可缩放邮票印刷及不堪砌面的制作

摘要

为制造不同尺寸、形状和材料的半排汗结构提供了一个简单的协议。该协议采用物理冲压、pdms 成型和薄膜表面修改的组合, 通过常用的材料沉积技术。

摘要

半眨眼是一个过程, 流体湿的图案表面超出其正常的润湿长度, 由于毛细管作用和吸收的组合。这种润湿现象在从生理学到航天工程的许多技术领域都很重要。目前, 有几种不同的技术可以制造半排汗结构。但是, 这些传统方法通常非常耗时, 并且很难针对大面积进行扩展, 或者难以针对特定的非均匀图案几何进行自定义。该协议为研究人员提供了一种简单、可扩展且经济高效的方法, 用于制造微图案的半排汗表面。该方法通过邮票印刷、聚二甲基硅氧烷 (pdms) 成型和薄膜表面涂层的方法来制造吸水结构。该方案在 pdms 微柱阵列上涂覆了70纳米厚的铝薄膜, 并对其进行了偏斜抽吸。

引言

最近, 人们越来越感兴趣能够主动和被动地控制液体的润湿、蒸发和混合。独特的纹理半湿滑表面为冷却技术提供了一种新的解决方案, 因为这些纹理表面起到流体 (和/或热) 泵的作用, 没有运动部件。这种流体运动是由与液体薄膜的动态曲率相关的毛细管作用事件的级联驱动的。一般来说, 当液体使固体表面变湿时, 弯曲的液体薄膜 (即液体半月板) 会迅速形成。流体厚度和曲率分布不断变化, 直到达到自由能量最小值。作为参考, 这种动态润湿剖面可以在只有几十微米的跨越 (流体润湿) 长尺度内迅速衰减到几十纳米的厚度。因此, 这个过渡 (液膜) 区域可以发生显著的变化, 液体界面曲率。过渡 (薄膜) 区域几乎是所有动态物理和化学的发源地。特别是过渡 (薄膜) 区域是最大 (1) 蒸发速率、(2) 分离压力梯度和 (3) 静压梯度的区域, 为^1,2。因此, 弯曲液膜在热输运、相分离、流体不稳定性和多组分流体混合中起着至关重要的作用。例如, 在传热方面, 在这个高度弯曲的过渡薄膜区域^{3、4、5、6、7}中观察到了最高的壁面热流。

最近的半注浆研究表明, 几何形状 (如高度、直径等) 和支柱的位置决定了流体在结构中的润湿前轮廓和速度⁸。当流体前部从阵列中最后一个结构的末端蒸发时, 流体前部保持在恒定的距离和曲率上, 因为蒸发的流体被储存在排裁结构^中的流体所取代。在热管和沸腾表面也采用了半湿结构来分析和增强不同的传热机制。^10,11,12岁

目前用于创建抽吸结构的一种方法是热压印¹³。这种方法是通过用热塑性聚合物邮票将所需的布局冲压到硅模具样品上的抵抗层, 然后取下邮票来保持微观结构。一旦去除, 样品通过反应离子蚀刻过程中取出任何多余的抵抗层^14,15。然而, 这个过程可以对排汗结构的制造温度敏感, 并包括多个步骤, 利用各种涂层, 以确保排汗结构的准确性 16.也存在着光刻技术对于宏观尺度模式的实用性;虽然它们仍然提供了一种在表面上创建微结构模式的方法, 但这一过程的吞吐量远远低于大规模复制的理想。考虑到大规模、可重复的纹理, 如自旋或浸渍涂层, 固有地缺乏可控的图案。这些方法在目标表面创建了一个随机的微结构阵列, 但可以缩放到比传统光刻技术大得多的区域¹⁷。

本报告概述的议定书试图结合传统纹理方法的优点, 同时消除每种方法的具体弱点;它定义了一种在宏观尺度上制造各种高度、形状、方向和材料的自定义半排义结构的方法, 并具有潜在的高吞吐量。为了优化排汗特性, 可以快速创建各种抽吸模式, 例如流体速度的定向控制、传播和不同流体的混合。不同的抽吸结构的使用还可以提供不同的薄膜厚度和曲率分布, 可用于系统地研究不同厚度和曲率分布的传热与传质之间的耦合半。

