Summary
本文介绍了一种协议，以及两种微流体制造技术的比较研究，即光刻/湿蚀/热粘结和选择性激光诱导蚀刻（SLE），适用于高压条件。这些技术构成直接观测储层条件下代理渗透介质和破碎系统中流体流动的有利平台。
Abstract
许多微流体平台的压力限制是断裂介质微流体实验研究中的一个重大挑战。因此，这些平台尚未被充分利用，无法直接观测断裂中的高压传输。这项工作引入了微流体平台，能够直接观察具有代理渗透介质和破碎系统的器件中的多相流。这些平台提供了解决重要和及时问题的途径，例如与 CO2捕获、利用和存储相关的问题。这项工作提供了制造技术和实验设置的详细说明，可用于分析超临界CO2（SCCO2）泡沫的行为，其结构和稳定性。这些研究提供了关于加强石油回收过程和水力裂缝在非常规储层资源回收中的作用的重要见解。本工作介绍了使用两种不同技术开发的微流体器件的比较研究：光刻/湿蚀/热粘结与选择性激光诱导蚀刻。这两种技术都使器件具有化学和物理抗性，能够耐受与感兴趣的地下系统对应的高压和温度条件。这两种技术都为高精度蚀刻微通道和能够利用的片上实验室设备提供了路径。然而，光刻/湿蚀刻能够制造具有复杂几何形状的复杂通道网络，这将是激光蚀刻技术的一项具有挑战性的任务。这项工作总结了分步光刻、湿蚀和玻璃热粘结方案，并介绍了泡沫运输的代表性观测结果，与非常规紧固和页岩层的石油回收有关。最后，本文描述了使用高分辨率单色传感器来观察 scCO2泡沫行为，其中同时观察整个渗透介质，同时保留解析小至 10 μm 的特征所需的分辨率。
Introduction
水力压裂已经使用相当长一段时间，作为刺激流量的手段，特别是在紧密地层1。水力压裂所需的大量水与环境因素、供水问题2、地层损伤3、成本4和地震影响5。因此，人们对替代压裂方法（如无水压裂和使用泡沫）的兴趣正在上升。替代方法可提供重要好处，如减少用水6，与水敏感地层7相容，最小至无堵塞地层8，压裂液9，可回收性10，易于清理和支撑承载能力6。CO2泡沫是一种潜在的无水压裂液，与传统压裂技术6、7、11相比，有助于提高石油液体的高效生产，提高地下CO2的储存能力，其环境足迹可能更小。
在最佳条件下，超临界CO2泡沫（SCCO2泡沫）在压力超过给定储层的最低杂容压力（MMP）提供一个多接触杂误系统，能够直接流入层层中渗透性较低的部分，从而提高清扫效率和资源回收12，13。scCO2提供扩散和液体等气体密度 14，非常适合地下应用，如石油回收和碳捕获、利用和储存 （CCUS）13。地下泡沫成分的存在有助于减少CO215长期储存中泄漏的风险。此外，scCO2泡沫系统的耦合压缩热冲击效应可作为有效的压裂系统11。CO2泡沫系统在地下应用中的特性已在各种尺度上进行了广泛的研究，例如砂包系统中其稳定性和粘度的特性，以及它在位移工艺3、6、12、15、16、17中的有效性。断裂水平泡沫动力学及其与多孔介质的相互作用与在紧密和断裂地层中使用泡沫直接相关的方面较少。
微流体平台可直接可视化和量化相关的微尺度过程。这些平台提供对流体动力学和化学反应的实时控制，以研究孔径尺度现象以及回收考虑1.泡沫的生成、传播、运输和动力学可以在模拟断裂系统和与从紧密地层中回收石油有关的断裂-微裂纹-基质导流通路中可视化。断裂和矩阵之间的流体交换根据几何体直接表示18从而强调简单化和现实性表现的重要性。多年来，已经开发了一些相关的微流体平台，以研究各种过程。例如，Tigglaar 和同事讨论玻璃微反应器设备的制造和高压测试，通过光纤的平面连接来测试通过连接到微反应器的玻璃毛细管的流量19.他们提出了与粘结检查、压力测试和现场反应监测相关的发现。 1H NMR 光谱。因此，对于相对较大的喷射率、用于渗透介质中复杂流体原位可视化的多相流体预生成系统而言，其平台可能并不尽如人意。Marre 和同事讨论了使用玻璃微反应器来研究高压化学和超临界流体过程的问题20.它们包括作为应力分布的有限元模拟的结果，以探索负载下模块化器件的机械性能。它们使用非超前模块化连接进行可互换的微反应器制造，硅/Pyrex微流体器件不透明;这些设备适用于化学反应工程中运动学研究、合成和生产，其中可视化不是主要问题。缺乏透明度使得这个平台不适合在代理介质中直接、就地可视化复杂流体。Paydar 和同事提出了一种使用 3D 打印构建模块化微流体原型的新方法21.这种方法似乎不适合高压应用，因为它使用光治聚合物，并且器件只能承受高达 0.4 MPa。文献中报告与破碎系统运输有关的大多数微流体实验研究侧重于环境温度和相对低压条件1.有几项研究侧重于直接观测模拟地下条件的微流体系统。例如，Jimenez-Martinez 和同事介绍了关于复杂裂缝和矩阵网络中关键孔径尺度流动和传输机制的两项研究22,23.作者在储层条件下（8.3 MPa和45°C）使用微流体研究三相系统，以提高生产效率;他们评估斯科2 用于重新刺激， 其中从以前的压裂剩余的盐水是不可混杂的 Co2 和残余碳氢化合物23.油湿硅微流体器件与油-盐水-scCO的混合相关2 在增强型石油回收 （EOR） 应用中;然而，这项工作并不直接涉及骨折的孔径尺度动力学。另一个例子是 Rognmo 等人的工作， 他研究高压的升级方法， 原位 Co2 泡沫生成24.文献中大多数利用微制造的报告都涉及 CO2-EOR 和它们通常不包括重要的制造细节。据作者所知，文献中目前缺少了用于制造用于断裂地层高压装置的系统协议。
