[发明专利]一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种仿生壁虎脚刚毛结构阵列的加工方法，属于微加工技术领域。

发明背景

几个世纪以来许多动物优异的生理功能吸引了各界科学家的广泛关注。例如，蚊子可以轻松粘附在人体皮肤上叮咬；跳蛛和壁虎脚底刚毛的粘附作用使其能在墙壁和天花板。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，无论是空气环境还是在水里以及真空环境中，它脚上的粘着力都不会失效。壁虎依靠神奇的四脚静止时紧紧吸附，移动时轻松脱离。其特点是具有刚毛（seta）结构，刚毛群构筑（architecture）的不同导致，许多对壁虎脚足刚毛的研究认为，壁虎之所以能够攀檐走壁，完全是壁虎脚与攀爬对象之间“范德华力”作用的结果。因此，多年来各国科研人员都致力于用纳米材料来模仿壁虎脚刚毛发明“机器壁虎”。然而，这些“机器壁虎”大都只能局限于在光滑的物体表面缓慢移动，需要外接电源和控制装置，无法有效控制“强吸附”、“弱脱附”过程以及运动方向。壁虎的惊人攀爬能力源于脚趾上的微毛。接触物体表面时，微毛可充当粘性极高的“单向粘合剂”，如果朝另一个方向移动，粘性便会消失。因此，制备一种具有良好“单向“吸附能力的人造仿生壁虎脚是爬行机器人的关键技术。

目前制备仿壁虎脚微阵列的制备方法有多种，例如，制备密集的纳米线阵列模拟壁虎的刚毛，在纳米线与物体接触面间形成范德华力，叠加后形成巨大的吸附力和剪切力，但其制备工艺复杂，无法批量化生产。又例如，在厚的SU8胶上用光刻、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀的方法形成壁虎脚刚毛结构，再用PDMS等柔性材料浇铸进SU8胶上的楔形槽，固化后揭开形成楔形结构阵列，但这种工艺采用的系柔性材料，形变较大时会产生大面积粘连而失效，因此使用寿命较短。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，以克服现有技术中仿壁虎脚微阵列寿命短、强度低、无法批量化生产的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，包括如下步骤：

（1）提供基片，所述基片包括层叠设置的牺牲材料层和腐蚀自停止层，其中所述牺牲材料层的厚度与所述刚毛的高度相应；

（2）在所述牺牲材料层上设置抗腐蚀层，并对所述抗腐蚀层进行图形化处理，使所述抗腐蚀层形成条形图案结构抗腐蚀掩膜；

（3）去除余留在所述抗腐蚀掩膜上的光刻胶，并以具有所述条形图案结构的抗腐蚀掩膜为掩膜对所述牺牲材料层进行腐蚀，直至暴露出所述腐蚀自停止层，从而在所述牺牲材料层中形成条状阵列结构，所述条状阵列结构中每一条状结构均具有梯形横截面；

（4）去除余留在所述牺牲材料层上的抗腐蚀掩膜，并在所述牺牲材料层上涂胶、光刻，从而在所述条状阵列结构中曝光出与刚毛结构相应的图形结构，形成矩形光刻胶掩膜阵列；

（5）以所述矩形光刻胶掩膜阵列为掩膜，在所述牺牲材料层上生长刚毛结构；

（6）去除所述矩形光刻胶掩膜阵列，并刻蚀除去所述牺牲材料层，从而形成所述刚毛阵列，在所述刚毛阵列中任一刚毛结构均具有四边形横截面，并且所述刚毛结构的倾斜边与所述基片上端面之间具有50~60°的夹角。

进一步的，所述牺牲材料层可优选自但不限于（100）型硅层。

进一步的，所述腐蚀自停止层主要由硅的自腐蚀停止材料组成。

进一步的，所述抗腐蚀层可优选自厚度为50nm-1μm的氮化硅薄膜，但不限于。

进一步的，步骤（2）可以包括：在所述牺牲材料层上设置抗腐蚀层，并对所述抗腐蚀层进行图形化处理，使所述抗腐蚀层形成条形图案结构的抗腐蚀掩膜，所述条形图案结构的长度方向沿硅<110>晶向。

进一步的，步骤（3）可以包括：去除余留在所述抗腐蚀掩膜上的光刻胶后，将所述基片置入硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，直至露出所述腐蚀自停止层，从而在所述牺牲材料层中形成条状阵列结构。

其中，所述硅各向异性腐蚀液可选自但不限于KOH溶液或TMAH溶液。

进一步的，步骤（4）可以包括：去除余留在所述牺牲材料层上的抗腐蚀掩膜后，在所述牺牲材料层上沉积种子层金属，再涂胶、光刻，从而形成所述矩形光刻胶掩膜阵列。

其中，所述种子层金属可选自但不限于Ti和/或Au。

进一步的，步骤（5）可以包括：以所述矩形光刻胶掩膜阵列为掩膜，在所述牺牲材料层上生长刚毛结构，所述刚毛结构的材料包括金属或非金属材料。