CN107310142B - 一种基于激光制备pdms表面图案化皱纹装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，包括底座，底座顶面设有两个向上凸出且相隔一定距离的支撑块，底座上方设有丝杆以及运动台，丝杆驱动运动台配合水平滑移，运动台侧面通过连杆与夹具相连，夹具夹紧上下紧贴的PDMS板以及金属板的同一端，PDMS板放置于金属板顶面，PDMS板的另一端被压板紧固于支撑块顶端；PDMS板上方设有扫描振镜，扫描振镜与电脑服务器电连接，电脑服务器还与激光器电连接，激光器发射激光束进入扫描振镜的输入端，扫描振镜将聚焦后的激光束向下照射于PDMS板表面。本发明还提出一种使用基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的方法。相对于现有技术，本发明具有工艺简单、图案化快速、简便、可操作性好以及科学环保等优点。

Description

一种基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置和方法

技术领域

本发明涉及激光微纳制造技术领域，特别涉及一种基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置和方法。

背景技术

PDMS称为聚二甲基硅氧烷，其具有良好的易加工性、生物兼容性、透光性、热稳定性、无毒以及富有弹性等特征，不但可以用于加工常规的微流控芯片，也可作为空间细胞的培养芯片的结构材料。但是光滑且未经处理的PDMS表面在应用中存在比较大的局限性，例如具有细胞无法直接在其表面黏附生产、存活率差以及生长方向随机性等缺点。

表面皱纹技术由于具有形貌和尺度易于调控、构筑方法简易多样等优点，已经被应用于微流控、超疏水表面、薄膜材料力学测量、细胞定向生长等技术领域中，因此通过在PDMS表面制备相应的皱纹结构，可进一步扩宽PDMS的应用范围。

目前，大部分学者认为表面起皱是应力进行释放的结果，压缩应力的产生源自于软硬复合体系在受到外界的刺激后，基底层与表面薄层物理性不相匹配。根据软硬符合体系所受到的外界刺激种类不同，诱导皱纹的方式可分为：机械拉伸法、溶剂溶胀诱导以及其他诱导方式。

其中，机械拉伸法是通过对软硬复合膜施加拉伸/压缩，由于软硬层弹性模量的不同，界面间生产压缩应力，并最终形成皱纹。在实验中，一般采用对PDMS基底薄膜预拉伸方式诱导表面起皱。首先将PDMS薄膜进行预拉伸，然后通过薄膜转移或氧等离子/紫外臭氧处理等方式在基底表面形成硬层，膜表面的硬层，膜表面的硬层则处于自然状态，而基层处于预拉伸的状态，最后当基底的预拉伸应变缓慢释放时，表面处于自然状态的薄膜受到基底的压缩应力作用，并且由于软硬层弹性模量不相匹配，最终薄膜表面形成条纹状皱纹形貌，其中条纹方向与拉伸方向相互垂直。

加热诱导法是利用加热的方式诱导软硬复合膜表面发生起皱的方法，在加热后进行冷却的过程中，由于基底和表面薄层的热膨胀系数不同，软硬层界面间产生压缩应力，从而在薄膜表面形成皱纹形貌。

而溶剂溶胀诱导法与加热诱导类似，溶剂溶胀诱导是指将软硬复合薄膜浸入有机溶剂或者有机溶剂蒸汽中诱导表面起皱的方法，其界面间受到的压缩应力源于软硬层对溶剂的溶胀系数不同。

现有技术中，机械拉伸法主要通过对拉伸后的PDMS表面发生变化，使表面形成硬层，最后PDMS收缩回原来的状态从而产生表面皱纹；加热诱导法同样是通过蒸镀或旋涂等方式在PDMS表面形成金属硬层，再进行一定的温度加热。因为PDMS本身具备较软的弹性，金属硬层/PDMS软层由于热膨胀系数不同导致表面形成的皱纹是无序的，需要在PDMS模板上预先制备好一定的规则图案，最后皱纹的产生才会受到图案约束而发生取向性变化。而溶剂溶胀诱导同样是通过一系列的化学交联反应在PDMS表面形成硬质层，再浸泡在有机溶剂或有机蒸汽中，利用复合硬/软层受到溶剂溶胀程度不同从而诱导起皱。