研究方案

1. 创建图案地图

1. 使用图形编辑器, 为表示为位图图像的半排裁结构创建所需的模式。
   注: 某些排汗设计参数 (即角度渐变、深度渐变) 可以根据分配给每个像素的灰度值进行。然后编辑这些灰度值, 以修改所需的参数。
2. 将位图另存为便携式网络图形 (. png), 并将文件放在随时可用的文件夹中。

2. 放置塑料, 用于成型

1. 首先将冲压位从工作区中翻译出来, 以避免任何可能导致尖端损坏的意外接触 (+z位移,图 1)。
2. 将塑料冲压件固定在背板上, 以便随后在x, y翻译阶段进行冲压 (参见图 1)。将样品板固定在 x、y 机动冲压阶段 (图 1)
3. 将塑料模具晶片的中心与冲压钻头的冲压轴对齐。这是通过计算机±x和±位移与x, y机动冲压阶段完成的。
4. 将冲压钻头翻译到塑料模具晶片 (-z位移,图 1), 直到冲压钻头几乎与模具晶片表面接触。

3. pdms 成型用塑料样品的冲压

1. 采用计算机冲压控制程序, 设置冲压钻头 (尖端) 与塑料模具晶片表面之间的距离。
2. 将冲压钻头以较小的增量 (-z位移,图 1) 转换到样品表面, 直到工具与塑料接触。
   注: 钻头只能轻轻接触表面。
3. 接触后, 将冲压钻头从样品中翻译出来, 以避免在随后的翻译过程中钻头和样品之间的任何可能接触 (z 100μm)。
4. 为图案的任何灰度链接图案分配像素距离 (以微米为单位)、最大和最小空腔深度 (微米)、最大和最小角度 (度)、初始 x 和y像素位置以及像素阈值程序。
5. 上传要由程序读取的图案映射 (在步骤1.1 中创建)。根据像素距离和图案图, 所有邮票的位置都被发送到步进电机。
6. 确保加热激光聚焦在冲压钻头的尖端, 并且仅在冲压钻头向塑料模具移动和进入塑料模具时才会激活。
7. 通过将钻头压入塑料, 同时遵循图案贴图来实现所需的半排扣图案, 从而创建空腔。
8. 拆卸冲压塑料模具, 以便随后进行表面修补和抛光。
9. 使用9000砂砾, 更精细的润湿砂纸, 抛光塑料模具的表面。
   注: 此外, 微网磨料可用于确保去除在 pdms 模具中的支柱周围造成碎屑的表面沉积物。

4. 创建 pdms 成型

1. 将2克弹性体基座和0.2 克弹性体固化剂倒入烧杯, 充分混合在一起3分钟。
2. 将混合物放入排空室, 以释放混合物中的气泡;此步骤可能需要重复多次。
   注: 对于不同体积要求的样品, 请根据需要调整基剂和固化剂的用量, 同时保持10:1 的比例。
3. 将冲压塑料模具放入壁式容器中, 理想情况下不会大于模具的外径, 以便进行固化。
4. 将 pdms 混合物无气囊地倒在冲压塑料和容器内。从冲压区域的中心开始, 将 pdms 混合物循环成螺旋, 以尽可能平均的方式进行分配。
5. 对于将混合物浇注到冲压图案上可能形成的任何气囊, 重复步骤4.2。将 pdms 混合物和带有冲压图案的塑料件放在热板上, 并在100°c 下加热组件15分钟。然后在65°c 下再加热25分钟。
6. 在处理前, 让 pdms 混合物冷却并固化20分钟。
7. 将 pdms 塑料的边缘从容器壁上剪掉, 并从模具中取出 pdms 塑料。将 pdms 塑料存放在有盖的容器中, 以避免灰尘颗粒在表面收集。

