Fabbricazione e visualizzazione di ponti capillari in geometria dei pori a fessura

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di formare e visualizzare ponti capillari in una geometria povera di fenditura. Ciò si ottiene realizzando prima substrati di pilastri PDMS rialzati lunghi utilizzando stampi fotolitografici standard. Il secondo passo consiste nel funzionalizzare la parte superiore dei pilastri per introdurre un contrasto di bagnatura tra la parte superiore e i lati utilizzando la litografia a trasferimento di impronta e monostrati autoassemblati.

Successivamente, i due pilastri vengono posizionati uno di fronte all'altro in un dispositivo micro stage a quattro assi. I gradi di libertà traslazionali e rotazionali consentono allo sperimentatore di allineare correttamente i due pilastri rivolti e di controllare la separazione tra i pilastri durante l'esperimento. Il passaggio finale consiste nell'introdurre il liquido tra i due pilastri rialzati e visualizzare il ponte capillare risultante con la telecamera CCD.

Poiché l'altezza della colata a fessura è cambiata, in definitiva il cambiamento nella morfologia del ponte liquido all'aumentare dell'altezza della colata a fessura viene utilizzato per mostrare che la pressione del lalo del ponte liquido cambia segno da attraente a repulsivo all'aumentare dell'altezza della colata a fessura. Tuttavia, questo metodo può fornire informazioni sulla comprensione delle caratteristiche del fenomeno della bagnatura parzialmente appuntata. Può anche essere applicato a problemi come la progettazione di flip chip, il recupero di olio in materiali porosi e l'adesione bio-ispirata.

Prima di iniziare questa procedura, pulire un wafer di silicio da quattro pollici con soluzione piha seguendo questo Spinco SU eight 2002 sulla superficie dell'acqua per 40 secondi a 500 giri/min. Successivamente, Spinco SU 8 20 50, sul wafer con un programma di codifica a rotazione in due fasi per 40 secondi a 500 giri/min seguiti da un minuto a 1500 giri/min. Una volta che il wafer rivestito di centrifuga è asciutto, posizionaci sopra una maschera trasparente, quindi posizionalo sotto una lampada a raggi ultravioletti ed esponilo per 30 secondi a 200 watt.

Dopo aver asciugato il wafer su una piastra riscaldante a 95 gradi Celsius, metterlo nella soluzione dello sviluppatore SU otto e agitare leggermente fino a rimuovere tutto l'SU otto non esposto. Quindi sciacquare il wafer in un getto di alcol isopropilico per 30 secondi e asciugarlo con azoto. A questo punto miscelare energicamente un rapporto di massa di 10 a uno della protezione P-D-M-S-S, 180 4 base per l'agente indurente in un becher utilizzando un'asta di agitazione monouso Degas, il PDMS in una camera a vuoto fino a quando tutte le bolle sono sparite.

Dopo aver posizionato lo stampo fabbricato SU eight in un grande piatto Wang di plastica da quattro pollici, versarvi sopra la miscela PDMS. Dopo aver degasato lo stampo e il composto PDMS, mettere l'intera pirofila in forno a 75 gradi Celsius per almeno due ore. Una volta che il campione si è raffreddato a temperatura ambiente, tagliare il piatto dal PDMS e il PDMS dal wafer di silicio con una lama di rasoio a mano libera.

Quindi ritagliare la regione PDMS con i pilastri dalla massa e conservarla in una capsula di Petri pulita. Dopo aver fatto evaporare 20 nanometri d'oro direttamente su un wafer di silicio pulito, metterlo in un reattore al plasma e pulirlo utilizzando plasma di ossigeno a una pressione di 300 minuti con una potenza di 50 watt per 10 minuti. Al termine, mettere il wafer in una capsula di Petri Pyrex riempita con etanolo a 200 gradi per almeno 10 minuti.

Dopo aver tolto l'ostia dal piatto, sciacquarlo con etanolo e asciugarlo con azoto. Successivamente, centrifugare una soluzione di toluene MPTS precedentemente preparata sul wafer a 500 giri/min per 30 secondi, seguita da 2.750 giri/min per un minuto. Una volta che il wafer è stato risciacquato e asciugato, metterlo in una capsula di Petri Pyrex che contiene una soluzione di acido cloridrico da 16 millimolari sufficiente per immergere completamente il wafer.

Dopo almeno cinque minuti di immersione, rimuovere il wafer dalla soluzione e asciugarlo con azoto. Quindi posizionare le colonne PDMS nella camera al plasma ed eseguire il plasma di ossigeno a una pressione di 300 miglia e una potenza di 50 watt per 30 secondi. Dopo aver rimosso i substrati PDMS dal reattore al plasma, legare la parte posteriore di ciascuno di essi a un vetrino pulito applicando una leggera pressione su di essi.

Capovolgere i substrati PDMS con supporto in vetro e premere i pilastri sui film d'oro funzionalizzati MPTS. Una volta applicata una pressione moderata, applicare un peso di circa 100 grammi sul vetrino per garantire il contatto conforme Dopo almeno 12 ore, separare ciascun substrato PDMS dal wafer e utilizzare una lama di rasoio a mano libera. Se il substrato PDMS è bloccato, utilizzare un microscopio ottico per verificare che il film d'oro non sia incrinato o che non vi siano parti mancanti lungo il pilastro.

