[发明专利]一种带取向性结构的微针尖及其连续输运液体的方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，尤其是涉及一种带取向性结构的微针尖及其连续输运液体的方法。

背景技术

当今时代，大量的机电器件都朝着微小型化的方向发展，从而使得各种设备在轻量化、便携化的同时集成更丰富的功能。器件的微小型化对制造、封装、测试等相关技术提出了更高的要求。光刻技术可以制造出最小1微米左右的微结构，电子束曝光技术进一步提高了分辨率，可以制造出几十纳米尺度的纳结构。然而这些传统的自顶向下的制造方法存在一定的局限性，例如制造立体结构工艺复杂、不适于有机材料诸如含生物细胞或DNA分子的水溶液等。以3D打印为代表的自底向上的制造方法正在延伸到微米乃至纳米尺度，形成新的前沿热点研究方向。其中一大类自底向上的制造方法涉及的核心问题是如何定向地传输微量的液体，然后再利用位移装置及局部固化方法形成图案或堆叠，从而制造出预定的微纳结构。这类方法中，一次传输的液体量就决定了微纳制造的分辨率，因此，创造出能一次转移更少液体并能连续传输的技术就成了一项重要挑战。

传统的转移微量液体的方法是基于微管道传输的，通过向微管道中的液体施加气压挤出，或使用电场吸引、机械振动、热气泡等方法喷射出来。然而这些方法一方面受限于直径更小的微管制造困难，另一方面产生高压强或高电场的设备复杂昂贵。此外，当微管直径减小时，堵塞问题就更容易发生。这类方法一般只能产生10^-12升以上的液体量(对应于几十微米及以上尺度)。Kaisei等人利用在AFM(原子力显微镜)的针尖上打孔的方法制造出了纳米微孔，并控制针尖与基底间隙到纳米尺度，从而大大降低了电场吸引喷射所需的电压，从而制造出了几十纳米尺度的图案(KaiseiK,SatohN,KobayashiK,etal.Nanotechnology,2011,22(17):175301.)。但该方法需要使用聚焦离子束制造针尖微孔，价格昂贵，且仍存在易堵塞的难题。Galliker等人通过在液体中加入纳米颗粒使得液体更容易被电场诱射出来的方法，制造出了几十纳米尺度的结构(GallikerP,SchneiderJ,EghlidiH,etal.Naturecommunications,2012,3:890.)。但该方法存在需要将所要制造的材料做成纳米颗粒，且对液体电学特性有要求等局限性。

近十几年来，新出现的蘸笔纳米印刷技术避开了液体在微管道中输运的难题，直接采用针尖蘸取的方法转移微量物质，形成纳米图案。该项技术最早由Piner等人报道(PinerRD,ZhuJ,XuF,etal.Science,1999,283(5402):661-663)，能够实现分子层厚度级别的表面化学修饰改性。蘸笔印刷的原理是在针尖表面浸镀上一层固体涂层，利用针尖接触基底时从空气中吸收水分在接触点形成液桥，涂层分子溶解到液桥中再转而沉积到基底上。它的物质传输原理不是直接转移液体，而且通过接触点液桥溶解针尖上的固体涂层分子进行转移。由于物质传输原理的限制，它难以直接转移足够量的液体，单次分子级别的物质转移量难以直接应用到微纳制造中去，因此一般用于表面修饰改性。