Basit bir protokol hemiwicking yapılarının farklı boyut, şekil ve malzemeleri imalat için sağlanır. Protokol fiziksel damgalama, kalıplama PDMS ve ince film yüzey modifikasyonlar ile ortak malzeme ifade teknikleri bir arada kullanır.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Ölçeklenebilir pul baskı ve Hemiwicking yüzeyler imalatı
Bu makalede
Özet
Özet
Hemiwicking nerede bir sıvı desenli yüzey ötesinde normal ıslatma uzunluğu nedeniyle kılcal eylem ve imbibition bir arada ıslatıyor bir süreçtir. Bu ıslatma birçok teknik alanlar Fizyoloji Havacılık ve uzay mühendisliği için arasında değişen önemli bir olgudur. Şu anda, birkaç farklı teknikler hemiwicking yapıların imalatı için mevcut. Bu geleneksel yöntemler, ancak, çoğu kez zaman alıcı ve ölçek-up geniş alanlar için zor olan veya belirli, nonhomogeneous desenlendirme geometrileri için özelleştirmek zordur. Sunulan protokolü ile basit, ölçeklenebilir, araştırmacılar ve hemiwicking mikro-desenli yüzeyler imalatı için uygun maliyetli yöntemi sağlar. Yöntem esneklik yapıları aracılığıyla pul baskı, kalıp polydimethylsiloxane (PDMS) ve ince film yüzey kaplama fabricates. Protokol için hemiwicking bir 70 nm kalın alüminyum ince film ile kaplı PDMS micropillar diziler üzerinde etanol ile gösterilmiştir.
Giriş
Son zamanlarda artan ilgi hem aktif hem de pasif ıslatma, buharlaşma, kontrol edebilmesi ve sıvıları karıştırma olmuştur. Benzersiz olarak dokulu hemiwicking yüzeyler bu dokulu yüzeyler olarak sıvı (ve/veya ısı) Pompa hareketli parçalar olmadan hareket çünkü teknikleri soğutma için yeni bir çözüm sunar. Bu sıvı hareket sıvı ince film dinamik eğimi ile ilişkili eylem kılcal olaylar bir çağlayan tarafından tahrik edilmektedir. Ne zaman bir sıvı katı bir yüzeye ıslatıyor, genel olarak, bir eğri sıvı ince film (Yani, sıvı menisküs) hızlı bir şekilde oluşturur. Ücretsiz-enerji en az ulaşılana kadar sıvı kalınlığı ve eğrilik profil gelişmeye. Başvuru için bu dinamik ıslatma profil onlarca nanometre kalınlığında bir yayma (sıvı-ıslatma) uzunluğu-ölçek mikrometre tek onlarca içinde çürüme hızlı. Böylece, bu geçiş (sıvı-film) bölgedeki sıvı arayüzü eğriliği önemli değişikliklere tabi olabilir. Geçiş (ince film) hemen hemen tüm dinamik fizik ve kimya kaynaklandığı bölgedir. Özellikle, geçiş (ince film) bölgedeki en fazla (1) buharlaşma oranlarını, (2) dis katılmadan basınç gradyanları ve (3) hidrostatik basınç gradyan bir1,2bulunduğu yer. Sonuç olarak, eğri sıvı filimler termal ulaşım, faz ayrımı, sıvı bazı ve çok bileşenli sıvıları karıştırma hayati bir rol oynamaktadır. Örneğin, ısı transferi ile ilgili olarak, bu son derece eğimli, geçiş ince film bölge3,4,5,6,7' en yüksek duvar ısı Cerayanlar gözlenmiştir.
