CN101402446B - 一种减阻表面的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种减阻表面的制造方法。在硅、二氧化硅基片、工程塑料基片或者金属基片表面上设计、制作出交错排列的微米级结构阵列，以紫外压印光刻技术为转移手段，模板可重复使用；以氟化工艺作为表面处理手段，得到具有减阻功能的微结构基片，该基片微结构表面的表面能极低。可用于微机电系统器件表面，能减小微尺度下的表面摩擦、磨损及粘附失效；用于运输管道和微流器件表面，能降低流体在微通道中的沿程压力损失，减小流体的流动阻力，增大流速；用于航空、航天、航海、交通运输等领域中，能减小能耗，节省能源。

Description

一种减阻表面的制造方法

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种减阻表面的制造方法。

背景技术

在流体中航行体的能源主要被用来克服行进中的阻力，阻力主要包括摩擦阻力和压差阻力等，其中摩擦阻力占主要成分，对于水下航行体如潜艇等可达到80％；对于诸如输油管道这类管道运输，其能量的80％～100％被用来克服流体流经固体表面的摩擦阻力。因此尽量减小表面摩擦阻力是提高航速和节约能源的主要途径。随着微机电的发展，机构尺度越来越小，固液界面中的摩擦阻力相对越来越大，如微流道等的摩擦阻力问题已成为相关器件发展的一个重要的制约因素。

为尽可能减少摩擦，抑制摩擦过程中的粘滑现象和静接触下的粘附现象，各国研究者进行不懈的探索。目前国内外研究主要集中在薄膜润滑和表面形貌设计两方面。

在宏观摩擦学研究中，已经有大量的试验结果表明，可以通过合理的表面形貌修饰和设计来获得良好的摩擦学性能。例如清华大学摩擦学国家重点实验室的温诗铸等人进行了微观摩擦与表面形貌相关性的试验研究，研究表明在硅片上制作出合适的条纹有助于降低摩擦系数，但由于硅片表面是用机械加工的方法经过研磨和抛光加工得到的单一方向的条纹形貌，此形貌在低速低载时会使得摩擦力和载荷不稳定，引起摩擦震动，为需减阻的对象带来新的问题。

在微观摩擦学研究中也已证明，摩擦力与表面微观形貌有密切关系。例如日本东京首都大学机械工程学院的Watanabe等人通过热膜测速技术对直径为6mm到12mm的管道进行了研究，管道内壁分布着10～20μm的微裂纹，研究证明微裂纹的存在对水流有一定的减阻效果，但由于微裂纹的间隔及方向都具有随机性，减阻效果稳定性差。

在关于表面形貌减阻研究中，接触角大小是一个重要影响因素。其中静态接触角大小与减阻效果关系较小，而动态接触角大小却对减阻效果影响很大，而目前表面形貌减阻研究并没有考虑到动态接触角的影响这一点。

目前国内外有关航行体、运输管道和微机电系统等减阻技术的研究与应用，基本上仍是以机械加工方法为基础，但机械加工方法能加工的材料种类有限。

发明内容

针对现有技术中存在的表面形貌减阻效果稳定性差的技术问题，本发明提出一种减阻表面的制造方法。

一种减阻表面的制造方法，按下列步骤进行：

1)制备压印模版，采用湿法刻蚀或者激光加工在模版上得到预先设计的微结构图案，微结构图案呈交错排列的微米阵列，各微柱或凹坑的长、宽为3～130μm，高度为8～100μm，微柱或凹坑之间的间距为6～260μm；

2)在基片表面上均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，采用粘度为50～150cp的阻蚀胶，低速时转速为600～8000rpm，时间10～15s，然后逐渐升高转速至8000rpm，时间为35～45s，胶层厚度为5μm～60μm，待其自由流平；

3)将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应硬化成型，固化时间10～20s；

4)释放压力并将模版脱离基片；

5)对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，在基片上即可得到与模版上微结构等比例的图案，该表面上微结构的长×宽为3μm×3μm，高度为8μm～100μm，微柱之间的间距为2μm～260μm；

