CN101099095A - 塑性材料膜装置的制备方法及由此得到的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及膜装置的制备方法，该方法在于：提供基体(24)；沉积液体(16)到该基体；并且通过低压沉积方法，用形成所述膜的塑性材料的均匀连续薄膜(18)覆盖所述液体(16)和至少与所述液体(16)邻接的基体部分。

Description

塑性材料膜装置的制备方法及由此得到的装置
本发明涉及膜装置领域。它更具体地涉及塑性材料膜微结构的制备方法，以及由该方法得到的装置。
本发明尤其有利于在显微技术领域中的应用，例如用于生产显微透镜、微通道、波导等等，但本发明不仅仅于此。
更确切地说，本发明涉及膜装置的制备方法，其特征在于，该方法在于：
-提供基体，
-沉积液体到该基体，和
-通过低压沉积方法，用形成所述膜的塑性材料的均匀连续薄膜
覆盖所述液体和至少与所述液体邻接的基体部分。
本发明还涉及通过上述方法得到的装置的各种实施方案，其中该基体与该液体和该膜一起形成光学透镜、波导、传动装置或流体通道。
本发明最后涉及膜的制备方法，其特征在于，该方法在于：
-提供基体，
-沉积液体到该基体，
-通过低压沉积方法，用形成所述膜的塑性材料的均匀连续薄膜覆盖所述液体，然后
-将所述膜与该液体分离。
通过阅读下面结合附图的描述，本发明的其它特征将显得更加清楚，其中图1-8展示了根据本发明方法得到的各种膜装置，以及它们的实施方式。
正如上面提到的，本发明实质上涉及在液体上和任选地在至少其基体的邻接部分上沉积薄膜。该膜有利地由以其涂覆性能闻名的物质构成，如帕利灵(parylène)。
帕利灵(也被称作聚对二甲苯)的沉积方法是本领域技术人员所熟知的。实际上，帕利灵是属于塑料家族的聚合物，在电子、医药、光学、空间以及尤其是微观力学领域的各种应用中用作涂层。通过热解二聚对二甲苯在低压(7Pa)下沉积，它在室温下在各种类型的基体上聚合，形成均匀一致的无色涂层，完全地贴合任何凸起和空腔，并具有大约100纳米至60微米的厚度。
帕利灵能够有效地保护各种材料如金属、纺织品、纸、玻璃、塑料等免受化学产品、酸和溶剂的浸湿、腐蚀和蚀刻。它形成了电绝缘、热稳定和生物相容性的隔层。它的沉积可以有利地使用Comelec公司的设备(La Chaux-de-Fonds，CH)来进行。
尽管在许多行业中被广泛地用在各种应用中，但帕利灵涂层迄今为止仅限于固体材料。
通过将帕利灵的沉积延伸到一些符合特定条件的液体材料，本发明打开了一个全新的研究领域并且提供了新的有创造力的可能性。
根据本发明，在标准条件下，在液体-基体组合上进行帕利灵的沉积。在680℃下进行二聚对二甲苯的热解，对二甲苯单体聚合到保持在室温下的样品的表面上。沉积室中的压力为7Pa，液体的饱和蒸气压必须低于这个压力，以免在沉积过程中发生蒸发。理想地，液体的饱和蒸气压小于或等于该沉积压力的十分之一，或0.7Pa。然而，对于一些非常特别的应用来说，就如后面所解释的，该液体的饱和蒸气压必须接近该沉积压力。
另外，所使用的液体必须是与帕利灵在化学上无反应性的。已经成功地试验了例如各种油，包括涡轮分子泵油、光学油、硅油、甘油，等等。在下表中提供了非穷举的能够用于帕利灵沉积的各种液体以及它们的性能。当然，符合上述条件的任何液体都可以用于帕利灵的沉积。
    液体     化学式     蒸气压(Pa，25℃)   外观
    丁-2-烯-1，4-二醇     C4H8O2     0.63   淡色，微黄
    三乙酸丙三醇酯     C9H14O6     0.33   油状液体
    磷酸三丁酯     C12H27O4P     0.53   清澈，无色
    硫酸     H2SO4     7.9×10-3   油状，无色
    有机酸
    硅油     极低   透明
    真空泵油     ＜10-3   透明
    光学油     极低   各种征象
    壬基酚     C6H14(OH)C9H19     0.3   微黄
    1，2-二乙酸基丙烷     CH3-CO-CH2-CH(O-CO-CH3)-CH3     极低   微黄
    离子液体     极低
    氯氟氰菊酯     C23H19ClF3NO3     10-6   清澈，粘稠
在下面的描述中，措词“液体”表示上面列出的任何一种液体。