这项工作提供了一个微流体平台，能够研究scCO2泡沫结构，气泡形状，大小和分布，在存在油的层压稳定性为EOR和水力压裂和含水层补救应用。讨论了使用光学光刻和选择性激光诱导蚀刻29（SLE）的微流体器件的设计和制造。此外，本文还描述了旨在模拟断裂紧密地层中流体的传输的断裂模式。模拟路径的范围可能从简化的模式到基于断层扫描数据的复杂微裂纹，或者提供真实裂缝几何信息的其他方法。该协议描述了使用光刻、湿蚀和热粘结的玻璃微流体器件的分步制造说明。内部开发的准直紫（UV）光源用于将所需的几何图案转移到薄薄的光刻层上，最终使用湿蚀工艺将其传输到玻璃基板。作为质量保证的一部分，蚀刻图案的特点是使用共和显微镜。作为光刻/湿蚀的替代方案，采用SLE技术创建微流体器件，并介绍了平台的比较分析。流量实验的设置包括气瓶和泵、压力控制器和传感器、流体混合器和蓄能器、微流体装置、高压不锈钢支架以及高分辨率摄像机和照明系统。最后，介绍了流量实验的代表性观测样本。
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Protocol
注意：此协议涉及处理高压装置、高温炉、危险化学品和紫外线。请仔细阅读所有相关材料安全数据表，并遵守化学品安全指南。在开始喷射过程之前，请检查压力测试（静液压和气动）安全准则，包括所需的培训、所有设备的安全操作、相关危险、紧急触点等。
1. 设计几何图案
- 设计一个光掩贴，包括几何特征和感兴趣的流动路径（图1，补充文件1：图S1）。
- 定义边界框（器件的表面面积），以识别基材的面积，并限制设计所需的介质尺寸。
- 设计入口/出口端口。选择端口尺寸（例如，在这种情况下直径为 4 mm），在进入介质之前实现泡沫相对均匀的分布（图 1）。
- 通过将设计打印到透明薄膜或玻璃基板上，准备设计几何图案的光贴膜。
- 将二维设计拉伸到第三维，并合并入口和出口端口（在 SLE 中使用）。
注：SLE 技术需要三维绘图（图2）。
- 将二维设计拉伸到第三维，并合并入口和出口端口（在 SLE 中使用）。
2. 使用光刻将几何图案传输到玻璃基板
注：必须极其小心地处理埃茨甘特和食人鱼解决方案。建议使用个人防护设备，包括面部可重复使用的呼吸器、护目镜、手套和使用耐酸/耐腐蚀的钳子（材料表）。
- 按照以下步骤准备湿蚀过程中所需的解决方案（另请参阅作为补充文件 1 提供的电子支持信息）。
- 将足够数量的镀铬蚀刻液溶液倒入烧杯中，使基板可以浸入蚀刻剂中。将液体加热至约 40°C。
- 在去电化水（DI水）中准备一个溶液（材料表），体积比为1：8，使基板能够完全淹没在混合物中。
- 使用紫外线照射将几何图案印在涂有铬层的硅酸盐基材和光耐光层上。
- 使用戴手套的手，将面膜（玻璃基板或带有几何图案的透明薄膜）直接放在覆盖着铬和光面的硅酸盐基板的一侧。
- 将光掩膜和基板组合放在紫外光下，光掩膜朝向光源。
注：本工作使用波长为365nm的紫外光（与光光师的峰值灵敏度相匹配），平均强度为4.95 mW/cm2。 - 通过将基板和蒙版的堆叠暴露在紫外光下，将几何图案传输到光面层。
注：最佳曝光时间是光耐辐射层厚度和紫外线辐射强度的函数。光光师对光线很敏感，印迹图案的整个过程必须在配有黄色照明的暗室中进行。
- 开发光光师。
- 用戴手套的手从 UV 级取下光面罩和基板叠。
- 拆下光掩膜，将基板淹没在开发器溶液中约 40 s，从而将图案转移到光膜。
- 通过从基板顶部和所有表面上流出 DI 水，至少三次，使基材干燥，使基材保持级联冲洗。
- 蚀刻镀铬层中的图案。
- 将基板淹没在铬等中加热至约40°C约40 s，从而将图案从光刻板转移到镀铬层。
- 从溶液中去除基板，使用 DI 水对基材进行级联冲洗，并允许其干燥。
- 在硅酸盐基材中蚀刻图案。
注： 缓冲蚀刻 （材料表） 用于将几何图案转移到玻璃基材上.在使用缓冲蚀刻之前，基板的背面涂有一层光刻板，以保护其免受蚀刻剂的遮挡。此保护层的厚度对于整个制造过程并不重要。- 使用刷子，在基材的未盖面上涂抹几层六甲基二十乙酰二十乙酰二十二烷 （HMDS），并允许其干燥。
注：HMDS 有助于促进光耐附剂与硅酸盐基板表面的粘附。 - 在底图上应用一层光印。将基板在60°u201290°C的烤箱中放置30~40分钟。
- 将足够数量的蚀刻物倒入塑料容器中，将基板完全淹没在蚀刻剂中。
注：蚀刻率受暴露浓度、温度和持续时间的影响。本工作中使用的缓冲蚀刻蚀刻平均为 1\u201210 nm/min。 - 根据所需的通道深度，将型板基板留在蚀刻溶液中，以预定的时间量。
注：通过间歇性沐浴声化溶液，可缩短蚀刻时间。 - 使用耐溶剂的钳子从蚀刻机中去除基材，并使用 DI 水对基材进行级联冲洗。
- 描述基板上的蚀刻特征，以确保达到所需的深度。
注：此表征可使用激光扫描共体显微镜（图3）。在这项工作中，10 倍放大率用于数据采集。一旦通道深度令人满意，则移动到清洁和粘合阶段。
- 使用刷子，在基材的未盖面上涂抹几层六甲基二十乙酰二十乙酰二十二烷 （HMDS），并允许其干燥。
3. 清洁和粘结
- 删除光光印和镀铬层。
- 通过将基板暴露在有机溶剂中（如 N-甲基-2-苯丙酮 （NMP） 溶液，使用罩下的热板加热到约 65°C 约 65°C，将光耐受剂从基材上去除，约 30 分钟。
- 用丙酮（ACS等级）对基板进行级联冲洗，然后是乙醇（ACS级）和DI水。
- 将清洁的基板放在镀铬等中加热，使用热板加热到约 40°C 约 40°C 约 1 分钟，从而从基板中去除镀铬层。
- 一旦基板没有铬和光复印，使用激光扫描共分显微镜来描述通道深度。
注：此工作使用 10 倍放大率进行数据采集（图 4）。
- 准备盖板和蚀刻基板进行粘合。
- 通过将盖板与蚀刻基板对齐，标记空白硅酸盐基板（盖板）上的进气孔/出孔的位置。
- 使用微型磨料喷砂机和 50 μm 氧化铝微喷砂介质在标记位置爆破通孔。
注：或者，也可以使用机械钻头创建端口。 - 用 DI 水冲洗蚀刻的基材和盖板。
- 在使用标准技术粘合之前执行 RCA 晶圆清洁程序以去除污染物。由于工艺中涉及的解决方案的波动性，在机罩下执行晶圆清洗步骤。
- 将 1：4 的卷 H 2 O2：H2SO4食人鱼溶液煮沸，将溶液中的基板和盖板淹没在机罩下 10 分钟。
- 用 DI 水冲洗基板和盖板。
