微结构制备装置及方法与流程

本申请涉及微结构阵列制作工艺领域，具体而言，涉及一种微结构制备装置及方法。

背景技术：

随着微纳加工技术的迅速发展，表面微结构化成为改善材料润湿性、减摩耐磨性、比表面积率、以及生物相容性的重要手段。由于表面微结构化的应用越来越广泛，各种加工微结构的方法陆续的被提出并应用于生产中。目前常用的传统微结构阵列加工工艺包括精密机加工法、激光刻蚀法、电子束刻蚀法、物理/化学刻蚀法、电化学法、3d打印法和模板法(植物模板)等，存在非一次性成型，且功耗高，成本高昂，工艺实现过程复杂的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种微结构制备装置及方法，以改善现有技术中存在的非一次性成型，且功耗高，成本高昂，工艺实现过程复杂的问题。

本申请实施例提供了一种微结构制备装置，所述装置包括压强控制器、密封容器、第一网格和固化器，所述第一网格和所述固化器设置在所述密封容器内，所述压强控制器与所述密封容器连通；所述第一网格用于使溶液基于液体特性从所述第一网格的网孔中悬垂；所述压强控制器用于调节所述密封容器中的压强，以基于所述压强和所述液体特性调整所述溶液的悬垂状态；所述固化器用于在所述网孔上的溶液的悬垂状态构成指定微结构阵列形貌时对所述溶液进行固化，以获得具有指定微结构的柔性衬底。

在上述实现方式中，利用混合溶液自身的特性，如粘度、表面张力，在受多物理场作用下，尤其是常温常压下仅受自身重力作用实现低成本、工艺低复杂度的微结构制备。同时，通过压强器对液体的悬垂形态进行灵活、便捷地调节，使最终制备的具有指定微结构的柔性衬底的形貌可控，从而保证了微结构阵列的成型准确性。此外，在微结构的柔性衬底的制备过程中除用于形成微结构阵列的原料溶液以外无需使用额外的化学溶剂，提高了微阵列结构制备的环保性。

可选地，所述第一网格的网孔的形状为正多边形、菱形、扇形、心形和/或圆形。

在上述实现方式中，通过网格的形状改变可以改变溶液形成的微阵列结构的形貌特征，从而提高了微阵列结构制备获得的柔性衬底的结构灵活性。

可选地，所述装置还包括设置在所述密封容器内的第二网格，所述第二网格用于与所述第一网格背对所述溶液悬垂方向的一面贴合后与所述第一网格分离预设距离，以使所述溶液在所述第一网格背对所述溶液悬垂方向形成多个立柱。

在上述实现方式中，通过与第一网格配合的第二网格对溶液进行塑形，能够使溶液在第一网格的两面都形成悬垂液体，从而实现双面的微结构柔性衬底。

可选地，所述压强控制器包括正压器和负压器，所述正压器与所述密封容器的连通口位于所述密封容器背对所述溶液悬垂方向一侧，所述负压器与所述密封容器的连通口位于所述密封容器正对所述溶液悬垂方向一侧。

在上述实现方式中，采用正压器和负压器配合作为压强器调节密封容器内的压强以调节悬垂液体的形貌特征，能够更加灵活、精细地对悬垂液体的形态进行调节，提高了微结构制备的精确度，同时也增强了微结构制备的灵活性。

可选地，所述正压器为机械层压器或气压器，所述负压器为抽气器。

在上述实现方式中，采用气压器或机械层压器作为正压器、抽气器作为负压器，成本低，操作简便，同时能够基于物理原理对微结构阵列的形貌进行调节，不需要引入新的化学溶液，具有更好的环保型和适用性。

可选地，所述正压器为所述气压器，所述第一网格中每个网孔设置有独立的进气通道和出气通道，所述气压器和所述抽气器分别与每个所述进气通道和每个所述出气通道连通，以使所述气压器和所述抽气器对所述每个网孔处的溶液分别进行压强控制。

在上述实现方式中，为第一网格中每个网格都独立设置进气通道和出气通道，且每个网格与独立的压强控制器连通，使每个网格处溶液对应形成的悬垂液体的形态能够被准确地调节，提高了微结构制备的灵活性和精确度。