6)在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，即得到具有减阻表面的微结构基片。

本发明采用紫外压印光刻技术，能实现批量生产，并使成本大大降低。本发明用于微机电器件表面，能够克服微尺度下的表面尺寸效应导致的表面摩擦、磨损以及粘附失效；用于运输管道和微流器件等表面，能够显著地降低流体在微通道中的沿程压力损失，减小流体的流动阻力，增大流体的流动速度；用于宏观领域，如航空、航天、航海及交通运输领域中，可减小能耗，节省能源。

附图说明

图1为制备的压印模版的主视示意图；

图2为压印模板的仰视示意图一；

图3为压印模板的仰视示意图二；

图4为压印模板的仰视示意图三；

图5为压印模板的仰视示意图四；

图6为基片上涂铺光刻胶的示意图；

图7为紫外光照射固化阻蚀胶过程示意图；

图8为脱模过程示意图；

图9为反应离子刻蚀过程示意图；

图10为在基片上得到的微结构阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1—图5为模版示意图，所述的模版是由能够让紫外线穿透的材料石英或者聚二甲基硅氧烷PDMS材料构成，本发明设计的压印模版表面具有微结构阵列1，微结构阵列1为交错排列，以保证动态接触角较小，减阻效果好。阵列1中各微柱或凹坑的长W1、宽W2为3～130μm，高度W3为8～100μm，微柱或凹坑之间的间距W4为6～260μm，微米阵列1剖面的形状可为圆柱、正方形、长方形、菱形或六边形以及其他不规则图形等。

图6—图8为整个压印过程，在基片上旋涂光刻胶如附图6所示，待其自然流平之后进行紫外硬化压印光刻过程见附图7，光刻胶紫外固化后进行脱模如附图8所示，模版上的图形通过紫外压印光刻技术转移复制到图形转移层，然后进行反应离子刻蚀如附图9所示，反应离子刻蚀以阻蚀胶为掩膜，将图形刻蚀至基片上，去胶后在基片上得到所需的微结构，最后除去残余的光刻胶，这样模版上的微结构图案就复制到了基片上如附图10所示，完成之后，要对基片3表面进行氟化处理，在微结构表面形成低表面能氟自组装单分子层，即得到具有减阻功能的微结构基片。

本发明所采取的制造方法先采用湿法刻蚀或激光加工制造模版，然后通过紫外压印光刻UV-IL技术及后续刻蚀把图形转移到基片上，最终结合表面氟化工艺在基片上进行减阻表面的制备。紫外压印光刻技术是一种简单方便的二维或三维微纳结构制备方法，且对基底材料选择面广，能够实现低成本批量化生产，为进一步降低基片的表面能，提高表面的减阻效果，最终需要对基片表面进行氟化处理，氟化工艺可以极大地降低表面的表面能，减小粘附力，两者结合可以得到效果更佳的减阻表面。

本发明采用的工艺组合可以较精确地控制制造加工过程，制得的表面精度高，表面能低，并可实现批量化生产。

实施例1

一种减阻表面的制造方法，包括以下步骤：

(1)压印模版的制备。采用湿法刻蚀的方法在石英模版上制备出微柱的长×宽为3μm×3μm，高度为5μm，微柱之间的间距为6μm的交错排列的微结构模版。

(2)高分子聚合物阻蚀胶的涂铺。在硅或者二氧化硅基片上采用粘度为50cp的阻蚀胶，低速时转速为800rpm，时间10s，然后逐渐升高转速至8000rpm，时间为45s，胶层厚度为5μm。

(3)将模版压入阻蚀胶层，压印力为75N，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应硬化成型，固化时间10s；

(4)释放压力并且将模版脱离硅或者二氧化硅基片，脱模力为65N；

(5)对基片进行反应离子刻蚀并去除残留的阻蚀胶，即可在硅或者二氧化硅基片上得到微结构阵列的表面，该表面上微结构的长、宽为3μm×3μm，高度为8μm，微柱之间的间距为2μm；

