Summary
Dieser Beitrag beschreibt ein Protokoll zusammen mit einer vergleichenden Untersuchung von zwei mikrofluidischen Fertigungstechniken, nämlich Photolithographie/Nassätzung/thermische Bindung und Selektive Laser-induzierte Ätzung (SLE), die für Hochdruckbedingungen geeignet sind. Diese Techniken sind Förderplattformen für die direkte Beobachtung des Flüssigkeitsflusses in ersatzdurchlässigen Medien und gebrochenen Systemen unter Reservoirbedingungen.
Abstract
Druckbegrenzungen vieler mikrofluidischer Plattformen stellten eine große Herausforderung in mikrofluidischen experimentellen Studien von gebrochenen Medien dar. Infolgedessen wurden diese Plattformen für die direkte Beobachtung des Hochdrucktransports bei Frakturen nicht voll ausgenutzt. Diese Arbeit stellt mikrofluidische Plattformen vor, die eine direkte Beobachtung des mehrphasigen Durchflusses in Geräten mit durchlässigen Ersatzmedien und gebrochenen Systemen ermöglichen. Solche Plattformen bieten einen Weg, um wichtige und aktuelle Fragen wie die im Zusammenhang mit CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung anzugehen. Diese Arbeit bietet eine detaillierte Beschreibung der Fertigungstechniken und ein experimentelles Setup, das dazu dienen kann, das Verhalten von überkritischemCO2-Schaum (scCO2) Schaumstoff, seine Struktur und Stabilität zu analysieren. Solche Studien liefern wichtige Erkenntnisse über verbesserte Ölrückgewinnungsprozesse und die Rolle hydraulischer Frakturen bei der Ressourcenrückgewinnung aus unkonventionellen Reservoirs. Diese Arbeit stellt eine vergleichende Studie über mikrofluidische Geräte dar, die mit zwei verschiedenen Techniken entwickelt wurden: Photolithographie/Nassätzung/thermische Bindung im Vergleich zur selektiven Laser-induzierten Ätzung. Beide Techniken führen zu Geräten, die chemisch und physikalisch beständig und tolerant gegenüber hohen Druck- und Temperaturbedingungen sind, die den von Interesse sindden Oberflächensystemen entsprechen. Beide Techniken bieten Wege zu hochpräzisegeätzten Mikrokanälen und leistungsfähigen Lab-on-Chip-Geräten. Photolithographie/Nassätzung ermöglicht jedoch die Herstellung komplexer Kanalnetzwerke mit komplexen Geometrien, was eine anspruchsvolle Aufgabe für Laserätztechniken wäre. Diese Arbeit fasst ein Schritt-für-Schritt-Photolithographie-, Nassätz- und Glas-Thermo-Bonding-Protokoll zusammen und präsentiert repräsentative Beobachtungen des Schaumtransports mit Relevanz für die Ölrückgewinnung aus unkonventionellen engen und Schieferformationen. Schließlich beschreibt diese Arbeit die Verwendung eines hochauflösenden monochromatischen Sensors, um das ScCO 2-Schaumverhalten zu beobachten, bei dem die Gesamtheit des durchlässigen Mediums gleichzeitig beobachtet wird, wobei die Auflösung erhalten bleibt, die erforderlich ist, um Funktionen von bis zu 10 m aufzulösen.
Introduction
Hydraulisches Fracking wird seit geraumer Zeit als Mittel zur Stimulierung des Durchflusses vor allem in engen Formationen1eingesetzt. Große Wassermengen, die beim hydraulischen Fracking benötigt werden, werden mit Umweltfaktoren, Wasserverfügbarkeitsproblemen2,Formationsschäden3, Kosten4 und seismischen Effekten5. Infolgedessen steigt das Interesse an alternativen Fracking-Methoden wie wasserlosem Fracking und der Verwendung von Schaumstoffen. Alternative Methoden können wichtige Vorteile wie Verringerung der Wassernutzung6, Kompatibilität mit wasserempfindlichen Formationen7, minimale bis keine Verstopfung der Formation8, hohe scheinbare Viskosität der Fracking-Flüssigkeiten9, Recyclingfähigkeit10, einfache Reinigung und Proppant Tragefähigkeit6. CO2-Schaum ist eine potentielle wasserlose Fracking-Flüssigkeit, die zu einer effizienteren Produktion von Erdölflüssigkeiten und verbessertenCO2-Speicherkapazitäten im Untergrund mit einem potenziell geringeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen Fracking-Techniken6,7,11beiträgt.
Unter optimalen Bedingungen bietet überkritischerCO2-Schaum (ScCO2-Schaum) bei Drücken, die über den minimalen Mischbarkeitsdruck (MMP) eines bestimmten Reservoirs hinausgehen, ein Multikontaktmischsystem, das in der Lage ist, den Durchfluss in weniger durchlässige Teile der Formation zu leiten und so die Sweep-Effizienz und die Rückgewinnung der Ressourcen12,13zu verbessern. scCO2 liefert gasähnliche Diffusivität und Flüssigkeit wie Dichte14 und eignet sich gut für Untergrundanwendungen wie Ölrückgewinnung und Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS)13. Das Vorhandensein der Schaumstoffbestandteile im Untergrund trägt dazu bei, das Risiko von Leckagen bei der Langzeitspeicherung von CO215zu reduzieren. Darüber hinaus können gekoppelte Kompressibilitäts-Thermoschockeffekte von scCO2-Schaumsystemen als effektive Fracking-Systeme dienen11. Die Eigenschaften vonCO2-Schaumsystemen für Untergrundanwendungen wurden in verschiedenen Maßstäben ausgiebig untersucht, wie z.B. die Charakterisierung seiner Stabilität und Viskosität in Sandpaketsystemen und seiner Wirksamkeit in Verdrängungsprozessen3,6,12,15,16,17. Die Frakturschaumdynamik und ihre Wechselwirkungen mit porösen Medien sind weniger untersuchte Aspekte, die für die Verwendung von Schaum in engen und gebrochenen Formationen unmittelbar relevant sind.
