可缩放邮票印刷及不堪砌面的制作

为制造不同尺寸、形状和材料的半排汗结构提供了一个简单的协议。该协议采用物理冲压、pdms 成型和薄膜表面修改的组合, 通过常用的材料沉积技术。

半眨眼是一个过程, 流体湿的图案表面超出其正常的润湿长度, 由于毛细管作用和吸收的组合。这种润湿现象在从生理学到航天工程的许多技术领域都很重要。目前, 有几种不同的技术可以制造半排汗结构。但是, 这些传统方法通常非常耗时, 并且很难针对大面积进行扩展, 或者难以针对特定的非均匀图案几何进行自定义。该协议为研究人员提供了一种简单、可扩展且经济高效的方法, 用于制造微图案的半排汗表面。该方法通过邮票印刷、聚二甲基硅氧烷 (pdms) 成型和薄膜表面涂层的方法来制造吸水结构。该方案在 pdms 微柱阵列上涂覆了70纳米厚的铝薄膜, 并对其进行了偏斜抽吸。

最近, 人们越来越感兴趣能够主动和被动地控制液体的润湿、蒸发和混合。独特的纹理半湿滑表面为冷却技术提供了一种新的解决方案, 因为这些纹理表面起到流体 (和/或热) 泵的作用, 没有运动部件。这种流体运动是由与液体薄膜的动态曲率相关的毛细管作用事件的级联驱动的。一般来说, 当液体使固体表面变湿时, 弯曲的液体薄膜 (即液体半月板) 会迅速形成。流体厚度和曲率分布不断变化, 直到达到自由能量最小值。作为参考, 这种动态润湿剖面可以在只有几十微米的跨越 (流体润湿) 长尺度内迅速衰减到几十纳米的厚度。因此, 这个过渡 (液膜) 区域可以发生显著的变化, 液体界面曲率。过渡 (薄膜) 区域几乎是所有动态物理和化学的发源地。特别是过渡 (薄膜) 区域是最大 (1) 蒸发速率、(2) 分离压力梯度和 (3) 静压梯度的区域, 为^1,2。因此, 弯曲液膜在热输运、相分离、流体不稳定性和多组分流体混合中起着至关重要的作用。例如, 在传热方面, 在这个高度弯曲的过渡薄膜区域^{3、4、5、6、7}中观察到了最高的壁面热流。

最近的半注浆研究表明, 几何形状 (如高度、直径等) 和支柱的位置决定了流体在结构中的润湿前轮廓和速度⁸。当流体前部从阵列中最后一个结构的末端蒸发时, 流体前部保持在恒定的距离和曲率上, 因为蒸发的流体被储存在排裁结构^中的流体所取代。在热管和沸腾表面也采用了半湿结构来分析和增强不同的传热机制。^10,11,12岁

目前用于创建抽吸结构的一种方法是热压印¹³。这种方法是通过用热塑性聚合物邮票将所需的布局冲压到硅模具样品上的抵抗层, 然后取下邮票来保持微观结构。一旦去除, 样品通过反应离子蚀刻过程中取出任何多余的抵抗层^14,15。然而, 这个过程可以对排汗结构的制造温度敏感, 并包括多个步骤, 利用各种涂层, 以确保排汗结构的准确性 16.也存在着光刻技术对于宏观尺度模式的实用性;虽然它们仍然提供了一种在表面上创建微结构模式的方法, 但这一过程的吞吐量远远低于大规模复制的理想。考虑到大规模、可重复的纹理, 如自旋或浸渍涂层, 固有地缺乏可控的图案。这些方法在目标表面创建了一个随机的微结构阵列, 但可以缩放到比传统光刻技术大得多的区域¹⁷。

本报告概述的议定书试图结合传统纹理方法的优点, 同时消除每种方法的具体弱点;它定义了一种在宏观尺度上制造各种高度、形状、方向和材料的自定义半排义结构的方法, 并具有潜在的高吞吐量。为了优化排汗特性, 可以快速创建各种抽吸模式, 例如流体速度的定向控制、传播和不同流体的混合。不同的抽吸结构的使用还可以提供不同的薄膜厚度和曲率分布, 可用于系统地研究不同厚度和曲率分布的传热与传质之间的耦合半。

