Ein einfaches Protokoll ist für die Herstellung von Hemiwicking Strukturen unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien zur Verfügung gestellt. Das Protokoll verwendet eine Kombination von physischen Stanzen, PDMS Guß und Dünnschicht-Oberflächenmodifikationen über gängige Materialien Ablagerung Techniken.
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Methodenartikel
Skalierbare Stempeldruck und Fertigung von Hemiwicking Oberflächen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Hemiwicking ist ein Prozess, wo eine Flüssigkeit eine gemusterte Oberfläche außerhalb seiner normalen Benetzung Länge durch eine Kombination von Kapillarwirkung und Imbibition benetzt. Dieses Phänomen der Benetzung ist in vielen technischen Bereichen von Physiologie bis hin zu Luftfahrttechnik wichtig. Derzeit gibt es verschiedene Techniken zur Herstellung von Hemiwicking Strukturen. Diese konventionellen Methoden, jedoch sind oft zeitaufwändig und sind schwer zu skalieren für große Flächen oder schwer für spezifische, Grundstimmung Musterung Geometrien anpassen. Die vorgestellte Protokoll sieht Forscher mit einer einfachen, skalierbare und kostengünstige Methode zur Herstellung von Mikro-gemusterte Hemiwicking Oberflächen. Die Methode fertigt Feuchtigkeitstransport Strukturen durch den Einsatz von Stempeldruck, Polydimethylsiloxan (PDMS) Formen und Dünnschicht-Oberflächenbeschichtungen. Das Protokoll wird für Hemiwicking mit Ethanol auf PDMS-Micropillar-Arrays mit einer 70 nm dicken Aluminium Dünnschicht-beschichtet demonstriert.
Einleitung
Vor kurzem gab es erhöhte Interesse an in der Lage, sowohl aktiv als auch passiv die Benetzung, Verdunstung, Steuern und Mischen von Flüssigkeiten. Einzigartig texturierte Hemiwicking Flächen sorgen für eine neuartige Lösung zur Kühlung Techniken, weil diese strukturierten Oberflächen als Flüssigkeit (und/oder Wärme) Pumpe ohne bewegte Teile handeln. Diese flüssigen Bewegung wird durch eine Kaskade der Kapillarwirkung Ereignisse im Zusammenhang mit der dynamischen Krümmung des flüssigen Dünnschicht angetrieben. Im Allgemeinen wenn eine Flüssigkeit mit eine feste Oberfläche benetzt, bildet eine geschwungene flüssige Dünnschicht-(z. B. flüssige Meniskus) schnell. Die flüssige Stärke und Krümmung Profil entwickeln bis ein freie-Energie-Minimum erreicht ist. Als Referenz kann dieses dynamischen Benetzung Profil bis zu zehn Nanometern Dicke innerhalb einer spanning (Flüssigkeit-Benetzung) Längenskala von nur zehn Mikrometer schnell zerfallen. Somit kann dieser Übergangsbereich (Flüssigkeit-Film) wesentliche Änderungen in der Flüssigkeit-Schnittstelle Krümmung unterziehen. Die Übergangsregion (Dünnschicht) ist, wo fast alle dynamische Physik und Chemie stammt. Insbesondere ist der Übergangsbereich (Dünnschicht), wo maximale Verdunstungsraten (1), (2) DIS-Beitritt Druckgradienten und (3) hydrostatischen Druckgradienten1,2gefunden werden. Infolgedessen, spielen gebogene Flüssigkeit-Filme eine entscheidende Rolle im Wärmetransport, Phasentrennung Fluid Instabilitäten und die Vermischung von Mehrkomponenten Flüssigkeiten. Beispielsweise sind in Bezug auf die Wärmeübertragung, die höchste Wand Wärmestromes in dieser stark gekrümmten, Übergangs-Dünnschicht-Region3,4,5,6,7beobachtet worden.
