Ölçeklenebilir pul baskı ve Hemiwicking yüzeyler imalatı

Özet

Basit bir protokol hemiwicking yapılarının farklı boyut, şekil ve malzemeleri imalat için sağlanır. Protokol fiziksel damgalama, kalıplama PDMS ve ince film yüzey modifikasyonlar ile ortak malzeme ifade teknikleri bir arada kullanır.

Özet

Hemiwicking nerede bir sıvı desenli yüzey ötesinde normal ıslatma uzunluğu nedeniyle kılcal eylem ve imbibition bir arada ıslatıyor bir süreçtir. Bu ıslatma birçok teknik alanlar Fizyoloji Havacılık ve uzay mühendisliği için arasında değişen önemli bir olgudur. Şu anda, birkaç farklı teknikler hemiwicking yapıların imalatı için mevcut. Bu geleneksel yöntemler, ancak, çoğu kez zaman alıcı ve ölçek-up geniş alanlar için zor olan veya belirli, nonhomogeneous desenlendirme geometrileri için özelleştirmek zordur. Sunulan protokolü ile basit, ölçeklenebilir, araştırmacılar ve hemiwicking mikro-desenli yüzeyler imalatı için uygun maliyetli yöntemi sağlar. Yöntem esneklik yapıları aracılığıyla pul baskı, kalıp polydimethylsiloxane (PDMS) ve ince film yüzey kaplama fabricates. Protokol için hemiwicking bir 70 nm kalın alüminyum ince film ile kaplı PDMS micropillar diziler üzerinde etanol ile gösterilmiştir.

Giriş

Son zamanlarda artan ilgi hem aktif hem de pasif ıslatma, buharlaşma, kontrol edebilmesi ve sıvıları karıştırma olmuştur. Benzersiz olarak dokulu hemiwicking yüzeyler bu dokulu yüzeyler olarak sıvı (ve/veya ısı) Pompa hareketli parçalar olmadan hareket çünkü teknikleri soğutma için yeni bir çözüm sunar. Bu sıvı hareket sıvı ince film dinamik eğimi ile ilişkili eylem kılcal olaylar bir çağlayan tarafından tahrik edilmektedir. Ne zaman bir sıvı katı bir yüzeye ıslatıyor, genel olarak, bir eğri sıvı ince film (Yani, sıvı menisküs) hızlı bir şekilde oluşturur. Ücretsiz-enerji en az ulaşılana kadar sıvı kalınlığı ve eğrilik profil gelişmeye. Başvuru için bu dinamik ıslatma profil onlarca nanometre kalınlığında bir yayma (sıvı-ıslatma) uzunluğu-ölçek mikrometre tek onlarca içinde çürüme hızlı. Böylece, bu geçiş (sıvı-film) bölgedeki sıvı arayüzü eğriliği önemli değişikliklere tabi olabilir. Geçiş (ince film) hemen hemen tüm dinamik fizik ve kimya kaynaklandığı bölgedir. Özellikle, geçiş (ince film) bölgedeki en fazla (1) buharlaşma oranlarını, (2) dis katılmadan basınç gradyanları ve (3) hidrostatik basınç gradyan bir^1,2bulunduğu yer. Sonuç olarak, eğri sıvı filimler termal ulaşım, faz ayrımı, sıvı bazı ve çok bileşenli sıvıları karıştırma hayati bir rol oynamaktadır. Örneğin, ısı transferi ile ilgili olarak, bu son derece eğimli, geçiş ince film bölge^3,4,5,6,7' en yüksek duvar ısı Cerayanlar gözlenmiştir.

Son hemiwicking çalışmalar geometri (Örneğin, yükseklik, çapı, vb) ve sütun yerleşimini ıslatma açık profil ve hız yapıları⁸' den çalışan sıvı belirleyin göstermiştir. Sıvı açık bir dizideki son yapısı sonu kapalı buharlaştırma gibi sıvı ön buharlaştırılmış sıvı wicking yapıları⁹' depolanan sıvı tarafından yerine gibi bir sabit mesafe ve eğrilik, korunur. Hemiwicking yapıları da ısı boruları ve kaynar yüzeylerde analiz ve farklı ısı aktarım mekanizmaları geliştirmek için kullanılmıştır. ^{10 , 11 , 12}.

