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制造微結(jié)構(gòu)的方法

文檔序號(hào):4440133閱讀:253來源:國知局
專利名稱:制造微結(jié)構(gòu)的方法
制造微結(jié)構(gòu)的方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2009年2月17日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)61/153,0 的優(yōu)先權(quán);上述在先申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引證的方式納入本說明書中。
背景技術(shù)
本發(fā)明屬于鑄造/模塑方法的領(lǐng)域。本發(fā)明總體涉及制造模塑或鑄造的微結(jié)構(gòu)物體的方法。鑄造和模塑方法很長時(shí)間以來被用于生產(chǎn)和復(fù)制物體。通常,在鑄造或模塑過程中生產(chǎn)出物體的負(fù)像;也即,凹進(jìn)的特征被復(fù)制為凸出的特征,反之亦然。于是,通過鑄造或模塑來復(fù)制物體或特征通常需要至少兩個(gè)步驟。第一步,圍繞母體物體或在其上制造出模型或模板,制造出主體的負(fù)像。對(duì)于鑄造方法,模型或模板被填充入最終產(chǎn)物材料,制造出該模型或模板的負(fù)像,得到與母體大體類似的最終產(chǎn)物。在模塑方法中,模型或模板被壓印到最終產(chǎn)物材料上而母體的輪廓就被復(fù)制到最終產(chǎn)物上。或者,所需最終產(chǎn)物的負(fù)像也可以直接制造并用于鑄造、模塑或壓印過程。然而,直到最近,鑄造和模塑方法才被用于微結(jié)構(gòu)物體。只有少數(shù)的美國專利和專利申請(qǐng)公開文本公開了鑄造或模塑的微結(jié)構(gòu)物體。例如,美國專利申請(qǐng)公開文本 US 2006/016^96公開了通過一次性蠟?zāi)>邅硇纬晌⒔Y(jié)構(gòu)的金屬表面的方法。美國專利 NO. 5,735,985公開了陶瓷微觀尺度物體例如一種微觀模塑一體化陶瓷反光鏡的一種高壓壓模方法。美國專利No. 7,237,337公開了一種含有通過注塑或印刷制得的微結(jié)構(gòu)毛細(xì)管層的散熱裝置。美國專利No. 7,410,606公開了一種微結(jié)構(gòu)物體的鑄造方法,該方法采用的模具由多個(gè)薄層堆疊以形成所需的微觀模具而制成。

發(fā)明內(nèi)容
此處所描述的是可用于制造微結(jié)構(gòu)物體的鑄造和模塑方法。通過在物體的表面包含多個(gè)微觀特征,可以賦予物體以其它的特性,例如增強(qiáng)的疏水性。此處所描述的一些鑄造和模塑方法還可以制造同時(shí)具有微觀特征和宏觀特征的物體,例如處于宏觀特征或所選擇的宏觀特征區(qū)域之上或之內(nèi)的微觀特征。在一個(gè)實(shí)施方案中,一種制造微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的方法包含以下幾個(gè)步驟制造微結(jié)構(gòu)原型;由該微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠,從而制造出微結(jié)構(gòu)橡膠;由該微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷, 從而制造出微結(jié)構(gòu)陶瓷;由該微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造金屬,從而制造出微結(jié)構(gòu)金屬;然后由該微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑最終產(chǎn)物材料,從而制造出微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物。對(duì)于一些實(shí)施方案,微結(jié)構(gòu)原型包含尺寸選自IOnm到100 μ m范圍內(nèi)的第一組特征,以及尺寸在IOOym及更大范圍,例如選自100 μ m到lm,Imm至Ij lm,Icm至Ij lm,或5cm至Ij Im范圍內(nèi)的第二組特征。在一些實(shí)施方案中,微觀特征的間距選自IOnm到100 μ m范圍內(nèi)。對(duì)于一些實(shí)施方案,微結(jié)構(gòu)原型包含多個(gè)微觀特征,例如尺寸選自IOnm到100 μ m 范圍內(nèi)的特征,以及一個(gè)或多個(gè)宏觀特征,例如尺寸在100 μ m和更大范圍,如選自100 μ m 到Im范圍內(nèi)的特征。任選地,至少有一部分微觀特征被置于該微結(jié)構(gòu)原型的曲面上。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中,至少一部分微觀特征坐落于宏觀尺度特征之上和/或之中。在一個(gè)更具體的實(shí)施方案中,80%到100%的宏觀尺度特征的表面積被具有預(yù)選擇的圖案的微觀特征所覆蓋。在一個(gè)實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)原型的特征以高重現(xiàn)精度被復(fù)制到橡膠中,例如復(fù)制重現(xiàn)精度選自50%到100%。該方法的一個(gè)可選步驟包括在鑄造前向微結(jié)構(gòu)原型的表面施加脫模劑,例如選自以下物質(zhì)的脫模劑mapfin、石蠟、聚硅氧烷、合成蠟、礦物油、聚四氟乙烯、含氟聚合物、硅烷、硫醇以及它們的任意組合。這些以及本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知的其他脫模劑有助于將鑄造的橡膠與原型彼此分離。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)原型包含具有預(yù)選擇的圖案的微觀特征。在一些實(shí)施方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案在鑄造或模塑過程中被轉(zhuǎn)移和/或復(fù)制。在具體實(shí)施方案中,該預(yù)選擇圖案在多步驟的鑄造和/或模塑過程中的每一步都被轉(zhuǎn)移和/或復(fù)制,例如在橡膠鑄造步驟中、陶瓷鑄造步驟中、金屬鑄造步驟中和/或最終產(chǎn)物模塑或鑄造步驟中。在一個(gè)例示性實(shí)施方案中,預(yù)選擇圖案為微觀特征的規(guī)則排列。在另一實(shí)施方案中,預(yù)選擇圖案包括了微觀特征具有第一間距的區(qū)域和微觀特征具有第二間距的區(qū)域,所述第二間距例如比第一間距大。這里所用的術(shù)語“間距”指的是相鄰微觀特征之間的距離。在一個(gè)實(shí)施方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案包括具有第一橫截面形狀的微觀特征的區(qū)域,以及具有第二橫截面形狀的微觀特征的區(qū)域,所述第二橫截面形狀例如不同于第一橫截面形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案包括了具有多種橫截面形狀的微觀特征的區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案為兩個(gè)或多個(gè)具有兩種或多種橫截面形狀的微觀特征的陣列。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,該兩個(gè)或多個(gè)陣列并排放置,也就是兩個(gè)陣列不交疊。在另一具體實(shí)施方案中,該兩個(gè)或多個(gè)陣列交疊放置,并且具有兩種或多種橫截面形狀的微觀特征散布在交疊的陣列中。在一個(gè)實(shí)施方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案包括多種尺寸的微觀特征,例如雙峰或多重峰的尺寸分布。在一個(gè)例示性方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案包括第一組微觀特征, 其尺寸選自IOnm到1 μ m,以及第二組微觀特征,其尺寸選自1 μ m到100 μ m。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,微觀特征的尺寸,形狀和位置預(yù)選擇為具有微米或納米級(jí)的準(zhǔn)確度或精度。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,在預(yù)選擇圖案中的每一個(gè)微觀特征具有同樣的尺寸。在另一實(shí)施方案中,至少一部分在預(yù)選擇圖案中的微觀特征具有不同的尺寸。在一些實(shí)施方案中,至少一部分在預(yù)選擇圖案中的微觀特征的高度/深度寬度比選自1 2到7 1范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,微觀特征的預(yù)選擇圖案被設(shè)計(jì)為賦予物體以具體的物理特性。例如微觀特征的有序陣列可以使物體的表面具有超疏水性??赏ㄟ^微觀特征的預(yù)選擇圖案調(diào)節(jié)和賦予的物理特性包括,但不僅限于疏水性;親水性;自清潔能力;流體和/或空氣動(dòng)力學(xué)阻力系數(shù);光學(xué)效應(yīng)如棱鏡效應(yīng),特定色彩和方向依賴性色彩變化;觸覺效應(yīng); 抓地力(grip);以及表面摩擦系數(shù)。總體而言,此處所描述的方法可被用于制造微結(jié)構(gòu)物體,包括模具,原型,初始物體,母體物體和最終產(chǎn)物。一種用于制造微結(jié)構(gòu)物體的這方面的方法包含以下步驟制造微結(jié)構(gòu)原型;由該微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠,從而制造出具有橡膠微觀特征的微結(jié)構(gòu)橡膠。在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)原型可以重復(fù)使用,并被用于鑄造多個(gè)微結(jié)構(gòu)橡膠物體。例如,在一個(gè)微結(jié)構(gòu)橡膠物體被從微結(jié)構(gòu)原型上鑄造并分離后,該微結(jié)構(gòu)原型可以再次用來鑄造其它的微結(jié)構(gòu)橡膠物體。另一種鑄造方法還包含由該微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷、從而制造出包含陶瓷微觀特征的微結(jié)構(gòu)陶瓷的步驟。在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)橡膠可以重復(fù)使用,并被用于鑄造多個(gè)微結(jié)構(gòu)陶瓷物體。例如,在一個(gè)微結(jié)構(gòu)陶瓷被從微結(jié)構(gòu)橡膠上鑄造并分離后,該微結(jié)構(gòu)橡膠可以再次用來鑄造其它的微結(jié)構(gòu)陶瓷物體。在一個(gè)實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)橡膠包含多個(gè)微觀特征和/或一個(gè)或多個(gè)宏觀特征。任選地,至少有一部分橡膠微觀特征被置于微結(jié)構(gòu)橡膠的曲面上。