蘑菇状微结构、模具、蘑菇状干黏附结构及制备方法

技术领域

本发明涉及仿生干黏附和微纳制造技术领域，特别是涉及一种蘑菇状微结构、模具、蘑菇状干黏附结构及制备方法。

背景技术

自然界有许多拥有非凡黏附能力的生物，例如壁虎、苍蝇、蜘蛛、蚂蚁、甲虫等动物及昆虫，它们可以在垂直物体及各种粗糙表面自由地爬行和停留，甚至可以倒挂着在天花板上来去自如。壁虎是自然界具有优异黏附能力的生物中体重最大的生物，研究价值更大，这也是为什么人们多以壁虎作为仿生黏附结构的设计模板。研究发现，壁虎的这种超凡黏附能力得益于其脚趾底部特殊的复杂表面超结构系统，这种复杂结构系统由数百万根尺寸跨度从毫米到纳米、分层排列的纤维状刚毛组织构成。当壁虎脚趾与物体表面接触时，脚趾上的刚毛组织与物体表面之间会形成一种分子间作用力，即范德华力。范德华力是指中性分子彼此距离非常靠近时产生的一种微弱电磁引力，大量范德华力的累积足以支撑壁虎整个身体的重量。壁虎的这种分层多级系统结构最小单元达到纳米量级，无论多粗糙的表面，这些纳米结构都能达到近乎零距离的“完美接触”，进而获得大量范德华力的积累并形成超强黏附力。这种依靠分子之间的范德华力黏附于物体表面的能力称之为“干黏附”。

受壁虎等此类生物纤维状刚毛黏附结构的启发，国内外研究团队对各种形状的微纳结构仿生干黏附及制备工艺进行了大量的研究工作。仿生干黏附逐渐成为一种受到日益关注的重要研究，在航空航天、生物医疗、微电子器件、仿生机器人等领域展现出广阔的应用前景。

其中，具有蘑菇状尖端形貌的圆柱阵列微结构是一种更加有效的仿生干黏附结构。究其原因，相比其他形状尖端，蘑菇状尖端微柱结构可以在减小圆柱直径的同时，有效增大单位区域内的接触面积，具有明显增强接触面范德华作用力的功能，从而能够产生更大的黏附力。国内外研究机构在蘑菇状仿生干黏附微结构制备方面进行了大量的研究和实验，其关键要素是优异模具的开发。

现有模具制备手段主要有硅基光刻/刻蚀技术、激光打孔技术、机械加工技术等，各有优势和局限性。总体而言，这些制备手段工艺步骤比较繁琐、加工成本较高、大面积均匀性可控性较差，不利于大规模商业化应用。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蘑菇状微结构、模具、蘑菇状干黏附结构及制备方法，其工艺复杂程度低、步骤简单，而且蘑菇头几何尺寸精度可控、可大面积稳定加工。

本发明提供一种蘑菇状微结构的制备方法，包括：提供基板；在所述基板表面涂布光刻胶；软烘所述光刻胶；图形化紫外曝光所述光刻胶，包括：使所述光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层，所述碱性分子能与由紫外曝光所产生的酸性分子发生中和反应而消耗一部分酸性分子，以及对形成了显影钝化层的所述光刻胶进行图形化紫外曝光；显影图形化紫外曝光后的所述光刻胶，利用所述显影钝化层的显影速率低于中间层和底层光刻胶，去掉部分所述光刻胶，保留的所述光刻胶形成所述蘑菇状微结构。

进一步地，所述图形化曝光显影步骤中，曝光采用无掩模激光直写技术，其基于数字光处理技术，利用计算机控制系统将微纳结构设计版图上传并显示到数字微型反射元件中，紫外光源照射下，微结构图形数据在数字微型反射元件像素显示元件上进行实时、高速的刷新显示，配合高精度运动平台同步扫描，最终完成微纳结构图形化曝光。

进一步地，所述使所述光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层包括在所述光刻胶表面涂覆一层弱碱性溶液。

本发明提供还一种蘑菇状微结构，由上述制备方法制成，所述蘑菇状微结构呈阵列排布或蜂窝状排布于基板上。

进一步地，所述蘑菇头顶面呈大口径正六边形，所述顶面为平面型或为内凹型。

本发明还提供一种模具，具有与上述蘑菇状微结构互补的凹槽结构。

本发明还提供一种上述模具的制备方法，包括：对阵列排布有上述蘑菇状微结构的基板的结构表面进行表面金属化；采用微电铸工艺，在所述蘑菇状微结构表面形成结构互补的金属模具结构；脱模，形成具有所述凹槽结构的金属模具。

本发明还提供一种蘑菇状干黏附结构的制备方法，包括：提供黏附材料；对所述黏附材料进行脱泡处理；在上述模具的四周无图形区域预先制作一圈挡墙，将脱泡处理后的所述黏附材料倒入所述模具表面，然后对所述黏附材料脱泡和固化；将固化后的所述干黏附材料脱模取出，形成蘑菇状干黏附结构。