无论是机械拉伸法、加热诱导法还是溶剂溶胀诱导法，都要首先在PDMS表面制备出硬层，而制备硬层的方法都是以化学反应或者蒸镀为主，并且由于所制备的皱纹为微纳米尺度，因此具有明显的工艺复杂、可控性差、局限于大面积制备等缺点，而需要进行小面积图案化制备皱纹结构时，需要加上掩膜板，因此对于掩膜板的图案精度作出一定的精度要求。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种工艺简单、图案化快速、简便、可操作性好以及科学环保的基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，本发明还提出一种使用基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的方法，旨在简化PDMS板表面加工的工艺步骤、提高生产效率和加工精度以及避免环境污染等技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，包括底座，所述底座顶面设有两个向上凸出且相隔一定距离的支撑块，所述底座上方设有水平设置且穿过两个所述支撑块的丝杆以及运动台，所述丝杆驱动所述运动台配合水平滑移，所述运动台的侧面通过连杆与夹具相连，所述夹具夹紧上下紧贴的PDMS板以及金属板的同一端，所述PDMS放置于所述金属板顶面，所述PDMS板的另一端被压板紧固于支撑块顶端；所述PDMS板上方设有扫描振镜，所述扫描振镜与电脑服务器电连接，所述电脑服务器还与激光器电连接，所述激光器发射激光束进入所述扫描振镜的输入端，所述扫描振镜将聚焦后的激光束向下照射，透过所述PDMS板并照射于所述金属板顶面。

优选地，所述运动台顶面与拉力测量仪底面固定相连，所述拉力测量仪的拉力测试端与所述连杆一端相连。

优选地，所述激光器向所述扫描振镜进行激光传输的路径中设有两个反光面相对且平行的反光镜，所述反光镜的反光面对激光束反射。

优选地，所述压板通过螺栓将所述PDMS板一端夹紧固定于所述支撑块顶端。

优选地，所述夹具为U型夹，所述夹具通过螺栓调整上夹板和下夹板对所述PDMS板以及所述金属板的夹紧作用力。

优选地，相邻两个支撑块的相对侧面分别与滑杆相连，所述运动台穿过所述滑杆以水平滑动。

本发明还提出一种使用所述基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的方法，包括以下步骤：

1)将所述PDMS板以及所述金属板的同一端通过所述夹具夹紧固定，将所述PDMS块的另一端夹紧固定于所述支撑块顶端，旋转所述丝杆以将所述运动台移动并将所述PDMS块拉紧；

2)所述电脑服务器控制所述激光器向所述扫描振镜的光束输入端发出激光束，所述扫描振镜的激光束输出端向所述PDMS板发出聚焦后的激光束，激光束透过所述PDMS板后照射于所述金属板顶面；

3)待所述PDMS板与所述金属板贴紧的表面温度冷却后，调整所述丝杆以松开所述夹具对所述PDMS板的拉紧以及夹紧，使得所述PDMS板收缩获得表面皱纹结构。

本发明技术方案通过激光诱导金属产生高温传递至PDMS板表面，使PDMS板表面的物理特性(如弹性模量、泊松比)等发生改变，从而在PDMS板内部形成软/硬的复合层，同时通过电脑服务器绘制相应图案路径控制扫描振镜的光路运动，从而可快速、简便地实现制备图案化分布的皱纹结构。

与现有技术相比，本发明技术方案通过PDMS板预拉伸后，利用激光作用于金属板产生局部高温直接传递至PDMS板表面，待冷却后释放拉力而使得PDMS板恢复至自然状态后，便可形成皱纹结构，通过控制预拉力大小、激光光斑大小以及激光能量便可实现皱纹结构尺寸的变化，因此本发明技术方案具有工艺简单优点。同时，本发明技术方案中的激光经过滤波和聚焦后的光斑很小，可达到微米甚至纳米尺寸精度。通过电脑服务器绘制图案路径控制扫描振镜的光路运动，便可实现图案化分布制备皱纹结构，因此具有图案化快速、简便以及操作性好的优点。另外，本发明技术方案相对于传统工艺技术，可直接在空气中进行加工，不会产生有害气体或者有害废料，从而符合科学环保以及可持续发展的趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中PDMS板的加工效果图；

图3为图2中A处的局部放大图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	底座	8	PDMS板
101	支撑块	9	金属板
				2	丝杆	10	扫描振镜
3	滑杆	11	反光镜
				4	运动台	12	激光器
5	拉力测量仪	13	电脑服务器
				6	连杆	14	压板
7	夹具

