techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-3-142-155techusgu-363Research ArticleФИЗИКАPHYSICSИсследование технологии изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографииResearch into the technology of manufacturing microfluidic chips using soft lithographyМатарыкинК. А.MatarykinK. A.

Константин Александрович Матарыкин, инженер

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Konstantin A. Matarykin, Engeneer

Department of Nanotechnology, Mictroelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

icego132@gmail.comСоколовЕ. А.SokolovE. A.

Евгений Александрович Соколов, преподаватель

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Evgeniy A. Sokolov, Lecturer

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General andApplied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

evgeniysokolov1@yandex.ruКалюжнаяД. А.KalyuzhnayaD. A.

Дарья Анатольевна Калюжная, аспирант

кафедра нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Daria A. Kalyuzhnaya, Postgraduate Student

Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

kalyuzhnaya.dariya@yandex.ruРяполовП. А.RyapolovP. A.

Петр Алексеевич Ряполов, доктор физико-математических наук, доцент, декан

естественно-научный факультет

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Petr A. Ryapolov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Dean

Faculty of Natural Sciences

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

r-piter@yandex.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202504122025153142155Copyright © Матарыкин К.А., Соколов Е.А., Калюжная Д.А., Ряполов П.А., 20252025Матарыкин К.А., Соколов Е.А., Калюжная Д.А., Ряполов П.А.Matarykin K.A., Sokolov E.A., Kalyuzhnaya D.A., Ryapolov P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/363   Цель

   Цель. Исследовать особенности технологии производства микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии, включая этапы: проектирования структуры каналов; изготовления форм различными методами на подложках из стекла, фольгированного текстолита и кремния; подбора необходимого полимера, режимов его полимеризации, обработки формы антиадгезивом, заливки компаундом, и последующего отделения, «активации» и последующего склеивания полученной заготовки с подготовленным стеклом.

   Методы

   Методы. Проведение экспериментов по фотолитографии осуществлялось при использовании монохроматического источника светового излучения Anycubic Wash and Cure 2.0 на подложках фольгированного текстолита, предметного стекла и кремниевых пластин. Изготовление опалубки для конструктов было реализовано на принтере FDM – FlyingBear Ghost 5. В качестве полимерной основы использовался полидиметилсилоксан марок Силагерм 2104 и 2106. Для процесса склеивания применялась плазменная установка низкого давления Diener PICO с воздушной средой.

   Результаты

   Результаты. Исследованы аспекты технологии изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии, рассмотрено влияние времени экспонирования, способа укрывания шаблоном для переноса, а также материала подложки. Проведены эксперименты с различными режимами полимеризации ПДМС, различными вариантами конструктов, исследованы их механические свойства. Изучено влияние давления газов в вакуумной камере при плазменной активации поверхности полимерной реплики на качество формирования структуры в микрофлюидном чипе.

   Вывод

   Вывод. Результатом экспериментов стало определение кремниевой подложки как наилучшего материала мастер-формы для мягкой литографии. Определены параметры для упрощенного, удешевлённого и безопасного плазменного склеивания реплики из ПДМС и стекла. Полученные результаты могут быть применены как протоколы изготовления микрофлюидных устройств силами малых исследовательских лабораторий.

   Purpose

   Purpose. To explore the specifics of microfluidic chip manufacturing technology using soft lithography, including the following stages: channel structure design; mold fabrication using various methods on glass, foil-clad PCB, and silicon substrates; selection of the required polymer, polymerization modes, mold treatment with a release agent, compound filling and subsequent separation, activation, and subsequent bonding of the resulting chip to the prepared glass.

   Methods

   Methods. Photolithography experiments were conducted using a monochromatic Anycubic Wash and Cure 2.0 light source on foil-clad PCB substrates, glass slides, and silicon wafers. Formwork for the constructs was fabricated using a FlyingBear Ghost 5 FDM printer. Silagerm 2104 and 2106 were used as PDMS. A Diener PICO low-pressure plasma system with an air environment was used for the bonding process.

   Results

   Results. Photolithography studies were conducted to determine the exposure time, the method of covering the transfer template, and the substrate material. Experiments were conducted to create constructs and their viability. The effect of gas pressure in a vacuum chamber during plasma activation of the polymer replica surface was studied.

   Conclusion

   Conclusion. The experiments identified a silicon substrate as the best master mold material for soft lithography. Parameters for simplified, cost-effective, and safe plasma bonding of PDMS and glass replicas were determined. The results can be applied as protocols for the fabrication of microfluidic devices by small research laboratories.