Hemiwicking Studien haben gezeigt, dass die Geometrie (z. B. Höhe, Durchmesser, etc.) und die Platzierung der Säulen der Benetzung Frontprofil und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Strukturen8bestimmen. Als Flüssigkeit vorne am Ende der letzten Struktur in einem Array verdunstet ist, wird Flüssigkeit vorne in einem konstanten Abstand und Krümmung, die verdampfte Flüssigkeit durch die Flüssigkeit in den Feuchtigkeitstransport Strukturen9gespeicherten abgelöst wird aufrechterhalten. Hemiwicking Strukturen wurden auch benutzt in Heatpipes und kochende Oberflächen zu analysieren und zu verbessern verschiedene Wärme Übertragung Mechanismen. 10 , 11 , 12.
Eine Methode, die derzeit zur Feuchtigkeitsregulierung Strukturen zu schaffen, ist thermische Imprint Lithografie13. Diese Methode erfolgt durch das gewünschte Layout in eine Lackschicht auf eine Silizium-Schimmel-Probe mit einem thermoplastischen Polymer Stempel Stempeln, dann entfernen den Stempel um die Mikrostrukturen zu erhalten. Einmal entfernt, ist die Probe durch eine reaktive Ionen Ätzprozess um überschüssige Resist Schicht14,15entfernen gestellt. Dieser Prozess jedoch kann empfindlich auf die Temperatur der Fabrikation der Feuchtigkeitstransport Strukturen und umfasst mehrere Schritte, die verschiedenen Schichten um die Richtigkeit der Feuchtigkeitstransport Strukturen16nutzen. Es ist auch der Fall, die Lithografie Techniken nicht praktisch für Makro-Maßstab Musterung; während sie immer noch eine Möglichkeit zur Erstellung einer Anordnung von Mikrostrukturen auf einer Oberfläche bieten, ist der Durchsatz dieses Verfahrens weit weniger als ideal für großflächige Reproduktion. In Anbetracht der groß angelegte, reproduzierbare Texturierung, z. B. Spin oder Dip Beschichtung, fehlt eine inhärente steuerbare Musterung. Diese Methoden erstellen Sie eine zufällige Auswahl von Mikrostrukturen auf der Zielfläche aber können skaliert werden, um weitaus größere Gebiete als traditionelle Lithographie Techniken17abzudecken.
Das Protokoll in diesem Bericht beschriebenen Versuche, die Stärken der traditionellen Texturierung Methoden kombinieren und ersparen sich gleichzeitig die spezifischen Schwächen des einzelnen; Es definiert eine Möglichkeit, benutzerdefinierte Hemiwicking Strukturen der verschiedenen Höhen, Formen, Orientierungen und Materialien auf Makro-Ebene und mit potenziell hohem Durchsatz zu fabrizieren. Verschiedene Feuchtigkeitstransport Muster können zum Zwecke der Optimierung der Feuchtigkeitstransport Merkmale, z. B. Richtungssteuerung Fluidgeschwindigkeit, Ausbreitung und Mischen verschiedener Flüssigkeiten schnell erstellt werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Feuchtigkeitstransport Strukturen bieten auch unterschiedliche Dünnschicht-Stärke und Krümmung, die verwendet werden können, um systematisch die Kopplung zwischen Wärme- und Stoffaustausch mit unterschiedlicher Dicke zu studieren und Krümmung Profile der Flüssigkeit Meniskus.
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Protokoll
(1) die Musterung Karte erstellen
- Mit einem Grafikeditor, erstellen Sie das gewünschte Muster für die Hemiwicking Strukturen als ein Bitmap-Bild dargestellt.
Hinweis: Einige der Feuchtigkeitstransport Design-Parameter (z. B. Winkel Farbverlauf, Tiefe Gradient) erfolgen, abhängig von der Graustufenwerte, jedes Pixel zugewiesen werden. Diese Graustufenwerte sind dann bearbeitet, um den gewünschten Parameter zu ändern. - Speichern Sie die Bitmap als eine tragbare Netzgrafik (.png) und legen Sie die Datei in einem Ordner verfügbar.
2. platzieren den Kunststoff für Formteil abgestempelt werden
- Beginnen Sie durch die Übersetzung der Stempel etwas abseits von den Arbeitsbereich einen zufälligen Kontakt zu vermeiden, der Bruch der Spitze (+Z -Verschiebung, Abbildung 1) verursachen können.