- 将基板和盖板在缓冲蚀刻中淹没 30~40 s。
- 用 DI 水冲洗基板和盖板。
- 将基板和盖板在 6：1：1 中由 DI 水体积淹没 10 分钟：H 2 O2：HCl溶液，加热至约 75 °C。
注：蚀刻和粘合最好在洁净室内进行。如果没有洁净室，建议在无尘环境中执行以下步骤。在这项工作中，步骤 3.2.9–3.2.12 在手套箱中执行，以尽量减少基材污染的可能性。 - 在浸入时，将基板和盖板紧紧压在彼此上。
- 从 DI 水中拆下基板和盖板：H2O2：HCl 溶液。用 DI 水进行级联冲洗，并淹没在 DI 水中。
- 确保基板和盖板牢固地连接在一起，小心地将两者拆下，同时从 DI 水中相互压住。
- 热粘合基板。
- 将堆叠的基板（蚀刻基板和盖板）放在两个光滑、1.52 厘米厚的玻璃陶瓷板之间，进行粘合。
- 将玻璃陶瓷板放在由合金 X （材料表） 制成的两个金属板之间，从而能够承受所需的温度，而不会出现明显变形。
- 将玻璃晶圆放在陶瓷金属支架中。
注：此作品使用厚度为 10 厘米 x 10 厘米 x 1.52 厘米的玻璃陶瓷板。堆叠设置使用 1×4" 螺栓和螺母进行固定（图 5）。 - 手拧紧螺母，将支架放在真空室中 60 分钟，温度约为 100°C。
- 将支架从腔室中取出，并使用约 10 磅的扭矩小心拧紧螺母。
- 将支架放在熔炉内，并执行以下加热程序。将温度在 1 °C/min 时升高至 660 °C;将温度在 660 °C 下保持 6 小时，然后在大约 1°C/min 时冷却至室温。
- 取出热粘合微流体装置，用DI水冲洗，将其放在HCl（12.1 M）中，沐浴声波（100瓦功率时为40 kHz），溶液一小时（图6）。
4. 制造激光蚀刻玻璃微流体装置
注：设备制造由第三方玻璃3D打印服务（材料表）通过SLE工艺，并使用熔融石英基板作为前体进行。
- 使用线性偏振激光束，使用垂直于脉冲持续时间为 0.5 ns、重复速率为 50 kHz、脉冲能量为 400 nJ 和波长为 1.06 μm 的飞秒激光源生成的垂直于舞台的线性偏振激光束在熔融石英基板中写入所需图案。
- 使用 KOH 溶液（32 wt%） 从熔融石英基板内的书面图案中去除玻璃在85°C下，超声波声像（图7）。
5. 进行高压测试
- 使用注射器泵将微流体与驻留液（例如DI水、表面活性剂溶液、油等，具体取决于实验类型）进行饱和。
- 准备产生泡沫的液体和相关仪器。
- 准备盐水溶液（驻留液）与所需的盐度，并溶解表面活性剂（如罗米多丙基β氨酸和α-烯烃硫酸盐）与所需的浓度（根据表面活性剂的关键米甲浓度）在盐水中。
- 在室温下，每个实验的CO2 和水泵的水箱都有足够的液体。
- 使用注射器将盐水蓄能器和流水线填充表面活性剂溶液。此工作使用容量为 40 mL 的蓄能器。
- 使用盐水溶液冲洗盐水线。
- 使用留用液（本例中为盐水溶液）冲洗将蓄能器连接到设备和出口管路的管路。
- 将饱和微流体装置放在耐压支架中，并使用 0.010" 内径管将进气口/出口口连接到相应的管路（图 8，补充文件 1：图 S5）。
- 将控制盐水和 CO2管路温度的循环浴的温度升高到所需的温度（例如，此处为 40°C（图 9）。
- 检查所有管路，以确保注射前设置的完整性。
- 产生泡沫。
- 开始以0.5 mL/min的速度注射盐水，并检查表面活性剂溶液流入设备和背压管路。
- 以渐进步骤（± 0.006 MPa/s）同时增加背压和盐水泵压力，同时保持背压调节器 （BPR） 出口连续流动。将压力增加至 +7.38 MPa（最低要求 scCO2 压力）并停止泵。
- 将 CO2 线路压力升高至高于 7.38 MPa（最小 scCO2 压力 ）的压力。
- 打开 CO2 阀，让 scCO2 与高压表面活性剂溶液混合，通过内联混合器产生泡沫。
- 等待，直到设备内部完全开发流量，通道饱和。监控出口，以启动泡沫生成。
注：辅助端口可用于帮助将介质与留用流体完全饱和（图1）。压力积聚率不一致，BPR突然增加可能导致破裂（图10）。必须逐步提高流体压力和背压，以最大限度地降低损坏设备的风险。
- 执行实时成像和数据分析。
- 打开相机可捕获通道内流的详细图像。此作品使用具有 6000 万像素单色全帧传感器的摄像头。
- 启动专用快门控制软件（材料表）。选择 1/60 的快门速度、f/8.0 的焦距比（f-编号），然后选择合适的镜头。
- 启动专用相机软件（材料表）。在软件的"相机"设置下，在下拉菜单中选择摄像机、所需格式（例如 IIQL）和 ISO 设置为 200。
- 根据需要调整摄像机到介质的工作距离，以聚焦介质。按下软件中的捕获按钮，以 规定的时间 间隔捕获图像。
- 将系统减压回环境条件。
- 停止喷射（气体和液体泵），关闭 CO2 和盐水泵进气口，打开管路阀的其余部分并关闭加热器。
- 逐渐降低背压（例如，以 0.007 MPa/s 的速度），直到系统达到环境压力条件。分别降低盐水和 CO2 泵压力。
注：降低 scCO2 压力可能会导致不一致或湍流的 BPR 流出，因此必须小心执行压力回撤。
- 通过通过介质将以下溶液顺序流经，在每次实验后彻底清洁微流体装置：异丙醇/乙醇/水（1：1：1）、2 M HCl 溶液、DI 水、基本溶液（DI 水/NH4OH/H2O2 在 5：5：1）和 DI 水。
- 处理后收集的图像。
- 通过将背景从图像中排除来隔离毛孔景观。
- 通过执行透视变换和根据需要实施局部阈值策略以考虑非均匀照明28，纠正次要错位。
- 计算与实验相关的几何和统计参数，如通道中每个泡沫微结构图像的平均气泡大小、气泡大小分布和气泡形状。
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Representative Results
本节介绍从 scCO2 泡沫流穿过与微裂纹阵列相连的主裂缝的物理观测示例。通过光刻或 SLE 制造的玻璃微流体装置放置在支架内，并放置在摄像机的视野中，该摄像机具有 6000 万像素的单色全帧传感器。 图11 说明了微流体器件的制造过程及其在实验装置中的放置。 图 12 说明了在生成/隔离前20 分钟内，UV 光刻微流体器件（4 MPa 和 40°C）中的 CO 2 泡沫运输和稳定性。多相在断裂/微裂纹和泡沫中移动，通过微裂缝产生。 图 13 显示了 SLE 微流体器件（7.72 MPa 和 40°C）中的 scCO2 泡沫生成，从无流量的环境条件开始，以高低流量完全开发 scCO2 泡沫。 图 14 显示在生成/隔离前 20 分钟内储层条件下（7.72 MPa 和 40°C）的泡沫分布和稳定性图像。 图 15 显示了气泡直径和原始和中间图像的分布，作为泡沫微结构量化的一部分，包括原始图像、后处理图像，亮度、对比度和锐度得到改善，其二进制等效。
图 1：用于制造微流体器件的光掩设计示例（为了清晰起见，黑白颜色反转）。（a） 包含主断裂和微裂纹的连接断裂网络的整个视野。（b） 放大缩小字体功能 放大缩小字体功能（c） 底部增加了第三个端口。（d） 放大缩小字体功能 放大缩小字体功能 请单击此处查看此图的较大版本。
图2：3D微流体设计，用于SLE制造和高压泡沫流通过微通道。请单击此处查看此图的较大版本。
图3：通过共声显微镜检查在BD-etchant中浸入136小时（本例无声波）的基板的通道深度。（a） 通道概览 （b） 通道深度测量 （±43 μm）.请单击此处查看此图的较大版本。
图4：通过共合显微镜检查在NMP冲洗后去除铬层的基材的通道深度。（a） 通道概述。（b） 通道深度测量（±42.5 μm）。 请单击此处查看此图的较大版本。
图5：热粘结工艺的示意图。（a） 在两个光滑的陶瓷板之间放置两个玻璃晶圆。（b） 将陶瓷板放在两个金属板之间并拧紧螺栓。（c） 将含有基板的金属和陶瓷支架置于可编程炉内，以达到热粘合所需的温度。 请单击此处查看此图的较大版本。
图6：完成的UV蚀刻玻璃微流体装置。请单击此处查看此图的较大版本。
图7：SLE设计和制造工艺。（a） SLE 设计和制造过程的示意图（此图已经 Elsevier27许可重新打印），以及（ b ） 生成的 3D 打印微流体装置。设计和制造步骤包括 （a.i） 设计通道的内部体积， （a.ii） 切片 3D 模型以创建 z 堆线来定义激光路径， （a.iii） 激光辐照抛光熔融石英基板，（a.iv） 优先 KOH 蚀刻激光蚀刻材料， 和 （a.v） 成品。 请单击此处查看此图的较大版本。
图8：微流体装置放置在支架内，成像系统包括高分辨率摄像机和照明系统。（a） 实验室设置的照片，以及（b） 通过高分辨率摄像和照明系统观察的片上实验室的示意图。 请单击此处查看此图的较大版本。
图9：使用高分辨率摄像机和图像处理单元将高压 scCO2 泡沫注入装置安装到微流体装置和可视化系统中。（a） 实验室设置的照片， 和 （b） 工艺流程图和图像处理单元的示意图. 请单击此处查看此图的较大版本。
图10：由于BPR和水泵在喷射过程中对压力剖面处理不当，在喷射口（右入口）的脱粘装置。请单击此处查看此图的较大版本。
图11：玻璃微流体装置的比较制造方法。（a） 使用光刻（a.i）为正光刻剂设计的破碎介质微流体装置的制造工艺， （a.ii） 在聚酯基透明膜上印刷光掩膜，（a.iii）空白和光刻剂/镀铬玻璃基板，（a.iv） 通过紫外线辐射将图案转移到基材上，（a.v ）蚀刻基板，（a.vi） 镀铬层去除后蚀刻基板，以及用于热粘结的空白基板、（a.vii ） 热粘结装置和（a.viii） scCO2注入。（b） 使用SLE技术进行制造：（b.i）SLE打印设计，（b.ii）抛光熔融石英基板上的激光照射，（b.iii）SLE印刷玻璃微流体装置，以及（b.iv）scCO2喷射。请单击此处查看此图的较大版本。
图12：在生成/隔离前20分钟内，UV 光刻微流体装置（4 MPa 和 40°C）中的 CO 2 泡沫运输和稳定性。请单击此处查看此图的较大版本。
图13：SLE微流体器件中的scCO2 泡沫生成（7.72 MPa和40°C）。（a） 环境状况，没有流经微通道。（b） 在超临界条件下共同注射CO2 和水相（含表面活性剂或纳米粒子）。（c） 开始共注射后，scCO2 泡沫生成 0.5 分钟。（d） 以高流速（e） 充分开发SCCO2 泡沫，降低共注射的流量，揭示多相的边界。（f） 极低的流速揭示了水相中 分散的 scCO 2 气泡。 请单击此处查看此图的较大版本。
图14：在生成/隔离前20分钟，在储层条件下（7.72 MPa 和 40°C）的泡沫稳定性可视化。请单击此处查看此图的较大版本。
图15：泡沫微观结构分析。（a） 断裂网络中 scCO 2 泡沫流动的图像， （b） 处理后的图像，亮度、对比度和锐度得到改善;使用 ImageJ 进行二元化图像;使用 ImageJ获得的气泡直径分布轮廓（ 请单击此处查看此图的较大版本。
图16： 内部准直紫外光源图解图. （a） 照片及（b） 含有LED光源和舞台的实验室紫外光源示意图。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 17：在放置基板进行紫外线照射的阶段的10 x 10 cm2区域中，UV 强度的彩色编码图。使用紫外测量仪记录的紫外线强度值范围为 4 至 5 mW/cm2。请单击此处查看此图的较大版本。
补充文件 1.请点击这里下载此文件。
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Discussion
这项工作提出了一个与制造平台相关的协议，用于制造坚固的高压玻璃微流体器件。这项工作中提出的协议通过在手套箱内执行几个最终的制造步骤来缓解对洁净室的需要。建议使用洁净室（如果有）以尽量减少污染的可能性。此外，蚀刻机的选择应基于所需的表面粗糙度。使用HF和HCl的混合物作为蚀刻，往往减少表面粗糙度30。这项工作涉及微流体平台，使复杂流体在复杂渗透介质中的传输能够直接、就地可视化，忠实地代表感兴趣的地下介质的复杂结构。因此，这项工作使用缓冲蚀刻，使研究质量转移和传输的代理介质类似地质渗透介质。
图案设计
这些模式是使用计算机辅助设计软件（材料表）创建的，其功能旨在表示事实和微裂纹，以研究泡沫的运输和稳定性（参见 图1）。这些图案可以印在高对比度、聚酯基透明薄膜或波罗浮或石英板（光面罩）上。光刻学中使用的图案包括主通道，宽度为127 μm，长度为2.2厘米，用作主断裂。此通道连接到各种尺寸的微断裂阵列，或由直径为 300 μm 的圆形柱组成的渗透介质，这些柱线连接到断裂路径的中间。设计中可能包含其他辅助端口，以帮助实现主要特征的初始饱和，例如断裂。
光刻 胶
此工作使用正光光印影。因此，设计中与拟蚀刻在基板上的特征相对应的区域是光学透明的，其他区域会阻碍光的传输（准光）。对于负光刻影器，情况正好相反：设计中与拟刻在基板上的特征相对应的区域在光学上是不透明的。
紫外线光源
由于光照照射，通过改变其溶解度，将图案转移到光弹性。全光谱汞蒸气灯可作为紫外线源。然而，使用准直的窄带紫外源可显著提高制造的质量和精度。此工作使用具有峰值灵敏度为 365 nm 的光抗剂、由一系列发光二极管 （LED） 组成的准直紫外源和大约 150 s 的曝光时间。此紫外光源是内部开发的，为光刻提供低维护、低发散、准直的紫外光源。UV 源由 9 个高功率 LED 组成的方阵组成，目标峰值发射波长为 365 nm，在 25 °C（3.45 mm x 3.45 mm UV LED 中带陶瓷基板）下达到目标峰值发射波长（3.45 mm x 3.45 mm UV LED），参见材料表。每个 LED 上都使用光收集 UV 镜头（LED 5 W UV 镜头 – 参见材料表），将发散从 [70°] 缩短到 [12]。通过使用 9 个聚氯 （PVC） 菲涅尔透镜的 3 x 3 阵列，进一步减小发散 （+5°）。该装置在 3.5 英寸方面积内产生准直均匀的紫外线辐射。这种低成本光源用于UV光刻的制造细节，是根据埃里克斯塔德和同事25提出的方法，稍作修改15，26。图 16显示了安装在 UV 支架上的 LED UV 光源，该光源与底部的阶段一起进行基板 UV 照射（该过程在暗室中执行）。UV 级位于 9 个菲涅尔镜头的 82.55 厘米，这些镜头安装在装有 LED 的机架下方 13.46 厘米的机架上。如图16a所示，在包含 LED 的板的底部有四个小风扇（40 mm x 40 mm x 10 mm 12 V DC 冷却风扇，参见材料表），顶部有一个更大的风扇（120 mm x 38 mm 24 V DC 冷却风扇，参见材料表）。三个可变直流电源（ 材料表 ） 用于为 LED 供电.一个电源为中心 LED 提供 0.15 A、3.3 V;一个电源以 0.6 A、14.2 V 的 4 角 LED 供电;一个电源以 0.3 A、13.7 V 提供其余四个 LED。该阶段，图16b的示意图显示，分为1厘米2子区域，紫外线的强度测量在每个使用紫外线功率计（材料表），配备了一个2W 365纳米长袍组件。平均而言，紫外光的平均强度为 4.95 mW/cm2，其变异性为 0.61 mW/cm2。图 17显示了此 UV 光源的 UV 强度图的颜色编码图。在10厘米10厘米区域的强度相对均匀，在放置基板并暴露在光线下的舞台中心，其值为4至5 mW/cm2。有关内部准直紫外光源开发的信息，请参阅 ESI，补充文件 1：图 S3，S4。使用紫外线源可以与紫外线阻抗屏蔽/覆盖相结合，以保证其安全使用。其他安全措施可能包括使用紫外线安全护目镜（红色和紫外激光眼保护安全眼镜 + （190–400 nm），标有术语 Z87 的面罩，符合 ANSI 标准 （ANSI Z87.1-1989 紫外线认证），以提供基本的紫外线防护（材料表）实验室外套和手套，以尽量减少暴露。
制造技术
这项工作还提供了使用高分辨率摄像机和照明源在制造的玻璃微流体装置中进行高压泡沫注入的逐步路线图。还介绍了CO2 和SCCO2泡沫微 结构的例子以及微流体器件中的运输，这些例子与断裂的紧密和超紧的地层相关。直接观察这些地下介质中的运输是一项具有挑战性的任务。因此，本工作中描述的设备提供了一个支持平台，用于研究与破碎介质、EOR 工艺和含水层补救等地下应用相关的温度和压力条件下的渗透介质中的运输。
本工作中使用的设备采用两种不同的技术制造，即光刻/湿蚀/热粘结和 SLE。光刻/湿蚀/热粘结技术包括使用低维护、准直的紫外光源的低成本蚀刻工艺。SLE 使用 femto 秒激光源执行，然后通过湿蚀从玻璃散装中去除经过修改的玻璃。光刻/湿蚀/热粘结技术涉及的主要步骤包括：（一） 创建通道网络地图，（二） 在聚酯基透明膜或玻璃基材上打印设计， （iii） 将图案转移到镀铬/光刻板涂层硅酸盐基材上，（iv） 通过照片开发商和铬蚀刻解决方案去除裸露区域，（v） 将硅酸盐基板的图案区域蚀刻到所需深度，（六） 制备带入口孔的盖板，以及 （vii） 蚀刻基板和盖板的热粘合。相比之下，SLE 采用两步法：（i） 在透明熔融石英基材中选择性激光诱导印刷;（ii） 通过湿化学蚀刻选择性去除改性材料，从而在熔融石英基板中开发三维特征。在第一步中，激光辐射通过熔融的硅玻璃内部修改玻璃散装，以提高化学/局部蚀刻能力。聚焦激光扫描玻璃内部，以修改连接到基板表面之一的三维连接体积。