(6)对于硅或者二氧化硅基片，氟化处理时要求干燥箱中水含量小于1ppm，温度为室温。选用的氟化物为三氟丙基三氯硅烷CF3(CH2)2SiCl3(TTS)和FLUORO 6518 Solvents(3M)的1：1混合液，反应15min；将基片放入FLUORO 6518 Solvents(3M)中，超声清洗15min后，用氮气含量为99.999％的高纯氮气进行吹干，90℃加热确保表面附有的FLUORO 6518Solvents(3M)完全挥发，经检测自组装分子层的厚度为5nm左右，即得到具有减阻功能的微结构基片。

实施例2

一种减阻表面的制造方法，包括以下步骤：

(1)压印模版的制备。利用湿法刻蚀的方法制备出微柱的长×宽为60μm×60μm，高度为30μm，微柱之间的间距为120μm的交错排列的微结构模版；

(2)高分子聚合物阻蚀胶的涂铺。在工程塑料基片上采用SU-8(2075)胶，低速时的转速为800rpm，时间10s，逐渐升高转速至1800rpm，时间45s，胶层厚度30μm；

(3)将模版压入阻蚀胶层，压印力为80N，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应硬化成型，固化时间15s；

(4)释放压力并且将模版脱离工程塑料基片，脱模力为70N；

(5)对基片进行反应离子刻蚀并去除残留的阻蚀胶，即可在工程塑料基片上得到微结构阵列的表面，该表面上微结构的长×宽为60μm×60μm，高度为50μm，微柱之间的间距为120μm；

(6)对带有微结构的工程塑料基片在干燥箱中采用气相反应法进行氟化处理，要求反应器的压力小于1个大气压，真空室内温度为40℃，充入第一份氟气和氮气的混合气，混合物中的氟含量为10％，反应1小时；然后升温至70℃，充入第二份氟气和氮气的混合气，用量、反应时间与第一份相同，即得到具有减阻功能的微结构基片。

实施例3一种减阻表面的制造方法，包括以下步骤：

(1)压印模版的制备。利用激光加工的方法在母版Si片或者金属片上制备出微柱的长×宽为130μm×130μm，高度为60μm，微柱之间的间距为130μm的交错排列的微结构，然后浇注聚二甲基硅氧烷PDMS材料，固化剥离即可得到聚二甲基硅氧烷PDMS材料模版；

(2)高分子聚合物阻蚀胶的涂铺。在Si片或者金属基片上采用粘度为150cp的阻蚀胶，低速转速为600rpm，时间15s，高速时的转速为1200rpm，时间35s，胶层厚度为60μm；

(3)将模版压入阻蚀胶层，压印力为90N，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应硬化成型，固化时间20s；

(4)释放压力并且将模版脱离基片，脱模力为75N；

(5)对Si片或者金属基片上进行反应离子刻蚀并去除残留的阻蚀胶，即可得微结构阵列的表面，该表面上微结构的长×宽为130μm×130μm，高度为100μm，微柱之间的间距为260μm；

(6)对带有微结构的Si片或者金属基片，在干燥箱中进行氟化处理，室温下在十三氟辛基三乙氧基硅烷溶剂中浸泡24小时后取出，然后在烘箱中150℃下加热2小时，即得到具有减阻功能的微结构基片。

Claims (1)

1.一种减阻表面的制造方法，按下列步骤进行：

1)制备压印模版，采用湿法刻蚀或者激光加工在模版上得到预先设计的微结构图案，微结构图案呈交错排列的微米阵列，各微柱或凹坑的长、宽为3～130μm，高度为8～100μm，微柱或凹坑之间的间距为6～260μm；

2)在基片表面上涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，采用粘度为50～150cp的阻蚀胶，低速时转速为600～800rpm，时间为10～15s，高速时转速为8000rpm，时间为35～45s，胶层厚度为5μm～60μm，待其自由流平；

3)将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应硬化成型，固化时间10～20s；

4)释放压力并将模版脱离基片；

5)对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，在基片上即可得到与模版上微结构等比例的图案，该表面上微结构的长度为3μm～130μm，宽度为3μm～130μm，高度为8～100μm，模版上的微柱或凹坑压入阻蚀胶层对应形成的凹坑或凸柱之间的间距为6μm～260μm；

6)在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，获得低表面能氟自组装单分子层，即具有减阻表面的微结构基片。

Images