CN107934911A - 基于模板诱导自组装的液体微阵列制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，微孔阵列模板通过氟化低表面能处理获得疏水表面，然后将微孔阵列模板完全浸入供液槽内的液体中，通过真空处理，使微孔阵列模板孔中完全填充液体；对供液槽内液体进行温度调控，控制线位移控制系统提拉微孔阵列模板的速度，实现液体对模板孔的完全填充，在粘滞力–界面张力的平衡作用下，获得具有预定矢高、表面形貌、无内部缺陷的液体微阵列。本发明将微纳米压印与液体自组装工艺相结合，能够对任意几何特征的模板腔体进行液体的自组装，实现高效率、低成本、大面积、高占空比液体微阵列的制造。

Description

基于模板诱导自组装的液体微阵列制备方法
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于模板诱导自组装的液体微阵列制备方法。
背景技术
开发具有高效率、低成本、高分辨率特征，以达到大幅面、低成本、高产能、大面积、液体微阵列，是目前特别是可变焦光学系统的研究重点之一。特别是在轻巧便捷的成像应用中，突破上述方面的挑战，将会为可调焦微透镜阵列技术的产业应用做出重要贡献。可调焦液体微阵列早期均以微液滴的形式出现，虽然微液滴阵列制作工艺简单，但是因为平面微液滴容易发生自然融合现象，在阵列化方面存在困难，难以保证液滴的一致性、周期性。因此，现在的液体微阵列均以微孔内嵌的液滴为单元，获得一致性好、孔径微米级的周期性液体微阵列。但是，液体的表面张力普遍较大，难以注入微米级的模板孔内，使得液体的注入成为急需解决的问题。
目前液体微阵列制备方法主要有微3D喷墨打印方法和溶剂辅助填充方法。微3D喷墨打印方法作为典型的微加工技术手段，因具有制造的精确性及低成本、高效率特征，又具有较高的可控性、一致性、稳定性，而广泛的应用于液体阵列的制造。然而受限于墨水特性及喷墨结构的设置，微3D喷墨打印技术不适用于表面张力大，尺寸结构小的液体微阵列结构的制造，且在调节液滴矢高方面受限于复杂的喷墨打印定位装置，难以对微液滴面形进行精确控制。
溶剂辅助填充作为一种新型液体微阵列制造方法，将高表面张力的液体和低表面张力的液体按一定的配比混合后，表面张力大幅度降低的混合液体较易填充到微孔中。控制温度，使低表面张力的液体先从混合溶液中挥发，高表面张力的液体遗留在微孔中，获得高密度的液体微阵列。这种方法虽然降低了界面张力对微流体注入的影响，但是在表面张力的作用下，液体薄膜将自然收缩成球冠状液滴，难以获得像固体薄膜一样的均匀厚度，从而影响液体微透镜阵列的均一性，且难以完全去除添加的乙醇，无法保证微阵列材料的单一性。
综上，微3D喷墨打印方法或者溶剂辅助填充方法都将造成不均匀的填充，无法保证液体微孔阵列的均一性。这是由液体流动变形的本质所决定的，是液体微阵列制造所共同面临的一个技术瓶颈。
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新型的基于模板诱导自组装的液体微阵列制备方法，能够高效率、低成本的生产大面积、高占空比的液体微阵列。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，包括以下步骤：
1)微孔阵列模板制造：通过光刻、ICP干法刻蚀以及微纳米压印的方法在所选用的基底上获得微孔阵列模板4；
2)微孔阵列模板的表面疏水处理：将步骤1)所得的微孔阵列模板4经过C4F8氟化低表面能处理获得疏水表面；
3)液体微阵列的制造：将步骤2)所得的具有疏水表面的微孔阵列模板4完全浸入供液槽1内的液体2中，并保证微孔阵列模板4的图形区顶部与液体2的表面至少1cm的距离，微孔阵列模板4连同供液槽1一起放置真空箱中，在真空度为0.1Pa下保持10min，同时对供液槽1内液体2进行加热，通过珀耳帖元件实时控制供液槽1内液体2的温度T在20℃-100℃，使微孔阵列模板4孔中完全填充液体2；
通过线位移控制系统匀速提拉微孔阵列模板4，线位移控制系统包括步进电机5、线位移导轨6、PLC自动控制系统7，将微孔阵列模板4固定在步进电机5操控的平移台下方，使微孔阵列模板4与供液槽1内液体2液面垂直，PLC自动控制系统7控制步进电机5将微孔阵列模板4从供液槽1中提拉出，步进电机5施加的力≥10N，微孔阵列模板4最低速度不低于0.16mm/s；
