Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Micropunching الطباعة الحجرية لتوليد الصغرى، وأنماط Submicron، على ركائز بوليمر

Published: July 2, 2012 doi: 10.3791/3725
Automatic Translation
1, 1, 1
1Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

Summary

ووضع نهج الطباعة الحجرية micropunching لتوليد صغيرة وأنماط submicron، على القمة، وجدار والأسطح السفلي من ركائز البوليمر. أنها تتغلب على العقبات من الزخرفة إجراء البوليمرات وتوليد أنماط جدار. هذا الأسلوب يسمح تلفيق السريع للميزات متعددة و مجانية والكيمياء العدوانية.

Abstract

وقد اجتذبت اهتماما كبيرا اجراء البوليمر منذ اكتشاف الموصلية عالية في polyacetylene مخدر في عام 1977 1. أنها توفر مزايا انخفاض الوزن، والخياطة سهل من الخصائص ومجموعة واسعة من التطبيقات 2،3. نظرا لحساسية من إجراء البوليمرات للظروف البيئية (مثل الهواء والأوكسجين والرطوبة ودرجة الحرارة العالية والمواد الكيميائية الحلول)، وتقنيات الطباعة الحجرية يطرح تحديات تقنية كبيرة عند التعامل مع هذه المواد 4. على سبيل المثال، أساليب الطباعة بصفائح معدة ضوئيا الحالية، مثل الأشعة فوق البنفسجية (UV)، لم تعد ملائمة لإجراء البوليمرات والزخرفة نظرا لتورط الرطب و / أو الجافة عمليات الحفر في هذه الأساليب. وبالإضافة إلى ذلك، الجزئي الحالي / نانوسيستيمس يكون أساسا شكل مستو 5،6. تم بناء طبقة واحدة من الهياكل على السطوح أعلى من طبقة أخرى من ميزات ملفقة. حيث يتم تكديس طبقات متعددة من هذه الهياكل معا لتشكيل العديد من الأجهزة فيركيزة مشتركة. لم يتم الأسطح جدار من المجهرية المستخدمة في أجهزة بناء. من ناحية أخرى، يمكن أن تستخدم أنماط جدار، على سبيل المثال، لبناء 3-D الدوائر، وتعديل القنوات fluidic والنمو الأفقي مباشرة من أسلاك وأنابيب.

وقد تم تطبيق أسلوب macropunching في الصناعة التحويلية لخلق macropatterns في الصفائح المعدنية لأكثر من مئة سنة. بدافع من هذا النهج، قمنا بتطوير طريقة الطباعة الحجرية micropunching (MPL) للتغلب على العقبات من الزخرفة إجراء البوليمرات وتوليد أنماط جدار. مثل طريقة macropunching، ويشمل أيضا MPL عمليتين (الشكل 1): (ط) قطاعات؛ والرسم (II). تم تطبيق "قطع" عملية للبوليمرات 3 نمط إجراء 4، polypyrrole (PPy)، بولي (3،4-ethylenedioxythiophen) بولي (4-styrenesulphonate) (PEDOT) وبولي آنلين (المؤسسة الوطنية للطفولة). كان يعمل أيضا لإنشاء شركة المجهرية 7. استخدمت المجهرية ملفقة من إجراء البوليمرات والرطوبة 8، 8 الكيميائية، وأجهزة استشعار الجلوكوز 9. وقد استخدمت المجهرية مجتمعة من القاعدة واجراء البوليمر لتصنيع المكثفات وheterojunctions مختلف 9،10،11. وينطبق أيضا على "قطع" عملية لتوليد submicron، أنماط، مثل 100 - و 500 نانومتر على نطاق خطوط PPy فضلا عن 100 نانومتر على نطاق الأسلاك الاتحاد الافريقي. كان يعمل في "الرسم" عملية لاثنين من التطبيقات: (ط) إنتاج الاتحاد الافريقي أنماط جدار على البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) القنوات التي يمكن استخدامها لبناء 3D مايكروسيستمز 12،13،14، و (ثانيا) افتعال polydimethylsiloxane (PDMS) micropillars على ركائز الكثافة لزيادة زاوية الاتصال من قناة 15.

Protocol

الخطط ألف من MPL

طريقة macropunching يشمل "قطع" و "الرسم" العمليات. في "القطاعات" تتبنى عملية قوالب لهياكل محدب حاد ذو حدين، ويتضمن ثلاث خطوات أساسية (الشكل 1 (A1-A3)). أولا، وضع الصفائح المعدنية على ركيزة صلبة (الشكل 1 (A1)). الثانية، وجلب قالب سي والركيزة لفي الاتصال الجسدي من قبل قوة عالية. خلال هذه الخطوة الثانية، هو قطع لأول مرة جزء من هذا المعدن مباشرة تحت هياكل قالب محدب الخروج من المعدن المجاورة من قبل الهياكل قالب محدب، ومن ثم الضغط باستمرار على الجزء السفلي من أنماط مقعر في الركيزة (الشكل 1 (A2) ). أخيرا، تفصل بين العفن والركيزة، والانتهاء من الزخرفة من الصفائح المعدنية (الشكل رقم 1 (A3)). في "الرسم" عملية تستخدم عملية تصنيع مماثلة. ومع ذلك، فإنه يعتمد قوالب لهياكل محدبة الجولة ذو حدين (الشكل رقم 1 (B1)). علاوة على ذلك،التطبيقية قوة الإدراج والسرعة هي أصغر بكثير وأقل من نظرائهم في عملية "قطع". هذه الاختلافات خفض الضغوط موجودة في جزء من الصفائح المعدنية تحت هياكل محدب. وبناء على ذلك، يتم الضغط فقط هذا الجزء من الصفائح المعدنية لأسفل ولكن لا قطع في العملية "الرسم" (الشكل 1 (B2-B3)).

