CN105836696B - 一种基于电致动的干粘附复合结构及制造工艺 - Google Patents

一种基于电致动的干粘附复合结构及制造工艺 Download PDF

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Abstract

一种基于电致动的干粘附复合结构及制造工艺，结构包含三层结构，顶层为蘑菇状阵列结构，底层为高弹性模量聚合物与低弹性模量聚合物相间分布的周期性阵列结构，中间层为提供电场的柔性导电薄膜；制造工艺是先进行顶层的蘑菇状阵列结构的制备，再进行中间层柔性导电薄膜的制备，然后制备底层弹性模量差异化分布的周期性阵列结构，最后进行复合结构的耦合成型；本发明能够在保持蘑菇状阵列结构高粘附强度的前提下，利用聚合物的电致动特性，实现干粘附复合结构在电场调控下的可控脱附与粘附，其制造工艺，采用基于光刻、压印和旋涂的工艺手段，实现各层结构的准确可控制造，可广泛用于带式输送机、机械手、微吸盘等干粘附领域。

Description

一种基于电致动的干粘附复合结构及制造工艺
技术领域
本发明属于微纳工程中的干粘附复合结构技术领域，具体涉及一种基于电致动的干粘附复合结构及制造工艺。
背景技术
相较于传统的真空吸附、机械啮合、静电吸附或磁致吸附等粘附方式，干粘附不强烈依赖于被粘附表面材料的化学性质，具有粘附力大、稳定性好、对材质和形貌适应性强、不会对接触物体表面造成损伤和污染等特点，其在结构简单性、控制灵活性、对工作环境及粗糙表面适应性等方面具有独特的优势。目前，干粘附功能表面替代传统粘附方式已成为仿生爬壁机器人、太空环境/超洁净环境无损精确输运、生物医疗诊断等方面发展的重要方向和趋势。在干粘附结构表面的应用过程中，如何实现高强度粘附与可控脱附是干粘附研究领域的重要方面。德国马普研究院del Campo等人研究发现蘑菇状结构能够实现高强度粘附特性，然而蘑菇状阵列结构由于形貌的对称性，表现出各向等同的粘附强度，无法实现有效可控的脱附；美国卡内基梅隆大学Mentin Sitti教授、美国加州大学圣巴巴拉分校Jacob N.Israelachvili教授、韩国首尔大学Suh教授等人研究的基于倾斜微结构阵列和三角形微柱阵列等各向异性的微结构功能表面，能够实现干粘附表面的可控脱附，然而前提是以牺牲粘附强度为代价的。因此，如何实现干粘附功能表面高强度粘附和可控脱附的有机统一是目前干粘附结构设计和工艺制造方向面临的困难和挑战。
发明内容
为了解决上述现有技术的难题，本发明的目的在于提供一种基于电致动的干粘附复合结构及制造工艺，实现高强度粘附和可控脱附的有机统一。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于电致动的干粘附复合结构，包含三层结构，顶层为蘑菇状阵列结构，底层为高弹性模量聚合物与低弹性模量聚合物相间分布的周期性阵列结构，中间层为提供电场的柔性导电薄膜。
所述的顶层采用低表面能材料，包括聚二甲基硅氧烷PDMS。
所述的底层采用的高弹性模量聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，低弹性模量聚合物为PDMS。
所述的中间层采用的柔性导电薄膜为聚二氧乙基噻吩PEDOT：聚苯乙烯磺酸PSS或银纳米线。
一种基于电致动的干粘附复合结构的制造工艺，包括以下步骤：
第一步，顶层的蘑菇状阵列结构的制备：在基材I的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶，所述的基材I为载玻片或Si片，所述的光刻胶为EPG 533或AZ系列光刻胶，利用双面曝光技术在光刻胶层实现蘑菇状阵列的反型结构，进而采旋涂工艺在反型结构的光刻胶层表面制备一层厚度为微米级别的低表面能材料；
第二步，中间层柔性导电薄膜的制备：在第一步制备的蘑菇状阵列结构低表面能材料表面利用旋涂工艺制备一层厚度为纳米尺度的柔性导电薄膜；
第三步，底层弹性模量差异化分布的周期性阵列结构：在基材II表面制备一层厚度为纳米尺度的导电材料，所述的基材II为载玻片或Si片，所述的导电材料为氧化铟锡ITO或银纳米线，然后在导电层顶部利用旋涂工艺制备一层厚度为微米尺度的高弹性模量聚合物，进而采用压印技术在高弹性模量聚合物制备微米级别结构阵列，最终在结构阵列的高弹性模量聚合物表面旋涂一层低弹性模量聚合物，实现低弹性模量聚合物在高弹性模量结构凹槽中的填充；
第四步，复合结构的耦合成型：把上述制备的顶层蘑菇状阵列结构及中间层柔性导电薄膜和底层聚合物弹性模量差异化分布的周期性阵列结构粘结在一起，利用超声剥离工艺去除与蘑菇状结构粘附在一起的光刻胶，实现基于电致动的复合结构的成型。
