CN1898091A - 用于微接触式印刷的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在基底表面上形成图案的设备。所述设备包括刚性的支撑元件——例如刚性的管状结构，其具有相对的第一端和第二端以及延伸穿过其的流体通道。一印模附装在刚性支撑元件相对端之一上。印模具有柔性膜片部分，该柔性膜片部分的外表面涂覆有一种或多种呈预先选定图案形式的材料。使用通过流体通道而与柔性膜片部分的内表面连通的气动加压机构来将柔性膜片部分向外偏置成与基底表面紧密且大致均匀地接触，从而将预先选定的图案转印到该表面上。所述刚性管状支撑件附装到一机器人定位机构上，用于对印模相对于基底表面的定位提供控制。

Description

用于微接触式印刷的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于在各种基底上形成微型图案的方法和设备。
背景技术
微接触式印刷是一种通过使用带有凸纹图案的弹性印模来在一表面上形成图案结构的技术。给印模涂上要用来形成图案的材料作为墨料，再将印模与一表面接触，墨料的转印仅仅发生在与该表面接触的凸纹区域中。
现有的微接触式印刷法具有几个急待解决的问题。一个主要的难点在于需要在印模表面图案元素与基底之间实现可靠的接触。由于被转印的墨料大致上是单层分子，所以，印模(其通常由例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合物制造)与基底之间的紧密接触是非常必要的。这可通过多种方式实现。印模表面可设置在一个标称位置上，该位置略为超出所述基底，从而确保：虽然印模表面与基底的位置存在有不可避免的不精确性，但是还是实现了紧密的接触。然而，此方法的缺点在于需要非常精确的位置控制或者需要压紧印模，从而产生了不可接受量的图案变形——包括可能在基底与印模的凸起特征间的区域之间形成接触。因为该特征尺寸为5微米量级，可以理解其中的困难程度。
一种解决此问题的更为复杂的方案是对印模触及基底时的接触力进行控制——或测量并控制该力。可采用许多方法来实现该控制。可将一个弹簧或类似的装置插入到运动控制机构内，而在一相当大的线性位移范围内获得一个大致均匀的接触力。可选地，可在相同端使用气动或液压的耦合装置，或者可将直接的力的测量值用作反馈来控制运动装置。
由于减轻了运动控制中所需的精确度，这些方法改善了所述接触问题。然而，仍存在有几个缺点。弹簧加载的简单方案会造成由于机械构件的变化或摩擦而导致的接触力的变化。确定适当大小的力也会是费时的，需要对弹簧中的预应力进行仔细的调节或者需要更换弹簧元件。
气动或液压耦合装置的采用使得所需要的调节变得较为容易，但仍然存在摩擦和控制方面的问题。对运动控制装置的力的反馈使得可以快速、受控地进行调节，其可基本上补偿机械变化，但是对运动控制装置的力的反馈极大地增加了图案形成系统的成本。更为重要的是，虽然所有的这些方案都对沿垂直于印模和基底的轴线上的位置误差进行补偿，但是没有一个方案对角度偏差进行补偿。如果印模起初与基底非平行地接触，继续施加接触力会在首先接触的区域中导致较大的局部印模压紧。如果施加了足够大的力来确保整个图案形成区域的紧密接触，则可能会导致在此最初接触区域中的印模元件的过度压紧，从而会导致图案的变形。
如果对运动控制装置、印模及基底进行仔细的工程技术运用、设计和制造以及选择高精度的部件，可以避免或减轻许多上述的问题。然而，实现这样的精度是昂贵的，并且会导致需要高级维修的系统。对于许多应用来说，这些情形是可以接受的，但是对于大规模生产或者尤其是在需要多场所生产时而言，廉价且更鲁棒的方法是有利的。
发明内容
本发明提供了一种用于在基底表面上形成图案的设备，其包括：
刚性支撑元件，其具有相对的第一端和第二端以及延伸穿过其的流体通道；
印模，其附装在所述刚性支撑元件的相对端中的第一端上，所述印模的一部分限定了柔性膜片部分，该柔性膜片部分的外表面涂覆有一种或多种呈预先选定的图案形式的材料；以及
偏置装置，其通过所述流体通道而与所述柔性膜片部分的内表面连通，用于使所述柔性膜片部分向外偏置成与基底表面紧密且大致均匀地接触，从而将所述一种或多种材料的预先选定的图案转印到该表面上。
附图说明
参照附图，下文为对依据本发明的用于微接触式印刷的方法和设备的描述，其仅仅是个示例，其中：
图1为依据本发明构造的微接触式印刷的印模的的截面图；
