飞秒激光正交线扫描诱导表面微纳结构

通过控制激光偏振与扫描方向,利用飞秒脉冲激光正交线扫描的微加工方式,在硅和不锈钢表面诱导出了规则分布的复合表面微纳结构并分析了激光能量密度对微纳表面结构形成的影响。实验显示:当激光的能量密度接近材料烧蚀阈值时,在硅表面诱导出了周期条纹嵌套纳米孔的双层复合二维结构,在不锈钢表面则诱导出了依赖于激光偏振方向的纳米点阵列分布,分析认为纳米点阵列是由周期条纹结构边缘发生断裂而生成的。另外,当激光的能量密度大于材料烧蚀阈值时,在硅和不锈钢表面会烧蚀出规则分布的微米级孔洞结构。实验结果表明:第一次扫描诱导出的表面微纳结构增加了对入射激光的吸收,促进入射激光与表面等离子体波的耦合,加强了后扫描的烧蚀效果,使得后扫描诱导出的微纳结构占主导。文中提出的正交线扫描的加工方式为微纳表面结构的制备提供了新的思路。     

工作台各速度段激光直写二元图案

为了进一步提高直角坐标激光的直写效率,提出了一种扫描工作台各速度段进行激光直写二元图案的方法。该方法用扫描工作台的位置反馈脉冲同步触发激光束曝光光刻胶,实现像素点的理想位置曝光;而且依据扫描工作台的运动特性和匀速直写时各像素点获得的曝光量情况,对处于扫描工作台加、减速度段的像素点的曝光强度进行调制,保证需要曝光的像素点对应的每一个位移分辨力距离上所获的曝光量与扫描工作台匀速运动时相同,从而保证扫描工作台速度连续变化的情况下激光直写能获得预期的曝光效果。仿真实验表明:以5mm×5mm曝光图案为例,该方法所需的直写时间是传统只在匀速段直写的77.77%;同时配备的声光调制器由16位降为12位时,扫描工作台整个加速段直写产生的曝光量相对误差由0.4%上升为10%。     

基于电纺直写的图案化微纳结构喷印技术

研究了利用电纺直写技术进行图案化微纳结构可控喷印沉积的方法,该方法利用喷头与收集板之间的稳定直线射流来实现有序纳米纤维的直写制造。分析了电纺直写射流在静止收集板和移动收集板上的沉积行为;探究了工艺参数对电纺直写微纳结构定位误差的影响规律。实验显示:在内部应力和电荷排斥力的作用下,射流会产生弯曲螺旋从而引导纳米纤维在静止收集板上逐层叠加形成三维微结构;提高收集板运动速度可克服射流螺旋鞭动,获得无螺旋结构的直线纳米纤维。根据设计图形分别电纺直写了方波、多圈矩形纳米纤维图案,分析了直写图案尺寸与设计图案尺寸间的误差。结果显示:电纺直写纤维图案定位误差随着收集板运动速度、喷头至收集板距离、施加电压、收集板运动距离的升高而增加;优化实验条件和试验参数,电纺直写微纳结构定位误差可优于10μm。实验验证了微纳结构图案的精确喷印沉积有助于提高电纺直写技术的控制水平。     

直角坐标激光直写的动态曝光模型

在兼顾胶层的光吸收特性、直写光束的高斯分布特征以及直写光束与胶层相对运动的情况下,建立了直角坐标激光直写的动态曝光模型以有效预测线条的线宽和侧壁角.仿真实验表明:以恒值高斯光强曝光时,该模型与等效仿真条件下的Dill曝光模型仿真结果完全一致.进一步证明了该模型的有效性和正确性,解决了目前在激光直写中存在的只能预测线宽或在忽略光刻胶吸收作用的情况下粗略估计直写线条轮廓的问题.同时,基于该模型分别分析了直写光功率和直写速度对线条轮廓的影响机理,为优化激光直写工艺的加工参量提供了一种有效的分析途径.     

仿生楔形阵列制备方法与方向性黏附特性研究

针对一次性蜡模或光刻工艺制备方向性黏附阵列效率低且工艺复杂的问题,提出了基于微纳3D打印技术的楔形微结构阵列高效制备工艺,制备的仿生楔形阵列材料具有良好的黏附性能和方向性黏附特性。首先,仿生设计了具有方向性特性的楔形阵列黏附结构。然后,利用微纳3D打印技术加工了相应的微结构阵列模具,发展了仿生黏附材料制备工艺,分析了楔形结构的轮廓精度。最后,搭建了实验测试平台,研究了剪切方向、剪切距离、预压力、脱附速度等因素对黏附性能的影响规律。结果表明,仿生楔形阵列黏附材料具有显著的方向性黏附特性,验证了微纳3D技术用于制备仿生方向性干黏附材料的可行性。     