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中,至少一部分微觀特征坐落于宏觀尺度特征之上或之中。 在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)橡膠的特征以高重現(xiàn)精度被復(fù)制到陶瓷中,例如復(fù)制重現(xiàn)精度選自50%到100%。任選地,在鑄造前向微結(jié)構(gòu)橡膠的表面施加脫膠劑,例如選自以下物質(zhì)的脫膠劑水、肥皂、石蠟、聚硅氧烷、合成蠟、礦物油、聚四氟乙烯、含氟聚合物、硅烷、硫醇以及它們的任意組合。這些以及本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所熟知的其他脫膠劑有助于將鑄造的陶瓷與橡膠彼此分離。另一種鑄造方法還包含由微結(jié)構(gòu)的陶瓷鑄造金屬、從而制造出包含金屬微觀特征的微結(jié)構(gòu)金屬的步驟。在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)陶瓷可以重復(fù)使用,并被用于鑄造多個(gè)微結(jié)構(gòu)金屬物體。例如,在一個(gè)微結(jié)構(gòu)金屬物體被從微結(jié)構(gòu)陶瓷上鑄造并分離后,該微結(jié)構(gòu)陶瓷可以再次用來鑄造其它的微結(jié)構(gòu)金屬物體。在一個(gè)實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)陶瓷包含多個(gè)微觀特征和/或一個(gè)或多個(gè)宏觀特征。任選地,至少有一部分陶瓷微觀特征被置于微結(jié)構(gòu)陶瓷的曲面上。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中,至少一部分微觀特征坐落于宏觀尺度特征之上或之中。在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)陶瓷的特征以高重現(xiàn)精度被復(fù)制到金屬中,例如復(fù)制重現(xiàn)精度選自50%到100%。另一種鑄造方法另外包含由微結(jié)構(gòu)的金屬鑄造或模塑最終產(chǎn)物材料、從而制造出包含最終產(chǎn)物材料微觀特征的微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的步驟。在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)金屬可以重復(fù)使用,并被用于鑄造或模塑多個(gè)微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物。例如,在一個(gè)微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物被從微結(jié)構(gòu)金屬上鑄造或模塑并分離后,該微結(jié)構(gòu)金屬可以再次用來鑄造其它的微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)金屬包含多個(gè)微觀特征和/或一個(gè)或多個(gè)宏觀特征。任選地,至少有一部分金屬微觀特征被置于微結(jié)構(gòu)金屬的曲面上。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中,至少一部分微觀特征坐落于宏觀尺度特征之上或之中。在一些實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)金屬的特征以高重現(xiàn)精度被復(fù)制到最終產(chǎn)物中,例如復(fù)制重現(xiàn)精度選自50%到100%。在一些實(shí)施方案中,最終產(chǎn)物包含多個(gè)微觀特征和/或一個(gè)或多個(gè)宏觀特征。任選地,至少有一部分最終產(chǎn)物材料微觀特征被置于微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的曲面上。對(duì)于一些實(shí)施方案,鑄造的微結(jié)構(gòu)物體的特征包括一個(gè)具有粗糙度的附加層,例如鑄造材料本身固有的粗糙度和/或包含尺寸比鑄造的特征小的特征。在一個(gè)實(shí)施方案中,具有粗糙度的附加層對(duì)應(yīng)于組成陶瓷鑄造材料的顆粒的尺寸。在一個(gè)例示性實(shí)施方案中,鑄造材料包含尺寸小于鑄造的物體特征的顆粒。在具體實(shí)施方案中,鑄造材料包含直徑選自Inm到100 μ m的球形顆粒。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中,鑄造材料的顆粒的尺寸小于鑄造的特征的尺寸的十分之一。在一個(gè)實(shí)施方案中,當(dāng)一個(gè)鑄造物體包括一個(gè)具有粗糙度的附加層時(shí),該具有粗糙度的附加層在隨后的鑄造過程中被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)鑄造物體。例如,當(dāng)一個(gè)微結(jié)構(gòu)陶瓷包括一個(gè)具有粗糙度的附加層時(shí),該粗糙度被復(fù)制到由該微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造的微結(jié)構(gòu)金屬中。在另一個(gè)實(shí)施方案中,一個(gè)含有具有粗糙度的附加層的微結(jié)構(gòu)金屬將該具有粗糙度的附加層轉(zhuǎn)移到由該微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑的最終產(chǎn)物中。在實(shí)施方案中,一個(gè)有用的微結(jié)構(gòu)物體包含多個(gè)微觀特征,例如所述特征包括,但不僅限于孔,柱,階梯,脊,彎曲區(qū)域,升高區(qū)域,凹進(jìn)區(qū)域,其它微觀制造領(lǐng)域技術(shù)人員已知的標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀以及上述特征的任意組合。任選地至少一部分微觀特征處于微結(jié)構(gòu)物體的曲面上。在具體實(shí)施方案中,該多個(gè)微觀特征具有選自IOnm到100 μ m范圍內(nèi)的尺寸,例如高度,寬度和/或長度。對(duì)于微觀特征有用的橫截面包括,但不僅限于圓形,橢圓形,三角形,正方形,矩形,多邊形,星形,六邊形,字母,數(shù)字,數(shù)學(xué)符號(hào),其它微觀制造領(lǐng)域技術(shù)人員已知的幾何形狀以及上述形狀的任意組合。在一個(gè)實(shí)施方案中,一個(gè)有用的微結(jié)構(gòu)物體包含一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征,例如所述特征包括,但不僅限于管道,凹槽,突起,脊,凹進(jìn)區(qū)域,升高區(qū)域,彎曲區(qū)域和上述特征的任意組合或其它有用的宏觀尺度特征。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,該宏觀尺度特征的尺寸在100 μ m及更大范圍,例如選自100 μ m到lm,Imm到lm,Icm至Ij lm,或5cm至Ij Im范圍內(nèi)。本申請(qǐng)還將提供制造微結(jié)構(gòu)原型的方法。在一個(gè)具體方法中,制造一個(gè)微結(jié)構(gòu)原型包含提供一個(gè)原型;將一種微結(jié)構(gòu)聚合物附著到該原型的表面的至少一部分上。對(duì)于一些實(shí)施方案,該微結(jié)構(gòu)的聚合物包括微觀特征的一種預(yù)選擇圖案。例如,微結(jié)構(gòu)的聚合物可包含一種平版印刷圖案化的柔性聚合物和/或由下述方法制得的圖案,該方法包括,但不僅限于微圖案化技術(shù)如光蝕刻,光切除,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,附著步驟包含將微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分折彎,并將微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分插入和/或附著到原型的宏觀尺度特征之中和/或之上。在一個(gè)實(shí)施方案中,柔性聚合物為柔性彈性體。在這方面的一個(gè)具體實(shí)施方案中,制造微結(jié)構(gòu)原型包含以下步驟提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將一種未固化的柔性聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;固化該聚合物,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化的半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;然后使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面一致。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,原型為大面積的原型。對(duì)于一些實(shí)施方案,需要多個(gè)微結(jié)構(gòu)柔性聚合物部分來覆蓋大面積原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征。在一個(gè)實(shí)施方案中,柔性聚合物為柔性彈性體。在這方面的另一個(gè)實(shí)施方案中,制造微結(jié)構(gòu)原型包含以下步驟提供一個(gè)原型; 將未固化聚合物沉積到原型的至少一部分表面上;將一種微結(jié)構(gòu)聚合物附著到一個(gè)宏觀模具的至少一部分表面上;使宏觀模具和微結(jié)構(gòu)聚合物與原型和未固化聚合物相接觸;加熱加壓使未固化聚合物固化;從原型和固化聚合物中釋放宏觀模具和微結(jié)構(gòu)聚合物。對(duì)于一些實(shí)施方案,該微結(jié)構(gòu)聚合物包括微觀特征的一種預(yù)選擇圖案。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,該微結(jié)構(gòu)聚合物包括一種平版印刷圖案化的柔性聚合物。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,附著步驟包括將微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分折彎,并將微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分插入和/或附著到宏觀模具的宏觀尺度特征之中和/或之上。