Mikrofluidische Plattformen ermöglichen eine direkte Visualisierung und Quantifizierung der relevanten Mikroskalierungsprozesse. Diese Plattformen bieten Echtzeit-Kontrolle der Hydrodynamik und chemische Reaktionen, um Poren-Skala-Phänomene neben Erholungsüberlegungen zu untersuchen1. Schaumerzeugung, -ausbreitung, -transport und -dynamik können in mikrofluidischen Geräten visualisiert werden, die gebrochene Systeme und leitfähige Pfade nachahmen, die für die Ölrückgewinnung aus engen Formationen relevant sind. Der Flüssigkeitsaustausch zwischen Fraktur und Matrix wird direkt in Übereinstimmung mit der Geometrie ausgedrückt18, wobei die Bedeutung vereinfachter und realistischer Darstellungen hervorgehoben wird. Im Laufe der Jahre wurden eine Reihe relevanter mikrofluidischer Plattformen entwickelt, um verschiedene Prozesse zu untersuchen. Tigglaar und Kollegen diskutieren beispielsweise die Herstellung und Hochdruckprüfung von Glasmikroreaktoren durch in-Plane-Verbindung von Fasern, um den Durchfluss durch Glaskapillaren zu testen, die mit den Mikroreaktoren verbunden sind.19. Sie stellen ihre Ergebnisse im Zusammenhang mit der Bond-Inspektion, den Drucktests und der In-situ-Reaktionsüberwachung durch 1H NMR-Spektroskopie. Daher ist ihre Plattform möglicherweise nicht optimal für relativ große Injektionsraten, die Vorerzeugung von Mehrphasen-Flüssigkeitssystemen zur In-situ-Visualisierung komplexer Flüssigkeiten in durchlässigen Medien. Marre und Kollegen diskutieren den Einsatz eines Glasmikroreaktors zur Untersuchung von Hochdruckchemie und überkritischen Flüssigkeitsprozessen20. Sie enthalten Ergebnisse als Finite-Elemente-Simulation der Spannungsverteilung, um das mechanische Verhalten modularer Geräte unter der Last zu untersuchen. Sie verwenden nicht permanente modulare Verbindungen für die austauschbare Mikroreaktorfertigung, und die Silizium/Pyrex-Mikrofluidgeräte sind nicht transparent; Diese Geräte eignen sich für kinematische Untersuchungen, Synthese und Produktion in der chemischen Reaktionstechnik, bei denen die Visualisierung nicht im Vordergrund steht. Der Mangel an Transparenz macht diese Plattform ungeeignet für die direkte, in situ Visualisierung komplexer Flüssigkeiten in Ersatzmedien. Paydar und Kollegen präsentieren eine neue Möglichkeit, modulare Mikrofluidik mit 3D-Druck zu prototypisieren21. Dieser Ansatz scheint nicht gut für Hochdruckanwendungen geeignet zu sein, da er ein photoheilbares Polymer verwendet und die Geräte nur bis zu 0,4 MPa standhalten können. Die meisten mikrofluidischen experimentellen Studien im Zusammenhang mit dem Transport in gebrochenen Systemen, die in der Literatur berichtet werden, konzentrieren sich auf Umgebungstemperatur und relativ niedrige Druckbedingungen1. Es gab mehrere Studien mit dem Schwerpunkt auf der direkten Beobachtung mikrofluidischer Systeme, die unterirdische Bedingungen nachahmen. So führen Jimenez-Martinez und Kollegen zwei Studien zu kritischen Porenstrom- und Transportmechanismen in einem komplexen Netzwerk von Frakturen und Matrixen ein.22,23. Die Autoren untersuchen dreiphasige Systeme mit Mikrofluidik unter Reservoirbedingungen (8,3 MPa und 45 °C) für die Produktionseffizienz; sie bewerten scCO2 Restimulation, wenn die übrig gebliebene Sole eines vorherigen Frakturierens mit CO2 und den Restkohlenwasserstoff23. Ölnasse Silizium-Mikrofluid-Geräte sind für das Mischen von Öl-Sole-ScCO relevant2 in Enhanced Oil Recovery (EOR)-Anwendungen; Diese Arbeit befasst sich jedoch nicht direkt mit der Porendynamik bei Frakturen. Ein weiteres Beispiel ist die Arbeit von Rognmo et al., die einen Upscaling-Ansatz für Hochdruck-IN-situ-CO untersuchen.2 Schaumerzeugung24. Die meisten Berichte in der Literatur, die Mikrofertigung nutzen, betreffen CO2-EOR und sie enthalten oft keine wichtigen Fertigungsdetails. Nach bestem Wissen der Autoren fehlt derzeit ein systematisches Protokoll zur Herstellung hochdruckfähiger Geräte für bruchförmige Formationen in der Literatur.
Diese Arbeit präsentiert eine mikrofluidische Plattform, die die Untersuchung von scCO2 Schaumstrukturen, Blasenformen, Größen und Verteilung, Lamellenstabilität in Gegenwart von Öl für EOR und hydraulische Fracturing und Aquifer-Sanierung Anwendungen ermöglicht. Das Design und die Herstellung von mikrofluidischen Geräten mittels optischer Lithographie und selektiver Laser-induzierter Radierung29 (SLE) werden diskutiert. Darüber hinaus beschreibt diese Arbeit Frakturmuster, die den Transport von Flüssigkeiten in gebrochenen engen Formationen simulieren sollen. Simulierte Pfade können von vereinfachten Mustern bis hin zu komplexen Mikrorissen auf der Grundlage von Tomographiedaten oder anderen Methoden reichen, die Informationen über realistische Frakturgeometrien liefern. Das Protokoll beschreibt Schritt-für-Schritt-Fertigungsanweisungen für mikrofluidische Glasgeräte mit Photolithographie, Nassätzung und thermischer Verklebung. Eine eigens entwickelte kollimierte Ultraviolett-Lichtquelle (UV) wird verwendet, um die gewünschten geometrischen Muster auf eine dünne Schicht von Photoresist zu übertragen, die schließlich in einem Nassätzverfahren auf das Glassubstrat übertragen wird. Im Rahmen der Qualitätssicherung werden die geätzten Muster mittels konfokaler Mikroskopie charakterisiert. Als Alternative zur Photolithographie/Nassätzung wird eine SLE-Technik eingesetzt, um ein mikrofluidisches Gerät zu erstellen und eine vergleichende Analyse der Plattformen wird vorgestellt. Der Aufbau für Strömungsexperimente umfasst Gasflaschen und Pumpen, Druckregler und Messumformer, Fluidmischer und -akkumulatoren, mikrofluidische Vorrichtungen, Hochdruckfähige Edelstahlhalter sowie eine hochauflösende Kamera und ein Beleuchtungssystem. Schließlich werden repräsentative Proben von Beobachtungen aus Strömungsexperimenten vorgestellt.
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Protocol
VORSICHT: Dieses Protokoll umfasst die Handhabung eines Hochdruck-Setups, eines Hochtemperaturofens, gefährlicher Chemikalien und UV-Licht. Bitte lesen Sie alle relevanten Materialsicherheitsdatenblätter sorgfältig durch und befolgen Sie die Chemikaliensicherheitsrichtlinien. Überprüfen Sie die Sicherheitsrichtlinien für die Druckprüfung (hydrostatisch und pneumatisch), einschließlich der erforderlichen Schulung, des sicheren Betriebs aller Geräte, der damit verbundenen Gefahren, der Notfallkontakte usw. vor Beginn des Injektionsprozesses.
1. Entwerfen geometrischer Muster
- Entwerfen Sie eine Fotomaske mit geometrischen Merkmalen und Fließwegen von Interesse (Abbildung 1, Ergänzende Datei 1: Abbildung S1).
