Mikrofluidische Fertigungstechniken zur Hochdruckprüfung von mikroskaligen superkritischenCO2-Schaumtransporten in gebrochenen unkonventionellen Reservoirs

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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 überkritischem_CO2-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.

Einleitung

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, Wasserverfügbarkeitsproblemen^2,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 verbesserten_{CO2-Speicherkapazitäten} im Untergrund mit einem potenziell geringeren ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen Fracking-Techniken^6,7,11beiträgt.

Unter optimalen Bedingungen bietet überkritischer_CO2-Schaum (ScCO_2-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 Ressourcen^12,13zu 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 scCO_{2-Schaumsystemen} als effektive Fracking-Systeme dienen¹¹. Die Eigenschaften von_{CO2-Schaumsystemen} für Untergrundanwendungen wurden in verschiedenen Maßstäben ausgiebig untersucht, wie z.B. die Charakterisierung seiner Stabilität und Viskosität in Sandpaketsystemen und seiner Wirksamkeit in Verdrängungsprozessen^{3,6,12,15,16,17}. 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.

Protokoll

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

1. Entwerfen Sie eine Fotomaske mit geometrischen Merkmalen und Fließwegen von Interesse (Abbildung 1, Ergänzende Datei 1: Abbildung S1).
2. 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.
3. 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).
4. Bereiten Sie eine Fotomaske des entworfenen geometrischen Musters vor, indem Sie das Design auf ein Blatt transparenter Folie oder ein Glassubstrat drucken.
   1. 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).

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.

1. 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).
   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.
   2. 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.
2. Bedrucken Sie das geometrische Muster auf einem Borosilikatsubstrat, das mit einer Chromschicht und einer Schicht von Photoresistenz mit UV-Bestrahlung beschichtet ist.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
3. Entwickeln Sie den Photoresist.
   1. Entfernen Sie die Fotomaske und den Substratstapel mit Handschuhen von der UV-Bühne.
   2. Entfernen Sie die Fotomaske und tauchen Sie das Substrat in die Entwicklerlösung für ca. 40 s, wodurch das Muster auf den Photoresist übertragen wird.
   3. 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.
4. Ätzen Sie das Muster in der Chromschicht.
   1. 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.
   2. Entfernen Sie das Substrat aus der Lösung, kaskadieren Sie das Substrat mit DI-Wasser und lassen Sie es trocknen.
5. 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.
   1. 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.
   2. Tragen Sie eine Ebene photoresist auf die Grundierung auf. Legen Sie das Substrat in einen Ofen bei 60-u201290 °C für 30–40 min.
   3. 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.
   4. 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.
   5. Entfernen Sie das Substrat aus dem Etchant mit einer lösungsmittelbeständigen Pinzette und kaskadieren Sie das Substrat mit DI-Wasser.
   6. 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.

3. Reinigen und Verklebung

1. Entfernen Sie photoresist- und chrome-Schichten.
   1. 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.
   2. Kaskadenspülen Sie das Substrat mit Aceton (ACS-Grad), gefolgt von Ethanol (ACS-Grade) und DI-Wasser.
   3. 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.
   4. 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).
2. Bereiten Sie die Abdeckplatte und das geätzte Substrat zum Verkleben vor.
   1. Markieren Sie die Positionen der Ein-/Auslasslöcher auf einem leeren Borosilikatsubstrat (Abdeckplatte), indem Sie die Abdeckplatte gegen das geätzte Substrat ausrichten.
   2. 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.
   3. Kaskadenspülen sowohl das geätzte Substrat als auch die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
   4. 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.
   5. Bringen Sie eine 1:4 volumenH₂O_2:H2SO₄ Piranha Lösung zum Kochen und tauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte in der Lösung für 10 min unter einer Haube.
   6. Kaskade spülen das Substrat und die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
   7. Untertauchen Sie das Substrat und die Abdeckplatte in der gepufferten Etchant für 30-40 s.
   8. Kaskade spülen das Substrat und die Abdeckplatte mit DI-Wasser.
   9. Substrat und Abdeckplatte 10 min in einem 6:1:1 Volumen DI-Wasser untertauchen:H_2O2: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.
   10. Drücken Sie das Substrat und die Abdeckplatte beim Untertauchen fest gegeneinander.
   11. Entfernen Sie das Substrat und die Abdeckplatte aus DI-Wasser:H₂O₂:HCl Lösung. Kaskadenspülen mit DI-Wasser und tauchen in DI-Wasser ein.
   12. 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.
3. Verkleben Sie die Substrate thermisch.
   1. Legen Sie die gestapelten Substrate (das geätzte Substrat und die Abdeckplatte) zwischen zwei glatten, 1,52 cm dicken Glaskeramikplatten zum Verkleben.
   2. Platzieren Sie die Glaskeramikplatten zwischen zwei Metallplatten aus Legierung X(Materialtisch), die den geforderten Temperaturen ohne nennenswerte Verzerrung standhalten können.
   3. 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).
   4. Die Muttern von Hand festziehen und den Halter 60 min bei ca. 100 °C in eine Vakuumkammer stellen.
   5. Entfernen Sie den Halter aus der Kammer und ziehen Sie die Muttern vorsichtig mit ca. 10 lb-in des Drehmoments fest.
   6. 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.
   7. 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.

