一種基于氣致動的干粘附復合結構及制造工藝的制作方法
【專利摘要】一種基于氣致動的干粘附復合結構及制造工藝，復合結構頂層為蘑菇狀陣列結構，底層為周期性陣列結構的氣閥板，氣閥板和蘑菇狀陣列結構通過一層低表面能材料粘結成為一個整體，氣閥板的通孔與氣壓機連接；制造工藝是先進行頂層的蘑菇狀陣列結構的制備，再進行底層的氣閥板的制造，最后進行復合結構的耦合成型，得到基于氣致動的復合結構，本發(fā)明復合結構實現高強度粘附和可控脫附的有機統(tǒng)一。
【專利說明】
一種基于氣致動的干粘附復合結構及制造工藝
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于微納工程中的干粘附復合結構技術領域，具體涉及一種基于氣致動的干粘附復合結構及其制造工藝。
【背景技術】
[0002]目前的粘附方式主要有:干粘附、濕粘附、以及傳統(tǒng)的真空吸附、機械嚙合、靜電吸附或磁致吸附等粘附方式。和傳統(tǒng)的真空吸附、機械嚙合、靜電吸附或磁致吸附等粘附方式相比，干粘附可以不過于依賴被粘附表面材料表面形貌，具有粘附力大、穩(wěn)定性好、對材質和形貌適應性強、不會對接觸物體表面造成損傷和污染等特點，其在結構簡單性、控制靈活性、對工作環(huán)境及粗糙表面適應性等方面具有獨特的優(yōu)勢。因此干粘附功能表面替代傳統(tǒng)粘附方式已成為仿生爬壁機器人、太空環(huán)境/超潔凈環(huán)境無損精確輸運、生物醫(yī)療診斷等方面發(fā)展的重要方向和趨勢。
[0003]在干粘附結構表面的應用過程中，如何實現高強度粘附與可控脫附是干粘附研究領域的重要方面。德國馬普研究院del Campo等人研究發(fā)現蘑菇狀結構能夠實現高強度粘附特性，然而蘑菇狀陣列結構由于形貌的對稱性，表現出各向等同的粘附強度，無法實現有效可控的脫附；美國卡內基梅隆大學Mentin Sitti教授、美國加州大學圣巴巴拉分校JacobN.1sraelachviIi教授、韓國首爾大學Suh教授等人研究的基于傾斜微結構陣列和三角形微柱陣列等各向異性的微結構功能表面，能夠實現干粘附表面的可控脫附，然而前提是以犧牲粘附強度為代價的。因此，如何實現干粘附功能表面高強度粘附和可控脫附的有機統(tǒng)一是目前干粘附結構設計和工藝制造方向面臨的困難和挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氣致動的干粘附復合結構及制造工藝，實現高強度粘附和可控脫附的有機統(tǒng)一。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:
[0006]一種基于氣致動的干粘附復合結構，頂層為蘑菇狀陣列結構2，底層為周期性陣列結構的氣閥板4，氣閥板4和蘑菇狀陣列結構2通過一層低表面能材料3粘結成為一個整體，氣閥板4的通孔5與氣壓機連接。
[0007]所述的蘑菇狀陣列結構2和低表面能材料3采用聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0008]所述的氣閥板4采用有機玻璃材料。
[0009]—種基于氣致動的干粘附復合結構的制造工藝，包括以下步驟:
[0010]第一步，頂層的蘑菇狀陣列結構2的制備:在基材7的表面旋涂一層厚度為微米級別的光刻膠8，利用雙面曝光技術在光刻膠8上實現蘑菇狀陣列的反型結構，進而采用旋涂工藝在反型結構的光刻膠8表面制備一層厚度為微米級別的聚二甲基硅氧烷TOMS，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結構粘附在一起的光刻膠，實現蘑菇狀陣列結構2的制備；
[0011]所述的基材7為載玻片或Si片，所述的光刻膠8為EPG533或AZ系列光刻膠；
[0012]第二步，底層的氣閥板4的制造:氣閥板4用機加工的方式制造；