- Definieren Sie den Begrenzungsrahmen (Oberfläche des Geräts), um die Fläche des Substrats zu identifizieren und die Konstruktion auf die Abmessungen des gewünschten Mediums zu beschränken.
- Design Ein-/Auslassanschlüsse. Wählen Sie die Anschlussabmessungen (in diesem Fall z. B. 4 mm Durchmesser), um eine relativ gleichmäßige Schaumverteilung vor dem Betreten des Mediums zu erreichen (Abbildung 1).
- Bereiten Sie eine Fotomaske des entworfenen geometrischen Musters vor, indem Sie das Design auf ein Blatt transparenter Folie oder ein Glassubstrat drucken.
- Extrudieren Sie das zweidimensionale Design in die dritte Dimension und integrieren Sie Ein- und Auslassanschlüsse (für den Einsatz in SLE).
HINWEIS: Die SLE-Technik erfordert eine dreidimensionale Zeichnung (Abbildung 2).
- Extrudieren Sie das zweidimensionale Design in die dritte Dimension und integrieren Sie Ein- und Auslassanschlüsse (für den Einsatz in SLE).
2. Übertragen Sie die geometrischen Muster auf das Glassubstrat mittels Photolithographie
HINWEIS: Etchants und Piranha-Lösungen müssen mit äußerster Sorgfalt behandelt werden. Es wird empfohlen, persönliche Schutzausrüstungen wie Gesichtsschutz, Schutzbrille, Handschuhe und die Verwendung von säure-/korrosionsbeständiger Pinzette(Materialtabelle) zu verwenden.
- Bereiten Sie die lösungen vor, die im Nassätzprozess erforderlich sind, indem Sie diese Schritte ausführen (siehe auch die elektronischen unterstützenden Informationen als Ergänzende Datei 1).
- Gießen Sie eine ausreichende Menge an Chrom-Etchant-Lösung in einem Becher, so dass das Substrat in den Etchant getaucht werden kann. Erhitzen Sie die Flüssigkeit auf ca. 40 °C.
- Bereiten Sie eine Lösung des Entwicklers(Tabelle der Materialien) in entionisiertem Wasser (DI-Wasser) mit einem volumentrüben Verhältnis von 1:8 vor, so dass das Substrat vollständig in der Mischung untertauchen kann.
- Bedrucken Sie das geometrische Muster auf einem Borosilikatsubstrat, das mit einer Chromschicht und einer Schicht von Photoresistenz mit UV-Bestrahlung beschichtet ist.
- Mit handschuhen legen Sie die Maske (Glassubstrat oder die transparente Folie mit dem geometrischen Muster) direkt an der Seite des mit Chrom und Photoresist bedeckten Borosilikatsubstrats ab.
- Platzieren Sie die Fotomaske und die Substratkombination unter das UV-Licht mit der Fotomaske zur Quelle.
HINWEIS: Diese Arbeit verwendet UV-Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm (um die Spitzenempfindlichkeit des Photowiderstands zu entsprechen) und mit einer durchschnittlichen Intensität von 4,95 mW/cm2. - Übertragen Sie das geometrische Muster in die Ebene des Photowiderstands, indem Sie den Stapel des Substrats und der Maske UV-Licht aussetzen.
HINWEIS: Die optimale Belichtungszeit ist eine Funktion der Dicke der Photoresist-Schicht und der Stärke der UV-Strahlung. Photoresist ist lichtempfindlich und der gesamte Prozess der Prägung des Musters muss in einem dunklen Raum mit gelber Beleuchtung durchgeführt werden.
- Entwickeln Sie den Photoresist.
- Entfernen Sie die Fotomaske und den Substratstapel mit Handschuhen von der UV-Bühne.
- Entfernen Sie die Fotomaske und tauchen Sie das Substrat in die Entwicklerlösung für ca. 40 s, wodurch das Muster auf den Photoresist übertragen wird.
- Kaskadenspülen Sie das Substrat, indem Sie DI-Wasser von der Oberseite des Substrats und über alle seine Oberflächen mindestens dreimal fließen lassen und das Substrat trocknen lassen.
- Ätzen Sie das Muster in der Chromschicht.
- Untertauchen Sie das Substrat in einem auf ca. 40 °C erhitzten Chrom-Etchant für ca. 40 s, wodurch das Muster vom Photoresist auf die Chromschicht übertragen wird.
- Entfernen Sie das Substrat aus der Lösung, kaskadieren Sie das Substrat mit DI-Wasser und lassen Sie es trocknen.
- Ätzen Sie das Muster im Borosilikatsubstrat.
HINWEIS: Ein gepufferter Etchant (Materialtabelle) wird verwendet, um das geometrische Muster auf das Glassubstrat zu übertragen. Vor der Verwendung des gepufferten Etchants wird die Rückseite des Substrats mit einer Photoresistschicht beschichtet, um es vor dem Etchant zu schützen. Die Dicke dieser Schutzschicht ist für den gesamten Herstellungsprozess unerheblich.- Mit einem Pinsel mehrere Schichten Hexamethyldisilazan (HMDS) auf die unbedeckte Fläche des Substrats auftragen und trocknen lassen.
HINWEIS: HMDS fördert die Haftung von Photoresist an der Oberfläche des Borosilikatsubstrats. - Tragen Sie eine Ebene photoresist auf die Grundierung auf. Legen Sie das Substrat in einen Ofen bei 60-u201290 °C für 30–40 min.
- Gießen Sie eine ausreichende Menge des Etchant in einen Kunststoffbehälter und tauchen Sie das Substrat vollständig in den Etchant.
HINWEIS: Die Ätzrate wird durch die Konzentration, Temperatur und Dauer der Exposition beeinflusst. Der gepufferte Etchant, der in dieser Arbeit verwendet wird, ätzt mit einem Durchschnitt von 1'u201210 nm/min. - Lassen Sie das gemusterte Substrat in der etchant-Lösung für eine vorgegebene Zeit zeitabhängig auf der Grundlage der gewünschten Kanaltiefen.
HINWEIS: Die Ätzzeit kann durch intermittierende Badbeschallung der Lösung verkürzt werden. - Entfernen Sie das Substrat aus dem Etchant mit einer lösungsmittelbeständigen Pinzette und kaskadieren Sie das Substrat mit DI-Wasser.
- Charakterisieren Sie die geätzten Eigenschaften auf dem Substrat, um sicherzustellen, dass die gewünschten Tiefen erreicht wurden.
HINWEIS: Diese Charakterisierung kann mit einem Laserscanning-Konfokalmikroskop erfolgen (Abbildung 3). In dieser Arbeit wird eine 10-fache Vergrößerung für die Datenerfassung verwendet. Sobald die Kanaltiefen zufriedenstellend sind, bewegen Sie sich in die Reinigungs- und Verklebungsphase.