这两种技术都使器件具有化学和物理抗性，能够耐受与感兴趣的地下系统对应的高压和温度条件。这两种技术都提供了创建高精度蚀刻微通道和能够利用芯片实验室设备的途径。光刻/湿蚀/热粘结技术在通道的几何形状方面非常坚固，可用于蚀刻复杂的通道网络，而SLE由于实际原因仅限于相对简单的网络。另一方面，使用光刻/湿蚀/热粘结制造的设备可能更容易因粘合缺陷、热粘合过程中快速加热/冷却速率造成的残余热应力以及湿蚀刻过程中的结构缺陷而更容易损坏。与光刻相比，SLE 器件在高压下更具弹性（测试高达 9.65 MPa）。无论制造技术如何，快速的压力积聚速度可能会增加微流体器件发生机械故障的机会。
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Disclosures
提交人声明没有利益冲突和披露。
Acknowledgments
来自怀俄明大学的作者感谢支持作为非常规和紧密油层水-碳氢化合物-岩石相互作用机械控制中心的一部分，该中心是由美国能源部能源前沿研究中心资助的，能源部，能源局（BES）颁发的DE-SC0019165奖。来自堪萨斯大学的作者们感谢美国国家科学基金会EPSCoR研究基础设施改进计划：轨道-2聚焦EPSCOR协作奖（OIA-1632892）用于资助该项目。作者们还感谢怀俄明大学化学工程系的孙金迪，感谢她在仪器培训方面给予的慷慨帮助。SAA感谢来自怀俄明大学的凯尔·温克尔曼，感谢他在构建成像和紫外线支架方面的帮助。最后，但不是最不重要的，作者感谢约翰瓦瑟鲍尔从微玻璃，有限责任公司有用的讨论SLE技术。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4” bolts and nuts | For fabrication of the metallic plates to sandwich the glass chip between them for thermal bonding | ||
| 3.45 x 3.45 mm UV LED | Kingbright | To emitt LED light | |
| 3D measuring Laser microscope | OLYMPUS | LEXT OLS4000 | To measure channel depths |
| 40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Cooling Fan | Uxcell | To cool the UV LED lights | |
| 120 mm x 38 mm 24V DC Cooling Fan | Uxcell | To cool the UV LED lights | |
| 5 ml (6 ml) NORM-JECT Syringe | HENKE SASS WOLF | Lot #16M14CB | To rinse the chip before each experiment |
| Acetone (Certified ACS) | Fisher Chemical | Lot #177121 | For cleaning |
| Acid/ corossion resistive tweezer | TED PELLA | To handle the glass piece in corosive solutions | |
| Acid/solvent resistance tweezers | TED PELLA, INC | #53009 and #53010 | To handle the glass in corrosive solutions |
| Alloy X | AMERICAN SPECIAL METALS | Heat Number: ZZ7571XG11 | Thermal bonding |
| Ammonium hydroxide (ACS reagent) | Sigma Aldrich | Lot #SHBG9007V | To clean the chip at the end of process |
| AutoCAD | Autodesk, San Rafael, CA | To design 2D patterns and 3D chips | |
| BD Etchant for PSG-SiO2 systems | TRANSENE | Lot #028934 | An improved buffered etch formulation for delineation of phosphosilica glass – SiO2 (PSG), and borosilica glass – SiO2 (BSG) systems |
| Blank Borofloat substrate | TELIC | CG-HF | Upper substrate for UV etching |
| Borofloat substrate with metalizations | TELIC | PG-HF-LRC-Az1500 | Lower substrate for UV etching |
| Capture One photo editing software | Phase One | To Capture/Edit/Convert the pictures taken by Phase One Camera | |
| Capture station | DT Scientific | DT Versa | To place of the chip in the field of view of the camera |
| Carbon dioxide gas (Grade E) | PRAXAIR | UN 1013, CAS Number 124-38-9 | non-aqeous portion of foam |