可选地，所述固化器为温度固化器和/或光固化器。

在上述实现方式中，通过温度固化器或光固化器进行悬垂溶液的固化定型，能够根据溶液的类型进行固化器的具体类型选择，提高了微结构制备方法的适用性。

可选地，所述温度固化器为加热管、超声加热器或红外加热器。

在上述实现方式中，采用加热管、超声加热器或红外加热器作为固化器，能够在溶液能够被温度固化器固化时降低整体装置成本。

可选地，所述装置还包括微针，所述微针用于插入所述网孔上的溶液的悬垂状态构成的微阵列结构中任一网孔对应的单元进行液体形态调整。

在上述实现方式中，除了通过压强控制器对悬垂液体的形貌进行调节从而实现微结构阵列的形貌调节，还引入了微针对每个网孔处的溶液进行调节，从而在压强控制的基础上进一步提高了微阵列结构制备的灵活性和准确性。

本申请实施例还提供了一种微结构制备方法，应用于上述微结构制备装置，所述方法包括：将溶液涂覆在所述第一网格上，使溶液基于液体特性从所述第一网格的网孔中悬垂；通过所述压强控制器调节所述密封容器中的压强，以基于所述压强和所述液体特性调整所述溶液的悬垂状态；通过所述固化器在所述网孔上的溶液的悬垂状态构成指定微结构阵列形貌时对所述溶液进行固化，以获得具有指定微结构的柔性衬底。

在上述实现方式中，利用混合溶液自身的特性，如粘度、表面张力，在受多物理场作用下，尤其是常温常压下仅受自身重力作用实现低成本、工艺低复杂度的微结构制备。同时，通过压强器对液体的悬垂形态进行灵活、便捷地调节，使最终制备的具有指定微结构的柔性衬底的形貌可控，从而保证了微结构阵列的成型准确性。此外，在微结构的柔性衬底的制备过程中除用于形成微结构阵列的原料溶液以外无需使用额外的化学溶剂，提高了微阵列结构制备的环保性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种微结构制备装置的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种第一网格的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种微结构制备方法的流程示意图。

图标：10－微结构制备装置；11－密封容器；12－第一网格；13－压强控制器；131－正压器；132－负压器；14－固化器；15－模具。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

近年来，柔性电子显微集成技术日渐成为一个备受瞩目的新兴领域，从而实现电子设备、光电器件在轻薄、耐冲击、高性能以及便携性等方面的技术提高。柔性电子显微集成技术将微纳米技术、柔性化技术结合起来，在人造皮肤、柔性电池、柔性显示屏、头戴显示器、可视智能眼镜、人工智能机器人和微型飞行器等方面具有极其重要的实用价值。柔性电子显微集成技术具有良好的产业化前景，但目前仍然存在瓶颈。例如有机材料的工作寿命、纳米材料的性能稳定性问题等尚有待进一步提高。为了获得材质更轻、尺寸更小、能耗更低、性能更强的柔性电子集成体系，需要从柔性衬底上功能材料的获得方式、微纳米尺度功能材料的开发、衬底与功能材料的结合、功能材料的性能保证等几个方面加以提高，仅仅从柔性显示器件制作方面来看，就要考虑如衬底材质的选择，水氧阻绝层的水氧阻绝能力、导电阳极的平整度、与导电度、阳极的图案化制程、元件制作后的效率与颜色，还有元件完成后的封装效果好坏，最后则是元件寿命的长短及可以承受的机械应力如卷曲度及次数等，满足上述需求的最为基础的条件就是柔性衬底的微结构阵列改善。

柔性衬底主要是起支撑和改善薄膜特性的作用，以柔性显示器件为例，在柔性显示器件中，柔性衬底是研发柔性显示的技术。依据目前国内外柔性显示衬底的研究进展，柔性显示衬底具体分为五类：塑料、金属箔片、超薄玻璃、纸质衬底、生物复合薄膜衬底等。上述衬底提供的装置性能与传统玻璃衬底接近。

