CN105905864A - 一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其基本结构单元为倾斜弧形微坑沟槽，将其并列排布，中间由隔墙隔开，即形成倾斜弧形微坑沟槽表面；该基本结构单元由倾斜弧形微坑、倾斜弧形微凸台和微沟槽构成；该“微坑”的弧形为圆弧形、椭圆弧形、抛物线弧形、二次曲线弧形以及其余高次曲线弧形；该“微凸台”是由一列中两个倾斜弧形微坑之间间隔自然形成；该“微沟槽”位于每列微坑和微凸台的正上方；其制作方法是通过两步光刻操作分别完成倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台，以及微沟槽和隔墙的制作；本发明设计的表面织构简单实用，工艺性好，低成本、效率高、能大面积的制作。能得到不同材料的单方向液体铺展表面，具有推广应用价值。

Description

一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计及其制作方法，更具体的说，通过设计制作出倾斜的弧形微坑阵列和其间隔墙抬高所形成微沟槽，组合而成的倾斜弧形微坑沟槽表面结构，从而利用液体的毛细拉力和边界阻止效应，达到液体的单方向运动的目的。属于微纳米制造技术领域。
背景技术
单方向液体铺展运动的表面可实现液体的方向搬运、液体的方向自润滑等，这种表面只依靠表面的微结构特征产生的毛细力就能实现相应的搬运及润滑功能，而无需外力的干预,由于其拥有广泛应用前景，设计和制造具有使得液体单方向铺展的表面织构成为微纳米领域的研究热点。该现象已经发表于Nature论文《Continuous directional water transport onthe peristome surface of Nepenthes alata》中。
由于猪笼草口缘液体单方向铺展功能主要来源于其微沟槽和微盲孔组成的毛细拉力以及边界阻止效应，而微沟槽与微盲孔两种结构符合形成了微米级的三围表面，该复杂结构使用传统光刻、微机械加工、电解、电化学刻蚀、激光雕刻等方法都难以实现低成本、高效率、大面积的制作。
本专利申请通过对猪笼草单方向液体铺展结构进行特征提取并简化，设计出了仿生单方向液体铺展表面织构，实现了对液体的单方向铺展功能。该制作方法成本低、效率高、能够大面积制作，且微结构尺寸可根据实际液体特性调整。由于单方向液膜搬运无需动力且可实现坡度搬运，将其应用于手术刀表面，可形成持久稳定液膜，能让手术刀在切割中不再粘连软组织。在传统机械接触表面上制作该结构，可实现对润滑液的连续搬运铺展，在界面间形成均匀润滑膜，达到无功耗自润滑的效果。此外，该表面还可用于MEMS、新能源、无人机翼面防冰等，在机械与多个领域有重大应用前景。
发明内容
1、目的：本发明涉及一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计及其制作方法，通过设计制作出倾斜的弧形微坑阵列和其间隔墙抬高所形成微沟槽，组合而成的倾斜弧形微坑沟槽表面结构，从而利用液体的毛细拉力和边界阻止效应，达到液体的单方向运动的目的。该结构可用于微创手术刀防粘、机械结构润滑，MEMS以及微流体芯片中。
2、技术方案：本发明是一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计及其制作方法。
(一)本发明一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，该“表面织构”如下：
该仿猪笼草单方向液体铺展表面织构，即倾斜弧形微坑沟槽表面，其基本结构单元为倾斜弧形微坑沟槽，将多条倾斜弧形微坑沟槽即基本结构单元并列排布，中间由隔墙隔开，即可形成倾斜弧形微坑沟槽表面；
所述基本单元结构，即倾斜弧形微坑沟槽，其主要由倾斜弧形微坑、倾斜弧形微凸台和微沟槽构成；
所述倾斜弧形微坑的弧形可为圆弧形、椭圆弧形、抛物线弧形、二次曲线弧形以及其余高次曲线弧形；该微坑的倾斜角度可从大于0°至90°，微坑长度为10nm至1mm，宽度为10nm至1mm，深度为10nm至1mm；该微坑的材质为可为光刻胶、硅、硅橡胶或金属；
