高深宽比微纳层次结构仿壁虎脚毛制作工艺研究

论文摘要

自然界中壁虎具有非常优秀的吸附能力,可以自由行走在光滑的墙壁上,甚至是天花板上。壁虎脚毛的分级层次结构,尤其是高深宽比的微米级刚毛与纳米级绒毛结构,是保证其产生巨大粘附力且能适应不同表面形貌的关键。壁虎脚毛的这些特性在MEMS器件中以及一些爬壁机器人等领域有着极为广阔的应用前景。为此,本学位论文围绕仿壁虎脚毛的纤维阵列制作工艺开展了如下研究。采用厚胶工艺,选用SU-8光刻胶作为纤维阵列材料进行试验,制备出了深宽比高达7的纤维阵列。由于较高的深宽比,纤维之间存在纠结现象,难以通过微模塑成型工艺进一步复制其结构以进行批量化生产。采用半导体工艺中的硅刻蚀工艺,通过ICP刻蚀制作出了多种尺寸的硅孔阵列模具,最高深宽比可达到7以上。利用该硅模具成功复制出聚二甲基硅氧烷（PDMS）微米级纤维阵列。直径小于8μm的纤维阵列,仍然存在纠结现象。无论纤维是否纠结在一起,纤维阵列表面均展现出较好的疏水性,从平面PDMS的水接触角102.7°提升到131.7°以上。提出了一种全新的简单,低成本的双级层次纤维阵列结构制作工艺。该工艺基于以上硅模具,在硅模具表面涂覆一层SU-8光刻胶,利用厚胶光刻工艺制作出微米孔阵列,与硅模具组成两级孔阵列模具。利用该复合模具成功复制出两级PDMS纤维阵列。由于模具可重复使用,因此可以实现批量化生产。经实验发现双级层次PDMS纤维阵列结构的疏水性相比单级PDMS纤维阵列有少量提升,达到145.9°。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 2 厚胶光刻工艺制作仿壁虎脚毛阵列研究
• 2.1 厚胶光刻工艺
• 2.2 SU-8 负性光刻胶光刻工艺研究
• 2.3 基于SU-8 胶光刻工艺的仿壁虎刚毛阵列制作实验
• 2.4 本章小结
• 3 基于硅模具的微模塑成型工艺研究
• 3.1 硅模具的制作
• 3.2 PDMS纤维阵列的制作实验
• 3.3 PDMS仿壁虎刚毛纤维阵列的性质测试
• 3.4 本章小结
• 4 双级层次纤维阵列结构制作工艺研究
• 4.1 双级层次纤维阵列结构的制作工艺研究
• 4.2 基于硅和SU-8 胶复合模具的微模塑成型工艺制作实验
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间发表的专利