Son hemiwicking çalışmalar geometri (Örneğin, yükseklik, çapı, vb) ve sütun yerleşimini ıslatma açık profil ve hız yapıları8' den çalışan sıvı belirleyin göstermiştir. Sıvı açık bir dizideki son yapısı sonu kapalı buharlaştırma gibi sıvı ön buharlaştırılmış sıvı wicking yapıları9' depolanan sıvı tarafından yerine gibi bir sabit mesafe ve eğrilik, korunur. Hemiwicking yapıları da ısı boruları ve kaynar yüzeylerde analiz ve farklı ısı aktarım mekanizmaları geliştirmek için kullanılmıştır. 10 , 11 , 12.
Şu anda esneklik yapıları oluşturmak için kullanılan bir yöntem termal baskı litografi13yaşında. Bu yöntem istenen düzeni resist katmanına bir silikon kalıp örneğe bir termoplastik polimer damga ile damgalama sonra microstructures korumak için pul kaldırma gerçekleştirilir. Bir kez kaldırıldı, örnek bir reaktif iyon aşırı resist katman14,15hiçbirini kaldırmak için işlem aşındırma alınır. Bu işlem, ancak, wicking yapıların imalatı sıcaklığa duyarlı olabilir ve wicking yapıları16doğruluğunu sağlamak için çeşitli kaplamalar yararlanmak birden çok adımı içerir. Aynı zamanda litografi teknikleri için makro-ölçek biçimlenme pratik olmayan durumdur; Onlar hala bir yüzeye microstructures bir model oluşturmak için bir yol sağlar iken, bu yordamı throughput çok az büyük ölçekli üreme için idealdir. Büyük ölçekli, tekrarlanabilir, spin veya daldırma kaplama gibi tekstüre göz önüne alındığında kontrol edilebilir desenlendirme doğal bir eksikliği var. Bu yöntemler microstructures rasgele bir dizi hedef yüzeyinde oluşturmak ama geleneksel litografi teknikleri17daha büyük ölçüde geniş alanları kapsayacak şekilde ölçeklendirilebilir.
Bu raporda belirtilen iletişim kuralı aynı anda her belirli zayıf ayrıcılıklarına olan geleneksel tekstüre yöntemleri güçlerini birleştirmek çalışır; Özel hemiwicking yapıları çeşitli yükseklikleri, şekiller, yönelimleri ve malzemelerin bir makro ölçekte ve potansiyel olarak yüksek işlem hacmi ile imal için bir yol tanımlar. Çeşitli wicking desenler akışkan hızı, yayma ve farklı sıvıları karıştırma yön kontrolü gibi özellikleri esneklik en iyileştirme amacıyla hızlı bir şekilde oluşturulabilir. Farklı esneklik yapıların kullanımını da değişen ince film kalınlığı ve sistematik olarak ısı ve kütle transferi arasında bağlantı farklı kalınlık ile çalışmak için kullanılan eğriliği profilleri ve eğrilik profilleri sıvı sağlayabilir Menisküs.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
1. desenlendirme harita oluşturma
- Bir grafik editörü kullanarak, bir bitmap görüntüsü olarak temsil hemiwicking yapıları için gerekli kalıbı oluşturmak.
Not: Bazı wicking tasarım parametreleri (Yani, açılı degrade, degrade derinlik) her piksel için atanan gri ton değerleri bağımlı olmak yapılabilir. Bu gri tonlama değerleri daha sonra istenen parametre değiştirmek için düzenlenmiş bulunmaktadır. - Bit eşlem bir taşınabilir ağ grafiği (.png) kaydedin ve dosyayı kullanıma hazır bir klasörüne yerleştirin.
2. Plastik kalıplama için damgalanması yerleştirme
- Damgalama bit uzak ucu (+z deplasman, Şekil 1) kırılması neden olabilir herhangi bir kaza sonucu temasını engellemek için çalışma alanı çevirerek başlar.
- Plastik kalıp/gofret sonraki x, y çeviri sahne damgalama için bir destek plakasına damgalama güvenli (bkz. Şekil 1). Örnek/destek kalenin güvenliğini sağlamak için x, y motorlu damgalama sahne (Şekil 1)
- Plastik kalıp/gofret orta damgalama bit damgalama ekseni ile hizalayın. Bilgisayarlı başarılı üzerinden ±x ve ±y talebiyle motorlu x, y damgalama sahne bu.