1. 创建图案地图

1. 使用图形编辑器, 为表示为位图图像的半排裁结构创建所需的模式。
   注: 某些排汗设计参数 (即角度渐变、深度渐变) 可以根据分配给每个像素的灰度值进行。然后编辑这些灰度值, 以修改所需的参数。
2. 将位图另存为便携式网络图形 (. png), 并将文件放在随时可用的文件夹中。

2. 放置塑料, 用于成型

1. 首先将冲压位从工作区中翻译出来, 以避免任何可能导致尖端损坏的意外接触 (+z位移,图 1)。
2. 将塑料冲压件固定在背板上, 以便随后在x, y翻译阶段进行冲压 (参见图 1)。将样品板固定在 x、y 机动冲压阶段 (图 1)
3. 将塑料模具晶片的中心与冲压钻头的冲压轴对齐。这是通过计算机±x和±位移与x, y机动冲压阶段完成的。
4. 将冲压钻头翻译到塑料模具晶片 (-z位移,图 1), 直到冲压钻头几乎与模具晶片表面接触。

3. pdms 成型用塑料样品的冲压

1. 采用计算机冲压控制程序, 设置冲压钻头 (尖端) 与塑料模具晶片表面之间的距离。
2. 将冲压钻头以较小的增量 (-z位移,图 1) 转换到样品表面, 直到工具与塑料接触。
   注: 钻头只能轻轻接触表面。
3. 接触后, 将冲压钻头从样品中翻译出来, 以避免在随后的翻译过程中钻头和样品之间的任何可能接触 (z 100μm)。
4. 为图案的任何灰度链接图案分配像素距离 (以微米为单位)、最大和最小空腔深度 (微米)、最大和最小角度 (度)、初始 x 和y像素位置以及像素阈值程序。
5. 上传要由程序读取的图案映射 (在步骤1.1 中创建)。根据像素距离和图案图, 所有邮票的位置都被发送到步进电机。
6. 确保加热激光聚焦在冲压钻头的尖端, 并且仅在冲压钻头向塑料模具移动和进入塑料模具时才会激活。
7. 通过将钻头压入塑料, 同时遵循图案贴图来实现所需的半排扣图案, 从而创建空腔。
8. 拆卸冲压塑料模具, 以便随后进行表面修补和抛光。
9. 使用9000砂砾, 更精细的润湿砂纸, 抛光塑料模具的表面。
   注: 此外, 微网磨料可用于确保去除在 pdms 模具中的支柱周围造成碎屑的表面沉积物。

4. 创建 pdms 成型

1. 将2克弹性体基座和0.2 克弹性体固化剂倒入烧杯, 充分混合在一起3分钟。
2. 将混合物放入排空室, 以释放混合物中的气泡;此步骤可能需要重复多次。
   注: 对于不同体积要求的样品, 请根据需要调整基剂和固化剂的用量, 同时保持10:1 的比例。
3. 将冲压塑料模具放入壁式容器中, 理想情况下不会大于模具的外径, 以便进行固化。
4. 将 pdms 混合物无气囊地倒在冲压塑料和容器内。从冲压区域的中心开始, 将 pdms 混合物循环成螺旋, 以尽可能平均的方式进行分配。
5. 对于将混合物浇注到冲压图案上可能形成的任何气囊, 重复步骤4.2。将 pdms 混合物和带有冲压图案的塑料件放在热板上, 并在100°c 下加热组件15分钟。然后在65°c 下再加热25分钟。
6. 在处理前, 让 pdms 混合物冷却并固化20分钟。
7. 将 pdms 塑料的边缘从容器壁上剪掉, 并从模具中取出 pdms 塑料。将 pdms 塑料存放在有盖的容器中, 以避免灰尘颗粒在表面收集。