复杂图案轮廓曝光版图的生成及工艺实现

轮廓曝光技术可大幅提高跨尺度结构电子束直写的加工效率,但对于复杂图案,前期人工绘制曝光版图的过程费时费力。为了进一步提高版图生成效率,本文提出一种利用边界追踪算法提取数字图像轮廓并将它转换为曝光版图的方法。首先,通过图像灰度化以及Otsu自适应阈值分割法将图像转换为二值图像。接着,使用MATLAB bwboundaries边界追踪函数追踪二值图像边界。最后,利用GDS工具箱将图像边界转换为曝光版图。实验结果表明,本工作提出的方法可以有效地提取树叶、数字及动物等复杂图案边缘并将它们转换为版图进行后续曝光。通过制备"枫叶"图形证实利用本文方法生成的版图在轮廓曝光中可获得从纳米尺度到亚毫米尺度下的跨尺度、高保真度图形,通过制备50μm和100μm等不同大小、不同复杂程度的金结构证实了此方法在微纳制造中的通用性。     

中科院深圳先进院成功设计形状记忆微阵列

正中国科学院深圳先进技术研究院副研究员杜学敏带领团队成功设计出形状记忆微阵列,并探索了该微阵列结构在液滴浸润特性调控与微结构可控复制应用。近年来,微纳米阵列结构在抗冰、抗生物粘附及细胞操控等领域应用广泛。但传统的微阵列结构制备主要采用光刻技术,不仅制备成本高昂、工艺繁琐、耗时长久,而且所制备的微阵列结构在撤去外力后无法维持可控形变,极大限制了微阵列结构实际应用。     

用酶溶液蚀刻重铬酸凝胶制造折射微透镜阵列

研发了一种用酶溶液蚀刻重铬酸铵凝胶（ADG）制造折射微透镜阵列新方法。通过高精密二元掩模使ADG曝光，ADG曝光部分则发生交联反应。一般来说，水显影后产生的凹凸深度都很浅（〈1μm），所以显影ADG使用蛋白质浓度为0．2％的酶溶液作为显影液，加深了ADG的凹凸深度。在37℃温度下，ADG和酶溶液之间发生生物化学反应，而且由于表面张力，显影后的ADG变成球面结构。介绍加工工艺最佳技术参数。详细讨论酶溶液蚀刻ADG达到深凹凸和ADG凸起的原理。用这工艺制造微透镜阵列，无需昂贵设备和熟练技术，而且耗时少。介绍实验结果，并用轮廓仪和干涉显微镜作了评价。     

毛细力辅助飞秒激光直写制备各向异性及多级结构

将飞秒激光双光子聚合加工技术和毛细力诱导自组装技术相结合实现了各向异性结构和多级结构的制备。首先,使用飞秒激光双光子加工技术加工出微柱阵列,将微柱置于显影液中显影,然后放置在空气中。在显影液蒸发的过程中,微柱结构单元受到毛细力的作用而弯曲实现自组装。通过控制微柱的高度和直径的不一致性实现了两种各向异性结构制备方法,并成功制备了底层微柱直径分别为2μm和6μm双层结构。由于毛细力的大小和微柱高度无关,且同样端部变形量下较高微柱的弹性回复力小于较低微柱的弹性回复力,更易发生弯曲;直径较大的微柱具有更强的抗弯曲能力,从而引导直径较小的微柱向较大的微柱倾斜,藉此制备了各向异性结构。使用毛细力自组装辅助飞秒激光微纳加工可以实现灵活可控的复杂3D结构的加工,并将在生物医药、化学分析、微流体等领域发挥重要作用。     

聚合物微流控芯片激光加工及建模研究

在CO2激光直写聚合物PMMA微流控芯片加工原理基础上，对建立激光直写PMMA微流道的数学模型进行了研究。采用能量守恒原理对激光直写PMMA微流道成形进行分析，结果表明其微流道的形状呈高斯函数型分布，并获得了微流道深度与激光功率、加工速度及加工次数的函数关系模型。实验数据较好地验证了所建模型的正确性，该模型对CO2激光直写聚合物微流控芯片的加工参数选择具有较好的指导作用。     

A review of adhesion and friction models for gecko feet

The attachment pads of geckos exhibit the most versatile and effective adhesive known in nature. Their fibrillar structure is the primary source of high adhesion and their hierarchical structure produces the adhesion enhancement by giving the gecko the adaptability to create a large real area of contact with surfaces. Although geckos are capable of producing large adhesive forces, they retain the ability to remove their feet from an attachment surface at will. Detachment is achieved by a peeling motion of the gecko’s feet from a surface. During the last few years, many researches have been conducted to develop the theoretical models that explain the gecko to adhere and detach from surfaces at will, including micro/macroscopic gecko adhesion, friction and peeling models for gecko hierarchical fibrillar structure contacting to rough surface. This review describes the progress in the modeling filed for gecko adhesion, friction and peeling, and discussed the future issues for gecko modeling.     