- Damgalama bit plastik kalıp/gofret doğru çevirmek (-z deplasman, Şekil 1) damgalama bit neredeyse kalıp/gofret yüzeyi ile temas kadar.
3. plastik örnek için PDMS kalıp damgalama
- Bilgisayarlı damgalama denetleme programı kullanarak, damgalama bit (tıp) ve plastik kalıp/gofret yüzey arasındaki mesafeyi ayarlayın.
- Küçük artışlarla damgalama bit çevirmek (-δz deplasman, Şekil 1) takım ile temas plastik olana örnek yüzeyine doğru.
Not: Sadece hafifçe temas yüzeyi bit gerekir. - Temas ettikten sonra damgalama bit bit ve örnek arasında olası herhangi bir temas sırasında sonraki çeviri (δz ≈ 100 mikron) önlemek için örnek uzak çevirmek.
- Ata bir piksel uzaklık (olarak mikron), maksimum ve minimum kavite derinlemesine (mikron), maksimum ve minimum açısı (derece), başlangıçtaki x ve y piksel konumunu desen ve damgalama için herhangi bir gri tonlama bağlantılı desenlendirme için piksel eşik yordam.
- Program tarafından okunacak (1.1. adımda oluşturduğunuz) desenlendirme harita yükleyin. Piksel uzaklık ve desenlendirme harita bağlı olarak, tüm pulları yerlerini Step motorlar için gönderilir.
- Isıtma lazer damgalama bit ucunu üzerine odaklanmıştır ve damgalama bit doğru ve plastik kalıp içine hareketli iken sadece etkinleştirir emin olun.
- Çürük plastik bit basarak desenlendirme harita istenen hemiwicking desen elde etmek için aşağıdaki sırada oluşturun.
- Damgalı plastik kalıp refinishing ve parlatma sonraki yüzey için kaldırın.
- 9000 kum, ince Islak/Kuru zımpara kullanarak plastik kalıp yüzeyine Lehçe.
Not: Alternatif olarak, mikro gözenekli aşındırıcı PDMS kalıp ayağı etrafında o neden yüzeysel yüzey mevduat kaldırılmasını sağlamak için kullanılabilir.
4. PDMS kalıp oluşturma
- Elastomer temel 2 g ve elastomer kür aracının 0.2 g bir kabı dökün ve mix birlikte iyice 3 dakikadır.
- Karışımı yakaladı herhangi bir hava kabarcıkları serbest bırakmak için bir tahliye odası karışımı yerleştirin; Bu adımı birden çok kez tekrarlanması gerekebilir.
Not: hacim gereksinimleri değişen örnekleri için bir 10:1 oranını koruyarak gerektiği gibi temel ve kür Ajan miktarını belirleyin. - Damgalı plastik kalıp duvarlı bir konteyner içine, gerçekleşmesi için ideal değil çok daha büyük kür için kalıp, dış çapı yerleştirin.
- Ücretsiz hava cepleri damgalı plastik üzerine ve kapsayıcı içindeki PDMS karışımı dökün. PDMS karışımı mümkün olduğunca eşit dağıtmak girişimi için damgalı alanının başlayarak bir sarmal içinde dökün.
- Karışım damgalı desen üzerine dökülen oluşmuş herhangi bir hava cepleri için 4.2 arasındaki adımları yineleyin. PDMS karışımı ve sıcak bir tabak üzerine damgalı desenli plastik parça yerleştirin ve derleme 15dk için 100 ° C'de ısı. Sonra bir ek 25 dk 65 ° C'de ısı
- Serin ve 20 dk önce işleme için tedavi için PDMS karışım izin verin.