在這方面的一個(gè)具體實(shí)施方案中,制造微結(jié)構(gòu)原型包含以下步驟提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將未固化的第一聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;使第一聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化的半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的宏觀模具;使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與宏觀模具的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面一致;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;將未固化的第二聚合物沉積到原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面上;使宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型和未固化第二聚合物相接觸;使第二聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)第二聚合物;從原型和微結(jié)構(gòu)第二聚合物中釋放宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中,制造微結(jié)構(gòu)原型包含提供一個(gè)原型,然后采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將原型圖案化。采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將原型圖案化的可用的方法包括, 但不僅限于鉆孔;碾磨;離子碾磨;機(jī)加工;放電機(jī)加工;電鍍;噴墨印刷;電流體力學(xué)噴墨印刷;等離子體刻蝕;化學(xué)腐蝕;光蝕刻;X射線蝕刻;電子束蝕刻;軟蝕刻;模壓;沖壓模塑;鍛造;采用等離子體、氣體或液體蝕刻;探針顯微術(shù);原子力顯微術(shù);納米壓痕顯微術(shù) (nano-indentation microscopy);化學(xué)汽相沉積;物理汽相沉積;蒸發(fā);靜電紡絲;以及將微纖維或絲束織到表面上或表面中。這些和其它圖案化方法可以另外與上述采用聚合物的方法相結(jié)合;例如,聚合物和/或原型可以直接采用上述任何方法圖案化。在半導(dǎo)體晶片被圖案化的實(shí)施方案中,可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法。對(duì)于某些實(shí)施方案,半導(dǎo)體晶片包括一層光致抗蝕劑。這里所使用的圖案化半導(dǎo)體晶片是指具有直接賦予半導(dǎo)體材料之中的圖案的半導(dǎo)體晶片,具有未圖案化的半導(dǎo)體材料和圖案化的表層的半導(dǎo)體晶片,和/或具有圖案化的半導(dǎo)體材料和圖案化的表層的半導(dǎo)體晶片。具體圖案化方法包括,但不僅限于光蝕刻,光切除,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻。半導(dǎo)體晶片圖案化方法也包括腐蝕方法和對(duì)表層例如光致抗蝕劑層圖案化有用的方法。不希望受任何具體理論的束縛,關(guān)于本發(fā)明的基本原理的理念與理解會(huì)有一些討論。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,不管任何機(jī)械學(xué)解釋與假設(shè)最終正確與否,本發(fā)明的實(shí)施方案是可操作的并有用的。


圖1提供了一種制造微結(jié)構(gòu)物體的方法的總覽。圖2展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)原型的詳細(xì)情況,帶有表面微觀特征的放大圖。圖3展示了由微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠。圖4展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)橡膠的詳細(xì)情況,帶有表面微觀特征的放大圖。圖5展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)橡膠的圖像,帶有橡膠微觀特征的放大圖像。圖6展示了由微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷。圖7展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)陶瓷的詳細(xì)情況,帶有表面微觀特征的放大圖。圖8展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)陶瓷的圖像,帶有陶瓷微觀特征的放大圖像。圖9展示了由微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造金屬。圖10展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)金屬的詳細(xì)情況,帶有表面微觀特征的放大圖。圖11展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)金屬的圖像,帶有金屬微觀特征的放大圖像。
圖12展示了由微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑的最終產(chǎn)物。圖13展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的詳細(xì)情況,帶有表面微觀特征的放大圖。圖14展示了最終產(chǎn)物微觀特征的放大圖像。圖15展示了各種形狀的最終產(chǎn)物微觀特征的放大圖像。圖16展示了附著到原型上的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物。圖17展示了組合的微結(jié)構(gòu)原型。圖18展示了一個(gè)微結(jié)構(gòu)原型的圖像,帶有柔性聚合物微觀特征的放大圖像。圖19展示了附著到宏觀模具上的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物。圖20展示了附著到原型上的未固化聚合物。圖21展示了帶有附著的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的宏觀模具對(duì)附著到原型上的未固化聚合物進(jìn)行模塑。圖22展示了帶有固化的微結(jié)構(gòu)聚合物的原型,該聚合物被帶有附著的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的宏觀模具模塑。圖23展示了直接模塑的微結(jié)構(gòu)原型的圖像,帶有固化聚合物的微觀特征的放大圖像。圖M提供了對(duì)柔性聚合物圖案化的方法的總覽。圖25展示了微結(jié)構(gòu)柔性聚合物附著到一個(gè)結(jié)構(gòu)上的詳細(xì)情況。圖沈提供了微結(jié)構(gòu)鋁制物體的圖像。
具體實(shí)施例方式一般來說這里所用的術(shù)語和短語具有其在本領(lǐng)域中公知的含義,可以在標(biāo)準(zhǔn)、期刊參考文獻(xiàn)和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的文章中找到。下列定義被提供用于闡明它們?cè)诒景l(fā)明中的具體應(yīng)用?!拔⒔Y(jié)構(gòu)物體”指的是具有多個(gè)微觀特征的物體。具體微結(jié)構(gòu)物體包括微結(jié)構(gòu)原型,微結(jié)構(gòu)橡膠,微結(jié)構(gòu)陶瓷,微結(jié)構(gòu)金屬和微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物?!邦A(yù)選擇圖案”指的是有組織、有構(gòu)思或有計(jì)劃的物體的排列。例如,微觀特征的預(yù)選擇圖案可以是微觀特征的有序陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中,預(yù)選擇圖案不是隨機(jī)的和/或統(tǒng)計(jì)學(xué)的圖案?!拌T造”是指一種制造方法,其中將一種液體材料或一種漿體倒入或以其它方式提供到一個(gè)模具或其它初始物體的里面、上面和/或周圍,例如用于將模具或初始物體的特征復(fù)制到鑄造材料中。鑄造方法一般包括一個(gè)冷卻或固化過程,使鑄造材料和/或前體材料固化和/或變成固態(tài)或剛性。一些鑄造方法還包括一個(gè)最終燒結(jié)、加熱或烘焙步驟使“生坯”或未最終固化的物體固化。對(duì)于一些鑄造方法,模具或初始物體的特征在鑄造材料固化過程中被引入鑄造材料。在具體實(shí)施方案中,材料如橡膠,陶瓷和/或金屬由與液體或漿體材料相容的模具或初始物體鑄造;所述相容也即當(dāng)與液體或漿體材料相接觸時(shí)所述模具或初始物體不會(huì)變形、熔化和/或損壞?!澳K堋被颉皼_壓”是指這樣一種制造過程,其中通過采用一個(gè)剛性模具或其它初始物體使材料成形或強(qiáng)制獲得一種圖案。模塑方法一般包括將模具或初始物體與要模塑的材料相接觸,并對(duì)模具、初始物體和/或要模塑的材料施加一個(gè)力。對(duì)于一些模塑方法,模具或初始物體的特征在模塑過程中被復(fù)制到要模塑的材料上。在具體實(shí)施方案中,最終產(chǎn)物, 如橡膠,通過圖案化的金屬物體模塑?!懊撃笔侵敢活愇镔|(zhì),其用于鑄造橡膠的模具或初始物體的表面,以改善和/或幫助鑄造橡膠從模具或初始物體脫離。具體的脫模劑包括選自以下物質(zhì)的材料mapfin、石蠟、聚硅氧烷、合成蠟、礦物油、聚四氟乙烯、含氟聚合物、硅烷、硫醇、其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的脫模劑以及它們的任意混合物。有些脫模劑還可用作脫膠劑。“脫膠劑”是指這樣一類物質(zhì),其用于鑄造陶瓷的模具或初始物體的表面,以改善和/或幫助鑄造陶瓷從模具或初始物體脫離。具體的脫膠劑包括選自以下物質(zhì)的材料水、 肥皂、石蠟、聚硅氧烷、合成蠟、礦物油、聚四氟乙烯、含氟聚合物、硅烷、硫醇、其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的脫膠劑以及它們的任意組合。有些脫膠劑還可用作脫模劑?!白罱K產(chǎn)物”是指在一系列制造步驟最后形成的物體。一些最終產(chǎn)物適于用在隨后的制造過程中。但是,其它最終產(chǎn)物還需要另外加工,例如著色或其它最終程序。一些最終產(chǎn)物在所述一系列制造步驟的最后達(dá)到它們的最終形式,因而適合出售或用于它們預(yù)期的用途。具體的最終產(chǎn)物包括,但不限于可模塑物體;體育用品如把手,棒球球棒,高爾夫球棒,足球,籃球;烹飪器具;廚房用品;浴室用具如馬桶,水槽,瓷磚,浴盆,淋浴簾;手持控制器,如用于操作游戲或設(shè)備;瓶子;電腦鍵盤;電腦鼠標(biāo);珠寶;鞋;腰帶;頭盔;管,包括內(nèi)表面和外表面;蠟燭;玻璃罐和罐蓋;糖;渦輪葉片;泵轉(zhuǎn)子;散熱片;徽章;窗戶;軟管;冷卻器;輪胎;輪胎面;輪子;和聚合物板?!霸汀笔侵缸鳛殡S后的模塑或鑄造過程的基礎(chǔ)的物體。在一個(gè)例示性實(shí)施方案中,原型被構(gòu)造為模仿或包含最終鑄造或模塑的物體或最終產(chǎn)物的特征。“柔性”是指物體的一種性質(zhì),該物體能夠以可逆的方式變形從而所述物體或材料在變形時(shí)不會(huì)損壞,所述損壞如裂縫、斷裂或非彈性變形。柔性聚合物對(duì)于本申請(qǐng)所述的方法很有用。