CN112275334A - 2.5d孔隙结构微流体芯片及其制作和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及2.5D孔隙结构微流体芯片及其制作和使用方法,2.5D孔隙结构微流体芯片包括上部图案层和下部水平基片层,所述上部图案层包括流体注入口、微流体芯片主体图案和排液口,所述微流体芯片主体图案包括桥体和多个间隔设置的圆柱区域,相邻的圆柱区域通过桥体连接,圆柱区域高度为30‑50μm,桥体高度为15‑25μm。本发明2.5D微流体芯片的圆柱区域和桥体错落设置,与传统2D微流体芯片相比,其内部通道是不均匀的,更为贴近真实自然界状况,所得试验数据更有代表性。本发明提出的2.5D孔隙结构微流体芯片的使用方法操作简便、极易上手且应用灵活,能够大幅缩短试验时间,快速分析出所需结果。
Description
技术领域
本发明涉及岩体及土壤多相渗流技术领域,更具体地说,涉及一种2.5D孔隙结构微流体芯片及其制作和使用方法。
背景技术
岩土体及土壤中的多相渗流过程涉及许多重要的自然和工业过程(如城市地下水系统修复、油气强化开采、二氧化碳地质封存等)。利用室内试验研究多相渗流过程是比较有效的手段。目前,室内试验大多利用2D微流体芯片进行研究,2D微流体芯片内部的通道高度是均匀不变的,所得实验结果不能很好地反映自然界的真实情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种2.5D孔隙结构微流体芯片及其制作和使用方法,能够较为真实地反映自然界内多相渗流过程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种2.5D孔隙结构微流体芯片,包括上部图案层和下部水平基片层,所述上部图案层包括流体注入口、微流体芯片主体图案和排液口,所述微流体芯片主体图案包括桥体和多个间隔设置的圆柱区域,相邻的圆柱区域通过桥体连接,圆柱区域高度为30-50μm,桥体高度为15-25μm。
上述方案中,所述上部图案层的两端设置有注入口和排液口,注入口连接毛细空心钢针,毛细空心钢针通过毛细软管与注射器相连;排液口连接毛细空心钢针,毛细空心钢针通过毛细软管将试验结束后的废液排入指定容器内。
上述方案中,所述上部图案层和下部水平基片层的材质均为聚二甲基硅氧烷。
上述方案中,所述微流体芯片主体图案尺寸为2mm×1mm。
本发明还提供了一种所述2.5D孔隙结构微流体芯片的制作方法,包括以下步骤:
利用一号掩膜板对旋涂有SU8-2035光刻胶的硅片进行第一次紫外曝光,利用二号掩膜板对旋涂有SU8-2015光刻胶的硅片进行第二次紫外曝光,然后经过显影固化后得到光刻胶模具;将混合有固化剂的聚二甲基硅氧烷液搅拌均匀后倒入光刻胶模具中,固化键合后,即得到制作好的2.5D孔隙结构微流体芯片。
SU8-2035光刻胶能够旋涂的主要范围是40um-100um,SU8-2015光刻胶能够旋涂的主要范围是35-15um。因为2.5D芯片具有两种不同的厚度:圆柱区域高度为30-50μm,桥体高度为15-25μm,正好分别对应SU8-2035光刻胶和SU8-2015光刻胶能够满足的范围内,采用两种不同型号的光刻胶,能够对两种不同的高度需求分别进行精确控制;如果选择同一种光刻胶,可能会因为操作精度而造成制作失败。
上述方案中,所述一号掩膜版的图案包括圆柱区域和桥体,且均设置为不透光区域。
上述方案中,所述二号掩膜版的图案只包括桥体,且设置为透光区域。
本发明还提供了一种所述2.5D孔隙结构微流体芯片的使用方法,包括以下步骤:
首先将制作好的2.5D微流体芯片两端的注入口和排液口进行管路连接,再将连接好管路的2.5D微流体芯片置于显微镜上,开启显微镜,打开电脑端记录软件;然后注射器内吸入适量硅油或去离子水,开启注射泵,将硅油或水注入2.5D微流体芯片中,电脑端软件实时记录图像数据,以便后期进行数据分析。
实施本发明的2.5D孔隙结构微流体芯片及其制作和使用方法,具有以下有益效果:
1、本发明2.5D微流体芯片的圆柱区域和桥体错落设置,与传统2D微流体芯片相比,其内部通道是不均匀的,更为贴近真实自然界状况,所得试验数据更有代表性。
2、本发明提出的2.5D孔隙结构微流体芯片的使用方法操作简便、极易上手且应用灵活,能够大幅缩短试验时间,快速分析出所需结果。
3、本发明微流控芯片的主体材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS),与传统玻璃芯片相比,制作成本低、制作时间短、工艺简单且试验危险性低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1为本发明提供的一种2.5D孔隙结构微流体芯片结构示意图;
图2为本发明的微流体芯片主体图案放大示意图;
图3为本发明的一号掩膜板局部示意图;
图4为本发明的二号掩膜板局部示意图;
图5为本发明的光刻胶模具局部示意图。
图中,流体注入口1,微流体芯片主体图案2,排液口3,微流控芯片上部图案层4,微流体芯片下部水平基片层,圆柱区域6,桥体7,一号掩膜板不透光圆柱区域8,一号掩膜板透光区域9,一号掩膜板不透光桥体区域10,二号掩膜板透光桥体区域11,二号掩膜板不透光区域12,光刻胶模具桥体区域13,光刻胶模具圆柱区域14。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例一
本发明提供的一种2.5D孔隙结构微流体芯片,其主体结构如图1所示,包括上部图案层4和下部水平基片层;其中,上部图案层4两端设置有直径0.6mm的注入口1和排液口3,注入口1连接有直径0.7mm的毛细空心钢针,钢针通过毛细软管与高精度微量注射器相连;排液口3同样连接有0.7mm的毛细空心钢针,钢针通过毛细软管将试验结束后的废液排入指定容器内;
微流体主体图案放大示意图如图2所示,包括:圆柱区域6,桥体区域7;其中,圆柱区域高度为40μm,桥体区域高度为20μm;芯片图案主体尺寸为2mm×1mm,材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷),除桥体区域高度为20μm外,其余部分高度均为40μm,因桥体区域与圆柱区域存在高度差,微流体芯片内部通道高度不均一,因此称为2.5D微流体芯片。
实施例二
本发明提供的一种2.5D孔隙结构微流体芯片的制作方法,具体包括以下步骤:
第一步,制作光刻胶模具:首先,选取表面平整的4英寸单晶硅片,用酒精和去离子水对硅片进行反复冲洗,待干燥后放置在热台上100℃烘烤15分钟;然后,用匀胶机在硅片表面旋涂一层厚度为40μm的SU8-2035光刻胶,转速为3300转每分钟;匀胶结束后,将涂有光刻胶的硅片放置在热台上先65℃烘烤3分钟,再95℃烘烤6分钟后取下,这一步骤称为前烘;前烘完毕后,利用一号掩膜板在光刻机下进行紫外曝光16s,曝光完毕后,将硅片放在热台上65℃烘烤1分钟,再95℃烘烤6分钟后取下,这一步骤称为后烘;后烘结束后,将硅片浸泡在SU8系列光刻胶专用显影液中5分钟后,取出用异丙醇和酒精反复冲洗后,即得到具有40μm高度的初步模具;需要说明的是,如图3所示,一号掩膜板的圆柱区域8和桥体区域10均不透光,因SU8系列光刻胶为负胶,透光区域交联固化,不透光区域的光刻胶会被显影液冲洗掉,因此目前得到的模具为厚度均匀40μm的2D初步模具;
在初步模具上用匀胶机再次旋涂一层厚度为20μm的SU8-2015光刻胶,转速为2150转每分钟;匀胶结束后,将涂有光刻胶的硅片放置在热台上95℃烘烤4分钟后取下,利用二号掩膜板进行紫外曝光15s,曝光完毕后,将硅片放在热台上95℃烘烤5分钟后取下;然后将硅片浸泡在SU8系列光刻胶专用显影液中4分钟,取出后用异丙醇和酒精反复冲洗后,即得到最终模具,其局部示意图如图5所示,桥体区域13的高度为20μm,圆柱深坑区域14的高度为40μm,因具有两种不同的厚度,用这种模具制作出的微流体芯片称为2.5D微流体芯片;同样需要说明的是,如图4所示,二号掩膜板的桥体区域11为透光区域,其余部分为不透光区域12,因SU8系列光刻胶为负胶,透光区域交联固化,不透光区域的光刻胶会被显影液冲洗掉,因此仅在桥体区域能够留下20μm厚度的光刻胶,从而得到所需的2.5D模具;
第二步,将固化剂和PDMS液以体积比1:10进行均匀混合搅拌,然后倒入2.5D光刻胶模具中,放入高温烘箱中75℃烘烤2小时,然后取出,将固化好的PDMS从光刻胶模具上揭下,用手术刀裁剪成合适大小,用微流体芯片专用打孔器在注入口1和排液口3处分别打孔,即得到上部图案层4;再在洁净的载玻片上均匀涂抹一层PDMS液,同样放入烘箱中75℃烘烤2小时,然后取出,得到下部水平基片层;
第三步,将上部图案层4和下部水平基片层放进等离子清洗机中进行键合处理10min,然后将上部图案层4放置在下部水平基片层上方,再用手掌轻轻按压,按压完毕后放入高温烘箱中100℃烘烤1小时后取出,即得到2.5D孔隙结构微流体芯片。
实施例三
本发明提供的一种2.5D孔隙结构微流体芯片的使用方法,具体包括以下步骤:
第一步,将实施例二中制作的2.5D微流体芯片两端的注入口1和排液口3按照实施例一中所述进行管路连接,管路再与微量注射器相连,微量注射器置于高精度注射泵上;
第二步,将连接好管路的2.5D微流体芯片放置于显微镜上,开启显微镜,打开电脑端的实时记录软件;
第三步,注射器内吸入适量硅油或去离子水,开启注射泵,以设定速率将硅油或水注入2.5D微流体芯片中,电脑端软件实时记录图像数据,以便后期进行数据分析。
本发明提供的2.5D孔隙结构微流体芯片,其主体材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷),透光性良好,有利于观测记录多相流的整个过程,与传统玻璃芯片相比,制作成本低、制作时间短、工艺简单且试验危险性低。本发明提出的2.5D微流体芯片与传统2D微流体芯片相比,更加贴近真实自然界状况,所得试验数据更有代表性。本发明提出的2.5D孔隙结构微流体芯片的使用方法操作简便、极易上手且应用灵活,能够大幅缩短试验时间,快速直观分析出所需结果,为多相流机理的理论研究提供支持。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种2.5D孔隙结构微流体芯片,包括上部图案层(4)和下部水平基片层(5),所述上部图案层(4)包括流体注入口(1)、微流体芯片主体图案(2)和排液口(3),其特征在于,所述微流体芯片主体图案(2)包括桥体(7)和多个间隔设置的圆柱区域(6),相邻的圆柱区域(6)通过桥体(7)连接,圆柱区域(6)高度为30-50μm,桥体(7)高度为15-25μm。
2.根据权利要求1所述的2.5D孔隙结构微流体芯片,其特征在于,所述上部图案层(4)的两端设置有注入口(1)和排液口(3),注入口(1)连接毛细空心钢针,毛细空心钢针通过毛细软管与注射器相连;排液口(3)连接毛细空心钢针,毛细空心钢针通过毛细软管将试验结束后的废液排入指定容器内。
3.根据权利要求1所述的2.5D孔隙结构微流体芯片,其特征在于,所述上部图案层(4)和下部水平基片层(5)的材质均为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的2.5D孔隙结构微流体芯片,其特征在于,所述微流体芯片主体图案(2)尺寸为2mm×1mm。
5.一种权利要求1所述2.5D孔隙结构微流体芯片的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
利用一号掩膜板对旋涂有SU8-2035光刻胶的硅片进行第一次紫外曝光,利用二号掩膜板对旋涂有SU8-2015光刻胶的硅片进行第二次紫外曝光,然后经过显影固化后得到光刻胶模具;将混合有固化剂的聚二甲基硅氧烷液搅拌均匀后倒入光刻胶模具中,固化键合后,即得到制作好的2.5D孔隙结构微流体芯片。
6.根据权利要求5所述的2.5D孔隙结构微流体芯片的制作方法,其特征在于,所述一号掩膜版的图案包括圆柱区域和桥体,且均设置为不透光区域。
7.根据权利要求5所述的2.5D孔隙结构微流体芯片的制作方法,其特征在于,所述二号掩膜版的图案只包括桥体,且设置为透光区域。
8.一种权利要求1所述2.5D孔隙结构微流体芯片的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:
首先将制作好的2.5D微流体芯片两端的注入口和排液口进行管路连接,再将连接好管路的2.5D微流体芯片置于显微镜上,开启显微镜,打开电脑端记录软件;然后注射器内吸入适量硅油或去离子水,开启注射泵,将硅油或水注入2.5D微流体芯片中,电脑端软件实时记录图像数据,以便后期进行数据分析。
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