一种卷对卷微接触印刷定位机构

本发明涉及纳米压印，尤其是一种卷对卷微接触印刷定位机构。

背景技术：

1、随着科技的快速发展，卷对卷印刷技术已经成为许多柔性电子和光子器件发展的驱动力。与传统无机半导体器件的光刻制造工艺相比，它的成本更低，且产量方面具有很大优势。微接触印刷技术，也被称为软压印技术，是最常见的纳米压印技术之一，相较于其他纳米压印技术，在本质上它的过程更快（分子油墨的转移为瞬时），而且可选择的材料更广泛，且不受光的衍射的限制，其印刷分辨率优于平版印刷工艺。微接触印刷技术的工艺流程为：首先在以高分子聚合物为基底的软模材料上制作包含特定图案的模板，制作完成后，将该模板浸泡在硫醇溶液中，一段时间后取出，放置在表面涂有特殊金属氧化层的硅基片衬底上，该氧化层与硫醇溶液发生一系列的化学反应后，生成一种不溶于氰化物溶液的物质（sam），并附着于硅基片衬底上。当采用氰化物溶液清洗硅晶片时，被sam覆盖的金属氧化层不发生反应而被保留，而未被覆盖的金属表面被溶解，通过这一过程实现纳米图案从模板向硅基片衬底的转移。微接触印刷无需加热，压力较小，设备相对简单，无需严苛的洁净环境，对衬底表面平整度要求较低，能够有效地解决压印模板和衬底之间的平行度误差以及两者表面的平面度误差问题，可用于生产最小特征尺寸为35nm的图形。

2、将微接触印刷技术运用到卷对卷印刷系统中，能够显著提高设备的生产分辨率和质量。但传统的卷对卷印刷系统采用传统的机械部件和轴承进行设计，缺乏所需的纳米级可重复性调节精度，如果直接扩大规模，将这些技术应用在传统的卷对卷印刷系统中，是不切实际的。因此，基于柔性机构的高精度印刷辊定位平台出现在人们的视野中，柔性机构（flexure mechanism），与传统意义上的刚性机构相比，其通过材料自身弹性形变来传递力和位移。它具有易加工、无机械摩擦、无配合间隙、高精度、寿命长、无需装配和润滑等优点，可以用来代替传统刚性机构作为卷对卷微接触印刷系统的传动机构。目前，卷对卷微接触印刷技术已实现大面积纳米（nm）级图案的连续印刷，可并广泛运用于柔性屏、柔性钙钛矿太阳能电池、石墨烯复合透明电极及其柔性光电器件等的生产，同时，对于一部分新材料的制造也具有良好应用效果。

3、卷对卷微接触印刷中，印刷辊的精确定位是保证压印精度的关键，在印刷过程中，图案通过压印辊与印刷辊之间传动，压印辊与印刷辊之间的平行度和距离直接影响着整体的压印效果，要保证产品的质量，维持规模化生产，印刷模块中压印辊与印刷辊之间的相对位置与姿态应当可快速连续调节，因此高精度定位机构是印刷模块不可或缺的关键。

4、然而目前大多数卷对卷微接触印刷定位机构存在结构不紧凑、竖直方向刚度不足、有效调节范围小以及印刷过程中平台输出位移不稳定和基底接触力不均匀等问题，无法满足印刷图像更高的分辨率和质量的需求。

技术实现思路

1、本发明提出一种卷对卷微接触印刷定位机构，具体地说，是一种利用基于柔性机构的定位平台进行柔性传动，通过音圈电机的驱动，实现印刷辊与压印辊之间位移与压印力的调节，能通过该机构的高精度定位、大行程范围、均匀的接触力等特性，实现印刷图像更高的分辨率和质量。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种卷对卷微接触印刷定位机构，包括安装于光学隔振平台（1）台面处的两自由度定位平台（2）和装有压印辊（10）的支架（8）；两自由度定位平台包括对称设置的两个支座结构，其用于安装印刷辊（7），并对印刷辊位移、印刷辊压印力进行调节，该平台的两支座结构处设有用于驱动印刷辊竖直方向或水平方向移动的音圈电机（3），平台以中心处的载物台（2002）固定连接印刷辊；所述载物台以周沿处均匀设置的多个柔性平行四边形机构（2001）形成与音圈电机连接的传动机构；传动机构的多个柔性平行四边形机构通过叠加其弹性梁并以单级串联方式组合为能提供两个方向自由度的传动结构。

4、所述支架的数量为两个，分别与两自由度定位平台的两个支座结构相邻；两个支架处对称地固定连接有用于监测压印力与位移的传感器（9）。

5、所述印刷辊上方设置压印辊；所述压印辊用于在印刷时提供压印图案。

6、所述压印辊设于两个支架的传感器之间.

7、印刷辊经空气轴承与载物台固定连接。

8、所述平台中心处的载物台（2002）处设有用于固定空气轴承（6）的端盖（5）。

9、音圈电机数量为四个，其设于每个支座结构的侧部，以及设于每个支座结构的上部或下部；

10、两自由度定位平台包括多个用于固定音圈电机的固定框；所述固定框位于两自由度定位平台的侧部，以及位于两自由度定位平台的上部或下部。

11、所述柔性平行四边形机构（2001）数量为8个，对称分布于载物台（2002）四周；

12、所述光学隔振平台（1）均匀分布有中心距25mm的公制m6螺纹孔，所述两自由度定位平台（2）在底部开设有螺纹孔并竖直放置与光学隔振平台（1）通过螺栓固定连接。

13、每个支座结构内，分别在x、y方向对称布置四个柔性平行四边形机构，使其总体能以串联的形式限制耦合效应；所述音圈电机为使印刷辊执行两个方向自由度运动的驱动设备，装有印刷辊的载物台为能以音圈电机驱动的移动载物台；

14、印刷辊竖直方向即y方向的运动由载物台底部的音圈电机驱动，水平方向即x方向的运动由两自由度定位平台左侧的音圈电机驱动，多个柔性平行四边形机构以单级串联方式形成的串联式的结构使两个方向上的运动互不干扰，且可以同时进行。

15、在印刷定位时，通过音圈电机的驱动使移动载物台带动其中的印刷辊发生位移，从而调节压印辊与印刷辊之间的距离以及印刷过程中产生的压印力，同时通过传感器的监测数据来调整音圈电机的驱动力，以得到最优的压印图案。

16、本发明涉及一种卷对卷微接触印刷高精度定位机构，包括光学隔振平台；两自由度定位平台，安装在光学隔振平台上，提供两个自由度的传动；音圈电机，安装于两自由度定位平台竖直方向和水平方向，提供驱动力；固定框，安装在两自由度定位平台所水平方向左侧，用于固定水平方向的音圈电机；端盖，安装在两自由度定位平台移动模块部分，用于固定空气轴承；空气轴承，固定在端盖中，用于固定连接印刷辊；印刷辊，固定在两侧的两自由度定位平台间，调节压印力与位移；支架，固定安装在光学隔振平台上，用于连接传感器；传感器，安装在支架上，用于监测压印力与位移；压印辊，固定安装在两侧传感器之间，提供压印图案；本发明所述机构可实现10mm的工作行程，并且调节精度达到亚微米级，有效解决了现有卷对卷微接触印刷定位机构整体结构不紧凑、竖直方向刚度不足、有效调节范围小等问题。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、（1）本发明具有亚微米级的定位精度，且有效的避免了耦合效应，提高了印刷图案的分辨率和质量。

19、（2）整体结构紧凑，实现高精度定位的同时缩小了整体机构的空间占用，满足不同场所使用的需求。

20、（3）增加了工作行程，通过调整弹性梁的尺寸及其之间的距离，机构具有10mm的有效调节范围，且具有较高的安全系数。

21、（4）竖直方向上分布了四个平行四边形机构，提高了竖直方向上的刚度，降低了机构由于自身重力所带来的影响。