Een eenvoudig protocol is bedoeld voor de fabricage van hemiwicking structuren van verschillende maten, vormen en materialen. Het protocol gebruikt een combinatie van fysieke stampen, PDMS molding en dunne-film oppervlakte wijzigingen via gemeenschappelijke materialen afzetting technieken.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Schaalbare stempel drukken en fabricage van Hemiwicking oppervlakken
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Hemiwicking is een proces waarbij een vloeistof wets een patroon oppervlak dan de lengte van de normale bedplassen als gevolg van een combinatie van capillaire actie en imbibition. Dit verschijnsel van bedplassen is belangrijk in vele technische gebieden variërend van fysiologie aan de luchtvaart-en Ruimtevaarttechniek. Op dit moment bestaan verscheidene verschillende technieken voor het fabriceren van hemiwicking structuren. Deze conventionele methoden, echter zijn vaak tijdrovend en moeilijk te schaal-up voor grote gebieden of zijn moeilijk om aan te passen voor specifieke, nonhomogeneous patronen geometrieën. De gepresenteerde protocol biedt onderzoekers met een eenvoudige, schaalbare, en kosteneffectieve methode voor het fabriceren van micro-patroon hemiwicking oppervlakken. De methode produceert wicking structuren door het gebruik van de stempel afdrukken, Polydimethylsiloxaan (PDMS) molding en dunne-film oppervlaktecoatings. Het protocol is voor hemiwicking met ethanol op PDMS micropillar arrays bedekt met een 70 nm dikke aluminium dunne-film aangetoond.
Inleiding
Onlangs is er een toegenomen belangstelling voor zijnde kundig voor zowel actief als passief beheersen de bevochtiging, verdamping, en het mengen van vloeistoffen. Uniek getextureerde hemiwicking oppervlakken bieden een nieuwe oplossing voor het koelen van technieken, omdat deze gestructureerde oppervlakken als een vloeistof (en/of warmteopwekking) pomp zonder bewegende delen fungeren. Deze vloeiende bewegingen wordt gedreven door een cascade van capillaire actie gebeurtenissen die zijn gekoppeld aan de dynamische kromming van de vloeibare dunne-film. In het algemeen, wanneer een vloeistof wets een harde ondergrond, vormt een gebogen vloeibare dunne-film (dat wil zeggen, vloeibare meniscus) snel. De dikte van de vloeistof en de kromming profiel evolueren tot een minimum vrije-energie is bereikt. Ter referentie, kan dit dynamische bevochtiging profiel snel verval tot tientallen nanometer in dikte binnen een spanning (vloeistof-bevochtiging) lengte-schaal van enige tientallen micrometers. Dus, kan deze overgangsperiode (vloeistof-film) regio ondergaan ingrijpende veranderingen in de kromming van de vloeistof-interface. De overgangsperiode (dunne-film) regio is waar bijna alle dynamische natuurkunde en scheikunde afkomstig is. In het bijzonder is de overgangsperiode (dunne-film) regio maximale (1) verdampingssnelheden, (2) ont joining druk verlopen en (3) de hydrostatische druk verlopen1,2 geconstateerde. Dientengevolge, spelen gebogen vloeistof-films een vitale rol in thermische vervoer, fasescheiding, vloeistof instabiliteit en het mengen van multi-component vloeistoffen. Bijvoorbeeld, met betrekking tot warmteoverdracht, zijn de hoogste muur warmte Lichtstromen waargenomen in deze zeer gebogen, overgangs dunne-film regio3,4,5,6,7.
Recente hemiwicking studies hebben aangetoond dat de geometrie (b.v., hoogte, diameter, enz.) en de plaatsing van de pijlers bepalen het bedplassen voorste profiel en de snelheid van de vloeistof loopt via de structuren8. Als de vloeistof voorkant is verdamping uit het einde van de laatste structuur in een array, wordt de vloeistof voorkant onderhouden op een constante afstand en kromming, zoals de verdampte vloeistof wordt vervangen door de vloeistof in de wicking structuren9opgeslagen. Hemiwicking structuren zijn ook gebruikt in warmte leidingen en op kokend oppervlakken te analyseren en verbeteren van mechanismen voor de verschillende warmte overdracht. 10 , 11 , 12.