في عملية "قطع" من MPL (الشكل رقم 1 (C1-C3))، (ط) يتم تسخين ركيزة سي مغلفة بطبقة من البوليمر والمتوسطة وطبقة من مادة التي سيتم طباعتها فوق درجة حرارة التحول الزجاجي ( تي ز: درجة الحرارة تليين) من البوليمر والمتوسطة ودون تي م (درجة حرارة انصهار) أو تي ز من المادة المستهدفة (الشكل رقم 1 (C1))، (ب) يتم إحضارها العفن والركيزة لفي الاتصال الجسدي من قبل ارتفاع الضغط ، تلتها تبريد لاحق (الشكل 1 (C2))، و (ثالثا) ينفصلون عندما درجة حرارة أقل منتي ز من البوليمر وسيطة، واستكمال نقل نمط من القالب إلى الطبقة المستهدفة (الشكل رقم 1 (C3)). في "الرسم" تشغيل MPL (الشكل رقم 1 (D1-D3)) لديها خطوات مماثلة لتصنيع "قطع". ومع ذلك، فإن "الرسم" يستخدم لينة قوالب PDMS. فإنه ينطوي أيضا على قوة أصغر الإدراج، بسرعة أقل الإدراج، ودرجة حرارة أعلى الطباعة (مما يقلل من لزوجة البوليمر وسيطة، وبالتالي يزيد من التنقل فيها). وفقا لذلك، فإن السمات على السطح العلوي من منحنى الركيزة بسبب ما التوتر السطحي وتنقل عالية من البوليمر وسيطة. ويمكن تنظيف العفن سي وإعادة استخدامها لخطوات النقش على التوالي. ويمكن تنظيف العفن مع الأسيتون والماء DI، وتجفف جيدا مع N 2 قبل كل استعمال. في حالة مخلفات تبقى في microfeatures من العفن، قد يتم تنظيفها بمحلول Nanostrip والمياه DI، وجفت مع N 2.