而柔性衬底的技术基础为微结构制备，微结构是指必须借助于光学显微镜或电子显微镜才能观察到的晶体结构中的种种非均一结构现象，例如各种晶格缺陷、畴结构、细微的出溶现象、结构双晶、调制结构等。

经本申请人研究发现，传统的衬底微结构制备工艺通常包括精密机加工法、激光刻蚀法、电子束刻蚀法、物理/化学刻蚀法、电化学法、3d打印法和模板法(植物模板)等，其非一次性成型，且功耗高，成本高昂，工艺实现过程复杂。

上述传统微结构加工方法在硬质模具上加工微结构后，通过其他材料(如树脂)转移微结构，或化学溶剂溶解掉硬质微结构衬底，从而形柔性微结构阵列。还有些方式是从天然植物中获取灵感，因植物叶片或花粉本身具有具备微结构，对植物叶片或花粉进行处理后制作成模板，从而获得微结构阵列，或再其表面覆盖一层柔性材料后通过软光刻的方式翻模转印得到微结构阵列。综上所述现有微结构阵列制备方法存在如下不足：工艺复杂，需要控制的参数特别多，且要经过翻模转印，模板制作过程也很复杂；能耗高，且制备过程中会引入额外的化学溶剂，造成环境污染(如溶剂型)；高成本，对制造设备有很强的依赖性，工艺复杂性和高能耗就决定了其成本高昂。

为了解决上述现有技术存在的问题，本申请实施例提供了一种微结构制备装置10。请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种微结构制备装置的结构示意图。

微结构制备装置10包括密封容器11、第一网格12、压强控制器13和固化器14。第一网格12和固化器14设置在密封容器11中，压强控制器13与密封容器11连通。

密封容器11可以采用玻璃、塑料、金属或合金等材料制成，应当注意的是，密封容器11根据具体需要制备微结构阵列的柔性衬底的所需溶液的特性进行选择，需要选择不会与所需溶液发生化学反应的材料。

进一步地，密封容器11用于柔性衬底的制作，大多数的柔性衬底为方形或圆形的薄膜状，因此密封容器11可以为扁平状，且其中一个侧面或面积最大的两面的其中一个面可以打开和关闭，以将混合溶液、第一网格12等取出或装入密封容器11。

为了保证密封容器11的密封效果，在密封容器11的其中一个侧面或面积最大的两面的其中一个面可以打开和关闭时，可以在密封容器11的接缝处设置密封橡胶。

可选地，本实施例中用于进行柔性衬底制作的溶液可以是预先调配好的具有一定粘度和浓度的混合溶液，如纸浆溶液、有机溶液、橡胶溶液等，且混合溶液需要在使用前预先混合均匀、去除较大杂质颗粒。通常用于进行柔性衬底制作的溶液可以包括二甲酸乙二醇酯(pet)溶液、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)溶液、聚酰亚胺(pi)溶液、聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液以及纸浆溶液等。

可选地，本实施例中的溶液可以涂覆在第一网格12上后放入密封容器11，也可以在密封容器11中放置溶液盛放的模具15，该模具15也应当呈扁平状，且其形状应该与第一网格12的形状相匹配，以便于第一网格12在该模具15中涂覆溶液。

接下来请参考图2，图2为本申请实施例提供的一种第一网格的结构示意图。

第一网格12为高目数网格，其与密封容器11的形状相匹配，本实施例中可以呈扁平状，其面积最大的两个相对面可以设置有孔阵列结构，该通孔阵列结构即为网孔。第一网格12可以采用玻璃、塑料、金属或合金等材料制成，应当注意的是，第一网格12根据具体需要制备微结构阵列的柔性衬底的所需溶液的特性进行选择，需要选择不会与所需溶液发生化学反应的材料。

作为一种可选的实施方式，本实施例中的微结构制备装置10还可以包括设置在密封容器11中的第二网格，第二网格贴合第一网格12的背对溶液悬垂方向的一面设置。

可选地，第一网格12和第二网格中网格的数量以及每个网格的尺寸可以根据微阵列结构的具体形貌需求进行设定，例如40纳米、55纳米等任意尺寸。

上述第一网格12和第二网格的网格制作工艺及其编排方式可以是机织穿插工艺技术实现，能做到亚纳米级的网孔。在其他实施例中，除了机织穿插工艺技术也可以是采用横竖编排等其他工艺技术实现。