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置。

请参见图1，在本发明实施例的基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，包括底座1，底座1顶面设有两个向上凸出且相隔一定距离的支撑块101，底座1上方设有水平设置且穿过两个支撑块101的丝杆2以及运动台4，丝杆2与运动台4相互配合传动，丝杆2通过旋转从而驱动运动台4进行水平滑移。本实施例中，运动台4顶面与拉力测量仪5底面固定相连，而拉力测量仪5的拉力测试端与连杆6一端相连，连杆6另一端与夹具7相连，夹具7朝向PDMS板8以及金属板9的一侧上下各设有夹板，上夹板和下夹板通过上下方向的紧固可同时对垂直方向相互贴合在一起的PDMS板8以及金属板9进行夹紧，而PDMS板8的另一端则被压板14压紧固定于其中的一个支撑块101顶端。本实施例中，PDMS板8正上方设有扫描振镜10，其中扫描振镜10与电脑服务器13电连接，电脑服务器13还与激光器12电连接，激光器12发射激光束进入扫描振镜10的输入端，而扫描振镜10将聚焦后的激光束向下照射，透过PDMS板8并照射于金属板9顶面。

本实施例中，激光器12向扫描振镜10进行激光传输的路径中设有两个反光面相对且平行的反光镜11，反光镜11的反光面对激光束进行反射。

本实施例中，压板14通过螺栓将PDMS板8一端夹紧固定于支撑板101顶端。

本实施例中，夹具7为U型夹，夹具7通过螺栓调整上夹板和下夹板的夹紧程度并对PDMS板8以及金属板9的同一端进行夹紧。

本实施例中，相邻的两个支撑块101的相对侧面分别与滑杆3相连，运动台穿过滑杆3可水平滑动。

本发明实施例还提出一种使用基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的方法，包括以下步骤：

1)将PDMS板8以及金属板9的同一端通过夹具7夹紧固定，将PDMS块8的另一端夹紧固定于支撑块101顶端，旋转丝杆2以将运动台4移动并将PDMS块8拉紧；

2)电脑服务器13控制激光器12向扫描振镜10的光束输入端发出激光束，扫描振镜10的激光束输出端向PDMS板发出聚焦后的激光束，激光束透过PDMS板8后照射于金属板9顶面；

3)待PDMS板8与金属板9贴紧的表面温度冷却后，调整丝杆2以松开夹具7对PDMS板8的拉紧以及夹紧，使得PDMS板8收缩获得表面皱纹结构。

请参见图1至图3，以下对本发明实施例基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的工作原理进行描述：

操作人员将PDMS板8放置于金属板9顶面，通过夹具7将垂直方向上相互贴合的PDMS板8以及金属板9同一端夹紧，而PDMS板8另一端通过压板14夹紧固定于一个支撑块101顶端。当PDMS板8两端分别被固定后，通过旋转丝杆2使得运动台4向远离PDMS板8的方向移动，因为PDMS板8具有一定的弹性，因此PDMS板8可以被运动台4拉伸并发生一定弹性变形，而设置于PDMS板8下方的金属板9只是被固定其中的一端，而另一端没有被固定，因此金属板9没有受到拉伸作用力。

电脑服务器13控制激光器12向外发出激光，通过反光面相对的两个反光镜11进行反射后从扫描振镜10的输入端进入扫描振镜10内，激光束12经过扫描振镜10滤波以及聚焦后，向PDMS板8集中照射激光束。因为PDMS板8为透明的材质，因此激光束可通过PDMS板8后照射于金属板9顶面。而激光束对金属板9照射后，金属板9表面会吸收热量并且向PDMS板8与金属板9贴合的底面传递热量，PDMS板8底面接受热量后，PDMS板8表面会在物理性能上发生改变，同时PDMS板8在受到的拉伸应力的基础上，PDMS板8表面受到热量后进行释放。激光束停止照射后，待PDMS板8底面冷却后，通过控制丝杆2旋转将拉伸后的PDMS板8放松拉伸状态并恢复至自然状态，而此时的PDMS板8受到高温作用并冷却后的区域由于与PDMS板8上部基底之间的弹性模量不相匹配，PDMS板8底面受到上部的压缩应力作用而形成具有一定波长周期和宽度的皱纹结构，如图2和图3所示。

其中，扫描振镜10向PDMS板8发射激光束时，操作人员通过读取拉力测量仪5表面的压力值以获知运动台4对PDMS板8施以的拉力值大小，方便通过丝杆2调整拉力大小。同时，通过调整扫描振镜10的工作参数以使PDMS板8底面产生不同图案类型的皱纹结构，另外，可以通过控制激光器12脉冲能量、光斑大小以及拉力等工艺参数以对将激光波长周期以及皱纹宽度进行有效控制。

本发明实施例中，通过激光诱导金属产生高温传递至PDMS板8表面，使PDMS板8表面的物理特性(如弹性模量、泊松比)等发生改变，从而在PDMS板8内部形成软/硬的复合层，同时通过电脑服务器13绘制相应图案路径控制扫描振镜10的光路运动，从而可快速、简便地实现制备图案化分布的皱纹结构。