所述倾斜弧形微凸台由一列中两个倾斜弧形微坑之间间隔自然形成，其弧形结构、倾斜角度和宽度与倾斜弧形微坑相同，长度为0至1cm；该倾斜弧形微凸台的材质可为光刻胶、硅、硅橡胶或金属；
所述微沟槽位于每列倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台的正上方，其宽度等于倾斜弧形微坑宽度，其深度为10nm至1mm；
所述隔墙由多条弧形微坑沟槽即基本结构单元并列排布时自然形成，其深度与微沟槽深度相同，其宽度为10nm至1mm；该隔墙的材质为可为光刻胶、硅、硅橡胶或金属；
(二)本发明一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构的制作方法：
为了实现前述仿猪笼草单方向液体铺展表面织构，本发明通过两步光刻操作分别完成倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台，以及微沟槽和隔墙的制作，其制作方法的实施步骤如下：
步骤一，第一次光刻为斜坡曝光；在基板上旋涂一定厚度的负性光刻胶，将传统垂直照射的紫外光源以一定角度倾斜照射至覆盖掩膜版-1的光刻胶上，完成倾斜曝光，显影后即可以得到倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台；
在步骤一中所述的“倾斜弧形微坑”的倾斜角度可根据实际液体定向运动各向异性的强弱从大于0°至90°调节，斜坡曝光方向需与弧形凸出方向相同；
在步骤一中所述的“掩膜版-1”，其上为密排弧形块阵列图形；弧形可为圆弧形、椭圆弧形、抛物线弧形、二次曲线弧形以及其余高次曲线弧形，弧形块长度为10nm至1mm，宽度为10nm至1mm，深度为10nm至1mm，间距为10nm至1mm；
步骤二，第二次光刻；将第一次光刻得到的结构表面再次旋涂一层负性光刻胶，按照传统光刻操作，将掩膜版-2对齐覆盖至第一次光刻表面，并垂直曝光；显影后，完成每列倾斜弧形微坑上堆叠的微沟槽操作；
在步骤二中所述的“掩膜版-2”，其上为条状图形，其宽度等于弧形块宽度；
在步骤二中所述的“将掩膜版-2对齐覆盖至第一次光刻表面，并垂直曝光”，其对齐的操作为，掩膜版-2上条形图案曝光出的每条微沟槽需正好覆盖一列第一次曝光的倾斜弧形微坑上，从而形成每条微沟槽底部均有一列倾斜弧形微坑；
通过两次光刻后得到的结构对浸润性的液体已具有单方向液体铺展功能，通过橡胶或环氧树脂等不同材料两次复制脱膜，能够得到不同材料的单方向液体铺展表面；
通过氧气等离子体处理等表面改性，可以实现对不同浸润特性的液体大单方向铺展。
3、优点及功效：提供了一种仿猪笼草单方向铺展表面织构设计及其制作方法。设计的表面织构简单实用，工艺性好；其制作方法结合现有成熟的光刻工艺，通过对其操作工艺进行简单调整，实现了低成本、高效率、较大面积的制作。且根据需要，可通过改变掩膜版的图案尺寸、斜坡曝光角度实现对结构大小改变，从而对定向搬运能力的进行调节。且通过弹性材料的复制脱膜或在硅片上刻蚀，可以得到不同材料的单方向液体铺展表面。该制作方法为仿猪笼草单方向铺展表面织构在刀具、微流体、生物芯片等系统或结构表面上，实现液体的单方向铺展和运输提供了可能。
附图说明
图1：是本发明制作方法流程图。
图2；是经过第一次曝光后的一列倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台。
图3：是经过第二次曝光后得到的基本结构单元，倾斜弧形微坑沟槽。
图4：是本发明的基本结构单元，倾斜弧形微坑沟槽。
图5：是本发明的基本单元结构剖视图。
图6：是本发明的基本单元结构剖视图。
图7：是本发明第一实施例，倾斜圆弧形微坑沟槽表面。
图8：是本发明第一实施例，倾斜圆弧形微坑沟槽表面。
图9：是本发明第二实施例，倾斜椭圆弧形微坑沟槽表面。
图10：是本发明第二实施例，倾斜椭圆弧形微坑沟槽表面。
图11：是本发明第三实施例，倾斜抛物线弧形微坑沟槽表面。
图12：是本发明第三实施例，倾斜抛物线弧形微坑沟槽表面。
元件符号说明
0……基底
1……倾斜弧形微坑沟槽