- Mit einem Pinsel mehrere Schichten Hexamethyldisilazan (HMDS) auf die unbedeckte Fläche des Substrats auftragen und trocknen lassen.
3. Reinigen und Verklebung
- Entfernen Sie photoresist- und chrome-Schichten.
- Entfernen Sie den Photoresist aus dem Substrat, indem Sie das Substrat einem organischen Lösungsmittel aussetzen, wie z. B. N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP)-Lösung, die mit einer Kochplatte unter einer Haube auf ca. 65 °C erhitzt wird.
- Kaskadenspülen Sie das Substrat mit Aceton (ACS-Grad), gefolgt von Ethanol (ACS-Grade) und DI-Wasser.
- Legen Sie das gereinigte Substrat mit einer Kochplatte unter einer Haube ca. 1 min in Chrometchant erhitzt auf ca. 40 °C und entfernen Sie so die Chromschicht aus dem Substrat.
- Sobald das Substrat frei von Chrom und Photoresist ist, charakterisieren Sie die Kanaltiefen mittels Laserscanning konfokale Mikroskopie.
ANMERKUNG: Diese Arbeit verwendet eine 10-fache Vergrößerung für die Datenerfassung (Abbildung 4).
- Bereiten Sie die Abdeckplatte und das geätzte Substrat zum Verkleben vor.
- Markieren Sie die Positionen der Ein-/Auslasslöcher auf einem leeren Borosilikatsubstrat (Abdeckplatte), indem Sie die Abdeckplatte gegen das geätzte Substrat ausrichten.
- Blast Durchgangslöcher in den markierten Stellen mit einem Mikro-Schleifsandblaster und 50 m Aluminium-Oxid-Mikrosandstrahlmedien.
HINWEIS: Alternativ können die Ports mit einem mechanischen Bohrer erstellt werden. - Kaskadenspülen sowohl das geätzte Substrat als auch die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
- Führen Sie ein RCA-Wafer-Reinigungsverfahren durch, um Verunreinigungen vor dem Verkleben mit Standardtechnik zu entfernen. Führen Sie die Waferreinigungsschritte unter einer Haube aufgrund der Volatilität der am Prozess beteiligten Lösungen durch.
- Bringen Sie eine 1:4 volumenH2O2:H2SO4 Piranha Lösung zum Kochen und tauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte in der Lösung für 10 min unter einer Haube.
- Kaskade spülen das Substrat und die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
- Untertauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte in der gepufferten Etchant für 30-40 s.
- Kaskade spülen das Substrat und die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
- Substrat und Abdeckplatte 10 min in einem 6:1:1 Volumen DI-Wasser untertauchen:H2O2:HCl Lösung, die auf ca. 75 °C erhitzt wird.
HINWEIS: Ätzen und Kleben werden vorzugsweise in einem Reinraum durchgeführt. Wenn kein Reinraum verfügbar ist, wird empfohlen, die folgenden Schritte in einer staubfreien Umgebung auszuführen. In dieser Arbeit werden die Schritte 3.2.9–3.2.12 in einem Handschuhkasten ausgeführt, um die Möglichkeit einer Kontamination der Substrate zu minimieren. - Drücken Sie das Substrat und die Abdeckplatte beim Untertauchen fest gegeneinander.
- Entfernen Sie das Substrat und die Abdeckplatte aus DI-Wasser:H2O2:HCl Lösung. Kaskadenspülen mit DI-Wasser und tauchen in DI-Wasser ein.
- Stellen Sie sicher, dass das Substrat und die Abdeckplatte fest miteinander verbunden sind und entfernen Sie die beiden vorsichtig, während sie aus DI-Wasser gegeneinander gedrückt werden.
- Verkleben Sie die Substrate thermisch.
- Legen Sie die gestapelten Substrate (das geätzte Substrat und die Abdeckplatte) zwischen zwei glatten, 1,52 cm dicken Glaskeramikplatten zum Verkleben.
- Platzieren Sie die Glaskeramikplatten zwischen zwei Metallplatten aus Legierung X(Materialtisch), die den geforderten Temperaturen ohne nennenswerte Verzerrung standhalten können.
- Zentrieren Sie die Glaswafer im keramik-metallischen Halter.
HINWEIS: Bei dieser Arbeit werden Glaskeramikplatten verwendet, die 10 cm x 10 cm x 1,52 cm dick sind. Das gestapelte Setup wird mit 1/4" Schrauben und Muttern gesichert (Abbildung 5). - Die Muttern von Hand festziehen und den Halter 60 min bei ca. 100 °C in eine Vakuumkammer stellen.
- Entfernen Sie den Halter aus der Kammer und ziehen Sie die Muttern vorsichtig mit ca. 10 lb-in des Drehmoments fest.
- Legen Sie den Halter in einen Ofen und führen Sie das folgende Heizprogramm aus. Die Temperatur bei 1 °C/min auf 660 °C anheben; halten Sie die Temperatur konstant bei 660 °C für 6 h gefolgt von einem Abkühlschritt bei ca. 1 °C/min zurück auf Raumtemperatur.
- Entfernen Sie das thermisch gebundene mikrofluidische Gerät, spülen Sie es mit DI-Wasser, legen Sie es in HCl (12,1 M) und Bad-Sonicat (40 kHz bei 100 W Leistung) die Lösung für eine Stunde(Abbildung 6).
4. Herstellung von lasergeätzten Glas mikrofluidischen Geräten
HINWEIS: Die Herstellung des Geräts erfolgte durch einen 3D-Druckservice für Glas(Tabelle)eines Drittanbieters über ein SLE-Verfahren und die Verwendung eines geschmolzenen Kieselsäuresubstrats als Vorläufer.
- Schreiben Sie das gewünschte Muster in ein geschmolzenes Kieselsäuresubstrat mit einem linear polarisierten Laserstrahl, der senkrecht zur Stufe ausgerichtet ist, die über eine Femtosekunden-Laserquelle mit einer Pulsdauer von 0,5 ns, einer Wiederholungsrate von 50 kHz, einer Pulsenergie von 400 nJ und einer Wellenlänge von 1,06 m erzeugt wird.
- Entfernen Sie das Glas aus dem geschriebenen Muster im geschmolzenen Kieselsäuresubstrat mit einer KOH-Lösung (32 Gew.) bei 85 °C mit Ultraschallbeschallung (Abbildung 7).
5. Hochdruckprüfungen durchführen
- Sättigen Sie das mikrofluidische Gerät mit der Resident-Flüssigkeit (z. B. DI-Wasser, Tensidlösung, Öl usw., je nach Art des Experiments) mit einer Spritzenpumpe.
- Bereiten Sie schaumerzeugende Flüssigkeiten und verwandte Instrumente vor.
- Bereiten Sie die Solelösung (Resident Fluid) mit dem gewünschten Salzgehalt vor und lösen Sie das Tensid (wie Lauramidopropylbetain und Alpha-Olefin-Sulfonat) mit der gewünschten Konzentration (entsprechend der kritischen Micelle-Konzentration des Tensids) in der Sole auf.