当微孔阵列模板4完全从供液槽1中提拉出来之后，即得到液体微阵列3。
所述步骤1)中微孔阵列模板4的微孔直径为100μm以上，微孔深度为直径的1/5以上，占空比最大达95％。
所述步骤2)中微孔阵列模板4经过C4F8氟化低表面能处理获得疏水表面，其接触角为106°。
所述步骤3)中的液体2的光透过性大于80％，20℃表面张力大于40mN/m。
所述步骤3)中的液体2为丙三醇液体。
与现有的技术相比，本发明具有以下的有益效果：
本发明针对液体微阵列在低成本、高效率、大面积制造方面的需求，将微纳米压印与液体自组装工艺相结合，提出一种新的模板诱导自组装工艺。本发明方法在任意基底上：平面、曲面、柔性基底(金属箔、有机聚合物塑料等)、硬质基底(石英、光学玻璃等)都可制备高密度的液体微阵列。
由于液体的表面张力普遍较大，难以注入微米级的模板孔内，为了解决液体填充不均匀的问题，结合微纳米压印技术精确性和自组装“自下而上”加工技术的便利性，本发明采用模板诱导自组装方法，将微孔阵列模板结构和液体自组装填充方式相结合，构筑具有特定功能的图形结构，实现了喷墨打印和溶剂辅助填充技术所无法比拟的制造效率和均一性。
本发明降低了微孔阵列模板结构及材料因素的影响，能够在较高的生产效率下实现大深宽比液体的填充、任意不规则模板腔体的填充、变尺度模板腔体的填充及多种复合介质的定域化制造。这种成形过程是在模板物理结构的控制下，在毛细力和粘滞力平衡时，形成一个紧密而又有序的液体微阵列。这种阵列的均一性依赖于微纳米压印技术的精度，能够实现任意图案化的结构形式，具有高度的可控性。从而获得低成本、高效率、兼容性强、大面积、均匀的、高密度的液体微阵列。
本发明给传统的自组装过程增添了三个新的可控因素：温度、速度和微结构，不但使微孔阵列模板腔体中的空气完全排出，实现液体对微孔阵列模板孔的完全填充，获得无内部缺陷的液体微阵列，并且改变液体温度和填充速度，对同一个微孔阵列模板产生不同程度的自组装效果，实现液体微矢高的多样性，最重要的是，不再受限于微孔模板亲疏水表面的影响，避免了复杂的“亲水-疏水”相间的表面处理，不再受限于腔体的几何形状特征，能够对任意几何特征的模板腔体实现液体的自组装，大幅度扩大液体微阵列的应用领域。
附图说明
图1为本发明液体微阵列制造流程图。
图2为本发明的适用范围示意图：柔性、硬质、屏幕或曲面。
图3为本发明的原理示意图：粘滞力和毛细力的平衡。
具体实施方式
下面通过附图及实施例对本发明进行进一步的说明。
一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，包括以下步骤：
1)制造微孔阵列模板：通过光刻、ICP干法刻蚀以及微纳米压印的方法在所选用的基底上获得微孔阵列模板4，微孔阵列模板的微孔直径为100μm以上，微孔深度为直径的1/5以上，占空比最大达95％；
2)微孔阵列模板的表面疏水处理：将步骤1)所得的微孔阵列模板4经过C4F8氟化低表面能处理获得疏水表面，其接触角为106°；
3)液体微阵列的获得：参照图3，将步骤2)所得的具有疏水表面的微孔阵列模板4完全浸入供液槽1内的液体2中，并保证微孔阵列模板4图形区顶部与液体2的表面至少1cm的距离，所选的液体2为丙三醇液体,具有高光透性、高沸点和大介电常数的特性，光透过性大于90％，沸点大于290℃，介电常数大于42.5，非常适合做填充液体，微孔阵列模板4连同供液槽1一起放置真空箱中，在真空度为0.1Pa下保持10min，同时对供液槽1内液体2进行加热，通过珀耳帖元件控实时控制供液槽1内液体2的温度T在20℃-100℃，使微孔阵列模板4的孔中完全填充液体2；具有疏水表面的微孔阵列模板4浸没在液体2中时，由于微结构的疏水表面及液体2有较大的表面张力，液体2在微孔阵列模板4上处于Cassie状态；通过抽真空的作用，液体2完全填充在微孔阵列模板4的微孔中，使其在凹陷处具有类似“超亲水(HPL)”的效果，从而得到一个新的具有“亲水-疏水”相间(HPB-HPL)的微孔阵列模板4；
通过线位移控制系统匀速提拉微孔阵列模板4，线位移控制系统包括步进电机5、线位移导轨6、PLC自动控制系统7，将微孔阵列模板4固定在步进电机5操控的平移台下方，使微孔阵列模板4与供液槽1内液体2液面垂直，PLC自动控制系统7通过调整步进电机5的速度，进而调控微孔阵列模板4的竖直移动速度，步进电机5将微孔阵列模板4从供液槽1中提拉出，步进电机5施加的力≥10N，微孔阵列模板4最低速度不低于0.16mm/s；由于毛细作用，固体微孔阵列表面的粗糙度及液体2的粘滞力会阻碍接触线移动，等价于在接触线上增加一个滞后张力，当液体2流过微孔时，在固体壁面对液体2的剪切应力作用下，液体2只遗留在微孔阵列模板4的微孔体中；