11……倾斜弧形微坑 12……倾斜弧形微凸台
13……微沟槽
2……第一实施例倾斜圆弧形微坑沟槽表面
21……倾斜椭圆弧形微坑 22……倾斜椭圆弧形微凸台
23……微沟槽 24……隔墙
3……第二实施例倾斜椭圆弧形微坑沟槽表面
31……倾斜抛物线弧形微坑 32……倾斜抛物线弧形微凸台
33……微沟槽 34……隔墙
4……第三实施例倾斜抛物线弧形微坑沟槽表面
41……倾斜抛物线弧形微坑 42……倾斜抛物线弧形微凸台
43……微沟槽 44……隔墙
具体实施方式
见图1-12，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其倾斜弧形微坑的表面织构如下面三个实施例所述：
其基本单元结构，即倾斜弧形微坑沟槽(见图2、3、4、5、6所示)，在基底(0)上用SU-8光刻胶制作出结构，11为倾斜弧形微坑，12为倾斜弧形微凸台，13这一列倾斜弧形微坑和微凸台上的微沟槽。
各个基本单元结构(即倾斜弧形微坑沟槽)相互平行并列排布，其间行成隔墙24、34、44(见图7、8、9、10、11、12所示)；以此设计，通过二次光刻胶制工艺完成该仿猪笼草单方向液体铺展的“表面织构”的制作。
第一实施例(见图7、8所示)为倾斜圆弧形微坑沟槽表面(2)，在基底(0)上用SU-8光刻胶制作出结构，21为倾斜圆弧形微坑，22为倾斜圆弧形微凸台，23为每列倾斜圆弧形微坑和微凸台上的微沟槽,24为隔墙。
第二实施例(见图9、10所示)为倾斜椭圆弧形微坑沟槽表面(3)，通过倒模复制得到的硅橡胶结构，31为倾斜椭圆弧形微坑，32为倾斜椭圆弧形微凸台，33为每列倾斜椭圆弧形微坑和微凸台上的微沟槽，34为隔墙。
第三实施例(见图11、12所示)为倾斜抛物线弧形微坑沟槽表面(4)，在基底(0)上用SU-8光刻胶制作出结构，41为倾斜抛物线弧形微坑，42为倾斜抛物线弧形微凸台，43为每列倾斜抛物线弧形微坑和微凸台上的微沟槽，44为隔墙。
上述三个实施例的制作方法相同，统述如下：
本发明一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计的制作方法，其实施步骤如下：
步骤一，第一次光刻为斜坡曝光；在基板上旋涂一定厚度的负性光刻胶，将传统垂直照射的紫外光源以一定角度倾斜照射至覆盖掩膜版-1的光刻胶上，完成倾斜曝光，显影后即可以得到倾斜弧形微坑和微凸台阵列；
所述倾斜角度可根据实际液体定向运动各向异性的强弱从大于0°至90°调节，斜坡曝光方向需与弧形凸出方向相同；；
所述掩膜版-1上为密排弧形块阵列图形；弧形可为圆弧形、椭圆弧形、抛物线弧形、二次曲线弧形以及其余高次曲线弧形，弧形块长度为10nm至1mm，宽度为10nm至1mm，深度为10nm至1mm，间距为10nm至1mm；
步骤二，第二次光刻；将第一次光刻得到的结构表面再次旋涂一层负性光刻胶，按照传统光刻操作，将掩膜版-2对齐覆盖至第一次光刻表面，并垂直曝光；显影后，完成倾斜弧形微坑、微凸台阵列及其上堆叠的微沟槽制作；
所述掩膜版-2上为条状图形，其宽度等于弧形块宽度；
所述对齐操作为，掩膜版-2上条形图案曝光出的每条微沟槽需正好覆盖一列第一次曝光得到的倾斜弧形微坑、微凸台上，从而形成每条微沟槽底部均有一列倾斜弧形微坑、微凸台；
通过两次光刻后得到的结构对浸润性的液体已具有单方向液体铺展功能，通过橡胶或环氧树脂等不同材料两次复制脱膜，能够得到不同材料的单方向液体铺展表面；
通过氧气等离子体处理等表面改性，可以实现对不同浸润特性的液体大单方向铺展。

Claims (10)

1.一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其特征在于：其“表面织构”如下所述：
该仿猪笼草单方向液体铺展表面织构，即倾斜弧形微坑沟槽表面，其基本结构单元为倾斜弧形微坑沟槽，将多条倾斜弧形微坑沟槽即基本结构单元并列排布，中间由隔墙隔开，即形成倾斜弧形微坑沟槽表面；
所述基本单元结构，即倾斜弧形微坑沟槽，是由倾斜弧形微坑、倾斜弧形微凸台和微沟槽构成；
所述倾斜弧形微坑的弧形为圆弧形、椭圆弧形、抛物线弧形、二次曲线弧形以及其余高次曲线弧形中的一种；该微坑的倾斜角度从大于0°至90°；