1. 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.
2. 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

1. Sättigen Sie das mikrofluidische Gerät mit der Resident-Flüssigkeit (z. B. DI-Wasser, Tensidlösung, Öl usw., je nach Art des Experiments) mit einer Spritzenpumpe.
2. Bereiten Sie schaumerzeugende Flüssigkeiten und verwandte Instrumente vor.
   1. 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.
   2. Füllen Sie die Tanks der_CO2- und Wasserpumpen mit ausreichend Flüssigkeiten pro Experiment bei Raumtemperatur.
   3. Füllen Sie den Soleakkumulator und die Fließlinien mit der Tensidlösung mit einer Spritze. Diese Arbeit verwendet einen Akku mit einer Kapazität von 40 ml.
   4. Spülen Sie die Solelinie mit der Solelösung.
   5. Spülen Sie die Leitung, die den Akku an das Gerät und die Auslassleitungen mit der Resident-Flüssigkeit verbindet (in diesem Fall die Solelösung).
   6. 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).
   7. Erhöhen Sie die Temperatur des Zirkulierenden Bades, das die Temperatur der Sole- und_{CO2-Leitungen} steuert, auf die gewünschte Temperatur (z. B. 40 °C hier (Abbildung 9)).
   8. Überprüfen Sie alle Zeilen, um die Integrität des Setups vor der Injektion zu gewährleisten.
3. Generieren Sie den Schaum.
   1. 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.
   2. 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.
   3. Erhöhen Sie den_{CO2-Leitungsdruck} auf einen Druck über 7,38 MPa (mindestens scCO₂ Druck).
   4. Öffnen Sie das CO_2-Ventil und lassen Sie den scCO₂ gemischt mit der Hochdruck-Tensidlösung durch einen Inline-Mischer fließen, um Schaum zu erzeugen.
   5. 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.
4. Führen Sie Echtzeit-Bildgebung und Datenanalyse durch.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.
5. Unterdrücken Sie das System wieder auf Umgebungsbedingungen.
   1. Stop-Injektion (Gas- und Flüssigkeitspumpen), schließen Sie die EINlässe CO₂ und Solepumpen, öffnen Sie die restlichen Leitungsventile und schalten Sie die Heizungen aus.
   2. Verringern Sie den Gegendruck schrittweise (z. B. mit einer Rate von 0,007 MPa/s), bis das System Umgebungsdruckbedingungen erreicht. Verringern Sie die Sole- und_{CO2-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.
6. 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.
7. Nach dem Prozess gesammelte Bilder.
   1. Isolieren Sie die Porenlandschaft, indem Sie den Hintergrund von den Bildern ausschließen.
   2. Korrigieren Sie kleinere Fehlausrichtungen, indem Sie eine perspektivische Transformation durchführen und eine lokale Schwellenwertstrategie implementieren, die erforderlich ist, um eine ungleichmäßige Beleuchtung zu berücksichtigen²⁸_.
   3. 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.

Ergebnisse

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 ...

Diskussion

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 basier...

Materialien

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