| Chromium etchant 1020 | TRANSENE | Lot #025433 | High-purity ceric ammonium nitrate systems for precise, clean etching of chromium and chromium oxide films. |
| Circulating baths with digital temperature controller | PolyScience | To control the brine and CO2 temperatures | |
| Computer | NVIDIA Tesla K20 Graphic Card - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16 | To process and visualize the images obtained via the Phase One camera | |
| Custom made high pressure glass chip holder | To tightly hold the chip and its connections for high pressure testing | ||
| Cutrain (Custom) | To protect against UV/IR Radiations | ||
| Deionized water (DI) | For cleaning | ||
| Digital camera with monochromatic 60 MP sensor | Phase One | IQ260 | Visualization system |
| Ethanol, Anhydrous, USP Specs | DECON LABORATORIES, INC. | Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5 | For cleaning |
| Facepiece reusable respirator | 3M | 6502QL, Gases, Vapors, Dust, Medium | To protect against volatile solution inhalation |
| Fused Silica (UV Grade) wafer | SIEGERT WAFER | UV grade | Glass precursor for SLE printing |
| GIMP | Open-source image processing software | To characterize image texture and properties | |
| Glovebox (vinyl anaerobic chamber) | Coy | To provide a clean, dust-free environment | |
| Heated ultrasonic cleaning bath | Fisher Scientific | To accelerate the etching process | |
| Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom® MB | KMG | 62115 | Primer for photoresist coating |
| Hose (PEEK tubing) | IDEX HEALTH & SCIENCE | Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Part # 1531 | Flow connections |
| Hydrochloric acid, certified ACS plus | Fisher Chemical | Lot # 187244 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| Hydrogen Peroxide | Fisher Chemical | H325-500 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| ImageJ | NIH | To characterize image texture and properties | |
| ISCO syringe pump | TELEDYNE ISCO | D-SERIES (100DM, 500D) | To pump the fluids |
| Kaiser LED light box | Kaiser | To illuminate the chip | |
| Laser printing machine | LightFab GmbH, Germany. | FILL | Glass-SLE chip fabrication |
| Laser safety glasses | FreeMascot | B07PPZHNX4 | To protect against UV/IR Radiations |
| LED Engin 5W UV Lens | LEDiL | To emitt LED light | |
| Light Fab 3D Printer (femtosecond laser) | Light Fab | To selectively laser Etch of fused silica | |
| LightFab 3D printer | LightFab GmbH, Germany | To SLE print the fused silica chips | |