ب النحاسtting عملية في MPL لتوليد المعدنية وإجراء البوليمرات Micropatterns

  1. طبقة واحدة المجهرية على ركيزة: باستخدام الإجراء هو موضح في الشكل. 1 (C1-C3)، يتم إنشاء طبقة من المجهرية على ركيزة. خلال تلفيق، وهي مغلفة الركيزة بطبقة من البوليمر وسيطة، تليها طبقة طلاء من مادة واحدة (إجراء البوليمر أو المعدنية) أو طبقة من مواد متعددة. وفقا لذلك، بعد النقش الساخنة، وينتج طبقة من المواد المجهرية واحدة أو متعددة على الركيزة. وترد تفاصيل تلفيق أدناه.
    1. صنع قوالب سي للأبعاد المطلوبة باستخدام الطباعة الحجرية التقليدية للأشعة فوق البنفسجية (الشكل 2A). وترد تفاصيل افتعال العفن في سي 4. الشكل. 2 (A1-A4) تظهر التخطيطات من القوالب سي المستخدمة في العمليات.
    2. استخدام ورقة PMMA عدم إجراء الأبعاد 500 ميكرون x 170 مم × 170 ملم والطبقة المتوسطة، ووضعه على ركيزة، جامدة شقة.
      1. لتوليد المجهرية من مادة وحيدة: تدور معطفا إجراء البوليمر (PPy، PEDOT أو SPANI) على ورقة PMMA أو شركة الإيداع باستخدام التبخير الحراري إلى بسمك 100-500 نانومتر.
      2. الى افتعال المجهرية من عدة مواد البوليمر إجراء: تدور معطف PPy (في 2000 دورة في الدقيقة)، PEDOT (في 2500 دورة في الدقيقة) وSPANI (في 1500 دورة في الدقيقة) في أجزاء مختلفة من ورقة PMMA. قبل أن تدور طلاء أول إجراء طبقة البوليمر في بقعة على ورقة PMMA، تغطي المجالات الأخرى باستخدام الأشرطة اللاصقة. عن غيرها من طبقات طلاء البوليمر إجراء، ينبغي أن يغطي الطلاء السابقة، ومناطق خالية من شريط لاصق. وينبغي تكرار هذا الإجراء لطبقات معطف متعددة في الأماكن المطلوبة على الركيزة. وPPy المغلفة، وPEDOT SPANI هي 500 نانومتر، 5 ميكرون و 200 نانومتر سميكة، على التوالي.
    4. زخرف الركيزة باستخدام الآلة الساخنة النقششمال شرق (نموذج: 01/LT الهيكس، Jenoptik Mikrotechnik شركة) (الشكل 2B). الوقت الإدراج درجة الحرارة، وقوة والعفن هي 130-160 درجة مئوية، 1500-1800 N و S 120-200، على التوالي. أداء demolding في 80-95 درجة مئوية مع سرعة من 1.5 مم / دقيقة. وتظهر نتائج طبقة واحدة المجهرية من مادة واحدة في الشكل. 2 (C1-C3). وقياسا على نتائج طبقة واحدة المجهرية للمواد متعددة في الشكل. 2 (D2-D3).
  2. تطبيق microwires PPy كجهاز استشعار الرطوبة
    1. تدور PPy معطف في 1500 دورة في الدقيقة لتوليد فيلم 1-ميكرون سميكة من 1 منطقة 1 × 2 سم، وربط اثنين من الاسلاك الخارجية على طرفي نقيض من الفيلم باستخدام حج الايبوكسي لقياسات الموصلية.
    2. تدور معطف في 1500 دورة في الدقيقة لتوليد فيلم PPy من 1 ميكرومتر سمك. نفذ النقش مع المعلمات في الخطوة 4 لتوليد microwires PPy من طول 5000 ميكرون وعرضها 300 ميكرون ونعلق الأسلاك اتصال الخارجي حتى نهاية 2ق من microwire واحد باستخدام حج الايبوكسي.
    3. وضع فيلم PPy وأجهزة استشعار microwire داخل علبة القفازات محكم مع متر الرطوبة والمرطب. والمرطب تسمح بزيادة رقابة لمستوى الرطوبة داخل علبة القفازات. إرفاق أسلاك الاتصال إلى محطة المسبار شنيعة للمقاييس الرابع لكل جهاز استشعار (الشكل 2E).
    4. حساب حساسية من كل جهاز استشعار باستخدام الصيغة التالية:
      المعادلة 1
      حيث، R و R و أنا هي المقاومة النهائية والأولية من أجهزة الاستشعار والأفلام وmicrowire، على التوالي. قياس R أنا في الأساس مستوى الرطوبة (في درجة حرارة الغرفة) وو R في كل مستويات الرطوبة للفيلم وأجهزة استشعار microwire.
    5. التين. 2F يبين نتائج القياسات (ΔR / R) حساسية عمله في 8 لمدة 48٪ إلى 85٪ في الرطوبة النسبية.لوحظ أن حساسية من أجهزة الاستشعار microwire PPy كان أعلى من أجهزة الاستشعار فيلم لمدة 48٪ إلى 58٪. تتجاوز 58٪ وكانت الحساسيات من أجهزة الاستشعار وmicrowire فيلم مماثل.
  3. متعدد الطبقات المجهرية على ركيزة: استنادا إلى الإجراء هو مبين في الشكل. 1 (C1-C3)، يتم استبدال الطبقة العليا من خلال مزيج من اثنين وثلاثة بوليمرات / طبقات المعدن، على التوالي، لتوليد متعددة الطبقات المجهرية. يظهر تصميم جهاز في الشكل. 3 (A1-A2). وترد تفاصيل تلفيق أدناه.
    1. صنع قالب سي للأبعاد المطلوبة باستخدام الطباعة الحجرية التقليدية للأشعة فوق البنفسجية (الشكل 3B).
    2. استخدام ورقة PMMA عدم إجراء الأبعاد 500 ميكرون x 170 مم x 170 مم والطبقة المتوسطة، ووضعه على ركيزة، جامدة شقة.
      1. لتوليد اثنين من طبقة PPy-PEDOT heterojunction: (ط) تدور معطف في 1000 دورة في الدقيقة للحصول على طبقة PEDOT 10 ميكرون سميكة على ورقة PMMA، (ب) خبز الغواصاتtrate في درجة مئوية لمدة 1 ح 80، (الثالث) تدور معطف في 1500 دورة في الدقيقة للحصول على 1-ميكرون سميكة فيلم PPy على طبقة PEDOT، و (رابعا) خبز الركيزة في 80 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
      2. لتوليد اثنين من طبقة آل PEDOT الثنائيات: (ط) تدور معطف في 1000 دورة في الدقيقة للحصول على طبقة PEDOT 10 ميكرون سميكة على ورقة PMMA، (ب) خبز الركيزة في 80 درجة مئوية لمدة 1 ساعة، و ( ثالثا) معطف فيلم آل 200 نانومتر سميكة على طبقة PEDOT بواسطة التبخير الحراري.
      3. لإنشاء ثلاثة طبقة PEDOT-PMMA-PEDOT المكثفات: (ط) تدور معطف في 1000 دورة في الدقيقة للحصول على طبقة PEDOT 10 ميكرون سميكة على ورقة PMMA، (ب) خبز الركيزة في 80 درجة مئوية لمدة 1 ساعة، (ثالثا) تدور معطف في 1000 دورة في الدقيقة عدة مرات للحصول على فيلم PMMA من سماكة 15-20 ميكرون في طبقة PEDOT، (رابعا) خبز الركيزة في 80 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، (V) تدور معطف في 2500 دورة في الدقيقة للحصول على طبقة PEDOT من سماكة 2-3 ميكرون على الفيلم PMMA، و (السادس) خبز الركيزة في 80. درجة مئوية لمدة 5 دقائق
    3. زخرف الركيزة باستخدام الآلة الساخنة النقششمال شرق. الوقت الإدراج درجة الحرارة، وقوة والعفن هي 140-150 درجة مئوية، 1500-2000 N و S 150-200، على التوالي. أداء demolding في 80-95 درجة مئوية مع سرعة من 1.5 مم / دقيقة. وتظهر النتائج في الشكل. 3 (CF) 11.
  4. تطبيقات المجهرية متعدد الطبقات ولدت
    1. PPy / PEDOT heterojunction
      1. استخدام محطة المسبار Keithly للقياسات الرابع من الهياكل heterojunction تم الحصول عليها بعد خطوة 2.1. ويرتكز على طبقة PEDOT ويطبق المحتملة التحيز (-20 V إلى 20 V) إلى طبقة PPy.
      2. التين. 3 (G1) يبين الخصائص الرابع من heterojunction PPy / PEDOT في [9،11]، وانهيار الفولتية إلى الأمام وعكس heterojunction PPy / PEDOT كانت 5 الخامس والخامس -8، على التوالي. كانت نسبة تصحيح 24 في 10 خامسا عامل المثالية كان يساوي 8،88.
    2. AL / PEDOT heterojunction
      1. استخدام محطة المسبار Keithly للالرابعقياسات للهيكل heterojunction آل / PEDOT تم الحصول عليها بعد خطوة 2.2. ويرتكز على طبقة القاعدة ويتم تطبيق المحتملة التحيز (-5 إلى 5 V V) إلى طبقة PEDOT.
      2. التين. كانت الفولتية انهيار الامام وعكس 3 (G2) ويبين الخصائص الرابع من مفترق / PEDOT يقاس في درجة حرارة الغرفة في 11 و 3 و -2،5 V، على التوالي. وكانت نسبة التصحيح للheterojunction آل / PEDOT 2 في 1 خامسا تم حساب عامل المثالية لهذا التقاطع ليكون 19.
    3. PEDOT / PMMA / PEDOT مكثف
      1. استخدام محطة المسبار Keithly للقياسات السيرة الذاتية للمكثف PEDOT / PMMA / PEDOT تم الحصول عليها بعد خطوة 2.3.
      2. التين. 3 (G3) ويبين السيرة الذاتية للمكثف PEDOT / PMMA / PEDOT يقاس في درجة حرارة الغرفة في 11. كان قياس السعة للمكثف في انحياز التردد المنخفض حوالي 0،06 الجبهة الوطنية، في حين أن كمية نظريا محسوب كان 1.38 PF.