Een methode die momenteel gebruikt voor het maken van wicking structuren is thermische Impressum lithografie13. Deze methode wordt uitgevoerd door stampen de gewenste lay-out in een weerstaan-laag van een steekproef van de schimmel silicium met een stempel van thermoplastisch polymeer, dan het verwijderen van de stempel om te handhaven de microstructuren. Zodra verwijderd, is het monster een reactieve ion etching proces om te verwijderen van de overtollige weerstaan laag14,15doorgeschakeld. Dit proces, maar kan gevoelig zijn voor de temperatuur van de fabricage van de wicking structuren en bestaat uit meerdere stappen die gebruik maken van verschillende coatings om de juistheid van de wicking structuren16. Het klopt ook dat lithografie technieken niet praktisch voor de macro-schaal patronen zijn; terwijl zij nog steeds een manier bieden om een patroon van microstructuren op een oppervlak, is de doorvoer van deze procedure veel minder dan ideaal voor grootschalige reproductie. Gezien de grootschalige, reproduceerbare texturing, zoals rotatie of dip coating, is er een inherent gebrek controleerbaar patronen. Deze methoden maken van een willekeurige reeks van microstructuren op de doel oppervlakte maar ter dekking van enorm grotere gebieden dan traditionele lithografie technieken17kunnen worden geschaald.
Het protocol beschreven in dit verslag probeert te combineren van de sterke punten van traditionele texturing methoden terwijl het tegelijkertijd het elimineren van de specifieke zwakke punten van elk; het definieert een manier om het fabriceren van aangepaste hemiwicking structuren van verschillende hoogten, vormen, oriëntaties en materialen op een macro-schaal en met potentieel hoog debiet. Verschillende wicking patronen kunnen snel worden gemaakt met het oog op de optimalisatie van wicking kenmerken, zoals directionele controle van de snelheid van de vloeistof, vermeerdering en mengen van verschillende vloeistoffen. Het gebruik van verschillende wicking structuren bieden ook verschillende dikte van de dunne-film en kromming profielen, die kunnen worden gebruikt om de koppeling tussen warmte en massaoverdracht systematisch te studeren met verschillende dikte en profielen van de kromming van de vloeistof meniscus.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Maak de patronen-kaart
- Met behulp van een grafische editor, maak het gewenste patroon voor de hemiwicking-structuren weergegeven als een bitmapafbeelding.
Opmerking: Sommige van de wicking ontwerpparameters (dat wil zeggen, hoek verloop, diepte verloop) kan naar worden gestreefd afhankelijk van de grijswaarden toegewezen aan elke pixel. Deze grijswaarden worden vervolgens bewerkt om te wijzigen de gewenste parameter. - Sla de bitmap als een draagbare netwerk afbeelding (.png) en plaats het bestand in een map beschikbaar.
2. het plaatsen van de Plastic worden geviseerd voor Molding
- Beginnen met het vertalen van het stempelen beetje uit de buurt van de werkruimte om te voorkomen dat per ongeluk contact die leiden breuk van de tip (+z ontheemd, Figuur 1 tot kan).
- Beveiligen van de plastic mal/wafer aan een plaat van de steun voor latere stempelen op de x, y vertaling fase stempelen (Zie Figuur 1). De plaat monster/steun beveiligen naar de x, y gemotoriseerde stempelen fase (Figuur 1)
- Het midden van de plastic mal/wafer met de stempelen as van het stempelen bit uitlijnen. Dit wordt bereikt via geautomatiseerd ±x en ±y verplaatsingen met de x, y gemotoriseerde stempelen fase.
- Vertalen van de stempelen bit naar de plastic mal/wafer (-z ontheemd, Figuur 1) totdat de stempelen bit bijna in contact met het oppervlak van de schimmel/wafer is.
3. stempelen het Plastic monster voor PDMS Molding
- Met behulp van het geautomatiseerde stempelen besturingsprogramma, stel de afstand tussen de stempelen bit (tip) en de plastic mal/wafer oppervlak.
- Vertalen van de stempelen bit in kleine stappen (-δz ontheemd, Figuur 1) naar de oppervlakte van het monster, totdat de tooling in contact met het plastic is.
Opmerking: De bits moet alleen licht contact met het oppervlak. - Na contact, vertalen het stempelen beetje uit de buurt van het monster, tot het vermijden van elke mogelijke contact tussen het bit en de voorbeeldwebpagina tijdens de daaropvolgende vertaling (δz ≈ 100 μm).
