Summary
Un semplice protocollo è fornito per la realizzazione di strutture di hemiwicking di varie dimensioni, forme e materiali. Il protocollo utilizza una combinazione di fisica stampaggio, stampaggio PDMS e modifiche di superficie di film sottili tramite comuni materiali tecniche di deposizione.
Abstract
Hemiwicking è un processo dove un liquido bagna una superficie modellata oltre la sua lunghezza di bagnatura normale a causa di una combinazione di capillarità e imbibizione. Questo fenomeno di bagnatura è importante in molti settori tecnici che vanno dalla fisiologia per ingegneria aerospaziale. Attualmente, diverse tecniche esistano per la realizzazione di strutture hemiwicking. Questi metodi convenzionali, tuttavia, sono spesso molto tempo e sono difficili da scalabilità per grandi aree o sono difficili da personalizzare per geometrie specifiche, nonhomogeneous patterning. Il protocollo presentato fornisce i ricercatori con un semplice, scalabile e conveniente metodo per la realizzazione di superfici micro-fantasia hemiwicking. Il metodo fabbrica wicking strutture attraverso l'uso di timbro stampa, polidimetilsilossano (PDMS) stampaggio e rivestimenti di superficie di film sottile. Il protocollo è dimostrato per hemiwicking con etanolo sulle matrici di micropillar PDMS ricoperto di 70 nm in alluminio di spessore sottile-film.
Introduction
Recentemente c'è stato interesse aumentato nel riuscire a sia attivamente e passivamente la bagnatura, evaporazione, di controllo e miscelazione dei fluidi. Le superfici in modo univoco martellata hemiwicking forniscono una soluzione di romanzo per tecniche di raffreddamento perché queste superfici strutturate agiscono come una pompa di liquido (e/o calore) senza parti in movimento. Questo fluido movimento è guidato da una cascata di eventi azione capillare associata con la curvatura dinamica del liquido thin-film. In generale, quando un liquido bagna una superficie solida, un curvato liquido film sottile (i.e., menisco liquido) forma rapidamente. Il profilo di curvatura e spessore fluido evolvere fino a quando non viene raggiunto un minimo di energia libera. Per riferimento, questo profilo dinamico bagnante può decadere rapidamente a decine di nanometri di spessore all'interno di un spanning (fluido-bagnante)-scala di lunghezza di solo le decine di micrometri. Così, questa regione (liquido-pellicola) transitoria può subire cambiamenti significativi nella curvatura di interfaccia liquido. La regione (film sottile) transitoria è dove quasi tutti la dinamica fisica e chimica originario. In particolare, la regione (film sottile) transitoria è dove i tassi di evaporazione di massima (1), (2) dis-giunzione gradienti di pressione e gradienti di pressione (3) idrostatica si trovano1,2. Di conseguenza, curve liquido-pellicole giocano un ruolo fondamentale nel trasporto termico, separazione di fase, instabilità del fluido e la miscelazione di liquidi multi-componente. Per esempio, per quanto riguarda il trasferimento di calore, i flussi di calore più alti muro sono stati osservati in questa regione di film sottile altamente curvo, transitorio3,4,5,6,7.
Recenti studi di hemiwicking hanno dimostrato che la geometria (ad esempio, altezza, diametro, ecc.) e il posizionamento dei pilastri determinare il profilo anteriore di bagnatura e la velocità del fluido che attraversa le strutture8. Come parte anteriore liquido evapora fuori la fine dell'ultima struttura in una matrice, la parte anteriore di fluido viene mantenuta a una distanza costante e curvatura, come il fluido evaporato viene rimpiazzato dal fluido memorizzato nel wicking strutture9. Strutture di Hemiwicking sono stati utilizzati in tubi di calore e sulle superfici bollente per analizzare e migliorare i meccanismi di trasferimento di calore differente. 10 , 11 , 12.