现有技术中主要通过等离子处理、化学键交联等化学方式或通过蒸镀、旋涂、膜转移等物理方式提前在PDMS板8表面形成软/硬复合层，再进行热诱导法、机械拉伸法、溶剂溶胀法等手段使其PDMS板8表面形成皱纹结构，因此现有技术的工艺较为复杂、效率低，并且只能局限应用于大面积皱纹结构制备，若需要实现小面积甚至微米甚至纳米尺寸级别的皱纹结构图案化分布，则需要增加相应尺寸精度的掩膜板。而本发明技术方案直接利用激光聚焦在金属板9表面产生高温，高温传递到金属板9然后向与金属板9贴合且受到预拉伸的PDMS板8表面，使得PDMS板8受到高温作用区域中的弹性模量发生改变，待PDMS板8冷却后，撤销拉力使得PDMS板8收缩至自然状态从而形成皱纹结构。由于激光经过滤波以及聚焦后的光斑尺寸很小，并且通过电脑服务器13进行控制扫描振镜10的光路路径，便可实现小面积和图案化分布的皱纹结构。

因此与现有技术相比，本发明技术方案通过对PDMS板8预拉伸后，利用激光作用于金属板9产生局部高温直接传递至PDMS板8表面，待冷却后释放拉力而使得PDMS板8恢复至自然状态后，便可形成皱纹结构，通过控制预拉力大小、激光光斑大小以及激光能量便可实现皱纹结构尺寸的变化，因此本发明技术方案具有工艺简单优点。同时，本发明技术方案中的激光经过滤波和聚焦后的光斑很小，可达到微米甚至纳米尺寸精度。通过电脑服务器13绘制图案路径控制扫描振镜10的光路运动，便可实现图案化分布制备皱纹结构，因此具有图案化快速、简便以及操作性好的优点。另外，本发明技术方案相对于传统工艺技术，可直接在空气中进行加工，不会产生有害气体或者有害废料，从而符合科学环保以及可持续发展的趋势。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，其特征在于，包括底座，所述底座顶面设有两个向上凸出且相隔一定距离的支撑块，所述底座上方设有水平设置且穿过两个所述支撑块的丝杆以及运动台，所述丝杆驱动所述运动台配合水平滑移，所述运动台的侧面通过连杆与夹具相连，所述夹具夹紧上下紧贴的PDMS板以及金属板的同一端，所述PDMS放置于所述金属板顶面，所述PDMS板的另一端被压板紧固于支撑块顶端；所述PDMS板上方设有扫描振镜，所述扫描振镜与电脑服务器电连接，所述电脑服务器还与激光器电连接，所述激光器发射激光束进入所述扫描振镜的输入端，所述扫描振镜将聚焦后的激光束向下照射，透过所述PDMS板并照射于所述金属板顶面；

所述运动台顶面与拉力测量仪底面固定相连，所述拉力测量仪的拉力测试端与所述连杆一端相连；

所述激光器向所述扫描振镜进行激光传输的路径中设有两个反光面相对且平行的反光镜，所述反光镜的反光面对激光束反射。

2.如权利要求1所述的基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，其特征在于，所述压板通过螺栓将所述PDMS板一端夹紧固定于所述支撑块顶端。

3.如权利要求1所述的基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，其特征在于，所述夹具为U型夹，所述夹具通过螺栓调整上夹板和下夹板对所述PDMS板以及所述金属板的夹紧作用力。

4.如权利要求1所述的基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置，其特征在于，相邻两个支撑块的相对侧面分别与滑杆相连，所述运动台穿过所述滑杆以水平滑动。

5.一种使用如权利要求1至4任一所述基于激光制备PDMS表面图案化皱纹装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述PDMS板以及所述金属板的同一端通过所述夹具夹紧固定，将所述PDMS板的另一端夹紧固定于所述支撑块顶端，旋转所述丝杆以将所述运动台移动并将所述PDMS板拉紧；

2)所述电脑服务器控制所述激光器向所述扫描振镜的光束输入端发出激光束，所述扫描振镜的激光束输出端向所述PDMS板发出聚焦后的激光束，激光束透过所述PDMS板后照射于所述金属板顶面；

3)待所述PDMS板与所述金属板贴紧的表面温度冷却后，调整所述丝杆以松开所述夹具对所述PDMS板的拉紧以及夹紧，使得所述PDMS板收缩获得表面皱纹结构。

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