Successivamente, immergere il substrato PDMS in uno precedentemente preparato. Soluzione millimolare di dimetilsolfossido MHA per almeno 24 ore. Dopo il risciacquo con acqua deionizzata e l'asciugatura, posizionare il substrato PDMS in una camera a vuoto con una pressione inferiore a 100 miglia a 25 gradi Celsius per almeno 12 ore utilizzando substrati a due pilastri.

Posizionarne uno nei supporti superiori e uno in basso del gruppo micro stadio a quattro assi. Fissare i substrati utilizzando le viti di tensione laterali. A questo punto, assemblare il dispositivo collegando lo stadio del substrato superiore alla breadboard in modo che il substrato superiore si trovi all'incirca sopra il substrato inferiore.

Diminuire l'altezza tra i due pilastri contrapposti a circa un millimetro utilizzando le manopole x, y e di rotazione. Sul palco inferiore del substrato. Allineare le strisce d'oro per i due substrati in modo che siano parallele.

Quindi posizionare la telecamera in modo che guardi verso il basso per la lunghezza del pilastro PDMS utilizzando ulteriormente il feed della telecamera in tempo reale sullo schermo del computer, regolare ulteriormente la posizione del substrato inferiore in modo che i pilastri siano paralleli. Successivamente, sposta la fotocamera sul lato opposto del dispositivo e ripeti i due passaggi precedenti. Utilizzando il feed della telecamera in tempo reale, diminuire la distanza tra i due pilastri fino a quando il montante superiore non entra in contatto con il montante inferiore.

Quindi azzerare il micro stadio digitale e aumentare l'altezza dei pori a circa 200 micrometri. Montare una siringa contenente una soluzione acquosa di glicerolo all'80% sullo stadio di traslazione XY, Z della siringa con il morsetto meccanico. Quindi regolare i micrometri sul tavolino di posizionamento della siringa in modo che l'ago calibro 30 si inserisca nel versatore a fessura.

Diminuire l'altezza di versamento della fessura in modo che le superfici superiore e inferiore tocchino delicatamente l'ago dopo aver erogato lentamente il liquido dalla siringa nel versatore della fessura. Utilizzare i micrometri sul tavolino di posizionamento della siringa per rimuovere l'ago dal poro della fessura. Il dispositivo sperimentale può essere suddiviso in quattro parti principali.

Lo stadio superiore del substrato, lo stadio inferiore del substrato, la siringa XY, lo stadio di traslazione Z e l'ottica della fotocamera e il supporto della fotocamera. Vedere il protocollo di testo per i dettagli sul dispositivo sperimentale Nel trasferimento dell'oro al substrato PDMS, è importante separare il dispositivo PDMS dal wafer di silicio. Mostrato in modo fluido e accurato Ecco un'immagine al microscopio del pilastro A-P-D-M-S con l'oro dopo un trasferimento riuscito nella foto.

Ecco un'immagine che mostra la lamina d'oro in eccesso dal wafer che è stato trasferito al pilastro a causa di uno scarso trasferimento. Per facilitare il trasferimento della pellicola d'oro, è possibile utilizzare un rasoio di sicurezza affilato per sollevare delicatamente un bordo del pilastro PDMS dal wafer di silicone. Inoltre, il substrato PDMS deve essere tirato in una direzione normale alla superficie dei wafer per evitare che un'ulteriore lamina d'oro si attacchi al bordo del substrato. Mostrato.

Ecco un'immagine che mostra come possono formarsi crepe nello strato d'oro dopo il trasferimento se il substrato PDMS subisce un taglio o una flessione significativi. Una volta terminato il processo di fabbricazione, è importante verificare la qualità del monostrato MHA testando il suo angolo di contatto con l'acqua. Qui è mostrata una goccia d'acqua liquida su un substrato PDMS d'oro dopo essere stato funzionalizzato con MHA.

Il basso angolo di contatto sul PDMS indica che il processo è andato a buon fine. Il riquadro mostra una goccia d'acqua liquida posta su uno dei pilastri rialzati dopo la procedura completata. L'angolo di contatto di 140 gradi dimostra che la combinazione di eterogeneità fisiche e chimiche consente di bloccare la goccia sui lati dei pilastri.

Una volta che i substrati sono stati fabbricati e installati nei supporti del micro palco, i canali possono essere riempiti utilizzando la siringa di traslazione XY, Z Lo stadio mostrato qui è un poro a fessura riempito con una prospettiva perpendicolare alla larghezza del pilastro nella foto. Ecco una prospettiva ortogonale alla prima immagine che è perpendicolare alla lunghezza del poro della fessura. Il processo di riempimento del canale dalla stessa prospettiva della seconda immagine è mostrato qui, è fondamentale durante la fase di riempimento erogare il liquido dalla siringa.

Lentamente, la forza di improvvise portate elevate può bloccare in profondità il liquido dalla sommità del pilastro, causandone la diffusione sulle regioni idrofobiche del PDMS. In tal caso, i substrati devono essere puliti e asciugati nel processo di riempimento ripetuto. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come formare i pilastri PDMS.

Funzionalizzarli con un monostrato autoassemblante e allinearli per formare ponti capillari. Non dimenticare che lavorare con il pirano può essere estremamente pericoloso e precauzioni come una cappa aspirante funzionante. Gli occhiali di sicurezza sono una visiera.

Ogni volta che si esegue questa procedura, è necessario utilizzare un camice da laboratorio con guanti in neoprene.