Escalable de sello de impresión y fabricación de superficies de Hemiwicking

Resumen

Dispone de un protocolo simple para la fabricación de estructuras de hemiwicking de diferentes tamaños, formas y materiales. El protocolo utiliza una combinación de la estampa física, PDMS moldeado y película delgada superficial modificaciones vía común materiales técnicas de deposición.

Resumen

Hemiwicking es un proceso donde un líquido moja una superficie modelada más allá de su longitud normal mojado debido a una combinación de acción capilar y la imbibición. Este fenómeno de adherencia de soldadura es importante en muchos campos técnicos que van desde la fisiología a la ingeniería aeroespacial. Actualmente, varias técnicas existen para la fabricación de estructuras de hemiwicking. Estos métodos convencionales, sin embargo, a menudo son lentos y difíciles de escalar para grandes áreas o son difíciles de personalizar para geometrías de patrones específicos, no homogénea. El protocolo presentado proporciona investigadores con un simple, escalable y rentable método para la fabricación de las superficies micro-patrón hemiwicking. El método fabrica estructuras de drenaje mediante el uso de sello de impresión, polydimethylsiloxane (PDMS) de moldeo y capas de película delgada. El protocolo se demuestra hemiwicking con etanol en matrices de microcolumnas PDMS con un 70 nm aluminio de espesor de capa fina.

Introducción

Recientemente ha habido mayor interés en poder tanto activamente como pasivamente controlar la humectación, evaporación y la mezcla de fluidos. Hemiwicking únicamente textured superficies proporcionan una solución novedosa para técnicas de enfriamiento porque estas superficies con textura actúan como una bomba de fluido (o calor) sin partes móviles. Este movimiento fluido es impulsado por una cascada de eventos de acción capilar asociada a la curvatura dinámica de la fina película líquida. En general, cuando un líquido moja una superficie sólida, una curva delgada-película líquida (es decir, líquido menisco) rápidamente forma. El líquido grueso y el perfil de curvatura evolucionan hasta alcanzar un mínimo de energía libre. Para la referencia, este perfil de adherencia de soldadura dinámica puede decaimiento rápidamente a decenas de nanómetros de espesor dentro de una expansión (líquido de soldadura)-escala de longitud de sólo decenas de micrómetros. Así, esta transición región (película de líquido) puede experimentar cambios significativos en la interfaz de líquido curvatura. La transición región (película delgada) es donde se origina el casi toda la dinámica física y química. En particular, la transición región (película fina) es donde encuentran tasas de evaporación (1) máxima, gradientes de presión (2) dis-Unión y gradientes de presión (3) hidrostática^1,2. Como resultado, curva líquido-películas juegan un papel vital en el transporte térmico, separación de fases, inestabilidades del líquido y la mezcla de varios componentes líquidos. Por ejemplo, con respecto a la transferencia de calor, los flujos de calor de pared más alta se han observado en esta región de capa fina altamente curvada, transición^3,4,5,6,7.

Recientes estudios de hemiwicking han mostrado que la geometría (por ejemplo, altura, diámetro, etc.) y la colocación de los pilares determinan el perfil frente mojado y la velocidad del líquido pasando por las estructuras⁸. Como el frente del líquido se evapora la parte final de la última estructura en una matriz, el frente líquido se mantiene a distancia constante y curvatura, el líquido evaporado está siendo reemplazado por el líquido almacenado en el drenaje de estructuras⁹. Hemiwicking estructuras han utilizado también en tubos de calor y en superficies hirvienda para analizar y mejorar los mecanismos de transferencia de calor diferentes. ^{10 , 11 , 12}.

Uno de los métodos actualmente utilizado para crear estructuras de drenaje es la litografía de impresión térmica¹³. Este método realiza estampando el diseño deseado en una capa de resistir en una muestra de molde de silicona con un sello de polímero termoplástico, después remueva el sello para mantener las microestructuras. Una vez extraída, la muestra se somete a un ion reactivo grabado proceso para eliminar cualquier exceso resiste capa^14,15. Este proceso, sin embargo, puede ser sensible a la temperatura de la fabricación de las estructuras de drenaje e incluye varios pasos que utilizan varias capas para asegurar la exactitud de la absorción de estructuras¹⁶. También es el caso de que las técnicas de litografía no son prácticas para la macro-escala de dibujo; mientras que todavía proporcionan una forma para crear un patrón de microestructuras en una superficie, el rendimiento de este procedimiento es mucho menos que ideal para la reproducción a gran escala. Teniendo en cuenta a gran escala, reproducible texturizado, tales como capa spin o inmersión, existe una inherente falta de patrones controlable. Estos métodos crean una matriz aleatoria de microestructuras en la superficie del blanco, pero pueden ampliarse para cubrir áreas mucho más grandes de litografía tradicional técnicas¹⁷.

