CN108407480A - 一种电磁驱动转印印戳及电磁辅助转印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁驱动印戳在高聚物印戳基体上制作梯形空腔，形成印戳主体，空腔上部由磁性复合薄膜封装，空腔下部为印戳空腔底膜。电磁辅助转印技术方案为在反向磁场作用下上墨，在同向磁场作用下印刷。本发明在一种在磁场作用下，通过磁性薄膜与印戳底膜的凹凸变形调控印戳底部与元件之间密闭空间压强实现转印的高可控、快响应的高效转印技术。

Description

一种电磁驱动转印印戳及电磁辅助转印方法

技术领域

本发明属于微纳制造领域，具体涉及柔性电子制备方面基于电磁驱动的转印技术，包括一种电磁驱动转印印戳和电磁辅助转印方法，可用于柔性电子微纳元器件的有序组装。

背景技术

基于无机半导体材料的电子集成器件具有优良的电学性能，具有高性能、高可靠性等优点，在推动信息技术的发展中起了关键性作用，是现代信息系统中重要的组成部分，对于柔性电子器件有着重要意义。然而，传统刚性的无机集成器件难以承受大变形，不适合与人体等柔软、非平面组织进行集成，这在一定程度上限制了柔性电子技术的发展。针对这一问题，科学家们利用力学结构设计的方法，将无机半导体材料与柔性基体(一般为高分子材料)巧妙地结合，成功实现了整体器件的可弯曲及可延展。无机半导体元件的生长和加工往往需要在高温条件下进行，而柔性基底无法承受高温。因此，需要采用转印方法将功能单元从传统的生长基体转移到柔性基体。

现有的转印方法主要有运动控制转印、剪切辅助转印、激光辅助转印、软印戳表面引入微结构、基于智能材料的转印等。这些转印方法的工作机理是借助于印戳的材料特性，结构和载荷特点来调控界面粘附作用，属于被动转印方法，转印成功率较低。鉴于此，研究人员提出了通过外加激励改变界面粘附作用的主动转印方法，如基于智能材料的转印方法，由于这种方法采用了温度控制策略，导致了控制精度差、转印时间长等一系列问题。因此，发展一种精确、高效和可控性强的转印技术将功能单元从生长基体转印到柔性基体是可延展柔性电子器件制备面临的一个重要技术问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免转印方法的转印效率底，控制精度差等缺点，本发明提出一种电磁驱动转印印戳及电磁辅助转印方法，用于柔性电子微纳元器件的有序组装。

技术方案

一种电磁驱动转印印戳，其特征在于：在高聚物印戳基体上制作梯形空腔，形成印戳主体，梯形空腔内部充满液体，顶部由磁性复合薄膜密封，梯形空腔底部为印戳空腔底膜。

一种采用所述的电磁驱动转印印戳实现的电磁辅助转印方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将电磁驱动印戳1底部与赠体9上的电子元器件7接触，使得电磁驱动印戳1底部空腔6与电子元器件7之间形成密闭空间；

步骤2：向电磁驱动印戳1施加向上的电磁场10，在磁场力的作用下，使得空腔顶部磁性复合薄膜3发生上凸弯曲变形；然后磁性复合薄膜3驱动空腔底膜4发生上凸弯曲变形；这样减小了底部空腔6电子元器件7之间密闭空间的压强，使得电磁驱动印戳1完成对电子元器件7的吸附，实现上墨的过程；

上墨过程中，电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot的关系为：

式中，h为薄膜的厚度，R_bot为下层PDMS的半径，k为印戳中上下层的薄膜半径比，λ为上下层薄膜的平面模量比。E_bot和ν_bot分别为PDMS的弹性模量和泊松比，h_c为印戳空腔的高度，为印戳空腔初始的压强；

步骤3：提起吸附着电子元器件7的印戳1并转移至受体11基体表面；

步骤4：施加反向电磁场12，在磁场力的作用下，使得空腔顶部磁性复合薄膜3发生下凹弯曲变形；然后磁性复合薄膜3驱动空腔底膜4发生下凹弯曲变形；这样增大了底部空腔6与电子元器件7之间密闭空间的压强，促使电子元器件7从电磁驱动印戳1上脱离至受体11上，将电子元器件7转印至受体11上，实现印刷过程；

印刷过程中，电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot间的关系同式(1)；

步骤5：完成印刷过程之后，先撤消电磁场，再撤消电磁驱动印戳1，电磁驱动印戳1结构恢复至初始状态，整个转印过程完成。

有益效果

本发明提出的一种电磁驱动转印印戳及电磁辅助转印方法，克服了现有其他转印方法转印效率底，控制精度差等缺点。本发明的电磁驱动转印印戳及电磁辅助转印方法采用电磁驱动及辅助转印，印戳结构简单、制作方便，转印可控性强、响应速度快，不受油墨(元器件)和受主基底材料限制，可实现柔性电子制备过程中无机电子元器件的高效率转印。

附图说明

图1为本发明中提出的电磁驱动转印印戳结构示意图：(a)立体图；(b)剖视图；

图2为本发明中提出的印戳空腔上下薄膜在电磁驱动下发生凹凸变形的示意图：(a)未加磁场力；(b)加入向上的磁场力；(c)加入向下的磁场力；

图3为应用本发明中提出的印戳及转印方法实施转印过程的示意图；

图4为上墨过程中电磁驱动力与空腔底膜弯曲变形的最大位移之间的关系图；

图5为印刷过程中电磁驱动力与空腔底膜弯曲变形的最大位移之间的关系图。

1-电磁驱动印戳、2-梯形空腔、3-磁性复合薄膜、4-空腔底膜、5-液体、6-底部空腔、7-电子元器件、9-赠体、10-向上电磁场、11-受体、12-向下电磁场。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

电磁驱动印戳在高聚物印戳基体上制作梯形空腔，形成印戳主体，空腔上部由磁性复合薄膜封装，空腔下部为印戳空腔底膜。电磁辅助转印技术方案为在反向磁场作用下上墨，在同向磁场作用下印刷。而且，本发明的目的在于提供一种在磁场作用下，通过磁性薄膜与印戳底膜的凹凸变形调控印戳底部与元件之间密闭空间压强实现转印的高可控、快响应的高效转印技术。

另外，本发明的目的在于提供一种通过电磁场在常温下驱动，不会给油墨(元器件)和柔性基底带来热损伤的电磁辅助转印技术。

另外，本发明的目的在于提供一种可以进行接触式印刷，不受油墨(元器件)与受主基底材料限制的磁辅助转印技术。

本发明的电磁驱动转印印戳是一个具有密闭空腔结构的柔性印戳，内充液体，空腔底部为印戳空腔底膜，结构上部为磁性复合薄膜，印戳内部空腔有圆柱形空腔结构，如图1所示。电磁驱动印戳1内部开有梯形空腔2，梯形空腔2内部充满液体5，空腔顶部由磁性复合薄膜3密封。

本发明的电磁辅助转印方法是采用电磁驱动转印印戳实现的，在交变电磁场的作用下，电磁力驱使磁性复合薄膜发生弯曲变形，从而驱使印戳空腔上下表面柔性薄膜发生局部的凹凸变形，变形示意图如附图2所示。该印戳以交变电磁场为驱动力，在电磁场作用下，磁场力驱动磁性复合薄膜3发生上凸或下凹的弯曲变形；然后磁性复合薄膜的变形驱动空腔底膜4发生对应的上凸或下凹的弯曲变形。在上墨过程中，由于磁场的作用，使得印戳空腔上下表面薄膜向上凸起，印戳底部和元件之间形成密闭负压区，从而实现元件的拾取；在印刷的过程中，由于磁场的作用，使得印戳上下表面柔性薄膜向下凸起，增大了印戳底部与元件之间密闭空间的压强，从而使元件从印戳上剥离，实现元件的转印，转印过程示意图如附图3所示。本发明的电磁驱动转印印戳及电磁辅助转印方法在于通过施加交变电磁场，主动控制元件和印戳底部密闭空腔的压力变化，从而实现界面粘附的调控和可逆性，因此这种转印方法为电磁辅助主动控制转印。

本发明所述印戳主体及底膜材料均采用低模量高聚物，其模量通常低于2MPa，其低模量特性能够保证印戳与基底能够保持共形接触，能够更好地适应赠体与受体基底表面形状。

本发明所述印戳结构下部的空腔，其外形尺寸需要与油墨(元器件)外形尺寸相匹配，以形成印戳底部与元器件之间的密闭空腔。

本发明所述印戳空腔底膜，其厚度应当在允许范围内选取较小的厚度，以便空腔底膜变形更加容易。

根据图3所示，采用本发明中提出的电磁驱动转印印戳及转印方法实施转印的具体步骤为：

步骤一：将电磁驱动印戳1底部与赠体9上的电子元器件7接触，使得电磁驱动印戳1底部空腔6与电子元器件7之间形成密闭空间。

步骤二：向电磁驱动印戳1施加向上的电磁场10，在磁场力的作用下，使得空腔顶部磁性复合薄膜3发生上凸弯曲变形；然后磁性复合薄膜3驱动空腔底膜4发生上凸弯曲变形。这样减小了底部空腔6电子元器件7之间密闭空间的压强，使得印戳1完成对电子元器件7的吸附，实现上墨的过程。

经过理论分析，上墨过程中，电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot的关系为：

式中，h为薄膜的厚度，R_bot为下层PDMS的半径，k为印戳中上下层的薄膜半径比，λ为上下层薄膜的平面模量比。E_bot和ν_bot分别为PDMS的弹性模量和泊松比，h_c为印戳空腔的高度，为印戳空腔初始的压强。

通过公式(1)，可以得到上墨过程中电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot的关系，为实际的上墨过程的精确调控，提供了理论指导。

如图4所示，为上墨过程中电磁驱动力ΔP与空腔底膜4弯曲变形的最大位移w_bot之间的关系图，理论与有限元分析的结果能够很好的吻合，说明该印戳可以实现精准调控。实际上墨过程中可以根据实际情况调控电磁场强度的大小以适应对不同电子元器件的上墨过程。

步骤三：完成步骤二后，如图3所示，提起吸附着电子元器件7的印戳1并转移至受体11基体表面。

步骤四：完成步骤三后，施加反向电磁场12，在磁场力的作用下，使得空腔顶部磁性复合薄膜3发生下凹弯曲变形；然后磁性复合薄膜3驱动空腔底膜4发生下凹弯曲变形。这样增大了底部空腔6与电子元器件7之间密闭空间的压强，促使电子元器件7从印戳1上脱离至受体11上，将电子元器件7转印至受体11上，实现印刷过程。印刷过程中，电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot间的关系同式(1)。图5为印刷过程中电磁驱动力ΔP与空腔底膜4弯曲变形的最大位移w_bot之间的关系图。

步骤五：完成印刷过程之后，先撤消电磁场，再撤消印戳1，印戳1结构恢复至初始状态，整个转印过程完成。

Claims (2)

1.一种电磁驱动转印印戳，其特征在于：在高聚物印戳基体上制作梯形空腔，形成印戳主体，梯形空腔内部充满液体，顶部由磁性复合薄膜密封，梯形空腔底部为印戳空腔底膜。

2.一种采用权利要求1所述的电磁驱动转印印戳实现的电磁辅助转印方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将电磁驱动印戳1底部与赠体9上的电子元器件7接触，使得电磁驱动印戳1底部空腔6与电子元器件7之间形成密闭空间；

步骤2：向电磁驱动印戳1施加向上的电磁场10，在磁场力的作用下，使得空腔顶部磁性复合薄膜3发生上凸弯曲变形；然后磁性复合薄膜3驱动空腔底膜4发生上凸弯曲变形；这样减小了底部空腔6电子元器件7之间密闭空间的压强，使得电磁驱动印戳1完成对电子元器件7的吸附，实现上墨的过程；

上墨过程中，电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot的关系为：

式中，h为薄膜的厚度，R_bot为下层PDMS的半径，k为印戳中上下层的薄膜半径比，λ为上下层薄膜的平面模量比。E_bot和ν_bot分别为PDMS的弹性模量和泊松比，h_c为印戳空腔的高度，为印戳空腔初始的压强；

步骤3：提起吸附着电子元器件7的印戳1并转移至受体11基体表面；

步骤4：施加反向电磁场12，在磁场力的作用下，使得空腔顶部磁性复合薄膜3发生下凹弯曲变形；然后磁性复合薄膜3驱动空腔底膜4发生下凹弯曲变形；这样增大了底部空腔6与电子元器件7之间密闭空间的压强，促使电子元器件7从电磁驱动印戳1上脱离至受体11上，将电子元器件7转印至受体11上，实现印刷过程；

印刷过程中，电磁驱动力ΔP和空腔底膜4变形的最大位移值w_bot间的关系同式(1)；

步骤5：完成印刷过程之后，先撤消电磁场，再撤消电磁驱动印戳1，电磁驱动印戳1结构恢复至初始状态，整个转印过程完成。