一種帶取向性結構的微針尖及其連續輸運液體的方法

一種帶取向性結構的微針尖及其連續輸運液體的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微納制造技術領域，尤其是涉及一種帶取向性結構的微針尖及其連續 輸運液體的方法。
【背景技術】
[0002] 當今時代，大量的機電器件都朝著微小型化的方向發展，從而使得各種設備在輕 量化、便攜化的同時集成更豐富的功能。器件的微小型化對制造、封裝、測試等相關技術提 出了更高的要求。光刻技術可以制造出最小1微米左右的微結構，電子束曝光技術進一步 提高了分辨率，可以制造出幾十納米尺度的納結構。然而這些傳統的自頂向下的制造方法 存在一定的局限性，例如制造立體結構工藝復雜、不適于有機材料諸如含生物細胞或DNA 分子的水溶液等。以3D打印為代表的自底向上的制造方法正在延伸到微米乃至納米尺度， 形成新的前沿熱點研究方向。其中一大類自底向上的制造方法涉及的核心問題是如何定向 地傳輸微量的液體，然后再利用位移裝置及局部固化方法形成圖案或堆疊，從而制造出預 定的微納結構。這類方法中，一次傳輸的液體量就決定了微納制造的分辨率，因此，創造出 能一次轉移更少液體并能連續傳輸的技術就成了一項重要挑戰。
[0003] 傳統的轉移微量液體的方法是基于微管道傳輸的，通過向微管道中的液體施加氣 壓擠出，或使用電場吸引、機械振動、熱氣泡等方法噴射出來。然而這些方法一方面受限于 直徑更小的微管制造困難，另一方面產生高壓強或高電場的設備復雜昂貴。此外，當微管直 徑減小時，堵塞問題就更容易發生。這類方法一般只能產生10 12升以上的液體量（對應于 幾十微米及以上尺度）。Kaisei等人利用在AFM(原子力顯微鏡）的針尖上打孔的方法制 造出了納米微孔，并控制針尖與基底間隙到納米尺度，從而大大降低了電場吸引噴射所需 的電壓，從而制造出了幾十納米尺度的圖案（Kaisei K，Satoh N，Kobayashi K，et al. Nano technology，2011，22 (17) : 175301.)。但該方法需要使用聚焦離子束制造針尖微孔，價格昂 貴，且仍存在易堵塞的難題。Galliker等人通過在液體中加入納米顆粒使得液體更容易被 電場誘射出來的方法，制造出了幾十納米尺度的結構（Galliker P, Schneider J, Eghlidi H, et al. Nature communications, 2012, 3:890.)。但該方法存在需要將所要制造的材料做 成納米顆粒，且對液體電學特性有要求等局限性。
[0004] 近十幾年來，新出現的蘸筆納米印刷技術避開了液體在微管道中輸運的難題，直 接采用針尖蘸取的方法轉移微量物質，形成納米圖案。該項技術最早由Piner等人報道 (Piner R D, Zhu J, Xu F，et al. Science, 1999, 283 (5402): 661-663)，能夠實現分子層厚度 級別的表面化學修飾改性。蘸筆印刷的原理是在針尖表面浸鍍上一層固體涂層，利用針尖 接觸基底時從空氣中吸收水分在接觸點形成液橋，涂層分子溶解到液橋中再轉而沉積到基 底上。它的物質傳輸原理不是直接轉移液體，而且通過接觸點液橋溶解針尖上的固體涂層 分子進行轉移。由于物質傳輸原理的限制，它難以直接轉移足夠量的液體，單次分子級別的 物質轉移量難以直接應用到微納制造中去，因此一般用于表面修飾改性。
[0005] 還有一些其它的利用針尖轉移液體的技術，例如：張錦等人通過利用蘸筆 探針穿透光刻膠涂層的方法實現了催化劑溶液的大量淀積（中國發明專利申請號 2006101131797)，應用于納米材料合成的定位生長；楊興等人通過利用蘸筆探針直接轉移 微量膠滴（中國發明專利申請號2011102957057)解決微納器件的固定連接問題。這些技 術的物質傳輸原理本質上起源于針尖轉移（Pin-Transfer)技術，直接用針尖尖端吸附液 體后接觸目標位置從而轉移液體。一般為了得到更小的液滴，會采用更尖細的針尖，然而 根據表面能最小原理，液滴在錐形微針尖上會在表面張力的作用下（該尺度下可以忽略 重力作用）自發地向較粗的根部運動，直到停留在距尖端有一定距離的位置（Lv C，Chen C, Chuang Y C, et al. Substrate Curvature Gradient Drives Rapid Droplet Motion[J]. Physical review letters, 2014, 113(2) :026101.)