4為機加工得到的氣閥板示意圖。
[0027]圖5-1為蘑菇狀薄膜和氣閥板粘結(jié)層制備的示意圖。
[0028]圖5-2為蘑菇狀薄膜和氣閥板粘結(jié)為一體的示意圖。
[0029]圖5-3為復(fù)合結(jié)構(gòu)順序疊加的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0031]參照圖1，一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，頂層為干粘附效果表現(xiàn)最優(yōu)的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2，底層為周期性陣列結(jié)構(gòu)的氣閥板4，氣閥板4和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2通過一層低表面能材料3粘結(jié)成為一個整體，氣閥板4的通孔5與氣壓機連接。蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2、低表面能材料3采用聚二甲基硅氧烷PDMS，氣閥板4采用亞克力玻璃PMMA。
[0032]基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的工作原理為:
[0033]對于具有光滑表面的材質(zhì):當氣壓機不工作時，復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓和外部氣壓相同，頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2與第一接觸表面I之間有一部分沒有貼合，表現(xiàn)為不完全接觸面積下的中等強度的粘附，如圖2-1所示；當氣壓機提供正壓時，復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓大于外部氣壓，頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2與第一接觸表面I之間緊密的隨形貼合，表現(xiàn)為完全接觸面積下的高強度可靠粘附，如圖2-2所示；當氣壓機提供負壓時，復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓小于外部氣壓，在大氣壓的作用下，蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2會發(fā)生壓縮變形，從而導(dǎo)致蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2對應(yīng)區(qū)域與第一接觸表面I分離脫附，引發(fā)小接觸面積下的可控脫附，如圖2-3所示；
[0034]對于粗糙表面的材質(zhì):當氣壓機不工作時，復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓和外部氣壓相同，頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2與第二接觸表面6之間有一部分貼合，表現(xiàn)為小接觸面積下的低強度不可靠粘附，如圖2-4所示；當氣壓機提供正壓時，復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓大于外部氣壓，在壓力差的作用下，蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2會發(fā)生微觀膨脹變形，從而使蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2對應(yīng)區(qū)域與第二接觸表面6隨行貼合，實現(xiàn)大接觸面積下的高強度可靠粘附，如圖2-5所示；當氣壓機提供負壓時，復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部氣壓小于外部氣壓，在大氣壓的作用下，蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2會發(fā)生壓縮變形，從而導(dǎo)致蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2對應(yīng)區(qū)域與第二接觸表面6分離脫附，引發(fā)小接觸面積下的可控脫附，如圖2-6所示；
[0035]—種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝，包括以下步驟:
[0036]第一步，頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2的制備:在基材7表面旋涂一層厚度In為微米尺度的光刻膠8，如圖3-1所示;利用雙面曝光技術(shù)，頂部UV光10-1透過掩膜版9實現(xiàn)光刻膠8的頂部光刻，得到蘑菇桿SD1為微米級別，間距D2為微米級別，桿徑高度h2為微米的光刻區(qū)域，底部UV光10-2直接照射基材7，實現(xiàn)光刻膠8的底部光刻，得到厚度h3為微米級別的薄膜層的光刻區(qū)域，如圖3-2所示;利用顯影技術(shù)，去除曝光部分的光刻膠8，在光刻膠8實現(xiàn)蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示;利用旋涂工藝在反型結(jié)構(gòu)光刻膠8表面旋涂一層聚二甲基硅氧烷PDMS，實現(xiàn)頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2的制造，如圖3-4所示;所述的基材7為Si片，所述的光刻膠8為EPG 533;
[0037]第二步，底層的氣閥板4的制造:氣閥板4用機加工的方式制造，并且可以根據(jù)不同需要加工不同尺寸規(guī)格的柱狀結(jié)構(gòu)的氣閥板4，如圖4所示；
[0038]第三步，復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型:在第一步制備的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2的底面旋凃一層低表面能材料3，如圖5-1所示;然后把氣閥板4和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2粘結(jié)成一個整體，如圖5-2所示;然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2粘附在一起的光刻膠8，如圖5-3所示，最終去除光刻膠8和基材7，得到基于氣致動的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
[0039]本發(fā)明設(shè)計的基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)干粘附系統(tǒng)高強度粘附和可控脫附之間有機結(jié)合的難題，利用光刻、旋涂、壓印等工藝實現(xiàn)了設(shè)計結(jié)構(gòu)的準確可控制造，能夠適用于干粘附領(lǐng)域的廣泛需求。
【主權(quán)項】
1.一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于:頂層為蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)，底層為周期性陣列結(jié)構(gòu)的氣閥板(4)，氣閥板(4)和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)通過一層低表面能材料(3)粘結(jié)成為一個整體，氣閥板(4)的通孔(5)與氣壓機連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)和低表面能材料(3)采用聚二甲基硅氧烷PDMS。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的氣閥板(4)采用有機玻璃材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣致動的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)的制備:在基材(7)的表面旋涂一層厚度為微米級別的光刻膠(8)，利用雙面曝光技術(shù)在光刻膠(8)上實現(xiàn)蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)，進而采用旋涂工藝在反型結(jié)構(gòu)的光刻膠(8)表面制備一層厚度為微米級別的聚二甲基硅氧烷PDMS，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠，實現(xiàn)蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)的制備； 所述的基材(7)為載玻片或Si片，所述的光刻膠(8)為EPG 533或AZ系列光刻膠； 第二步，底層的氣閥板(4)的制造:氣閥板(4)用機加工的方式制造； 第三步，復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型:在第一步制備的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)的底面旋凃一層低表面能材料(3)，然后把氣閥板(4)和蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)(2)粘結(jié)成一個整體，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠(8)，最終去除光刻膠(8)和基材(7)，得到基于氣致動的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B82Y40/00GK105923599SQ201610398319
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】田洪淼, 邵金友, 李祥明, 王炎, 胡鴻, 王春慧, 陳首任
【申請人】西安交通大學(xué)