进一步地，对所述黏附材料脱泡和固化包括：将装有所述黏附材料的模具装置放入真空加热箱中真空脱泡1小时，再打开加热箱温控，并设定70℃固化2小时。

本发明还提供一种蘑菇状干黏附结构，由上述制备方法制成。

本发明提供的蘑菇状微结构、模具、蘑菇状干黏附结构及制备方法，利用简单有效的方法在光刻胶自身表面构造一层“显影钝化层”，以此为“显影掩模”，经单次曝光、显影工艺获得蘑菇状微结构，通过精确控制碱性溶液浓度和停留时间可以有效调控“显影钝化层”厚度，配合显影参数，可以精确控制蘑菇头口径、厚度和圆柱直径等关键干黏附因素。因此工艺复杂程度低、步骤简单，而且蘑菇头几何尺寸精度可控、可大面积稳定加工，有助于大规模产业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例蘑菇状微结构的示意图。

图2为图1所示蘑菇状微结构的俯视图。

图3为本发明实施例蘑菇状微结构制备方法的示意图。

图4为本发明实施例模具制备方法的示意图。

图5为本发明实施例蘑菇状干黏附结构制备方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、图2所示，本实施例提供一种蘑菇状微结构1，其呈阵列排布于基板2上，为光刻胶材质。在其他实施例中，蘑菇状微结构1也可采用其它排列方式，如蜂窝状。

本实施例中，蘑菇头11顶面呈大口径正六边形(从俯视角度，如图2)，且为平面型(从主视角度，如图1，也可为内凹型或其它形状)。蘑菇头11顶面也可为圆形等其它形状，但单位面积内六边形的有效接触面积能够做到比圆形更大。这是因为，相同口径的六边形和圆形进行面积相对比，设定口径均为r，那么，单个六边形面积为

如图3所示，上述蘑菇状微结构的制备方法，包括如下S11-S14步骤。

步骤S11，提供基板2。所提供的基板可先经过清洗及表面处理。根据加工幅面要求选择相应尺寸的基板，按照去油、去污、去除颗粒/杂物21等流程进行基板清洗，清洗步骤包括酸洗、碱洗、高压去离子冲洗、甩干等，可以进行多轮清洗，直至基板表面达到光刻洁净度要求，如图3中的步骤S111。清洗干净的基板可再进行表面处理，目的是增加光刻胶与基板表面之间的黏附力，如图3中的步骤S112。具体而言，首先将清洗甩干后的基板放入对流烘箱进行高温烘烤，温度设定120℃，烘烤时间设定30min-60min，直到基板表面充分烘干。然后放入密闭真空箱3中采用气相涂布法在基板表面沉积一层增粘剂31，如HMDS(六甲基二硅氮烷)，达到表面改性的作用。

步骤S12，在基板2表面涂布光刻胶4。根据结构高度要求，选择适当粘度型号的光刻胶，在增粘处理后的基板表面进行光刻胶涂布。涂布方式采用旋涂、狭缝涂布或者喷涂均可，只需在优化涂布参数后能够达到目标厚度即可。

步骤S13，软烘光刻胶4。将光刻胶基板放置于热板/加热台上进行接触式或者接近式烘烤，根据光刻胶型号和厚度的不同，烘烤温度设定90oc-110oc之间，烘烤时间1min-60min不等。对于厚度较大的光刻胶膜，还需要采用阶梯式升温方式，热板温度由低到高、逐步烘烤，让溶剂缓慢地均匀挥发，避免在光刻胶膜表面形成气泡、龟裂等缺陷。

步骤S141与S142，图形化紫外曝光光刻胶4。其包括步骤S141：使光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层42，碱性分子能与由紫外曝光所产生的酸性分子发生中和反应而消耗一部分酸性分子，以及步骤S142：对形成了显影钝化层的光刻胶进行图形化紫外曝光。

根据正性光刻胶曝光显影机理，光刻胶组分中的光敏化合物在紫外曝光时会产生一定量的酸性分子，这些酸性分子一部分可以与显影液中的碱性分子发生中和反应从而被显影液溶解，另一部分可以促进光刻胶树脂的分解而被显影液溶解，并且其溶解速度与曝光剂量成正相关。因此，步骤S141中光刻胶表面所吸附的碱性分子会与由紫外曝光所产生的酸性分子发生中和反应，从而消耗一部分酸性分子，导致光刻胶中产生的酸性分子浓度减少从而降低溶解速率，另外，酸性分子的减少也会造成表层光刻胶树脂分解能力的下降，从而使得表层光刻胶的溶解速率大大降低，低于中间层和底层光刻胶。这样，通过此种方法可以让光刻胶表面形成一层“显影钝化层”，即表层光刻胶的显影速率大大低于中间层和底层光刻胶。

本实施例中，使光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层包括在光刻胶表面涂覆一层弱碱性溶液41，比如钠基或者钾基显影液。涂覆可采用旋涂或者喷涂方式。当然，在其它实施例中，也可以采用除涂覆外的其它方式来使光刻胶表面吸附一定量的碱性分子。

