CN105293429B - 一种表面疏水性能可控结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面疏水性能可控结构的制备方法，具体制作过程如下：首先利用软光刻翻模的方法制作带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构；然后在凹坑阵列内用飞秒激光加工出更小的圆柱形凹坑阵列；之后在薄钢片上加工出圆形孔阵列；通过表面处理然后将薄钢片与PDMS整体结构键合，其中圆形孔与圆柱形凹坑相对应；在上述整体结构上粘接一个带有小孔的凹腔；最终通过小孔将微型气泵与凹腔密封连接；控制凹腔内的气体量即可控制结构表面的疏水性能。本发明制备的表面疏水性能可控结构可以在不经过更换结构表面涂层的前提下，改变结构表面的疏水性能；由于表面结构凸起在气压作用下可以实现无极变化，因而疏水性能可以实现无极调控。

Description

一种表面疏水性能可控结构的制备方法

技术领域：

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种表面疏水性能可控结构的制备方法。

背景技术：

由于超疏水结构在表面清洁，微流体系统和生物相容性等方面的潜在应用，成为近年来研究的热点之一。所谓超疏水结构的疏水原理主要是使液体在微结构表面处于Cassie-Baxter状态，此时液滴被表面微结构和空气托住而不完全接触到固体表面，液滴接触角很大，并且滚动角很小，液滴很容易从表面滚落，因而具有自净功能。非超疏水结构表面可以附着一定的液滴。现有技术虽然可以制备超疏水结构和非超疏水结构，但鲜有制备疏水性可控结构。

发明内容：

本发明的目的是提供一种表面疏水性能可控结构的制备方法，其可以根据需要自动调节结构的疏水性能，其制备过程的各环节方法成熟可靠。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种表面疏水性能可控结构的制备方法，包括如下步骤：

1)在硅片基底上旋涂一层负性光刻胶，利用带有圆形透光阵列的掩膜板进行曝光；

2)将步骤1)曝光后得到的结构放入显影液中进行显影，得到带有圆柱形凸起阵列的硅片基底；

3)在带有圆柱形凸起阵列的硅片基底上旋涂加入固化剂的PDMS，并进行翻模；

4)将步骤3)旋涂并翻模后的整体结构放入烤箱进行坚膜，得到带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构；

5)将带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构从带有圆柱形凸起阵列的硅片基底上剥离；

6)用飞秒激光在步骤5)得到的PDMS结构的每个圆柱形凹坑上打上凹坑阵列；

7)通过激光在第一薄钢片上加工圆柱形阵列孔，圆柱形阵列孔的间距和大小与步骤5)得到的PDMS结构上的圆柱形凹坑相对应；

8)通过过氧等离子体表面处理将步骤6)得到的PDMS结构和步骤7)加工后的第一薄钢片键合，其中PDMS结构上的圆柱形凹坑与第一薄钢片的孔相对应；

9)用冲压的方法将第二薄钢片加工出一个凹腔，并用激光在带有凹腔的第二薄钢片一侧边加工出通气孔，其中带有凹腔的第二薄钢片的长宽与第一薄钢片的长宽相等；

10)用粘接剂将步骤9)带有凹腔的第二薄钢片与步骤8)得到的第一薄钢片边缘进行无缝粘接，通过带有凹腔的第二薄钢片上的通气孔充气与吸气，即得到表面疏水性能可控结构。

本发明进一步的改进在于，步骤10)中，将微型气泵与带有凹腔的第二薄钢片上的通气孔相连通，通过微型气泵的充气与吸气对表面疏水性能可控结构的疏水性进行控制。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中的负性光刻胶选用SU8-82000负性光刻胶。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中负性光刻胶的光刻胶厚度为100～150μm。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中带有圆形透光阵列的掩膜板的圆孔直径为600～800μm，相邻两圆孔之间的距离为1000～1200μm。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中旋涂的加入固化剂的PDMS厚度为200～300μm。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中加工的凹坑直径为50～80μm，深度为50～80μm。