Un metodo attualmente utilizzato per creare strutture di traspirazione è impronta termica Litografia13. Questo metodo viene eseguito da stampaggio il layout desiderato in uno strato di fotoresist su un campione di stampo di silicone con un timbro di polimero termoplastico, quindi rimuovere il timbro per mantenere le microstrutture. Una volta rimosso, il campione è messo attraverso un ione reattivo mordenzatura per rimuovere qualsiasi di resistere in eccesso strato14,15. Questo processo, tuttavia, può essere sensibile alla temperatura di fabbricazione delle strutture wicking e include più passaggi che utilizzano vari rivestimenti per garantire l'accuratezza delle strutture wicking16. È anche il caso che non sono pratici per macro-scala patterning; tecniche di Litografia mentre ancora forniscono un modo per creare un modello di microstrutture su una superficie, la velocità effettiva di questa procedura è molto meno di ideale per la riproduzione su larga scala. Considerando su larga scala, riproducibile texturing, come rivestimento di spin o tuffo, c'è una mancanza intrinseca di patterning controllabile. Questi metodi, creano una matrice casuale di microstrutture sulla superficie di destinazione ma possono essere regolati per coprire aree notevolmente più grandi rispetto a tecniche di Litografia tradizionale17.
Il protocollo descritto all'interno di questa relazione tenta di combinare i punti di forza dei metodi tradizionali di testurizzazione eliminando contemporaneamente le specifiche debolezze di ciascuno; definisce un modo per fabbricare strutture personalizzate hemiwicking di varie altezze, forme, orientamenti e materiali su scala macro e con potenzialmente elevato throughput. Vari modelli wicking possono essere rapidamente creati allo scopo di ottimizzazione di wicking caratteristiche, come il controllo direzionale della velocità del fluido, la propagazione e la miscelazione di fluidi diversi. L'utilizzo di differenti strutture traspirante in grado di fornire anche diverso film sottile spessore e curvatura profili, che possono essere usati per studiare sistematicamente l'accoppiamento tra calore e trasferimento di massa con diverso spessore e curvatura del liquido menisco.
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Protocol
1. creare la mappa di campitura
- Utilizzando un editor di grafica, creare il modello desiderato per le strutture di hemiwicking rappresentato come immagine bitmap.
Nota: Alcuni dei parametri design traspirante (cioè, angolo di pendenza, pendenza di profondità) può essere fatto per essere dipendente dai valori di scala di grigi assegnati a ciascun pixel. Questi valori di scala di grigi vengono quindi modificati al fine di modificare il parametro desiderato. - Salvare l'immagine bitmap come un'immagine di rete portatile (. png) e inserire il file in una cartella facilmente disponibile.
2. Posizionare l'essere timbrato per lo stampaggio della plastica
- Iniziare traducendo la timbratura po' lontano l'area di lavoro per evitare qualsiasi contatto accidentale che potrebbe causare la rottura della punta (+z cilindrata, Figura 1).
- Fissare la plastica stampaggio stampi/cialda da una piastra di supporto per successiva stampa su x, y fase di traduzione (Vedi Figura 1). Fissare la piastra di campione/supporto a x, y motorizzato timbratura (Figura 1)
- Allineare il centro della plastica stampo/wafer con l'asse di stampaggio di timbratura bit. Ciò è compiuta tramite computerizzata ±x ±y spostamenti e con la fase di stampaggio x, y motorizzato.
- Tradurre la timbratura punta verso la plastica stampo/cialda (-z cilindrata, Figura 1) fino a quando il bit di timbratura è quasi a contatto con la superficie di muffa/cialda.
3. il campione della plastica di stampaggio per PDMS stampaggio
- Utilizzando il programma computerizzato di controllo stampaggio, impostare la distanza tra la punta di timbratura (punta) e la superficie di plastica stampo/cialda.
- Tradurre il bit di stampaggio in piccoli incrementi (-spostamento δz , Figura 1) verso la superficie del campione fino a quando l'attrezzatura è a contatto con la plastica.
Nota: Il bit deve solo contattare leggermente la superficie. - Dopo il contatto, tradurre la timbratura po' lontano il campione per evitare qualsiasi eventuale contatto tra la punta e il campione durante la successiva traduzione (δz ≈ 100 μm).
- Assegnare una distanza del pixel (in micron), profondità di massimo e minimo della cavità (in micron), massimo e minimo angolo (in gradi), posizione iniziale x e y del pixel del reticolo e soglia in pixel per qualsiasi incartonatura collegato di scala di grigi per la timbratura procedura.
- Caricare la mappa di campitura (creata nel passaggio 1.1) per essere letti dal programma. Sulla base della distanza del pixel e la mappa di campitura, le posizioni di tutti i francobolli vengono inviate ai motori stepper.