    جيم قطع تشغيل MPL لتوليد الفرعية ميكرون Ppatterns من المعادن وإجراء البوليمرات

    استنادا إلى الإجراء هو موضح في الشكل. وتستخدم 1 (C1-C3)، وقوالب سي مع الفرعية ميكرون ملامح لتوليد أنماط المطلوب من المعدن واجراء البوليمر. وترد تفاصيل تلفيق أدناه.

    1. صنع قالب السيليكون مع الفرعية ميكرون الميزات باستخدام التركيز ايون الشعاع (فيبوناتشي) الطباعة الحجرية. تتولد 1.5 ميكرون، وطول 20 ميكرون، والملعب من 1 ميكرومتر، - نوعين مختلفين من قوالب سي، بعرض من 100 و 500 نانومتر، وعمق من 1.
    2. إعداد سطح قالب السيليكون قبل الاستخدام: (ط) شطف القالب بالماء DI، الأسيتون وحل Nanostrip جيدا في درجة حرارة الغرفة، ضربة الجافة مع غاز النيتروجين والخبز في 150 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة تليها تبريد لدرجة حرارة الغرفة، و (ب) إذا كان قالب ليست نظيفة بعد خطوات تنظيف أعلاه، إخضاعه للأكسجين البلازما نظيفة. وصفة كما هويلي: البلازما السلطة على 300 واط، والأكسجين معدل التدفق في 80 SCCM ومدة من 5 - 7 دقائق.
      1. معطف طبقة PMMA: حل PMMA تدور معطف (الوزن الجزيئي 495 K في كلور البنزين 9٪) في 3000 دورة في الدقيقة للحصول على سماكة 1.2 ميكرون تقريبا، خبز رقاقة في 150 درجة مئوية لمدة 1 ساعة والسماح لتبرد، وفضح السطح المطلي PMMA إلى بلازما الأوكسجين لمدة 3 دقائق في 300 واط مع 50 SCCM معدل تدفق الأوكسجين لجعله ماء لاتخاذ الخطوة التالية.
        1. تدور معطف حل PPy (مخففة من قبل 1:2 (V / V) مع الماء دي) في 3000 دورة في الدقيقة للحصول على سماكة من حوالي 75 نانومتر، وخبز الركيزة في 60 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لعلاج طبقة PPy.
        2. معطف فيلم الاتحاد الأفريقي لبسمك 10-25 نانومتر باستخدام ترسب الاخرق.
      1. تولد الأسلاك PPy باستخدام الخطوات التالية.
        1. بصمة ال 500 نانومتر على نطاق قنوات سي: أداء يطبع على 160 درجة مئوية مع سرعة 1 مم / دقيقة وتضاف مدة 600 ثانية باستخدام طريقةالسيطرة على الموقف في الجهاز الساخنة النقش. القوة القصوى المستخدمة هي 1085 N في هذه الحالة.
        2. بصمة ال 100 نانومتر على نطاق قنوات سي: أداء يطبع على 140 درجة مئوية مع سرعة 1mm/min وتضاف مدة من 500 ق تستخدم الوضع عن نطاق السيطرة في قوة الجهاز الساخنة النقش. تحديد قوة النقش في 2300 ن.
      2. توليد أسلاك الاتحاد الافريقي باستخدام قالب سي مع 100 نانومتر على نطاق قنوات: أداء يطبع على 160 درجة مئوية مع سرعة 1mm/min وتضاف مدة من 700 ق باستخدام طريقة التحكم في قوة الجهاز الساخنة النقش. تحديد قوة النقش في 2300 ن.
      3. للحصول على خطوات 4،1-4،2، نفذ demolding على 95 درجة مئوية مع سرعة 3 مم / دقيقة. وتظهر النتائج في الشكل. 4.

