基于“荷花效应”的MEMS功能表面仿生技术

    由于微机电系统(MEMS)具有尺度小、重量轻、能耗低、可靠性高、功能强等特点,因而它正在成为新崛起的大规模的产业和各国政府竞争的焦点。但随着特征尺度的显著减小,微机电系统的表面积和体积之比相对增大,表面效应大大增强,在普通机械中被忽略了的表面力此时将起主导作用,由此引起的摩擦磨损、表面粘附等问题成为制约MEMS发展的瓶颈。

    为改善MEMS功能表面微摩擦特性,各国研究者们通过合理构建表面粗糙结构进行了一些有益的尝试^[1~3]。但目前研究均是从构建某一种形态的表面微观结构单元(线条、沟槽、凸起等)来改善表面微摩擦特性,没有系统研究微尺度表面的微观形貌与其摩擦磨损、粘附性能之间的关系,也未寻找出改善表面微摩擦特性的较优的表面结构形态方案。目前“荷花效应”已成功应用于自洁型防水外墙漆、服装、纤维等领域^[4],尚未见“荷花效应”应用于MEMS器件的报道。文中将探讨“荷花效应”在MEMS领域的应用机理以及基于“荷花效应”的仿生功能表面的制作方法。

    1　“荷花效应”在MEMS器件防粘中的应用

    目前减小MEMS表面之间的粘附力的方法主要有:采用疏水材料和增加MEMS功能表面的粗糙度以及用低表面能涂层涂覆MEMS功能表面等。荷叶表面正是粗糙表面和疏水材料的完美结合。荷叶表面存在独特的双微观结构,即乳突形成的微米结构和乳突上的蜡晶体形成的纳米结构,如图1所示。乳突的直径为5~15μm,蜡晶体尺度为20~500 nm。荷叶表面存在独特的双微观结构对于MEMS防粘技术具有巨大的潜在应用价值。下面将推导具有荷叶结构的表面的防粘附性能。

    粘附参数θ是一个表征表面粘附性能的无量纲的变量[5]。

式中,E*是等效杨氏模量,σ是表征表面粗糙度不平度的特征尺度,一般取轮廓不平度高度分布的标准偏差,R是表征粗糙表面接触特性的尺度,对于微/纳摩擦学,R取不平度尖端的曲率半径, W_a是粘附功。粘附参数反映了2表面之间较粗糙部分引起的排斥力与较光滑部分引起的粘附力之间抗衡使2表面分离或黏附的统计平均值。粘附参数小,则2表面易于黏附。用粘附参数作为判据,可将2表面粘附性能分为3类:不粘附(θ≥12),粘附(θ≤1),过渡粘附(1<θ<12)。

    表面粗糙度使2表面之间较粗糙部分增多,排斥力变大,有利于2平面分离,因而提高了粘附参数。为研究表面粗糙度对表面微观特性的影响,可引入一个无量纲变量即粗糙因子Θ