- Den Kunststoff Stanzen Schimmel/Wafer zu ein Trägerplatte für nachfolgende Stempeln auf das X, y Verschiebetisch zu sichern (siehe Abbildung 1). Sichern Sie die Probe/Trägerplatte auf die X, y motorisierte Stempeln Phase (Abbildung 1)
- Zentrieren Sie die plastische Form/Wafer mit Stempeln Achse des Stanz-Bits. Dies ist versierter per EDV ±X und ±y Verschiebungen mit der X, y motorisierte Stempeln Bühne.
- Das Stanzen Bit gegenüber Kunststoff Schimmel/Wafer zu übersetzen (-Z -Verschiebung, Abbildung 1) bis das Stempeln Bit fast in Kontakt mit dem Schimmel/Wafer-Oberfläche.
3. Stanzen Kunststoff Probe für PDMS Guß
- Legen Sie das computerisierte Stempeln Steuerprogramm verwenden, den Abstand zwischen den Stempeln Bit (Tip) und Kunststoff Schimmel/Wafer-Oberfläche.
- Das Stanzen Bit in kleinen Schritten zu übersetzen (-δZ -Verschiebung, Abbildung 1) auf der Oberfläche der Probe bis das Werkzeug in Kontakt mit dem Plastik ist.
Hinweis: Das Bit sollte nur leicht wenden Sie sich an der Oberfläche. - Nach dem Kontakt übersetzen Sie die Stempel etwas abseits von der Probe möglichen Kontakt zwischen Bit und Probe während der anschließenden Übersetzung (δz ≈ 100 μm) zu vermeiden.
- Weisen Sie ein Pixelabstand (in Mikron), maximal- und Minimalwerte Hohlraumtiefe (in Mikron), maximalen und minimalen Winkel (in Grad), X und y Pixel Ausgangsposition des Musters, und Pixel-Schwelle für alle Graustufen-verknüpften Musterung für die Stempelung Verfahren.
- Laden Sie die Musterung Karte (erstellt in Schritt 1.1) vom Programm gelesen werden. Basierend auf den Pixelabstand und die Musterung Karte, werden die Positionen der alle Briefmarken der Schrittmotoren.
- Sicherstellen Sie, dass die Heizung-Laser konzentriert sich auf die Spitze des Stanz-Bit nur aktiviert, während das Stempeln Bit in der Kunststoff-Formenbau in Richtung bewegt.
- Erstellen Sie die Hohlräume durch Drücken das Bit in den Kunststoff, während im Anschluss an der Musterung-Karte, um das gewünschte Hemiwicking Muster zu erreichen.
- Entfernen Sie die gestempelten Kunststoff-Formenbau für die spätere Oberfläche Nacharbeiten und Polieren.
- Polieren Sie die Oberfläche der Kunststoff-Formenbau mit 9000 Korn, feiner nass/trocken-Schleifpapier.
Hinweis: Alternativ kann Micro-Mesh Schleifmittel verwendet werden um die Entfernung von Oberfläche Ablagerungen zu gewährleisten, dass Ursache Kraterbildung um die Säulen in der PDMS-Form.
4. Legen Sie das PDMS-Formteil
- 2 g Elastomer Basis und 0,2 g der Elastomer-Härtemittel in ein Becherglas gießen und 3 Minuten lang gründlich vermischen.
- Legen Sie die Mischung in einer evakuierten Kammer, Luftblasen in die Mischung gefangen; diesen Schritt müssen möglicherweise mehrere Male wiederholt werden.
Hinweis: Für Proben mit unterschiedlichem Volumenanforderungen passen Sie die Menge an base und Aushärtung nach Bedarf und gleichzeitig ein Verhältnis 10:1 an. - Legen Sie die gestempelte Kunststoff Form in einen ummauerten Behälter, im Idealfall nicht viel größer als der Außendurchmesser des Werkzeugs für die Aushärtung auftreten.
- Den Teig PDMS frei von Luftblasen auf die gestempelten Kunststoff- und innerhalb des Containers. Gießen Sie in einer Spirale, ausgehend von der Mitte des Gebiets gestempelt, um zu versuchen, die PDMS-Mischung möglichst gleichmäßig zu verteilen.