| MATLAB | MathWorks, Inc., Natick, MA | Image processing | |
| Metallic plates | |||
| Micro abrasive sand blasters (Problast 2) | VANIMAN | Problast 2 – 80007 | To craete holes in cover plates |
| MICROPOSIT 351 developer | Dow | 10016652 | Photoresist developer solution |
| Muffle furnace | Thermo Scientific | Thermolyne Type 1500 | Thermal bonding |
| N2 pure research grade | Airgas | Research Plus - NI RP300 | For drying the chips in each step |
| NMP semiconductor grade - 0.1μm Filtered | Ultra Pure Solutions, Inc | Lot #02191502T | Organic solvent |
| Oven | Gravity Convection Oven | 18EG | |
| Phase One IQ260 with an achromatic sensor | Phase One | IQ260 | To visulize transport in microfluidic devices using an ISO 200 setting and an aperture at f/8. |
| Photomask | Fine Line Imaging | 20,320 DPI FILM | Pattern of channels |
| Photoresist (SU-8) | MICRO CHEM | Product item: Y0201004000L1PE, Lot Number: 18110975 | Photoresist |
| Polarized light microscope | OLYMPUS | BX51 | Visual examination of micro channels |
| Ports (NanoPort Assembly) | IDEX HEALTH & SCIENCE | NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16" OD, Part # N-333 | Connections to the chip |
| Python | Python Software Foundation | Image processing | |
| Safety face shield | Sellstrom | S32251 | To protect against UV/IR Radiations |
| Sealing film (Parafilm) | Bemis Company, Inc | Isolation of containers | |
| Shutter Control Software | Schneider-Kreuznach | To adjust shutter settings | |
| Smooth ceramic plates | Thermal bonding | ||
| Stirring hot plate | Corning® | PC-620D | To heat the solutions |
| Sulfuric acid, ACS reagent 95.0-98.0% | Sigma Aldrich | Lot # SHBK0108 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| Syringe pump (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA) | Harvard Apparatus | 70-3006 | To saturate the chip before each experiment |
| Torque wrench | Snap-on | TE25A-34190 | To tighten the screws |
| UV power meter | Optical Associates, Incorporated | Model 308 | To measure the intesity of UV light |
| UV power meter | Optical Associates, Incorporated | Model 308 | To quantify the strength of UV light |
| UV radiation stand (LED lights) | To transfer the pattern to glass (photoresist layer) | ||
| Vaccum pump | WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC | 1380 | To dry the chip |
| Variable DC power supplies | Eventek | KPS305D | To power the UV LED lights |
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