所述倾斜弧形微凸台由一列中两个倾斜弧形微坑之间间隔自然形成，其弧形结构、倾斜角度和宽度与倾斜弧形微坑相同；
所述微沟槽位于每列倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台的正上方；
所述隔墙由复数条弧形微坑沟槽即基本结构单元并列排布时自然形成。
2.根据权利要求1所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其特征在于：
其表面织构所设计的倾斜弧形微坑，其微坑的长度为10nm至1mm，宽度为10nm至1mm，深度为10nm至1mm；该微坑的材质为光刻胶、硅、硅橡胶及金属中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其特征在于：
所述倾斜弧形微凸台，其长度为0至1cm；其材质为光刻胶、硅、硅橡胶及金属中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其特征在于：
所述的微沟槽，其宽度等于倾斜弧形微坑宽度，其深度为10nm至1mm。
5.根据权利要求1所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计，其特征在于：所述的隔墙，其深度与微沟槽深度相同，其宽度为10nm至1mm；其材质为光刻胶、硅、硅橡胶及金属中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计的制作方法，其特征在于：
该仿猪笼草单方向液体铺展表面织构，是通过两步光刻操作分别完成倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台，以及微沟槽和隔墙的制作，其制作方法的实施步骤如下：
步骤一，第一次光刻为斜坡曝光；在基板上旋涂一定厚度的负性光刻胶，将传统垂直照射的紫外光源以预定角度倾斜照射至覆盖掩膜版-1的光刻胶上，完成倾斜曝光，显影后即得到倾斜弧形微坑和倾斜弧形微凸台；
步骤二，第二次光刻；将第一次光刻得到的结构表面再次旋涂一层负性光刻胶，按照传统光刻操作，将掩膜版-2对齐覆盖至第一次光刻表面，并垂直曝光；显影后，完成每列倾斜弧形微坑上堆叠的微沟槽操作；
通过上述两次光刻后得到的结构对浸润性的液体已具有单方向液体铺展功能，通过橡胶及环氧树脂等不同材料两次复制脱膜，能够得到不同材料的单方向液体铺展表面；
通过氧气等离子体处理的表面改性，实现对不同浸润特性的液体大单方向铺展。
7.根据权利要求6所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计的制作方法，其特征在于：在步骤一中所述的“倾斜弧形微坑”的倾斜角度是根据实际液体定向运动各向异性的强弱从大于0°至90°调节，斜坡曝光方向需与弧形凸出方向相同。
8.根据权利要求6所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计的制作方法，其特征在于：在步骤一中所述的“掩膜版-1”，其上为密排弧形块阵列图形；该弧形为圆弧形、椭圆弧形、抛物线弧形、二次曲线弧形以及其余高次曲线弧形中的一种，该弧形块长度为10nm至1mm，宽度为10nm至1mm，深度为10nm至1mm，间距为10nm至1mm。
9.根据权利要求6所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计的制作方法，其特征在于：在步骤二中所述的“掩膜版-2”，其上为条状图形，其宽度等于弧形块宽度。
10.根据权利要求6所述的一种仿猪笼草单方向液体铺展表面织构设计的制作方法，其特征在于：在步骤二中所述的“将掩膜版-2对齐覆盖至第一次光刻表面，并垂直曝光”，其对齐的操作为，掩膜版-2上条形图案曝光出的每条微沟槽需正好覆盖一列第一次曝光的倾斜弧形微坑上，从而形成每条微沟槽底部均有一列倾斜弧形微坑。
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