Effect of stiffness of multi-level hierarchical attachment system on adhesion enhancement

Geckos are known for their remarkable ability to cling on and detach from ceilings and walls using a unique attachment system. Their foot pads are covered by a large number of small hair (setae) that contain many branches per seta with a lower level of spatulae. This hierarchical structure gives the gecko adaptability to create a large real area of contact with rough surfaces. In this study, using the three-level hierarchical model recently developed to simulate a gecko seta contacting with random rough surface, the effects of spring stiffness and number of springs on the adhesion enhancement of multi-level hierarchical model are investigated. One- and three-level hierarchically structured spring models with different spring stiffnesses and number of springs on each level in contact with various rough surfaces are considered. The efficiency of attachment-the adhesion coefficient, the adhesion force, the number of contacts and the adhesion energy-for the three-level models with different stiffness is investigated in contact with different rough surfaces.     

激光直写凹球面网栅的电控实现

凹球面网栅激光直写系统采用同心结构,应用调节角速度的控制算法以及周期纬线纬纬相交形成网栅的图形结构,确保激光直写光斑在不同的纬度以不同角速度扫描,始终保持线速度和曝光量恒定,实现了在凹球面上以恒定曝光量激光直写网栅。分析了网格周期、角速度和纬线弧长等关键参数,设计了控制程序。在通光孔径60 mm的普通玻璃凹球面上进行了多组激光直写试验,设定周期450~800 μm,线速度1~20 mm/s,经显影、定影后由微米级读数显微镜测得网格实际周期与设定周期误差在±3%以内,原子力显微镜测得线宽小于5 μm。结果表明:采用同心结构及稳光、调速控制保证凹球面网栅激光直写系统的曝光量不变,线条侧壁陡直、平行,具有较好的均匀性,满足了设计要求。     

Binary Laser Direct Writing System and Its Applications

A new laser direct writing system is introduced and the potential application of the diffractive optical elements (DOE‘ s) fabricated by applying laser direct writing system are presented. The fabrication techniques by applying the laser direct writing are developed. Experimental results have been obtained by applying laser direct writing machine with line width of 5μm and 10μm.     

激光直写凹球面网栅的电控实现

凹球面网栅激光直写系统采用同心结构及稳光控制保证了光强不变,提出了周期纬线纬纬相交形成网栅的图形结构,应用调节角速度的控制算法,确保激光直写光斑在不同的纬度以不同角速度扫描,始终保持线速度和曝光量恒定,实现了在凹球面上以恒定曝光量激光直写网栅。分析了网格周期、角速度和纬线弧长等关键参数,设计了控制程序。在通光孔径60 mm的普通玻璃凹球面进行了多组激光直写试验,设定周期450 mm~800 mm,线速度1 mm /s ~20 mm/s,经显影、定影后由读数显微镜测得网格实际周期与设定周期误差在±3%以内,原子力显微镜测得线宽小于5 mm,线条侧壁陡直、平行,具有较好的均匀性,满足设计要求。     

Laser Technologies in Micro-Optics. Part 2. Fabrication of Elements with a Three-Dimensional Profile

Recent research in the field of formation of a 3D profile of optical elements with the use of direct laser writing at various wavelengths and photolithographic technologies on the basis of photomasks fabricated by means of laser writing is reviewed. Typical characteristics of the relief, as well as advantages and drawbacks of the above-mentioned methods are considered.     

基于PZT微驱动的激光直写自动调焦系统动态特性分析

为提高激光直写调焦系统的稳定性和响应速度,从弹性力学角度出发,对调焦执行机构微动台进行了力和位移关系的建模,并全面分析了其动态响应特性,动态特性分析为P ID调节提供了理论依据。在P ID校正中着重加强微分超前调节作用,缓解了系统相位滞后的问题,从而使系统得到较好的稳定度和响应速度。通过激光直写试验验证调焦系统的调焦精度为0.2μm。     

柔性杆连接的仿壁虎机器人结构设计

设计并研制具有柔性元件的可采用人造壁虎脚掌吸附材料的足式仿壁虎机器人结构。针对采用人造壁虎脚掌吸附的足式爬壁机器人,仿照生物壁虎设计基于连杆的仿壁虎机器人结构,进行运动原理分析,对机构进行简化,以及自由度计算。设计相应的运动步态,选用对角线步态实现机器人的直线行走以及转弯动作。为简化机构并使运动柔顺,采用柔性杆作为仿壁虎机器人的身体连接件,通过对机构自由度的计算,分析机构的可行性,并结合静力学分析对柔性杆的选择进行讨论。在Adams软件环境下建立虚拟样机进行仿真和测量,对各关节的受力情况进行分析。通过实物样机爬行试验,验证了设计的有效性和可行性。