一种多层微结构仿生干黏附结构、模具及其制备方法与流程

本发明涉及仿生干黏附和微纳制造，特别是涉及一种多层微结构仿生干黏附结构、模具及其制备方法。

背景技术：

1、自然界有许多拥有非凡黏附能力的生物，例如壁虎、苍蝇、蜘蛛、蚂蚁、甲虫等动物及昆虫，它们可以在垂直物体及各种粗糙表面自由地爬行和停留，甚至可以倒挂着在天花板上来去自如。壁虎是自然界具有优异黏附能力的生物中体重最大的生物，研究价值更大，这也是为什么人们多以壁虎作为仿生黏附结构的设计模板。研究发现，壁虎的这种超凡黏附能力得益于其脚趾底部特殊的复杂表面超结构系统，这种复杂结构系统由数百万根尺寸跨度从毫米到纳米、分层排列的纤维状刚毛组织构成。当壁虎脚趾与物体表面接触时，脚趾上的刚毛组织与物体表面之间会形成一种分子间作用力，即范德华力。范德华力是指中性分子彼此距离非常靠近时产生的一种微弱电磁引力，大量范德华力的累积足以支撑壁虎整个身体的重量。壁虎的这种分层多级系统结构最小单元达到纳米量级，无论多粗糙的表面，这些纳米结构都能达到近乎零距离的“完美接触”，进而获得大量范德华力的积累并形成超强黏附力。这种依靠分子之间的范德华力黏附于物体表面的能力称之为“干黏附”。

2、受壁虎等此类生物纤维状刚毛黏附结构的启发，国内外研究团队对各种形状的微纳结构仿生干黏附及制备工艺进行了大量的研究工作。仿生干黏附逐渐成为一种受到日益关注的重要研究，在航空航天、生物医疗、微电子器件、仿生机器人等领域展现出广阔的应用前景。

3、其中，具有蘑菇状尖端形貌的圆柱阵列微结构是一种更加有效的仿生干黏附结构。究其原因，相比其他形状尖端，蘑菇状尖端微柱结构可以在减小圆柱直径的同时，有效增大单位区域内的接触面积，具有明显增强接触面范德华作用力的功能，从而能够产生更大的黏附力。

4、但现有的仿生干黏附微结构易失效、稳定性不高、且难以实现大面积加工，不利于大规模生产。因此，目前依然没有得到广泛应用。

5、前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种黏附性能佳、结构稳定的多层微结构仿生干黏附结构、模具及其制备方法。

2、本发明提供一种多层微结构仿生干黏附结构，包括多个多层微结构单元，每一所述多层微结构单元包括底层的微米级柱体结构、中间层的微米级蘑菇头结构，以及顶层的纳米阵列结构。

3、进一步地，所述纳米阵列结构为纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。

4、进一步地，所述蘑菇头结构顶面呈六边形，各所述多层微结构单元呈蜂窝状紧密排布。

5、进一步地，所述蘑菇头结构口径尺寸范围为10um-250um，厚度尺寸范围为2um-20um；所述柱体结构周期的大小范围为20um-500um，直径尺寸范围为5um-150um，高度尺寸范围为10um-250um；所述纳米柱阵列结构周期的大小范围为100nm-1000nm，直径尺寸范围为10nm-500nm，高度的尺寸范围为50nm-2.5um；所述纳米孔阵列结构的周期的大小范围为100nm-1000nm，直径尺寸范围为10nm-500nm，深度的尺寸范围为50nm-2.5um。

6、本发明还提供一种如上所述的多层微结构仿生干黏附结构的制备方法，包括：在基板上形成蘑菇状柱体阵列微结构的光刻胶结构；在所述光刻胶结构表面进行纳米级的激光干涉光刻，在所述蘑菇状柱体阵列微结构表面加工出纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。

7、进一步地，所述在基板上形成蘑菇状柱体阵列微结构的光刻胶结构包括：提供基板；在所述基板表面涂布光刻胶；软烘所述光刻胶，涂布完成后快速将让带所述光刻胶的所述基板放置于预定温度的烘箱内部进行快速烘烤，在所述光刻胶表面形成一层曝光钝化层，同时所述光刻胶中间层和底层处于正常曝光所需的半固态，从而使所述光刻胶由上而下、由表及里是溶剂含量逐层减少，硬度逐层降低；图形化曝光与显影，利用所述曝光钝化层的光化学反应程度低于中间层和底层光刻胶，去掉部分所述光刻胶，保留的所述光刻胶形成所述蘑菇状柱体阵列微结构。

8、进一步地，提供基板；在所述基板表面涂布光刻胶；软烘所述光刻胶；图形化曝光所述光刻胶，包括：使所述光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层，所述碱性分子能与由曝光所产生的酸性分子发生中和反应而消耗一部分酸性分子，以及对形成了显影钝化层的所述光刻胶进行图形化曝光；显影图形化曝光后的所述光刻胶，利用所述显影钝化层的显影速率低于中间层和底层光刻胶，去掉部分所述光刻胶，保留的所述光刻胶形成所述蘑菇状柱体阵列微结构。

9、进一步地，所述使所述光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层包括在所述光刻胶表面涂覆一层弱碱性溶液。

10、进一步地，所述在所述光刻胶结构表面进行纳米级的激光干涉光刻，在所述蘑菇状柱体阵列微结构表面加工出纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构中，所述激光干涉光刻包括利用至少两束激光照射在光刻胶结构表面进行干涉曝光与对曝光后的光刻胶结构进行显影，在光刻过程中，通过对激光功率、干涉曝光时间和显影工艺参数进行精确控制，制备出所需结构尺寸的纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。