- Toewijzen van een pixel afstand (in micron), maximale en minimale holte diepte (in micron), maximale en minimale hoek (in graden), x en y pixel aanvangspositie van de patroon en pixel drempel voor elke grijstinten gekoppelde patronen voor het stempelen procedure.
- Het uploaden van de kaart van de patronen (gemaakt in stap 1.1) om te worden gelezen door het programma. Op basis van de afstand van de pixel en de kaart van de patronen, worden de locaties van alle de stempels doorgestuurd naar de stappenmotoren.
- Ervoor zorgen dat de verwarming laser is gericht op het puntje van de stempelen bit en alleen wordt geactiveerd terwijl de stempelen bit richting en in de plastic mal gaat.
- De holten maken door de bits in het plastic in te drukken terwijl de kaart van de patronen om het patroon van de gewenste hemiwicking.
- Verwijder de gestempelde plastic mal voor latere oppervlak overspuiten en polijsten.
- Het oppervlak van de plastic mal met behulp van 9000 grit, fijnere nat/droog schuurpapier lak.
Opmerking: Als alternatief, micro-mesh schurende kan worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de verwijdering van de oppervlakte deposito's die rond de pijlers in de mal PDMS cratering oorzaak.
4. Maak het PDMS Molding
- Giet 2 g van elastomeer basis en 0.2 g van de elastomeer uithardende agent in een bekerglas en meng grondig gedurende 3 minuten.
- Plaats het mengsel in een geëvacueerd kamer om vrij van alle luchtbellen gevangen in het mengsel; deze stap wellicht meerdere malen worden herhaald.
Opmerking: Voor voorbeelden van verschillende volume-eisen, aanpassen de hoeveelheid base en genezen agent nodig hebt terwijl het handhaven van een 10:1 verhouding. - Plaats de gestempelde plastic mal verpakkingsgasssen ommuurde, idealiter niet veel groter dan de buitendiameter van de schimmel, voor het genezen optreden.
- Giet het PDMS mengsel gratis luchtzakken op de gestempelde plastic en binnen de container. Giet in een spiraal, beginnend vanaf het midden van het gestempelde gebied, om te proberen te verspreiden het mengsel PDMS als even mogelijk.
- Herhaal stap 4.2 voor elke luchtzakken die kan hebben gevormd uit het gieten van het mengsel op de geperste patroon. Plaats het PDMS mengsel en plastic stuk met gestempelde patroon op een warm bord en verwarm de vergadering bij 100 ° C gedurende 15 minuten. Dan het verwarmen van een extra 25 min bij 65 ° C.
- Laat het mengsel PDMS cool en remedie voor 20 min vóór hun behandeling.
- Snij de randen van het PDMS plastic van de muur van de container en het PDMS plastic uit de mal te verwijderen. Bewaar het PDMS plastic in een overdekte container om te voorkomen dat stofdeeltjes van het verzamelen van op het oppervlak.
5. Neerlegging van de dunne-Film metaal op het PDMS
- Leg het monster PDMS binnen de depositie kamer voldoende ruimte voor de sluiter worden geopend en gesloten ongehinderd verlaten.
- Depressurize van de kamer van de depositie tot ten minste 10 mTorr.
- Betrekken van de droge pompsysteem en de spin-tarief ingesteld op 75 kRPM. Kamer te bereiken van een druk op de orde van 10-8 Torr toestaan.
Opmerking: Dit zal de meeste verontreinigingen verwijderd van de vergaderzaal; duurt tot 12u om te voltooien. - Macht op de koeler en DC power supply en stel de macht om 55 W.
- Open de klep van argon lichtjes en druk uitoefenen op de kamer tot 10-3 Torr. Stel de droge pomp systeem 50 kRPM en wacht totdat deze ingestelde snelheid is bereikt.
- Verminderen tot en met 35 W en depressurize de kamer 13 mTorr. Open de sluiter ontstoken plasma en de timer te starten.
Opmerking: Ontstoken plasma moet afgeven aan een blauwe, gloeiende gloed. Timer moet worden vastgesteld voor de gewenste dikte van film storting. Er is bepaald dat voor 35 W en druk van ongeveer 13 mTorr, een tarief van 7 nm afzetting per minuut wordt verwacht. - Zodra de gewenste laagdikte is bereikt, sluit de sluiter en uitschakelen van de voeding.