具體的柔性聚合物包括,但不僅限于橡膠(包括天然橡膠,丁苯橡膠,聚丁二烯橡膠,氯丁橡膠,乙丙橡膠,丁基橡膠,丁腈橡膠,硅橡膠),丙烯酸類聚合物,尼龍,聚碳酸酯,聚酯,聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯,聚氯乙烯,聚烯烴,彈性體和其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的柔性聚合物。在某些實(shí)施方案中,柔性物體或材料可經(jīng)受選自到1300%,10%到 1300%,或100%到1300%的應(yīng)變而不會(huì)導(dǎo)致力學(xué)破壞(如斷裂,裂縫或非彈性變形)。在一些實(shí)施方案中,柔性物體或材料可變形至選自100 μ m到: 范圍內(nèi)的曲率半徑而不會(huì)導(dǎo)致力學(xué)破壞(如斷裂,裂縫或非彈性變形)?!昂暧^模具”是指在模塑,鑄造或接觸過程中用于成形或模塑物體的物體模具。在一些實(shí)施方案中,采用宏觀模具同時(shí)使物體在宏觀尺度上成形,例如其中特征大于1mm、如 Imm到lm、lcm到lm、或5cm到lm,并賦予物體表面以微觀特征。“初始物體”是指用于鑄造或模塑過程的物體,所鑄造或模塑的物體從上述物體得到其形狀、圖案和/或特征。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,初始物體指的是原型或母體物體;但是,初始物體也可以是所鑄造或模塑的物體在鑄造或模塑過程中由其得到形狀、圖案和/ 或特征的任何物體?!拌T造物體”是指在鑄造過程中形成,并由固化和/或冷卻的液體、漿體和/或前體材料制得的物體。“微觀特征”或“微結(jié)構(gòu)”是指在物體或模具表面的特征,其平均寬度、深度、長度和/或厚度在IOOym或更小、或選自IOnm到IOOym的范圍,例如IOnm到10 μ m,或IOnm到 Ium0在某些實(shí)施方案中,微觀特征坐落于物體的至少一部分較大尺度特征(例如宏觀尺度特征)之上和/或之中,微觀特征覆蓋所述較大尺度特征的至少一部分表面積。在一些實(shí)施方案中,微觀特征包括凸出特征。在一些實(shí)施方案中,微觀特征包括凹進(jìn)特征?!昂暧^尺度特征”是指在物體或模具表面的這樣的特征,其平均寬度、深度、長度和 /或厚度在100 μ m或更大、例如Imm或更大、5mm或更大、Icm或更大、5cm或更大的范圍內(nèi), 或選自ΙΟΟμ 到lm,lmm到lm,lcm到Im或5cm到Im的范圍。在一些實(shí)施方案中,宏觀尺度特征包括凸出特征。在一些實(shí)施方案中,宏觀尺度特征包括凹進(jìn)特征?!爸噩F(xiàn)精度”是指鑄造或模塑的物體的質(zhì)量;重現(xiàn)精度還可以指在鑄造或模塑過程中特征能被復(fù)制到鑄造或模塑的物體上的能力?!案咧噩F(xiàn)精度”具體是指在鑄造或模塑過程中模具或初始物體的大部分特征被復(fù)制到鑄造或模塑的物體上的情況,例如50%到100% 的特征,75%到100%的特征,90%到100%的特征,或100%的特征?!皬?fù)制”是指在鑄造和/或模塑過程中特征被轉(zhuǎn)移和/或再產(chǎn)生的情況。復(fù)制的特征與其鑄造或模塑來源的原特征通常類似,除了復(fù)制的特征表現(xiàn)為原特征的負(fù)像的情況; 也即是,原特征為凸起特征的地方,復(fù)制特征為凹進(jìn)特征,原特征為凹進(jìn)特征的地方,復(fù)制特征為凸起特征。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,母體物體中的微柱被復(fù)制為鑄造物體中的微孔, 而母體物體中的微孔被復(fù)制為鑄造物體中的微柱?!熬酆衔铩笔侵赣赏ㄟ^共價(jià)化學(xué)鍵連接的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成的大分子或一種或多種單體的聚合產(chǎn)物,通常特征為高分子量。術(shù)語“聚合物”包括均聚物,或主要由單獨(dú)一種重復(fù)單體子單元組成的聚合物。術(shù)語“聚合物”也包括共聚物,或主要由兩種或多種單體子單元組成的聚合物,如無規(guī)、嵌段、交替、多嵌段、接枝、組成遞變和其它共聚物。在本發(fā)明中有用的聚合物可以是有機(jī)聚合物或無機(jī)聚合物,可以是無定型、半無定型、結(jié)晶或部分結(jié)晶狀態(tài)。含有連接的單體鏈的交聯(lián)聚合物在本發(fā)明的一些應(yīng)用中特別有用。在本發(fā)明的方法、裝置和裝置組件中有用的聚合物包括,但不僅限于塑料,彈性體,熱塑性彈性體,彈性塑料, 熱固性塑料,熱塑性塑料和丙烯酸酯。例示性聚合物包括,但不僅限于乙縮醛聚合物,生物可降解聚合物,纖維素聚合物,含氟聚合物,尼龍,聚丙烯腈聚合物,聚酰胺-酰亞胺聚合物,聚酰亞胺,聚芳基化合物,聚苯并咪唑,聚丁烯,聚碳酸酯,聚酯,聚醚酰亞胺,聚乙烯,聚乙烯共聚物和改性聚乙烯,聚酮,聚甲基丙烯酸甲酯,聚甲基戊烯,聚苯醚和聚苯硫醚,聚鄰苯二甲酰胺,聚丙烯,聚氨酯,苯乙烯樹脂,砜基樹脂,乙烯基樹脂,橡膠(包括天然橡膠,丁苯橡膠,聚丁二烯橡膠,氯丁橡膠,乙丙橡膠,丁基橡膠,丁腈橡膠,硅橡膠),丙烯酸類聚合物,尼龍,聚碳酸酯,聚酯,聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯,聚氯乙烯,聚烯烴,或以上物質(zhì)的任何組合。例示性彈性體包括,但不僅限于含硅聚合物如聚硅氧烷,包括聚二甲基硅氧烷(即 PDMS和h-PDMQ,聚甲基硅氧烷,部分烷基化聚甲基硅氧烷,聚烷基甲基硅氧烷和聚苯基甲基硅氧烷,硅改性彈性體,熱塑性彈性體,苯乙烯材料,烯烴材料,聚烯烴,聚氨酯熱塑性彈性體,聚酰胺,合成橡膠,聚異丁烯,聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯,聚氨酯,聚氯丁二烯和硅樹脂。在一個(gè)實(shí)施方案中,柔性聚合物為柔性彈性體?!疤沾伞笔侵敢环N在加熱和/或干燥過程中固化的無機(jī)非金屬材料。這里所用的術(shù)語陶瓷包括生坯和最終固化的陶瓷材料。在一些實(shí)施方案中,一些陶瓷和陶瓷前體在下一個(gè)處理或應(yīng)用之前先經(jīng)歷一個(gè)最終固化步驟(例如燒結(jié),加熱或烘焙)。具體的陶瓷包括,但不僅限于瓷器;結(jié)晶陶瓷;玻璃陶瓷;沸石;陶器 ’石膏;氧化物如氧化鋁或氧化鋯; 非氧化物如碳化物,硼化物,氮化物和硅化物;復(fù)合陶瓷如顆粒增強(qiáng)陶瓷和氧化物與非氧化物的組合。具體陶瓷前體包括粘土、陶瓷粉末和漿體,例如包含水和另一種陶瓷前體或陶瓷粉末的漿體。在一些實(shí)施方案中,陶瓷前體包括有機(jī)組分,該有機(jī)組分被反應(yīng)掉(如通過燃燒)或者在固化過程中被結(jié)合或去除掉。在具體實(shí)施方案中,陶瓷對(duì)于鑄造金屬很有用,因?yàn)橐恍┨沾刹牧夏芙?jīng)受住與熔融金屬相關(guān)的條件(如溫度);也即,一些陶瓷在與熔化或液態(tài)金屬材料接觸時(shí)不會(huì)發(fā)生損壞、破裂或變形。在一個(gè)實(shí)施方案中,陶瓷能夠經(jīng)受高溫(如高于500°C )而不發(fā)生損壞。這里描述的為制造微結(jié)構(gòu)的物體的方法。具體方法可彼此一起使用,例如它們能在一系列微結(jié)構(gòu)物體的制造中連續(xù)使用。采用本文所述方法制造的微結(jié)構(gòu)物體包括了可以賦予物體以多種有用性質(zhì)的微觀特征區(qū)域。例如,微觀特征可以使物體具有增加的疏水性和/或使物體具有自清潔能力。微觀特征也可以使物體具有光學(xué)效應(yīng),例如使物體具有棱鏡效應(yīng)、特定顏色,或方向依賴色彩變化或隨角異色(color flop)(例如,物體從一個(gè)角度看呈現(xiàn)一種特定顏色,而從另一方向看呈現(xiàn)另一種顏色)。微觀特征還可以使物體的表面摩擦或抓地力增強(qiáng),和/或使物體具有特殊的觸感如觸摸時(shí)有絨毛感、粗糙感或軟濕感。微觀特征也可以處于物體的特定區(qū)域或在其整個(gè)表面積上。例如,這些實(shí)施方案可以用于減小物體穿過流體時(shí)的湍流造成的拖曳(例如類似于高爾夫球的造窩)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,微觀特征可以改變物體的傳熱特性,例如通過改變物體的表面積,改變表面與流體的相互作用,或改變成核位置的行為。在一個(gè)具體實(shí)施方案中, 微觀特征可使傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱傳遞降低,例如當(dāng)微觀特征具有很高的長寬比時(shí),只有微觀特征的頂端能夠與其他物體接觸以傳導(dǎo)熱量,而表面特征之間的空隙就不能很好地傳熱。微結(jié)構(gòu)還可以具有導(dǎo)電性,例如金屬微結(jié)構(gòu)或包含導(dǎo)電聚合物的微結(jié)構(gòu)。這類導(dǎo)電性微結(jié)構(gòu)可用作,例如,電子裝置的一組電導(dǎo)線。這些導(dǎo)電性微結(jié)構(gòu)可以例如直接模壓在物體的表面上。在一方面,微結(jié)構(gòu)輪胎是一種特別有用的最終產(chǎn)物。與其它輪胎相比,微結(jié)構(gòu)輪胎由于具有特殊圖案而具有增強(qiáng)的疏水性。微結(jié)構(gòu)輪胎是指輪胎在其至少一部分表面上具有多個(gè)微觀特征。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)輪胎是指一種在汽車輪胎胎面部分具有多個(gè)微結(jié)構(gòu)的輪胎。輪胎其它區(qū)域的微結(jié)構(gòu)也很有用,例如輪胎的微結(jié)構(gòu)側(cè)壁或其它區(qū)域可以減小拖曳,使總體性能增強(qiáng)。圖1提供了制造微結(jié)構(gòu)物體的例示性方法的總覽。首先,提供了一種微結(jié)構(gòu)原型 101,在其曲面上有微觀特征102區(qū)域。然后,由微結(jié)構(gòu)原型101鑄造橡膠,得到微結(jié)構(gòu)橡膠103。原型微觀特征102在鑄造過程中被復(fù)制為微結(jié)構(gòu)橡膠103曲面上的橡膠微觀特征 104。接著,由微結(jié)構(gòu)橡膠103鑄造陶瓷,得到微結(jié)構(gòu)陶瓷105。橡膠微觀特征104在鑄造過程中被復(fù)制為微結(jié)構(gòu)陶瓷105曲面上的陶瓷微觀特征106。然后,由微結(jié)構(gòu)陶瓷105鑄造金屬,得到微結(jié)構(gòu)金屬107。陶瓷微觀特征106在鑄造過程中被復(fù)制為微結(jié)構(gòu)金屬107曲面上的金屬微觀特征108。最后,由微結(jié)構(gòu)金屬107鑄造或模塑最終產(chǎn)物,得到微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物 109。金屬微觀特征108在鑄造或模塑過程中被復(fù)制為微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物109曲面上的最終產(chǎn)物微觀特征110。
