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Engineering

स्केलेबल स्टांप मुद्रण और Hemiwicking सतहों का निर्माण

Published: December 18, 2018 doi: 10.3791/58546
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Central Florida

Summary

एक साधारण प्रोटोकॉल अलग आकार, आकार, और सामग्री के hemiwicking संरचनाओं के निर्माण के लिए प्रदान की जाती है । प्रोटोकॉल भौतिक मुद्रांकन, PDMS मोल्डिंग, और आम सामग्री जमाव तकनीकों के माध्यम से पतली फिल्म सतह संशोधनों का एक संयोजन का उपयोग करता है ।

Abstract

Hemiwicking एक प्रक्रिया है जहां एक द्रव wets केशिका कार्रवाई और imbibition का एक संयोजन के कारण अपनी सामांय गीला लंबाई से परे एक नमूनों की सतह । यह गीला घटना शरीर विज्ञान से एयरोस्पेस इंजीनियरिंग को लेकर कई तकनीकी क्षेत्रों में महत्वपूर्ण है । वर्तमान में, कई विभिंन तकनीकों hemiwicking संरचनाओं के निर्माण के लिए मौजूद हैं । इन पारंपरिक तरीकों, तथापि, अक्सर समय लेने वाले हैं और बड़े क्षेत्रों के लिए पैमाने अप करने के लिए मुश्किल कर रहे हैं या विशिष्ट, सजातीय patterning geometries के लिए अनुकूलित करने के लिए मुश्किल हैं. प्रस्तुत प्रोटोकॉल सूक्ष्म नमूनों hemiwicking सतहों के निर्माण के लिए एक सरल, स्केलेबल, और लागत प्रभावी विधि के साथ शोधकर्ताओं प्रदान करता है । विधि स्टांप प्रिंटिंग, polydimethylsiloxane (PDMS) मोल्डिंग, और पतली फिल्म सतह कोटिंग्स के उपयोग के माध्यम से बाती संरचनाओं गढ़े । प्रोटोकॉल PDMS micropillar एक ७० एनएम मोटी एल्यूमीनियम पतली फिल्म के साथ लेपित arrays पर इथेनॉल के साथ hemiwicking के लिए प्रदर्शन किया है ।

Introduction

हाल ही में वहां दोनों सक्रिय रूप से और निष्क्रिय गीला, वाष्पीकरण, और तरल पदार्थ के मिश्रण को नियंत्रित करने में सक्षम होने में रुचि बढ़ा दी गई है । विशिष्ट textured hemiwicking सतहों ठंडा तकनीकों के लिए एक उपंयास समाधान प्रदान करते है क्योंकि इन textured सतहों एक तरल पदार्थ के रूप में कार्य (और/ इस द्रव गति केशिका कार्रवाई की घटनाओं के एक झरना तरल पतली फिल्म के गतिशील वक्रता के साथ जुड़े द्वारा संचालित है । सामांय में, जब एक तरल पदार्थ wets एक ठोस सतह, एक घुमावदार तरल पतली फिल्म (यानी, तरल meniscus) तेजी से रूपों । द्रव मोटाई और वक्रता प्रोफ़ाइल विकसित जब तक एक मुक्त ऊर्जा ंयूनतम तक पहुंच गया है । संदर्भ के लिए, इस गतिशील गीला प्रोफ़ाइल तेजी से एक फैले के भीतर मोटाई में nanometers के दसियों (द्रव गीला) क्षय कर सकते है micrometers के केवल दसियों की लंबाई पैमाने पर । इस प्रकार, इस संक्रमणकालीन (तरल फिल्म) क्षेत्र तरल इंटरफ़ेस वक्रता में महत्वपूर्ण परिवर्तन से गुजरना कर सकते हैं । संक्रमणकालीन (पतली फिल्म) क्षेत्र है, जहां लगभग सभी गतिशील भौतिकी और रसायन विज्ञान के उद्भव । विशेष रूप से, संक्रमणकालीन (पतली फिल्म) क्षेत्र है, जहां अधिकतम (1) वाष्पीकरण दर, (2) जिले में शामिल होने के दबाव ढाल, और (3) हीड्रास्टाटिक दबाव ढाल1,2पाया जाता है । नतीजतन, घुमावदार तरल फिल्मों थर्मल परिवहन, चरण जुदाई, द्रव instabilities, और बहु घटक तरल पदार्थ के मिश्रण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । उदाहरण के लिए, गर्मी हस्तांतरण के संबंध में, उच्चतम दीवार गर्मी प्रवाह इस अत्यधिक घुमावदार, संक्रमणकालीन पतली फिल्म क्षेत्र3,4,5,6,7में मनाया गया है ।

हाल के hemiwicking अध्ययनों से पता चला है कि ज्यामिति (जैसे, ऊंचाई, व्यास, आदि) और स्तंभों की नियुक्ति गीला सामने प्रोफ़ाइल और8संरचनाओं के माध्यम से चल रहे द्रव का वेग निर्धारित करते हैं । द्रव सामने एक सरणी में पिछले संरचना के अंत में लुप्त होती जा रही है के रूप में, द्रव सामने एक निरंतर दूरी और वक्रता पर बनाए रखा है, के रूप में सुखाया द्रव बाती संरचनाओं9में संग्रहीत द्रव द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है । Hemiwicking संरचनाओं भी गर्मी पाइप में और उबलते सतहों का विश्लेषण करने के लिए और अलग गर्मी हस्तांतरण तंत्र को बढ़ाने पर इस्तेमाल किया गया है । 10 , 11 , 12.