11、本发明还提供一种模具，具有与如上所述的多层微结构单元互补的凹槽结构。

12、本发明还提供一种如上所述的模具的制备方法，其特征在于，包括：对如上所述的多层微结构仿生干黏附结构的结构表面进行表面金属化；采用微电铸工艺，形成与所述多层微结构单元互补的金属模具结构；脱模，形成具有所述凹槽结构的金属模具。

13、本发明提供的多层微结构仿生干黏附结构、模具及其制备方法，通过设置顶层的纳米阵列结构，使得微结构与物体面之间的接触端由微米量级的蘑菇头“面结构”变成纳米量级的纳米珠阵列或纳米孔阵列的“点结构”，增加了接触面积，进一步提升产品的黏附性能，结构稳定性更强。

技术特征：

1.一种多层微结构仿生干黏附结构，其特征在于，包括多个多层微结构单元，每一所述多层微结构单元包括底层的微米级柱体结构、中间层的微米级蘑菇头结构，以及顶层的纳米阵列结构。

2.如权利要求1所述的多层微结构仿生干黏附结构，其特征在于，所述纳米阵列结构为纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。

3.如权利要求1所述的多层微结构仿生干黏附结构，其特征在于，所述蘑菇头结构顶面呈六边形，各所述多层微结构单元呈蜂窝状紧密排布。

4.如权利要求2所述的多层微结构仿生干黏附结构，其特征在于，所述蘑菇头结构口径尺寸范围为10um-250um，厚度尺寸范围为2um-20um；所述柱体结构周期的大小范围为20um-500um，直径尺寸范围为5um-150um，高度尺寸范围为10um-250um；所述纳米柱阵列结构周期的大小范围为100nm-1000nm，直径尺寸范围为10nm-500nm，高度的尺寸范围为50nm-2.5um；所述纳米孔阵列结构的周期的大小范围为100nm-1000nm，直径尺寸范围为10nm-500nm，高度的尺寸范围为50nm-2.5um。

5.一种如权利要求1至4中任一所述的多层微结构仿生干黏附结构的制备方法，其特征在于，包括：在基板上形成蘑菇状柱体阵列微结构的光刻胶结构；在所述光刻胶结构表面进行纳米级的激光干涉光刻，在所述蘑菇状柱体阵列微结构表面加工出纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在基板上形成蘑菇状柱体阵列微结构的光刻胶结构包括：提供基板；在所述基板表面涂布光刻胶；软烘所述光刻胶，涂布完成后快速将让带所述光刻胶的所述基板放置于预定温度的烘箱内部进行快速烘烤，在所述光刻胶表面形成一层曝光钝化层，同时所述光刻胶中间层和底层处于正常曝光所需的半固态，从而使所述光刻胶由上而下、由表及里是溶剂含量逐层减少，硬度逐层降低；图形化曝光与显影，利用所述曝光钝化层的光化学反应程度低于中间层和底层光刻胶，去掉部分所述光刻胶，保留的所述光刻胶形成所述蘑菇状柱体阵列微结构。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在基板上形成蘑菇状柱体阵列微结构的光刻胶结构包括：提供基板；在所述基板表面涂布光刻胶；软烘所述光刻胶；图形化曝光所述光刻胶，包括：使所述光刻胶表面吸附一定量的碱性分子形成一层显影钝化层，所述碱性分子能与由曝光所产生的酸性分子发生中和反应而消耗一部分酸性分子，以及对形成了显影钝化层的所述光刻胶进行图形化曝光；显影图形化曝光后的所述光刻胶，利用所述显影钝化层的显影速率低于中间层和底层光刻胶，去掉部分所述光刻胶，保留的所述光刻胶形成所述蘑菇状柱体阵列微结构。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在所述光刻胶结构表面进行纳米级的激光干涉光刻，在所述蘑菇状柱体阵列微结构表面加工出纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构中，所述激光干涉光刻包括利用至少两束激光照射在光刻胶结构表面进行干涉曝光与对曝光后的光刻胶结构进行显影，在光刻过程中，通过对激光功率、干涉曝光时间和显影工艺参数进行精确控制，制备出所需结构尺寸的纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。

9.一种模具，其特征在于，具有与如权利要求1至4中任一所述的多层微结构单元互补的凹槽结构。

10.一种如权利要求9所述的模具的制备方法，其特征在于，包括：对如权利要求1至4中任一所述的多层微结构仿生干黏附结构的结构表面进行表面金属化；采用微电铸工艺，形成与所述多层微结构单元互补的金属模具结构；脱模，形成具有所述凹槽结构的金属模具。

技术总结
一种多层微结构仿生干黏附结构、模具及其制备方法，多层微结构仿生干黏附结构包括多个多层微结构单元，每一所述多层微结构单元包括底层的微米级柱体结构、中间层的微米级蘑菇头结构，以及顶层的纳米阵列结构，其中纳米阵列结构为纳米柱阵列结构或者纳米孔阵列结构。本发明提供的多层微结构仿生干黏附结构、模具及其制备方法，通过设置顶层的纳米阵列结构，使得微结构与物体面之间的接触端由微米量级的蘑菇头“面结构”变成纳米量级的纳米珠阵列或纳米孔阵列的“点结构”，增加了接触面积，进一步提升产品的黏附性能，结构稳定性更强。

技术研发人员：邵仁锦,浦东林,张瑾,朱鹏飞,陈林森
受保护的技术使用者：苏州苏大维格科技集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15