专利名称：一种减阻表面的制造方法
技术领域：
本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种减阻表面的制造方法。
技术背景在流体中航行体的能源主要被用来克服行进中的阻力，阻力主要包括摩 擦阻力和压差阻力等，其中摩擦阻力占主要成分，对于水下航行体如潜艇等可达到80%;对于诸如输油管道这类管道运输，其能量的80% 100%被用 来克服流体流经固体表面的摩擦阻力。因此尽量减小表面摩擦阻力是提高航 速和节约能源的主要途径。随着微机电的发展，机构尺度越来越小，固液界 面中的摩擦阻力相对越来越大，如微流道等的摩擦阻力问题已成为相关器件 发展的一个重要的制约因素。为尽可能减少摩擦，抑制摩擦过程中的粘滑现象和静接触下的粘附现 象，各国研究者进行不懈的探索。目前国内外研究主要集中在薄膜润滑和表 面形貌设计两方面。在宏观摩擦学研究中，已经有大量的试验结果表明，可以通过合理的表 面形貌修饰和设计来获得良好的摩擦学性能。例如清华大学摩擦学国家重点 实验室的温诗铸等人进行了微观摩擦与表面形貌相关性的试验研究，研究表 明在硅片上制作出合适的条纹有助于降低摩擦系数，但由于硅片表面是用机 械加工的方法经过研磨和抛光加工得到的单一方向的条纹形貌，此形貌在低 速低载时会使得摩擦力和载荷不稳定，引起摩擦震动，为需减阻的对象带来 新的问题。在微观摩擦学研究中也已证明，原子尺度的摩擦力与表面微观形貌有密 切关系。例如日本东京首都大学机械工程学院的Watanabe等人通过热膜测 速技术对直径为6mm到12mm的管道进行了研究，管道内壁分布着10—20 ^m的微裂纹，研究证明微裂纹的存在对水流有一定的减阻效果，但由于微裂纹的间隔及方向都具有随机性，减阻效果稳定性差。在关于表面形貌减阻研究中，接触角大小是一个重要影响因素。其中静 态接触角大小与减阻效果无关，而动态接触角大小却对减阻效果影响很大。 而目前表面形貌减阻研究并没有考虑到动态接触角的影响这一点。本申请正 是基于表面形貌结构的形状、尺寸以及排布方式等对动态接触角影响的考 虑，通过合理设计和排布微结构的拓扑结构，使得动态接触角较小，并结合 表面氟化工艺，来达到较好的减阻效果。目前国内外有关航行体、运输管道和微机电系统等减阻技术的研究与应 用，基本上仍是以机械加工方法为基础，但机械加工方法能加工的材料种类 有限。发明内容本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，提出一种减阻表面的制造方法。该表面能够克服表面摩擦、磨损以及粘附失效；能够显著地降低流 体在运输管道和微通道中的沿程压力损失，增大流体的流动速度；能够大大 减小燃油的消耗。本发明所采取的制造方法先采用光学光刻法或者电子束直写制造模版， 然后通过紫外压印光刻技术UV-IL及后续刻蚀把图形转移到基片上，最终 结合表面氟化工艺在基片上进行减阻表面的制备。紫外压印光刻技术是一种 简单方便的二维或三维微纳结构制备方法，且对基底材料选择面广，能够实 现低成本批量化生产；氟化工艺可以极大地降低表面的表面能，减小粘附力， 两者结合可以得到效果更佳的减阻表面。为实现上述发明目的，采取的技术解决方案是在基片硅、工程塑料或 者金属材料，即减阻表面上制造出交错排列的微米阵列，阵列中各微柱或凹 坑的长、宽为l 130um，高度为10 150um，微柱或凹坑之间的间距为 2 260um，表面为氟自组装单分子层。一种制作减阻表面的制造方法，包括以下步骤1)用光学光刻法或电子束直写制备压印模版，在模版上得到预先设计 的微结构图案；2) 在基片表面上用匀胶机均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，待 其自由流平；若要得到与模版具有相同结构的表面，则使用正胶，所述正胶 是经光照后变成可溶物质的阻蚀胶；若要得到与模版具有互补结构的表面， 则使用负胶，所述负胶是经光照后形成不可溶物质的阻蚀胶；3) 将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应或者 裂解反应硬化成型；4) 释放压力并将模版脱离基片；5) 对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等 比例的图案；6) 在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，即得到减 阻表面。若只需要单件生产，则可直接使用电子束或者光学光刻法对所需要的基 片材料进行加工。本发明采用紫外压印光刻技术，能实现批量生产，并使成本大大降低。 本发明用于微机电器件表面，能够克服微尺度下的表面尺寸效应导致的表面 摩擦、磨损以及粘附失效；用于运输管道和微流器件等表面，能够显著地降 低流体在微通道中的沿程压力损失，减小流体的流动阻力，增大流体的流动 速度；用于宏观领域，如航空、航天、航海及交通运输领域中，可减小能耗， 节省能源。