- Assicurarsi che il riscaldamento laser è focalizzato sulla punta del bit timbratura e attiva solo mentre il bit di stampaggio si muove verso e la muffa di plastica.
- Creare le cavità premendo il bit nella plastica mentre seguendo la mappa di campitura per ottenere il modello desiderato hemiwicking.
- Rimuovere la muffa di plastica stampata per successive superficie finitura e lucidatura.
- Lucidare la superficie dello stampo in plastica utilizzando 9000 grana, carta vetrata più fine di bagnato/asciutto.
Nota: In alternativa, micro-trama abrasivo può essere utilizzato per garantire la rimozione di depositi superficiali che causa formazione di crateri attorno ai pilastri nello stampo PDMS.
4. creare lo stampaggio di PDMS
- Versare 2 g di elastomero base e 0,2 g dell'agente indurente elastomero in un becher e mescolare accuratamente per 3 min.
- Mettere il composto in una camera sottovuoto per rilasciare eventuali bolle d'aria catturato nella miscela; Questo passaggio potrebbe essere necessario essere ripetuta più volte.
Nota: Per i campioni di diverse esigenze di volume, regolare la quantità dell'agente indurente e base come necessario pur mantenendo un rapporto 10:1. - Collocare la muffa di plastica stampata in un contenitore murato, idealmente non molto più grande rispetto al diametro esterno dello stampo, per la polimerizzazione a verificarsi.
- Versare il composto PDMS gratuito di sacche d'aria in plastica stampata e all'interno del contenitore. Versare in una spirale, partendo dal centro dell'area stampata, per tentare di distribuire la miscela PDMS altrettanto possibile.
- Ripetere il passaggio 4.2 per eventuali sacche d'aria che potrebbero essersi formate da versare il composto sul modello timbrato. Mettere la miscela di PDMS e il pezzo di plastica con modello timbrato su una piastra calda e riscaldare l'assembly a 100 ° C per 15 min. Quindi il calore un ulteriore 25 min a 65 ° C.
- Lasciare che la miscela PDMS raffreddare e cura per 20 min prima di maneggiarlo.
- Tagliare i bordi della plastica PDMS lontano dalla parete del contenitore e rimuovere la plastica PDMS dallo stampo. Memorizzare la plastica PDMS in un contenitore coperto per evitare le particelle di polvere dalla raccolta sulla superficie.
5. depositare il metallo di Film sottile sul PDMS
- Posizionare il campione PDMS all'interno della camera di deposizione lasciando spazio sufficiente per il pulsante di scatto essere aperto e chiuso senza ostacoli.
- Depressurizzare la camera di deposizione per almeno 10 mTorr.
- Coinvolgere il sistema di pompa a secco e impostare il tasso di rotazione 75 kRPM. Consentire l'alloggiamento di raggiungere una pressione dell'ordine di 10-8 Torr.
Nota: Questo rimuoverà la maggior parte di contaminanti dalla camera; processo potrebbe richiedere fino a 12 ore per completare. - Accendere il dispositivo di raffreddamento e alimentazione DC di alimentazione e impostare la potenza a 55 w.
- Aprire leggermente la valvola di argon e pressurizzare la camera all'ordine di 10-3 Torr. Impostare la pompa a secco sistema 50 kRPM e attendere fino a quando si ottiene la velocità impostata.
- Ridurre la potenza di 35 W e depressurizzare la camera di 13 mTorr. Aprire l'otturatore al plasma combusta e avviare il timer.
Nota: Bruciata al plasma dovrebbe emanano un bagliore blu, incandescente. Timer dovrebbe essere impostato per spessore desiderato del deposito di film. È stato stabilito che per 35 W e pressione di circa 13 mTorr, è previsto un tasso di 7 nm deposizione al minuto. - Una volta che è stato raggiunto lo spessore desiderato, chiudere l'otturatore e spegnere alimentazione.
- Chiudere tutte le valvole all'interno della camera di deposizione e spegnere il sistema di pompa a secco. Attendere che la ventola a secco-pompa a venire ad un arresto completo.
- Lentamente pressurizzare la camera fino al raggiungimento della pressione atmosferica locale e rimuovere il campione, riporlo per futuri esperimenti.
