基于微梁传感技术的液滴蒸发过程界面张力研究

The liquid-gas interfacial tensions is especial important in micro-manufacturing based on the droplet evaporation and can cause deformation of soft matrix. However the existing contact angle measurement technology cannot measure it directly. Yong equation is commonly used to reflect the liquid-gas interfacial tensions balance in the horizontal direction, ignoring the vertical component of the liquid-gas interfacial tension. For this reason, combining with video technology, a new liquid-gas interfacial tension test system of droplet evaporation is built which use the flexible structure of microcantilever instead of the traditional rigid surface. The evaporation of pure water droplet and ethanol solution on the gold surface of microcantilever with different hydrophilic and hydrophobic properties was observed by this test system, and the contact angle and bending of microcantilever from these experiments were obtained. From the properties of droplet and properties of hydrophilic and hydrophobic, we investigate on the influence of the liquid-gas interfacial tension in evaporation procession, and establish the relationship between the droplet composition and surface tension of the microcantilever. In addition, a numerical model was established to determine the relationship between the vertical component of the liquid-gas interfacial tension and bending of microcantilever from vertical component to verify the experimental result. This project not only provides a new test system for the vertical component of the liquid-gas surface tension, but also gives a new direction for the development of microcantilever sensing technology.

液气界面张力垂直分量的检测在液滴蒸发微制造领域中十分重要，该分量可以引起软基体变形。而现有接触角测试技术却不能对其直接测量。并且Yong方程描述液气界面张力在水平方向的平衡关系，而忽略了其垂直分量。为此，拟采用具有柔性结构的微梁替代传统刚性表面，并结合视频技术搭建了一种新型液滴蒸发过程的液气界面张力测试系统。利用该系统对不同亲疏水性质的微梁表面对单组分和双组分液滴蒸发进行研究，同时获得接触角和表面应力两种参数。从液滴成分和界面亲疏水性质两个方面，研究液滴蒸发过程中液气界面性质对微梁弯曲的影响，并建立液滴成分和微梁表面张力的关系。此外，通过理论与实验相结合，建立液滴在液气表面张力的垂直分量产生的数值模型。本课题从全新的视角为液滴蒸发过程中液气界面张力建立一套新型测试系统，同时也为发展微梁传感技术研究提供了一个新思路。

接触角是最容易观测的界面现象。通过对接触角的研究可获得固液相互作用信息, 是目前获得材料表面亲疏水性质最有效、最敏感方法之一，也是对液滴蒸发过程研究的重要手段。利用具有柔性界面的微梁传感技术研究微液滴蒸发过程，不仅可以测量液滴蒸发过程中质量变化，也能得到液滴蒸发过程中界面张力变化。结合接触角测量和微悬臂梁弯曲检测的微液滴蒸发系统可以研究接触角的动态变化和微梁表面张力的变化过程。本项目在执行过程中，搭建了单微悬臂梁和多阵列微悬臂梁系统，设计了微液滴生成装置，并实现在微梁表面对微液滴接触角的动态实时测量。利用搭建系统研究了不同大小的微液滴在微梁自由端的蒸发实验和相同大小的液滴在微梁上不同位置的蒸发实验。并通过理论拟合了不同位置液滴和液滴的不同大小蒸发过程中所带来的微梁自由端的扰度曲线，理论和实验基本相符。实验结果验证了，微悬臂梁传感技术可以作为一种研究液滴蒸发过程的有效手段，搭建的系统可以用于同时对微梁弯曲和微梁表面蒸发过程的接触角动态实时的测量。进一步实验可以通过该系统对不同性质的微梁表面上液滴蒸发过程的接触角和扰度曲线的分析，可以解释在柔性界面上由于液滴蒸发所带来垂直分量生成机理，并可以对基于垂直分量的微制造技术进行理论指导。