圖2描述了一種微結(jié)構(gòu)原型201實(shí)施方案的細(xì)節(jié),顯示了微觀特征202的放大圖。 在該實(shí)施方案中,微觀特征202為微柱;也即它們?yōu)閺脑捅砻嫜由斐鰜淼膱A柱狀結(jié)構(gòu)。然而對(duì)于一些實(shí)施方案,微觀特征可包括帶有任何橫截面形狀、包括圓形、橢圓形、三角形、正方形、矩形、多邊形、星形、六邊形、字母、數(shù)字、數(shù)學(xué)符號(hào)及上述形狀的任意組合的孔、柱、階梯、脊、彎曲區(qū)域、凹進(jìn)區(qū)域、升高區(qū)域,以及上述特征的任意組合。圖3展示了由微結(jié)構(gòu)原型301鑄造的橡膠303。微結(jié)構(gòu)原型301可以以高鑄造重現(xiàn)精度多次用于鑄造橡膠。圖4描述了一種微結(jié)構(gòu)橡膠403實(shí)施方案的細(xì)節(jié),顯示了微觀特征404的放大圖。在該方案中,微觀特征404為孔,表現(xiàn)為圖2所示的微柱的負(fù)像。圖5 展示了由微結(jié)構(gòu)原型鑄造的微結(jié)構(gòu)橡膠503的一張圖像,帶有在鑄造過程中以高重現(xiàn)精度復(fù)制的橡膠微觀特征504的放大圖像。放大圖像中的條形表示50 μ m距離。圖6展示了由微結(jié)構(gòu)橡膠603鑄造的陶瓷605。微結(jié)構(gòu)橡膠603可以以高鑄造重現(xiàn)精度多次用于鑄造陶瓷。圖7描述了一種微結(jié)構(gòu)陶瓷705實(shí)施方案的細(xì)節(jié),顯示出微觀特征706的放大圖。在該方案中,微觀特征706為柱,與圖2所示類似,表現(xiàn)為圖4所示的微孔的負(fù)像。圖8展示了由微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造的微結(jié)構(gòu)陶瓷805的一張圖像,帶有在鑄造過程中以高重現(xiàn)精度復(fù)制的陶瓷微觀特征806的放大圖像。放大圖像中的條形表示300μπι 距離。圖9展示了由微結(jié)構(gòu)陶瓷905鑄造的金屬907。圖10描述了一種微結(jié)構(gòu)金屬1007 實(shí)施方案的細(xì)節(jié),顯示了微觀特征1008的放大圖。在該方案中,微觀特征1008為孔,與圖 4所示類似,表現(xiàn)為圖2和圖7所示的微柱的負(fù)像。圖11展示了由微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造的微結(jié)構(gòu)金屬1107的一張圖像,帶有在鑄造過程中以高重現(xiàn)精度復(fù)制的金屬微觀特征1108的放大圖像。放大圖像中的條形表示200 μ m距離。圖12展示了由微結(jié)構(gòu)金屬1207鑄造或模塑的最終產(chǎn)物1209。圖13描述了一種微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物1309實(shí)施方案的細(xì)節(jié),顯示了微觀特征1310的放大圖。在該實(shí)施方案中, 微觀特征1310為柱,與圖2和圖7所示類似,表現(xiàn)為圖4和圖10所示的孔的負(fù)像。圖14 展示了在鑄造或模塑過程中以高重現(xiàn)精度復(fù)制的微觀特征圖像。圖像中的條形表示60 μ m 距離。圖15展示了橫截面為圓形、橢圓形、三角形和正方形的其它微觀特征實(shí)施方案的圖像。橢圓型和三角形實(shí)施方案說明橫截面形狀的取向可以有很多種選擇。如上所述,可以考慮多種制造微結(jié)構(gòu)原型的方案。在一個(gè)具體實(shí)施方案中,一種微結(jié)構(gòu)柔性聚合物附著到原型的表面上。該微結(jié)構(gòu)柔性聚合物可采用以下方法圖案化,該方法包括,但不僅限于鉆孔;碾磨;離子碾磨;機(jī)加工;放電機(jī)加工;電鍍;噴墨印刷;電流體力學(xué)噴墨印刷;等離子體蝕刻;化學(xué)腐蝕;平版印刷圖案化技術(shù)例如光蝕刻、X射線蝕刻、電子束蝕刻、軟蝕刻;模壓;沖壓;模塑;鍛造;采用等離子、氣體或液體蝕刻;探針顯微術(shù);原子力顯微術(shù);納米壓痕顯微術(shù);化學(xué)汽相沉積;物理汽相沉積;蒸發(fā);靜電紡絲;或?qū)⑽⒗w維或絲束織到表面上或表面中。圖16展示了一個(gè)實(shí)施方案,其中具有多個(gè)微柱的微結(jié)構(gòu)聚合物1602插入到原型1601的凹槽中。圖17展示了得到的微結(jié)構(gòu)原型1701。圖18展示了帶有微結(jié)構(gòu)柔性聚合物插入其凹槽中的原型1801實(shí)施方案的圖像。圖18也展示了具有微柱型微觀特征1802的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的放大圖像。放大圖像中的條形表示IOOym距離。在另一實(shí)施方案中,微結(jié)構(gòu)被直接模塑到原型上。一種方法包括提供一種如圖19所示的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物1911并附著到宏觀模具1912的表面。接下來,一種未固化聚合物2013被放置于原型2001上微結(jié)構(gòu)的所需位置上,如圖20所示。如圖21所示,宏觀模具 2112和微結(jié)構(gòu)聚合物2111與原型2101和未固化聚合物2113相接觸,其中加熱加壓使未固化聚合物固化。圖22描述了得到的具有微觀特征2202的微結(jié)構(gòu)原型2201。圖23展示了微觀特征直接模塑到原型2301上的微結(jié)構(gòu)原型的圖像。圖23也展示了具有在模塑過程中以高重現(xiàn)精度復(fù)制的微觀特征2302的微結(jié)構(gòu)原型的放大圖像。放大圖像中的條形表示 150 μ m距離。本發(fā)明將通過下列非限制性實(shí)施例進(jìn)一步加深理解。實(shí)施例1 微鑄造過程鏈和過程細(xì)節(jié)本實(shí)施例描述了將微結(jié)構(gòu)鑄造到三種不同材料的曲面上的方法,該材料為橡膠, 陶瓷和金屬。圖1展示了微模塑鑄造過程鏈。微鑄造過程鏈從微結(jié)構(gòu)結(jié)合到其曲面上的原型開始。橡膠被鑄造到微結(jié)構(gòu)原型的曲面上,陶瓷被鑄造到微結(jié)構(gòu)橡膠的曲面上,金屬被鑄造到微結(jié)構(gòu)陶瓷的曲面上,然后微結(jié)構(gòu)金屬模塑或鑄造最終產(chǎn)物的曲面。微結(jié)構(gòu)在過程鏈的所有步驟中均復(fù)制。盡管本實(shí)施例描述了具有微柱的微結(jié)構(gòu)原型,但本方法不局限于微柱。微結(jié)構(gòu)原型可以具有在過程鏈的所有步驟中均復(fù)制的微孔或其它幾何結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例描述了兩種方法來使原型微結(jié)構(gòu)化微結(jié)構(gòu)聚合物的插入和微結(jié)構(gòu)的直接模塑。圖16和17闡述了插入途徑。插入途徑以柔性微結(jié)構(gòu)聚合物1611和具有厘米尺度的凹槽的原型1601開始。柔性微結(jié)構(gòu)聚合物被插入并附著于原型的厘米尺度的凹槽中, 得到微結(jié)構(gòu)的原型1701。圖18展示了微結(jié)構(gòu)原型1801的圖像,其中微結(jié)構(gòu)1802插入并附著到厘米尺度的凹槽中。圖19,20和21闡述了直接模塑途徑。帶有微孔的柔性聚合物 1911附著到宏觀模具1912上制得微結(jié)構(gòu)模具。未固化聚合物2013沉積到原型2001的厘米尺度的凹槽中,并且微結(jié)構(gòu)模具2112擠壓并加熱原型2101和未固化聚合物2113,固化沉積的聚合物。微結(jié)構(gòu)模具脫離原型得到微結(jié)構(gòu)原型2201。圖23展示了微結(jié)構(gòu)原型2301 的圖像,其具有直接模塑到原型的厘米尺度的凹槽中的微結(jié)構(gòu)2302。在插入和直接模塑兩種途徑中,微結(jié)構(gòu)原型的曲面上均具有保形的微結(jié)構(gòu)的覆蓋。圖2,3和4說明了微結(jié)構(gòu)原型到橡膠的鑄造步驟。如果需要的話,可將脫模劑噴到微結(jié)構(gòu)原型模具201上以幫助橡膠從微結(jié)構(gòu)原型上脫模。一種所用脫模劑來自Ciki Specialty Chemicals,由napfin、石蠟、聚硅氧烷、合成蠟和礦物油組成。當(dāng)由微結(jié)構(gòu)原型 201/301鑄造橡膠303時(shí),微結(jié)構(gòu)202從微結(jié)構(gòu)原型201/301復(fù)制到微結(jié)構(gòu)橡膠中。汞柱 22的真空幫助橡膠303鑄造到微結(jié)構(gòu)原型201/301中。在本實(shí)施例中,微孔404從微結(jié)構(gòu)原型201/301中的微柱202被鑄造到微結(jié)構(gòu)橡膠403中。圖5展示了復(fù)制到橡膠中的微結(jié)構(gòu)504的圖像。將微結(jié)構(gòu)橡膠中的微孔與微結(jié)構(gòu)原型中的微柱相比較,可以看出微結(jié)構(gòu)橡膠以高重現(xiàn)精度由微結(jié)構(gòu)原型鑄造。圖4,6和7說明了微結(jié)構(gòu)橡膠到陶瓷的鑄造步驟。一種所用的陶瓷是來自Ransom and Randolph的Rantyre Investment,是一種水基石膏。任何與牙科石膏類似的石膏也都是合適的。如果需要的話,可將脫膠劑噴到微結(jié)構(gòu)橡膠模具403上以幫助陶瓷從微結(jié)構(gòu)橡膠模具上脫模。所用的一種脫膠劑為簡單的溶于水中的肥皂。當(dāng)由微結(jié)構(gòu)橡膠403/603鑄造陶瓷605時(shí),微結(jié)構(gòu)橡膠表面復(fù)制到陶瓷605中。陶瓷在大氣壓力下振動(dòng)大約30秒以除去其中的氣泡然后硬化。在本實(shí)施例中,微柱706通過微結(jié)構(gòu)橡膠403/603中的微孔鑄造到微結(jié)構(gòu)陶瓷705中。圖8展示了復(fù)制到陶瓷中的微結(jié)構(gòu)806的圖像。將微結(jié)構(gòu)陶瓷中的微柱與微結(jié)構(gòu)橡膠中的微孔相比較,可以看出微結(jié)構(gòu)陶瓷以高重現(xiàn)精度鑄造于微結(jié)構(gòu)橡膠上。然后將微結(jié)構(gòu)陶瓷在用其鑄造金屬前固化,例如于150°C下固化12小時(shí)。圖7,9和10說明了微結(jié)構(gòu)陶瓷到金屬的鑄造步驟。當(dāng)由微結(jié)構(gòu)陶瓷905鑄造金屬907時(shí),微結(jié)構(gòu)陶瓷表面復(fù)制到金屬中。在本實(shí)施例中,金屬微孔1008通過微結(jié)構(gòu)陶瓷 705/905中的微柱706鑄造。圖11展示了復(fù)制到金屬中的微結(jié)構(gòu)1108的圖像。將微結(jié)構(gòu)金屬中的微孔與微結(jié)構(gòu)陶瓷中的微柱相比較,可以看出微結(jié)構(gòu)金屬以高重現(xiàn)精度鑄造于微結(jié)構(gòu)陶瓷上。圖12和13說明了微結(jié)構(gòu)金屬到最終產(chǎn)物的鑄造或模塑步驟。當(dāng)微結(jié)構(gòu)金屬1207 鑄造或模塑最終產(chǎn)物1209時(shí),微結(jié)構(gòu)金屬表面復(fù)制到最終產(chǎn)物中。在本實(shí)施例中,微結(jié)構(gòu)金屬1007/1207中的微孔1008將微柱1310模塑到微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物1309中。圖14展示了微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物付諸實(shí)施的圖像。盡管這種具體的最終產(chǎn)物通過模塑制造,但也可以采用鑄造方法。圖15展示了被微模塑到最終產(chǎn)物中的多種形狀。10_50μπι寬的圓形,橢圓形,三角形和正方形被微模塑到最終產(chǎn)物中,其高度在35-70 μ m范圍內(nèi)。