- Füllen Sie die Tanks derCO2- und Wasserpumpen mit ausreichend Flüssigkeiten pro Experiment bei Raumtemperatur.
- Füllen Sie den Soleakkumulator und die Fließlinien mit der Tensidlösung mit einer Spritze. Diese Arbeit verwendet einen Akku mit einer Kapazität von 40 ml.
- Spülen Sie die Solelinie mit der Solelösung.
- Spülen Sie die Leitung, die den Akku an das Gerät und die Auslassleitungen mit der Resident-Flüssigkeit verbindet (in diesem Fall die Solelösung).
- Legen Sie das gesättigte mikrofluidische Gerät in einen druckfesten Halter und schließen Sie die Ein-/Auslassanschlüsse mit den entsprechenden Leitungen mit 0,010" Innendurchmesserrohren an (Abbildung 8, Zusatzdatei 1: Abbildung S5).
- Erhöhen Sie die Temperatur des Zirkulierenden Bades, das die Temperatur der Sole- undCO2-Leitungen steuert, auf die gewünschte Temperatur (z. B. 40 °C hier (Abbildung 9)).
- Überprüfen Sie alle Zeilen, um die Integrität des Setups vor der Injektion zu gewährleisten.
- Generieren Sie den Schaum.
- Beginnen Sie mit der Injektion der Sole mit einer Rate von 0,5 ml/min und überprüfen Sie den Fluss der Tensidlösung in das Gerät und die Gegendruckleitung.
- Erhöhen Sie den Gegendruck und den Solepumpendruck gleichzeitig in schrittweisen Schritten (ca. 0,006 MPa/s) bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Durchflusses vom Ausgang des Gegendruckreglers (BPR). Erhöhen Sie den Druck auf 7,38 MPa (mindestens erforderlich scCO2 Druck) und stoppen Sie die Pumpen.
- Erhöhen Sie denCO2-Leitungsdruck auf einen Druck über 7,38 MPa (mindestens scCO2 Druck).
- Öffnen Sie das CO2-Ventil und lassen Sie den scCO2 gemischt mit der Hochdruck-Tensidlösung durch einen Inline-Mischer fließen, um Schaum zu erzeugen.
- Warten Sie, bis der Fluss im Inneren des Geräts vollständig entwickelt ist und die Kanäle gesättigt sind. Überwachen Sie den Auslass für den Beginn der Schaumerzeugung.
ANMERKUNG: Hilfsanschlüsse können verwendet werden, um das Medium vollständig mit der ansässigen Flüssigkeit vorzusät (Abbildung 1). Inkonsistenzen in der Druckaufbereitung und plötzliche Erhöhungen der BPR können zu Bruch führen (Abbildung 10). Flüssigkeitsdrücke und Gegendruck müssen schrittweise erhöht werden, um das Risiko von Schäden am Gerät zu minimieren.
- Führen Sie Echtzeit-Bildgebung und Datenanalyse durch.
- Schalten Sie die Kamera ein, um detaillierte Strömungsbilder innerhalb der Kanäle zu erfassen. Diese Arbeit verwendet eine Kamera mit einem 60 Megapixel, monochromatische, Vollformat-Sensor.
- Starten Sie die dedizierte Shutter-Steuerungssoftware (Tabelle der Materialien). Wählen Sie eine Verschlusszeit von 1/60, ein Brennverhältnis (f-Zahl) von f/8.0, und wählen Sie das entsprechende Objektiv aus.
- Starten Sie die dedizierte Kamerasoftware (Tabelle der Materialien). Wählen Sie die Kamera, das gewünschte Format (z.B. IIQL) und eine ISO-Einstellung von 200 im Pulldown-Menü unter der Einstellung "CAMERA" der Software aus.
- Passen Sie den Arbeitsabstand der Kamera nach Bedarf an das Medium an, um sich auf das Medium zu konzentrieren. Erfassen Sie Bilder in vorgeschriebenen Zeitintervallen, indem Sie die Aufnahmetaste in der Software drücken.
- Unterdrücken Sie das System wieder auf Umgebungsbedingungen.
- Stop-Injektion (Gas- und Flüssigkeitspumpen), schließen Sie die EINlässe CO2 und Solepumpen, öffnen Sie die restlichen Leitungsventile und schalten Sie die Heizungen aus.
- Verringern Sie den Gegendruck schrittweise (z. B. mit einer Rate von 0,007 MPa/s), bis das System Umgebungsdruckbedingungen erreicht. Verringern Sie die Sole- undCO2-Pumpendrücke getrennt.
HINWEIS: Eine Verringerung des scCO 2-Drucks kann zu einem inkonsistenten oder turbulenten BPR-Abfluss führen, daher muss der Druckabzug mit der erforderlichen Sorgfalt ausgeführt werden.
- Reinigen Sie das mikrofluidische Gerät nach jedem Experiment gründlich, indem Sie die folgende Lösungsfolge durch das Medium fließen: Isopropanol/Ethanol/Wasser (1:1:1), 2 M HCl-Lösung, DI-Wasser, eine Grundlösung (DI-Wasser/NH4OH/H2O2 bei 5:5:1) und DI-Wasser.
- Nach dem Prozess gesammelte Bilder.
- Isolieren Sie die Porenlandschaft, indem Sie den Hintergrund von den Bildern ausschließen.
- Korrigieren Sie kleinere Fehlausrichtungen, indem Sie eine perspektivische Transformation durchführen und eine lokale Schwellenwertstrategie implementieren, die erforderlich ist, um eine ungleichmäßige Beleuchtung zu berücksichtigen28.
- Berechnen Sie geometrische und statistische Parameter, die für das Experiment relevant sind, wie die durchschnittliche Blasengröße, die Blasengrößenverteilung und die Blasenform für jeden Schaum mikrostrukturalen Bilder im Kanal.
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Representative Results
Dieser Abschnitt zeigt Beispiele für physikalische Beobachtungen von scCO2 Schaumdurchfluss durch eine Hauptfraktur, die mit einer Reihe von Mikrorissen verbunden ist. Ein mikrofluidisches Glasgerät aus Licht umfangsbildenden Geräten, das über Photolithographie oder SLE hergestellt wird, befindet sich in einem Halter und im Sichtfeld einer Kamera mit einem 60 Megapixel, monochromatischen Vollformatsensor. Abbildung 11 zeigt den Prozess der Herstellung mikrofluidischer Geräte und ihre Platzierung im Versuchsaufbau. Abbildung 12 zeigt denCO2-Schaumtransport und die Stabilität in der UV-Lithographie-Mikrofluidanlage (4 MPa und 40 °C) während der ersten 20 min Erzeugung/Isolation. Die mehrphasige Überquerung der Frakturen/Mikrorisse und Schaum wurde durch die Mikrofrakturen erzeugt. Abbildung 13 zeigt die ScCO2-Schaumerzeugung in einem SLE-Mikrofluidgerät (7,72 MPa und 40 °C) von Umgebungszustand ohne Durchfluss bis hin zu voll entwickeltem ScCO2-Schaum bei hohen und niedrigen Durchflussraten. Abbildung 14 zeigt Bilder der Schaumverteilung und -stabilität unter Reservoirbedingungen (7,72 MPa und 40 °C) während der ersten 20 min Erzeugung/Isolation. Abbildung 15 zeigt die Verteilung der Blasendurchmesser und der Roh- und Zwischenbilder als Teil der Quantifizierung der Schaummikrostruktur, einschließlich, Rohbild, nachbearbeitetes Bild mit verbesserter Helligkeit, Kontrast und Schärfe, und seinem binarisierten Äquivalent.