एक विधि वर्तमान में बाती संरचनाओं बनाने के लिए इस्तेमाल किया थर्मल छाप13लिथोग्राफी है । इस विधि एक थर्माप्लास्टिक बहुलक स्टांप के साथ एक सिलिकॉन मोल्ड नमूना पर एक विरोध परत में वांछित लेआउट मुद्रांकन द्वारा किया जाता है, तो microstructures बनाए रखने के लिए स्टांप को हटाने । एक बार हटा दिया, नमूना एक प्रतिक्रियाशील आयन प्रक्रिया नक़्क़ाशी के माध्यम से डाल दिया है अतिरिक्त विरोध परत14,15के किसी भी हटा दें । इस प्रक्रिया, तथापि, बाती संरचनाओं के निर्माण के तापमान के प्रति संवेदनशील हो सकता है और कई कदम है कि विभिंन कोटिंग्स का उपयोग करने के लिए बाती संरचनाओं16की सटीकता सुनिश्चित शामिल हैं । यह भी मामला है कि लिथोग्राफी तकनीक स्थूल पैमाने पर पैटर्न के लिए व्यावहारिक नहीं हैं; हालांकि वे अभी भी एक तरह से एक सतह पर microstructures का एक पैटर्न बनाने के लिए प्रदान करते हैं, इस प्रक्रिया का प्रवाह दूर बड़े पैमाने पर प्रजनन के लिए आदर्श से कम है । इस तरह के स्पिन या डुबकी कोटिंग के रूप में बड़े पैमाने पर, reproducible texturing, पर विचार, वहाँ नियंत्रणीय नमूनों की एक अंतर्निहित कमी है । इन तरीकों लक्ष्य सतह पर microstructures की एक यादृच्छिक सरणी बनाने के लिए, लेकिन पारंपरिक लिथोग्राफी17तकनीकों की तुलना में काफी बड़ा क्षेत्रों को कवर किया जा सकता है ।

इस रिपोर्ट के भीतर उल्लिखित प्रोटोकॉल पारंपरिक texturing विधियों की शक्तियों को एक साथ जोड़कर प्रत्येक की विशिष्ट कमजोरियों को दूर करने का प्रयास करता है; यह एक तरह से विभिंन ऊंचाइयों, आकार, झुकाव, और एक स्थूल पैमाने पर और संभावित उच्च प्रवाह के साथ सामग्री के कस्टम hemiwicking संरचनाओं बनाना परिभाषित करता है । विभिंन बाती पैटर्न जल्दी से इस तरह के द्रव वेग, प्रचार के दिशात्मक नियंत्रण, और विभिंन तरल पदार्थ के मिश्रण के रूप में बाती के लक्षण के अनुकूलन के प्रयोजन के लिए बनाया जा सकता है । विभिंन बाती संरचनाओं का उपयोग भी अलग पतली फिल्म मोटाई और वक्रता प्रोफाइल, जो व्यवस्थित गर्मी और तरल की वक्रता प्रोफाइल के साथ बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के बीच युग्मन अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है प्रदान कर सकते है meniscus.

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Protocol

1. पैटर्न नक्शा बनाएं

  1. किसी ग्राफ़िक्स संपादक का उपयोग करते हुए, एक बिटमैप छवि के रूप में प्रस्तुत hemiwicking संरचनाओं के लिए इच्छित प्रतिमान बनाएँ ।
    नोट: बाती के डिजाइन मानकों के कुछ (यानी, कोण ढाल, गहराई ढाल) को ग्रेस्केल प्रत्येक पिक्सेल को सौंपा मूल्यों पर निर्भर किया जा सकता है । ये ग्रेस्केल मान तब इच्छित पैरामीटर को संशोधित करने के लिए संपादित किए जाते हैं ।
  2. बिटमैप को पोर्टेबल नेटवर्क ग्राफ़िक (. png) के रूप में सहेजें और फ़ाइल को आसानी से उपलब्ध फ़ोल्डर में रखें ।

2. प्लास्टिक को ढलाई के लिए मुद्रांक कर रखने के लिए

  1. टिप (+जेड विस्थापन, चित्रा 1) के टूटना का कारण हो सकता है कि किसी भी आकस्मिक संपर्क से बचने के लिए दूर मुद्रांकन थोड़ा कार्यक्षेत्र से अनुवाद द्वारा शुरू करो ।
  2. एक्स, वाई अनुवाद मंच पर बाद मुद्रांकन के लिए एक समर्थन प्लेट को प्लास्टिक मुद्रांकन मोल्ड/सुरक्षित ( चित्रा 1देखें) । सुरक्षित नमूना/समर्थन प्लेट पर एक्स करने के लिए, y मोटर मुद्रांकन चरण (चित्रा 1)
  3. मुद्रांकन बिट के मुद्रांकन अक्ष के साथ प्लास्टिक मोल्ड के केंद्र/ यह एक्स के साथ कंप्यूटरीकृत ±x और ±y विस्थापन के माध्यम से पूरा किया है , y मोटर मुद्रांकन चरण ।
  4. मुद्रांकन बिट का अनुवाद प्लास्टिक मोल्ड/वेफर (-जेड विस्थापन, चित्रा 1) जब तक मुद्रांकन बिट लगभग मोल्ड के साथ संपर्क में है/