5. 将薄膜金属沉积在 pdms 上

1. 将样品 pdms 放置在沉积室内, 留下足够的空间, 使快门能够不受阻碍地打开和关闭。
2. 将沉积室降低到至少 10 mtorr。
3. 参与干泵系统, 并将旋转速率设置为 75 krpm。允许腔达到^10-8 torr 的压力。
   注: 这将去除室内的大部分污染物;过程可能需要长达12小时才能完成。
4. 打开冷却器和直流电源, 并将电源设置为 55 w。
5. 稍微打开氩阀, 并将腔向 10-3 torr 的压力 。设置干泵系统 50 krpm, 并等待, 直到达到这个设置的速度。
6. 将功率降低到 35 w, 并将腔内的减压降低至 13 mtorr。打开快门点燃等离子体并启动计时器。
   注: 点火等离子体应发出蓝色的白炽灯。应设置所需厚度的薄膜沉积的定时器。已经确定, 35 w 和压力约为 13 mtorr, 预计每分钟沉积7纳米。
7. 达到所需的薄膜厚度后, 关闭快门并关闭电源。
8. 关闭沉积腔内的所有阀门, 关闭干泵系统。让干燥泵风扇有时间完全停止。
9. 慢慢加压室, 直到它达到当地的大气压力, 并删除样品, 将其存储在未来的实验。

结果

图 1提供了冲压机构如何为塑料模具上的排汗结构创建模具的示意图。为了研究抽吸薄膜中冲压设备的质量, 建立了两种不同的柱阵, 对今后抽吸实验中的柱体质量进行了分析。所调查的仪器的各个方面是柱高度的准确性 (有深度梯度和没有深度梯度)、pdms 成型后柱子的质量、溅射沉积过程后柱子的质量以及结构, 以创建半排汗。为此, 创建了两个抽吸?...

讨论

介绍了一种用于半抽吸结构的图案柱阵的方法;这是通过在塑料晶片上留下凹槽, 并带有雕刻装置, 该雕刻装置遵循用户创建的位图图案来实现。然后, pdms 混合物通过沉积进行浇注、固化和涂覆一层铝薄膜。可以根据此协议下的位图中分配的灰度值自定义支柱数组特征。图案的这一关键方面可以创建广泛的可能的排汗结构来测试, 可用于各种应用, 包括薄膜研究和热系统的直接应用。代?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
NI-DAQ 9403	National Instruments	370466AE-01	The communication interface between the camera and the control switch for the laser.
Control Switch	Crouzet	GN84134750	A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ.
Flea Camera	FLIR	FL3-U3-120S3C-C	A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold.
Flea Imaging Camera	Point Grey	FL3-U3-20E4M-C	A flea camera used for obtaining the side images of the pillars.
200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2)	AdaFruit	324	The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill.
10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective	Mitutoyo	#46-144	The objective used to get the image of the side of the pillars.
15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective	TechSpec	#58-417	The objective used to get the image of the top of the pillars.
72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill	Harvey Tools	72002	The drill bit that was used to create holes in the plastic mold.
DC Power Delivery at 1 kW	Advanced Energy	MDX-1K	Used to power the deposition sputterer.
Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump	Varian	9699336	Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber.
2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser	WDLasers	KREE	Sample Heating Laser
5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections	McMaster-Carr	2204K5	PDMS Dessicator
SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit	Dow-Corning	4019862	The PDMS Kit used to make the base.
Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump	Gast	DOL-701-AA	Dessicator Vacuum Pump
Motorized Linear Stages (2x)	Standa	8MT175	The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction.
2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm	ThorLabs	AC508-150-A	The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars.
Flea 3 Mono  Camera, 2448 X 2048 Pixels	Point Grey	FL3-GE-50S5M-C	A flea camera used for imiaging the top of the pillars.
Digital Vacuum Transducer	Thyrcont Vacuum Instruments	4940-CF-212734	Used for monitoring pressure inside deposition chamber.
Pressurized Argon Tank Resovoir	Airgas	AR RP300	Gas used in deposition process.
1-D Translation Stage	Newport Corporation	TSX-1D	A translation stage used to move the camera to focus on the end mill.
Cylindrical Laser Mount (x2)	Newport Corporation	ULM-TILT-M	The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill.
Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz	Polyscience	LS51MX1A110C	A chiller used for the deposition assembly.
Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase	Ideal Vacuum Products	210SDMLAM-XP	A vacuum pump used for the deposition assembly.
Fan, 105 CFM, 115 V (x2)	Comair Rotron	MU2A1	A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly.