CN113427888B - 印章单元的设计方法、印章单元及印章 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种印章单元的设计方法、印章单元及印章。上述设计方法包括如下：根据柔性膜的受力建立力学模型系统，计算不同段中的挠度；根据以上得到的挠度计算系统的总能量；以及利用总能量，至少确定气腔内的气压、印章单元与样品之间的界面强度和刚性基体相对于样品的位移与分离长度之间的相对关系，由此设计印章单元。这样，能够利用理论设计方法从实现印章单元与样品之间的界面接合力获得期望调控的方面来设计印章单元，进而通过多个印章单元获得各印章单元能够独立调控的印章。
Description
技术领域
本申请涉及柔性电子技术中印章单元的设计制造领域，更具体地涉及印章单元的设计方法，采用该设计方法设计制造的印章单元及印章。
背景技术
柔性电子技术由于其优越的力学性能和材料特性被广泛应用于例如生物医疗监测领域等的各种领域，这些优越的力学性能和材料特性使利用柔性电子技术实现的器件可以与人体进行长时间接触，而不影响人体正常的生理活动。而且，现今对于利用柔性电子技术制造的可穿戴医疗器械的需求也更加迫切。
为了使利用柔性电子技术实现的器件可以更好的实现工业化生产，本领域技术人员提出了一种基于传统硬电路加工工艺，将电路转印至柔性衬底的制造方法。该方法中最重要过程就是转印过程，该转印过程的成功与否直接决定着器件是否可以实现柔性化。现有的例如采用形状记忆聚合物、微结构和曲率等进行转印的方法存在一定的局限性，使得这些方法的使用也相应的受到了限制。
对于转印过程，其关键在于调节印章和样品之间的界面接合强度。使样品在从施主基体上剥离时，印章和样品之间具有较大的界面接合强度；而将样品印制在受主基体上时，印章和样品之间则需要保持较小的界面接合强度，从而确保样品在转印过程中能够从施主基体上拾起，并且印制在受主基体上。而往往对于界面接合强度等参数的调控具有较大困难，亟待一种与样品之间能够获得期望的界面接合强度的印章。
发明内容
为了解决上述现有技术的缺点而设计并完成了本申请。本申请的一个目的在于提供一种新型的印章单元的设计方法，其能够利用理论设计方法从实现印章单元与样品之间的界面接合强度获得期望调控的方面来设计印章单元。本申请的另一个目的在于提供一种利用上述设计方法制造的印章单元以及包括这种印章单元的印章，使得获得的印章单元和印章与样品之间的界面接合强度能够获得期望的调控。
为了实现上述申请目的，本申请采用如下技术方案。
本申请提供了一种如下的印章单元的设计方法，所述印章单元用于将样品从施主基体转印到受主基体并且包括刚性基体和柔性膜，所述刚性基体形成有气腔，所述气腔具有开口，所述柔性膜包括柔性层和多个接合部，所述柔性层以封闭所述开口的方式设置于所述刚性基体，所述多个接合部固定于所述柔性层的背离所述气腔的表面，在转印过程的分离步骤中，通过改变所述气腔内气压使得所述柔性膜变形，使所述接合部能够从接合到所述受主基体上的所述样品分离，所述设计方法包括：
获取系统挠度，其中在所述分离步骤中根据所述柔性膜的受力建立力学模型系统，基于所述印章单元与所述样品之间的在纵截面中的分离长度，将产生变形的所述柔性膜等效为悬臂梁结构并划分成接合段和分离段，基于所述接合段的挠曲线微分方程，计算所述接合段中的第一挠度，基于所述分离段的挠曲线微分方程，计算所述分离段中的第二挠度；
获取系统总能量，其中基于所述第一挠度计算所述接合段的第一弯曲变形能以及与所述样品接合的所述接合部的拉伸变形能，基于所述第二挠度计算所述分离段的第二弯曲变形能，计算所述印章单元与所述样品之间的界面能，将所述第一弯曲变形能、所述拉伸变形能、所述第二弯曲变形能和所述界面能之和作为总能量；以及
确定参数关系，其中利用所述总能量，至少确定所述气腔内的气压、所述印章单元与所述样品之间的界面强度和所述刚性基体相对于所述样品的位移与所述分离长度之间的相对关系，由此设计所述印章单元。