本发明进一步的改进在于，步骤7)中第一薄钢片的厚度为100μm。

本发明进一步的改进在于，步骤9)中第二薄钢片的厚度为100μm。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明制备方法中加工圆柱形凹坑阵列的PDMS结构的加工方法非常成熟，飞秒激光加工也非常成熟，因而降低了制备疏水可控结构的难度，提高了实现的可能性；由于掩膜板可以重复多次使用，降低了加工成本，为大规模生产提供了可能；由于疏水性能可控结构关键因素在于其表面结构，而与结构整体形状无关，因而可以把疏水可控结构应用在各种不同形状的结构上。

本发明制备的表面疏水性能可控结构可以在不经过更换结构表面涂层的前提下，改变结构表面的疏水性能；由于表面结构凸起在气压作用下可以实现无极变化，因而疏水性能可以实现无极调控。

综上所述，本发明制备的表面疏水性能可控结构，包括可变形膜，基底，微型气泵，所述可变形膜边缘与基底完全粘结，在可变形膜一处留出一个小孔与微型气泵进行连接。因此，本发明不仅可以实现超疏水结构的制备，而且还能对其疏水性能进行控制，这是以前的单纯制备超疏水结构所不具有的新功能。

附图说明：

图1是本发明步骤1)中使用的带有圆形透光阵列的掩膜示意图；

图2是本发明步骤5)中PDMS结构翻模成形后的结构示意图；

图3是本发明步骤6)中进一步加工出的PDMS结构示意图；

图4是本发明步骤8)中将PDMS结构与第一薄钢片键合后的示意图；

图5是本发明步骤10)中得到的表面疏水性能可控结构的示意图；

图6是向本发明制备的表面疏水性能可控结构中通入适量气体后形成的结构示意图。

具体实施方式：

为了更加清楚明白阐述本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施过程，对本发明进行进一步详细的说明。应该理解，此处所描述的具体实施过程仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是利用负性光刻胶的光刻性能，直接采用负性光刻胶的材料来形成表面疏水可控结构，在以下的实施案例中，采用了SU8-82000负性光刻胶，但是在原理上也可以使用其他负性光刻胶。并且在坚膜和显影等步骤进行类似的操作即可，在此不再赘述。

在本发明中使用第一薄钢片与PDMS结构进行键合，用来增加表面的刚度，防止在后面充气的时候整体结构向外膨胀。因此也可以采用其他硬质基板与其键合。

实施例：

本发明的具体实施步骤如下：

1)在硅片基底上旋涂一层SU8-82000负性光刻胶，厚度为100μm，然后用带有圆形透光阵列的掩膜板进行曝光，其中带有圆形透光阵列的掩膜板的圆孔直径为600μm，相邻两圆孔的间距为800μm，掩膜板形状如图1所示，其中阴影部分为圆形透光区。

2)将步骤1)曝光后得到的结构放入显影液中进行显影，显影后，因掩膜板遮盖而未受光的区域被洗掉，最终，得到带有圆柱形凸起阵列的硅片基底。

3)在带有圆柱形凸起阵列的硅片基底上再旋涂一层加入固化剂的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为200μm，并进行翻模。

4)将步骤3)旋涂并翻模后的整体部件放入烤箱中，烤箱的温度设定为80℃，烘烤时间为30分钟，此步骤为坚膜，可以把胶状的PDMS变硬塑形，得到带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构。

5)待PDMS塑形后，可以用工具轻轻将带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构从带有圆柱形凸起阵列的硅片基底上剥离，在剥离的过程中要尽量避免破坏SU8-82000塑形的阵列圆柱形凸起。最终剥离好的PDMS结构如图2所示，一整张PDMS结构上布满圆柱形凹坑阵列。

6)用飞秒激光在步骤5)得到的PDMS结构的每个圆柱形凹坑上打上直径为50μm，深度为50μm，间距为100μm的凹坑阵列，加工好的PDMS结构如图3所示。

7)裁切一块大小与步骤6)中PDMS结构尺寸相等的第一薄钢片，厚度为100μm，在第一薄钢片表面用激光加工出直径为600μm，间距为800μm的圆柱形阵列孔。此孔的大小和间距恰可以和步骤6)中加工出的PDMS结构上的圆柱形凹坑阵列对应。