3. PDMS मोल्डिंग के लिए प्लास्टिक के नमूने मुद्रांकन

  1. कंप्यूटरीकृत मुद्रांकन नियंत्रण कार्यक्रम का प्रयोग, मुद्रांकन बिट के बीच की दूरी (टिप) सेट और प्लास्टिक मोल्ड/
  2. मुद्रांकन सा अनुवाद छोटे वेतन वृद्धि में (-δz विस्थापन, चित्रा 1) नमूना की सतह की ओर जब तक टूलींग प्लास्टिक के साथ संपर्क में है ।
    नोट: बिट केवल हल्के से सतह से संपर्क करना चाहिए ।
  3. संपर्क के बाद, मुद्रांकन बिट का अनुवाद करने के लिए नमूने से थोड़ा और बाद के अनुवाद के दौरान (δz ≈ १०० माइक्रोन) नमूने के बीच किसी भी संभव संपर्क से बचने के लिए ।
  4. एक पिक्सेल दूरी (माइक्रोन में), अधिकतम और न्यूनतम गुहा गहराई (माइक्रोन में), अधिकतम और न्यूनतम कोण (डिग्री में), पैटर्न के प्रारंभिक एक्स और वाई पिक्सेल स्थिति, और मुद्रांकन के लिए किसी भी ग्रे-स्केल लिंक किए गए प्रतिमान के लिए पिक्सेल थ्रेशोल्ड असाइन करें प्रक्रिया.
  5. इस कार्यक्रम के द्वारा पढ़ा जा करने के लिए पैटर्न (चरण १.१ में बनाया) नक्शा अपलोड करें । पिक्सेल दूरी और पैटर्न के नक्शे के आधार पर, सभी टिकटों के स्थानों stepper मोटर्स के लिए भेजा जाता है.
  6. सुनिश्चित करें कि हीटिंग लेजर मुद्रांकन बिट की नोक पर केंद्रित है और केवल सक्रिय करता है, जबकि मुद्रांकन बिट की ओर बढ़ रहा है और प्लास्टिक मोल्ड में ।
  7. वांछित hemiwicking पैटर्न को प्राप्त करने के लिए नमूनों मानचित्र का पालन करते हुए प्लास्टिक में थोड़ा दबाकर गुहाओं बनाएँ.
  8. बाद में सतह को फिर से खत्म करने और चमकाने के लिए मुद्रांकित प्लास्टिक मोल्ड निकालें ।
  9. ९००० धैर्य का उपयोग कर प्लास्टिक मोल्ड की सतह पॉलिश, महीन गीला/
    नोट: वैकल्पिक रूप से, सूक्ष्म जाल घर्षण सतह जमा है कि PDMS मोल्ड में खंभे के आसपास गड्ढा कारण को हटाने सुनिश्चित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

4. PDMS मोल्डिंग बनाएं

  1. एक चोंच में elastomer आधार और elastomer इलाज एजेंट के ०.२ ग्राम के 2 जी डालो और 3 मिनट के लिए अच्छी तरह से एक साथ मिश्रण ।
  2. मिश्रण में पकड़ा किसी भी हवा बुलबुले जारी करने के लिए एक खाली चैंबर में मिश्रण प्लेस; यह चरण एकाधिक बार दोहराया जा करने की आवश्यकता हो सकती है ।
    नोट: वॉल्यूम आवश्यकताओं को अलग करने के नमूनों के लिए, 10:1 अनुपात को बनाए रखते हुए आवश्यकतानुसार आधार और इलाज एजेंट की मात्रा समायोजित करें ।
  3. एक दीवारों कंटेनर में मुद्रांकित प्लास्टिक मोल्ड प्लेस, आदर्श नहीं बहुत मोल्ड के बाहरी व्यास से बड़ा है, के लिए इलाज के लिए होते हैं ।
  4. PDMS मिश्रण हवा जेब से मुक्त मुद्रांकित प्लास्टिक पर और कंटेनर के भीतर डालो । एक सर्पिल में डालो, मुद्रांकित क्षेत्र के केंद्र से शुरू, के रूप में समान रूप से संभव के रूप में PDMS मिश्रण वितरित करने का प्रयास ।
  5. दोहराएं किसी भी हवा जेब कि मुद्रांकित पैटर्न पर मिश्रण डालने से गठन हो सकता है के लिए ४.२ कदम । PDMS मिश्रण और एक गर्म थाली पर मुद्रांकित पैटर्न के साथ प्लास्टिक टुकड़ा प्लेस और 15 मिनट के लिए १०० डिग्री सेल्सियस पर विधानसभा गर्मी । फिर ६५ डिग्री सेल्सियस पर एक अतिरिक्त 25 मिनट गर्मी ।
  6. PDMS मिश्रण को शांत करने के लिए अनुमति दें और हैंडलिंग से पहले 20 मिनट के लिए इलाज ।
  7. PDMS प्लास्टिक के किनारों को कंटेनर की दीवार से दूर काटें और मोल्ड से PDMS प्लास्टिक को हटा दें । सतह पर इकट्ठा करने से धूल कणों से बचने के लिए एक कवर कंटेनर में PDMS प्लास्टिक की दुकान ।

