CN102381679A

CN102381679A - 一种仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法

Info

Publication number: CN102381679A
Application number: CN2011103351364A
Authority: CN
Inventors: 刘世元; 张鹏; 张传维
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-03-21

Abstract

一种仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法，针对目前湿性粘合剂易退化、易污染、自粘附等缺点，以及目前干性粘合剂复杂繁琐的制作方式，通过研究自然界中壁虎脚毛的微纳层次结构特征，采用ICP刻蚀工艺与厚胶工艺相结合制作出一种SU-8胶与硅的复合模具，然后通过微模塑的方式一次成型得到高深宽比的微纳层次结构纤维阵列，该结构模拟自然界壁虎的结构特征，具有强效的粘附特性。本发明包括基于ICP刻蚀工艺的硅母板制作、基于厚胶工艺的复合模具制作以及基于微模塑成型的双层纤维阵列制作。本发明能制作出接近自然界中壁虎脚毛参数的微纳层次结构，是一种既能适应不同表面又能轻易主动脱附的强效干性粘合剂，且制作成本低廉、方法简易。

Description

一种仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法

技术领域

本发明属于微纳米仿生结构的制作方法，具体涉及高深宽比微纳层次结构的制作方法，可用于制作一种仿壁虎毛的高深宽比微纳层次结构，该结构本身即为一种适应不同表面又能轻易脱附的强效干性粘合剂。

背景技术

近些年来，在微机电系统(MEMS)领域，各种商品化的MEMS器件出现并成功应用在航天航空、生物医学、能源交通、科学仪器等领域。由于MEMS器件特有的微小尺寸，其安装和固定一般采用粘合剂方式。目前广泛应用的粘合剂几乎都是湿性粘合剂(如粘合胶带、胶水)，它们因一些固有特性，导致其存在易于退化、易受污染、自粘附以及撕开后难以再次使用等缺点。因此，探索某种干性粘合剂，使之能够牢固地粘附并能轻易脱附与各种类型的物体表面，同时具有良好的可重复性，具有非常重要的意义。

自然界中的壁虎可以在垂直墙面甚至天花板上自由爬行，他们和未知粗糙表面接触时，能产生牢固的粘附并轻易的脱附。壁虎毛的分级层次结构，特别是其微米级刚毛/纳米级绒毛的微纳层次结构，是保证壁虎毛既产生巨大粘附力又能适应不同表面形貌并可轻易主动脱附的关键，也为干性粘合剂的仿生设计与制作提供了极好的范例和启示，本发明中的干性粘合剂即为仿壁虎毛的高深宽比微纳层次结构。这种干性粘合剂在MEMS器件的安装和固定、爬壁机器人等领域有着广阔的应用前景。

本申请人于2010年5月14日提出了“一种干性粘合剂的制作方法”(中国专利授权号，20101171719.3)，该发明方法先使用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺制作出微米级硅母板，再将聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂在微米级硅母板上并剥离得到微米级模具，并以该模具复制得到以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为材料的微米级纤维阵列；另一方面，采用基于胶体的晶体刻蚀技术得到纳米级硅母板，再将聚胺脂丙稀酯酸(PUA)涂在纳米级硅母板上并曝光得到纳米级模具，最后将纳米级模具倒置于微米级纤维阵列上加压再缓速拉模，得到高深宽比的纳米级纤维阵列。

在上述专利文献中提到的制作方法，是通过先后两次成型，先制作出微米级的纤维阵列，再在微米级的纤维阵列顶端制作出纳米级的绒毛阵列，得到高深宽比的微纳层次结构。该方法需要分别制作微米级和纳米级的硅母板与模具，期间需要使用ICP刻蚀工艺与基于胶体的晶体刻蚀技术，而且要采用拉模的方式才能得到纳米级的纤维阵列，整个流程较为复杂繁琐，对制作环境、仪器设备以及操作技术也提出较高要求。

发明内容

本发明提供了一种仿壁虎毛的干性粘合剂的制作方法，克服了目前湿性粘合剂易退化、易污染、自粘附、以及撕开后难以再次使用等缺点，并改进了以往干性粘合剂复杂繁琐的问题。

本发明提供的一种仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法，其步骤包括：

第1步基于电感耦合等离子体刻蚀工艺的硅母板制作步骤：

依据纳米级纤维阵列的中纤维的直径、间距制作出点阵结构掩膜板，然后使用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺刻蚀硅母板，刻蚀深度为所设定纳米级纤维的长度，得到带深孔阵列的硅母板；