    D. رسم تشغيل MPL لتوليد Micropatterns على الجوانب من البوليمرات وركائز سي.

    بعد هذا الإجراء في الشكل. 1 (D1-D3)، و "الرسم" العمليةيستخدم لتوليد الاتحاد الافريقي وPDMS micropatterns على الجوانب من microchannels الكثافة. المواد المقابلة على الركيزة الكثافة هو الاتحاد الافريقي أو PDMS، والذي يتبع ملف سطح البوليمر طبقة المتوسطة خلال البصمة. وترد تفاصيل تلفيق أدناه.

    1. الاتحاد الافريقي أنماط جدار على قنوات HDPE
      1. تدور معطف في 3000 دورة في الدقيقة للحصول على طبقة 1 ميكرون سميكة من مقاوم الضوء الإيجابي (S1813) على ورقة الكثافة 1.5 مم سميكة (1.5 ملم × 40 ملم × 40 ملم).
      2. باستخدام الطباعة الحجرية للأشعة فوق البنفسجية لنقل أنماط قناع في طبقة S1813 (الشكل رقم 5 (أ ب)). أنماط قناع يتكون من 10 × 10 نقاط 2 ميكرومتر (الشكل 7A) وخطوط 110 ميكرون واسع.
      3. معطف فيلم الاتحاد الافريقي 100 نانومتر سميكة على طبقة S1813 باستخدام المبخر الحراري (الشكل 5C).
      4. إزالة S1813 مع الأسيتون شطف، وترك أنماط الاتحاد الافريقي على ورقة الكثافة (الشكل 5D).
      5. تسخين ورقة الكثافة تصل الى temperatلدى عودتهم إلى مجموعة من 131-136 درجة مئوية على طبق ساخن، وهو أعلى قليلا من ز تي من الكثافة (أي 128 درجة مئوية)، ولكن دون تي م من الاتحاد الافريقي (أي 1063 درجة مئوية) (الشكل 5E).
      6. استخدام قالب PDMS سي المقوى 16 إلى بصمة على ورقة الاتحاد الافريقي HDPE نقوش مع مجموعة من 40-120 ضغط الجيش الشعبي الكوري، لمدة 1 ساعة يليها التبريد لاحقة (الشكل 5F).
      7. فصل قالب ورقة الكثافة عندما تكون درجات الحرارة هم دون ز تي في الكثافة، واستكمال نقل نمط من العفن PDMS إلى الركيزة. أنماط الاتحاد الافريقي، والتي دفعت إلى ورقة الكثافة من قبل القالب PDMS، والبقاء على الجدران الجانبية والأسطح السفلي من المجهرية شكل (الشكل 5G). منذ قوة الترابط بين القالب PDMS وأنماط الاتحاد الافريقي أضعف من أن ما بين ورقة والكثافة وأنماط الاتحاد الافريقي، وأنماط الاتحاد الافريقي لا تلتزم قالب PDMS وتبقى على السطح الكثافة. وسيتم عرض نتائج هذه العملية في الشكل. 7 (ق) 12.
    2. micropillars PDMS على الجوانب قناة HDPE
      1. تدور معطف في 3000 دورة في الدقيقة للحصول على طبقة 1 ميكرون سميكة من S1813 على قالب SU-8 (الشكل 6A). يتم إنشاء SU-8 العفن باستخدام الأشعة فوق البنفسجية الطباعة الحجرية التقليدية 17.
      2. تدور معطف PDMS (النسبة بين PDMS وكيلها علاج هو 10:1) في 1000 دورة في الدقيقة على S1813 المغلفة SU-8 العفن، وخبز العينة على 85 درجة مئوية لمدة 3 ساعات على طبق ساخن يليه لتهدئة درجة حرارة الغرفة (الشكل 6B).
      3. الافراج عن فيلم PDMS رقيقة من العفن SU-8 بواسطة الحفر S1813 مع الأسيتون، والانتهاء من جيل من الفيلم PDMS micropillar تشكيلها (الشكل 6C).
      4. وضع فيلم PDMS micropillar التي تشكلت على ورقة الكثافة 1.5 مم سميكة (الشكل 6D).
      5. إدراج قالب القاعدة (مع حواف مدورة) في فيلم PDMS على حد سواء ورقة الكثافة عند 140 درجة مئوية مع الضغط من 52.5 كيلو باسكال (الشكل 6E). الطباعةالساعة 1 س. في 140 درجة مئوية، ويتم الضغط على الفيلم PDMS الى اسفل ورقة الكثافة لينة من العفن.
      6. بعد يتم تبريد عينة وصولا الى درجة حرارة الغرفة تليها إزالة العفن شركة، يتم إنشاء قناة على ورقة الكثافة. يتم نقل جزء من هذا الفيلم PDMS micropillar تشكيلها إلى أسفل واثنين من الجدران الجانبية للقناة (الشكل 6F). وتظهر النتائج في الشكل. 7 (مدافع) 15.
      7. قياس زاوية اتصال من قطرة ماء وضعها على رأس micropillars PDMS داخل الشكل الكثافة. قناة. 7 (غ) يبين متوسط ​​زاوية الاتصال مقاسا 15 درجة 145.5.

