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22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22。在纵截面中，设过渡接合柱22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p_m。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p_m，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22的外缘的部分定义为接合 段，将柔性膜2的从过渡接合柱22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p_m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p_m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，I_z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/[I_zh(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U_total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U_pillar，4)界面能U_γ。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U_pillar

界面能U_γ

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p_m＝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v_critical。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v_critical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F_max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p_m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I_z＝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。