[0013]第三步，復合結構的耦合成型:在第一步制備的蘑菇狀陣列結構2的底面旋涂一層低表面能材料3，把氣閥板4和蘑菇狀陣列結構2粘結成一個整體，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結構粘附在一起的光刻膠8，最終去除光刻膠8和基材7，得到基于氣致動的復合結構。
[0014]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的基于氣致動的干粘附復合結構，能夠在保持蘑菇狀陣列結構高粘附強度的前提下，利用聚合物的氣致動特性，實現干粘附復合結構在氣壓調控下的可控脫附與粘附；其制造工藝，采用基于光刻、壓印和旋涂的工藝手段，實現頂層結構的準確可控制造，采用機加工的工藝手段，實現底層氣閥板的制備。本發(fā)明的基于氣致動的復合結構可廣泛用于帶式輸送機、機械手、微吸盤等干粘附領域。
【附圖說明】
[0015]圖1為未施加外部氣壓并且未粘附任何表面時復合結構的整體示意圖。
[0016]圖2-1為未施加外部氣壓時復合結構粘附光滑表面的不意圖。
[0017]圖2-2為施加外部正氣壓時復合結構粘附光滑表面的變形示意圖。
[0018]圖2-3為施加外部負氣壓時復合結構粘附光滑表面的變形示意圖。
[0019]圖2-4為未施加外部負氣壓時復合結構粘附粗糙表面的示意圖。
[0020]圖2-5為施加外部正氣壓時復合結構粘附粗糙表面的變形示意圖。
[0021]圖2-6為施加外部負氣壓時復合結構粘附粗糙表面的變形示意圖。
[0022]圖3-1為在基材7上制備一層光刻膠的結構示意圖。
[0023]圖3-2為利用雙面曝光技術在光刻膠層制備蘑菇狀陣列反型結構的工藝示意圖。
[0024]圖3-3為在光刻膠層制備的蘑菇狀陣列的反型結構示意圖。
[0025]圖3-4為在光刻膠蘑菇狀陣列的反型結構表面旋涂制備一層聚二甲基硅氧烷PDMS的示意圖。
[0026]圖4為機加工得到的氣閥板示意圖。
[0027]圖5-1為蘑菇狀薄膜和氣閥板粘結層制備的示意圖。
[0028]圖5-2為蘑菇狀薄膜和氣閥板粘結為一體的示意圖。
[0029]圖5-3為復合結構順序疊加的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0031]參照圖1，一種基于氣致動的干粘附復合結構，頂層為干粘附效果表現最優(yōu)的蘑菇狀陣列結構2，底層為周期性陣列結構的氣閥板4，氣閥板4和蘑菇狀陣列結構2通過一層低表面能材料3粘結成為一個整體，氣閥板4的通孔5與氣壓機連接。蘑菇狀陣列結構2、低表面能材料3采用聚二甲基硅氧烷PDMS，氣閥板4采用亞克力玻璃PMMA。
[0032]基于氣致動的干粘附復合結構的工作原理為:
[0033]對于具有光滑表面的材質:當氣壓機不工作時，復合結構內部氣壓和外部氣壓相同，頂層蘑菇狀陣列結構2與第一接觸表面I之間有一部分沒有貼合，表現為不完全接觸面積下的中等強度的粘附，如圖2-1所示；當氣壓機提供正壓時，復合結構內部氣壓大于外部氣壓，頂層蘑菇狀陣列結構2與第一接觸表面I之間緊密的隨形貼合，表現為完全接觸面積下的高強度可靠粘附，如圖2-2所示；當氣壓機提供負壓時，復合結構的內部氣壓小于外部氣壓，在大氣壓的作用下，蘑菇狀陣列結構2會發(fā)生壓縮變形，從而導致蘑菇狀陣列結構2對應區(qū)域與第一接觸表面I分離脫附，引發(fā)小接觸面積下的可控脫附，如圖2-3所示；
[0034]對于粗糙表面的材質:當氣壓機不工作時，復合結構內部氣壓和外部氣壓相同，頂層蘑菇狀陣列結構2與第二接觸表面6之間有一部分貼合，表現為小接觸面積下的低強度不可靠粘附，如圖2-4所示；當氣壓機提供正壓時，復合結構的內部氣壓大于外部氣壓，在壓力差的作用下，蘑菇狀陣列結構2會發(fā)生微觀膨脹變形，從而使蘑菇狀陣列結構2對應區(qū)域與第二接觸表面6隨行貼合，實現大接觸面積下的高強度可靠粘附，如圖2-5所示；當氣壓機提供負壓時，復合結構的內部氣壓小于外部氣壓，在大氣壓的作用下，蘑菇狀陣列結構2會發(fā)生壓縮變形，從而導致蘑菇狀陣列結構2對應區(qū)域與第二接觸表面6分離脫附，引發(fā)小接觸面積下的可控脫附，如圖2-6所示；