在该方法结束时，连续一致的膜覆盖了全部液体-基体，从而形成了完全贴合其外形的封套。特别地，该层在液体-基体界面上不存在间断，并且该层在液体上的沉积部分和固体基体上的沉积部分之间也不存在质量上的差别。当然，根据需要，采用合适的掩模，该膜也可以只沉积在液体和围绕该液体的基体部分上。
帕利灵的这种在液体上自沉积形成膜的能力可以被开发用于多种应用。在一些应用中，所述液体在沉积后被除去，在这种情况下该液体被称作牺牲液体。它也可以被保持在帕利灵膜之下，并构成如此获得的装置的不可分割的部分。
在本说明书的后继部分中，将描述几个实施方案的实施例，这些实施例只是非穷举的列举，并不构成本发明方法的全部可能性。其中描述的所有结构都可以在柔性或刚性基体上实现。对于给定类型的基体，液体的展开和帕利灵在基体上的粘合都可以通过等离子体处理或应用分子层(被称作SAM(Self Assembly Monolayers))来进行控制或优化。
图1表示一种选择性膜和其借助牺牲液体的四步制备方法。
图1a
在直径为大约100微米至几毫米的容器10中装满“液体”16，该容器包括用塞子14封闭的下排放管12。
图1b
容器10的边沿和“液体”16用帕利灵薄膜18覆盖，该薄膜只与该容器粘结。
图1c
通过除去塞子14排出容器10中的液体16。薄膜18留在原处，从而形成在容器10的壁之间伸展的膜20。
图1d
为了构成选择性膜，通过激光烧蚀以微孔22刺穿膜20。也可以通过“活性离子蚀刻”(RIE)试验的受控物理化学蚀刻来使该膜成为多孔的。由此获得的装置形成了用于气体或其它流体的过滤器，其制造简单且便宜。
图2显示了借助牺牲液体的流体通道的制备工序的剖面图，及其两个非常有利的变化形式。
图2a
以剖面示出了基体，该基体由板24制成，该板24覆盖了能被结构化的材料的层26。可用于层26的材料的一个实例是光敏树脂或通常用于切割硅片的“蓝带”(blue tape)。在通过本领域技术人员已知的蚀刻工艺在层26中打开的通道28中充满“液体”16。此外，以使得该“液体”和构成层26的材料的接触角大于或等于20度来选择所述液体和所述材料。如果“液体”16例如是油，则层26由排斥油的疏油材料制成。这样，“液体”16可以最小化与构成层26的材料之间的接触面，并且当该液体位于通道28中时，其表面是凸起的。这个性能还有助于从通道28中排出“液体”16，这正如下文所要描述的。
图2b
在整个基体-“液体”16上沉积帕利灵的薄膜18，从而封闭了包含“液体”16的通道28。
图2c
通过位于通道28一端的开口从通道中排出“液体”16。由此通过极其简单的方法得到的装置是被帕利灵薄封闭的流体通道28。这个通道28可以用来输送任何与所用材料相容的流体。
图2d
所示装置不同于图2c所示装置，在通道28的底部增加了压电材料层30，其在层26沉积之前沉积和结构化。此外，这个层30在层26的结构化过程中被制成是可及的，以使其与电极32连接。由于该材料的性能，由这个电极32发射的电脉冲会被转换成物理脉冲，从而在通道28输送的流体内部引起冲击波。
图2e
在这个图中显示了流体通道28的顶视图，该流体通道配备有沿着所述通道分布的被结构化成多个矩形元件34的压电材料层。每个元件34在输送的流体中局部产生冲击波，每个元件与其相邻元件的略微不同步作用将使得流体能够在通道28中传播。由此制得蠕动微型泵。
图2f
另一种制备蠕动微型泵的可能性在于沉积导电层36代替压电层30，如果可能，该层是透明的，例如使用ITO(氧化锡铟)，然后如前面一样，将其结构化成矩形元件34。在帕利灵膜上沉积第二导电层38，并与第一导电层对齐结构化成矩形元件34。施加在每对元件34上的电势差会引起帕利灵膜的局部变形，从而引起通道28的收缩。这种收缩的传播使得能够输送通道28中存在的流体。
图3示出了根据本发明生产微透镜的方法，以及这类透镜的特别有利的变化形式。
图3a
对于流体通道的生产，以剖面图显示了由板24制成的基体，板24覆盖有能够被结构化的材料的层26，该材料例如是光敏树脂或“蓝带”。在层26上开有直径为一微米到几毫米的圆孔40，然后用“液体”16充满。由此形成的“液体”滴的凸面完全取决于“液体”16的表面张力和层26的表面自由能。因而，“液体”16的滴的几何形状一方面对于制成层26的相同材料和相同“液体”16来说可完全地再现，另一方面可根据待生产透镜的需要进行改变。
图3b
在基体-“液体”16组件上沉积帕利灵薄膜18，由此封闭包含“液体”16的圆孔40。这次，“液体”16被帕利灵膜封闭，基体-液体-帕利灵组件形成了透镜，该透镜的焦距由所用材料来决定。