8)将步骤6)得到的PDMS结构和第一薄钢片进行过氧等离子体表面处理，然后将第一薄钢片和PDMS结构进行键合，在键合的过程中要保证第一薄钢片上的圆柱形阵列孔和PDMS结构上的圆柱形凹坑阵列正好完全对应，键合后的整体结构如图4所示。

9)用冲压的方法将第二薄钢片加工成矩形凹腔。矩形凹腔的长宽与第一薄钢片的长宽相等，并用激光在带有凹腔的第二薄钢片一侧边加工出通气孔。

10)用粘接剂将步骤9)带有凹腔的第二薄钢片与得到的第一薄钢片边缘进行无缝粘接，得到表面疏水性能可控结构如图5所示，将微型气泵与带有凹腔的第二薄钢片上通气孔相连通，通过微型气泵的充气与吸气对表面疏水性能可控结构的疏水性进行控制。

通过微型气泵的充气与吸气对表面疏水性能可控结构表面的疏水性进行控制，在充气的时候PDMS结构薄弱的凹坑将向外凸起，凸起的结构如图6所示，整个PDMS结构平面上鼓起直径600μm左右的大凸起阵列，在大凸起上又有直径为50μm左右的小凸起阵列。表面疏水性能可控结构变成超疏水结构。在结构可承受的压强下，内部填充气体使凸起越突出，疏水性能越好，而当将凹腔内多余气体抽掉，PDMS结构变得平整，疏水性能也随之变差。

Claims (9)

1.一种表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在硅片基底上旋涂一层负性光刻胶，利用带有圆形透光阵列的掩膜板进行曝光；

2)将步骤1)曝光后得到的结构放入显影液中进行显影，得到带有圆柱形凸起阵列的硅片基底；

3)在带有圆柱形凸起阵列的硅片基底上旋涂加入固化剂的PDMS，并进行翻模；

4)将步骤3)旋涂并翻模后的整体结构放入烤箱进行坚膜，得到带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构；

5)将带有圆柱形凹坑阵列的PDMS结构从带有圆柱形凸起阵列的硅片基底上剥离；

6)用飞秒激光在步骤5)得到的PDMS结构的每个圆柱形凹坑上打上凹坑阵列；

7)通过激光在第一薄钢片上加工圆柱形阵列孔，圆柱形阵列孔的间距和大小与步骤5)得到的PDMS结构上的圆柱形凹坑相对应；

8)通过过氧等离子体表面处理将步骤6)得到的PDMS结构和步骤7)加工后的第一薄钢片键合，其中PDMS结构上的圆柱形凹坑与第一薄钢片的孔相对应；

9)用冲压的方法将第二薄钢片加工出一个凹腔，并用激光在带有凹腔的第二薄钢片一侧边加工出通气孔，其中带有凹腔的第二薄钢片的长宽与第一薄钢片的长宽相等；

10)用粘接剂将步骤9)带有凹腔的第二薄钢片与步骤8)得到的第一薄钢片边缘进行无缝粘接，通过带有凹腔的第二薄钢片上的通气孔充气与吸气，即得到表面疏水性能可控结构。

2.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤10)中，将微型气泵与带有凹腔的第二薄钢片上的通气孔相连通，通过微型气泵的充气与吸气对表面疏水性能可控结构的疏水性进行控制。

3.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中的负性光刻胶选用SU8-82000负性光刻胶。

4.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中负性光刻胶的光刻胶厚度为100～150μm。

5.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中带有圆形透光阵列的掩膜板的圆孔直径为600～800μm，相邻两圆孔之间的距离为1000～1200μm。

6.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤3)中旋涂的加入固化剂的PDMS厚度为200～300μm。

7.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤6)中加工的凹坑直径为50～80μm，深度为50～80μm。

8.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤7)中第一薄钢片的厚度为100μm。

9.根据权利要求1所述的表面疏水性能可控结构的制备方法，其特征在于，步骤9)中第二薄钢片的厚度为100μm。