5. PDMS पर पतली फिल्म धातु जमा

  1. शटर के लिए पर्याप्त जगह छोड़ने के लिए जमाव चैंबर के अंदर नमूना PDMS प्लेस खोला और अबाधित बंद कर दिया ।
  2. Depressurize कक्ष को कम से 10 mTorr ।
  3. सूखी पंप प्रणाली संलग्न और ७५ kRPM के लिए स्पिन की दर निर्धारित किया है । 10-8 Torr के आदेश पर किसी दबाव में पहुंचने के लिए चेंबर की अनुमति दें ।
    नोट: इस कक्ष से अधिकांश दूषित पदार्थों को निकाल देगा; प्रक्रिया को पूरा करने के लिए 12 घंटे लग सकते हैं ।
  4. कूलर और डीसी बिजली की आपूर्ति पर बिजली और ५५ डब्ल्यू करने के लिए बिजली सेट
  5. आर्गनिक वॉल्व को थोड़ा खोलें और 10-3 Torr के ऑर्डर में चैंबर को दबाव । सेट सूखी पंप प्रणाली ५० kRPM और रुको जब तक इस सेट गति हासिल की है ।
  6. बिजली कम करने के लिए ३५ डब्ल्यू और depressurize 13 mTorr के लिए चैंबर । शटर प्रज्वलित प्लाज्मा को खोलने के लिए और टाइमर शुरू करते हैं ।
    नोट: प्रज्वलित प्लाज्मा बंद एक नीले, गरमागरम चमक देना चाहिए । टाइमर फिल्म जमा की वांछित मोटाई के लिए निर्धारित किया जाना चाहिए । यह निर्धारित किया गया है कि ३५ डब्ल्यू और लगभग 13 mTorr के दबाव के लिए, 7 एनएम प्रति मिनट की दर की उंमीद है ।
  7. एक बार वांछित फिल्म मोटाई हासिल कर ली गई है तो शटर बंद कर बिजली सप्लाई बंद कर दें ।
  8. जमाव कक्ष के भीतर वाल्व के सभी बंद करो और सूखी पंप प्रणाली बंद करो । सूखी पंप प्रशंसक के लिए समय की अनुमति के लिए एक पूरी तरह से रोकने के लिए आते हैं ।
  9. धीरे चैंबर दबाव जब तक यह स्थानीय वायुमंडलीय दबाव पहुंचता है और नमूना हटाने के लिए, यह भविष्य के प्रयोगों के लिए भंडारण ।

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Representative Results

चित्रा 1 कैसे मुद्रांकन तंत्र एक प्लास्टिक मोल्ड पर बाती के ढांचे के लिए मोल्ड बनाना होगा की एक योजनाबद्ध प्रदान करता है । विनिर्माण बाती फिल्मों में मुद्रांकन तंत्र की गुणवत्ता की जांच करने के लिए, दो विभिंन स्तंभों arrays भविष्य बाती प्रयोगों के लिए स्तंभों की गुणवत्ता का विश्लेषण बनाया गया । जांच तंत्र के पहलुओं खंभे की ऊंचाई की सटीकता थे (के साथ और एक गहराई ढाल के बिना), PDMS मोल्डिंग के बाद खंभे की गुणवत्ता, धूम जमाव की प्रक्रिया के बाद खंभे की गुणवत्ता, और के लिए की क्षमता है । कछ hemi बनाने के लिए-बाती । यह पूरा करने के लिए, दो बाती पैटर्न वेरिएंट बनाया गया था, एक कि एक गहराई ढाल और वर्दी गहराई का एक और प्रदर्शित ।

आरेख 2a गहराई और कोण ग्रेडिएंट बनाने के लिए उपयोग किया गया बिटमैप दिखाता है । यह देखा जा सकता है कि प्रत्येक स्तंभ स्तंभ को 0 से ९५ तक अलग धूसर स्केल मान असाइन किया गया था । इस क्रम में किया गया था प्रत्येक स्तंभ कॉलम के लिए एक अलग गहराई है । आंकड़े 2 बी और 2c मोल्डिंग प्रक्रिया के द्वारा बनाई गई PDMS पर खंभे प्रदर्शित करते हैं । यह सत्यापित करता है कि ग्रे स्केल मूल्यों इस्तेमाल किया गया प्लास्टिक मोल्डिंग में गहराई प्रभाव और इसलिए PDMS नमूना पर स्तंभ की ऊंचाई । तालिका 1 गहराई ग्रैडिएंट से डेटा की रूपरेखा देती है और स्टांपिंग प्रतिमान से अपेक्षित ऊंचाई का प्रतिशत दिखाती है । ये डेटा माप से ५० स्तंभों, या एक पूर्ण सरणी, चित्रा 2में प्रदर्शित पर इकट्ठा किए गए थे । स्तंभ के दिए गए धूसर स्केल मानों के साथ अपेक्षित ऊँचाई निम्न समीकरण से परिकलित किए गए थे:

Equation1

जहां hexp अपेक्षित ऊंचाई है, एचमैक्स उपयोगकर्ता द्वारा परिभाषित के रूप में अधिकतम ऊंचाई है, एचमिन उपयोगकर्ता द्वारा परिभाषित के रूप में न्यूनतम ऊंचाई है, पीटी उपयोगकर्ता द्वारा परिभाषित के रूप में पिक्सेल सीमा है और GSV ग्रे पैमाने पर है मान. यह देखा जा सकता है कि शूंय (यानी, काला) के धूसर स्केल मान के लिए, अपेक्षित ऊंचाई अधिकतम ऊंचाई होगी और धूसर स्केल मान पिक्सेल थ्रेशोल्ड के बराबर है, तो अपेक्षित ऊंचाई ंयूनतम ऊंचाई होगी ।

3 ए चित्र लगातार स्तंभ ऊंचाई के एक बड़ा बाती संरचना सरणी बनाने के लिए इस्तेमाल किया बिटमैप फ़ाइल से पता चलता है । पिक्सेल दूरी के माध्यम से प्रोग्राम में निर्धारित उदाहरणों को मुद्रांकन के बीच की दूरी के साथ, हर काला पिक्सेल एक गुहा स्थान का प्रतिनिधित्व करता है. इस द्विआधारी दृष्टिकोण, चित्र 1aके साथ इसके विपरीत, कोण और स्तंभ ऊंचाइयों की एक वर्दी सरणी बनाता है । चित्र 3 सी, क्रमशः स्तंभों के एक शीर्ष और पक्ष को देखने के लिए प्रदान करते हैं । यह देखा जा सकता है कि एक समान ऊंचाई स्तंभ विनिर्देश के बावजूद, प्रक्रिया का उत्पादन आकार स्तंभों । जबकि अधिकतम ऊंचाई १०० माइक्रोन के लिए निर्धारित किया गया था, यह पाया गया कि स्तंभों की औसत ऊंचाई लगभग ७१.८९ ± १०.१८ माइक्रोन, ३८ खंभे के आधार पर किया गया था । यह संभव खामियों को जिंमेदार ठहराया जा सकता है कि गुहाओं में पाया जा सकता है, जबकि वे बनाया जा रहा है या संभव हवा जेब है कि गठन किया था और छेद में बनी के कारण ।

चित्रा 4 स्तंभों के चार व्यक्तिगत छवियों को प्रदर्शित करता है के बाद एल्यूमीनियम PDMS नमूना पर जमा किया गया था. चित्र 4a और 4b के स्तंभों के पक्ष और शीर्ष दृश्य क्रमशः, बाती के ढांचे में एक काम तरल पदार्थ के बिना दिखा । क्या PDMS नमूना के साथ देखा गया था के समान, नमूनों की ऊंचाइयों खंभे के सभी भर में अनुरूप नहीं थे. हाइट्स और PDMS और अल नमूनों की मानक विचलन की तुलना में और तालिका 2में प्रदर्शित कर रहे हैं । इन आंकड़ों के स्तंभों को मापने के बाद इकट्ठे हुए थे (n = ३८) दोनों से पहले और PDMS पर एल्यूमीनियम के जमाव के बाद । उल्लेखनीय सतह किसी न किसी भी मौजूद था; यह सोचा है कि रेत का नमूना प्लेट पर इस्तेमाल किया PDMS नमूना स्थानांतरित करने के लिए प्रक्रिया और एल्यूमीनियम फिल्म की सतह पर प्रतिबिंबित किया गया है । यह भी संभव है कि किसी न किसी को केवल जमाव प्रक्रिया के लिए जिंमेदार ठहराया है ।

चित्र 4c और 4d की ओर और स्तंभों के शीर्ष विचारों, क्रमशः, बाती के ढांचे में एक काम तरल पदार्थ के साथ कल्पना । काम कर रहे तरल पदार्थ है कि इस उदाहरण में इस्तेमाल किया गया था इथेनॉल था । हालांकि, पानी एक ही hemi-बाती घटना के रूप में इथेनॉल इस नमूने के साथ करता है प्रदर्शन नहीं करता है । इस घटना के निंनलिखित (या संयोजन के लिए जिंमेदार ठहराया जा सकता है): 1) एक गैर आदर्श सतह बनावट, 2) अवशिष्ट सतह किसी न किसी प्रकार (के रूप में चित्रा 4bमें दिखाया गया है), 3) एल्यूमीनियम कोटिंग में दोष, और 4) भी एक देशी एल्यूमीनियम ऑक्साइड परत की पतली । साथ ही कहा, इथेनॉल के लिए बाती क्योंकि एल्यूमीनियम ऑक्साइड कि एल्यूमीनियम की सतह पर गठन के lyophilicity कर रहा था । हालांकि एल्यूमीनियम डाइऑक्साइड lyophilic है, यह हाइड्रोफिलिक विशेषताओं नहीं दिखा है, बाती से पानी पर रोक लगाने । PDMS बाती संरचना के लिए रासायनिक सतह के उपचार का उपयोग एक और तरीका है कि नमूना के hydrophilicity-उदाबदलने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, गीला रसायन प्रसंस्करण hydrophylic स्व-कोडांतरण monolayers (SAMs) 18 बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है . इन खामियों के बावजूद, यह साबित करता है कि वर्णित प्रक्रिया के माध्यम से बनाया बाती के ढांचे के लिए एक काम तरल पदार्थ के लिए hemi-बाती बनाने में सक्षम है ।