- Konteyner duvardan uzak PDMS plastik kenarları kesilmiş ve PDMS plastik kalıp kaldırın. PDMS plastik yüzeyde toplanıyor toz parçacıklarının önlemek için kapalı bir kap içinde saklayın.
5. İnce Film Metal üzerinde PDMS yatırma
- Örnek PDMS açık ve kapalı çekim için yeterli alan engelsiz bırakarak ifade odası yerleştirin.
- En az 10 mTorr ifade odasına vakuma.
- Kuru pompa sistemi meşgul ve spin hızı 75 kRPM için ayarlayın. Odası 10-8 Torr sırasına bir basınç ulaşmak izin.
Not: Bu odasından en kirletici kaldırır; oluşum-ebilmek almak en fazla 12 saat tamamlamak için. - Soğutucu gücüyle ve DC güç kaynağı ve güç 55 W. ayarla
- Argon Vana biraz açıp da basınç odası 10-3 Torr sıradadır. Kuru pompa sistemi 50 kRPM ayarla ve bu hızını elde kadar bekleyin.
- 35 W güç azaltmak ve 13 mTorr odasına vakuma. Çekim için başlamış oldu plazma açın ve sayacı başlatmak.
Not: Bir mavi, akkor ışık başlamış oldu plazma vermelidir. Zamanlayıcı film mevduat istenilen kalınlık için ayarlamanız gerekir. 35 W ve yaklaşık 13 mTorr baskısı için hızı dakikada 7 nm yükünün bekleniyor tespit edilmiştir. - Bir kez elde istenen film kalınlığı, panjurları kapa ve güç kaynağını.
- Tüm biriktirme odası içinde vanaları kapatın ve kuru pompa etmeyi kapat. Tam bir Dur için kuru pompa fan için bekleyin.
- Yavaş yavaş yerel atmosferik basınç ulaşıncaya kadar odası baskı yapmak ve gelecekteki deneyler için depolama örnek kaldırın.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
Şekil 1 nasıl damgalama mekanizması üzerinde plastik kalıp kalıp wicking yapıları için yaratacak bir şematik sağlar. Esneklik filmleri imalat damgalama aparatı kalitesini araştırmak için iki farklı sütun dizi gelecekteki esneklik deneyler için sütunlar kalitesini analiz etmek için yaratılmıştır. Soruşturma aparatı yönleri vardı ayağı (ve bir derinlik degrade olmadan), ayağı PDMS kalıplama sonra kalitesini, sputter ifade işleme sonra sütunlar kalitesini ve yet...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bir yöntem hemiwicking yapıları için desenli ayağı diziler oluşturmak üzere ortaya konan; Bu çürük plastik bir gofret desenlendirme Kullanıcı tarafından oluşturulan bit eşlem izler bir oyma aparat üzerinde basma tarafından gerçekleştirilir. PDMS karışımı sonra dökülür, tedavi ve alüminyum birikimi ile ince bir film ile kaplı. Ayağı dizi özellikleri bu protokol sonrası biteşleminde, atanan gri tonlama değerine bağlı olarak özelleştirilebilir. Desenlendirme çok önemli bu yönünü kullanılabilecek çok çeşitli yapılar...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarlar bu kağıt için söz yok açıklamalar var.