在一个可选的方案中，所述接合部为接合柱，在所述印章单元处于未工作的初始状态下，多个所述接合柱彼此平行，相邻的接合柱之间具有相同的间隔，
所述纵截面与所述柔性层垂直且穿过成排的多个所述接合柱的中心轴线，多个所述接合柱相对于所述纵截面的中心线对称，在所述中心线的任一侧，在与样品未分离的接合柱中存在位于最外侧的过渡接合柱，
在所述获取系统挠度的步骤中，在所述纵截面中，所述过渡接合柱的外缘与所述刚性基体的外缘之间的长度为所述分离长度，所述柔性膜的从所述中心线到所述过渡接合柱的外缘的部分为接合段，所述柔性膜的从所述过渡接合柱的外缘到所述刚性基体的外缘的部分为分离段。
在另一个可选的方案中，在所述印章单元处于所述初始状态下，所述接合柱的高度为h，相邻的接合柱之间的间隔为g，所述接合柱的直径为d，所述刚性基体在所述纵截面中的宽度为2b，
设pm为所述气腔内的气压，
为所述柔性膜的弹性模量，Iz为所述柔性膜的惯性矩，
为所述第一挠度，x1为以所述接合段的最内侧点为原点的x1O1y1坐标系中的横坐标，
为所述第二挠度，x2为以所述分离段的最内侧点为原点的x2O2y2坐标系中的横坐标，且k4＝d/[Izh(d+g)]，
则在所述获取系统挠度的步骤中，所述接合段的挠曲线微分方程为如下的式1：
所述分离段的挠曲线微分方程为如下的式2：
由式1得到的通解为如下的式3：
由式2得到的通解为如下的式4：
其中
至
为实数。
在另一个可选的方案中，基于所述接合段和所述分离段的连续性条件，在所述获取系统挠度的步骤中，将所述x1O1y1坐标系和所述x2O2y2坐标系转换到以接合段的最内侧点为原点的同一xOy坐标系中，则通过式3、式4得到如下的式5：
以及对应的边界条件为如下的式6：
其中C1至C8为实数，l为所述分离长度，v为所述刚性基体相对于所述样品的位移。
在另一个可选的方案中，在所述获取系统总能量的步骤中，设所述第一弯曲变形能为
设所述拉伸变形能Upillar，设所述第二弯曲变形能为
设所述界面能为Uγ，
则满足如下的式7：
式8：
式9：
式10：
其中，γ为所述界面强度，
则由式7、式8、式9、式10得到表示系统总能量的如下的式11：
并且将式5、式6得到的w1(x)和w2(x)代入式11得到所述系统总能量。
在另一个可选的方案中，在所述确定参数关系的步骤中，通过式11计算所述系统总能量，设无量纲化的系统总能量为
无量纲化的分离长度为
无量纲化的位移为
无量纲化的界面强度为
无量纲化的气压为
利用所述无量纲化的系统总能量确定
和
之间的关系。
在另一个可选的方案中，在所述确定参数关系的步骤中，
确定所述印章单元与所述样品之间的界面接合力为如下的式12：
并且确定所述印章单元与所述样品之间分离时的临界位移为如下的式13：
则基于式12、式13得到所述印章单元与所述样品之间的最大接合力为如下的式14：
在另一个可选的方案中，设无量纲最大接合力为
所述印章单元的特征尺寸为
无量纲界面强度为
在所述确定参数关系的步骤中确定
和
三者之间的关系。
本申请还提供了一种根据以上技术方案中任意一项技术方案所述的印章单元的设计方法设计制造的印章单元，所述印章单元包括刚性基体、柔性膜和接合柱，所述刚性基体形成有气腔，所述气腔具有方形开口，所述柔性膜以封闭所述方形开口的方式设置于所述刚性基体，多个所述接合柱固定于所述柔性膜的背离所述气腔的表面，多个所述接合柱以矩阵阵列的方式排列，所述矩阵阵列的中心与所述方形开口的中心一致。
本申请还提供了一种如下的印章，所述印章包括多个以上技术方案所述的印章单元，多个所述印章单元以矩阵阵列的方式排列，各所述印章单元的所述气腔的气压能够独立地调节。
通过采用上述技术方案，本申请提供了一种印章单元的设计方法，上述设计方法包括如下：获取系统挠度，其中根据柔性膜的受力建立力学模型系统，基于印章单元与样品之间的分离长度，将产生变形的柔性膜等效为悬臂梁结构并划分成接合段和分离段，基于接合段的挠曲线微分方程，计算接合段中的第一挠度，基于分离段的挠曲线微分方程，计算分离段中的第二挠度；获取系统总能量，其中基于第一挠度计算接合段的第一弯曲变形能以及与样品接合的接合部的拉伸变形能，基于第二挠度计算分离段的第二弯曲变形能，计算印章单元与样品之间的界面能，将第一弯曲变形能、拉伸变形能、第二弯曲变形能和界面能之和作为总能量；以及确定参数关系，其中利用总能量，至少确定气腔内的气压、印章单元与样品之间的界面强度和刚性基体相对于样品的位移与分离长度之间的相对关系，由此设计印章单元。这样，能够利用理论设计方法从实现印章单元与样品之间的界面接合力获得期望调控的方面来设计印章单元。本申请还提供了采用这种设计方法设计获得的印章单元以及通过多个印章单元组成的印章，使得所获得的印章单元和印章与样品之间的界面接合强度能够获得期望的调控。
附图说明
图1是示出了根据本申请的一实施例的印章及构成该印章的印章单元的结构示意图。
图2是示出了图1中的印章单元的剖视示意图，其中示出了印章单元的纵截面。
图3是示出了利用图2中的印章单元实现转印过程的各步骤的示意图。
图4是示出了图3的(F)中所示的步骤的示意图，其中示出了该印章单元的设计参数。
图5是示出了处于图3的(F)中所示的步骤的印章单元的柔性膜的简化力学模型的示意图。
图6是示出了图5中的力学模型中接合段的受力分析图。
图7是示出了图5中的力学模型中分离段的受力分析图。
图8是示出了在不同位移条件下系统总能量与分离长度之间的关系的曲线图。
图9是示出了在不同界面强度下系统总能量与分离长度之间的关系的曲线图。
图10是示出了在一定的界面强度和位移，但气压不同的条件下系统总能量与分离长度之间的关系的曲线图。
图11是示出了在一定的气压，但界面强度不同的条件下位移与分离长度之间的关系的曲线图。
图12是示出了在一定的界面强度，但气压不同的条件下位移与分离长度之间的关系的曲线图。
图13是示出了在一定的气压，但界面强度不同的条件下接合力与位移之间的关系的曲线图。
图14是示出了在一定的气压，但界面强度不同的条件下最大接合力与特征尺寸之间的关系的曲线图。
图15是示出了一种用于制造印章单元的柔性膜的模具的示意图。
图16是示出了另一种用于制造印章单元的柔性膜的模具的示意图。
图17是示出了测量柔性膜与样品之间的接合力的测量装置的示意图。
图18是示出了图17中的测量装置的上夹具的结构的示意图。
图19是示出了图17中的测量装置的下夹具的结构的示意图。
附图标记说明
ST印章 P印章单元 1刚性基体 11气腔 12气道 2柔性膜 21柔性层 22接合柱 S样品 D施主基体 A受主基体
M模具 31凹部 32凹孔
41上夹具 411第一被夹持部 412上夹具主体 413导胶槽 42下夹具 421第二被夹持部 422下夹具主体 43拉伸机。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
以下将首先参照说明书附图说明根据本申请的一实施例的印章及构成该印章的印章单元的结构。
(根据本申请的一实施例的印章和印章单元的结构)
根据本申请的一实施例的印章ST用于在转印过程中将样品S从施主基体D移动到受主基体A，并且能够在样品S与受主基体A接合的状态下与样品S顺利地分离。如图1所示，该印章ST包括多个印章单元P，多个印章单元P以矩阵阵列的方式排列。多个印章单元P相对独立，特别是，可以对每个印章单元P进行独立控制，例如但不限于，通过对每个独立的印章单元P进行分别设计和调控实现在转印过程中对印章单元P进行独立控制。
如图1和图2所示，每个印章单元P均包括组装在一起的刚性基体1和柔性膜2。具体地，刚性基体1的内部形成有彼此连通的气腔11和气道12，气腔11具有长方体形状且具有朝向下方开放的方形开口，气道12位于气腔11的上方且与气腔11连通。柔性膜2包括柔性层21和多个接合柱22。柔性层21具有片状结构，柔性层21的外缘部例如通过粘结的方式固定于刚性基体1并且封闭气腔11的开口。多个接合柱22(在本实施例中为25个接合柱22)固定于柔性层21的背离气腔11的表面。
可以理解，这里的刚性基体1的“刚性”是相对于柔性膜2的“柔性”相对而言的。刚性基体1和柔性膜2可以由不同的材料制成，也可以由相同的材料制成，例如，柔性膜2的柔性层21的壁厚可以小于刚性基体1的壁厚。
在印章单元P处于未工作的初始状态下，多个接合柱22彼此平行，这些接合柱22以5×5矩阵阵列的方式排列，矩阵阵列的中心与方形开口的中心一致。如图3所示，在转移过程中，接合柱22用于与样品S接合，以从施主基体D转移样品S到受主基体A，并使样品S与受主基体A接合。在如图3的(F)所示的分离步骤中，通过改变气腔11内气压使得柔性膜2的柔性层21变形，使接合柱22能够从接合到受主基体A上的样品S分离。对于包括多个印章单元P的印章ST而言，这些印章单元P的气腔11的气压优选能够独立地调节。
(利用根据本申请的一实施例的印章单元实现的转印过程)
下面以一个印章单元P为代表说明转印过程。图3示出了印章单元P在整个转印过程中的各步骤中的状态。在该转印过程中，首先，如图3的(A)和(B)所示，为印章单元P整体施加向下的位移，使印章单元P和样品S之间形成较强的接合力；然后，如图3的(C)所示，再为印章单元P施加向上的位移，使样品S和印章单元P一起从施主基体D上剥离；进一步地，如图3的(D)所示，将与样品S接合的印章单元P转移到受主基体A上，并施加向下的位移；然后，如图3的(E)和(F)所示，待样品S和受主基体A接触后，通过对印章单元P施加向上的位移以及对气腔11内的气压调节，降低印章ST和样品S之间的接合力，完成样品S印制在受主基体A的过程。
为了在上述转印过程中的对应的步骤中获得期望的印章单元P和样品S之间的接合力，可以对印章单元P的设计参数和该印章单元P的控制参数进行如下的设计。
(根据本申请的一实施例的印章单元P的设计方法和制造方法)
在转印过程的分离步骤中，在如图4所示的纵截面图中，接合柱22可以处于三种状态：相对于中心线L位于最外侧的两个接合柱22处于自由状态，相对于最外侧的两个接合柱22靠内侧的两个过渡接合柱处于拉伸状态，中央的接合柱22处于原长。
通过图4展示了印章单元P的主要设计参数。具体地，接合柱22在初始状态下的高度为h，初始状态下相邻的接合柱22之间具有相同的间隔且相邻的接合柱22之间的间隔为g，接合柱22初始状态下的直径为d，刚性基体1在纵截面中的宽度为2b。上述“纵截面”穿过成排的多个接合柱22的中心轴线，多个接合柱22相对于纵截面的中心线L(如图4所示)对称。
在中心线L的任一侧，在与样品S未分离的接合柱22中存在上述过渡接合柱。在纵截面中，设过渡接合柱的外缘与刚性基体1的外缘之间的长度为分离长度l。进一步地，在纵截面中，设刚性基体1相对于样品S朝向远离样品S的方向移动的距离为位移v(在印章单元P处于未工作的初始状态下，该位移v为0)。进一步地，设印章单元P中的气腔11的气压为pm。通过调节转印过程中对印章单元P施加的位移v以及印章单元P中的气压pm，能够基于上述主要设计参数分析分离长度l以及接合力F，从而实现印章单元P和样品S之间界面强度调节。本申请的设计方法就是基于该基本思路来实现的，该设计方法包括如下步骤：获取系统挠度、获取系统总能量以及确定参数之间的关系。
在获取系统挠度的步骤中，根据印章单元P的纵截面中柔性膜2的受力建立力学模型系统。基于在转印过程的分离步骤中印章单元P与样品S之间的分离长度，将柔性膜2的从中心线L到过渡接合柱的外缘的部分定义为接合段，将柔性膜2的从过渡接合柱的外缘到刚性基体1的外缘的部分定义为分离段，由此将产生变形的柔性膜2等效为悬臂梁结构并划分成接合段和分离段。基于接合段的挠曲线微分方程，计算接合段中的第一挠度，基于分离段的挠曲线微分方程，计算分离段中的第二挠度。
具体地，将柔性膜2的受力状态简化为图5所示的弹簧悬臂梁结构。如图6所示，对应的OA段梁(接合段)既受到气压pm的作用，同时还受到接合柱22的拉伸力
以及在AB段梁(分离段)的剪力作用F1和弯矩M1作用，其中
与OA梁的变形相关；如图7所示，对于AB段梁的受力，则仅有气压pm的作用以及OA梁和刚性基体1分别作用的剪力F1、F2和弯矩M1、M2。这样，设
为柔性膜2的弹性模量，Iz为柔性膜2的惯性矩，
为第一挠度，x1为以接合段的最内侧点为原点的x1O1y1坐标系中的横坐标，
为第二挠度，x2为以分离段的最内侧点为原点的x2O2y2坐标系中的横坐标。
因此，OA段梁的挠曲线微分方程可以写为：
其中
并且定义k4＝d/[Izh(d+g)]。
对于OA梁的分析，根据式(1)可以得到：
式(2)对应的通解为：
对于AB段梁，类似地，可以得到：
对应的通解为：
考虑到位移、转角、弯矩、剪力等连续性条件，在x1O1y1和x2O2y2坐标系下，可以表示为：
将式(3)、(5)、(6)改写在以OA段的最内侧点为原点的同一个坐标系xOy下，按照x1＝x,y1＝y,x2＝x-(b-l),和y2＝y-v1进行转换，并结合其边界条件，可以将其改写为：
对应的边界条件为：
根据式(7)、(8)，即可以求解得到系数C1～C8以及w1(x)和w2(x)的具体表达式，其中C1～C8为实数。
进一步地，在获取系统总能量的步骤中，基于以上得到的第一挠度计算接合段的第一弯曲变形能和在分离步骤中处于与样品S接合的接合柱22的拉伸变形能，基于第二挠度计算分离段的第二弯曲变形能，计算印章单元P与样品S之间的界面能，将第一弯曲变形能、拉伸变形能、第二弯曲变形能和界面能之和作为总能量。
具体地，对于上述系统的总能量，系统的总能量Utotal由四部分组成。1)OA段梁的弯曲变形能
2)AB梁的弯曲变形能
3)接合柱22的拉伸变形能Upillar，4)界面能Uγ。因此系统的总能量可以表示为：
其中各部分能量可以表示为：
OA段梁的弯曲变形能
AB梁的弯曲变形能
接合柱22的拉伸变形能Upillar
界面能Uγ
其中γ表示印章单元P和样品S之间的界面强度。
进一步地，在确定参数关系的步骤中，利用以上计算的总能量，确定空腔内的气压、印章单元P与样品S之间的界面强度和刚性基体1相对于样品S的位移与分离长度之间的相对关系，以及印章单元P与样品S之间的最大接合力，由此设计印章单元P。
基于上述的式(9)至(13)对应可以求得系统的总能量。另外，设
是无量纲化的系统总能量，
是无量纲化的位移，
是无量纲化的分离长度，
是无量纲化界面强度，
是无量纲化的气压。
如图8所示，可以得到当气压pm＝0且施加不同的位移时无量纲化的系统总能量随着无量纲化的分离长度l的变化。当施加的位移比较小时，系统总能量随着分离长度增加而单调递增，此时表明分离长度为0。而当系统总能量的极小值点为系统能量的最小值时，此刻对应的分离长度为系统的实际分离长度(图8中实心五角星点)；而当系统能量的局部最小值(图8中空心五角星点)大于系统完全分离时
则此刻系统完全分离。如图9所示，同样可以得到当施加位移
且界面强度
不同时无量纲化的系统总能量随着无量纲化的分离长度的变化。当系统能量单调递减(如图9中
和
)，此刻系统在无量纲化位移
印章单元P和样品S之间完全分离。而当
和
此刻施加的位移不足以使样品S和印章单元P完全分离，但此刻印章单元P和样品S之间存在部分分离，分离的实际长度为图9中五角星所示。如图10所示，同样可以得到无量纲化的系统总能量在不同气压条件下与分离长度的关系，其含义与图8、9基本相同。
图11和图12分别示出了系统实际分离长度和施加位移的关系。如图11所示，当气压
且界面强度
不同时，随着施加位移的增加，系统的分离长度逐渐增加，随着施加位移的增加到一定程度，系统完全分离。对应的系统能量最小时，即为印章单元P和样品S分离长度。当界面强度为
不同气压作用下，系统出现分离现象时，施加的位移相同，定义此刻施加的位移为临界位移vcritical。而如图12所示，随着气压的增大，在相同的位移作用下，系统分离长度减小。
由此，系统出现分离时所需的临界位移可以表示为：
而印章单元P和样品S之间的界面接合力可以表示为：
带入具体的表达式可以求解得到接合力的具体表达式为：
印章单元P和样品S之间的接合力如式16所表示，如图13所示，最大接合力出现在系统和样品S之间刚要分离时。因此在系统出现分离以前，系统的接合力随着施加位移的增大而增大，但是最大接合力和临界位移有关，因此最大接合力的表达式可以表示为：
而其中vcritical的具体表达式为式(14)。定义无量纲最大接合力
其中图14示出了式(17)所表示的最大接合力和印章单元P的特征尺寸
以及无量纲界面强度
的关系。
基于此，印章单元P和样品S之间的最大接合力Fmax和印章单元P的特征尺寸
之间的关系，分离长度l、施加位移v，界面强度γ和气压pm之间的关系已经完全可以得到。因此在实际的印章单元P设计和制造中，先通过以上的理论计算，得到印章单元P的设计参数和使用参数，再根据得到的设计参数和使用参数进行模具M的设计和印章单元P制造，整个制造过程如下的步骤S1-S3所述。
S1：制造柔性膜2。制造浇铸模具M(如图15和图16所示，图15中的模具M对应单个上述实施例的印章单元P的柔性膜2，图16中的模具M对应多个上述实施例的印章单元P的柔性膜2)，如通过3D打印或者微纳加工的方法制造模具M，并将模具M进行脱模处理。然后选用合适的柔性膜2的材料进行浇铸，待固化后将其从模具M中取出。整个柔性膜2包括作为基底的柔性层21以及设置在柔性层21上的接合柱22的阵列，其中接合柱22的顶端部可以通过改变设计结构增加吸盘等微结构的阵列。
S2：制造刚性基体1。通过机械加工或者3D打印的方式，完成印章单元P的刚性基体1加工，印章单元P内形成空腔，空腔包括气腔11和气道12两部分。气道12主要是与外部连接的气路通道，通过气道12向气腔11充气和从气腔11放气以达到后续改变柔性膜2与样品S之间的接合力以及分离长度的目的。
S3：完成印章单元P及印章ST的制造。将刚性基体1和柔性膜2通过胶接的方式进行连接，完成印章单元P的制造。印章单元P可以根据实际转印的需求，将其设计成阵列形状来构成印章ST，通过分别对阵列中的每个印章单元P气压分别调整以及每个单元所对应的柔性膜2的设计参数分别设计，达到可编程的转印和界面强度调节。
进一步地，本申请还提供了一种对利用上述设计方法设计制造的印章单元P与样品S之间的接合力进行测试的方法。
(根据本申请的一实施例的印章单元P与样品S之间的接合力的测试方法)
通过以上设计方法得到相关的尺寸参数以及使用参数之后，通过3D打印光固化树脂材料，制造如图15或图16所示的模具M。在模具M中，凹部31用于形成柔性膜2的柔性层21，凹孔32用于形成柔性膜2的接合柱22。对所形成产品进行脱模处理，即可以得到本申请的印章单元P的柔性膜2。
进一步地，通过3D打印或者微纳加工的方式，设计得到与印章单元P相匹配的夹具组件。如图17至图19所示，夹具组件包括上夹具41和下夹具42，上夹具41用于安装柔性膜2，下夹具42用于载置样品S。
如图18所示，上夹具41包括第一被夹持部411和上夹具主体412。第一被夹持部411位于上夹具主体412的上方，第一被夹持部411为上夹具41的拉伸机43加装部，通过将第一被夹持部411和拉伸机43进行加装，从而完成上夹具41与拉伸机43的装载。上夹具主体412形成有中空的气腔，并且具有朝向下方开放的开口。上夹具主体412的开口的周缘形成为导胶槽413，用于容纳胶水，从而能够使柔性膜2和上夹具41进行粘结固定。如图19所示，下夹具42包括第二被夹持部421和下夹具主体422。下夹具主体422具有用于插装样品S的插槽。第二被夹持部421位于下夹具主体422的下方，通过将第二被夹持部421与拉伸机43进行加装，从而完成下夹具42与拉伸机43的装载。另外，通过更换插入下夹具主体422的样品S的种类可以实现对不同的样品S和印章单元P之间的接合力进行测试。
如图16所示，通过夹具组件右侧的控制单元能够改变对上夹具41和下夹具42之间施加的位移，能够测量印章单元P的柔性膜2与样品之间的接合力，来实现印章单元P的柔性膜2和样品S之间的接合力测试。将得到的结果与上述设计方法中得到的简化模型的结果相比较验证，进一步验证设计方法的可靠性。
在以上的内容中对本申请的具体实施方式进行了详细的阐述，还进行如下说明。
i.在本申请的设计方法中，可以对设计参数和使用参数采用各种不同的取值进行计算，从而通过本申请的设计方法获得优化的设计方案。如图8至图14，以
g＝d＝10-4m，b＝10-2m,h＝10-3m和Iz＝10-9m3为例进行计算得到了这些曲线图。
ii.本申请中所涉及到的模具M以及夹具41、42均采用3D打印光固化树脂材料进行加工，用于制造的柔性膜2的材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。另外，测试过程中没有采用真实的印章ST或印章单元P进行测试，而是采用上夹具41代替具体的印章ST，这样可以使得该测试方法具有普遍适用性。
iii.本申请提出了用于转印的印章单元P的设计方法，通过具体的力学分析，得到了印章单元P的设计参数的使用参数，可以给出印章ST的定量化设计，对于转印的可控调节更加精确。本申请还提出了的上述印章单元P的制造方法，利用该方法制造的印章单元P可以实现独立的界面接合强度的调节，同时由多个这种印章单元P构成的印章ST可以实现系统化的可控操作，从而实现大规模的可编程转印，可以实现复杂的转印图案。本申请通过理论设计，从结构层面对印章ST进行优化设计，可以大大降低转印对操作者的技术需求，大大降低了操作的技术难度，使转印步骤更加方便易操作。本申请还提出了印章单元P和样品S之间的接合力测试方法，具有普遍适用性。通过更换下夹具42中样品S，可以实现印章ST与多种样品S之间的界面接合强度测试。
Claims (3)
1.一种印章单元的设计方法，所述印章单元(P)用于将样品(S)从施主基体(D)转印到受主基体(A)并且包括刚性基体(1)和柔性膜(2)，所述刚性基体(1)形成有气腔(11)，所述气腔(11)具有开口，所述柔性膜(2)包括柔性层(21)和多个接合部，所述柔性层(21)以封闭所述开口的方式设置于所述刚性基体(1)，所述多个接合部固定于所述柔性层(21)的背离所述气腔(11)的表面，在转印过程的分离步骤中，通过改变所述气腔(11)内气压使得所述柔性膜(2)变形，使所述接合部能够从接合到所述受主基体(A)上的所述样品(S)分离，其特征在于，所述设计方法包括：
获取系统挠度，其中在所述分离步骤中根据所述柔性膜(2)的受力建立力学模型系统，基于所述印章单元(P)与所述样品(S)之间的在纵截面中的分离长度，将产生变形的所述柔性膜(2)等效为悬臂梁结构并划分成接合段和分离段，基于所述接合段的挠曲线微分方程，计算所述接合段中的第一挠度，基于所述分离段的挠曲线微分方程，计算所述分离段中的第二挠度；
获取系统总能量，其中基于所述第一挠度计算所述接合段的第一弯曲变形能以及与所述样品(S)接合的所述接合部的拉伸变形能，基于所述第二挠度计算所述分离段的第二弯曲变形能，计算所述印章单元(P)与所述样品(S)之间的界面能，将所述第一弯曲变形能、所述拉伸变形能、所述第二弯曲变形能和所述界面能之和作为总能量；以及
确定参数关系，其中利用所述总能量，至少确定所述气腔(11)内的气压、所述印章单元(P)与所述样品(S)之间的界面强度和所述刚性基体(1)相对于所述样品(S)的位移与所述分离长度之间的相对关系，由此设计所述印章单元(P)，
所述接合部为接合柱(22)，在所述印章单元(P)处于未工作的初始状态下，多个所述接合柱(22)彼此平行，相邻的接合柱(22)之间具有相同的间隔，
所述纵截面与所述柔性层(21)垂直且穿过成排的多个所述接合柱(22)的中心轴线，多个所述接合柱(22)相对于所述纵截面的中心线(L)对称，在所述中心线(L)的任一侧，在与样品(S)未分离的接合柱(22)中存在位于最外侧的过渡接合柱，
在所述获取系统挠度的步骤中，在所述纵截面中，所述过渡接合柱的外缘与所述刚性基体(1)的外缘之间的长度为所述分离长度，所述柔性膜(2)的从所述中心线(L)到所述过渡接合柱的外缘的部分为接合段，所述柔性膜(2)的从所述过渡接合柱的外缘到所述刚性基体(1)的外缘的部分为分离段，
在所述印章单元(P)处于所述初始状态下，所述接合柱(22)的高度为h，相邻的接合柱(22)之间的间隔为g，所述接合柱(22)的直径为d，所述刚性基体(1)在所述纵截面中的宽度为2b，
设pm为所述气腔(11)内的气压，
为所述柔性膜(2)的弹性模量，Iz为所述柔性膜(2)的惯性矩，
为所述第一挠度，x1为以所述接合段的最内侧点为原点的x1O1y1坐标系中的横坐标，
为所述第二挠度，x2为以所述分离段的最内侧点为原点的x2O2y2坐标系中的横坐标，且k4＝d/[Izh(d+g)]，
则在所述获取系统挠度的步骤中，所述接合段的挠曲线微分方程为如下的式1：
所述分离段的挠曲线微分方程为如下的式2：
由式1得到的通解为如下的式3：
由式2得到的通解为如下的式4：
其中
至
为实数，
基于所述接合段和所述分离段的连续性条件，在所述获取系统挠度的步骤中，将所述x1O1y1坐标系和所述x2O2y2坐标系转换到以接合段的最内侧点为原点的同一xOy坐标系中，则通过式3、式4得到如下的式5：
以及对应的边界条件为如下的式6：
其中C1至C8为实数，l为所述分离长度，v为所述刚性基体(1)相对于所述样品(S)的位移，
在所述获取系统总能量的步骤中，设所述第一弯曲变形能为
设所述拉伸变形能Upillar，设所述第二弯曲变形能为
设所述界面能为Uγ，
则满足如下的式7：
式8：
式9：
式10：
其中，γ为所述界面强度，
则由式7、式8、式9、式10得到表示系统总能量的如下的式11：
并且将式5、式6得到的w1(x)和w2(x)代入式11得到所述系统总能量，
在所述确定参数关系的步骤中，通过式11计算所述系统总能量，设无量纲化的系统总能量为
无量纲化的分离长度为
无量纲化的位移为
无量纲化的界面强度为
无量纲化的气压为
利用所述无量纲化的系统总能量确定
和
之间的关系，
在所述确定参数关系的步骤中，
确定所述印章单元(P)与所述样品(S)之间的界面接合力为如下的式12：
并且确定所述印章单元(P)与所述样品(S)之间分离时的临界位移为如下的式13：
则基于式12、式13得到所述印章单元(P)与所述样品(S)之间的最大接合力为如下的式14：
设无量纲最大接合力为
所述印章单元(P)的特征尺寸为
无量纲界面强度为
在所述确定参数关系的步骤中确定
和
三者之间的关系。
2.一种根据权利要求1所述的印章单元的设计方法设计制造的印章单元，其特征在于，所述印章单元(P)包括刚性基体(1)、柔性膜(2)和接合柱(22)，所述刚性基体(1)形成有气腔(11)，所述气腔(11)具有方形开口，所述柔性膜(2)以封闭所述方形开口的方式设置于所述刚性基体(1)，多个所述接合柱(22)固定于所述柔性膜(2)的背离所述气腔(11)的表面，多个所述接合柱(22)以矩阵阵列的方式排列，所述矩阵阵列的中心与所述方形开口的中心一致。
3.一种印章，其特征在于，所述印章(ST)包括多个权利要求2所述的印章单元(P)，多个所述印章单元(P)以矩阵阵列的方式排列，各所述印章单元(P)的所述气腔(11)的气压能够独立地调节。
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