Abbildung 1: Beispiel-Fotomaskendesigns für die Herstellung von mikrofluidischen Geräten (schwarze und weiße Farben werden aus Gründen der Übersichtlichkeit invertiert). (a) Gesamtes Sichtfeld für ein angeschlossenes Bruchnetz, das einen Hauptbruch und Mikrorisse enthält. (b) Vergrößerte Ansicht des Hauptmerkmals, das ein verbundenes Bruchnetz mit einer Hauptfraktur und Mikrorissen enthält. (c) Ein dritter Port wird unten hinzugefügt. (d) Vergrößerte Ansicht des Hauptmerkmals, das ein verbundenes Bruchnetz mit einem Hauptbruch und Mikrorissen sowie ein Verteilungsnetz enthält, das das Netzwerk mit dem Anschluss am Unteren Rand des Geräts verbindet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: 3D Microfludic Design, das in der SLE-Fertigung und beim Hochdruckschaumdurchfluss durch Mikrokanäle verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Untersuchung der Kanaltiefe mittels konfokaler Mikroskopie für substratgetauchtes Substrat für 136 h (in diesem Fall keine Beschallung). (a) Kanalübersicht (b) Kanaltiefenmessung (ca. 43 m). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Untersuchung der Kanaltiefe mittels konfokaler Mikroskopie für ein Substrat mit Chromschicht, das nach dem NMP-Spülen entfernt wird. (a) Kanalübersicht. (b) Messung der Kanaltiefe (ca. 42,5 m). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Schematic des thermischen Klebeprozesses. (a) Platzieren von zwei Glaswafern zwischen zwei glatten Keramikplatten. (b) Platzieren der Keramikplatten zwischen zwei Metallplatten und Anziehen der Schrauben. (c) Platzieren des metallischen und keramischen Halters, der die Substrate in einem programmierbaren Ofen enthält, um die gewünschten Temperaturen für die thermische Verklebung zu erreichen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Das fertige mikrofluidische Gerät aus UV-geätztem Glas. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: SLE-Design- und Herstellungsprozess. (a) Schematic des SLE-Entwurfs- und Herstellungsprozesses (diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Elsevier27) und (b) dem resultierenden 3D-gedruckten mikrofluidischen Gerät nachgedruckt. Design- und Fertigungsschritte umfassen (a.i) die Gestaltung des inneren Volumens von Kanälen, (a.ii) Schneiden des 3D-Modells, um einen Z-Stack von Linien zu erstellen, um den Laserpfad zu definieren, (a.iii) Laserbestrahlung auf dem polierten geschmolzenen Kieselsäuresubstrat, (a.iv) bevorzugte KOH-Ätzung von lasergeätzten Materialien und (a.v) das fertige Produkt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Mikrofluidisches Gerät, das sich in einem Halter befindet, und das Bildgebungssystem, das aus einer hochauflösenden Kamera und einem Beleuchtungssystem besteht. (a) Ein Foto des Laboraufbaus und (b) Schaltplan eines Labors auf einem Chip unter Beobachtung über die hochauflösende Kamera und Beleuchtungssystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Hochdruck-ScCO 2-Schauminjektions-Setup in ein mikrofluidisches Gerät und ein Visualisierungssystem mit einer hochauflösenden Kamera und Bildverarbeitungseinheit. (a) Foto des Laboraufbaus und (b) Schaltplan des Prozessflussdiagramms und der Bildverarbeitungseinheit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Entklebungsvorrichtung an einem Injektionsanschluss (rechter Eingang) als Folge einer falschen Handhabung des Druckprofils durch BPR und Wasserpumpe während der Injektion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 11: Vergleichende Herstellungsmethoden für mikrofluidische Glasgeräte. (a) Herstellungsprozess für gebrochene Medien mikrofluidische Gerät mit Foto-Lithographie (a.i) Design für einen positiven Photoresist, (a.ii) gedruckte Fotomaske auf einer Polyester-basierten Transparenzfolie, (a.iii) blanke und photoresist/chrome coated glass substrates, (a.iv) Transfer des Musters auf das Substrat über UV-Strahlung, (a.v) geätztes Substrat, (a.vi) geätztes Substrat nach Chromschichtentfernung und das für die thermische Verklebung vorbereitete Blankubstrat, (a.vii) thermisch gebundenes Gerät und (a.viii) scCO2 (b) Herstellung mit der SLE-Technik: (b.i) Design für den SLE-Druck, (b.ii) Laserbestrahlung auf dem polierten geschmolzenen Kieselsäuresubstrat, (b.iii) SLE-gedrucktes Glas mikrofluidisches Gerät und (b.iv) scCO2 Injektion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 12:CO2-Schaumtransport und Stabilität im mikrofluidischen UV-Lithographiegerät (4 MPa und 40 °C) während der ersten 20 min Erzeugung/Isolation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 13: scCO2 Schaumerzeugung im SLE-Mikrofluidgerät (7,72 MPa und 40 °C). (a) Umgebungszustand ohne Durchfluss durch die Mikrokanäle. (b) Koinjektion vonCO2 und wässriger Phase (mit Tensid oder Nanopartikeln) in überkritischem Zustand. (c) Beginn der scCO2 Schaumerzeugung 0,5 min nach Beginn der Koinjektion. (d) Voll entwickelter ScCO2-Schaum mit hohen Durchflussraten (e) Senkung der Durchflussraten der Co-Injektion, um die Grenzen der Mehrphasen zu offenbaren. (f) Tief niedrige Durchflussraten zeigen in der wässrigen Phase dispergierte scCO2-Blasen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 14: Visualisierung der Schaumstabilität unter Reservoirbedingungen (7,72 MPa und 40 °C) während der ersten 20 min Erzeugung/Isolation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 15: Analyse der Schaummikrostruktur. (a) Bild des scCO2 Schaumflusses im Frakturnetzwerk, (b) nachverarbeitetes Bild mit verbesserter Helligkeit, Kontrast und Schärfe, (c) binarisiertes Bild mit ImageJ und (d) Blasendurchmesserverteilungsprofil, das aus ImageJ, Partikelanalysemodus, gewonnen wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 16: Abbildung der hausinternen kollimierten UV-Lichtquelle. (a) Fotografie und (b) schaltplanist eines Labor-UV-Lichtständers mit LED-Lichtquellen und einer Bühne. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 17: Farbkodierte Stolot ungegnette UV-Intensität in einem Bereich von 10 x 10cm2 der Stufe, in der das Substrat für uv-belichtunglich platziert wird. Die UV-Intensitätswerte liegen zwischen 4 und 5 mW/cm2, wie sie mit einem UV-Messgerät aufgezeichnet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Datei 1. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Diese Arbeit stellt ein Protokoll im Zusammenhang mit einer Fertigungsplattform dar, um robuste, Hochdruckglas-Mikrofluid-Geräte zu erstellen. Das in dieser Arbeit vorgestellte Protokoll lindert die Notwendigkeit eines Reinraums, indem mehrere der letzten Fertigungsschritte in einem Handschuhkarton ausgeführt werden. Die Verwendung eines Reinraums, sofern verfügbar, wird empfohlen, um das Kontaminationspotenzial zu minimieren. Darüber hinaus sollte die Wahl des Etchants auf der gewünschten Oberflächenrauheit basieren. Die Verwendung einer Mischung aus HF und HCl als Etchant neigt dazu, oberflächenrauhe Neinen zu reduzieren30. Diese Arbeit beschäftigt sich mit mikrofluidischen Plattformen, die eine direkte, in situ-Visualisierung des Transports komplexer Flüssigkeiten in komplexen, durchlässigen Medien ermöglichen, die die komplexen Strukturen von unterirdischen Medien von Interesse getreu darstellen. Als solche verwendet diese Arbeit einen gepufferten Etchant, der die Untersuchung von Massentransfer und Transport in Ersatzmedien ermöglicht, die geologischen durchlässigen Medien ähneln.