El protocolo que se describen en este informe intenta combinar las fortalezas de textura artesanal, al mismo tiempo eliminando las debilidades específicas de cada uno; define una manera de fabricar estructuras de hemiwicking personalizados de diferentes alturas, formas, orientaciones y materiales a escala macro y con potencial de alto rendimiento. Varios patrones de drenaje pueden ser creados rápidamente con el propósito de optimización de wicking características, tales como el control direccional de la velocidad del fluido, la propagación y la mezcla de diferentes fluidos. El uso de diferentes estructuras de drenaje también puede proporcionar diferentes espesores de película delgada y perfiles de curvatura, que pueden utilizarse para estudiar sistemáticamente el acoplamiento entre el calor y la transferencia de masa con diferentes espesores y curvatura del líquido menisco.

Protocolo

1. crear el mapa de patrones

1. Con un editor de gráficos, crear el patrón deseado para las estructuras de hemiwicking representado como una imagen de mapa de bits.
   Nota: Algunos de los parámetros de diseño de drenaje (es decir, ángulo gradiente, gradiente de profundidad) pueden ser hechos para ser dependiente en los valores de escala de grises asignados a cada píxel. Estos valores de escala de grises se editan entonces para modificar el parámetro deseado.
2. Guardar el mapa de bits como un gráfico de red portátiles (.png) y colocar el archivo en una carpeta fácilmente disponible.

2. colocar el plástico de sellado para el moldeado

1. Empezar por traducir la broca sellada lejos del espacio de trabajo para evitar cualquier contacto accidental que puede causar la rotura de la punta (+ desplazamientoz , figura 1).
2. Fije el plástico sellado molde/oblea a una placa de respaldo de sellado posterior en el x, y etapa de la traducción (ver figura 1). Fije la placa de muestra/apoyo a la x, y motorizados etapa sellada (figura 1)
3. Alinee el centro de la oblea/molde del plástico con el sellado eje de la broca sellado. Esto es lograda a través de computarizado ±x y ±y desplazamientos con la etapa de sellado x, y motorizados.
4. Traducir la broca sellada hacia el plástico molde/oblea (-z desplazamiento, figura 1) hasta que la broca sellada esté casi en contacto con la superficie del molde/oblea.

3. sellado de la muestra plástica de PDMS de moldeo

1. Utilizando el programa computarizado de control sellado, ajuste la distancia entre la broca sellada (tip) y la superficie de plástico molde/oblea.
2. Traducir la broca sellada en pequeños incrementos (-desplazamiento de δz , figura 1) hacia la superficie de la muestra hasta que la herramienta está en contacto con el plástico.
   Nota: La punta debe sólo ligeramente en contacto con la superficie.
3. Después del contacto, traducir la broca sellada de la muestra para evitar cualquier posible contacto entre la broca y la muestra durante la posterior traducción (δz ≈ 100 μm).
4. Asignar una distancia de pixel (en micrones), profundidad máxima y mínima de la cavidad (en micrones), ángulo máximo y mínimo (en grados), posición inicial de píxeles de x e y del patrón y umbral de pixel para cualquier escala de grises vinculada dibujos para la estampación procedimiento.
5. Cargar el mapa de patrones (creado en el paso 1.1) para ser leído por el programa. Basado en la distancia del pixel y el mapa de patrones, las ubicaciones de todos los sellos son enviadas a los motores paso a paso.
6. Asegúrese de que el láser de calefacción se concentra en la punta de la broca sellada y solo se activa mientras la broca sellada está en movimiento hacia y en el molde de plástico.
7. Para crear las cavidades, introduciendo la broca en el plástico siguiendo el mapa de patrones para lograr el hemiwicking deseada patrón.
8. Retire el molde de plástico estampado para la superficie posterior acabado y pulido.
9. Pulir la superficie del molde plástico con arena de 9000, más fino papel de lija húmedo/seco.
   Nota: Como alternativa, micro malla abrasiva puede utilizarse para asegurar la eliminación de depósitos superficiales causa cráteres alrededor de los pilares en el molde PDMS.

4. crear la moldura de PDMS

1. Verter 2 g de elastómero base y 0,2 g del agente endurecedor del elastómero en un vaso y mezcle durante 3 minutos.
2. Coloque la mezcla en una cámara de vacío para liberar burbujas de aire atrapados en la mezcla; Este paso puede necesitar ser repetido varias veces.
   Nota: Para muestras de diferentes requerimientos de volumen, ajuste la cantidad de agente de curado y base según sea necesario mientras se mantiene una proporción 10:1.
3. Coloque el molde de plástico estampado en un recipiente de pared, idealmente no mucho más grande que el diámetro externo del molde, para la curación que se produzca.
4. Vierta la mezcla PDMS de bolsillos de aire en el plástico sellado y dentro del contenedor. Vierta en una espiral, comenzando desde el centro de la zona de estampado, para intentar distribuir la mezcla PDMS tan igualmente como sea posible.
5. Repita el paso 4.2 para cualquier bolsillos de aire que puedan haber quedado de verter la mezcla en el patrón de estampado. Coloque la mezcla de PDMS y la pieza de plástico con diseño estampado sobre una placa caliente y calentar el conjunto a 100 ° C durante 15 minutos. Luego calentar un adicional 25 min a 65 ° C.
6. Deje que la mezcla PDMS para refrigerar y curar por 20 min antes de manipularlo.
7. Cortar los bordes del plástico de PDMS de la pared del recipiente y retire el plástico PDMS del molde. Almacenar el plástico PDMS en un recipiente cubierto para evitar partículas de polvo que se acumule en la superficie.

5. depositar el Metal de película delgada en el PDMS

1. Coloque la muestra PDMS dentro de la cámara de deposición, dejando suficiente espacio para que el obturador se abre y se cierra sin obstrucciones.
2. Despresurizar la cámara de deposición al menos 10 mTorr.
3. El sistema seco de la bomba y ajustar la velocidad de giro a 75 kRPM. Permita que la cámara llegar a una presión del orden de 10^-8 Torr.
   Nota: Esto eliminará la mayoría de contaminantes de la cámara; proceso puede tardar hasta 12 horas para completar.
4. Energía en la nevera y del CC y establecer la potencia 55 w.
5. Abra ligeramente la válvula de argón y presurizar la cámara a la orden de 10^-3 Torr. Fijar la bomba seca sistema 50 kRPM y espere hasta que se alcanza esta velocidad.
6. Reducir la potencia de 35 W y Despresurizar la cámara 13 mTorr. Abra el obturador para plasma encendida e iniciar el temporizador.
   Nota: Plasma encendida debe emitir un resplandor azul, incandescente. Temporizador debe ajustarse para el grueso deseado de depósito de película. Se ha determinado que para 35 W y una presión de aproximadamente 13 mTorr, se espera una tasa de deposición de nm 7 por minuto.
7. Una vez logrado el espesor deseado de la película, cierre el obturador y apague la fuente de alimentación.
8. Cierre todas las válvulas dentro de la cámara de deposición y apagar el sistema de bomba seca. Permita que el ventilador de la bomba de seco venir a una parada completa.
9. Lentamente presurizar la cámara hasta alcanzar la presión atmosférica local y retirar la muestra, guardarlo para futuros experimentos.

Resultados

Figura 1 ofrece un esquema de cómo el mecanismo de sellado podría crear el molde para las estructuras de drenaje en un molde de plástico. Para investigar la calidad del aparato sellado en la fabricación de películas wicking, dos matrices diferentes Pilar fueron creados para analizar la calidad de los pilares para futuros experimentos de absorción. Aspectos del aparato investigado fueron la exactitud de la altura de los pilares (con y sin un gradiente de...

Discusión

Se ha introducido un método para crear matrices de estampado de pilar para las estructuras hemiwicking; Esto se logra mediante impresión de cavidades sobre una oblea de plástico con un aparato de grabado que sigue patrones de un mapa de bits creado por el usuario. Una mezcla PDMS es luego vertida, curada y cubierta con una fina capa de aluminio por medio de deposición. Las características de la matriz de Pilar pueden ser personalizadas dependiendo del valor de escala de grises que se asigna en el mapa de bi...

Materiales

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.