吸盘结构成型模具的制备方法和吸盘结构的制备方法

1.本发明涉及仿生结构制造技术领域，具体涉及一种吸盘结构成型模具的制备方法和一种吸盘结构的制备方法。背景技术：2.受壁虎足和甲虫类足的微观结构的启发，仿生粘附材料在攀爬机器人、智能机械手、柔性电子等领域显示出了巨大的应用潜力。仿生粘附材料的微观结构末端的设计对其粘附性能有重要影响。最常使用的一种末端结构是蘑菇形，相比于简单的圆柱形末端结构，范德华粘附作用可以提高5‑10倍。但是当这种蘑菇形结构在湿润或者水下环境中使用时，接触面之间的范德华作用力会大大减小。研究表明，将末端结构设计成吸盘结构，会明显提升结构在湿润环境下的粘附作用。目前，制备微吸盘结构的方法包括直接法和间接法。直接法包括双光子打印技术、3d打印技术等，但是通过这些方法制备吸盘结构时材料选择有限，同时加工过程耗时较长，批量加工成本高。现有的间接法是首先利用微加工工艺(如光刻、刻蚀等)制备出吸盘结构成型模具，随后通过翻模的方式制备出吸盘结构。虽然这种方法相比于直接法的批量加工成本低，耗时短，但对工艺要求严格，重复性较差。技术实现要素：3.本发明的目的是解决现有技术中存在的至少一个技术问题，提供一种吸盘结构成型模具的制备方法，该方法重复性好、工艺简单。4.本发明的另一目的是提供一种吸盘结构的制备方法，该方法重复性好、工艺简单、耗时短且批量加工成本低。5.为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。6.一种吸盘结构成型模具的制备方法，包括：7.提供中度掺杂硅衬底；8.在所述中度掺杂硅衬底上形成微纳结构阵列；以及9.在形成所述微纳结构阵列后，对所述中度掺杂硅衬底进行电化学腐蚀，从而将所述微纳结构阵列转化为吸盘阵列，得到吸盘结构成型模具。10.一种吸盘结构的制备方法，包括：采用上述吸盘结构成型模具，通过两次翻模工艺制备吸盘结构。11.与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：12.1.本发明提供了一种吸盘结构成型模具的制备方法，采用电化学腐蚀工艺对中度掺杂硅衬底上的微纳结构阵列进行各向同性抛光，从而将微纳结构阵列转化为吸盘阵列。该方法制得的吸盘阵列一致性好，并且通过调节电化学腐蚀的腐蚀电流和腐蚀时间，可以方便地调节吸盘阵列的尺寸。13.2.本发明还提供了一种吸盘结构的制备方法，该方法利用所述吸盘结构成型模具通过两次翻模工艺即可制备出吸盘结构，重复性好、工艺简单、耗时较短且批量加工成本低。附图说明14.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：15.图1为本发明实施例1提供的吸盘结构的三维立体示意图。16.图2为本发明实施例1提供的吸盘结构的截面示意图。17.图3‑7为本发明实施例1提供的制备方法中每步所得结构的截面示意图。18.图8为本发明实施例1提供的吸盘结构成型模具的电子显微镜图像。19.附图标记说明20.100为中度掺杂硅衬底，101为微米级圆柱阵列，102为吸盘阵列，200为第一材料层，300为二次模具，301为吸盘状空隙，400为第二材料层，500为吸盘结构。具体实施方式21.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。22.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。23.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。24.如上所述，本发明提供一种吸盘结构成型模具的制备方法，该方法可制备出如图1和2所示的结构，具体包括如下步骤。25.首先，提供中度掺杂硅衬底。26.所述中度掺杂硅衬底可以是p型硅衬底或n型硅衬底，晶向可为<100>、<110>或<111>。所述中度掺杂硅衬底的电阻率在1‑50ω·cm区间，优选在1‑10ω·cm区间。27.然后，在所述中度掺杂硅衬底上形成微纳结构阵列。28.所述微纳结构阵列可以是微米级或纳米级的圆柱阵列或方柱阵列。本发明对于所述微纳结构阵列的形成方法没有特别限制，可采用光刻工艺、刻蚀工艺或其结合。刻蚀工艺可为干法刻蚀或湿法刻蚀。干法刻蚀又可为离子铣刻蚀、等离子刻蚀或深反应离子刻蚀。29.在形成所述微纳结构阵列后，对所述中度掺杂硅衬底进行电化学腐蚀，从而将所述微纳结构阵列转化为吸盘阵列，得到吸盘结构成型模具。