- Sluit alle van de kleppen in de vergaderzaal van de depositie en de droge pompsysteem uitschakelen. Tijd voor de fan van de droog-pomp om te komen tot een volledig einde te geven.
- Langzaam de kamer druk uitoefenen, totdat zij lokale luchtdruk tot en verwijder het monster, slaan voor toekomstige experimenten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 1 geeft een schematische voorstelling van hoe het stempelen mechanisme zou het maken van de mal voor de wicking structuren op een plastic mal. Voor het onderzoek naar de kwaliteit van het stempelen toestellen in het vervaardigen van wicking films, werden twee verschillende pijler matrices gecreëerd om de kwaliteit van de pijlers voor de toekomstige wicking experimenten te analyseren. Aspecten van het apparaat onderzocht werden de nauwkeurigheid van de ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Een methode is ingevoerd om te maken patroon pijler arrays voor hemiwicking structuren; Dit wordt bereikt door inprenting holtes op een plastic wafer met een gravure-apparaat dat patronen van een bitmap gemaakt door de gebruiker volgt. Een mengsel van PDMS is dan gegoten, genezen en bedekt met een dunne film van aluminium via afzetting. De kenmerken van de matrix pijler kunnen worden aangepast afhankelijk van de grijstinten waarde die is toegewezen in de bitmap volgens dit protocol. Dit cruciale aspect van patro...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen onthullingen aan met betrekking tot dit document vermeld.
Dankbetuigingen
Dit materiaal is gebaseerd op onderzoek gedeeltelijk gesponsord door de Amerikaanse Office of Naval Research onder Grant nr. N00014-15-1-2481 en de National Science Foundation onder Grant No. 1653396. De standpunten en conclusies hierin zijn die van de auteurs en moet niet worden geïnterpreteerd als noodzakelijkerwijs het officiële beleid of aantekeningen, hetzij expliciet of impliciet, van Amerikaanse Office of Naval Research, de National Science Foundation, of de regering van de Verenigde Staten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | De communicatie-interface tussen de camera en de schakelknop voor de laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | Een controller om te gebruiken voor de laser die de laser activeert op basis van de spanning die door de DAQ wordt verzonden. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | Een flea-camera die wordt gebruikt voor het maken van beelden van de boorkop op de kunststof mal. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | Een flea-camera die wordt gebruikt om de zijbeelden van de pilaren te verkrijgen. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | De stapmotoren worden gebruikt om de diepte en hoek van de frees te regelen. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | Het objectief dat wordt gebruikt om het beeld van de zijkant van de pilaren te verkrijgen. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | Het objectief dat wordt gebruikt om het beeld van de bovenkant van de pilaren te verkrijgen. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | De boorkop die werd gebruikt om gaten in de kunststof mal te maken. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Wordt gebruikt om de depositiesputter te voeden. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbopomp die wordt gebruikt om de druk in de depositiekamer te verminderen. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Monsterverwarmingslaser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS-dessiccator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | Het PDMS-kit dat wordt gebruikt om de basis te maken. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator vacuümpomp |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | De stapmotoren die worden gebruikt om de monsterschaal in de x- en y-richting te regelen. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | De achromat werd gebruikt om de beelden van de zijkant van de pilaren te verkrijgen. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | Een flea-camera die wordt gebruikt voor het maken van beelden van de bovenkant van de pilaren. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Wordt gebruikt voor het bewaken van de druk in de depositiekamer. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas dat wordt gebruikt in het depositieproces. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | Een translatie-platform dat wordt gebruikt om de camera te verplaatsen om op de frees te focussen. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | De laserbevestiging werd gebruikt om de camera te verplaatsen om op de frees te focussen. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | Een koelinstallatie die wordt gebruikt voor de depositie-eenheid. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | Een vacuümpomp die wordt gebruikt voor de depositie-eenheid. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | Een ventilator die wordt gebruikt voor het koelen van bepaalde aspecten van de depositie-eenheid. |
Referenties
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation - A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389(1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M. Jr, Wayner, P. C. Jr Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , Houston, TX. (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D. II, Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129(1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