Figure 1
चित्रा 1: सूक्ष्म नमूनों प्लास्टिक मोल्ड के निर्माण के लिए मुद्रांकन बिट तंत्र की योजनाबद्ध । x-और y-अक्षों के साथ प्लास्टिक मोल्ड के आंदोलन के दो कंप्यूटर द्वारा निर्धारित किया जाता है stepper मोटर नियंत्रित/चरणों (प्रत्येक दिशा के लिए एक) । इसी तरह, मुद्रांकन कोण (θ) और मुद्रांकन गहराई (Δजेड) के मुद्रांकन बिट द्वारा नियंत्रित कर रहे है दो अलग, कंप्यूटर नियंत्रित stepper मोटर/ कंप्यूटर नियंत्रित हीटिंग लेजर जबकि बिट प्लास्टिक मोल्ड में मुद्रांकन गुहा पैदा कर रहा है सक्रिय है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: गहराई ढाल स्तंभ सरणी पैटर्न और PDMS आधार । (क) बिटमैप एक ' गहराई-ढाल ' micropillar सरणी के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया । मुद्रण के लिए, पिक्सेल थ्रेशोल्ड १०० पर सेट है, अधिकतम गहराई १०० माइक्रोन पर सेट है, न्यूनतम गहराई 25 माइक्रोन पर सेट है, और प्रत्येक पिक्सेल १०० माइक्रोन की दूरी का प्रतिनिधित्व करने के लिए सेट किया गया है. इन मूल्यों के आधार पर, प्रत्येक पंक्ति १०० माइक्रोन से अलग है, जबकि एक पंक्ति के भीतर दो स्तंभों के बीच की दूरी २०० माइक्रोन है । प्रत्येक पिक्सेल के ग्रे स्केल मूल्य दूरी मुद्रांकन बिट प्लास्टिक मोल्ड में यात्रा निर्धारित करता है । इसलिए, के रूप में धूसर स्केल मान बिटमैप के पार जा रहा वृद्धि, स्तंभों की ऊंचाइयों को कम । इसी ग्रे स्केल मूल्यों के साथ स्तंभों की उंमीद की ऊंचाई प्रदान की जाती हैं । (ख) PDMS आधार के लिए स्तंभ स्तंभ 1 से 5 तक की छवियां नीले बॉक्स क्षेत्र से बिटमैप के निचले बाएं हाथ के कोने पर । (ग) बिटमैप के नीचे दाहिने हाथ के कोने पर लाल बॉक्स से PDMS आधार के लिए पिलर कॉलम 5 की छवियां । (ख) और (ग) के लिए छवि पिक्सेल दूरी ०.३३५ माइक्रोन/पिक्सेल है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: पैटर्न और hemiwicking के लिए बाती संरचनाओं के लिए PDMS आधार । (क) बिटमैप आयताकार बाती संरचना बनाने के लिए इस्तेमाल किया । गहराई १०० माइक्रोन पर सेट है और प्रत्येक पिक्सेल १०० माइक्रोन की दूरी का प्रतिनिधित्व करने के लिए सेट किया गया है । चूंकि सभी धूसर स्केल मान इस बिटमैप में समान हैं, इसलिए सभी स्तंभों की ऊंचाई समान होनी चाहिए । इसके अलावा, चित्रा 2में पैटर्न के समान, प्रत्येक पंक्ति १०० माइक्रोन से अलग है, जबकि एक पंक्ति के भीतर दो स्तंभों के बीच की दूरी २०० माइक्रोन है । (ख) PDMS बाती की संरचना है कि प्लास्टिक मोल्ड में बिटमैप के आधार पर (एक)का उपयोग कर डाली है के स्तंभों के एक शीर्ष दृश्य । छवि संकल्प ०.१७६ माइक्रोन/पिक्सेल है । (ग) PDMS बाती की संरचना है कि (एक)में बिटमैप के आधार पर प्लास्टिक मोल्ड का उपयोग कर डाली है स्तंभों के एक तरफ देखें । 2 चित्रामें प्रस्तुत बाती संरचनाओं के विपरीत, बाती संरचना में स्तंभ हाइट्स ऊंचाई में और अधिक सुसंगत हैं । छवि संकल्प ०.७२३ माइक्रोन/पिक्सेल है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: के साथ अल जमाव के बाद और hemiwicking के बिना बाती संरचनाओं । (क) इथेनॉल के बिना अल जमाव के बाद चित्रा 3 में बनाया बाती के खंभे का एक पक्ष देखें । PDMS के शीर्ष पर एल्यूमीनियम की मोटाई लगभग ७० माइक्रोन है । (ख) इथेनॉल के बिना अल जमाव के बाद चित्रा 3 में बनाया बाती के खंभे का एक शीर्ष दृश्य । (ग) संरचनाओं में इथेनॉल बाती के साथ अल जमाव (इथेनॉल ज्यादातर केंद्रित खंभे के आधार के साथ देखा जा सकता है) के बाद 3 चित्रा में बनाया बाती के खंभे का एक पक्ष देखें । (घ) संरचना में इथेनॉल बाती के साथ अल जमाव के बाद चित्रा 3 में निर्मित बाती के स्तंभों का एक शीर्ष दृश्य । (क) और (ग)के लिए, छवि संकल्प ०.७२३ माइक्रोन/पिक्सेल और के लिए (b) और (d), छवि संकल्प है ०.१७६ माइक्रोन/पिक्सेल । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