当微孔阵列模板4完全从供液槽1中提拉出来之后，即得到液体微阵列3。
本发明方法可以在任意基底上：平面、曲面、柔性基底(金属箔、有机聚合物塑料等)、硬质基底(石英、光学玻璃等)都可制备高密度的微阵列图形，如图2所示，a1、a2、a3、a4为平面微孔模板阵列及液体微阵列示意图、共聚焦图；b1、b2为曲面模板及液体微阵列示意图。
本发明原理：
具有疏水(HPB-HPB)表面的微孔阵列模板4，浸没在液体2中时，由于疏水的微结构表面及液体较大的表面张力，液体2在微孔阵列模板4上处于Cassie状态。通过抽真空的作用，液体2完全填充在孔阵列模板4的微孔中，使其在凹陷处具有类似“超亲水(HPL)”的效果，从而得到一个新的具有“亲水-疏水”相间(HPB-HPL)的微孔阵列模板4，如图3(a)所示，V为气-固Ff、液-固Fη、气-液Pγ三相界面力的合力即表面张力。微孔阵列模板4在移动过程中，三相接触线处的平衡遭到破坏，产生接触角滞后性，使得接触角的取值呈现多样性。通过改变液体2的温度、微孔阵列模板4拉伸速度以及微结构图案，进而改变液体2的前进接触角和后退接触角，能够获得多个不同的静力学稳定的接触角，从而为制造出不同矢高的液体微阵列，如图3(b)、(c)、(d)所示。
由于微结构的存在，微孔阵列模板4的表面粗糙度增加，当液体2流过固体表面时，粗糙度将阻碍接触线移动，等价于在接触线上增加一个滞后张力，在固体壁面对液体的剪切应力作用下，液体2只遗留在微孔阵列模板4腔体中。当微孔阵列模板4完全从供液槽1中提拉出来之后，即可获得所需液体微阵列。

Claims (5)

1.一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制造微孔阵列模板：通过光刻、ICP干法刻蚀以及微纳米压印的方法在所选用的基底上获得微孔阵列模板(4)；
2)微孔阵列模板的表面疏水处理：将步骤1)所得的微孔阵列模板(4)经过C4F8氟化低表面能处理获得疏水表面；
3)液体微阵列的获得：将步骤2)所得的具有疏水表面的微孔阵列模板(4)完全浸入供液槽(1)内的液体(2)中，并保证微孔阵列模板(4)的图形区顶部与液体(2)的表面至少1cm的距离，微孔阵列模板(4)连同供液槽(1)一起放置真空箱中，在真空度为0.1Pa下保持10min，同时对供液槽(1)内液体(2)进行加热，通过珀耳帖元件实时控制供液槽(1)内液体(2)的温度T在20℃-100℃，使微孔阵列模板(4)孔中完全填充液体(2)；
通过线位移控制系统匀速提拉微孔阵列模板(4)，线位移控制系统包括步进电机(5)、线位移导轨(6)、PLC自动控制系统(7)，将微孔阵列模板(4)固定在步进电机(5)操控的平移台下方，使微孔阵列模板(4)与供液槽(1)内液体(2)液面垂直，PLC自动控制系统(7)控制步进电机(5)将微孔阵列模板(4)从供液槽(1)中提拉出，步进电机(5)施加的力≥10N，微孔阵列模板(4)最低速度不低于0.16mm/s；
当微孔阵列模板(4)完全从供液槽(1)中提拉出来之后，即得到液体微阵列(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，其特征在于：所述步骤1)中微孔阵列模板(4)的微孔直径为100μm以上，微孔深度为直径的1/5以上，占空比最大达95％。
3.根据权利要求1所述的一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，其特征在于：所述步骤2)中微孔阵列模板(4)经过C4F8氟化低表面能处理获得疏水表面，其接触角为106°。
4.根据权利要求1所述的一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的液体(2)的光透过性大于80％，20℃表面张力大于40mN/m。
5.根据权利要求1所述的一种基于模板诱导自组装的微阵列制备方法，其特征在于：所述步骤3)中的液体(2)为丙三醇液体。
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