第2步基于厚胶工艺的复合模具制作步骤：

在带深孔阵列的硅母板旋涂SU-8光刻胶，SU-8胶厚度为所设定的微米级纤维的长度，烘烤；SU-8光刻胶冷却后将整个硅母板放至光刻机上曝光，曝光所用的掩膜板图案由所设定的微米级纤维的直径、间距对应制作；曝光完成后将整个硅母板烘烤，待冷却后放入显影液中浸泡，则未曝光的SU-8胶被去掉，得到SU-8胶与硅的复合模具；

第3步基于微模塑成型的双层纤维阵列制作步骤：

清洗SU-8胶与硅的复合模具，然后镀上分离剂六甲基二硅胺烷(HDMS)，再将纤维材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在复合模具上，烘烤后从复合模具上剥离，得到仿壁虎毛的微纳层次结构纤维阵列，即干性粘合剂。

本发明的干性粘合剂为仿壁虎毛的高深宽比微纳层次结构，通过ICP刻蚀与厚胶工艺相结合制作出一种SU-8胶与硅的复合模具，然后通过微模塑的方式一次成型得到仿壁虎毛的微纳层次结构，该结构本身即为一种能适应不同表面形貌并能轻易脱附的全范德华力干性粘合剂，单次制作出的阵列面积可达10×10cm甚至更大。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1).制作干性粘合剂的模具是双层的SU-8胶与硅复合模具，通过该模具可一次成型制作出大面积的仿壁虎毛的干性粘合剂，且能反复使用；

(2).制作工艺主要包括ICP刻蚀与厚胶工艺，模具材料主要为硅母板、SU-8光刻胶，干性粘合剂材料为PDMS，成本低廉，制作简易。

附图说明

图1是干性粘合剂结构示意图；

图2是ICP刻蚀工艺与厚胶工艺分别使用的掩膜板图案；

图3是仿壁虎毛的干性粘合剂制作过程示意图。

具体实施方式

本发明中的干性粘合剂结构示意图如图1所示，图(A)为侧视图，图(B)为俯视图。干性粘合剂结构为仿壁虎毛的两级结构：纳米级纤维直径0.5～1μm，长度3～6μm；微米级纤维直径3.25～6.5μm，长度19.5～39μm。自然界中壁虎的绒毛(纳米级结构)直径0.1～0.2μm，长度2～5μm；刚毛(微米级结构)直径4～10μm，长度30～130μm。本发明在较大程度上能接近自然界中壁虎脚毛的参数特征，从而能实现超强的粘附特性。

纤维阵列中纤维之间间距(即外表面之间的距离)范围通常在纤维半径与直径之间。

本发明中用于ICP刻蚀工艺的掩膜板图案如图2(A)所示，其图案分布为设定好的纳米级纤维阵列分布；用于厚胶工艺的掩膜板图案如图2(B)所示，其图案分布为设定好的微米级纤维阵列分布。

本发明方法中，各工艺参数由所制备的干性粘合剂的尺寸来决定，通常而言，其步骤包括：

(1)基于ICP刻蚀工艺的硅母板制作步骤：

依据纳米级纤维阵列的直径、间距制作出相应的点阵结构掩膜板，然后使用ICP刻蚀工艺刻蚀硅母板，刻蚀深度为所设定纳米级纤维的长度，得到带深孔阵列的硅母板；

(2)基于厚胶工艺的复合模具制作步骤：

清洗带深孔阵列的硅母板，将其放在匀胶机上，旋涂上SU-8光刻胶，SU-8胶厚度为所设定的微米级纤维的长度，并在90-100℃下烘烤5-10分钟；待SU-8光刻胶冷却后将整个硅母板放至光刻机上，在波段为250nm～400nm的紫外光下曝光40～45秒，曝光所用的掩膜板图案由所设定的微米级纤维的直径、间距对应制作；曝光完后将整个硅母板在90-100℃下烘烤5-10分钟，待冷却后放入显影液中浸泡7-10分钟，则未曝光的SU-8胶被去掉，得到SU-8胶与硅的复合模具。

(3)基于微模塑成型的双层纤维阵列制作步骤：

清洗SU-8胶与硅的复合模具，然后通过蒸气镀的方式镀上分离剂HDMS，再将纤维材料PDMS倒在复合模具上，在100-120℃下烘烤10-20分钟后从复合模具上剥离，得到仿壁虎毛的高深宽比的微纳层次结构纤维阵列。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例1：