Design von Mustern
Die Muster werden mit einer computergestützten Konstruktionssoftware (Tabelle der Materialien) erstellt und die Features sollen Fakten und Mikrorisse darstellen, um transportundstabil schaumstoffisch zu untersuchen (siehe Abbildung 1). Diese Muster können auf eine kontrastreiche, transparente Folie auf Polyesterbasis oder auf einer Borofloat- oder Quarzplatte (Fotomaske) gedruckt werden. Die in der Photolithographie verwendeten Muster bestehen aus einem Hauptkanal, 127 m breit und 2,2 cm lang, der als Hauptfraktur dient. Dieser Kanal ist mit einer Reihe von Mikrofrakturen mit verschiedenen Abmessungen oder einem durchlässigen Medium verbunden, das aus einem Array von kreisförmigen Pfosten mit Durchmessern von 300 m besteht, die mit der Mitte des Bruchwegs verbunden sind. Zusätzliche Hilfsanschlüsse können in das Design einbezogen werden, um bei der anfänglichen Sättigung der Hauptmerkmale, z. B. Frakturen, zu helfen.
Photoresist
Diese Arbeit verwendet einen positiven Photoresist. Dadurch sind die Bereiche in der Konstruktion, die Merkmalen entsprechen, die auf dem Substrat geätzt werden sollen, optisch transparent und die anderen Bereiche behindern die Lichtübertragung (kollimiertes UV-Licht). Bei negativen Photowiderständen wäre die Situation umgekehrt: Die Bereiche im Design, die den Merkmalen entsprechen, die auf dem Substrat geätzt werden sollen, müssen optisch nicht transparent sein.
UV-Lichtquelle
Die Muster werden auf den Photoresist übertragen, indem seine Löslichkeit durch die Exposition gegenüber UV-Licht verändert wird. Eine Vollspektrum-Quecksilberdampflampe kann als UV-Quelle dienen. Die Verwendung einer kollimierten, schmalbandigen UV-Quelle verbessert jedoch die Qualität und Präzision der Fertigung erheblich. Diese Arbeit verwendet einen Photoresist mit Spitzenempfindlichkeit bei 365 nm, eine kollimierte UV-Quelle, die aus einer Reihe von Leuchtdioden (LED) besteht, und einer Belichtungszeit von ca. 150 s. Diese UV-Quelle ist eine im eigenen Haus entwickelte und bietet eine wartungsarme, geringe Divergenz, kollimierte UV-Lichtquelle für die Lithographie. Die UV-Quelle besteht aus einem quadratischen Array von neun Hochleistungs-LEDs mit einer Zielspitzen-Emissionswellenlänge von 365 nm bei 25 °C (3,45 mm x 3,45 mm UV-LED mit keramischem Substrat – siehe Tabelle der Materialien). Auf jeder LED wird eine lichtsammelnde UV-Linse (LED 5 W UV-Objektiv – siehe Materialtabelle) verwendet, um die Divergenz von 70° auf 12° zu reduzieren. Die Divergenz wird durch die Verwendung eines 3 x 3 Arrays von neun konvergierenden Polyvinylchlorid (PVC) Fresnel-Objektiven weiter reduziert (ca. 5°). Das Setup erzeugt kollimierte und gleichmäßige UV-Strahlung über eine quadratische Fläche von 3,5 Zoll. Die Details der Herstellung dieser kostengünstigen Lichtquelle für die UV-Lithographie sind an die von Erickstad und Kollegen25 mit kleineren Modifikationen15,26vorgestellte Methode angepasst. Abbildung 16 zeigt die LED-UV-Lichtquelle, die auf der Zelle von UV-Ständer neben der Bühne am Boden für substratige UV-Exposition montiert ist (das Verfahren wird in einer Dunkelkammer durchgeführt). Die UV-Stufe ist 82,55 cm von den neun Fresnel-Objektiven entfernt, die auf einem Rack 13,46 cm unter dem Rack, in dem die LEDs untergebracht sind, montiert sind. Wie in Abbildung 16azu sehen, befinden sich vier kleine Lüfter (40 mm x 40 mm x 10 mm 12 V DC-Kühllüfter – siehe Materialtabelle)auf der Unterseite der Platte, die die LEDs beherbergt, und es befindet sich ein größerer Lüfter (120 mm x 38 mm 24 V DC-Kühllüfter – siehe Materialtabelle) auf der Oberseite. Zur Stromversorgung der LEDs werden drei variable DC-Netzteile(Tabelle der Materialien)verwendet. Ein Netzteil speist die Mittlere LED bei 0,15 A, 3,3 V; ein Netzteil speist die vier Eck-LEDs bei 0,6 A, 14,2 V; und ein Netzteil speist die restlichen vier LEDs mit 0,3 A, 13,7 V ein. Die in Abbildung 16bschematisch dargestellte Stufe ist in 1 cm2 Unterbereiche unterteilt und die Intensität des UV-Lichts wird jeweils mit einem UV-Leistungsmesser (Materialtabelle) gemessen, der mit einer 2 W 365 nm Robe-Baugruppe ausgestattet ist. Im Durchschnitt hat das UV-Licht eine durchschnittliche Festigkeit von 4,95 mW/cm2 mit einer Variabilität, die sich durch eine Standardabweichung von 0,61 mW/cm2auszeichnet. Abbildung 17 zeigt ein farbcodiertes Diagramm der UV-Intensitätskarte für diese UV-Lichtquelle. Die Intensität über den Bereich von 10 cm 10 cm ist relativ gleichmäßig mit Werten von 4 bis 5 mW/cm2 in der Mitte der Bühne, wo das Substrat platziert und dem Licht ausgesetzt ist. Weitere Informationen zur Entwicklung der hausinternen kollimierten UV-Lichtquelle finden Sie in ESI, Ergänzende Datei 1: Abbildung S3, S4. Die Verwendung der UV-Quelle kann mit UV-Abschirmungen/Abdeckungen für den sicheren Einsatz gekoppelt werden. Weitere Sicherheitsmaßnahmen können die Verwendung von UV-Schutzbrillen (Laser Eye Protection Safety Glasses for Red und UV Lasers – (190–400 nm)), Gesichtsschutzmitnahmen mit dem Begriff Z87, die den ANSI-Standard (ANSI Z87.1-1989 UV-Zertifizierung) erfüllen, um grundlegende UV-Schutz (Tabelle der Materialien) Laborbeschichtungen und Handschuhe zur Minimierung der Exposition zu bieten.