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Representative Results
Figura 1 fornisce uno schema di come il meccanismo di timbratura sarebbe creare lo stampo per le strutture traspirante su uno stampo di plastica. Per studiare la qualità dell'apparato stampaggio nella produzione di film traspirante, due matrici diverse pilastro sono state create per analizzare la qualità dei pilastri per futuri esperimenti anti-umidità. Aspetti dell'apparato studiato erano la precisione dell'altezza dei pilastri (con e senza un gradiente di profondità), la qualità dei pilastri dopo lo stampaggio di PDMS, la qualità dei pilastri dopo la deposizione di polverizzazione di processo e la capacità del strutture per creare hemi-traspirante. A tale scopo, due varianti di modello di wicking sono stati creati, uno che visualizzato un gradiente di profondità e un altro di profondità uniforme.
La figura 2a Mostra l'immagine bitmap che è stato utilizzato al fine di creare le sfumature di profondità e angolo. Si vede che ogni colonna pilastro è stato assegnato un valore di scala di grigi differenti variano da 0 a 95. Questo è stato fatto al fine di avere una profondità diversa per ogni colonna di pilastro. Figure 2b e 2C Mostra i pilastri sul PDMS creato dal processo di stampaggio. Ciò consente di verificare che sono stati utilizzati i valori di scala di grigi impatto la profondità in stampaggio plastica e quindi l'altezza del pilastro sul campione PDMS. Tabella 1 illustra i dati dal gradiente di profondità e Mostra la percentuale dell'altezza prevista dal modello di timbratura. Questi dati sono stati raccolti da misurazioni su 50 pilastri, o una matrice completa, visualizzata nella Figura 2. L'altezza prevista del pilastro con i valori di scala di grigi dato sono stati calcolati dalla seguente equazione:
(1)
dove hexp è l'altezza prevista, max h è l'altezza massima, come definita dall'utente, hmin è l'altezza minima come definito dall'utente, PT è la soglia in pixel come definito dall'utente e GSV è la scala di grigi valore. Si vede che, per un valore di scala di grigi di zero (cioè, nero), l'altezza prevista sarà l'altezza massima e mentre il valore di scala di grigi è uguale alla soglia di pixel, l'altezza prevista sarà l'altezza minima.
Figura 3a viene illustrato il file bitmap utilizzato per creare una più ampia gamma di struttura traspirante di altezza costante colonna. Ogni pixel nero rappresenta una posizione di cavità, con la distanza tra istanze di timbratura definite nel programma attraverso la distanza del pixel. Questo approccio binario, in contrasto con la Figura 1a, crea una matrice uniforme delle altezze di angolo e pilastro. Figura 3b e 3C forniscono un top e lato vista dei pilastri, rispettivamente. Si vede che nonostante una specifica divisa-altezza pilastro, il processo di prodotto sottomisura pilastri. Mentre l'altezza massima era impostata a 100 μm, è stato trovato che l'altezza media dei pilastri era approssimativamente 71.89 μm ± 10.18, basato su 38 pilastri. Questo può essere attribuito a possibili imperfezioni che possono essere trovate nelle cavità mentre essi vengono effettuati o a causa di possibili sacche d'aria che aveva formato e rimase nei fori.
Figura 4 Visualizza quattro singole immagini dei pilastri dopo l'alluminio è stato depositato sul campione PDMS. Figura 4a e 4b Mostra il lato e la vista superiore dei pilastri, rispettivamente, senza un fluido di lavoro nella struttura traspirante. Simile a quello che è stato visto con il campione PDMS, le altezze dei campioni non erano coerenti attraverso tutti i pilastri. Le altezze e le deviazioni standard dei campioni PDMS e Al sono confrontate e visualizzate nella tabella 2. Questi dati sono stati raccolti dopo la misurazione pilastri (n = 38) sia prima che dopo la deposizione dell'alluminio sul PDMS. Rugosità di superficie notevole era inoltre presente; si pensa che la levigatura procedura utilizzata sul piatto del campione trasmesso al campione PDMS e si rifletteva sulla superficie della pellicola di alluminio. È anche possibile che la rugosità è attribuita unicamente per il processo di deposizione.