[0035]—種基于氣致動的干粘附復合結構的制造工藝，包括以下步驟:
[0036]第一步，頂層的蘑菇狀陣列結構2的制備:在基材7表面旋涂一層厚度In為微米尺度的光刻膠8，如圖3-1所示;利用雙面曝光技術，頂部UV光10-1透過掩膜版9實現光刻膠8的頂部光刻，得到蘑菇桿SD1為微米級別，間距D2為微米級別，桿徑高度h2為微米的光刻區(qū)域，底部UV光10-2直接照射基材7，實現光刻膠8的底部光刻，得到厚度h3為微米級別的薄膜層的光刻區(qū)域，如圖3-2所示;利用顯影技術，去除曝光部分的光刻膠8，在光刻膠8實現蘑菇狀陣列的反型結構，如圖3-3所示;利用旋涂工藝在反型結構光刻膠8表面旋涂一層聚二甲基硅氧烷PDMS，實現頂層的蘑菇狀陣列結構2的制造，如圖3-4所示;所述的基材7為Si片，所述的光刻膠8為EPG 533;
[0037]第二步，底層的氣閥板4的制造:氣閥板4用機加工的方式制造，并且可以根據不同需要加工不同尺寸規(guī)格的柱狀結構的氣閥板4，如圖4所示；
[0038]第三步，復合結構的耦合成型:在第一步制備的蘑菇狀陣列結構2的底面旋凃一層低表面能材料3，如圖5-1所示;然后把氣閥板4和蘑菇狀陣列結構2粘結成一個整體，如圖5-2所示;然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀陣列結構2粘附在一起的光刻膠8，如圖5-3所示，最終去除光刻膠8和基材7，得到基于氣致動的復合結構，如圖1所示。
[0039]本發(fā)明設計的基于氣致動的干粘附復合結構克服了傳統(tǒng)干粘附系統(tǒng)高強度粘附和可控脫附之間有機結合的難題，利用光刻、旋涂、壓印等工藝實現了設計結構的準確可控制造，能夠適用于干粘附領域的廣泛需求。
【主權項】
1.一種基于氣致動的干粘附復合結構，其特征在于:頂層為蘑菇狀陣列結構(2)，底層為周期性陣列結構的氣閥板(4)，氣閥板(4)和蘑菇狀陣列結構(2)通過一層低表面能材料(3)粘結成為一個整體，氣閥板(4)的通孔(5)與氣壓機連接。2.根據權利要求1所述的一種基于氣致動的干粘附復合結構，其特征在于:所述的蘑菇狀陣列結構(2)和低表面能材料(3)采用聚二甲基硅氧烷PDMS。3.根據權利要求1所述的一種基于氣致動的干粘附復合結構，其特征在于:所述的氣閥板(4)采用有機玻璃材料。4.根據權利要求1所述的一種基于氣致動的干粘附復合結構的制造工藝，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，頂層的蘑菇狀陣列結構(2)的制備:在基材(7)的表面旋涂一層厚度為微米級別的光刻膠(8)，利用雙面曝光技術在光刻膠(8)上實現蘑菇狀陣列的反型結構，進而采用旋涂工藝在反型結構的光刻膠(8)表面制備一層厚度為微米級別的聚二甲基硅氧烷PDMS，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結構粘附在一起的光刻膠，實現蘑菇狀陣列結構(2)的制備； 所述的基材(7)為載玻片或Si片，所述的光刻膠(8)為EPG 533或AZ系列光刻膠； 第二步，底層的氣閥板(4)的制造:氣閥板(4)用機加工的方式制造； 第三步，復合結構的耦合成型:在第一步制備的蘑菇狀陣列結構(2)的底面旋凃一層低表面能材料(3)，然后把氣閥板(4)和蘑菇狀陣列結構(2)粘結成一個整體，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結構粘附在一起的光刻膠(8)，最終去除光刻膠(8)和基材(7)，得到基于氣致動的復合結構。
【文檔編號】B82Y40/00GK105923599SQ201610398319
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】田洪淼, 邵金友, 李祥明, 王炎, 胡鴻, 王春慧, 陳首任
【申請人】西安交通大學