CN105923599A - 一种基于气致动的干粘附复合结构及制造工艺 - Google Patents

一种基于气致动的干粘附复合结构及制造工艺 Download PDF

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Abstract

一种基于气致动的干粘附复合结构及制造工艺，复合结构顶层为蘑菇状阵列结构，底层为周期性阵列结构的气阀板，气阀板和蘑菇状阵列结构通过一层低表面能材料粘结成为一个整体，气阀板的通孔与气压机连接；制造工艺是先进行顶层的蘑菇状阵列结构的制备，再进行底层的气阀板的制造，最后进行复合结构的耦合成型，得到基于气致动的复合结构，本发明复合结构实现高强度粘附和可控脱附的有机统一。

Description

一种基于气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，具体涉及一种基于气致动的干粘附复合结构及其制造工艺。
背景技术
目前的粘附方式主要有：干粘附、湿粘附、以及传统的真空吸附、机械啮合、静电吸附或磁致吸附等粘附方式。和传统的真空吸附、机械啮合、静电吸附或磁致吸附等粘附方式相比，干粘附可以不过于依赖被粘附表面材料表面形貌，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。因此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
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于气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：
一种基于气致动的干粘附复合结构，顶层为蘑菇状阵列结构2，底层为周期性阵列结构的气阀板4，气阀板4和蘑菇状阵列结构2通过一层低表面能材料3粘结成为一个整体，气阀板4的通孔5与气压机连接。
所述的蘑菇状阵列结构2和低表面能材料3采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
所述的气阀板4采用有机玻璃材料。
一种基于气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2的制备：在基材7的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶8，利用双面曝光技术在光刻胶8上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8表面制备一层厚度为微米级别的聚二甲基硅氧烷PDMS，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，实现蘑菇状阵列结构2的制备；
所述的基材7为载玻片或Si片，所述的光刻胶8为EPG 533或AZ系列光刻胶；
第二步，底层的气阀板4的制造：气阀板4用机加工的方式制造；
第三步，复合结构的耦合成型：在第一步制备的蘑菇状阵列结构2的底面旋涂一层低表面能材料3，把气阀板4和蘑菇状阵列结构2粘结成一个整体，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，最终去除光刻胶8和基材7，得到基于气致动的复合结构。
本发明的有益效果：本发明的基于气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，利用聚合物的气致动特性，实现干粘附复合结构在气压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，实现顶层结构的准确可控制造，采用机加工的工艺手段，实现底层气阀板的制备。本发明的基于气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为未施加外部气压并且未粘附任何表面时复合结构的整体示意图。
图2-1为未施加外部气压时复合结构粘附光滑表面的示意图。
图2-2为施加外部正气压时复合结构粘附光滑表面的变形示意图。
图2-3为施加外部负气压时复合结构粘附光滑表面的变形示意图。
图2-4为未施加外部负气压时复合结构粘附粗糙表面的示意图。
图2-5为施加外部正气压时复合结构粘附粗糙表面的变形示意图。
图2-6为施加外部负气压时复合结构粘附粗糙表面的变形示意图。
图3-1为在基材7上制备一层光刻胶的结构示意图。
图3-2为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3-3为在光刻胶层制备的蘑菇状阵列的反型结构示意图。
图3-4为在光刻胶蘑菇状阵列的反型结构表面旋涂制备一层聚二甲基硅氧烷PDMS的示意图。
图4为机加工得到的气阀板示意图。
图5-1为蘑菇状薄膜和气阀板粘结层制备的示意图。
图5-2为蘑菇状薄膜和气阀板粘结为一体的示意图。
图5-3为复合结构顺序叠加的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1，一种基于气致动的干粘附复合结构，顶层为干粘附效果表现最优的蘑菇状阵列结构2，底层为周期性阵列结构的气阀板4，气阀板4和蘑菇状阵列结构2通过一层低表面能材料3粘结成为一个整体，气阀板4的通孔5与气压机连接。蘑菇状阵列结构2、低表面能材料3采用聚二甲基硅氧烷PDMS，气阀板4采用亚克力玻璃PMMA。
基于气致动的干粘附复合结构的工作原理为：
对于具有光滑表面的材质：当气压机不工作时，复合结构内部气压和外部气压相同，顶层蘑菇状阵列结构2与第一接触表面1之间有一部分没有贴合，表现为不完全接触面积下的中等强度的粘附，如图2-1所示；当气压机提供正压时，复合结构内部气压大于外部气压，顶层蘑菇状阵列结构2与第一接触表面1之间紧密的随形贴合，表现为完全接触面积下的高强度可靠粘附，如图2-2所示；当气压机提供负压时，复合结构的内部气压小于外部气压，在大气压的作用下，蘑菇状阵列结构2会发生压缩变形，从而导致蘑菇状阵列结构2对应区域与第一接触表面1分离脱附，引发小接触面积下的可控脱附，如图2-3所示；
对于粗糙表面的材质：当气压机不工作时，复合结构内部气压和外部气压相同，顶层蘑菇状阵列结构2与第二接触表面6之间有一部分贴合，表现为小接触面积下的低强度不可靠粘附，如图2-4所示；当气压机提供正压时，复合结构的内部气压大于外部气压，在压力差的作用下，蘑菇状阵列结构2会发生微观膨胀变形，从而使蘑菇状阵列结构2对应区域与第二接触表面6随行贴合，实现大接触面积下的高强度可靠粘附，如图2-5所示；当气压机提供负压时，复合结构的内部气压小于外部气压，在大气压的作用下，蘑菇状阵列结构2会发生压缩变形，从而导致蘑菇状阵列结构2对应区域与第二接触表面6分离脱附，引发小接触面积下的可控脱附，如图2-6所示；
一种基于气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2的制备：在基材7表面旋涂一层厚度h1为微米尺度的光刻胶8，如图3-1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3-2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3-3所示；利用旋涂工艺在反型结构光刻胶8表面旋涂一层聚二甲基硅氧烷PDMS，实现顶层的蘑菇状阵列结构2的制造，如图3-4所示；所述的基材7为Si片，所述的光刻胶8为EPG 533；
第二步，底层的气阀板4的制造：气阀板4用机加工的方式制造，并且可以根据不同需要加工不同尺寸规格的柱状结构的气阀板4，如图4所示；
第三步，复合结构的耦合成型：在第一步制备的蘑菇状阵列结构2的底面旋凃一层低表面能材料3，如图5-1所示；然后把气阀板4和蘑菇状阵列结构2粘结成一个整体，如图5-2所示；然后利用超声剥离工艺去除与蘑菇状阵列结构2粘附在一起的光刻胶8，如图5-3所示，最终去除光刻胶8和基材7，得到基于气致动的复合结构，如图1所示。
本发明设计的基于气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 (4)