- Wiederholen Sie Schritt 4.2 für eventuelle Lufteinschlüsse, die aus Gießen die Mischung auf das geprägte Muster gebildet haben können. PDMS-Mischung und Plastikteil mit gestanzten Muster auf einer heißen Platte und die Montage bei 100 ° C für 15 Minuten. Anschließend wird eine weitere 25 min bei 65 ° C.
- Lassen Sie die PDMS Mischung abkühlen und Heilung für 20 min bevor Sie sie berühren.
- Schneiden Sie die Kanten des PDMS Kunststoff Weg von der Behälterwand und entfernen Sie der PDMS-Plastik aus der Form. Speichern des PDMS-Kunststoffs in einem abgedeckten Behälter Staubpartikel sammeln auf der Oberfläche zu vermeiden.
(5) Hinterlegung der Dünnschicht-Metall auf der PDMS
- Legen Sie die Probe PDMS in der Ablagerung Kammer genügend Freiraum für den Auslöser geöffnet und geschlossen werden ungehindert.
- Drucklos machen Sie die Ablagerung Kammer mindestens 10 mTorr.
- Engagieren Sie die trockenen Pumpsystem zu und die Spin-Rate auf 75 kRPM. Lassen Sie Kammer, einen Druck in der Größenordnung von 10-8 Torr erreichen.
Hinweis: Dies wird die meisten Verunreinigungen aus der Kammer zu entfernen; Vorgang kann bis zu 12 h in Anspruch nehmen. - Schalten Sie den Kühler und Gleichstrom liefern und legen Sie die Macht auf 55 w.
- Das Argon-Ventil etwas öffnen und unter Druck der Kammer Orden 10-3 Torr. Stellen Sie die trockene Pumpe System 50 kRPM und warten Sie bis diese eingestellte Drehzahl erreicht ist.
- Bis 35 W zurücknehmen Sie Leistung und drucklos machen Sie die Kammer 13 mTorr. Öffnen Sie den Auslöser, um gezündete Plasma und der Timer gestartet wird.
Hinweis: Ein blaues, Glühlampen Leuchten sollten gezündete Plasma abgeben. Für die gewünschte Dicke des Films Kaution sollte Timer eingestellt werden. Es wurde festgestellt, dass für 35 W und Druck von ca. 13 mTorr, eine Rate von 7 nm Ablagerung pro Minute erwartet wird. - Sobald die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, schließen Sie den Auslöser und Stromversorgung ausschalten.
- Schließen Sie alle Ventile in der Ablagerung Kammer und schalten Sie das trockene Pumpensystem. Planen Sie Zeit für die trocken-Pumpe-Fan zum Stillstand kommen.
- Langsam bedrängen Sie die Kammer zu, bis lokale atmosphärische Druck erreicht und entfernen Sie die Probe, Speicherung für zukünftige Experimente.
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Ergebnisse
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des wie Stanzen Mechanismus die Form für die Feuchtigkeitsregulierung Strukturen auf eine Kunststoff-Formenbau führen würde. Um die Qualität der Stempel Vorrichtung in der Herstellung von Feuchtigkeitstransport Filme zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Säule Arrays geschaffen, um die Qualität der Säulen für zukünftige Feuchtigkeitstransport Experimente zu analysieren. Aspekte des Geräts untersucht wurden di...
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Diskussion
Eine Methode wurde eingeführt, um gemusterte Säule Arrays für Hemiwicking Strukturen zu schaffen; Dies geschieht durch Prägung Hohlräume auf einem Kunststoff-Wafer mit einer Gravur-Vorrichtung, die Strukturierung von einer Bitmap, die vom Benutzer erstellten folgt. Eine PDMS-Mischung ist dann gegossen, geheilt und mit einem dünnen Film von Aluminium über Abscheidung beschichtet. Die Säule-Array-Eigenschaften können je nach den Grauwert angepasst werden, die in der Bitmap nach diesem Protokoll zugewiesen ist. Die...
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Offenlegungen
Die Autoren haben keine Angaben zu erwähnen für dieses Papier.