Şu anda esneklik yapıları oluşturmak için kullanılan bir yöntem termal baskı litografi¹³yaşında. Bu yöntem istenen düzeni resist katmanına bir silikon kalıp örneğe bir termoplastik polimer damga ile damgalama sonra microstructures korumak için pul kaldırma gerçekleştirilir. Bir kez kaldırıldı, örnek bir reaktif iyon aşırı resist katman^14,15hiçbirini kaldırmak için işlem aşındırma alınır. Bu işlem, ancak, wicking yapıların imalatı sıcaklığa duyarlı olabilir ve wicking yapıları¹⁶doğruluğunu sağlamak için çeşitli kaplamalar yararlanmak birden çok adımı içerir. Aynı zamanda litografi teknikleri için makro-ölçek biçimlenme pratik olmayan durumdur; Onlar hala bir yüzeye microstructures bir model oluşturmak için bir yol sağlar iken, bu yordamı throughput çok az büyük ölçekli üreme için idealdir. Büyük ölçekli, tekrarlanabilir, spin veya daldırma kaplama gibi tekstüre göz önüne alındığında kontrol edilebilir desenlendirme doğal bir eksikliği var. Bu yöntemler microstructures rasgele bir dizi hedef yüzeyinde oluşturmak ama geleneksel litografi teknikleri¹⁷daha büyük ölçüde geniş alanları kapsayacak şekilde ölçeklendirilebilir.

Bu raporda belirtilen iletişim kuralı aynı anda her belirli zayıf ayrıcılıklarına olan geleneksel tekstüre yöntemleri güçlerini birleştirmek çalışır; Özel hemiwicking yapıları çeşitli yükseklikleri, şekiller, yönelimleri ve malzemelerin bir makro ölçekte ve potansiyel olarak yüksek işlem hacmi ile imal için bir yol tanımlar. Çeşitli wicking desenler akışkan hızı, yayma ve farklı sıvıları karıştırma yön kontrolü gibi özellikleri esneklik en iyileştirme amacıyla hızlı bir şekilde oluşturulabilir. Farklı esneklik yapıların kullanımını da değişen ince film kalınlığı ve sistematik olarak ısı ve kütle transferi arasında bağlantı farklı kalınlık ile çalışmak için kullanılan eğriliği profilleri ve eğrilik profilleri sıvı sağlayabilir Menisküs.

Protokol

1. desenlendirme harita oluşturma

1. Bir grafik editörü kullanarak, bir bitmap görüntüsü olarak temsil hemiwicking yapıları için gerekli kalıbı oluşturmak.
   Not: Bazı wicking tasarım parametreleri (Yani, açılı degrade, degrade derinlik) her piksel için atanan gri ton değerleri bağımlı olmak yapılabilir. Bu gri tonlama değerleri daha sonra istenen parametre değiştirmek için düzenlenmiş bulunmaktadır.
2. Bit eşlem bir taşınabilir ağ grafiği (.png) kaydedin ve dosyayı kullanıma hazır bir klasörüne yerleştirin.

2. Plastik kalıplama için damgalanması yerleştirme

1. Damgalama bit uzak ucu (+z deplasman, Şekil 1) kırılması neden olabilir herhangi bir kaza sonucu temasını engellemek için çalışma alanı çevirerek başlar.
2. Plastik kalıp/gofret sonraki x, y çeviri sahne damgalama için bir destek plakasına damgalama güvenli (bkz. Şekil 1). Örnek/destek kalenin güvenliğini sağlamak için x, y motorlu damgalama sahne (Şekil 1)
3. Plastik kalıp/gofret orta damgalama bit damgalama ekseni ile hizalayın. Bilgisayarlı başarılı üzerinden ±x ve ±y talebiyle motorlu x, y damgalama sahne bu.
4. Damgalama bit plastik kalıp/gofret doğru çevirmek (-z deplasman, Şekil 1) damgalama bit neredeyse kalıp/gofret yüzeyi ile temas kadar.

3. plastik örnek için PDMS kalıp damgalama

1. Bilgisayarlı damgalama denetleme programı kullanarak, damgalama bit (tıp) ve plastik kalıp/gofret yüzey arasındaki mesafeyi ayarlayın.
2. Küçük artışlarla damgalama bit çevirmek (-δz deplasman, Şekil 1) takım ile temas plastik olana örnek yüzeyine doğru.
   Not: Sadece hafifçe temas yüzeyi bit gerekir.
3. Temas ettikten sonra damgalama bit bit ve örnek arasında olası herhangi bir temas sırasında sonraki çeviri (δz ≈ 100 mikron) önlemek için örnek uzak çevirmek.
4. Ata bir piksel uzaklık (olarak mikron), maksimum ve minimum kavite derinlemesine (mikron), maksimum ve minimum açısı (derece), başlangıçtaki x ve y piksel konumunu desen ve damgalama için herhangi bir gri tonlama bağlantılı desenlendirme için piksel eşik yordam.
5. Program tarafından okunacak (1.1. adımda oluşturduğunuz) desenlendirme harita yükleyin. Piksel uzaklık ve desenlendirme harita bağlı olarak, tüm pulları yerlerini Step motorlar için gönderilir.
6. Isıtma lazer damgalama bit ucunu üzerine odaklanmıştır ve damgalama bit doğru ve plastik kalıp içine hareketli iken sadece etkinleştirir emin olun.
7. Çürük plastik bit basarak desenlendirme harita istenen hemiwicking desen elde etmek için aşağıdaki sırada oluşturun.
8. Damgalı plastik kalıp refinishing ve parlatma sonraki yüzey için kaldırın.
9. 9000 kum, ince Islak/Kuru zımpara kullanarak plastik kalıp yüzeyine Lehçe.
   Not: Alternatif olarak, mikro gözenekli aşındırıcı PDMS kalıp ayağı etrafında o neden yüzeysel yüzey mevduat kaldırılmasını sağlamak için kullanılabilir.