5. 将薄膜金属沉积在 pdms 上

1. 将样品 pdms 放置在沉积室内, 留下足够的空间, 使快门能够不受阻碍地打开和关闭。
2. 将沉积室降低到至少 10 mtorr。
3. 参与干泵系统, 并将旋转速率设置为 75 krpm。允许腔达到^10-8 torr 的压力。
   注: 这将去除室内的大部分污染物;过程可能需要长达12小时才能完成。
4. 打开冷却器和直流电源, 并将电源设置为 55 w。
5. 稍微打开氩阀, 并将腔向 10-3 torr 的压力 。设置干泵系统 50 krpm, 并等待, 直到达到这个设置的速度。
6. 将功率降低到 35 w, 并将腔内的减压降低至 13 mtorr。打开快门点燃等离子体并启动计时器。
   注: 点火等离子体应发出蓝色的白炽灯。应设置所需厚度的薄膜沉积的定时器。已经确定, 35 w 和压力约为 13 mtorr, 预计每分钟沉积7纳米。
7. 达到所需的薄膜厚度后, 关闭快门并关闭电源。
8. 关闭沉积腔内的所有阀门, 关闭干泵系统。让干燥泵风扇有时间完全停止。
9. 慢慢加压室, 直到它达到当地的大气压力, 并删除样品, 将其存储在未来的实验。

图 1提供了冲压机构如何为塑料模具上的排汗结构创建模具的示意图。为了研究抽吸薄膜中冲压设备的质量, 建立了两种不同的柱阵, 对今后抽吸实验中的柱体质量进行了分析。所调查的仪器的各个方面是柱高度的准确性 (有深度梯度和没有深度梯度)、pdms 成型后柱子的质量、溅射沉积过程后柱子的质量以及结构, 以创建半排汗。为此, 创建了两个抽吸模式变体, 一个显示深度渐变, 另一个显示均匀深度。

图 2a显示了用于创建深度和角度渐变的位图。可以看出, 每个柱柱都被分配了一个不同的灰度值, 从0到95不等。这样做是为了使每个柱柱具有不同的深度。图 2b和2b 显示了成型过程创建的 pdms 上的支柱。这证明了灰度值的使用会影响塑料成型的深度, 从而影响 pdms 样品上支柱的高度。表1概述了深度渐变中的数据, 并显示了冲压图案中预期高度的百分比。这些数据是根据图 2所示的50个支柱或一个完整阵列的测量结果收集的。根据以下公式计算了具有给定灰度值的柱的预期高度:

(2)

其中h_exp 是预期的高度, h_最大值是用户定义的最大高度, h_min 是用户定义的最小高度, pt 是用户定义的像素阈值, gsv 是灰度价值。可以看出, 对于为零 (即黑色) 的灰度值, 预期高度将是最大高度, 而灰度值等于像素阈值, 则预期高度将是最小高度。

图 3a显示了用于创建具有恒定支柱高度的较大的排裁结构数组的位图文件。每个黑色像素表示一个空腔位置, 在程序中通过像素距离定义的冲压实例之间的距离。与图1a 不同的是, 这种二进制方法创建了一个统一的角度和支柱高度数组。图 3b和3b 分别提供了支柱的顶部和侧面视图。可以看出, 尽管有一个统一高度的支柱规格, 该工艺产生的尺寸不足的支柱。虽然最大高度设置为 100μm, 但根据38个柱子, 发现柱子的平均高度约为71.89±10.18 微米。这可以归因于在制造洞的过程中, 可能会发现不完美, 也可以归因于可能形成并留在洞里的气囊。

图 4显示了在 pdms 样品中沉积铝后柱的四个单独图像。图 4a和4a 分别显示了柱子的侧面和顶部视图, 在排汗结构中没有工作流体。与 pdms 样本所显示的类似, 所有支柱的样本高度并不一致。表 2比较并显示了 pdms 和 al 样品的高度和标准偏差。这些数据是在 pdms 上的铝沉积前后测量柱子 (n = 38) 后收集的。显著的表面粗糙度也存在;据认为, 样品板上使用的砂光程序转移到 pdms 样品中, 并反映在铝膜表面。粗糙度也有可能完全归因于沉积过程。

