2.5D孔隙结构微流体芯片及其制作和使用方法

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。