应当注意的是，第一网格12和第二网格的网孔形状、数量以及排列方式均对应相同，且第一网格12和第二网格的网孔形状应当基于所要制备的指定微阵列结构进行选取，例如正多边形、菱形、扇形、心形和/或圆形等，上述类型的第一网格12和第二网格可以简单定制或直接购买获取，成本较低，并且能够重复使用。

在进行微阵列结构制作时，将第一网格12预先放入模具15中，模具15中可以预先加入所需的具有一定粘度和浓度的混合溶液，也可以放入第一网格12后在第一网格12上加入合溶液，然后再将第一网格12从混合溶液中移出，由于溶液自身的特性，如特定的浓度、粘度，表面张力等，以及重力场的作用，以至于移出过程中溶液会自然悬垂，但不会让溶液从第一网格12的网孔中掉落。由于溶液在第一网格12上因受自身重量、溶液粘度和表面张力的影响，会在网格网孔上悬垂，形成具有微凸起的微结构，可通过调配溶质溶剂材料的参数，以及溶液浓度、粘度和网格网孔大小实现溶液的自然悬垂。

在上述溶液自然悬垂过程中，因材料特性和重力场的作用，其自然悬垂形成的微凸起结构通常不是特别明显，因此可以根据需要辅以压强控制器13，通过加压或抽真空方式在第一网格12的顶面和底面形成压差，从而使得网格上的混合溶液在压力场合重力场共同作用下实现更大程度的悬垂，达到预设深度的微结构，此种方法仅能获得单面的微结构衬底。

可选地，本实施例还可以通过将混合溶液先置于底层的第一网格12上，然后在混合溶液上面放置另一层第二网格，对上下两层的第一网格12和第二网格施压使其缓慢靠近，由于混合溶液受到机械层压作用，在辅以上下表面的压强控制器13，混合溶液会从第一网格12的网孔的两端中渗出，再经过固化器14的后续处理从而可以获得双面具有指定微结构阵列的柔性衬底。

另一方面，本实施例还可以通过第一网格12和第二网格之间的压缩挤压，使溶液从第一网格12和第二网格朝外的面渗出，此时再通过控制温度，使其以类似钟乳石形成的方式形成微阵列结构并采用固化器14进行固化成型。

本实施中的压强控制器13可以包括正压器131和负压器132，正压器131与密封容器11的连通口位于密封容器11背对溶液悬垂方向一侧，负压器132与密封容器11的连通口位于密封容器11正对溶液悬垂方向一侧。

可选地，正压器131可以为机械层压器或气压器，负压器可以为抽气器。

机械层压器为对多层物质进行压合的机械装置，通常通过面状层板对物体表面施加压力，本实施例中的机械层压器可以选用单独的一层压板对第一网格12的上表面加压。

气压器可以视为增压器，负压器可以为抽气器，因此气压器和抽气器可以为气泵，也可以是其他能够进行增加气压或抽气的器件，该器件通过连通通道与密封容器11连通。

进一步地，本实施例中的气压差控制方式可以是底部抽真空或施加特定气压实现，气体可以是惰性气体、氮气等不与溶液发生反应的气体，加压可以是通过吹气方式，也可以是气体膨胀方式。

作为一种可选的实施方式，为了对每个网孔对应的微结构进行控制，本实施例中的第一网格12中每个网孔可以设置有独立的进气通道和出气通道，与每个进气通道和每个出气通道连通均连接有各自的气压器和抽气器，以使每个网孔对应的独立的气压器和抽气器对该网孔处的溶液进行压强控制，从而提高微结构阵列的制备精度。