Fertigungstechniken
Diese Arbeit stellt auch eine Schritt-für-Schritt-Roadmap für Hochdruck-Schauminjektion in hergestellten Glas mikrofluidischen Geräten mit einer hochauflösenden Kamera und einer Beleuchtungsquelle. Beispiele für CO2- und ScCO 2-Schaummikrostruktur und Transport in mikrofluidischen Geräten werden ebenfalls für gebrochene, enge und ultradichte Formationen relevant dargestellt. Die direkte Beobachtung des Transports in diesen unterirdischen Medien ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Als solche bieten die in dieser Arbeit beschriebenen Geräte eine Möglichkeit, den Transport in durchlässigen Medien unter Temperatur- und Druckbedingungen zu untersuchen, die für Oberflächenanwendungen wie gebrochene Medien, EOR-Prozesse und Grundwassersanierung relevant sind.
Die in dieser Arbeit verwendeten Geräte werden mit zwei verschiedenen Techniken hergestellt, nämlich Photolithographie/Nassätzung/Thermische Bindung und SLE. Die Photolithographie/Nassätzung/Thermische-Bindungstechnik umfasst ein relativ kostengünstiges Ätzverfahren mit einer wartungsarmen, kollimierten UV-Lichtquelle. SLE wird mit einer Femto-Sekunden-Laserquelle ausgeführt, gefolgt von der Entfernung von modifiziertem Glas aus der Glasmasse durch Nassätzung. Die wichtigsten Schritte der Photolithographie/Nassätzung/Thermischen Bindungstechnik sind: (i) Erstellung der Karte des Kanalnetzes, ii) Druck des Designs auf Polyester-basierter Transparenzfolie oder einem Glassubstrat, (iii) Übertragung des Musters auf ein chrom/photoresist beschichtetes Borosilikatsubstrat, (iv) Entfernung der exponierten Fläche durch Fotoentwickler und Chrom-Etchant-Lösungen, (v) Ätzen der gemusterten Fläche des Borosilikatsubstrats auf die gewünschte Tiefe, (vi) Vorbereitung einer Deckplatte mit Anfahrtslöchern, die an geeigneten Stellen positioniert sind, und (vii) thermische Bindung des geätzten Substrats. Im Gegensatz dazu verwendet SLE ein zweistufiges Verfahren: (i) selektives laserinduziertes Drucken in einem transparenten geschmolzenen Kieselsäuresubstrat und (ii) selektive Entfernung der modifizierten Materialien durch nasschemische Ätzung, die zur Entwicklung dreidimensionaler Merkmale im geschmolzenen Kieselsäuresubstrat führt. Im ersten Schritt modifiziert die Laserstrahlung durch das geschmolzene Kieselglas intern die Glasmasse, um die chemische/lokale Ätzfähigkeit zu erhöhen. Der fokussierte Laser scannt im Inneren des Glases, um ein dreidimensionales verbundenes Volumen zu ändern, das mit einer der Oberflächen des Substrats verbunden ist.
Beide Techniken führen zu Geräten, die chemisch und physikalisch beständig und tolerant gegenüber hohen Druck- und Temperaturbedingungen sind, die den von Interesse sindden Oberflächensystemen entsprechen. Beide Techniken bieten Wege, um hochpräzise geätzte Mikrokanäle und fähige Lab-on-a-Chip-Geräte zu erstellen. Die Photolithographie/Nassätzung/Thermische-Bindungstechnik ist hinsichtlich der Geometrie der Kanäle robust und kann zum Ätzen komplexer Kanalnetze verwendet werden, während SLE aus praktischen Gründen auf relativ einfache Netzwerke beschränkt ist. Andererseits können Geräte mit Photolithographie/Nassätzung/thermischen Bindungen anfälliger für Bruch aufgrund von Bindungsfehlern, thermischen Restspannungen durch schnelle Heiz-/Kühlraten während der thermischen Bindung und strukturellen Fehlern aus dem Nassätzprozess sein. Im Gegensatz zur Photolithographie wirken SLE-Geräte unter hohem Druck widerstandsfähiger (getestet bis 9,65 MPa). Unabhängig von der Fertigungstechnik können schnelle Druckaufbauraten die Wahrscheinlichkeit mechanischer Ausfälle in mikrofluidischen Geräten erhöhen.
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Disclosures
Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte und Offenlegungen.
Acknowledgments
Die Autoren der University of Wyoming würdigen die Unterstützung im Rahmen des Center for Mechanistic Control of Water-Hydrocarbon-Rock Interactions in Unconventional and Tight Oil Formations (CMC-UF), einem vom Us-Energieministerium finanzierten Energy Frontier Research Center, Office of Science under DOE (BES) Award DE-SC0019165. Die Autoren der University of Kansas möchten den EPSCoR Research Infrastructure Improvement Program: Track -2 Focused EPSCoR Collaboration Award (OIA- 1632892) für die Finanzierung dieses Projekts würdigen. Die Autoren danken Jindi Sun von der Chemical Engineering Department, University of Wyoming, auch für ihre großzügige Hilfe bei der Instrumentenausbildung. SAA dankt Kyle Winkelman von der University of Wyoming für seine Hilfe beim Bau der Bildgebungs- und UV-Ständer. Nicht zuletzt würdigen die Autoren John Wasserbauer von microGlass, LLC für nützliche Diskussionen über die SLE-Technik.
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 |
References
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