图3c
在微透镜的一个特别有益的变化形式中，由透明导电材料的轨道制成的电阻加热器42置于“液体”16之下。该轨道通过沉积和结构化透明导电材料层来制得，该沉积先于层26的沉积。当电阻加热器42使“液体”16的温度升高时，会产生膨胀，从而改变透镜的几何形状和它的光学性能。从而得到可变焦点的透镜。
图4给出了根据本发明生产微透镜网络的简化方法。
图4a
在由容器10所容纳的“液体”16中浸泡基体44，该基体可以是刚性的或柔性的，并包括多个贯穿它的圆孔45。基体44和“液体”16的选择一方面要依据上面已经列出的“液体”16的选择标准，另一方面要使得基体44的表面强烈排斥“液体”16。如果“液体”16是油，则基体44所用材料必须是强疏油性的。与油组合的“蓝带”是适合这一应用的材料。
图4b
当从容器10取出基体44时，液滴46被圆孔45所俘获，而基体的剩余表面上由于所选材料的性能而没有“液体”16。该透镜的凸面由于该方法本身的原理而是重要的，但也可以根据需要进行改变。
图4c
帕利灵薄膜18被沉积在基体44的两个表面上，从而将约束在基体44的孔45中的液滴46包封起来。然后，基体44-液滴46-帕利灵膜组件形成了微透镜的网络，其制备技术既简单又便宜。
图5显示了使用本发明方法制备的波导的纵向剖面图。在基体24中蚀刻的通道48被充满“液体”16。形成基体24的材料与“液体”16的选择要使得“液体”与基体之间的接触角是足够大的。这样，在通道48边缘上的“液体”16的表面是凸起的。此外，还必须考虑材料的指数和“液体”16的光学质量。
基体24和“液体”16用帕利灵薄膜18覆盖，保持“液体”16在其腔室里。由此形成的波导是十分有利的，因为其使得更容易耦合进入和离开波导的光，而不需要中间衍射网络，这归因于在通道48边缘上的“液体”16的曲率。
图6中显示的顶视图装置是液压微传动装置。它由基体24构成，该基体可以是柔性的或刚性的，相对其宽度，长度较长，并且其中蚀刻有通道48，通道中充满“液体”16，该液体满足与帕利灵沉积相容的条件。帕利灵薄膜进行整个覆盖，从而将“液体”16封在它的腔室中。由此制得的装置利用“液体”16的不可压缩性性能来产生“液体”16和帕利灵膜的受控微位移。实际上，在装置的一端对覆盖“液体”16的帕利灵膜所施加的压力会在所述装置的另一点引起“液体”16和帕利灵膜的轻微运动。这种传动装置具有完全液压和适于微观运动的优点。
图7显示了根据本发明的自支撑薄膜的制备方法。
图7a
由于空腔50，使得基体24的整个表面被“液体”16覆盖。帕利灵薄膜18沉积在该组件上，完全贴合基体24的外形和液体16的平面度。
图7b
将薄膜18与基体24和“液体”16分离，例如通过在基体24和液体16的分界处切割薄膜18来进行。需要指出的是，薄膜18与“液体”16的分离是没有任何困难的，因为它与液体并不粘着。先前与“液体”16接触的其下表面具有与“液体”16相当的表面形态。这种极其平坦的表面例如可以用作原子力显微镜的参比。
帕利灵薄膜18的这种易于通过剥离将其自身与“液体”16分离的能力还可以用于形成自支撑膜。像胶纸带一样，由此构成的薄膜18足以围绕其本身进行卷绕，然后可以使用它来包封任何物体。为此，一个特别有利的实施方案在于在基体24上沉积帕利灵，该基体具有螺旋形状并覆盖有“液体”16。沉积在两边的帕利灵薄膜18可以毫无困难地进行分离，并且形成易于卷绕的带。
这种类型的自支撑膜还有可能实现两个表面具有不同的性能。实际上，通过使用具有接近沉积压力的饱和蒸气压的“液体”16，可以改变帕利灵膜18生长的起点。在与“液体”16邻接的气相中存在的构成“液体”16的分子与对二甲苯单体的反应引起了所述膜初始生长相的改变。取决于“液体”16的选择，这个初始层可具有不同于“纯”帕利灵膜的机械、电或其它性能。
最后，在图8中描述了根据本发明的接触透镜制备方法的实施例。
图8a
基体24被“液体”16覆盖。
图8b
通过第一次帕利灵沉积而在“液体”16上形成薄膜18。
图8c
在薄膜18上沉积“液体”16的液滴。根据其光学和机械性能选择“液体”16。其表面张力必须能够使得该液滴与帕利灵薄膜18之间形成特定的角度。
图8d
在该组件上沉积第二层帕利灵52，从而“液体”16的液滴被密封在第一帕利灵膜18和第二层膜52之间。
图8e
将薄膜18与支撑其的“液体”16分离，整个帕利灵膜-液滴16-帕利灵膜形成设计极其简单的接触透镜。