30.在进行电化学腐蚀反应之前，在所述中度掺杂硅衬底的远离所述微纳结构阵列的表面设置电极。所述电极的设置方法可以是直接在所述中度掺杂硅衬底的远离所述微纳结构阵列的表面放置金属薄片作为电极，或者在该表面形成一层金属薄膜作为电极。所述金属薄膜可为常规的导电金属，例如铝或铜等。所述金属薄膜的形成方法为物理气相沉积法(pvd)。31.电化学腐蚀工艺采用的腐蚀溶液为氢氟酸水溶液，或者氢氟酸与醇类溶剂(如乙醇或丙醇)的混合溶液。本发明对于氢氟酸水溶液中氢氟酸的质量分数没有特别限制，可以是大于0且小于100的任意值，例如10％。本发明对于所述混合溶液中氢氟酸与醇类溶剂的体积比没有特别限制，可以是大于0且小于100的任意值，例如1:3。腐蚀电流为1‑100ma/cm2，优选为10‑50ma/cm2。腐蚀速率可为5‑150nm/s。通过调节电化学腐蚀的腐蚀电流和腐蚀时间，可以方便地调节吸盘阵列的尺寸。当本发明的中度掺杂硅衬底采用n型硅衬底时，需要在光源如卤素灯照射下进行电化学腐蚀反应。32.本发明通过对中度掺杂硅衬底进行电化学腐蚀反应，可实现对微纳结构阵列表面的各向同性抛光，从而将所述微纳结构阵列转化为吸盘阵列，所得吸盘阵列的一致性好。33.优选地，在完成电化学腐蚀反应后，对所得吸盘结构成型模具进行清洗并烘干。34.本发明对于清洗和烘干方法没有特别限制，可使用无水乙醇进行清洗，可在烘箱中进行烘干。35.本发明还提供一种吸盘结构的制备方法，包括采用上述吸盘结构成型模具，通过两次翻模工艺制备吸盘结构。36.所述两次翻模工艺包括：37.填充上述吸盘阵列之间的间隙并覆盖所述吸盘阵列，从而形成第一材料层，脱模后得到具有吸盘状空隙的二次模具；以及38.填充并覆盖所述吸盘状空隙，从而形成第二材料层，脱模得到吸盘结构。39.优选地，在形成所述第一材料层之前，对所述吸盘结构成型模具的表面进行硅烷化处理。可使用例如有机硅烷溶液对所述模具的表面进行硅烷化处理，从而有利于脱模。40.所述第一材料层由柔性材料溶液或刚性材料溶液固化得到。所述第二材料层由柔性材料溶液固化得到。所述柔性材料可为聚二甲基硅氧烷(pdms)或热塑性聚氨酯弹性体(tpu)等。所述刚性材料可为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等。41.优选地，在得到所述二次模具后且在形成所述第二材料层之前，对所述二次模具的表面进行硅烷化处理。可使用例如有机硅烷溶液对所述二次模具的表面进行硅烷化处理，从而有利于脱模。42.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但本发明不限于此。43.实施例144.步骤1：选用<100>晶向的中度掺杂p型硅作为衬底100，电阻率为8ω·cm。45.步骤2：采用匀胶、光刻、深反应离子刻蚀工艺在衬底100上制备出微米级圆柱阵列101，所得结构如图3所示。46.步骤3：在衬底100的远离微米级圆柱阵列101的表面通过物理气相沉积法形成一层厚度为200nm的金属铝作为电化学腐蚀反应的背衬电极。47.步骤4：对衬底100进行电化学腐蚀，实现微米级圆柱阵列101表面的各向同性抛光，从而将微米级圆柱阵列101转化为吸盘阵列102，得到如图4所示的吸盘结构成型模具，其电子显微镜图像如图8所示。其中腐蚀溶液为体积比为1：3的氢氟酸与无水乙醇混合溶液，腐蚀电流设定为10ma/cm2，腐蚀速率为15nm/s。48.步骤5：使用无水乙醇对如图4所示的结构进行清洗并且烘干，之后，对该结构的表面进行硅烷化处理，以便于脱模。49.步骤6：采用聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液通过旋涂工艺填充吸盘阵列102之间的间隙并覆盖吸盘阵列102，从而形成第一材料层200，如图5所示。然后脱模，得到具有吸盘状空隙301的二次模具300，如图6所示。之后，对二次模具300的表面进行硅烷化处理，以便于脱模。50.步骤7：再次采用聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液通过旋涂工艺填充并覆盖吸盘状空隙301，从而形成第二材料层400，如图7所示。然后脱模，得到吸盘结构500，如图1和图2所示。51.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。