高寬比為7 1 (高度 寬度)的微結(jié)構(gòu)被模塑到最終產(chǎn)物中。圓形和橢圓形表明這種方法可以用來在最終產(chǎn)物中制造圓的微結(jié)構(gòu)。三角形和正方形表明這種方法可以用來在最終產(chǎn)物中制造銳角直邊的微結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2 定制的微米尺度和納米尺度結(jié)構(gòu)的制造方法圖M示出一種制造平版印刷確定的微/納米結(jié)構(gòu)陣列(LithographicalIy Defined Arrays of Micro/Nanostructures, LDAMN)的 *。 i亥以—f-/ 2414 Jf 始,其上部有對(duì)光或粒子敏感的光敏聚合物或抗蝕劑M15。通過將光束M16穿過模版掩模對(duì)17照射到抗蝕劑上,可在抗蝕劑中形成微米尺度或納米尺度的結(jié)構(gòu)。其它種類的電磁波、能量束或粒子也可以用來形成這些微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可被排列成圖案或不排列,但其關(guān)鍵特性在于制造過程以微米尺度或納米尺度的準(zhǔn)確度和精度控制著它們的尺寸、形狀和位置。在這一步具有定制的微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的抗蝕劑可作為模具?;滓部梢越?jīng)過處理(例如用化學(xué)腐蝕)以改良微結(jié)構(gòu)。此外,可以將表面涂覆一種試劑,以簡化或改良隨后的模塑過程。未固化聚合物可被模塑到微結(jié)構(gòu)中,并通過加熱、老化、紫外線或其它固化方法固化。當(dāng)固化的聚合物14 被從基底-抗蝕劑模具上移走時(shí),結(jié)構(gòu)從模具上被轉(zhuǎn)移到聚合物中,也具有機(jī)械柔性。圖25展示了將具有定制的微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的聚合物整合到毫米尺度或厘米尺度的凹槽中的過程。該過程以具有微結(jié)構(gòu)的柔性聚合物板2518和適合接收柔性聚合物板的結(jié)構(gòu)2519開始。粘合劑2520被施用到接收結(jié)構(gòu)的厘米尺度的凹槽上,柔性聚合物板被插入到該厘米尺度的凹槽中。一旦粘合劑固化,柔性聚合物板就被牢固地連接到所述結(jié)構(gòu)上?,F(xiàn)在的組合結(jié)構(gòu)適于進(jìn)行隨后的模塑和/或鑄造步驟。實(shí)施例3 微結(jié)構(gòu)物體的再利用性能和微觀特征的不均一性制造具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)原型。預(yù)選擇圖案包括兩個(gè)不同微觀特征形狀的區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域包括100 μ m高的微柱,該微柱具有100 μ m寬的三角形橫截面。 第二個(gè)區(qū)域包括100 μ m高的微柱,該微柱具有100 μ m寬的圓形橫截面。橡膠被鑄造到微結(jié)構(gòu)原型上,制得第一微結(jié)構(gòu)橡膠物體。所得微結(jié)構(gòu)橡膠物體包括兩個(gè)不同微觀特征形狀的區(qū)域,該區(qū)域由對(duì)微結(jié)構(gòu)原型的相應(yīng)區(qū)域的鑄造形成。第一個(gè)區(qū)域在微結(jié)構(gòu)橡膠中形成100 μ m深的微孔,具有100 μ m寬的三角形橫截面。第二個(gè)區(qū)域在微結(jié)構(gòu)橡膠中形成100 μ m深的微孔,具有100 μ m寬的圓形橫截面。當(dāng)?shù)谝晃⒔Y(jié)構(gòu)橡膠從微結(jié)構(gòu)原型上去除時(shí),橡膠被再次鑄造到該微結(jié)構(gòu)原型上, 制得具有與第一微結(jié)構(gòu)橡膠物體的微觀特征相同的微觀特征的第二微結(jié)構(gòu)橡膠物體。陶瓷被鑄造到第二微結(jié)構(gòu)橡膠物體上,制得第一微結(jié)構(gòu)陶瓷物體。所得微結(jié)構(gòu)陶瓷物體包括兩個(gè)不同微觀特征形狀的區(qū)域,該區(qū)域由對(duì)微結(jié)構(gòu)橡膠的相應(yīng)區(qū)域的鑄造形成。第一個(gè)區(qū)域在微結(jié)構(gòu)陶瓷中形成100 μ m高的微柱,具有100 μ m寬的三角形橫截面。第二個(gè)區(qū)域在微結(jié)構(gòu)陶瓷中形成100 μ m高的微柱,具有100 μ m寬的圓形橫截面。當(dāng)?shù)谝晃⒔Y(jié)構(gòu)陶瓷從第二微結(jié)構(gòu)橡膠物體上去除時(shí),陶瓷被再次鑄造到第二微結(jié)構(gòu)橡膠物體上,制得具有與第一微結(jié)構(gòu)陶瓷物體的微觀特征相同的微觀特征的第二微結(jié)構(gòu)陶瓷物體。最后,鋁被鑄造到第二微結(jié)構(gòu)陶瓷物體上,制得微結(jié)構(gòu)鋁物體沈00。所得微結(jié)構(gòu)鋁物體包括兩個(gè)不同微觀特征形狀的區(qū)域,該區(qū)域由對(duì)第二微結(jié)構(gòu)陶瓷物體的相應(yīng)區(qū)域的鑄造形成。圖沈展示了該微結(jié)構(gòu)鋁物體沈00的圖片。第一個(gè)區(qū)域沈01在微結(jié)構(gòu)橡膠中形成100 μ m深的微孔沈02,具有100 μ m寬的三角形橫截面。第二個(gè)區(qū)域2603在微結(jié)構(gòu)橡膠中形成IOOym深的微孔沈04,具有100 μ m寬的圓形橫截面。微結(jié)構(gòu)原型包括在多個(gè)鑄造步驟中被轉(zhuǎn)移到微結(jié)構(gòu)鋁中的彎曲區(qū)域。在圖沈中, 可以觀察到彎曲部分接近照片的底部2605,在該區(qū)域由于照相機(jī)的景深較淺而使照片變得模糊。參考文獻(xiàn)美國專利申請(qǐng)公開文本No. US 2006/0162896.美國專利No. 5,7;35,985.美國專利No. 6,502,622.美國專利No. 7,237,337.美國專利No. 6,511,622.美國專利No. 7,410,606.Schmitz,Grohn禾口Buhrig-Polaczek,Advanced Engineering Materials 2007,9, No. 4,pp. 265-270.Baumeister, Okolo 禾口 Rogner,Microsyst. 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權(quán)利要求
1.一種制造一種微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的方法,該方法包含以下步驟 制造包含具有預(yù)選擇圖案的微觀特征的微結(jié)構(gòu)原型;由該微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的橡膠微觀特征的微結(jié)構(gòu)橡膠;由該微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的陶瓷微觀特征的微結(jié)構(gòu)陶瓷;由該微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造金屬,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的金屬微觀特征的微結(jié)構(gòu) ^riM 由該微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑最終產(chǎn)物材料,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的最終產(chǎn)物材料微觀特征的微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1的方法,其中所述微觀特征的尺寸選自IOnm到100μ m范圍內(nèi),所述微結(jié)構(gòu)原型另外包含第二組特征,該第二組特征尺寸選自IOOym到Im范圍內(nèi)。
3.權(quán)利要求2的方法,其中至少一部分所述微觀特征坐落于第二組特征之上和/或之中。
4.權(quán)利要求3的方法,其中第二組特征的80%到100%的表面積被微觀特征的預(yù)選擇圖案覆蓋。
5.權(quán)利要求1的方法,其中微觀特征的預(yù)選擇圖案由選自以下的方法制得光蝕刻,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
6.權(quán)利要求1的方法,其中所述微觀特征的間距選自IOnm到IOOym范圍內(nèi)。
7.權(quán)利要求1的方法,其中預(yù)選擇圖案中的每個(gè)微觀特征均有同樣的尺寸。
8.權(quán)利要求1的方法,其中預(yù)選擇圖案中的至少一部分微觀特征具有不同的尺寸。
9.權(quán)利要求1的方法,其中至少一部分微觀特征的長寬比選自1 2到7 1范圍內(nèi)。
10.權(quán)利要求1的方法,其中至少一部分微觀特征處于微結(jié)構(gòu)原型的曲面上,至少一部分橡膠微觀特征處于微結(jié)構(gòu)橡膠的曲面上,至少一部分陶瓷微觀特征處于微結(jié)構(gòu)陶瓷的曲面上,至少一部分金屬微觀特征處于微結(jié)構(gòu)金屬的曲面上,至少一部分最終產(chǎn)物材料微觀特征處于微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的曲面上。
11.權(quán)利要求1的方法,其中最終產(chǎn)物材料為輪胎橡膠,從而制造出微結(jié)構(gòu)輪胎。
12.權(quán)利要求1的方法,其中微觀特征的預(yù)選擇圖案以高重現(xiàn)精度在每個(gè)鑄造和/或模塑步驟中被復(fù)制。
13.權(quán)利要求11的方法,其中復(fù)制重現(xiàn)精度選自50%到100%范圍內(nèi)。
14.權(quán)利要求1的方法,其中制造微結(jié)構(gòu)原型的步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將所述半導(dǎo)體晶片圖案化;將一種未固化的柔性聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;固化該聚合物,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化的半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;和使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符。