图2a为安装在壳体端部上、处于未加压位置的聚合物印模的截面图；
图2b为安装在壳体端部上的聚合物印模的截面图，其中壳体内部是加压的；
图3为图2b一个部分的放大视图，其示出微接触印模的膜片部分处于松弛及扩张状态的位置；
图4为安装在壳体端部的聚合物印模的截面图，其中壳体的内部具有负压，从而把印模的端部吸入壳体内部；以及
图5示出了印模组件的阵列，其适于与标准的或改进的实验室机器人流体操作装置一起使用。
具体实施方式
本发明使得包含有表面图案元件的印模和基底之间可以非常均匀地接触，且同时印模和基底之间只需要较为粗略地定位。图1为总体上以标号10示出的印模的截面图，该印模一体形成有一支撑对准结构且与一个要印制图案的基底12接合。印模10包括刚性的结构性支撑对准元件14，示于图1中的圆筒形管状元件为一个优选实施方式，但是应当理解的是，元件14本身并不需要是圆筒形的管。一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)微接触印模16位于管状元件14一端部上，该印模用于将图案转印到基底12的顶表面18上。
PDMS微接触印模16包括配合在管状元件14的该端部上的膜片部分20，该膜片部分足够薄而可在竖直方向的移动。印模的通常尺寸可包括：膜片部分20的厚度大约为0.2mm，而膜片的直径大约为2mm。应当理解，这些尺寸决非是限制性的，而是可根据应用和形成印模16的材料而变化，在图1中仅仅示例性地示出了PDMS材料。例如，其它可用来制造印模的材料包括其它的硅酮聚合物、环氧聚合物、丙烯酸酯聚合物、聚烯烃、例如丁基橡胶和丁腈橡胶等的其它弹性聚合物。聚合物材料可以是天然橡胶或合成橡胶。
下文的表I提供了一个可用于制造印模的弹性聚合物的通常名称及缩写的非限制性列表。表I所列出的材料仅仅作为示例给出而非穷举列出。
表I
  化学名称   通常名称  缩写
  1a天然异戊二烯   天然橡胶  NR
  1b合成异戊二烯   聚异戊二烯  IR
  2苯乙烯/丁二烯共聚物   丁苯橡胶  SBR
  3乙烯/丙烯/二烯三元共聚物   三元乙丙橡胶  EPDN
  4异丁烯/异戊二烯聚合物   丁基橡胶  HR
  5氯丁二烯   氯丁橡胶  CR
  6丙烯腈/丁二烯共聚物   丁晴橡胶  NBR
  7氯磺化聚乙烯   氯磺化聚乙烯合成橡胶  CSM
  8聚硅氧烷   硅橡胶  “Q”族
  9聚酯   聚氨酯  AU
  10氟化烃   氟橡胶  FPM
在一个实施方式中，印模可通过将弹性聚合物浇注在一个具有凸纹结构的母模上而形成，该母模由诸如硅或丙烯酸树脂等的硬质材料制造。对聚合物进行热固化，然后从母模上分离而制造印模，所述印模具有与母模互补的负凸纹。从而，印模上形成图案，获得一个预先选定的表面凸纹图案，然后均匀地涂覆上材料。而后，通过将印模浸入具有要形成图案的材料的刷浆中、或者将将一滴含有要形成图案的材料的溶液滴在印模上而为印模涂上墨料。清洗或未曾清洗过的印模通过气流干燥，然后将其放置为与基底表面接触，以图案方式实现材料的转印。
本领域内的技术人员可以理解：可采用其它的方式在印模上形成图案。例如，在印模的另一个实施方式中，可以使用一个平的印模，其上通过不同涂墨工序而设置有呈图案形式的材料，其中所述不同涂墨工序是通过使用其上具有图案的印模垫而进行的。待转印的材料(或“墨料”)几乎可以是任何材料，并且可包括小的分子、聚合物、生物材料、颗粒、蛋白质、DNA、RNA等。
从而，将预先选定的或所期望的图案元素包含在PDMS模制印模16的薄膜片部分20的外表面上。模件一体地形成有构造成可定向地附装到适当的运动控制及气压装置上的结构。柔性膜片部分20较薄而易于通过例如施加到管状元件14相对端的气压而移位。当印模16如图1或2a所示定位成其中膜片部分20邻接或邻近基底12的表面18时，通过管状元件14内的槽道22向膜片部分20所施加的气压将使得膜片朝向所述表面而向外移位，并使之与基底12的表面18接触，如图2b所示。
图3为一个向外偏置而与基底表面18接触的膜片20的放大详细视图。薄的膜片部分20应当与基底表面靠得很近(～0.001”)。可在管14内侧施加大约为60psi的正压，该正压可使薄的聚合物膜片部分20象气球一样地膨胀。此气球效应可使得形成有图案/涂有墨料的薄聚合物膜片20的表面将其未膨胀位置时与基底表面之间的间隙闭合。柔性的薄膜片部分20将与基底12的表面18紧密地接触，从而将依具体分析物而不同的受体的图案附着到基底表面上。通过在图案转印之前使得膜片部分20非常地靠近基底12的表面18，则为了与基底接触，膜片部分20不需要展开非常大，从而图案不会变形。这样，一旦实现了接触，在整个接触区域上，通过膜片部分20施加在基底表面18上的力大致是均匀的。以此方式，线性位移和角位移都可得到补偿。由此过程会导致一些图案变形，但是，如果膜片和基底之间的间隙相较于膜片部分20的直径而言比较小，则该变形很小，从而对于许多场合而言其是可以接受的并相对而言是可以预知的。一旦完成了压印过程，可释放压力，或者可在管内施加负压以将薄膜片部分20与基底12的表面18分开，如图4所示。
本领域内的技术人员可以理解：上述的尺寸和压力仅用于说明而不构成限制性解释。可采用比60psi低得多或高得多的接触力并且初始时很靠近。例如，印模与基底之间的初始靠近程度的一个优选的非限制性的范围可从约0.0005”到约0.005”，而优选的但非限制性的压力范围可从5psi到至少100psi。
通过本发明的印模设备所形成的图案可以是规则的等间距平行线条，或者可以是更为复杂的图案，如共同待批的美国专利申请09/814,161以及10/242,778中所描述的，这两个文献在此被引入文中以作为参考。
本发明的微接触印模10提供了这样的优点：其不需要特别严格的尺寸和位置控制，且在图案元件上提供了容易控制、可重复且均匀的接触力。可通过键参照部件或本领域内技术人员公知的其它方法来帮助实现印模表面图案元件相对于基底的转动定向。角度和轴向距离公差二者可以是足够宽松的而使得可以容易地使用可获得的运动控制装置——包括标准的实验室机器人流体操作装备，例如Tecan Genesis RSP或BeckmanFX Laboratory Workstation。这又使得可以容易地通过由已有部件或通过设计制造相对廉价的定制设备而构造一个廉价的系统。
所述构造的另一个好处在于：可以在转动方向上以及x-y平面内相对于待印制的表面精确地确定印模的方向。经常地，尤其是在与衍射光学传感器一起使用时，这样的定向是至关紧要的。在印模未参照刚性的支撑元件的情况下，将印模相对基底定向对准的唯一有效的方法是通过图案识别或通过其它的光学装置——例如使用显微镜而从视觉上判断。如果使用了这样的装置，则必须要求可以看到接触表面，并必须使用精确、可调节的机械装置来转动和平移印模。这些需求增加了设备所需的成本，并可能会因为需要允许视觉观察和相应机构的原因而限制基底构造的类型。
在本发明中，印模附装于刚性支撑元件的一端。此刚性支撑元件制造为具有各种精确的物理要件。在形成印模的过程中，刚性支撑元件上的物理要件用于在所述元件和带有图案要件的母模之间形成精确的参照。采用固定设备来保持住基底，并使基底精确地以该刚性支撑元件为参照。刚性支撑元件和固定设备的粗略组装使得印模与基底靠得很近，且其中印模表面与基底表面平行，且图案要件旋转地参照于基底。
本领域内的技术人员可以理解，膜片20及支撑结构14更为精细复杂的设计可最小化或消除很小的图案中的变形。例如，在形成图案的区域外侧的周边区域上膜片厚度的减少可减少形成图案的区域中的变形，因为这些周边区域会更大程度地扩张来调节所需位移。可选地，可加厚形成图案的区域来实现相同的结果。结合入滚动膜片设计(其与Marsh-Bellofram Corporation所采用方案的相类似)可基本上消除形成图案的区域的所有变形。
本发明的另一优点在于其可容易地适应于廉价的一次性装置。具有一体的膜片20的PDMS印模16可通过已知技术在支撑件14周围注射成型。因为所需要的定位公差是宽松的，所以这种组装是可行的。参照图3，可使用由刚性支撑结构14和具弹性的柔性印磨16组成的印模组件30的阵列，其适于与标准的或改进的实验室机器人流体操作装置一起使用。支撑结构14优选由任意数量的具有合适性能的聚合物注射成型，但是可以理解，也可以使用例如金属等的其它的材料。
本发明的图案附着系统(PDS)有利地提供了一种标准化的用于在基底表面上附着图案的方法。其在有效的附着压力、热度、湿度、运动速度、印压顺序以及位置参数范围内提供了最小的公称偏差。其提供了一种可容易地运输的装置。
如在此所使用的，术语“包括”、“包括有”、“含有”以及“具有”应当理解成是包括在内的且是开放式而不是封闭式的。特别地，当使用于本说明书及权利要求书时，术语“包括”、“包括有”、“含有”以及“具有”及其变体意味着包括了特定的特征、步骤或构件在内。这些术语不应当解释成排除了其它特征、步骤或构件的存在。
上文对本发明优选实施方式的描述用于示出本发明的原理，并不是将本发明限制于所示出的特定实施方式。本发明的范畴限定为其包括了所有落入所附权利要求范围内的所有实施方式及与之等同的所有实施方式。

Claims (18)

1.一种用于在基底表面上形成图案的设备，其包括：
刚性支撑元件，其具有相对的第一端和第二端以及延伸穿过该刚性支撑元件的流体通道；
印模，其附装在所述刚性支撑元件相对端中的第一端上，所述印模的一部分限定了一柔性膜片部分，该柔性膜片部分的外表面涂覆有一种或多种呈预先选定图案形式的材料；以及
偏置装置，其通过所述流体通道与所述柔性膜片部分的内表面连通，用于使所述柔性膜片部分向外偏置成与基底表面紧密且大致均匀地接触，从而将所述一种或多种材料的预先选定的图案转印到该表面上。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述涂覆有一种或多种呈预先选定图案形式的材料的外表面包括预先选定的表面凸纹图案，该预先选定的表面凸纹图案大致均匀地涂覆有待转印到所述基底表面上的材料。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述的预先选定的表面凸纹图案由凸起部分限定形成，该凸起部分大致均匀地涂覆有所述待转印到基底表面上的材料。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述涂覆有一种或多种呈预先选定图案形式的材料的外表面大致上是平的，且其中所述待转印到基底表面上的材料以预先选定的图案的形式施加到该平的表面上。
5.如权利要求1、2、3或4所述的用于形成图案的设备，其中，所述偏置装置包括连接于所述刚性支撑元件相对端中的第二端上的泵，用于通过加压流体给所述流体通道加压，从而向外偏置所述柔性膜片部分。
6.如权利要求5所述的用于形成图案的设备，其中，操作所述泵而将流体泵出所述流体通道，用于为该流体通道的内部提供负压，从而将所述柔性膜片部分向内偏置入所述通道内，而将该膜片部分从所述基底表面上移去。
7.如权利要求6所述的用于形成图案的设备，其中，所述加压流体为气体。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的用于形成图案的设备，具中，所述的印模由聚合物材料制造。
9.如权利要求8所述的用于形成图案的设备，其中，所述聚合物材料为天然橡胶。
10.如权利要求8所述的用于形成图案的设备，其中，所述聚合物材料为合成橡胶。
11.如权利要求8所述的用于形成图案的设备，其中，所述印模由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。
12.如权利要求8所述的用于形成图案的设备，其中，所述印模由聚烯烃制成。
13.如上述权利要求1至12中任一项所述的用于形成图案的设备，其包括一个定位机构，所述刚性支撑元件与该定位机构相连并且是可以移动的，以移动到用于将图案印制到多个基底表面上的位置。
14.如上述权利要求1至13中任一项所述的用于形成图案的设备，其中，所述刚性支撑元件由塑料制成。
15.如上述权利要求1至14中任一项所述的用于形成图案的设备，其中，所述刚性支撑元件为一个管。
16.如权利要求5所述的用于形成图案的设备，其中，所述泵包括控制器，用于将压力脉冲施加于所述柔性膜片部分而在基底的批量压印过程中迅速地偏置所述柔性膜片部分。
17.如上述权利要求1至16中任一项所述的用于形成图案的设备，其中，所述位于外表面上的一种或多种材料为依分析物而不同的受体，预先选定的分析物种结合于该依分析物而不同的受体。
18.如上述权利要求1至17中任一项所述的用于形成图案的设备，其中，所述刚性支撑元件制造成具有不同的预先选定的物理要件，其中，在将印模附装在所述刚性支撑元件相对端中的第一端处时，所述预先选定的物理要件用于在该刚性支撑元件和设置有图案要件的母模之间形成精确的参照，且其中，采用固定设备来保持住所述基底并使基底精确地参照该刚性支撑元件，其中，图案要件旋转地参照基底。
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