專利名稱：用于微接觸式印刷的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在各種基底上形成微型圖案的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
微接觸式印刷是一種通過使用帶有凸紋圖案的彈性印模來在一表面上形成圖案結(jié)構(gòu)的技術(shù)。給印模涂上要用來形成圖案的材料作為墨料，再將印模與一表面接觸，墨料的轉(zhuǎn)印僅僅發(fā)生在與該表面接觸的凸紋區(qū)域中。
現(xiàn)有的微接觸式印刷法具有幾個急待解決的問題。一個主要的難點在于需要在印模表面圖案元素與基底之間實現(xiàn)可靠的接觸。由于被轉(zhuǎn)印的墨料大致上是單層分子，所以，印模(其通常由例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合物制造)與基底之間的緊密接觸是非常必要的。這可通過多種方式實現(xiàn)。印模表面可設(shè)置在一個標稱位置上，該位置略為超出所述基底，從而確保雖然印模表面與基底的位置存在有不可避免的不精確性，但是還是實現(xiàn)了緊密的接觸。然而，此方法的缺點在于需要非常精確的位置控制或者需要壓緊印模，從而產(chǎn)生了不可接受量的圖案變形——包括可能在基底與印模的凸起特征間的區(qū)域之間形成接觸。因為該特征尺寸為5微米量級，可以理解其中的困難程度。
一種解決此問題的更為復(fù)雜的方案是對印模觸及基底時的接觸力進行控制——或測量并控制該力。可采用許多方法來實現(xiàn)該控制?？蓪⒁粋€彈簧或類似的裝置插入到運動控制機構(gòu)內(nèi)，而在一相當大的線性位移范圍內(nèi)獲得一個大致均勻的接觸力。可選地，可在相同端使用氣動或液壓的耦合裝置，或者可將直接的力的測量值用作反饋來控制運動裝置。
由于減輕了運動控制中所需的精確度，這些方法改善了所述接觸問題。然而，仍存在有幾個缺點。彈簧加載的簡單方案會造成由于機械構(gòu)件的變化或摩擦而導(dǎo)致的接觸力的變化。確定適當大小的力也會是費時的，需要對彈簧中的預(yù)應(yīng)力進行仔細的調(diào)節(jié)或者需要更換彈簧元件。
氣動或液壓耦合裝置的采用使得所需要的調(diào)節(jié)變得較為容易，但仍然存在摩擦和控制方面的問題。對運動控制裝置的力的反饋使得可以快速、受控地進行調(diào)節(jié)，其可基本上補償機械變化，但是對運動控制裝置的力的反饋極大地增加了圖案形成系統(tǒng)的成本。更為重要的是，雖然所有的這些方案都對沿垂直于印模和基底的軸線上的位置誤差進行補償，但是沒有一個方案對角度偏差進行補償。如果印模起初與基底非平行地接觸，繼續(xù)施加接觸力會在首先接觸的區(qū)域中導(dǎo)致較大的局部印模壓緊。如果施加了足夠大的力來確保整個圖案形成區(qū)域的緊密接觸，則可能會導(dǎo)致在此最初接觸區(qū)域中的印模元件的過度壓緊，從而會導(dǎo)致圖案的變形。
如果對運動控制裝置、印模及基底進行仔細的工程技術(shù)運用、設(shè)計和制造以及選擇高精度的部件，可以避免或減輕許多上述的問題。然而，實現(xiàn)這樣的精度是昂貴的，并且會導(dǎo)致需要高級維修的系統(tǒng)。對于許多應(yīng)用來說，這些情形是可以接受的，但是對于大規(guī)模生產(chǎn)或者尤其是在需要多場所生產(chǎn)時而言，廉價且更魯棒的方法是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于在基底表面上形成圖案的設(shè)備，其包括剛性支撐元件，其具有相對的第一端和第二端以及延伸穿過其的流體通道；印模，其附裝在所述剛性支撐元件的相對端中的第一端上，所述印模的一部分限定了柔性膜片部分，該柔性膜片部分的外表面涂覆有一種或多種呈預(yù)先選定的圖案形式的材料；以及偏置裝置，其通過所述流體通道而與所述柔性膜片部分的內(nèi)表面連通，用于使所述柔性膜片部分向外偏置成與基底表面緊密且大致均勻地接觸，從而將所述一種或多種材料的預(yù)先選定的圖案轉(zhuǎn)印到該表面上。