15.權(quán)利要求1的方法,其中制造微結(jié)構(gòu)原型的步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將該半導(dǎo)體晶片圖案化;將未固化的第一聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;使第一聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化的半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的宏觀模具;使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與宏觀模具的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;將未固化的第二聚合物沉積到原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面上;使宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型和未固化的第二聚合物相接觸; 使未固化的第二聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)第二聚合物;和從原型和微結(jié)構(gòu)第二聚合物中釋放宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物。
16.權(quán)利要求14或15的方法,其中在變形步驟中微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分變形至曲率半徑選自100 μ m到:3m范圍內(nèi)。
17.權(quán)利要求14或15的方法,其中在變形步驟中微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分變形至應(yīng)變水平選自到1300%范圍內(nèi)。
18.權(quán)利要求14或15的方法,其中圖案化步驟包括采用選自以下的方法對(duì)半導(dǎo)體晶片圖案化光蝕刻,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
19.一種制造一種微結(jié)構(gòu)物體的方法,該方法包含以下步驟制造微結(jié)構(gòu)原型,其包含一個(gè)或多個(gè)具有預(yù)選擇圖案的微觀特征,所述微觀特征的尺寸選自IOnm到100 μ m范圍內(nèi),以及一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征,所述宏觀尺度特征的尺寸選自100 μ m至Ij Im范圍內(nèi);且由該微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的橡膠微觀特征的微結(jié)構(gòu)橡膠。
20.權(quán)利要求19的方法,其中至少一部分微觀特征坐落于所述宏觀尺度特征之上或之中。
21.權(quán)利要求20的方法,其中所述宏觀尺度特征的80%到100%的表面積被微觀特征的預(yù)選擇圖案覆蓋。
22.權(quán)利要求19的方法,其中微觀特征的預(yù)選擇圖案由選自以下的方法制得光蝕刻, 激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
23.權(quán)利要求19的方法,其中微觀特征的間距選自IOnm到IOOym范圍內(nèi)。
24.權(quán)利要求19的方法,其中預(yù)選擇圖案中的每個(gè)微觀特征均有同樣的尺寸。
25.權(quán)利要求19的方法,其中預(yù)選擇圖案中的至少一部分微觀特征具有不同的尺寸。
26.權(quán)利要求19的方法,其中至少一部分微觀特征的長寬比選自1 2到7 1范圍內(nèi)。
27.權(quán)利要求19的方法,另外包含向微結(jié)構(gòu)原型的表面提供一種脫模劑的步驟。
28.權(quán)利要求27的方法,其中脫模劑選自以下物質(zhì)mapfin,石蠟,聚硅氧烷,合成蠟, 礦物油,聚四氟乙烯,含氟聚合物,硅烷,硫醇以及它們的任意組 合。
29.權(quán)利要求19的方法,另外包含以下步驟由該微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的橡膠微觀特征的第二微結(jié)構(gòu)橡膠。
30.權(quán)利要求19的方法,另外包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的陶瓷微觀特征的微結(jié)構(gòu)陶ο
31.權(quán)利要求30的方法,另外包含以下步驟 向微結(jié)構(gòu)橡膠的表面提供一種脫膠劑。
32.權(quán)利要求31的方法,其中脫膠劑選自以下物質(zhì)水,肥皂,石蠟,聚硅氧烷,合成蠟, 礦物油,聚四氟乙烯,含氟聚合物,硅烷,硫醇以及它們的任意組合。
33.權(quán)利要求30的方法,另外包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的陶瓷微觀特征的第二微結(jié)構(gòu)陶瓷。
34.權(quán)利要求30的方法,另外包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造金屬,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的金屬微觀特征的微結(jié)構(gòu)金jM ο
35.權(quán)利要求34的方法,另外包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑最終產(chǎn)物材料,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的最終產(chǎn)物材料微觀特征的微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物。
36.權(quán)利要求19的方法,其中制造微結(jié)構(gòu)原型的步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將一種未固化的柔性聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;固化該聚合物,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化的半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;和使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符。
37.權(quán)利要求19的方法,其中制造微結(jié)構(gòu)原型的步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將未固化的第一聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;使第一聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化的半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物; 提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的宏觀模具;使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與宏觀模具的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;將未固化的第二聚合物沉積到該原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面上;使宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型和未固化第二聚合物相接觸; 使未固化第二聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)第二聚合物;和從原型和微結(jié)構(gòu)第二聚合物中釋放宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物。
38.權(quán)利要求36或37的方法,其中在變形步驟中微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分變形至曲率半徑選自100 μ m到:3m范圍內(nèi)。
39.權(quán)利要求36或37的方法,其中在變形步驟中微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分變形至應(yīng)變水平選自到1300%范圍內(nèi)。
40.權(quán)利要求36或37的方法,其中圖案化步驟包括采用選自以下的方法對(duì)半導(dǎo)體晶片圖案化光蝕刻,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
41.權(quán)利要求19的方法,其中一個(gè)或多個(gè)微觀特征選自以下特征孔,柱,階梯,脊,彎曲區(qū)域,以及上述特征的任意組合。
42.權(quán)利要求19的方法,其中微結(jié)構(gòu)原型的微觀特征被以高重現(xiàn)精度復(fù)制到橡膠中。
43.權(quán)利要求42的方法,還包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷,從而制造出微結(jié)構(gòu)陶瓷且其中微結(jié)構(gòu)橡膠的微觀特征被以高重現(xiàn)精度復(fù)制到陶瓷中。
44.權(quán)利要求43的方法,還包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造金屬,從而制造出微結(jié)構(gòu)金屬且其中微結(jié)構(gòu)陶瓷的微觀特征被以高重現(xiàn)精度復(fù)制到金屬中。
45.權(quán)利要求44的方法,還包含以下步驟由微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑最終產(chǎn)物材料,從而制造出微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物且其中微結(jié)構(gòu)金屬的微觀特征被以高重現(xiàn)精度復(fù)制到最終產(chǎn)物中。
46.權(quán)利要求42、43、44或45的方法,其中復(fù)制重現(xiàn)精度選自50%到100%范圍內(nèi)。
47.權(quán)利要求19的方法,其中至少一部分微觀特征處于微結(jié)構(gòu)原型的曲面上。
48.權(quán)利要求19J9或42的方法,其中至少一部分橡膠微觀特征處于微結(jié)構(gòu)橡膠的曲面上。
49.權(quán)利要求30、33或43的方法,其中至少一部分陶瓷微觀特征處于微結(jié)構(gòu)陶瓷的曲面上。
50.權(quán)利要求34或44的方法,其中至少一部分金屬微觀特征處于微結(jié)構(gòu)金屬的曲面上。
51.權(quán)利要求35或45的方法,其中至少一部分最終產(chǎn)物材料微觀特征處于微結(jié)構(gòu)最終產(chǎn)物的曲面上。
52.權(quán)利要求20的方法,其中多個(gè)微觀特征具有選自以下的橫截面形狀圓形,橢圓形,三角形,正方形,矩形,多邊形,星形,六邊形,字母,數(shù)字,數(shù)學(xué)符號(hào),及上述形狀的任意組合。
53.權(quán)利要求20的方法,其中宏觀尺度特征選自以下管道,凹槽,突起,脊,凹進(jìn)區(qū)域, 升高區(qū)域,彎曲區(qū)域和上述特征的任意組合。
