Metrological Characterization of Microchannels Obtained by Different Fabrication Methods

Abstract

Advances in microfabrication technologies have enabled the production of high precision, low cost and high performance micro systems. Microchannels are widely used in microfluidic and nanofluidic applications, such as microelectromechanical, chemical and biological devices, as one of the basic components of micro systems. Various microfabrication methods have been developed depending on the material of microchannels, dimensional accuracy, surface structure, desired mechanical and thermal properties. In general, it can be said that these production methods are based on precision mechanical manufacturing, silicon-based fabrication and polymer processing technologies. However, in order to achieve the desired precision and quality in micro-scale productions, it is necessary to make some changes in these manufacturing techniques. It is not possible to obtain products with the desired properties in both macro and micro scale by using the same process in most fabrication methods. In this study, the size and surface characteristics of microchannel heat sinks obtained with different manufacturing techniques for use in heat transfer and flow process were compared. Microchannel heat sinks are manufactured using lithography, precision mechanical processing, laser-based production methods, electro-erosion processing methods. Metrological characterization of the microchannels obtained were made with an optical microscope and an optical profilometer. The microfabrication methods used have been evaluated in terms of achieving the same production tolerance for each microchannel, having micro-channels rectangular profile, radius formation at the microchannel base, controlling the surface roughness value and having a homogeneous roughness distribution of the surface. It has been observed that the method that best meets these criteria is microchannel heat sinks manufactured by sinking electro-erosion technique.

Keywords

• Microfabrication methods
• microchannel
• surface characterization

Farklı İmalat Yöntemleri İle Elde Edilen Mikrokanalların Metrolojik Karakterizasyonu

Abstract

Mikro imalat teknolojilerindeki gelişmeler yüksek hassasiyetli, düşük maliyetli ve yüksek performansa sahip mikro sistemlerin imalatın olanaklı hale getirmiştir. Mikrokanallar, mikro sistemlerin temel bileşenlerinden biri olarak mikroelektromekanik, kimyasal ve biyolojik cihazlar gibi mikro ve nano akışkan uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikrokanalların malzemesine, boyutsal imalat hassasiyetine, yüzey yapısına, istenen mekanik ve termal özelliklerine bağlı olarak çeşitli mikro imalat yöntemleri geliştirilmiştir. Genel olarak, bu imalat yöntemlerinin hassas mekanik imalat, silikon temelli imalat ve polimer işleme teknolojilerine dayandığı söylenebilir. Ancak, mikro ölçekli imalatlarda istenen hassasiyet ve kaliteye ulaşabilmek için bu imalat tekniklerinde birtakım değişiklikler yapmak gerekir. Çoğu imalat yönteminde aynı prosesi kullanarak hem makro hem de mikro ölçekte istenen özelliklerde ürün elde etmek mümkün değildir. Bu çalışmada, farklı ısı transferi ve akış prosesinde kullanılmak üzere farklı imalat metotları ile elde edilen mikrokanallı ısı alıcıların boyut ve yüzey karakteristikleri karşılaştırılmıştır. Mikrokanallı ısı alıcılar, litografi, hassas mekanik işleme, lazer tabanlı imalat yöntemleri, elektroerozyonla işleme yöntemleri kullanılarak üretilmişlerdir. Elde edilen mikrokanalların metrolojik işlemleri optik mikroskop ve optik profilometre ile yapılmıştır. İmalat yöntemleri, her bir mikrokanal için aynı imalat toleransının yakalanabilmesi, mikrokanalların dikdörtgen kesitli profile sahip olması, mikrokanal tabanında radyüs oluşumu, yüzey pürüzlülük değerinin kontrol edilebilmesi ve yüzeyin homojen bir pürüzlülük dağılımına sahip olması açısından değerlendirilmiştir. Bu kriterleri en iyi sağlayan yöntemin dalma elektroerozyonla üretilen mikrokanallı ısı alıcılar olduğu görülmüştür.

Keywords

• Mikro imalat yöntemleri
• mikrokanal
• yüzey karakterizasyonu

References

1. Anonim, 2003. Wet-Chemical Etching and Cleaning of Silicon. Virginia Semiconductor, Web sitesi: https://www.virginiasemi.com/?cont_uid=54, Erişim Tarihi: 03.10.2020.
2. Bhushan B, 2001. Surface Roughness Analysis and Measurement Techniques. In: Modern Tribology Handbook, Bhushan B. (eds), CRC Press, 1, 49-119, USA.
3. Campbell SE, 2008. Fabrication Engineering at the Micro- and Nanoscale. Oxford University Press, New York.
4. Duman B, Kayacan MC, 2017. Doğrudan Metal Lazer Sinterleme/Ergitme Yöntemi ile Kanal Edilecek Parçanın Mekanik Özelliklerinin Tahmini. SDU Teknik Bilimler Dergisi, 7(1): 12-28.
5. Feynman RP, 1992. There’s Plenty of Room at the Bottom [data storage]. Journal of Microelectromechanical Systems, 1(1): 60-66.
6. Gadelmawla ES, Koura MM, Maksoud TMA, Elawa IM, Soliman HH, 2002. Roughness Parameters. Journal of Material Processing Technology, 123(1): 133-145.
7. Inamdar KH, 2006. Some Studies on the Analysis of Surface Quality of Flat Metal Surfaces Using Image Processing Techniques. Doktora Tezi, Shivaji University, Kolhapur, India.
8. Jafari R, Okuyucu-Özyurt T, Ünver HO, Bayer O. 2016. Experimental Investigation of the FLow Boiling of R134a in Microchannels. Experimental Thermal and Fluid Sciences, 79: 222-230.

9. Jones BJ, Garimella SV, 2009. Surface Roughness Effect on Flow Boiling in Microchannels. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 1(4): 041007.
10. Karayiannis TG, Mahmoud MM, 2017. Flow Boiling in Microchannels: Fundamentals and Applications. Applied Thermal Engineering, 115: 1372-1397.
11. Kadam S, Kumar R, 2014. Twenty First Century Cooling Solution: Microchannel Heat Sinks. International Journal of Thermal Sciences, 85: 73-92.
12. Kocabaş Ş, 2013. Elektroerozyonla İşlemede İşlem Parametrelerinin Malzeme Giderilmesi ve Yüzey Kalitesine Etkilerinin İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
13. Luttge R, 2016. Nano- and Microfabrication for Industrial and Biomedical Applications. Elsevier, Oxford.
14. Mack C, 2008. Fundamental Principles of Optical Lithography. John Wiley&Sons, West Sussex.
15. Madou MJ, 2011. Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology. CRC Press, Vol. 2, Florida.
16. Markopoulos AP, Davim JP, 2018. Adavanced Machining Processes: Innovative Modeling Techniques. Taylor & Francis, London.
17. Prakash S, Kumar S, 2015. Fabrication of Microchannels: A Review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacturing, 229(8): 1273-1288.
18. Yap CY, Chua CK, Dong ZL, Liu ZH, Zhang DQ, Loh LE, Sing SL, 2015. Review of Selective Laser Melting: Materials and Applications. Applied Physics Reviews, 2(4): 041101.