本发明的有益效果：本发明的基于电致动的干粘附复合结构，能够在保持蘑菇状阵列结构高粘附强度的前提下，利用聚合物的电致动特性，实现干粘附复合结构在电场调控下的可控脱附与粘附，其制造工艺，采用基于光刻、压印和旋涂的工艺手段，实现各层结构的准确可控制造，本发明的基于电致动的复合结构可广泛用于带式输送机、机械手、微吸盘等干粘附领域。
附图说明：
图1-1为本发明未施加外部电压时复合结构的示意图。
图1-2为本发明施加外部电压时复合结构的变形示意图。
图2-1为本发明在基材I上制备一层光刻胶的结构示意图。
图2-2为本发明利用双面曝光技术在光刻胶层制备蘑菇状阵列反型结构的工艺示意图。
图2-3为本发明在光刻胶层制备的蘑菇状阵列反型结构示意图。
图2-4为本发明在光刻胶蘑菇状阵列反型结构表面旋涂制备一层低表面能材料的示意图。
图3为本发明中间层柔性导电薄膜制造的示意图。
图4-1为本发明在基材II上依次旋涂制备导电材料和高弹性模量聚合物薄膜层的示意图。
图4-2为本发明利用压印工艺在高弹性模量聚合物制备微米级别结构阵列的示意图。
图4-3为本发明高弹性模量聚合物的微米级别结构阵列示意图。
图4-4为本发明在高弹性模量聚合物表面旋涂制备低弹性模量的示意图。
图5-1为本发明复合结构顺序叠加的结构示意图。
图5-2为本发明超声去除残留光刻胶之后得到的复合结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种基于电致动的干粘附复合结构，包含三层结构，顶层为干粘附效果表现最优的蘑菇状阵列结构2，底层为高弹性模量聚合物5与低弹性模量聚合物4相间分布的周期性阵列结构，中间层为提供电场的厚度为纳米尺度的柔性导电薄膜3-1。
在基材II 6表面设有导电材料3-2，基材II 6为载玻片或Si片，当施加在柔性导电薄膜3-1和导电材料3-2上的外部电压U为0时，顶层蘑菇状阵列结构2与接触表面1之间紧密的随形贴合，表现为大接触面积下的高强度可靠粘附，如图1-1所示；当外部电压U不为0时，在电场驱动作用下，低弹性模量聚合物4会发生压缩变形，而高弹性模量聚合物5保持不变，从而导致低弹性模量聚合物4对应区域与接触表面1分离脱附，引发小接触面积下的可控脱附，如图1-2所示；当外加电压再次恢复为0时，低弹性模量聚合物4弹性形变消失，复合结构恢复初始形貌，如图1-1所示，由此实现了电场调控的高强度可靠粘附和可控脱附之间的有效转化。
一种基于电致动的干粘附复合结构的制造工艺，包括以下步骤：
第一步，顶层蘑菇状阵列结构的制备：在基材I 7表面旋涂一层厚度h1为微米尺度的光刻胶8，如图2-1所示；
利用双面曝光技术，顶部UV光10-1透过掩膜版9实现光刻胶8的顶部光刻，得到蘑菇杆径D1为微米级别，间距D2为微米级别，杆径高度h2为微米的光刻区域，底部UV光10-2直接照射基材I 7，实现光刻胶8的底部光刻，得到厚度h3为微米级别的薄膜层的光刻区域，如图2-2所示；
利用显影技术，去除曝光部分的光刻胶8，在光刻胶8实现蘑菇状阵列的反型结构，如图2-3所示；
利用旋涂工艺在反型结构光刻胶8表面旋涂一层低表面能材料2，实现顶层蘑菇状阵列结构的制造，如图2-4所示；
第二步，中间层柔性导电薄膜的制备：在低表面能材料2表面利用旋涂工艺制备一层厚度为纳米尺度的柔性导电薄膜3-1，如图3所示；
第三步，底层弹性模量差异化分布的周期性阵列结构：在基材II6表面制备一层厚度h5为纳米尺度的导电材料3-2，然后在导电材料3-2顶部利用旋涂工艺制备一层厚度h6为微米尺度的高弹性模量聚合物5，如图4-1所示；
利用压印技术在高弹性模量聚合物5实现微米级别结构阵列的制造，采用的压印模板11的凸起结构宽度w2、间距w1和深度h7均为微米级别，如图4-2所示，制备的高弹性模量聚合物5的微米级别结构阵列如图4-3所示；
然后在结构化高弹性模量聚合物5表面旋涂一层低弹性模量聚合物4，实现低弹性模量聚合物4在高弹性模量聚合物5结构凹槽中的填充，低弹性模量聚合物4在高弹性模量聚合物5表面的留膜厚度h8为微米或纳米级别，完成底层的弹性模量差异化分布的周期性阵列结构的制备，如图4-4所示；
第四步，复合结构的耦合成型：把前述制备的顶层蘑菇状阵列结构及中间层柔性导电薄膜和底层聚合物弹性模量差异化分布的周期性阵列结构粘结在一起，然后利用超声剥离工艺去除与蘑菇状结构粘附在一起的光刻胶8，如图5-1所示，最终去除光刻胶8和基材I 7，实现基于电致动的复合结构的可控成型，如图5-2所示。
本发明设计的基于电致动的干粘附复合结构克服了传统干粘附系统高强度粘附和可控脱附之间有机结合的难题，利用光刻、旋涂、压印等工艺实现了设计结构的准确可控制造，能够适用于干粘附领域的广泛需求。