    هاء النتائج الممثل

    وخلاصة القول، يتم سرد نتائج MPL أدناه:

    1. وتم تشكيل طبقة واحدة إجراء البوليمر وmicropatterns معدن كما في الشكل. 2 (B1-B3، C2-C3).
    2. PPy فيلم والرطوبة microwire الاستشعار عن بعد في النتائجالتين. 2D.
    3. وقد تشكلت طبقة متعددة إجراء البوليمر وmicropatterns معدن كما في الشكل. 3 (قوات التحالف).
    4. النتائج توصيف تقاطع في الشكل. 3 (G1-G3).
    5. وتم تشكيل وأسلاك PPy 500 نانومتر واسعة كما في الشكل - 100. 4 (أ ب).
    6. وتم تشكيل 100 نانومتر على نطاق أسلاك الاتحاد الافريقي كما في الشكل. 4C.
    7. وقد تم توليد أنماط الاتحاد الافريقي على القنوات HDPE 300 ميكرون على نطاق و42 ميكرون عميقة كما في الشكل. 7 (قبل الميلاد).
    8. وقد تم توليد micropillars PDMS على السطوح العلوية والسفلية وجدار من القنوات HDPE 1 ملم واسعة، و 1 ملم في أعماق كما في الشكل. 7 (مدافع).
    9. زوايا ملامسة الماء داخل القناة قياس الكثافة في الشكل. 7 (غ).

    الشكل 1
    الرقم (1) "قطع" في عملية خلق macropatterns محدب في الصفائح المعدنية (المقطع العرضي الخطط): (A1) وضع الصفائح المعدنية على رأس الركيزة، (A2) إدراج قالب إلى الركيزة، و (A3) منفصلة في قالب والركيزة ل. في "الرسم" في عملية تصنيع macropatterns مقعر: (B1) مكان الصفائح المعدنية على الركيزة، (B2) إدراج قالب إلى الركيزة، و (B3) فصل العفن والركيزة ل. في "القطاعات" عملية للطريقة MPL في تصنيع هياكل محدب (المقطع العرضي الخطط): (C1) حرارة الركيزة، (C2) إدراج قالب إلى الركيزة، و(C3) فصل العفن والركيزة ل. في "الرسم" عملية للنهج MPL في تصنيع هياكل مقعر: (D1) حرارة الركيزة، (D2) إدراج قالب إلى الركيزة، و (D3) فصل العفن والركيزة ل.

    الشكل 2
    الشكل 2 تصاميم من القوالب سي (رأي كبار): (A1) خطوط مستقيمة، (A2) نقاط مربع، وهياكل الجمالون (A3)، و (A4) خطوط اعوج.(ب) آلة النقش الساخنة. صور SEM هياكل آل المتولدة: (C1) 10 ميكرون على نطاق خطوط؛ (C2) 20 × 20 ميكرون 2 نقطة، وهياكل الجمالون (C3). (D1) تخطيطي من المجهرية التي تتكون من هياكل متعددة؛ (D2) على التوالي 300 ميكرون واسعة، (D3) 50 ميكرون على نطاق أنماط microwire اعوج من PPy، PEDOT، وSPANI ملفقة في وقت واحد باستخدام "قطع" تشغيل MPL . (ه) والرطوبة الاستشعار عن بعد الإعداد التجريبية، و (و) الرطوبة الاستشعار عن بعد النتائج مع فيلم PPy وmicrowire استشعار 4، 7، 8. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

    الشكل (3)
    الشكل 3 تصاميم من: (A1) سنتين و(A2) لمدة ثلاثة طبقة الأجهزة، (ب) من تصميم قالب سي (عرض أعلى) المستخدمة لصنع أجهزة متعددة الطبقات، (ج) ووزارة شؤون المرأة صورة 300 ميكرون على صعيد، microline على شكل PPY-PEDOT heterojunction، وCLOSE المتابعة ووزارة شؤون المرأة وجهات النظر من المقاطع العرضية من: (د) PPy-PEDOT heterojunction، (ه) آل PEDOT الصمام الثنائي، (و) PEDOT-PMMA-PEDOT مكثف؛ توصيف heterojunction النتائج: (G1) PPy / PEDOT؛ (G2 ) الإسراء / PEDOT، و (G3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9،11.

    الشكل 4
    الرقم 4 (أ) فؤاد فحص الأسلاك تنقش PPy 500 نانومتر واسعة؛. الصور ووزارة شؤون المرأة من (ب) تنقش خطوط PPy 100 نانومتر واسعة و (ج) 100 نانومتر على نطاق الأسلاك الاتحاد الافريقي. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر الرقم .

    الشكل 5
    الشكل 5 تلفيق ركيزة HDPE مع أنماط الاتحاد الافريقي: (أ ب) باستخدام قناع من الميزات المطلوبة، فضح ووضع طبقة S1813؛ (CD) الاتحاد الافريقي ودائع وإزالة طبقة S1813، (EF) الطباعه على ركائز باستخدام المسلحة سي PDMS العفن، و (ز) بعد demolقرع، ركيزة مع أنماط جدار يتألف من الميزات الاتحاد الافريقي 12.