Figura 4c e 4D visualizzare le viste laterali e superiore dei pilastri, rispettivamente, con un fluido di lavoro nella struttura traspirante. Il fluido di lavoro che è stato utilizzato in questo esempio è stato etanolo. Tuttavia, acqua non presenta la stessa occorrenza hemi-wicking come etanolo fa con questo esempio. Questo fenomeno può essere attribuito alla seguente (o combinazione di): 1) una struttura superficiale non ideale, 2) residuo rugosità superficiale (come mostrato in Figura 4b), 3) le impurità nel rivestimento in alluminio e 4) troppo sottile di uno strato di ossido di alluminio nativo. Detto questo, l'etanolo era in grado di stoppino perché la lyophilicity di ossido di alluminio che si è formata sulla superficie di alluminio. Anche se il biossido di alluminio è Liofile, non mostra caratteristiche idrofile, che vieta l'acqua di traspirazione. L'uso di trattamenti chimici superficiali alla struttura traspirante PDMS è un altro metodo che può essere utilizzato per alterare l'idrofilia del campione -per esempio, l'elaborazione chimica umida può essere utilizzato per creare monostrati autoassemblanti idrofili (SAMs)18 . Nonostante queste imperfezioni, questo dimostra che la struttura traspirante creata tramite la procedura descritta è in grado di creare hemi-traspirante per un fluido di lavoro.
Figura 1: apparecchi per la fabbricazione di stampi in plastica micro-fantasia un po' schematica della timbratura. Il movimento dello stampo plastica lungo gli assi x- e y- è determinato da due motore passo-passo comandato da calcolatore/fasi (una per ogni direzione). Allo stesso modo, la timbratura angolo (θ) e profondità (Δz) del bit stampaggio di timbratura sono controllati da due separati, controllati dal computer passo-passo motore/fasi. Il laser di riscaldamento computerizzato è attivato mentre il bit è la creazione di cavità di stampaggio nella muffa di plastica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: il modello di matrice di profondità-gradiente pilastro e PDMS base. (a) la bitmap utilizzata per la realizzazione di una matrice di 'profondità-gradiente' micropillar. Per la stampa, la soglia in pixel è impostata su 100, la profondità massima è impostata a 100 μm, la profondità minima è impostata a 25 μm e ogni pixel è impostato per rappresentare una distanza di 100 μm. Basato su questi valori, ogni riga è separato da 100 μm, mentre la distanza fra due pilastri all'interno di una riga è 200 μm. Il valore di scala di grigi di ogni pixel determina che la distanza il bit di timbratura viaggia nello stampo in plastica. Quindi, come l'aumento di valori di scala di grigi attraversando la bitmap, diminuiscono le altezze dei pilastri. Sono disponibili le altezze previste dei pilastri con i corrispondenti valori di scala di grigi. (b) immagini di colonne pilastro 1 a 5 per la base PDMS dalla zona scatola blu nell'angolo inferiore sinistro della Bitmap. (c) immagini di colonne pilastro 5 a 10 per la base PDMS dal riquadro rosso nell'angolo inferiore destro della bitmap. La distanza del pixel di immagine per (b) e (c) è 0,335 μm/pixel. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: il modello e PDMS base per le strutture traspirante per hemiwicking. (a) la bitmap utilizzata per creare la struttura traspirante rettangolare. La profondità è impostata a 100 μm e ogni pixel è impostato per rappresentare una distanza di 100 μm. Poiché tutti i valori di scala di grigi sono lo stesso in questa bitmap, tutte le altezze del pilastro dovrebbe essere lo stesso. Inoltre, simile al modello in Figura 2, ogni riga è separato da 100 μm mentre la distanza fra due pilastri all'interno di una riga è 200 μm. (b) una vista superiore dei pilastri della struttura traspirante PDMS che casted utilizzando la muffa di plastica basata su bitmap in (a). La risoluzione dell'immagine è 0,176 μm/pixel. (c) vista laterale dei pilastri della struttura traspirante PDMS che casted utilizzando la muffa di plastica basata su bitmap in (a). A differenza delle strutture wicking presentate nella Figura 2, le altezze di pilastro nella struttura traspirante sono più coerenti in altezza. La risoluzione dell'immagine è 0.723 μm/pixel. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: il wicking strutture dopo la deposizione Al con e senza hemiwicking. (a) una vista laterale dei pilastri wicking creato nella Figura 3 , dopo la deposizione Al senza etanolo. Lo spessore dell'alluminio in cima il PDMS è all'incirca 70 μm. (b) una vista superiore dei pilastri wicking creato nella Figura 3 , dopo la deposizione Al senza etanolo. (c) vista laterale dei pilastri wicking creato nella Figura 3 , dopo la deposizione Al con etanolo wicking nelle strutture (l'etanolo può essere visto principalmente lungo la base dei pilastri concentrati). (d) una vista superiore dei pilastri wicking creato nella Figura 3 , dopo la deposizione Al con etanolo wicking nelle strutture. Per (a) e (c), la risoluzione dell'immagine è 0.723 μm/pixel e per (b) e (d), la risoluzione dell'immagine è 0,176 μm/pixel. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Pilastro | Valore di scala di grigi | Altezza prevista (μm) | Altezza misurata (μm) | % del previsto |
| 1 | 0 | 100 | 59,6 | 59,6 |
| ± 4,58 | ||||
| 2 | 10 | 92,5 | 59,71 | 64,55 |
| ± 5,88 | ||||
| 3 | 21 | 84.25 | 54,71 | 64.94 |
| ± 5,57 | ||||
| 4 | 31 | 76,75 | 46,48 | 60,56 |
| ± 2.61 | ||||
| 5 | 42 | 68,5 | 46.59 | 68.01 |
| ± 5,21 | ||||
| 6 | 53 | 60.25 | 38,92 | 64,6 |
| ± 1,62 | ||||
| 7 | 63 | 52.75 | 31,8 | 60.28 |
| ± 0,73 | ||||
| 8 | 74 | 44.5 | 26,58 | 59,73 |
| ± 1,49 | ||||
| 9 | 85 | 36.25 | 20.13 | 55,53 |
| ± 1,44 | ||||
| 10 | 95 | 28,75 | 16.01 | 55.69 |
| ± 1,94 |
Tabella 1: Le altezze previste e misurate di tutte le colonne di pilastro per il modello di gradiente di profondità.
| Altezza prevista (μm) | Dire l'altezza misurata (μm) | Deviazione standard (μm) | |
| Campione di PDMS senza deposito Al | 100 | 71.89 | 10.18 |
| PDMS campione con Al deposito | 100 | 61.59 | 8.493 |
Tabella 2: PDMS con e senza deposito Al pilastro confronto di altezza.
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Discussion
Un metodo è stato introdotto per creare matrici di pilastro modellato per strutture hemiwicking; Questa operazione viene eseguita da imprinting cavità su un wafer di plastica con un apparato di incisione che segue patterning da una bitmap creata dall'utente. Una miscela PDMS è poi versata, cured e rivestita con un sottile strato di alluminio tramite deposizione. Le caratteristiche di matrice pilastro possono essere personalizzate a seconda del valore di scala di grigi che viene assegnato nella bitmap seguendo questo protocollo. Questo aspetto cruciale di patterning possa creare una vasta gamma di possibili strutture per testare di wicking che può essere utilizzata in varie applicazioni, tra cui film sottile ricerca e applicazioni dirette negli impianti termici. Un'altra area di varietà non menzionato nei Risultati di rappresentante è il gradiente di angolo che può essere implementato nella matrice. Simile al gradiente di profondità, cambiando il valore di scala di grigi di diversi pixel può cambiare l'angolo della punta (θ, Figura 1).
Un altro importante passo che dovrebbe essere preso nota di è la creazione della base PDMS. Differenze nelle altezze il pilastro e la deformità su e attorno ai pilastri sono comuni nelle strutture traspirante. Carteggiare la superficie con fanghi abrasivi o micro-trama contribuisce a creare campioni simmetrici e anche lo spessore PDMS. Inoltre, i processi di trattamento termico e di evacuazione sono stati progettati per avvenire simultaneamente, come gli elementi riscaldanti sono stati incorporati all'interno di stampo stesso. Questo limita efficacemente la gestione per l'utente e qualsiasi irregolarità associate, nonché la contaminazione dispersa nell'aria (cioè, particelle di polvere) durante la fase di indurimento. Queste considerazioni saranno attuate per i futuri campioni.