參照附圖，下文為對依據(jù)本發(fā)明的用于微接觸式印刷的方法和設(shè)備的描述，其僅僅是個示例，其中圖1為依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微接觸式印刷的印模的的截面圖；圖2a為安裝在殼體端部上、處于未加壓位置的聚合物印模的截面圖；圖2b為安裝在殼體端部上的聚合物印模的截面圖，其中殼體內(nèi)部是加壓的；圖3為圖2b一個部分的放大視圖，其示出微接觸印模的膜片部分處于松弛及擴張狀態(tài)的位置；圖4為安裝在殼體端部的聚合物印模的截面圖，其中殼體的內(nèi)部具有負壓，從而把印模的端部吸入殼體內(nèi)部；以及圖5示出了印模組件的陣列，其適于與標準的或改進的實驗室機器人流體操作裝置一起使用。
具體實施例方式
本發(fā)明使得包含有表面圖案元件的印模和基底之間可以非常均勻地接觸，且同時印模和基底之間只需要較為粗略地定位。圖1為總體上以標號10示出的印模的截面圖，該印模一體形成有一支撐對準結(jié)構(gòu)且與一個要印制圖案的基底12接合。印模10包括剛性的結(jié)構(gòu)性支撐對準元件14，示于圖1中的圓筒形管狀元件為一個優(yōu)選實施方式，但是應(yīng)當理解的是，元件14本身并不需要是圓筒形的管。一個聚二甲基硅氧烷(PDMS)微接觸印模16位于管狀元件14一端部上，該印模用于將圖案轉(zhuǎn)印到基底12的頂表面18上。
PDMS微接觸印模16包括配合在管狀元件14的該端部上的膜片部分20，該膜片部分足夠薄而可在豎直方向的移動。印模的通常尺寸可包括膜片部分20的厚度大約為0.2mm，而膜片的直徑大約為2mm。應(yīng)當理解，這些尺寸決非是限制性的，而是可根據(jù)應(yīng)用和形成印模16的材料而變化，在圖1中僅僅示例性地示出了PDMS材料。例如，其它可用來制造印模的材料包括其它的硅酮聚合物、環(huán)氧聚合物、丙烯酸酯聚合物、聚烯烴、例如丁基橡膠和丁腈橡膠等的其它彈性聚合物。聚合物材料可以是天然橡膠或合成橡膠。
下文的表I提供了一個可用于制造印模的彈性聚合物的通常名稱及縮寫的非限制性列表。表I所列出的材料僅僅作為示例給出而非窮舉列出。
表I

在一個實施方式中，印?？赏ㄟ^將彈性聚合物澆注在一個具有凸紋結(jié)構(gòu)的母模上而形成，該母模由諸如硅或丙烯酸樹脂等的硬質(zhì)材料制造。對聚合物進行熱固化，然后從母模上分離而制造印模，所述印模具有與母?；パa的負凸紋。從而，印模上形成圖案，獲得一個預(yù)先選定的表面凸紋圖案，然后均勻地涂覆上材料。而后，通過將印模浸入具有要形成圖案的材料的刷漿中、或者將將一滴含有要形成圖案的材料的溶液滴在印模上而為印模涂上墨料。清洗或未曾清洗過的印模通過氣流干燥，然后將其放置為與基底表面接觸，以圖案方式實現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)印。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解可采用其它的方式在印模上形成圖案。例如，在印模的另一個實施方式中，可以使用一個平的印模，其上通過不同涂墨工序而設(shè)置有呈圖案形式的材料，其中所述不同涂墨工序是通過使用其上具有圖案的印模墊而進行的。待轉(zhuǎn)印的材料(或“墨料”)幾乎可以是任何材料，并且可包括小的分子、聚合物、生物材料、顆粒、蛋白質(zhì)、DNA、RNA等。
從而，將預(yù)先選定的或所期望的圖案元素包含在PDMS模制印模16的薄膜片部分20的外表面上。模件一體地形成有構(gòu)造成可定向地附裝到適當?shù)倪\動控制及氣壓裝置上的結(jié)構(gòu)。柔性膜片部分20較薄而易于通過例如施加到管狀元件14相對端的氣壓而移位。當印模16如圖1或2a所示定位成其中膜片部分20鄰接或鄰近基底12的表面18時，通過管狀元件14內(nèi)的槽道22向膜片部分20所施加的氣壓將使得膜片朝向所述表面而向外移位，并使之與基底12的表面18接觸，如圖2b所示。
圖3為一個向外偏置而與基底表面18接觸的膜片20的放大詳細視圖。薄的膜片部分20應(yīng)當與基底表面靠得很近(～0.001”)?？稍诠?4內(nèi)側(cè)施加大約為60psi的正壓，該正壓可使薄的聚合物膜片部分20象氣球一樣地膨脹。此氣球效應(yīng)可使得形成有圖案/涂有墨料的薄聚合物膜片20的表面將其未膨脹位置時與基底表面之間的間隙閉合。柔性的薄膜片部分20將與基底12的表面18緊密地接觸，從而將依具體分析物而不同的受體的圖案附著到基底表面上。通過在圖案轉(zhuǎn)印之前使得膜片部分20非常地靠近基底12的表面18，則為了與基底接觸，膜片部分20不需要展開非常大，從而圖案不會變形。這樣，一旦實現(xiàn)了接觸，在整個接觸區(qū)域上，通過膜片部分20施加在基底表面18上的力大致是均勻的。以此方式，線性位移和角位移都可得到補償。由此過程會導(dǎo)致一些圖案變形，但是，如果膜片和基底之間的間隙相較于膜片部分20的直徑而言比較小，則該變形很小，從而對于許多場合而言其是可以接受的并相對而言是可以預(yù)知的。一旦完成了壓印過程，可釋放壓力，或者可在管內(nèi)施加負壓以將薄膜片部分20與基底12的表面18分開，如圖4所示。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解上述的尺寸和壓力僅用于說明而不構(gòu)成限制性解釋?？刹捎帽?0psi低得多或高得多的接觸力并且初始時很靠近。例如，印模與基底之間的初始靠近程度的一個優(yōu)選的非限制性的范圍可從約0.0005”到約0.005”，而優(yōu)選的但非限制性的壓力范圍可從5psi到至少100psi。
通過本發(fā)明的印模設(shè)備所形成的圖案可以是規(guī)則的等間距平行線條，或者可以是更為復(fù)雜的圖案，如共同待批的美國專利申請09/814,161以及10/242,778中所描述的，這兩個文獻在此被引入文中以作為參考。
本發(fā)明的微接觸印模10提供了這樣的優(yōu)點其不需要特別嚴格的尺寸和位置控制，且在圖案元件上提供了容易控制、可重復(fù)且均勻的接觸力?？赏ㄟ^鍵參照部件或本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員公知的其它方法來幫助實現(xiàn)印模表面圖案元件相對于基底的轉(zhuǎn)動定向。角度和軸向距離公差二者可以是足夠?qū)捤傻亩沟每梢匀菀椎厥褂每色@得的運動控制裝置——包括標準的實驗室機器人流體操作裝備，例如Tecan Genesis RSP或BeckmanFX Laboratory Workstation。這又使得可以容易地通過由已有部件或通過設(shè)計制造相對廉價的定制設(shè)備而構(gòu)造一個廉價的系統(tǒng)。
所述構(gòu)造的另一個好處在于可以在轉(zhuǎn)動方向上以及x-y平面內(nèi)相對于待印制的表面精確地確定印模的方向。經(jīng)常地，尤其是在與衍射光學傳感器一起使用時，這樣的定向是至關(guān)緊要的。在印模未參照剛性的支撐元件的情況下，將印模相對基底定向?qū)实奈ㄒ挥行У姆椒ㄊ峭ㄟ^圖案識別或通過其它的光學裝置——例如使用顯微鏡而從視覺上判斷。如果使用了這樣的裝置，則必須要求可以看到接觸表面，并必須使用精確、可調(diào)節(jié)的機械裝置來轉(zhuǎn)動和平移印模。這些需求增加了設(shè)備所需的成本，并可能會因為需要允許視覺觀察和相應(yīng)機構(gòu)的原因而限制基底構(gòu)造的類型。