Teşekkürler
Bu malzeme araştırma ABD Office deniz araştırma hibe No altında kısmen sponsorluğunda dayanır N00014-15-1-2481 ve Ulusal Bilim Vakfı Hibe No 1653396 altında. Sayısı ve burada yer alan sonuçlar yazarlar ve mutlaka resmi ilkeleri veya onay, ifade veya ima, ABD Office, deniz araştırma, Ulusal Bilim Vakfı temsil olarak yorumlanmalıdır değil veya Birleşik Devletler hükümeti.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| NI-DAQ 9403 | Ulusal Aletler | 370466AE-01 | Kamera ile lazer için kontrol anahtarı arasındaki iletişim arayüzü. |
| Kontrol Anahtarı | Crouzet | GN84134750 | DAQ tarafından gönderilen voltaja dayalı olarak lazeri etkinleştiren lazer için kullanılacak bir kontrolör. |
| Pire Kamerası | FLIR FL3-U3-120S3C-C | Plastik kalıp üzerindeki matkap ucunu görüntülemek için kullanılan bir pire kamerası. | |
| Pire Görüntüleme Kamerası | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | Sütunların yan görüntülerini elde etmek için kullanılan bir pire kamerası. |
| 200 Adım/devir, 12V-350mA Step Motor (x2) | AdaFruit | 324 | Step motorlar, parmak frezenin derinliğini ve açısını kontrol etmek için kullanılır. |
| 10x Infinity Düzeltilmiş Uzun Çalışma Mesafesi Objektif | Mitutoyo | # 46-144 | Sütunların yan tarafının görüntüsünü elde etmek için kullanılan amaç. |
| 15x Sonsuz Eşlenik, UV Kaplı, ReflX Objektif | TechSpec | #58-417 | Sütunların tepesinin görüntüsünü elde etmek için kullanılan objektif. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Karbür SQ 2FL Minyatür Parmak Freze | Harvey Araçları | 72002 | Plastik kalıpta delikler oluşturmak için kullanılan matkap ucu. |
| 1 kW'ta DC Güç Dağıtımı | Gelişmiş Enerji | MDX-1K | Biriktirme püskürtücüsüne güç sağlamak için kullanılır. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pompa | Varian | 9699336 | Turbo Pompa, biriktirme odası içindeki basıncı azaltmak için kullanılır. |
| 2000mw, 405nm Yüksek Güçlü Mavi Işık Odaklı Lazer | WDLasers | KREE | Numune Isıtma Lazeri |
| 5.875 "ID Kurutucu, 0.25" Tüp Bağlantıları | ile McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Kurutucu |
| SYLGARD 184 Silikon Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | Tabanı yapmak için kullanılan PDMS Kiti. |
| Diyaframlı Hava Kompresörü / Vakum Pompası | Gast | DOL-701-AA | Kurutucu Vakum Pompası |
| Motorlu Lineer Kademeler (2x) | Standa | 8MT175 | Numune plakasını x ve y yönünde kontrol etmek için kullanılan step motorlar. |
| 2" Çaplı Monte Edilmemiş Poistive Akromatik Çiftler, AR Kaplamalı: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | Akromat, sütunların yan taraflarının görüntülerini elde etmek için kullanıldı. |
| Pire 3 Mono Kamera, 2448 X 2048 Piksel Nokta | Gri | FL3-GE-50S5M-C | Sütunların üst kısmını taklit etmek için kullanılan bir pire kamerası. |
| Dijital Vakum Dönüştürücü | Thyrcont Vakum Aletleri | 4940-CF-212734 | Biriktirme odası içindeki basıncı izlemek için kullanılır. |
| Basınçlı Argon Tankı Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gazı. |
| 1-D Çeviri Aşaması | Newport Corporation | TSX-1D | Parmak frezeye odaklanmak için kamerayı hareket ettirmek için kullanılan bir çeviri aşaması. |
| Silindirik Lazer Montaj Aparatı (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | Lazer montajı, parmak frezeye odaklanmak için kamerayı hareket ettirmek için kullanıldı. |
| Santrifüj Pompalı Tezgah Üstü Soğutucu, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | Biriktirme tertibatı için kullanılan bir soğutucu. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Patlamaya Dayanıklı Motor, Döner Kanatlı Vakum Pompası, 1 Fazlı | İdeal Vakum Ürünleri | 210SDMLAM-XP | Biriktirme tertibatı için kullanılan bir vakum pompası. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | Biriktirme tertibatının belirli yönlerini soğutmak için kullanılan bir fan. |
Kaynaklar
- 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).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