La deposizione di materiale sulla base PDMS è un altro passo importante che deve essere adattato ad ogni esperimento. Le condizioni indicate nel protocollo sono in alluminio specifico e come tale, devono cambiare come le modifiche che depositante materiale. Se un altro metallo è comodo, cambiamenti in potenza e pressione in camera di sputtering tempo dovrebbero essere modificati al fine di ottenere le condizioni ideali di superficie per il materiale che depositano desiderato. Per i futuri campioni, metalli con diverse energie di superficie (cioè, oro, germanio) saranno depositati per testare le loro rispettive capacità traspirante. Al momento del deposito di diversi metalli in futuro, il protocollo deve essere aggiornato al fine di depositare correttamente il metallo desiderato sul PDMS.
Il problema più grande che è stato introdotto nella routine di rendere le strutture di hemiwicking è la rugosità superficiale del campione. Si può vedere che difetti superficiali presenti sullo stampo PDMS (Figura 3b) e sulla superficie Al (Figura 3b, 3d); Questo potrebbe derivare da sia il processo di levigatura o il processo di deposizione dei metalli. Difetti superficiali sono visti come problematico, come difetti superficiali possono influenzare la distanza wicking davanti e la velocità del fluido di lavoro. Un esperimento ideale avrebbe una superficie liscia su e tra i pilastri, quindi il fluido è in grado di fluire attraverso la struttura traspirante senza ostacoli dalle condizioni superficiali. La soluzione proposta è quello di utilizzare più alto grado (cioè, grana più fine) abrasivi per la levigatura la cialda di plastica prima della deposizione, come pure più levigatura volte. Come si vede dalla tabella 1 e tabella 2, il pilastro altezze non sono fabbricate come previsto basato sui valori dati ai motori stepper. Questo potrebbe essere a causa della deflessione del campione lungo l'asse di timbratura, mentre il bit è imprinting nella plastica. Questo problema può essere risolto aumentando la distanza che il bit deve viaggiare nella plastica; questo, tuttavia, lascia una possibile incoerenza con il pilastro altezze e diametri di pilastro-base per gli esperimenti futuri. Metodi devono essere sviluppate al fine di limitare la quantità di deflessione che sperimenta il campione, ad esempio aumentando la temperatura della punta per limitare la resistenza dalla plastica, o proteggere il campione in modo diverso.
Mentre le sfide rimangono ad affinare il processo di stampaggio, il metodo descritto è efficace per la creazione di ordinato matrici di geometria paragonabile. La metodologia utilizzata per creare strutture di hemiwicking, o qualsiasi feature di superficie micro-fantasia, spettacoli rapidamente produrre dei campioni per la successiva elaborazione in altri laboratori o aziende di ricerca a basso costo e ad un tasso più veloce rispetto ai metodi contemporanei. Queste strutture di hemiwicking possono essere fabbricate facilmente per replicare l'ottima film sottile curvatura e la velocità frontale wicking. La velocità frontale wicking sarebbe misurata utilizzando una telecamera ad alta velocità, analizzando la parte anteriore fluido viaggia da pilastro a pilastro. Contemporaneamente, il profilo di spessore e curvatura può essere ottenuto utilizzando un approccio riflettometria e interferometria che è stato dimostrato in precedenti esperimenti sui pilastri di bordo6. La natura auto-regolazione delle strutture anti-umidità aiuterà a mantenere una costante regione di film sottile per l'analisi, nonostante le diverse energie superficiali nei vari fluidi e sulla superficie. Con questo metodo, wicking varianti della struttura può essere fabbricato rapidamente ai fini della comprensione degli effetti wicking geometria ha sulla regione di film sottile e traspirante anteriore di fluidi diversi.
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Disclosures
Gli autori non hanno alcuna informazioni integrative per parlare per questa carta.
Acknowledgments
Questo materiale è basato sulla ricerca parzialmente sponsorizzato da United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 e National Science Foundation Grant No. 1653396. Le viste e le conclusioni contenute nel presente documento sono quelle degli autori e non devono essere interpretate come necessariamente che rappresentano le politiche ufficiali o specializzazioni, sia espressa o implicita, di US Office of Naval Research, la National Science Foundation, o il governo degli Stati Uniti.
Materials
| 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. |
References
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