Schaalbare stempel drukken en fabricage van Hemiwicking oppervlakken
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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. |
References
- 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., Wayner, P. C. 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. , (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., 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).