1.一种基于气致动的干粘附复合结构，其特征在于：顶层为蘑菇状阵列结构(2)，底层为周期性阵列结构的气阀板(4)，气阀板(4)和蘑菇状阵列结构(2)通过一层低表面能材料(3)粘结成为一个整体，气阀板(4)的通孔(5)与气压机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于气致动的干粘附复合结构，其特征在于：所述的蘑菇状阵列结构(2)和低表面能材料(3)采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
3.根据权利要求1所述的一种基于气致动的干粘附复合结构，其特征在于：所述的气阀板(4)采用有机玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于气致动的干粘附复合结构的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，顶层的蘑菇状阵列结构(2)的制备：在基材(7)的表面旋涂一层厚度为微米级别的光刻胶(8)，利用双面曝光技术在光刻胶(8)上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(8)表面制备一层厚度为微米级别的聚二甲基硅氧烷PDMS，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，实现蘑菇状阵列结构(2)的制备；
所述的基材(7)为载玻片或Si片，所述的光刻胶(8)为EPG 533或AZ系列光刻胶；
第二步，底层的气阀板(4)的制造：气阀板(4)用机加工的方式制造；
第三步，复合结构的耦合成型：在第一步制备的蘑菇状阵列结构(2)的底面旋凃一层低表面能材料(3)，然后把气阀板(4)和蘑菇状阵列结构(2)粘结成一个整体，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)，最终去除光刻胶(8)和基材(7)，得到基于气致动的复合结构。
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