图 4c和4c 分别显示了柱的侧面和顶部视图, 在排汗结构中具有工作流体。本例中使用的工作液是乙醇。然而, 水并不表现出与乙醇与此样品相同的半排汗现象。这种现象可归因于以下 (或组合): 1) 非理想表面纹理, 2) 残留表面粗糙度 (如图 4b所示), 3) 铝涂层中的杂质, 4) 原生氧化铝层太薄。说到这里, 乙醇之所以能够变淡, 是因为铝表面形成的氧化铝的冻干性。尽管二氧化铝是亲水的, 但它并不表现出亲水性的特性, 禁止水的欺骗。对 pdms 抽吸结构使用化学表面处理是另一种可以用来改变样品亲水性的方法----例如, 湿化学处理可用于创建亲水自组装单层 (sam)¹⁸.尽管有这些不完善之处, 这证明, 通过所述程序创建的排汗结构能够为工作流体创建半排汗。

图 1: 用于制造微图案塑料模具的冲压钻头装置的原理图.塑料模具沿x轴和y轴的运动由两个计算机控制的步进电机 (每个方向一个) 决定。同样, 冲压钻头的冲压角度和冲压深度 (z) 由两个独立的、计算机控制的步进电机控制。当钻头在塑料模具中创建冲压腔时, 计算机控制的加热激光器被激活。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2: 深度梯度柱阵图和 pdms 基座.(a)用于制造 "深度梯度" 微柱阵列的位图。对于印迹, 像素阈值设置为 100, 最大深度设置为 100μm, 最小深度设置为 25μm, 每个像素设置为100μm 的距离。根据这些值, 每行间隔为 100μm, 而两根柱子之间的距离在一行内为200微米。每个像素的灰度值决定了冲压钻头进入塑料模具的距离。因此, 随着位图中灰度值的增加, 柱的高度会降低。提供了具有相应灰度值的柱的预期高度。(b)从位图左下角的蓝色框区域为 pdms 基地提供1至5柱的图像。(c) pdms 基座的支柱柱5至10的图像, 来自位图右下角的红色框。(b)和(c)的图像像素距离为0.335 微米/像素。请点击这里查看此图的较大版本.

图 3: 用于抽血结构的模式和 pdms 基座.(a)用于创建矩形排汗结构的位图。深度设置为 100μm, 每个像素设置为表示100μm 的距离。由于此位图中的所有灰度值都相同, 因此所有支柱高度都应相同。此外, 与图 2中的模式类似, 每一行被隔开 100μm, 而两根柱子之间的距离在一行中是200微米。(b)使用(a)中的位图的塑料模具铸造的 pdms 排汗结构柱的顶部视图。图像分辨率为0.176μm/像素。(c)使用基于 (a)中的位图的塑料模具铸造的 pdms 排汗结构柱的侧面视图。与图 2中显示的排汗结构不同, 排汗结构中的柱高度在高度上更加一致。图像分辨率为0.723μm/像素。请点击这里查看此图的较大版本.

图 4: 铝沉积后的抽吸结构, 有和没有偏血.(a)图3中在没有乙醇的铝沉积后创建的湿柱的侧面视图。pdms 顶部的铝厚度约为70微米。(b)图3中在没有乙醇的铝沉积后创建的湿柱的顶部视图。(c)图3中在铝沉积后在结构中用乙醇排干的柱子的侧面视图 (乙醇大多可以沿着聚焦柱的底部看到)。(d)图3中在结构中用乙醇排汗沉积后产生的湿柱的顶部视图。对于 (a)和(c), 图像分辨率为 0.723μm/pic, 对于(b)和(d), 图像分辨率为0.176μm/pic。请点击这里查看此图的较大版本.