    الشكل (6)
    الشكل 6 تلفيق فيلم PDMS مع micropillars: (أ) اختلاق SU-8 العفن، (ب) تدور على معطف وعلاج طبقة PDMS، (ج) إزالة الطبقة PDMS من العفن SU-8 (د) تعلم بالطبع الركيزة باستخدام قالب شركة، و (EF) بعد demolding، ويتم الحصول على ركيزة مع أنماط جدار يتألف من micropillars PDMS، 15.

    الشكل 7
    الرقم 7 (أ) تخطيط من النقاط الاتحاد الأفريقي؛ الصور ووزارة شؤون المرأة ما يلي: (ب) 10 × 10 ميكرون 2 نقطة، و (ج) خطوط 110 ميكرون واسعة. أبعاد القنوات ولدت في الكثافة هي 1 سم × 300 × 42 ميكرومتر ميكرومتر (عمق طول × × عرض)؛ micropillars PDMS ولدت في العلوية والسفلية وقنوات جدار HDPE surfaces1 ملم واسعة: (د) والمقطع العرضي رأي منقناة؛ الصور ووزارة شؤون المرأة من (ه) أعلى؛) و (الزاوية السفلى للقناة، و (GH) نتائج قياس زاوية الاتصال على أعمدة PDMS 12،15. ركائز PDMS لها أبعاد 10 ميكرومتر × 10 × 27 ميكرون ميكرون. أبعاد القنوات في الكثافة هي 20 مم × 1 مم × 1 مم (ارتفاع طول X X العرض).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

استكشاف الأخطاء وإصلاحها من المعلومات: النقاط الحرجة المتعلقة جيل من micropatterns واحد ومتعددة الطبقات من إجراء البوليمرات والمعادن باستخدام "قطع" العملية: (1) درجة الحرارة من النقش يضمن سيولة للطبقة المتوسطة التي تولد PMMA أفضل النتائج. فإنه من المستحسن أن تبدأ في الحد الأدنى للنطاق، وزيادة درجة الحرارة تدريجيا إذا لم يتم تحقيق النتائج المرجوة. أيضا يمكن أن يسبب ارتفاع في درجة الحرارة في طبقة البوليمر إجراء تغيير الكيميائية و / أو الخصائص الكهربائية. (2) إذا يطبع قوة عالية جدا، فإنه قد يسبب العفن سي للقضاء خلال النقش، أما قوة منخفضة قد تؤدي إلى ملء قالب غير لائق وطبقات البوليمر قد لا تكون قطع. (3) ينبغي أن تبرمج الآلة النقش للبدء في تعلم بالطبع إلا بعد الركيزة حققت قيمة درجة الحرارة مجموعة. (4) السيرة الذاتية للبصمة يعتمد على حجم الميزة، قوة بدنية، ودرجة الحرارة والعفن إدراج صفحة،RT وقت، ويمكن أن تختلف بين واحد مع الحواف الحادة إلى واحد أكثر تنوعا. كما تزايد عدد طبقات البوليمر، والوضع يميل إلى أن يكون على حواف مدورة. (5) ويفضل قوالب سي مع الحواف الحادة لضمان قطع لإجراء البوليمر / معدن طبقات على النحو المرغوب فيه. استخدام قالب سي مع الجوانب المنحدرة غير مستحسن. (6) يجوز استخدام قالب سي عميق جدا تسبب stiction بين العفن وطبقة البوليمر (ق). إذا كان القالب هو ضحلة جدا قد لا تكون قادرة على تحقيق "قطع" من الطبقة العليا (ق). (7) من المستحسن أن يجب أن تكون مغلفة فيلم stiction المضادة لل(على سبيل المثال، تفلون) على قالب سي لفصل بسهولة من الركيزة خلال عملية demolding. (8) قد قليلة وقت إدراج قالب لا يؤدي إلى "قطع"، ويمكن تقريب الملف العفن. إذا كان حجم ميزة صغيرة، يطلب إدراج أوقات أطول والعكس بالعكس. (9) أثخن إجراء البوليمر / معدن الأفلام هي أكثر ميكانيكيا أقوى مقارنة مع أرق منها. ومع ذلك، فإن كوموينبغي أن سماكة bined من الطبقة العليا لا تكون أكثر من سماكة طبقة PMMA وسيطة. (10) درجة الحرارة ينبغي أن يكون أقل من Demolding درجة حرارة 105 مئوية (تي جي في PMMA). ويجوز للقيمة عالية قد يؤدي إلى كونها الركيزة منحني المتابعة بعد demolding وقيمة منخفضة تتسبب في قالب سي التمسك الركيزة والتفكك.

النقاط الحرجة المتعلقة جيل من PPy الفرعية ميكرون وأسلاك الاتحاد الافريقي: (1) قبل استخدام قوالب سي لأول مرة، ينبغي القيام بمسح أي فؤاد ووزارة شؤون المرأة من العفن. هذا أمر ضروري للحفاظ على سطح البكر في قالب السيليكون. (2) ينبغي تجنبها إجراءات التنظيف المغامرين مثل استخدام حل NanoStrip أو بلازما الأوكسجين، كما أن هناك إمكانية زيادة خشونة سطح قالب السيليكون. وهذا قد حث stiction بين قالب السيليكون وطبقة البوليمر إجراء. (3) وينبغي أن سمك الطبقة العليا (إجراء البوليمر أو المعدنية) أن يكون أقل من عمق العفنلعدة قطاعات الخروج من طبقة على حواف. لا يوجد مثل هذا التقييد على سمك الطبقة العازلة البوليمر. (4) وينبغي للخشونة سطح قالب السيليكون يكون الحد الأدنى. في حالة سطح قالب السيليكون الخام نظرا لتجهيز أو تلوث، قد لا يكون هناك اتصال تام بين العفن والركيزة، مما يؤدي إلى نقل نمط غير لائق.