。也就是說當尺寸小到微納米尺度時， 液滴不會停留在最尖端，因此，此時如果直接把微針尖的尖端接觸到基底上，是無法把微針 尖上的大液滴輸運下來的。傳統的針尖轉移液滴的方法雖然具有極其簡便的優點，卻因在 微小尺度下表面張力代替重力起控制因素而無法成功轉移液滴，因而被現代一些快速走向 微小型化的工業領域淘汰（非接觸式噴射點膠一一未來的點膠技術（英文）[J].半導體技 術，2004, 03:67-70.)。即使這些技術能夠通過改進，諸如在基底上鋪軟材料薄膜，用針尖 刺穿時，薄膜會接觸到微針尖的液滴從而吸引下來，或者采用粘附性強、遲滯大的膠水等方 案，也難以具有廣泛的適用性，且轉移時會存在要么轉移不下來，要么一下子就把大部分液 滴轉移下來了，即均一性與連續性差的問題，不能勝任超精密的制造。
[0006] 目前微納制造技術領域仍迫切需要一種更為簡便、不易堵塞、跨越微米到納米尺 度的方法來連續輸運微量液體進行自底向上的制造。因此，本發明提出一種帶取向性結構 的微針尖及其連續輸運液體的方法。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提出一種帶取向性結構的微針尖及其連續輸運液體的方法。
[0008] -種帶取向性結構的微針尖，其特征在于，微針尖呈尖端細而根部粗的錐形，微針 尖的表面制作有取向性的微納溝槽狀結構，微納溝槽狀結構貫通到微針尖的最尖端，微針 尖的最尖端的曲率圓半徑不超過20微米，微納溝槽狀結構的平均寬度及平均深度介于20 納米到5微米，微針尖表面的微納溝槽狀結構的取向性具體為微納溝槽狀結構與微針尖的 軸向方向一致或平均夾角小于45度。
[0009] -種利用帶取向性結構的微針尖的連續輸運液體的方法，其特征在于，包括如下 步驟：
[0010] 1)在帶有微納溝槽狀結構的微針尖上放置或補充液滴，液滴在表面張力的作用下 自發運動到微針尖的儲液位置；
[0011] 2)帶有液滴的微針尖在移動裝置的控制下運動到目標位置，與目標位置形成點接 觸狀態；
[0012] 3)液滴在微針尖表面的微納溝槽狀結構的毛細作用力作用下，由微針尖的儲液位 置順著微針尖向下流淌至目標位置的基底上。
[0013] 所述移動裝置控制微針尖運動，液滴在目標位置的基底上經固化及堆疊形成圖案 或立體結構。
[0014] 所述點接觸狀態通過力反饋裝置或電學測量裝置監測，微針尖與目標位置之間點 接觸時的接觸力、接觸時間通過力反饋裝置或電學測量裝置控制。
[0015] 所述微針尖與目標位置之間點接觸時的接觸力、接觸時間以及微針尖的最尖端的 曲率圓半徑決定液滴的輸送速率與體積。
[0016] 所述在帶有微納溝槽狀結構的微針尖上放置或補充液滴的方法為吸引式放置液 滴法或點滴式放置液滴法或輸運式補充液滴法。
[0017] 所述吸引式放置液滴法為直接將微針尖的最尖端浸入被輸運的液體中后再抽拔 出來，微針尖上附著的液滴在表面張力作用下自發運動到微針尖的儲液位置。
[0018] 所述點滴式放置液滴法為通過栗、閥、或噴射方法直接將液滴放置到微針尖的儲 液位置。
[0019] 所述輸運式補充液滴法將一個微管套到微針尖上，微管的內表面與微針尖的外表 面之間形成補充液體輸運通道，利用壓力使液體通過補充液體輸運通道被輸運到微針尖的 儲液位置。
[0020] 所述液滴為水滴或有機溶劑或液態金屬或可固化膠水；當液滴為可固化膠水時， 固化方法選用時間固化法或加熱固化法或光固化法；時間固化法適用于可固化膠水自然蒸 發固化或可固化膠水的組成成分化學反應固化的情況；液滴的觀察通過微納觀察裝置實 現，微納觀察裝置選用光學成像顯微鏡或掃描探針顯微鏡或環境掃描電子顯微鏡。
[0021] 所述目標位置的基底進行了增大表面固液遲滯角的表面處理。
[0022] 所述增大表面固液遲滯角的表面處理的方法選用氧氣等離子體清洗法或空氣等 離子體清洗法。
[0023] 所述液滴、微針尖、微針尖表面的微納溝槽狀結構、目標位置的基底之間滿足關系 式：
[0025] 其中，r為微針尖表面的微納溝槽狀結構的平均粗糙度，對于寬為w、平均深度為$ 的矩形截面微納溝槽狀結構，
Θ Uquid 為液滴與微針尖所用材料之間的固液 本征接觸角；Θ 液滴與目標位置的基底所用材料之間的固液本征接觸角。
[0026] 本發明的有益效果是提出一種帶取向性結構的微針尖及其連續輸運液體的方法， 通過微針尖表面的