此外，本实施例中为了对每个网孔对应的液体悬垂形态进行更加精细的调节，还可以在密封容器11中设置微针，微针用于插入第一网格12或第二网格的网孔上的溶液的悬垂状态构成的微阵列结构中任一网孔对应的单元进行液体形态调整。微针插入指定网孔对应的悬垂液体时，能够调节微阵列单元中的深度参数，引导悬垂液体排除液体中气体的速度调节悬垂液体的形貌，待微结构阵列形貌达到设定参数后，通过固化器14实现溶液薄膜固化。

固化器14的作用是使溶液发生固化，根据溶液的具体固化需求可以选用温度固化器、光固化器等。固化器14可以设置在密封容器11中，也可以设置在密封容器11之外但与密封容器11连通。

其中，温度固化器可以为加热管、超声加热器或红外加热器。光固化(photocuring)是指单体、低聚体或聚合体基质在光诱导下的固化过程，一般用于成膜过程，本实施例中的光固化器可以是紫外线光固化器等。

可选地，在其他实施例中还可以引入固化剂对溶液进行固化。固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。例如树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化(交联)剂来完成的。固化剂是必不可少的添加物，无论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。

固化器14在溶液的悬垂状态处于需要的形貌时将溶液固化后，即能够获得具有指定微结构的柔性衬底。

为了采用上述微结构制备装置10制备具有指定微结构的柔性衬底，本申请实施例还提供了一种应用于上述微结构制备装置10的微结构制备方法。请参考图3，图3为本申请实施例提供的一种微结构制备方法的流程示意图。该微结构制备方法的具体步骤可以如下：

步骤s21：将溶液涂覆在第一网格上，使溶液基于液体特性从第一网格的网孔中悬垂。

应当理解的是，将溶液涂覆在第一网格12上的方式可以是直接涂覆，也可以是将第一网格12放置入模具15后取出。

此外，本微结构制备方法还可以包括使用第二网格的步骤：将第二网格与第一网格12背对溶液悬垂方向的一面贴合后与第一网格12分离预设距离，以使溶液在第一网格12背对溶液悬垂方向形成多个立柱。

上述预设距离可以根据微结构制备的具体需求进行调节，通常与微结构单元需要的深度相同。

步骤s22：通过压强控制器调节密封容器中的压强，以基于压强和液体特性调整溶液的悬垂状态。

可选地，在压强控制器13能够从两边加压和减压时，同一时间可以只进行加压或减压，也可以同时进行加压和减压操作。

步骤s23：通过固化器在网孔上的溶液的悬垂状态构成指定微结构阵列形貌时对溶液进行固化，以获得具有指定微结构的柔性衬底。

在使溶液的悬垂状态构成指定微结构阵列形貌时，可以采用微针插入第一网格12或第二网格的网孔上的溶液的悬垂状态构成的微阵列结构中任一网孔对应的单元进行液体形态(深度)调整。

综上所述，本申请实施例提供了一种微结构制备装置及方法，所述装置包括压强控制器、密封容器、第一网格和固化器，所述第一网格和所述固化器设置在所述密封容器内，所述压强控制器与所述密封容器连通；所述第一网格用于使溶液基于液体特性从所述第一网格的网孔中悬垂；所述压强控制器用于调节所述密封容器中的压强，以基于所述压强和所述液体特性调整所述溶液的悬垂状态；所述固化器用于在所述网孔上的溶液的悬垂状态构成指定微结构阵列形貌时对所述溶液进行固化，以获得具有指定微结构的柔性衬底。

在上述实现方式中，利用混合溶液自身的特性，如粘度、表面张力，在受多物理场作用下，尤其是常温常压下仅受自身重力作用实现低成本、工艺低复杂度的微结构制备。同时，通过压强器对液体的悬垂形态进行灵活、便捷地调节，使最终制备的具有指定微结构的柔性衬底的形貌可控，从而保证了微结构阵列的成型准确性。此外，在微结构的柔性衬底的制备过程中除用于形成微结构阵列的原料溶液以外无需使用额外的化学溶剂，提高了微阵列结构制备的环保性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的框图显示了根据本申请的多个实施例的设备的可能实现的体系架构、功能、连接关系和/或操作。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。

另外，在本申请各个实施例中的各模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。