स्तंभ धूसर स्केल मान अपेक्षित ऊंचाई (माइक्रोन) मापा ऊंचाई (माइक्रोन) % अपेक्षित
1 0 १०० ५९.६ ५९.६
± ४.५८
2 10 ९२.५ ५९.७१ ६४.५५
± ५.८८
3 21 ८४.२५ ५४.७१ ६४.९४
± ५.५७
4 31 ७६.७५ ४६.४८ ६०.५६
± २.६१
5 ४२ ६८.५ ४६.५९ ६८.०१
± ५.२१
6 ५३ ६०.२५ ३८.९२ ६४.६
± १.६२
7 ६३ ५२.७५ ३१.८ ६०.२८
± ०.७३
8 ७४ ४४.५ २६.५८ ५९.७३
± १.४९
9 ८५ ३६.२५ २०.१३ ५५.५३
± १.४४
10 ९५ २८.७५ १६.०१ ५५.६९
± १.९४

तालिका 1: गहराई ग्रैडिएंट प्रतिमान के लिए सभी स्तंभ स्तंभों की अपेक्षित और मापी गई ऊंचाईयां ।

अपेक्षित ऊंचाई (माइक्रोन) मतलब मापा ऊंचाई (माइक्रोन) मानक विचलन (माइक्रोन)
बिना अल जमा के PDMS सैंपल १०० ७१.८९ १०.१८
अल जमा के साथ PDMS नमूना १०० ६१.५९ ८.४९३

तालिका 2: के साथ और अल जमाव स्तंभ ऊंचाई तुलना के बिना PDMS ।

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Discussion

एक विधि hemiwicking संरचनाओं के लिए नमूनों स्तंभ arrays बनाने के लिए शुरू किया गया है; यह एक प्लास्टिक वेफर पर एक उत्कीर्णन उपकरण है कि उपयोगकर्ता के द्वारा बनाई गई एक बिटमैप से patterning इस प्रकार के साथ छिद्रों से पूरा किया जाता है । एक PDMS मिश्रण तो डाला, ठीक है और जमाव के माध्यम से एल्यूमीनियम की एक पतली फिल्म के साथ लेपित है । स्तंभ सरणी विशेषताओं को इस प्रोटोकॉल के बाद बिटमैप में असाइन किया गया है जो धूसर स्केल मान के आधार पर अनुकूलित कर सकते हैं । पैटर्न के इस महत्वपूर्ण पहलू संभव बाती संरचनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला बना सकते है कि परीक्षण के लिए विभिंन अनुप्रयोगों, पतली फिल्म अनुसंधान और थर्मल सिस्टम में सीधे अनुप्रयोगों सहित में इस्तेमाल किया जा सकता है । प्रतिनिधि परिणामों में वर्णित नहीं किस्म का एक अंय क्षेत्र कोण ढाल कि सरणी में लागू किया जा सकता है । गहराई ग्रैडिएंट के समान, भिंन पिक्सेल के धूसर स्केल मान को परिवर्तित करने से ड्रिल बिट (θ, आरेख 1) का कोण बदल सकता है ।

एक अंय प्रमुख कदम है कि ध्यान दिया जाना चाहिए PDMS आधार के निर्माण है । स्तंभ हाइट्स में अंतर और स्तंभों के चारों ओर विकृति और बाती संरचनाओं में आम हैं । Abrading सूक्ष्म मेष या घर्षण slurries के साथ सतह सममित नमूनों और यहां तक कि PDMS मोटाई बनाने में मदद करता है । इसके अलावा, निकासी और गर्मी उपचार प्रक्रियाओं को एक साथ जगह लेने के लिए डिजाइन किए गए थे, के रूप में हीटिंग तत्वों मोल्ड के भीतर ही शामिल किया गया । यह प्रभावी ढंग से उपयोगकर्ता और किसी भी जुड़े अनियमितताओं से निपटने की सीमा, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से हवाई प्रदूषित (यानी, धूल कण) इलाज के दौर के दौरान । भविष्य के नमूनों के लिए ये विचार लागू किए जाएंगे ।

PDMS आधार पर सामग्री के जमाव एक और महत्वपूर्ण कदम है कि प्रत्येक प्रयोग के अनुरूप किया जाना चाहिए है । प्रोटोकॉल में उल्लिखित शर्तों एल्यूमीनियम विशिष्ट कर रहे है और जैसे, जमा सामग्री परिवर्तन के रूप में बदलना होगा । यदि एक और धातु पसंद है, बिजली उत्पादन में परिवर्तन, चैंबर दबाव, और sputtering समय के लिए वांछित जमा सामग्री के लिए आदर्श सतह शर्तों को प्राप्त करने के लिए बदल दिया जाना चाहिए । भविष्य के नमूनों के लिए, विभिन्न सतह ऊर्जा (यानी, सोना, जर्मेनियम) के साथ धातुओं को उनके संबंधित बाती क्षमताओं का परीक्षण करने के लिए जमा किया जाएगा । जब भविष्य में विभिंन धातुओं जमा, प्रोटोकॉल के क्रम में ठीक से PDMS पर वांछित धातु जमा अद्यतन किया जाना चाहिए ।