图l为制备的压印模版的主视示意图； 图2为压印模板的仰视示意图一； 图3为压印模板的仰视示意图二 图4为压印模板的仰视示意图三图5为压印模板的仰视示意图四； 图6为基片上涂铺光刻胶的示意图； 图7为紫外光照射固化阻蚀胶过程示意图； 图8为脱模过程示意图；图9为反应离子刻蚀过程示意图； 图10为在基片上得到的微结构阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。一种减阻表面的制造方法，在基片即减阻表面上制造出交错排列的微米 阵列l，包括下列步骤1) 用光学光刻法或电子束制备压印模版，在模版上得到预先设计的微 结构图案；2) 在基片3表面上用匀胶机均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶2， 待其自由流平；3) 将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应或者 裂解反应硬化成型；4) 释放压力并将模版脱离基片；5) 对基片3进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等 比例的图案；6) 在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行有机氟化处理，即得 到减阻表面。所述在基片3表面上制造交错排列的微米阵列，各微柱或凹坑的长、宽 为l 130nm，高度为10 150um，微柱或凹坑之间的间距为2 260u m， 表面为氟自组装单分子层。通过紫外压印光刻技术进行图形转移，模版上的 图形被复制到图形转移层。步骤l所述的模版必须是能够让紫外线穿透的石英或者聚二甲基硅氧烷 材料等。步骤l中用电子束制备模版前，模版表面镀有一层Cr，厚度为10— 600nm。所述的基片材料是硅、二氧化硅、工程塑料、金属等。所述步骤2中的用匀胶机将液态高分子阻蚀胶涂铺在基片表面，待其自 然流平，若要得到与模版具有相同结构的表面，则使用正胶，所述正胶是经 光照后变成可溶物质的阻蚀胶；若要得到与模版具有互补结构的表面，则使 用负胶，所述负胶是经光照后形成不可溶物质的阻蚀胶。所述步骤3中的将模版压入阻蚀胶层并且照射紫外光使阻蚀胶发生聚合反应或者裂解反应硬化成型。对带有微结构的基片表面进行氟化处理，获得 低表面能氟自组装单分子层，使用的氟化物为二甲基-^ -全氟辛酰氧丙基硅 垸、全氟辛酰胺丙基硅垸、三氟丙基硅油、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三 氟正辛基三氯硅烷中的任意一种或者两种的组合。图1 _图5为模版示意图，本发明设计的压印模版表面具有微结构阵列1 ， 微结构阵列l为交错排列，以保证动态接触角较小，减阻效果好。阵列l中各 微柱或凹坑的长W1、宽W2为l 130Pm，高度W3为10 150um，微柱或 凹坑之间的间距W4为2 260um，微米阵列l剖面的形状可为圆柱、正方形、 长方形、菱形或六边形以及其他不规则图形等。图6—图8为整个压印过程，压印之前务必保证基片3表面阻蚀胶2涂敷均匀，模版与基片要对准。在图10完成之后，要对基片3表面进行氟化处理，在微结构表面形成低 表面能氟自组装单分子层。本发明的基本工作原理为基于表面形貌结构的形状、尺寸以及排布方 式等对动态接触角影响的考虑，设计和排布出使动态接触角较小的微结构拓 扑。微结构阵列l的存在，使得实际有效接触面积减小，表面能降低，表面 氟化处理得到的氟自组装单分子层又促使表面能极低，从而大大减少了表面 摩擦、磨损以及黏附等；微结构空隙的存在使得流体经过带有微结构的表面 时能够发生壁面滑移，因此可以增加流体的流动速度，减小流体的流动阻力。本发明的减阻表面的制作方法包括以下工艺的组合制备压印模版如附 图1一5所示，在基片上旋涂光刻胶如附图6所示，之后进行紫外硬化压印光 刻过程见附图7，光刻胶紫外固化后进行脱模如附图8所示，模版上的图形就 被复制到图形转移层，然后进行反应离子刻蚀如附图9所示，最后除去残余 的光刻胶，这样模版上的微结构图案就复制到了基片上如附图10所示。为进 一步降低基片的表面能，提高表面的减阻效果，最终需要对基片表面进行氟 化处理。本发明采用的工艺组合可以较精确地控制制造加工过程，制得的表 面精度高，表面能低，并可实现批量化生产。这种减阻表面制造的具体实施过程如下 (l)压印模版的制备。若使用电子束法，首先在模版上镀一层金属Cr，厚度为10—600nm，再旋涂一层电子束胶作为抗蚀剂，然后用电子束刻蚀抗 蚀剂，再以抗蚀剂作为掩膜抗蚀剂图形转移到Cr层上。然后将该模版放置在 反应离子刻蚀机中刻蚀模版基材，其表面的Cr层作为保护层，最后使用湿法 腐蚀去除模版基材表面的Cr,形成表面具有微结构的模版；若使用光学光刻 法，由于模版微结构尺寸较大，通过掩膜法即可完成模版的制备，但精度不 太高；(2) 高分子聚合物阻蚀胶的涂铺。用匀胶机将经过稀释的液态高分子 聚合物阻蚀胶(低粘度、对紫外光感光)旋转涂铺在基片表面，等待其自然 流平。