Ölçeklenebilir pul baskı ve Hemiwicking yüzeyler imalatı
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 y?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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).