本发明中设定纳米级纤维直径0.8μm，长度4μm，间距0.4μm；微米级纤维直径5.2μm，长度30μm，间距5.2μm。具体实施步骤如下：

(1).ICP刻蚀硅母板：

如图3(A)所示，先用RCA清洗法清洗硅母板1，再使用ICP工艺进行刻蚀，刻蚀所用掩膜板2图案分布为设定好的纳米级纤维阵列分布，刻蚀深度为4μm；最后用去膜剂浸泡硅母板，去除表面光刻胶，用纯水冲洗，氮气吹干，得到带深孔阵列的硅母板1；

(2).匀胶：

如图3(B)所示，将带深孔阵列的硅母板1放在匀胶机上，旋涂上SU-8光刻胶3(型号2015)，匀胶分2步进行：先以500rpm的转速保持15秒，再以1400rpm的转速保持100秒，使其均匀涂覆在硅模板表面。待硅母板表面的SU-8胶基本呈平面后，将其放到热板上，在95℃的温度下烘焙8分钟，令胶层固定在硅模具上。

(3).曝光：

如图3(C)所示，待SU-8光刻胶3冷却后将其放在光刻机上，在波段为250nm～400nm的紫外光下曝光43秒，曝光所用掩膜板4图案分布为设定好的微米级纤维阵列分布，5为被曝光的SU-8胶。曝光后将硅母板在95℃温度下烘焙8分钟。

(4).显影：

将整个硅母板放至显影液中，浸泡8分钟，则未曝光的SU-8胶被去掉，取出硅母板以去离子水冲洗，氮气风干，即得到SU-8胶与硅的复合模具6，如图3(D)所示。

(5).微模塑成型：

将装有液态PDMS的烧杯放入真空干燥箱中重复抽真空，放气循环，直到看不到气泡为止。先通过蒸汽镀的方式在SU-8胶与硅的复合模具上镀上一层分离剂HDMS，再将PDMS溶液7倾倒在复合模具6的表面，待其平铺且不再流动后，放在热板上以115℃的温度烘焙15分钟，以保证其充分固化，如图3(E)所示。

(6).脱模：

待PDMS冷却后，小心地剥离，得到微纳双层结构的PDMS纤维阵列8，该结构即为仿壁虎毛的干性粘合剂，如图3(F)所示。

2、实例2、3

按照实例1的步骤，采用下表中的参数可以制备得到仿壁虎毛的干性粘合剂。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法，其步骤包括：

第1步基于电感耦合等离子体刻蚀工艺的硅母板制作步骤：

依据纳米级纤维阵列的中纤维的直径、间距制作出点阵结构掩膜板，然后使用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀硅母板，刻蚀深度为所设定纳米级纤维的长度，得到带深孔阵列的硅母板；

第2步基于厚胶工艺的复合模具制作步骤：

在带深孔阵列的硅母板上旋涂SU-8光刻胶，SU-8胶厚度为所设定的微米级纤维的长度，烘烤；SU-8光刻胶冷却后将整个硅母板放至光刻机上曝光，曝光所用的掩膜板图案由所设定的微米级纤维的直径、间距对应制作；曝光完成后将整个硅母板烘烤，待冷却后放入显影液中浸泡，则未曝光的SU-8胶被去掉，得到SU-8胶与硅的复合模具；

第3步基于微模塑成型的双层纤维阵列制作步骤：

清洗SU-8胶与硅的复合模具，然后镀上分离剂，再将纤维材料倒在复合模具上，烘烤后从复合模具上剥离，得到仿壁虎毛的微纳层次结构纤维阵列，即干性粘合剂。

2.根据权利要求1所述的仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法，其特征在于，所述干性粘合剂结构为仿壁虎毛的两级结构，纳米级纤维直径0.5～1μm，长度3～6μm；微米级纤维直径3.25～6.5μm，长度19.5～39μm，纤维阵列中纤维之间间距范围在纤维半径与直径之间。

3.根据权利要求1或2所述的仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法，其特征在于，分离剂为六甲基二硅胺烷。

4.根据权利要求1或2所述的仿壁虎毛的干性粘合剂制作方法，其特征在于，纤维材料为聚二甲基硅氧烷。