4. PDMS kalıp oluşturma

1. Elastomer temel 2 g ve elastomer kür aracının 0.2 g bir kabı dökün ve mix birlikte iyice 3 dakikadır.
2. Karışımı yakaladı herhangi bir hava kabarcıkları serbest bırakmak için bir tahliye odası karışımı yerleştirin; Bu adımı birden çok kez tekrarlanması gerekebilir.
   Not: hacim gereksinimleri değişen örnekleri için bir 10:1 oranını koruyarak gerektiği gibi temel ve kür Ajan miktarını belirleyin.
3. Damgalı plastik kalıp duvarlı bir konteyner içine, gerçekleşmesi için ideal değil çok daha büyük kür için kalıp, dış çapı yerleştirin.
4. Ücretsiz hava cepleri damgalı plastik üzerine ve kapsayıcı içindeki PDMS karışımı dökün. PDMS karışımı mümkün olduğunca eşit dağıtmak girişimi için damgalı alanının başlayarak bir sarmal içinde dökün.
5. Karışım damgalı desen üzerine dökülen oluşmuş herhangi bir hava cepleri için 4.2 arasındaki adımları yineleyin. PDMS karışımı ve sıcak bir tabak üzerine damgalı desenli plastik parça yerleştirin ve derleme 15dk için 100 ° C'de ısı. Sonra bir ek 25 dk 65 ° C'de ısı
6. Serin ve 20 dk önce işleme için tedavi için PDMS karışım izin verin.
7. Konteyner duvardan uzak PDMS plastik kenarları kesilmiş ve PDMS plastik kalıp kaldırın. PDMS plastik yüzeyde toplanıyor toz parçacıklarının önlemek için kapalı bir kap içinde saklayın.

5. İnce Film Metal üzerinde PDMS yatırma

1. Örnek PDMS açık ve kapalı çekim için yeterli alan engelsiz bırakarak ifade odası yerleştirin.
2. En az 10 mTorr ifade odasına vakuma.
3. Kuru pompa sistemi meşgul ve spin hızı 75 kRPM için ayarlayın. Odası 10^-8 Torr sırasına bir basınç ulaşmak izin.
   Not: Bu odasından en kirletici kaldırır; oluşum-ebilmek almak en fazla 12 saat tamamlamak için.
4. Soğutucu gücüyle ve DC güç kaynağı ve güç 55 W. ayarla
5. Argon Vana biraz açıp da basınç odası 10^-3 Torr sıradadır. Kuru pompa sistemi 50 kRPM ayarla ve bu hızını elde kadar bekleyin.
6. 35 W güç azaltmak ve 13 mTorr odasına vakuma. Çekim için başlamış oldu plazma açın ve sayacı başlatmak.
   Not: Bir mavi, akkor ışık başlamış oldu plazma vermelidir. Zamanlayıcı film mevduat istenilen kalınlık için ayarlamanız gerekir. 35 W ve yaklaşık 13 mTorr baskısı için hızı dakikada 7 nm yükünün bekleniyor tespit edilmiştir.
7. Bir kez elde istenen film kalınlığı, panjurları kapa ve güç kaynağını.
8. Tüm biriktirme odası içinde vanaları kapatın ve kuru pompa etmeyi kapat. Tam bir Dur için kuru pompa fan için bekleyin.
9. Yavaş yavaş yerel atmosferik basınç ulaşıncaya kadar odası baskı yapmak ve gelecekteki deneyler için depolama örnek kaldırın.

Sonuçlar

Şekil 1 nasıl damgalama mekanizması üzerinde plastik kalıp kalıp wicking yapıları için yaratacak bir şematik sağlar. Esneklik filmleri imalat damgalama aparatı kalitesini araştırmak için iki farklı sütun dizi gelecekteki esneklik deneyler için sütunlar kalitesini analiz etmek için yaratılmıştır. Soruşturma aparatı yönleri vardı ayağı (ve bir derinlik degrade olmadan), ayağı PDMS kalıplama sonra kalitesini, sputter ifade işlem...

Tartışmalar

Bir yöntem hemiwicking yapıları için desenli ayağı diziler oluşturmak üzere ortaya konan; Bu çürük plastik bir gofret desenlendirme Kullanıcı tarafından oluşturulan bit eşlem izler bir oyma aparat üzerinde basma tarafından gerçekleştirilir. PDMS karışımı sonra dökülür, tedavi ve alüminyum birikimi ile ince bir film ile kaplı. Ayağı dizi özellikleri bu protokol sonrası biteşleminde, atanan gri tonlama değerine bağlı olarak özelleştirilebilir. Desenlendirme çok önemli bu y?...

Malzemeler

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.