这种将“液体”16包封在两个帕利灵膜18和52之间的方法能够产生各种应用。例如在医药领域中，可以用这种方法制备包含药物的胶囊。由于帕利灵不会被人体破坏，因此需要用于打开胶囊的系统，以释放活性成分。
以上描述是参考帕利灵沉积来提供的。当然，也可以使用任何具有类似性能的物质。
最后需要指出的是，利用空腔如圆孔40或通道28来引导液体16，对实现上面描述的装置并不是关键所在。可以使用通过直接写入的材料沉积技术如喷墨印刷或局部分配，以形成用于被帕利灵膜18覆盖的“液体”结构。在这种情况下，“液体”16必须强烈地被基体24所排斥，以便不在其上扩展。另一种可能性是使用强烈排斥待沉积液体的基体，并通过浮凸印刷或喷墨印刷局部施加“接受”层。这个层由能够强烈地保留该“液体”的材料制成。则足以在“液体”16中浸泡基体。最后，只有被接受层覆盖的区域将被该″液体″覆盖。

Claims (25)

1、膜装置的制备方法，其特征在于，该方法在于：
-提供基体(10，24，26)，
-沉积液体(16)到该基体，和
-通过低压沉积方法，用形成所述膜的塑性材料的均匀连续薄膜(18)覆盖所述液体(16)和至少与所述液体(16)邻接的基体部分。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述塑性材料是聚对二甲苯，也被称作帕利灵。
3、根据权利要求1和2之一的方法，其特征在于，所述基体(10，24，26)包含空腔(28，40，45，48，50)，在所述空腔中沉积所述液体(16)。
4、根据权利要求3的方法，其特征在于，所述空腔(45)是贯通的。
5、根据权利要求3的方法，其特征在于，所述空腔(28，40，48，50)是不通的。
6、根据权利要求1和2之一的方法，其特征在于，所述液体(16)被直接沉积在所述基体(10，24，26)上的其有用的位置上。
7、根据权利要求6的方法，其特征在于，使用喷墨印刷技术将所述液体(16)沉积在所述基体(10，24，26)上。
8、根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于，所述液体(16)具有低于所述沉积压力的饱和蒸气压。
9、根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于，所述液体(16)是油。
10、根据权利要求9的方法，其特征在于，所述基体(10，24，26)是疏油材料。
11、根据权利要求6和10的方法，其特征在于，所述基体(10，24，26)被亲油层局部覆盖，形成用于容纳油的结构。
12、根据权利要求1-11中任一项的方法，其特征在于，在沉积后保留所述液体(16)。
13、根据权利要求1-11中任一项的方法，其特征在于，在沉积后除去所述液体(16)。
14、膜装置，其特征在于，它通过权利要求1-13中任一项的方法获得。
15、根据权利要求14的装置，其特征在于，所述基体(24，26)与所述液体(16)和所述膜(18)一起形成光学透镜。
16、根据权利要求14的装置，其特征在于，所述基体(24)与所述液体(16)和所述膜(18)一起形成波导。
17、根据权利要求14的装置，其特征在于，所述基体(24)与所述液体(16)和所述膜(18)一起形成传动装置。
18、根据权利要求14的装置，其特征在于，所述基体(24，26)与所述膜(18)一起形成流体通道。
19、根据权利要求14的装置，其特征在于，它由包含液体(16)的两个膜(18，52)形成。
20、膜的制备方法，其特征在于，该方法在于：
-提供基体(10，24，26)，
-沉积液体(16)到该基体，
-通过低压沉积方法，用形成所述膜的塑性材料的均匀连续薄膜(18)覆盖所述液体(16)，然后
-将所述膜与该液体分离。
21、根据权利要求20的方法，其特征在于，所述塑性材料是聚对二甲苯，也被称作帕利灵。
22、根据权利要求20和21之一的方法，其特征在于，所述液体(16)具有低于所述沉积压力的饱和蒸气压。
23、根据权利要求20和21之一的方法，其特征在于，所述液体(16)具有接近所述沉积压力的饱和蒸气压。
24、根据权利要求20-23中任一项的方法，其特征在于，通过剥离将所述膜与所述液体(16)分离，以形成自支撑薄膜(18)。
25、根据权利要求23和24的方法，其特征在于，所述薄膜(18)具有两个具有不同物理性能的面。
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