सबसे बड़ी समस्या यह है कि hemiwicking संरचनाओं बनाने की प्रक्रिया में पेश किया गया है नमूना की सतह किसी न किसी । यह देखा जा सकता है कि सतह दोषों PDMS मोल्ड (चित्र3बी) पर और अल सतह पर मौजूद यह या तो रेत की प्रक्रिया या धातु जमाव प्रक्रिया से स्टेम सकता है । सतह दोषों के रूप में समस्याग्रस्त देखा जाता है, सतह दोष बाती की गति और काम तरल पदार्थ के सामने दूरी को प्रभावित कर सकते हैं । एक आदर्श प्रयोग पर और खंभे के बीच एक चिकनी सतह होता है, तो तरल पदार्थ के लिए सतह की शर्तों द्वारा रुकावट बाती संरचना के माध्यम से प्रवाह करने में सक्षम है । प्रस्तावित समाधान के लिए उच्च ग्रेड (यानी, महीन धैर्य) का उपयोग करने के लिए प्लास्टिक वेफर से पहले जमाव के लिए घर्षण, साथ ही अब रेत का समय है । तालिका 1 और तालिका 2, स्तंभ हाइट्स से देखा के रूप में stepper मोटर्स के लिए दिए गए मानों के आधार पर अपेक्षा के अनुरूप निर्मित नहीं हैं । यह मुद्रांकन धुरी के साथ नमूना के विक्षेपन के कारण हो सकता है, जबकि थोड़ा प्लास्टिक में अंकित है । इस समस्या का समाधान किया जा सकता है दूरी बढ़ाने के लिए थोड़ा प्लास्टिक में यात्रा है; यह, तथापि, स्तंभ हाइट्स और भविष्य के प्रयोगों के लिए स्तंभ आधार व्यास के साथ एक संभव विसंगति छोड़ देता है । तरीकों में आदेश विक्षेपण की मात्रा को सीमित करने के लिए विकसित किया जाना चाहिए, इस तरह के तापमान में वृद्धि के रूप में नमूना अनुभवों, प्लास्टिक से प्रतिरोध को सीमित करने के लिए, या एक अलग तरीके से नमूना सुरक्षित.

जबकि चुनौतियों मुद्रांकन प्रक्रिया को परिष्कृत में रहते हैं, उल्लिखित विधि तुलनीय ज्यामिति के आदेश दिया arrays बनाने के लिए प्रभावी है । hemiwicking संरचनाओं, या किसी भी सूक्ष्म पैटर्न सतह सुविधा बनाने के लिए इस्तेमाल किया पद्धति, पता चलता है कि नमूनों तेजी से एक कम लागत पर अन्य प्रयोगशालाओं या अनुसंधान कंपनियों में बाद में प्रसंस्करण के लिए उत्पादन किया जा सकता है और समकालीन तरीकों की तुलना में एक तेज दर से. इन hemiwicking संरचनाओं को आसानी से इष्टतम पतली फिल्म वक्रता और बाती सामने वेग को दोहराने के लिए गढ़े जा सकते हैं । बाती के सामने वेग एक उच्च गति कैमरा स्तंभ से पिलर से यात्रा के सामने द्रव का विश्लेषण का उपयोग कर मापा जाएगा. इसके साथ ही, मोटाई और वक्रता प्रोफ़ाइल एक reflectometry और interferometry दृष्टिकोण है कि बढ़त के खंभे6पर पिछले प्रयोगों में साबित किया गया है का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है । स्वयं बाती संरचनाओं की प्रकृति को विनियमित करने में मदद करेगा विश्लेषण के लिए एक निरंतर पतली फिल्म क्षेत्र बनाए रखने के लिए अलग तरल पदार्थ और सतह पर विभिंन सतह ऊर्जा के बावजूद । इस विधि के साथ, बाती संरचना वेरिएंट प्रभाव बाती ज्यामिति पतली फिल्म क्षेत्र और अलग तरल पदार्थ के सामने बाती पर है समझने के प्रयोजनों के लिए जल्दी से गढ़े जा सकते हैं ।

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Disclosures

लेखकों ने इस पत्र के लिए जिक्र करने के लिए कोई खुलासे नहीं किए हैं ।

Acknowledgments

इस सामग्री को आंशिक रूप से संयुक्त राज्य अमेरिका के कार्यालय ने अनुदान के तहत नौसेना अनुसंधान द्वारा प्रायोजित अनुसंधान पर आधारित है । N00014-15-1-2481 और नेशनल साइंस फाउंडेशन के अंतर्गत अनुदान सं १६५३३९६. विचार और निष्कर्ष निहित इस के साथ साथ लेखकों के उन हैं और जरूरी सरकारी नीतियों या विज्ञापन का प्रतिनिधित्व करने के रूप में व्याख्या नहीं की जानी चाहिए, या तो व्यक्त या निहित, नौसेना अनुसंधान के अमेरिकी कार्यालय के, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन, या संयुक्त राज्य अमेरिका सरकार ।

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.

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References

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इंजीनियरिंग अंक १४२ इंजीनियरिंग मुद्रांकन hemiwicking microfluidics पतली फिल्म साठा प्रयोगात्मक द्रव गतिशीलता
स्केलेबल स्टांप मुद्रण और Hemiwicking सतहों का निर्माण
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Germain, T., Brewer, C., Scott, J., Putnam, S. A. Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces. J. Vis. Exp. (142), e58546, doi:10.3791/58546 (2018).

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