用于微观模拟油纸绝缘气泡效应的微流控芯片制备方法

本发明属于电气，涉及用于微观模拟油纸绝缘气泡效应的微流控芯片制备方法。

背景技术：

1、变压器等高压电气设备在运行过程中将不可避免会受潮，受潮引入的水分大部分吸附在绝缘纸中。当变压器绕组的电流增加时，绕组的温度将升高，绝缘纸中的绝缘油及水分所组成的油水混合流体会发生相变，从而形成大量的气泡，并从纸中逸出至油中，导致绝缘纸介电强度降低，并使得绝缘纸“脱浸”，导致局部放电，甚至使得油纸绝缘发生击穿。因此，在本领域的工程实践上，通常需要尽可能准确地预测绝缘纸中的气泡起始温度，用于合理制定输变电设备的运行热点温度。

2、目前，现有的油纸绝缘气泡观测方法，均是设计某种几何结构的宏观密闭腔体，在腔体内注入绝缘油，并放置受潮的绝缘纸，通过改变温度和压力，从宏观上观测气泡的起始温度及其影响因素。但是，气泡起源于绝缘纸的孔隙中，宏观实验的观测结果混合了绝缘油在宏观体相流体和绝缘纸孔隙限域流体两种不同状态下的相行为，而大量实验研究表明，这两种相行为是不同的。但是，绝缘纸由多层复杂的纤维层叠加组成，不透光，无法直接采用显微镜去观测孔隙内部的相变行为，也无法方便地调节孔隙中的压力和温度，这导致尚无法直接采用显微成像的方法去观察绝缘纸孔隙中的气泡产生及变化过程。因此，迫切需要从微观孔隙尺度模拟绝缘纸中气泡的产生，其核心是需要设计用于模拟绝缘纸孔隙的微观实验载体。针对该问题，本发明基于微流控技术，提出了用于微观模拟油纸绝缘气泡效应的微流控芯片制备方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供用于微观模拟油纸绝缘气泡效应的微流控芯片制备方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、用于微观模拟油纸绝缘气泡效应的微流控芯片制备方法，该方法包括以下步骤：

4、s1：统计分析绝缘纸的微孔隙结构，获得绝缘纸的平均孔径；

5、s2：用矩形直微流道简化绝缘纸微毛细管：根据绝缘纸的平均孔径，在玻璃基底上设置3条微通道，将矩形通道的深度设置为20μm，三个通道的宽度分别设置为10μm、50μm、100μm；

6、s3：电极设计：在三条微流道的侧壁两旁分别设计矩形电极专用流道，用于在高温下灌注液态金属生成电极；电极专用流道的深度和微流道深度一致，为20μm，流道宽度为20um，电极流道与微流体流道之间的距离为20μm；

7、s4：制作玻璃微流控芯片；

8、s5：电极灌注：将玻璃微流控芯片置于恒温加热台上，并将焊锡丝的一头靠近电极灌注专用流道口a、b、c、d、e、f；将加热台温度调节至焊锡的熔点93℃，待芯片整体温度稳定后，焊锡丝融化，熔融的焊锡在毛细作用下，沿着微流道向通道的另一端流动；待融化的焊锡流动至焊盘的时候，移除源端焊锡丝；采用热熔胶点胶封闭流道口a、b、c、d、e、f；

9、s6：电极测试：采用万用表检验微流控芯片上的电极；满足：同一电极两端导通，而同一对电极之间不导通；若满足，则表明微流控芯片电极制作合格，否则需采用s4制作完成后的玻璃微流控芯片，按s5重新灌注电极；

10、s7：在微流控芯片的铝合金夹具下框架边缘开槽，用于引出电极引线；

11、s8：使用芯片时，单独使用3个流道；将泵和管路通过夹具连接至进液池，并将末端管路及废液瓶与另外一端连接；同时，将对应流道两侧的电极分别与交流或直流电源连接，在微流道中产生电场；芯片相关的外接管路及电极连接好之后，通过改变电压、压力、温度，观察绝缘油气泡产生及变化过程。

12、可选的，所述s4具体为：

13、(1)掩模制备：利用autocad软件绘制芯片的微流道设计图，通过掩模写入器将设计的结构刻写进掩模板中；

14、(2)涂胶：采用旋转涂覆，把定量沾有液体涂覆材料光致抗蚀剂的硅基表面放置，然后绕垂直表面的轴旋转涂覆；

15、(3)前烘：硅衬底表面上光刻胶涂覆完成后，对其进行一定温度的烘烤，以去除溶剂，形成具有一定硬度的薄膜；通过使用热板或者烘箱设置前烘温度，将衬底放置其中并计时，时间到后取出硅衬底片；

16、(4)曝光：通过光照光刻胶中的光敏材料，使之吸收光能或其他辐射能而产生感光作用，通过光刻机中的汞灯或led发出紫外光，经过光路调节提供一定面积的近似平行光，均匀照射掩模板；紫外光透过掩模板上透光的部分，照射到光刻胶薄膜上，使得光刻胶发生光敏反应；

17、(5)后烘：通过一定温度的烘烤使其反应完全，同时光致反应产生的活性成分在此过程中产生扩增，从而通过化学方法增强由光强分布产生的潜像，突破光学系统对比度对分辨率的限制；

18、(6)显影：对已曝光的感光材料进行湿化学处理以产生可见图案，选择性地去除光刻胶，产生可见的图案；

19、(7)坚膜：光刻胶显影步骤后的烘烤，蒸发残留的溶剂和其他可挥发有机物，使光致抗蚀剂具备抗刻蚀性和抗离子注入性；

20、(8)刻蚀：通过刻蚀技术，在硅芯片上进行加工，形成微结构；通过改变添加刻蚀剂的浓度和刻蚀时间来控制刻蚀的程度，完成在硅晶圆上刻蚀出设计的图案；

21、(9)去胶：完成刻蚀步骤后，进行去胶清洗操作，得到半成品芯片；

22、(10)键合：针对光刻和刻蚀过程之后得到的半成品芯片，将玻璃盖片封装到刻有微结构的硅衬底上，并在一定的位置打孔实现流体在多孔介质中的流动；玻璃盖片和硅衬底的封装键合通过阳极键合的方法来完成，在一定的温度下利用强大的静电力作用使玻璃盖片和硅衬底发生物理化学反应，进而形成牢固的si-o共价键；

23、(11)切割：在4英寸的硅晶圆上一共能光刻和刻蚀4-6片微流控芯片；对硅晶圆进行分割，得到独立的玻璃微流控芯片。

24、可选的，所述涂胶具体为：

25、a)滴胶：将定量的光刻胶滴在硅表面上，采用自动滴胶的方式，用光刻胶泵将其泵至滴嘴，然后由自动化滴胶手臂将光刻胶滴在硅衬底的中心；

26、b)低速转：开启旋转开关，将光刻胶均匀地在离心力的作用下摊开于硅衬底表面，并覆盖所有衬底表面；

27、c)高速转：加快旋转速度，甩掉硅衬底表面多余的胶，光刻胶中的溶剂在旋转的过程中会产生挥发，同时在离心力、黏附力和表面张力的作用下，光刻胶在硅衬底表面均匀涂覆成膜。

28、本发明的有益效果在于：

29、现有的油纸绝缘气泡观测方法，均是设计某种几何结构的宏观密闭腔体，在腔体内注入绝缘油，并放置受潮的绝缘纸，通过改变温度和压力，从宏观上观测气泡的起始温度及其影响因素。但是，气泡起源于绝缘纸的孔隙中，宏观实验的观测结果混合了绝缘油在宏观体相流体和绝缘纸孔隙限域流体两种不同状态下的相变特性，而大量实验研究表明，这两种相变过程是不同的。目前，尚无法直接对绝缘纸孔隙中的相变过程进行实验的研究。

30、本发明基于微流控技术，提出了用于微观模拟油纸绝缘气泡效应的微流控芯片制备方法，通过在玻璃基底上光刻宽度和深度为20-100微米级的矩形微流道，用以模拟常规绝缘纸板中的微毛细管。该芯片的微流道内部可注入绝缘油，并控制绝缘油的微水含量、溶解气体含量、温度及压力，用于微观模拟并直接观测气泡在绝缘纸微毛细管中的产生及发展，并可测量气泡起始温度。本发明用于解决绝缘油在绝缘纸中孔隙中的相变过程无法进行实验观测的问题。

31、本发明对油纸绝缘气泡演变的微观问题，设计可等效模拟纤维微管环境、易于控温控压的微流控芯片，可最大限度地接近纤维孔隙的测量实际，具有平衡时间短、相界面可视性强，温压和流体组分控制精度高、测量数据可靠性强的优点，可高效准确地获取绝缘油-微水的泡点温度等微孔隙中的绝缘流体相态特性参数，为后续相态行为的理论建模提供实验数据和验证手段。

32、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。