Claims (5)

1.一种基于电致动的干粘附复合结构，包含在基材II的导电材料(3-2)上制备的三层结构，其特征在于：顶层为蘑菇状阵列结构，底层为高弹性模量聚合物与低弹性模量聚合物相间分布的周期性阵列结构，中间层为提供电场的柔性导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于电致动的干粘附复合结构，其特征在于：所述的顶层采用低表面能材料，包括聚二甲基硅氧烷PDMS。
3.根据权利要求1所述的一种基于电致动的干粘附复合结构，其特征在于：所述的底层采用的高弹性模量聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，低弹性模量聚合物为PDMS。
4.根据权利要求1所述的一种基于电致动的干粘附复合结构，其特征在于：所述的中间层采用的柔性导电薄膜为聚二氧乙基噻吩PEDOT：聚苯乙烯磺酸PSS或银纳米线。
5.根据权利要求1所述的一种基于电致动的干粘附复合结构的制造工艺，包括以下步骤：
第一步，顶层的蘑菇状阵列结构的制备：在基材I的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶，所述的基材I为载玻片或Si片，所述的光刻胶为EPG 533或AZ系列光刻胶，利用双面曝光技术在光刻胶层实现蘑菇状阵列的反型结构，进而采用旋涂工艺在反型结构的光刻胶层表面制备一层厚度为微米级别的低表面能材料；
第二步，中间层柔性导电薄膜的制备：在第一步制备的蘑菇状阵列结构低表面能材料表面利用旋涂工艺制备一层厚度为纳米尺度的柔性导电薄膜；
第三步，底层弹性模量差异化分布的周期性阵列结构：在基材II表面制备一层厚度为纳米尺度的导电材料，所述的基材II为载玻片或Si片，所述的导电材料为氧化铟锡ITO或银纳米线，然后在导电层顶部利用旋涂工艺制备一层厚度为微米尺度的高弹性模量聚合物，进而采用压印技术在高弹性模量聚合物制备微米级别结构阵列，最终在结构阵列的高弹性模量聚合物表面旋涂一层低弹性模量聚合物，实现低弹性模量聚合物在高弹性模量结构凹槽中的填充；
第四步，复合结构的耦合成型：把上述制备的顶层蘑菇状阵列结构及中间层柔性导电薄膜和底层聚合物弹性模量差异化分布的周期性阵列结构粘结在一起，利用超声剥离工艺去除与蘑菇状结构粘附在一起的光刻胶，实现基于电致动的复合结构的成型。
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