若要得到与模版具有相同结构的表面，则使用正胶，所述正胶是经光 照后变成可溶物质的阻蚀胶；若要得到与模版具有互补结构的表面，则使用 负胶，所述负胶是经光照后形成不可溶物质的阻蚀胶；(3) 将模版压入阻蚀胶层，通过紫外光曝光使阻蚀胶发生聚合反应或 者裂解反应硬化成型；(4) 释放压力并且将模版脱离基片；(5) 对基片进行反应离子刻蚀去除残留的阻蚀胶，即可得到与模版等 比例的图案；(6) 在干燥箱中对带有微结构图形的基片表面进行有机氟化处理，获 得低表面能氟自组装单分子层。氟化之前必须先对不同种类的基片采用不同 的方法进行表面羟基化处理。对于硅、二氧化硅基片，氟化处理时要求水含 量小于lppm，温度为室温；对于工程塑料基片，可采用气相反应法，要求 反应器的压力小于l个大气压，真空室内温度为20—70'C，充入第一份氟气 和氮气的混合气，混合物中的氟含量为1%~20%，反应0.5—2小时；升温至 40—85°C，充入第二份氟气和氮气的混合气，用量、反应时间与第一份相同; 对于金属基片，室温下在氟溶剂中浸泡0.5—24小时后取出，然后在烘箱中 130—18(TC下加热1一3小时。
权利要求
1.一种减阻表面的制造方法，在基片表面上制造出交错排列的微米阵列，包括下列步骤1)制备压印模版，在模版上得到预先设计的微结构图案；2)在基片表面上均匀涂铺一层液态高分子聚合物阻蚀胶，待其自由流平；3)模版压入阻蚀胶层，通过曝光使阻蚀胶发生化学反应硬化成型；4)释放压力并将模版脱离基片；5)对基片进行反应离子刻蚀并除去残留的阻蚀胶，即可得到与模版等比例的图案；6)对带有微结构图形的基片表面进行氟化处理，即得到减阻表面。
2. 根据权利要求1所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述在 基片表面上制造出交错排列的微米阵列，各微柱或凹坑的长、宽为1 130 Pm，高度为10 150um,微柱或凹坑之间的间距为2 260 y m，表面为 氟自组装单分子层。
3. 根据权利要求2所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述步骤 3)通过紫外压印光刻技术进行图形转移，模版上的图形被复制到图形转移 层。
4. 根据权利要求3所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述的 模版是由能够让紫外线穿透的材料构成。
5. 根据权利要求4所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述能使紫外线穿透的材料为石英或者聚二甲基硅氧垸材料。
6. 根据权利要求1所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述步 骤l)中用电子束制备模版前，模版表面镀有一层Cr，厚度为10—600nm。
7. 根据权利要求1所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述的 基片材料是硅、二氧化硅、工程塑料或者金属材料。
8. 根据权利要求7所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，所述步骤2)中将液奄高分子阻蚀胶涂铺在基片表面，待其自然流平，若要得到与模 版具有相同结构的表面，则使用正胶;若要得到与模版具有互补结构的表面, 则使用负胶。
9.根据权利要求l所述的减阻表面的制造方法，其特征在于，反应离子 刻蚀以阻蚀胶为掩膜，将图形刻蚀至基片上，去胶后在基片上得到所需的微 结构。
10.根据权利要求l-9任一项所述的减阻表面的制造方法，其特征在于, 对带有微结构的基片表面进行氟化处理，获得低表面能氟自组装单分子层； 氟化处理使用的氟化物为二甲基-L全氟辛酰氧丙基硅烷、全氟辛酰胺丙基 硅烷、三氟西基硅油、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟正辛基三氯硅烷中 的任意一种或两种的组合。
全文摘要
本发明公开了一种减阻表面的制造方法。该减阻表面基于表面形貌结构的形状、尺寸以及排布方式等对动态接触角的影响，设计和排布出使动态接触角较小的微结构拓扑，在基片表面上制作出交错排列的微米级结构阵列。本发明制作减阻表面的方法是以紫外压印光刻技术为转移手段，模板可重复使用；以氟化工艺为表面处理手段，使微结构表面的表面能极低，减小粘附力。用于微机电系统器件表面，能减小微尺度下的表面摩擦、磨损及粘附失效；用于运输管道和微流器件表面，能降低流体在微通道中的沿程压力损失，减小流体的流动阻力，增大流速；用于航空、航天、航海、交通运输等领域中，能减小能耗，节省能源。
文档编号G03F7/00GK101329509SQ20081015048
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者丁玉成, 卢秉恒, 莉 王, 郝秀清 申请人:西安交通大学