Danksagungen
Dieses Material basiert auf Forschung teilweise gesponsert von der United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 und die National Science Foundation unter Grant Nr. 1653396. Ansichten und Schlussfolgerungen enthaltenen sind diejenigen der Autoren und nicht notwendigerweise repräsentiert die offizielle Politik oder Vermerke, entweder ausdrücklich oder stillschweigend, des U.S. Office of Naval Research, der National Science Foundation, interpretiert werden oder die Regierung der Vereinigten Staaten.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| NI-Datenerfassung 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | Die Kommunikationsschnittstelle zwischen der Kamera und dem Steuerschalter für den Laser. |
| Steuerschalter | Crouzet | GN84134750 | Ein Controller, der für den Laser verwendet wird und den Laser basierend auf der vom Datenerfassungsgerät gesendeten Spannung aktiviert. |
| Flohkamera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | Eine Flohkamera, die zur Abbildung des Bohrers auf der Kunststoffform verwendet wird. |
| Flohkamera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | Eine Flohkamera, die zur Aufnahme der Seitenbilder der Säulen verwendet wird. |
| 200 Schritte/U, 12V-350mA Schrittmotor (x2) | AdaFruit | 324 | Die Schrittmotoren werden zur Steuerung der Tiefe und des Winkels des Schaftfräsers verwendet. |
| 10x unendlich korrigiertes Objektiv mit langem Arbeitsabstand | #46-144 | Das Ziel, das verwendet wird, um das Bild der Seite der Säulen zu erhalten. | |
| 15x Unendliches Konjugat, UV-beschichtet, ReflX Objektiv | TechSpec | #58-417 | Das Objektiv, das verwendet wird, um das Bild der Spitze der Säulen zu erhalten. |
| 72002 0,002D x 0,006 LOC Hartmetall SQ 2FL Miniatur-Schaftfräser | Harvey Tools | 72002 | Der Bohrer, mit dem Löcher in die Kunststoffform gebohrt wurden. |
| DC Power Delivery mit 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Wird zum Antrieb des Abscheidungssputterers verwendet. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pumpe | Varian | 9699336 | Turbopumpe zur Druckreduzierung in der Abscheidungskammer. |
| 2000 mW, 405 nm Hochleistungs-Blaulichtfokus-Laser | WDLaser | KREE | Probenheizlaser |
| 5,875" ID-Dessikkator mit 0,25" Rohranschlüssen | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS-Exsikkator |
| SYLGARD 184 Silikonelastomer, 0,5 kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | Das PDMS-Kit, das zur Herstellung der Basis verwendet wurde. |
| Membran-Luftkompressor / Vakuumpumpe | Gast | DOL-701-AA | Exsikkator-Vakuumpumpe |
| Motorisierte Lineartische (2x) | Standa | 8MT175 | Die Schrittmotoren, die zur Steuerung der Probenplatte in x- und y-Richtung verwendet werden. |
| 2" Durchmesser ungefasste poistive achromatische Dubletten, AR-beschichtet: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | Der Achromat wurde verwendet, um die Bilder von der Seite der Säulen zu erhalten. |
| Floh 3 Mono Kamera, 2448 x 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | Eine Flohkamera, die zur Nachahmung der Oberseite der Säulen verwendet wird. |
| Digitaler Vakuummessumformer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Zur Überwachung des Drucks in der Abscheidungskammer. |
| Unter Druck stehender Argontank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas, das im Abscheidungsprozess verwendet wird. |
| 1D-Verschiebungstisch | Newport Corporation | TSX-1D | Ein Verschiebungstisch, der verwendet wird, um die Kamera zu bewegen, um auf den Schaftfräser zu fokussieren. |
| Zylindrische Laserhalterung (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | Die Laserhalterung wurde verwendet, um die Kamera so zu bewegen, dass sie auf den Schaftfräser fokussiert. |
| Tischkühler mit Kreiselpumpe, 120 V, 60 Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | Ein Kühler, der für die Abscheidungsmontage verwendet wird. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, explosionsgeschützter Motor, Drehschieber-Vakuumpumpe, 1-phasig | Ideal Vakuum Produkte | 210SDMLAM-XP | Eine Vakuumpumpe, die für die Abscheidungsmontage verwendet wird. |
| Lüfter, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | Ein Lüfter zur Kühlung bestimmter Aspekte der Abscheidungsanordnung. |
Referenzen
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