микрофлюидикаполимеризациялабораториямикрофлюидный чипмягкая литографияmicrofluidicspolymerizationlaboratorymicrofluidic chipsoft lithographyРабота выполнена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашения № 075-15-2021-1155 и № 075-15-2021-1213)The work was carried out within the framework of the implementation of the strategic academic leadership program "Priority-2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213)ReferencesMicrofluidic nanomaterials: From synthesis to biomedical applications Illath / K.K. Illath, S. Kar, P. Gupta, A. Shinde, S. Wankhar, F.-G. Tseng [et al.] // Biomaterials. 2022. Vol. 280. P. 121247. doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.121247.Illath K., Kar K.S., Gupta P., Shinde A., Wankhar S., Tseng F.-G., et al. Microfluidic nanomaterials: From synthesis to biomedical applications. Biomaterials. 2022;280:121247. doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.121247.Microfluidic chips: recent advances, critical strategies in design, applications and future perspectives / P. Pattanayak, S.K. Singh, M. Gulati, S. Vishwas, B. Kapoor, D.K. Chellappan // Microfluidics and nanofluidics. 2021. Vol. 25, no. 12. P. 99. doi: 10.1007/s10404-021-02502-2.Pattanayak P., Singh S.K., Gulati M., Vishwas S., Kapoor B., Chellappan D.K., et al. Microfluidic chips: recent advances, critical strategies in design, applications and future perspectives. Microfluidics and Nanofluidics. 2021;25(12):99. doi: 10.1007/s10404-021-02502-2.Microfluidic devices: a tool for nanoparticle synthesis and performance evaluation / S. Gimondi, H. Ferreira, R.L. Reis, N.M. Neves // ACS nano. 2023. Vol. 17, no. 15. P. 14205-14228. doi: 10.1021/acsnano.3c01117.Gimondi S., Ferreira H., Reis R.L., Neves N.M. Microfluidic devices: a tool for nanoparticle synthesis and performance evaluation. ACS nano. 2023;17(15):14205-14228. doi: 10.1021/acsnano.3c01117.Fabrication and applications of microfluidic devices : A review / A.G. Niculescu, C. Chircov, A.C. Bîrcă, A.M. Grumezescu // International journal of molecular sciences. 2021. Vol. 22, no. 4. P. 2011. doi: 10.3390/ijms22042011.Niculescu A.G., Chircov C., Bîrcă A.C., Grumezescu A.M. Fabrication and applications of microfluidic devices : A review. International journal of molecular sciences. 2021;22(4):2011. doi: 10.3390/ijms22042011.Modular microfluidics for life sciences / J. Wu, H. Fang, J. Zhang, S. Yan // Journal of Nanobiotechnology. 2023. Vol. 21, no. 1. P. 85. doi: 10.1186/s12951-023-01846-x.Wu J., Fang H., Zhang J., Yan S. Modular microfluidics for life sciences. Journal of Nanobiotechnology. 2023;21(1):85. doi: 10.1186/s12951-023-01846-x.High ZT and performance controllable thermoelectric devices based on electrically gated bismuth telluride thin films / D. Qin, F. Pan, J. Zhou, Z. Xu, Y. Deng // Nano Energy. 2021. Vol. 89. P. 1–8. doi: 10.1016/j.nanoen.2021.106472.Qin D., Pan F., Zhou J., Xu Z., Deng Y. High ZT and performance controllable thermoelectric devices based on electrically gated bismuth telluride thin films. Nano Energy. 2021;89:1-8. doi: 10.1016/j.nanoen.2021.106472.Frienda J., Yeo L. Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane // Biomicrofluidics. 2010. Vol. 4, no. 2. 026502. doi: 10.1063/1.3259624.Frienda J., Yeo L. Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 2010;4(2):026502. doi: 10.1063/1.3259624.Materials and methods for droplet microfluidic device fabrication / K.S. Elvira, F. Gielen, S.S.H. Tsai, A.M. Nightingale // Lab on a Chip. 2022. Vol. 22, no. 5. P. 859-875. doi: 10.1039/D1LC00836F.Elvira K.S., Gielen F., Tsai S.S.H., Nightingale A. M. Materials and methods for droplet microfluidic device fabrication. Lab on a Chip. 2022;22(5):859-875. doi: 10.1039/D1LC00836F.Niculescu A.G., Mihaiescu D.E., Grumezescu A.M. A review of microfluidic experimental designs for nanoparticle synthesis // International Journal of Molecular Sciences. 2022. Vol. 23, no. 15. P. 8293. doi: 10.3390/ijms23158293.Niculescu A.G., Mihaiescu D.E., Grumezescu A.M. A review of microfluidic experimental designs for nanoparticle synthesis. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(15):8293. doi: 10.3390/ijms23158293.Scott S.M., Ali Z. Fabrication methods for microfluidic devices : An overview // Micromachines. 2021. Vol. 12, no. 3. P. 319. doi: 10.3390/mi12030319.Scott S.M., Ali Z. Fabrication methods for microfluidic devices : An overview. Micromachines. 2021;12(3):319. doi: 10.3390/mi12030319.Альтернативные подходы при создании мастер-форм для изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии / Я.С. Посмитная, А.С. Букатин, Д.А. Макаров, К.В. Юдин, А.А. Евстранов // Научное приборостроение. 2017. Т. 27, № 2. С. 13-20.Posmitnaya Ya.S., Bukatin A.S., Makarov D.A., Yudin K.V., Evstranov A.A. Alternative approaches to creating master molds for the production of microfluidic chips using soft lithography. Nauchnoe priborostroenie = Scientific Instrument Engineering. 2017;27(2):13-20. (In Russ.)3D printed microfluidic devices: enablers and barriers / S. Waheed, J.M. Cabot, N.P. Macdonald, T. Lewis, R. M. Guijt, B. Paull, M.C. Breadmore // Lab Chip. 2016. Vol. 16. P. 1993-2013. doi: 10.1039/C6LC00284F.Waheed S., Cabot J.M., Macdonald N.P., Lewis T., Guijt R.M., Paull B., M.C. Breadmore 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers. Lab Chip. 2016;16:1993-2013. doi: 10.1039/C6LC00284F.Photo and soft lithography for organ-on-chip applications / E. Ferrari, F. Nebuloni, M. Rasponi, P. Occhetta // Organ-on-a-chip: methods and protocols. New York, NY: Springer US, 2021. P. 1-19. doi: 10.1007/978-1-0716-1693-2_1.Ferrari E., Nebuloni F., Rasponi M., Occhetta P. Photo and soft lithography for organ-on-chip applications. Organ-on-a-chip: methods and protocols. New York, NY: Springer US; 2021. Р. 1-19. doi: 10.1007/978-1-0716-1693-2_1.Fabrication and characterization of a PDMS–glass hybrid continuous-flow PCR chip / J.A. Kim, J.Y. Lee, S. Seong, S.H. Cha, S.H. Lee, J.J. Kim [et al.] // Biochemical Engineering Journal. 2006. Vol. 29, no. 1-2. P. 91-97. doi: 10.1016/j.bej.2005.02.032.Kim J.A., Lee J.Y., Seong S., Cha S.H., Lee S.H., Kim J.J., et al. Fabrication and characterization of a PDMS–glass hybrid continuous-flow PCR chip. Biochemical Engineering Journal. 2006; 29(1-2):91-97. doi: 10.1016/j.bej.2005.02.032.Accounting for PDMS shrinkage when replicating structures / M.H. Madsen, N. Feidenhans'l, P.-E. Hansen, J. Garnaes, K. Dirscherl // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24, no. 12. P. 127002. doi: 10.1088/0960-1317/24/12/127002.Madsen M.H., Feidenhans'l N., Hansen P.-E., Garnaes J., Dirscherl K. Accounting for PDMS shrinkage when replicating structures. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014;24(12):127002. doi: 10.1088/0960-1317/24/12/127002.Xiong L., Chen P., Zhou Q. Adhesion promotion between PDMS and glass by oxygen plasma pre-treatment // Journal of Adhesion Science and Technology. 2014. Vol. 28, no. 11. P. 1046-1054. doi: 10.1080/01694243.2014.883774.Xiong L., Chen P., Zhou Q. Adhesion promotion between PDMS and glass by oxygen plasma pre-treatment. Journal of Adhesion Science and Technology. 2014;28(11):1046-1054. doi: 10.1080/01694243.2014.883774.Resolution and sensitivity of a resist with and without hexamethyldisilazane determined using profilometry / H. Horibe, M. Yamamoto, S. Takamatsu, T. Ichikawa // Journal of Photopolymer Science and Technology. 2006. Vol. 19, no. 1. P. 75-80. doi: 10.2494/photopolymer.19.75.Horibe H., Yamamoto M., Takamatsu S., Ichikawa T. Resolution and sensitivity of a resist with and without hexamethyldisilazane determined using profilometry. Journal of Photopolymer Science and Technology. 2006;19(1):75-80. doi: 10.2494/photopolymer.19.75.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.