利用显影钝化层的光化学反应程度低于中间层和底层光刻胶，去掉部分光刻胶，保留的光刻胶形成蘑菇状微结构1。本实施例中，步骤S142的紫外曝光采用无掩模激光直写技术，其基于数字光处理技术(DLP)，利用计算机控制系统将微纳结构设计版图上传并显示到数字微型反射元件(DMD)中，紫外光源6照射下，微结构图形数据在数字微型反射元件像素显示元件上进行实时、高速的刷新显示，配合高精度运动平台同步扫描，最终完成微纳结构图形化曝光。无掩模激光直写光刻技术具有高分辨率、高精度、设计灵活的优点，可有效降低加工成本，有利于大规模产业化加工。

步骤S15，显影图形化紫外曝光后的光刻胶。曝光后的光刻胶基板采用相应型号的显影液进行显影，常用显影液为浓度2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)，根据曝光剂量调整显影时间(1min-10min)。如前所述，图形化紫外曝光后的光刻胶表面形成具有一定厚度的“显影钝化层”，这层“显影钝化层”的显影速率大大低于中间层和底层光刻胶。那么，通过精确控制碱性溶液浓度和停留时间可以有效调控“显影钝化层”厚度，配合显影控制，从而可以精确控制蘑菇头口径、厚度和圆柱直径等关键干黏附因素，显影后得到所需要的蘑菇状微结构。

本实施例巧妙采用了一种简单、有效的方法在光刻胶表面形成一层“显影钝化层”，并基于微光刻技术，通过单次曝光获得了蘑菇状微结构。

如图4所示，本实施例还提供一种模具8，具有与上述蘑菇状微结构1互补的凹槽结构81。该模具8的制备方法包括如下S21-S23步骤。

步骤S21，对阵列排布有上述蘑菇状微结构1的基板的结构表面进行表面金属化，用于在微电铸工序中作为阴极原模。其方式可以是沉积一层金属导电层71，如通过银镜化学反应技术在光刻胶表面均匀覆盖一层金属银，也可以通过电子束蒸发、磁控溅射等方法沉积一层均匀的金属导电层。

步骤S22，采用微电铸工艺，在蘑菇状微结构表面形成结构互补的金属模具结构。具体而言，将表面金属化的上述结构放置到微电铸设备的阴极装置上，并采用导电胶加以固定。电铸槽液中加入阳极金属原料72并充分混合，阳极金属原料72可使用金属镍材料或者其他合金金属材料。当阴极装置放入电铸槽液中后，根据工艺要求设定合适的电流密度，经过一段时间的电铸流程，在蘑菇状微结构表面形成结构互补的金属模具结构。

步骤S23，脱模，形成具有凹槽结构81的金属模具8。具体而言，电铸完成后将电铸样品取出并进行冲洗，施加一定作用力将金属板结构和光刻胶结构分离开，形成具有凹槽结构81的金属模具8。

本实施例以蘑菇状光刻胶微结构为模具，利用微电铸技术，将光刻胶微结构复制并转移到金属基板上，形成具有与蘑菇状微结构互补的凹槽结构的金属模具。

如图5所示，本实施例还提供一种蘑菇状干黏附结构的制备方法，包括如下S31-S34步骤。

步骤S31，提供黏附材料9。选择合适的材料作为干黏附载体，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、聚乙烯硅氧烷(PVS)、乙烯-醋酸乙烯共聚物等聚合物，本实施例以道康宁184PDMS为例，将道康宁184PDMS AB材料10:1混合、搅拌，导入容器99。

步骤S32，对黏附材料9进行脱泡处理。黏附材料在倒取过程中非常容易混入空气，从而在体内形成一些微小的气泡91，这些气泡91会对干黏附结构造成性能影响，因此，本实施例黏附材料装入容器后放入真空箱10中进行脱泡处理，真空脱气时间可为30min左右。

步骤S33，在上述模具8的四周无图形区域预先制作一圈挡墙82，将脱泡处理后的黏附材料9倒入模具8表面，然后对黏附材料9脱泡和固化。脱泡和固化方式可为：将装有黏附材料的模具装置放入真空加热箱98中真空脱泡1小时，再打开加热箱温控，并设定70℃固化2小时。

步骤S34，将固化后的干黏附材料9脱模取出，形成蘑菇状干黏附结构92。脱模时，可从边缘朝向中心方向慢慢施加一定的脱离力，以将黏附材料和金属模具分开。

如图5所示，本实施例还提供一种蘑菇状干黏附结构92，由上述制备方法制成，包括主体部93与阵列排布于主体部93表面的多个蘑菇状黏附部94。蘑菇状黏附部93形状与上述蘑菇状微结构1相同。

本实施例提供的蘑菇状微结构、模具、蘑菇状干黏附结构及制备方法，利用简单有效的方法在光刻胶自身表面构造一层“显影钝化层”，以此为“曝光钝化掩模”，经单次曝光、显影工艺获得蘑菇状微结构，因此工艺复杂程度低、步骤简单，而且蘑菇头几何尺寸精度可控、可大面积稳定加工，有助于大规模产业化应用。

在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

在本文中，用于描述元件的序列形容词“第一”、“第二”等仅仅是为了区别属性类似的元件，并不意味着这样描述的元件必须依照给定的顺序，或者时间、空间、等级或其它的限制。

在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。