54.一種制造微結(jié)構(gòu)輪胎的方法,該方法包含以下步驟 制造具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)原型;由該微結(jié)構(gòu)原型鑄造橡膠,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的橡膠微觀特征的微結(jié)構(gòu)橡膠;由微結(jié)構(gòu)橡膠鑄造陶瓷,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的陶瓷微觀特征的微結(jié)構(gòu)陶瓷;由微結(jié)構(gòu)陶瓷鑄造金屬,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的金屬微觀特征的微結(jié)構(gòu)金屬;由微結(jié)構(gòu)金屬鑄造或模塑輪胎橡膠,從而制造出包含具有預(yù)選擇圖案的輪胎橡膠微觀特征的微結(jié)構(gòu)輪胎。
55.權(quán)利要求M的方法,其中微結(jié)構(gòu)輪胎包括一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征。
56.權(quán)利要求55的方法,其中至少一部分微觀特征坐落于一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征之上或之中。
57.權(quán)利要求56的方法,其中第二組特征的80%到100%的表面積被微觀特征的預(yù)選擇圖案覆蓋。
58.權(quán)利要求55的方法,其中宏觀尺度特征尺寸選自Imm到Im范圍內(nèi)。
59.權(quán)利要求M的方法,其中至少一部分微觀特征處于微結(jié)構(gòu)原型的曲面上。
60.權(quán)利要求M的方法,其中微觀特征尺寸選自IOnm到100μ m范圍內(nèi)。
61.權(quán)利要求M的方法,其中微觀特征的預(yù)選擇圖案采用選自以下的方法制得光蝕刻,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
62.權(quán)利要求M的方法,其中微觀特征的預(yù)選擇圖案在每一個(gè)鑄造和/或模塑步驟中以選自50%到100%范圍內(nèi)的復(fù)制重現(xiàn)精度被復(fù)制。
63.權(quán)利要求M的方法,其中微觀特征的間距選自IOnm到100μ m范圍內(nèi)。
64.權(quán)利要求M的方法,其中預(yù)選擇圖案中的每個(gè)微觀特征均有同樣的尺寸。
65.權(quán)利要求M的方法,其中預(yù)選擇圖案中的至少一部分微觀特征具有不同的尺寸。
66.權(quán)利要求M的方法,其中至少一部分微觀特征的長寬比選自1 2到7 1范圍內(nèi)。
67.權(quán)利要求M的方法,其中微結(jié)構(gòu)輪胎包含在汽車輪胎的胎面部分的多個(gè)微觀特征。
68.權(quán)利要求M的方法,其中微結(jié)構(gòu)輪胎包含在汽車輪胎的側(cè)壁部分的多個(gè)微觀特征。
69.權(quán)利要求M的方法,其中制造微結(jié)構(gòu)原型的步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將一種未固化的柔性聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上; 固化該聚合物,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物; 從圖案化半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物; 提供具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;和使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符。
70.權(quán)利要求M的方法,其中制造微結(jié)構(gòu)原型的步驟包括 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將未固化的第一聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;使第一聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的宏觀模具;使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與宏觀模具的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面一致;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的原型;將未固化的第二聚合物沉積到原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面上;使宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與原型和未固化第二聚合物相接觸; 使未固化第二聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)第二聚合物;和從原型和微結(jié)構(gòu)第二聚合物中釋放宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物。
71.權(quán)利要求69或70的方法,其中所述一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的80%到100%的表面積被微觀特征的預(yù)選擇圖案覆蓋。
72.權(quán)利要求69或70的方法,其中至少一部分微結(jié)構(gòu)聚合物變形至曲率半徑選自 100 μ m至Ij 3m范圍內(nèi)。
73.權(quán)利要求69或70的方法,其中至少一部分微結(jié)構(gòu)聚合物變形至應(yīng)變水平選自到1300%范圍內(nèi)。
74.利要求69或70的方法,其中圖案化步驟包括采用選自以下的方法對(duì)半導(dǎo)體晶片圖案化光蝕刻,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
75.權(quán)利要求M的方法,其中至少一部分微觀特征處于微結(jié)構(gòu)原型的曲面上,至少一部分橡膠微觀特征處于微結(jié)構(gòu)橡膠的曲面上,至少一部分陶瓷微觀特征處于微結(jié)構(gòu)陶瓷的曲面上,至少一部分金屬微觀特征處于微結(jié)構(gòu)金屬的曲面上,至少一部分輪胎橡膠微觀特征處于微結(jié)構(gòu)輪胎的曲面上。
76.權(quán)利要求1、30、33、43或M的方法,其中微結(jié)構(gòu)陶瓷包括一個(gè)具有粗糙度的附加層,所述附加層包含尺寸小于具有預(yù)選擇圖案的陶瓷微觀特征的特征。
77.權(quán)利要求77的方法,其中該具有粗糙度的附加層在其它鑄造或模塑步驟中被復(fù)制。
78.—種制造微結(jié)構(gòu)物體的方法,該方法包含以下步驟 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將一種未固化的柔性聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;固化該聚合物,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的大面積原型;使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得變形的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與該大面積的原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符;對(duì)原型和微結(jié)構(gòu)聚合物鑄造或模塑一種材料,從而在鑄造或模塑的物體的至少一部分上復(fù)制微觀特征的預(yù)選擇圖案。
79.—種制造微結(jié)構(gòu)物體的方法,該方法包含以下步驟 提供一個(gè)半導(dǎo)體晶片;采用微觀特征的預(yù)選擇圖案將半導(dǎo)體晶片圖案化;將未固化的第一聚合物模塑到圖案化的半導(dǎo)體晶片上;使第一聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;從圖案化半導(dǎo)體晶片上移走微結(jié)構(gòu)柔性聚合物;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的宏觀模具;使微結(jié)構(gòu)柔性聚合物的至少一部分變形以使得微結(jié)構(gòu)柔性聚合物與宏觀模具的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面相符;提供一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的大面積原型;將未固化的第二聚合物沉積到原型的一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的至少一部分表面上;使宏觀模具和微結(jié)構(gòu)聚合物與原型和未固化第二聚合物相接觸;使未固化第二聚合物固化,從而形成具有微觀特征的預(yù)選擇圖案的微結(jié)構(gòu)第二聚合物;從原型和微結(jié)構(gòu)第二聚合物中釋放宏觀模具和微結(jié)構(gòu)柔性聚合物; 對(duì)原型和微結(jié)構(gòu)第二聚合物鑄造或模塑一種材料,從而在鑄造或模塑的物體的至少一部分上復(fù)制微觀特征的預(yù)選擇圖案。
80.權(quán)利要求78或79的方法,其中所述一個(gè)或多個(gè)宏觀尺度特征的80%到100%的表面積被微觀特征的預(yù)選擇圖案覆蓋。
81.權(quán)利要求78或79的方法,其中在變形步驟中微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分變形至曲率半徑選自100 μ m到:3m范圍內(nèi)。
82.權(quán)利要求78或79的方法,其中在變形步驟中微結(jié)構(gòu)聚合物的至少一部分變形至應(yīng)變水平選自到1300%范圍內(nèi)。
83.權(quán)利要求78或79的方法,其中圖案化步驟包括采用選自以下的方法對(duì)半導(dǎo)體晶片圖案化光蝕刻,激光燒蝕,激光圖案化,激光機(jī)加工,X射線蝕刻,電子束蝕刻,納米壓印蝕刻以及這些方法的任意組合。
84.權(quán)利要求78或79的方法,其中鑄造或模塑材料選自橡膠,聚合物,陶瓷和金屬。
85.權(quán)利要求78或79的方法,其另外包含其它的鑄造和/或模塑步驟。
全文摘要
本文描述的是用于制造微結(jié)構(gòu)物體的鑄造和模塑方法。通過在物體表面上包含多個(gè)微觀特征,可使物體具有其它特性,如增強(qiáng)的疏水性。本文所述的一些鑄造和模塑方法還能夠制造同時(shí)具有微觀特征和宏觀特征的物體,例如微觀特征處于宏觀特征或所選擇的宏觀特征區(qū)域之上或之中。
文檔編號(hào)B29C33/40GK102448692SQ200980156945
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日
發(fā)明者W·P·金, 安德魯·H·坎農(nóng) 申請(qǐng)人:伊利諾伊大學(xué)評(píng)議會(huì)
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