表 1: 深度梯度图案的所有柱柱的预期和测量高度。

表 2: pdms 与铝沉积柱高度比较。

介绍了一种用于半抽吸结构的图案柱阵的方法;这是通过在塑料晶片上留下凹槽, 并带有雕刻装置, 该雕刻装置遵循用户创建的位图图案来实现。然后, pdms 混合物通过沉积进行浇注、固化和涂覆一层铝薄膜。可以根据此协议下的位图中分配的灰度值自定义支柱数组特征。图案的这一关键方面可以创建广泛的可能的排汗结构来测试, 可用于各种应用, 包括薄膜研究和热系统的直接应用。代表性结果中没有提到的另一个变化领域是可以在阵列中实现的角度梯度。与深度渐变类似, 更改不同像素的灰度值可以改变钻头的角度 (,图 1)。

另一个应该注意的重大步骤是创建 pdms 基础。在排汗结构中, 柱子高度和柱子上和周围的畸形的差异是常见的。用微网或磨料浆料对表面进行表面处理有助于创建对称样品, 甚至 pdms 厚度。此外, 疏散和热处理过程的设计是同时进行的, 因为加热元件被纳入模具本身。这有效地限制了用户在固化阶段的处理和任何相关的违规行为, 以及空气中的污染 (即灰尘颗粒)。这些注意事项将在将来的示例中实现。

材料沉积到 pdms 基座上是另一个重要步骤, 必须针对每个实验进行定制。协议中提到的条件是铝特有的, 因此, 必须随着沉积材料的变化而改变。如果需要使用另一种金属, 则应改变功率输出、室压力和溅射时间的变化, 以便为所需的沉积材料获得理想的表面条件。对于未来的样品, 将沉积不同表面能量 (即金、) 的金属, 以测试其各自的排汗能力。在将来沉积不同金属时, 必须更新协议, 以便将所需的金属正确地存放在 pdms 上。

在制造半排结构的过程中, 所介绍的最大问题是样品的表面粗糙度。可以看出 pdms 模具 (图 3b) 和铝表面 (图 3b, 3b) 上存在表面缺陷;这可能是由打磨过程或金属沉积过程造成的。表面缺陷被认为是有问题的, 因为表面缺陷会影响工作流体的排气速度和前距离。理想的实验将有一个光滑的表面上和之间的支柱, 所以流体能够流动通过排汗结构不受表面条件的阻碍。建议的解决方案是使用更高级 (即更精细的砂粒) 磨料在沉积前对塑料晶片进行打磨, 以及更长的打磨时间。如表 1和表2所示, 根据给步进电机的数值, 支柱高度不是按预期制造的。这可能是由于钻头在塑料中印迹时, 样品沿冲压轴偏转造成的。这个问题可以通过增加钻头进入塑料的距离来解决;然而, 这可能会与柱高度和柱基直径不一致, 以便将来进行实验。必须制定方法, 以限制样品体验的偏转量, 例如提高尖端的温度以限制塑料的电阻, 或以不同的方式固定样品。

虽然在精炼冲压工艺方面仍然存在挑战, 但所概述的方法对于创建可比较几何形状的有序阵列是有效的。用于创建半抽吸结构或任何微图案表面特征的方法表明, 可以以低于当代方法的低成本和更快的速度迅速生产样品, 供其他实验室或研究公司以后加工。这些偏风结构可以很容易地制造, 以复制最佳的薄膜曲率和抽吸前速度。将使用高速摄像机测量排汗前速度, 分析流体前部从柱向柱移动的情况。同时, 厚度和曲率轮廓可以获得使用反射测量和干涉测量的方法, 已经证明了在以往的实验边缘支柱 6.尽管不同流体和表面的表面能量不同, 但抽吸结构的自我调节特性将有助于保持一个恒定的薄膜区域进行分析。通过这种方法, 可以快速制作抽吸结构变型, 以了解抽吸几何对不同流体的薄膜区域和抽吸前部的影响。

作者没有关于本文件的披露。

这些材料是根据美国海军研究办公室根据第1号批准部分赞助的研究编写的。n00014-15-1-2481 和国家科学基金会根据1653396号赠款。本文所包含的观点和结论是作者的观点和结论, 不应解释为必然代表官方政策或美国海军研究办公室、国家科学基金会或美国政府。