النقاط الحرجة المتعلقة جيل من micropatterns الاتحاد الافريقي على القنوات الكثافة: (1) عند درجات حرارة أعلى النقش (≥ 136 درجة مئوية)، وخطوط الاتحاد الافريقي لا منحنى لمتابعة السطح كما خففت من الكثافة. (2) في أعماق أعلى قالب (≥ 42 ميكرون)، قد كسر خطوط الاتحاد الافريقي على حواف القنوات HDPE بسبب الإجهاد 12.

النقاط الحرجة المتعلقة جيل من القنوات HDPE مع micropillars PDMS: (1) وإذا كان ارتفاع micropillars PDMS هي كبيرة، قد تسقط بعد خروجه من القالب SU-8. (2) يجوز الجانب نسبة عالية من ركائز PDMSتتضرر خلال هذه الخطوة "الرسم" (15).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل في جزء من خلال جبهة الخلاص الوطني، NSFDMI-0508454 / LEQSF (2006)، Pfund-53، جبهة الخلاص الوطني، CMMI-0811888، ومنح جبهة الخلاص الوطني، CMMI-0900595.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PMMA Sigma-Aldrich 495C9 The solvent is cholorobenzene. Handle PMMA solution under a fume hood with adequate ventilation. Do not breathe the vapor. Refer to MSDS for safe handling instructions.
PPy Sigma-Aldrich -- 5% by weight in water. Used as received.
PEDOT-PSS H. C. Starck Co. Baytron P HC V4 Proprietary solvent. Used as received.
SPANI Sigma-Aldrich -- Water soluble form. Used as received.
Hot embossing machine JenoptikMikrotechnik Co. HEX 01/LT
Sputter machine Cressington Co. 208HR
FIB machine Carl Zeiss, Inc. FIB Crossbeam 1540 XB
Spin coater Headway Research Inc. PWM32-PS-R790 Spinner System
RIE machine Technics MicroRIE Co. --
Photoresist Shipley Co. S1813
PDMS Dow Corning Sylgard 184 Silicone elastomer kit
HDPE sheet US Plastic Corp. --
PMMA sheet Cyro Co. --
Double-sided adhesive tape Scotch Co. --
Single-sided tape Delphon Co. Ultratape # 1310
Glass micropipettes FHC, Inc. 30-30-1
Clip Office Depot Bulldog clip
Humidifier Vicks Co. Filter free humidifier

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Menon, R. Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000. Current Science. 79, 1632 (2000).
  2. Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects. Electrochimica Acta. 45, 2403 (2000).
  3. Adhikari, B., Majumdar, S. Polymers in sensor applications. Progress in Polymer Science. 29, 699 (2004).
  4. Chakraborty, A., Liu, X., Parthasarathi, G., Luo, C. An intermediate-layer lithography method for generating multiple microstructures made of different conducting polymers. Microsystem Technologies. 13 (8), 1175 (2007).
  5. Madou, M. Fundamentals of Microfabrication. , CRC Press. (1995).
  6. Bustillo, J. M., Howe, R. T., Muller, R. S. Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE. 86, 1552 (1998).
  7. Liu, X., Luo, C. Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns. Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677 (2007).
  8. Chakraborty, A., Luo, C. Multiple conducting polymer microwire sensors. Microsystem Technologies. 15, 1737 (2009).
  9. Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Polypyrrole: A new patterning approach and applications. Polypyrrole: Properties, Performance and Applications. Mason, E. C., Weber, A. P. , Nova Science Publishers, Inc. (2011).
  10. Poddar, R., Luo, C. A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction. Solid-State Electronics. 50, 1687 (2006).
  11. Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Generation of all-polymeric diodes and capacitors using an innovative intermediate-layer lithography. Progress in Solid State Electronics Research. Martingale, J. P. , Nova Science Publishers, Inc. 127-139 (2008).
  12. Liu, X., Luo, C. Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold. Sensors and Actuators A. 152, 96 (2009).
  13. Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Fabrication of micropatterns on the sidewalls of a thermal shape memory polystyreme block. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 095025 (2010).
  14. Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Fabrication of micropatterns on channel sidewalls using strain-recovery property of a shape-memory polymer. Sensors and Actuators A. , Accepted (2011).
  15. Liu, X., Luo, C. Fabrication of supe-hydrophobic channels. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 25029 (2010).
  16. Luo, C., Meng, F., Liu, X., Guo, Y. Reinforcement of PDMS master using an oxide-coated silicon plate. Microelectronics Journal. 37, 5 (2006).
  17. Luo, C., Garra, J., Schneider, T., White, R., Currie, J., Paranjape, M. Thermal ablation of PMMA for water release using a microheater. Sensors and Actuators A. 114, 123 (2004).

Tags

الهندسة الميكانيكية، العدد 65، الفيزياء، الطباعة الحجرية micropunching، والبوليمرات إجراء، أسلاك، وأنماط جدار، microlines
Micropunching الطباعة الحجرية لتوليد الصغرى، وأنماط Submicron، على ركائز بوليمر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C.… More

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates. J. Vis. Exp. (65), e3725, doi:10.3791/3725 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter