Масштабируемые печати и изготовления Hemiwicking поверхностей

Резюме

Простой протокол предоставляется для изготовления hemiwicking структур различных размеров, форм и материалов. Протокол использует сочетание физических тиснения, PDMS формования и тонкопленочных поверхностных модификаций через общие материалы осаждения техники.

Аннотация

Hemiwicking представляет собой процесс, где жидкость смачивает поверхность узорной за пределы длины его нормального увлажнения благодаря сочетанию капиллярность и пропитывание. Это явление смачивания имеет важное значение во многих технических областях, начиная от физиологии до аэрокосмической техники. В настоящее время для изготовления hemiwicking структур существуют несколько различных методов. Эти традиционные методы, однако, зачастую много времени и трудны для масштабирования для крупных районов или трудны для настройки для конкретных, неоднородных патронирования геометрий. Представленные протокол обеспечивает исследователей с простым, масштабируемые и эффективный метод для изготовления микро узорные hemiwicking поверхностей. Этот метод производит влагу структур с использованием печати, полидиметилсилоксан (PDMS) формования и тонкопленочных покрытий поверхности. Протокол продемонстрировал для hemiwicking с этанолом на PDMS micropillar массивы, покрытые 70 нм толщиной алюминия тонкопленочных.

Введение

Последнее время наблюдается повышенный интерес к возможности активно и пассивно контролировать смачивания, испарения и перемешивания жидкостей. Однозначно текстурированных hemiwicking поверхности обеспечивают оригинальное решение для охлаждения методы, потому что эти текстурированной поверхности выступать в качестве жидкости (или тепло) насос без подвижных частей. Это движение жидкости управляется Каскад капиллярность событий, связанных с динамической кривизны жидкого тонкопленочных. В общем когда жидкость смачивает твердой поверхности, изогнутые жидкого тонкопленочных (т.е., жидкий мениска) быстро образует. Жидкости толщина и кривизны профиля развиваться до минимума свободно энергии. Для справки этот профиль динамической смачивания может быстро распада десятков нанометров толщиной в связующего (жидкость смачивания) Длина масштабе только десятков микрометров. Таким образом этот переходный региона (жидкость фильм) могут претерпевают значительные изменения в жидкость интерфейса кривизны. Переходные (тонкопленочных) регион является, где происходит почти все динамической физики и химии. В частности переходных (тонкопленочных) регион является, где испарения максимальное (1), (2) дис присоединения градиентов давления и градиентов (3) гидростатического давления находятся^1,2. В результате изогнутые жидкость фильмы играют важную роль в тепловой транспорта, разделение фаз, жидкости неустойчивостей и смешивания многокомпонентной жидкости. Например в отношении передачи тепла, наблюдались высокие стены потоков тепла в этой весьма изогнутые, переходный тонкопленочных региона^3,4,5,6,7.

Недавние hemiwicking исследования показали, что геометрия (например, высота, диаметр и т.д.) и размещение опор определяют смачивания фронт профиль и скорости жидкости, проходящей через структуры⁸. Как фронт жидкости испаряется от конца последнего структуры массива, жидкости фронт поддерживается на постоянном расстоянии и кривизны, как испаряющейся жидкости сменяется жидкости, хранящиеся в влагу структуры⁹. Hemiwicking структур использовались также в тепловых труб и на кипящей поверхностях для анализа и улучшения механизмов передачи различных тепла. ^{10 , 11 , 12}.

Один из методов, в настоящее время используется для создания влагу структур является тепловой отпечаток литографии¹³. Этот метод выполняется путем штамповки нужный макет в сопротивлять слой на образце формы кремния с отметкой термопластичный полимер, а затем удаление отметку для поддержания микроструктур. После удаления, образец помещается через реактивного ионного травления процесс, чтобы удалить любой избыток противостоять слой^14,15. Этот процесс, однако, могут быть чувствительны к температуре изготовление влагу структур и включает в себя несколько шагов, которые используют различные покрытия для обеспечения точности влагу структуры¹⁶. Это также случай, который литографии методы не являются практичным для макро масштабе кучность; Хотя они по-прежнему предоставляют способ для создания шаблона микроструктур на поверхности, пропускная способность этой процедуры гораздо меньше, чем идеально подходит для крупномасштабных воспроизводства. Учитывая крупномасштабных, воспроизводимые текстурирование, таких как спина или dip покрытия, является неотъемлемым отсутствие контролируемый патронирования. Эти методы создания случайного массива микроструктур на поверхности целевого но может масштабироваться для покрытия значительно больше областей, чем традиционные литографии методы¹⁷.

Протокола, изложенные в настоящем докладе предпринимается попытка совместить преимущества традиционных методов текстурирования при одновременно устранения конкретных недостатков каждого; Он определяет способ изготовления пользовательских hemiwicking структур различных высот, формы, ориентации и материалов в макро-масштабе и с потенциально высокой пропускной способности. Различные влагу шаблоны могут быть быстро созданы с целью оптимизации влагу характеристики, такие как распределители жидкости скорости, распространения и смешивания различных жидкостей. Использование различных влагу структур также может предоставить различной толщины тонкопленочных и кривизны профилей, которые могут быть использованы для систематически изучать связь между тепло- и массообмена с различной толщины и кривизны профили жидкости мениска.

протокол

1. Создайте карту патронирования

1. Используя графический редактор, создайте нужный шаблон для hemiwicking структур, представлено как растровое изображение.
   Примечание: Некоторые из влагу конструктивных параметров (то есть, угол градиента, глубина градиент) можно сделать быть зависимым от серого значения, присвоенные каждому пикселу. Эти значения серого затем редактировать для того чтобы изменить нужный параметр.
2. Сохранить растровое изображение как переносимая сетевая графика (.png) и поместите файл в папку легко доступны.

2. размещение к быть штамп для литья пластика

1. Начать с перевода штамповки бит от рабочей области, чтобы избежать случайного контакта, что может привести к поломке кончик (+z перемещения, рис. 1).
2. Защиты пластик, штамповка формы/пластин для опорного диска для последующей штамповки на x, y перевод этапе (см. Рисунок 1). Безопасный пластину образца/бэк на x, y моторизованные штамповки стадии (рис. 1)
3. Выровняйте по центру пластиковые плесень/пластин с осью тиснение тиснение бита. Это осуществляется через компьютеризированные ±x и ±y перемещения с этапа x, y моторизованные штамповки.
4. Перевести штамповки бит к пластиковые плесень/пластин (-z -смещение, рис. 1) до тех пор, пока штамповки бит почти соприкасается с поверхности плесень/пластин.

3. Штамповка пластиковые образца для PDMS формования

1. Используя программу управления компьютеризированной штамповки, установите расстояние между штамповки бит (Совет) и поверхности пластиковые плесень/пластин.
2. Перевести штамповки бит в малых приращений (-δz перемещения, рис. 1) к поверхности образца до тех пор, пока оснастка находится в контакте с пластик.
   Примечание: Бит должен только слегка контакт поверхности.
3. После контакта перевод штамповки бит от образца, чтобы избежать любого возможного контакта между бит и образец во время последующего перевода (δz ≈ 100 мкм).
4. Назначить пиксель расстояние (в микронах), полости максимальная и минимальная глубина (в микронах), максимальный и минимальный угол (в градусах), начальное положение x и y пикселя шаблон, и порог пикселя для любых связанных патронирования серого для тиснения процедура.
5. Загрузите карту патронирования (создана на шаге 1.1) чтобы быть прочитаны программой. Основываясь на пиксель расстояние и карта патронирования, расположение всех марок отправляются в шаговых двигателей.
6. Убедитесь, что Отопление лазера сосредоточено на кончике штамповки бит и только активирует в то время как штамповка бит движется в сторону и в пластиковые формы.
7. Создайте полостей, нажав бит в пластик следуя патронирования карту для достижения желаемого hemiwicking шаблон.
8. Удаление штампованные пластиковые формы для последующих поверхности лакокрасочного покрытия и полировка.
9. Польский на поверхности пластмасс с использованием 9000 зернистости, тонкой влажной/сухой наждачной бумагой.
   Примечание: в качестве альтернативы, микро сетки абразивные может использоваться для обеспечения удаления поверхностных отложений, что причиной образования кратеров вокруг колонны в форме PDMS.

4. Создайте PDMS формовочные

1. Налейте в стакан 2 g эластомера базы и 0,2 г отвердителя эластомер и смешать тщательно за 3 мин.
2. Поместите смесь в эвакуированных камеру освободить любые воздушные пузыри, оказавшихся в смеси; Этот шаг придется повторить несколько раз.
   Примечание: Для образцов различного объема требований, отрегулируйте количество базовых и отверждения агента по мере необходимости при сохранении в соотношении 10:1.
3. Место штамп прессформа в контейнер стеной, в идеале не намного больше, чем наружный диаметр форма для полимеризации происходит.
4. Вылейте смесь PDMS бесплатно воздушных карманов на декоративного пластика и внутри контейнера. Налейте в спираль, начиная от центра области штамп, чтобы попытаться максимально равномерно PDMS смесь.
5. Повторите шаг 4.2 для любых воздушных карманов, которые могут быть сформированы из заливки смеси на шаблоне штамп. Поместите смесь PDMS и пластиковые кусок с печатью узором на горячей пластине и тепла Ассамблее на 100 ° C в течение 15 мин. Затем тепло дополнительные 25 мин при температуре 65 ° C.
6. Позвольте смеси PDMS для охлаждения и лечения за 20 мин до обработки.
7. Вырезать края PDMS пластика от стены контейнера и удалите пластиковые PDMS от плесени. Храните в закрытом контейнере, чтобы избежать пыли от сбора на поверхности PDMS пластика.

5. нанесения тонкопленочных металла на PDMS

1. Поместите образец PDMS внутри камеры осаждения, оставляя достаточно места для затвор, чтобы быть открыты и закрыты беспрепятственным.
2. Сбросьте давление в емкости осаждения камере по крайней мере 10 mTorr.
3. Взаимодействовать с системой сухой насос и установите скорость отжима 75 kRPM. Позвольте камере достичь давление порядка 10^-8 Торр.
   Примечание: Это будет удалить большинство загрязнений из камеры; процесс может занять до 12 часов для завершения.
4. Мощность на кулер и питания постоянного тока питания и установить власть до 55 Вт.
5. Открыть клапан аргон слегка и давление камере порядку 10^-3 Торр. Установите сухой насос системы 50 kRPM и ждать, пока не будет достигнута эта скорость.
6. Снизить мощность до 35 Вт и сбросьте давление в емкости камеры до 13 mTorr. Откройте затвор на воспламененном плазмы и запустить таймер.
   Примечание: Воспламененном плазмы должно выделяют свечение синий, лампы накаливания. Таймер должен быть установлен для требуемой толщины пленки месторождения. Было установлено, что для 35 Вт и давления приблизительно 13 mTorr, 7 Нм осаждения в минуту ожидается.
7. После того, как был достигнут желаемый фильм толщина, закройте затвор и отключите источник питания.
8. Закройте все клапаны внутри камеры осаждения и выключить сухой насос системы. Дать время для вентилятора сухой насос прийти к полной остановке.
9. Медленно давление камеры, пока он не достигнет местного атмосферное давление и удалить образец, хранить его для дальнейших экспериментов.

Результаты

Рисунок 1 содержит схематическое изображение как штамповка механизм создаст плесень для влагу структур на пластиковые плесень. Исследовать качество тиснения аппарат в производстве влагу фильмов, два различных компонента массивы были созданы для ана?...

Обсуждение

Метод был введен для создания массивов узорной компонент для hemiwicking структур; Это достигается путем импринтинга полостей на пластиковых пластин гравировка аппаратом, ниже кучность из растрового изображения, созданные пользователем. PDMS смесь затем выливают, вылечить и покрытая тонкой ...

Материалы

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.