在本發(fā)明中，印模附裝于剛性支撐元件的一端。此剛性支撐元件制造為具有各種精確的物理要件。在形成印模的過程中，剛性支撐元件上的物理要件用于在所述元件和帶有圖案要件的母模之間形成精確的參照。采用固定設(shè)備來保持住基底，并使基底精確地以該剛性支撐元件為參照。剛性支撐元件和固定設(shè)備的粗略組裝使得印模與基底靠得很近，且其中印模表面與基底表面平行，且圖案要件旋轉(zhuǎn)地參照于基底。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解，膜片20及支撐結(jié)構(gòu)14更為精細復(fù)雜的設(shè)計可最小化或消除很小的圖案中的變形。例如，在形成圖案的區(qū)域外側(cè)的周邊區(qū)域上膜片厚度的減少可減少形成圖案的區(qū)域中的變形，因為這些周邊區(qū)域會更大程度地擴張來調(diào)節(jié)所需位移?？蛇x地，可加厚形成圖案的區(qū)域來實現(xiàn)相同的結(jié)果。結(jié)合入滾動膜片設(shè)計(其與Marsh-Bellofram Corporation所采用方案的相類似)可基本上消除形成圖案的區(qū)域的所有變形。
本發(fā)明的另一優(yōu)點在于其可容易地適應(yīng)于廉價的一次性裝置。具有一體的膜片20的PDMS印模16可通過已知技術(shù)在支撐件14周圍注射成型。因為所需要的定位公差是寬松的，所以這種組裝是可行的。參照圖3，可使用由剛性支撐結(jié)構(gòu)14和具彈性的柔性印磨16組成的印模組件30的陣列，其適于與標準的或改進的實驗室機器人流體操作裝置一起使用。支撐結(jié)構(gòu)14優(yōu)選由任意數(shù)量的具有合適性能的聚合物注射成型，但是可以理解，也可以使用例如金屬等的其它的材料。
本發(fā)明的圖案附著系統(tǒng)(PDS)有利地提供了一種標準化的用于在基底表面上附著圖案的方法。其在有效的附著壓力、熱度、濕度、運動速度、印壓順序以及位置參數(shù)范圍內(nèi)提供了最小的公稱偏差。其提供了一種可容易地運輸?shù)难b置。
如在此所使用的，術(shù)語“包括”、“包括有”、“含有”以及“具有”應(yīng)當理解成是包括在內(nèi)的且是開放式而不是封閉式的。特別地，當使用于本說明書及權(quán)利要求書時，術(shù)語“包括”、“包括有”、“含有”以及“具有”及其變體意味著包括了特定的特征、步驟或構(gòu)件在內(nèi)。這些術(shù)語不應(yīng)當解釋成排除了其它特征、步驟或構(gòu)件的存在。
上文對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的描述用于示出本發(fā)明的原理，并不是將本發(fā)明限制于所示出的特定實施方式。本發(fā)明的范疇限定為其包括了所有落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施方式及與之等同的所有實施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于在基底表面上形成圖案的設(shè)備，其包括剛性支撐元件，其具有相對的第一端和第二端以及延伸穿過該剛性支撐元件的流體通道；印模，其附裝在所述剛性支撐元件相對端中的第一端上，所述印模的一部分限定了一柔性膜片部分，該柔性膜片部分的外表面涂覆有一種或多種呈預(yù)先選定圖案形式的材料；以及偏置裝置，其通過所述流體通道與所述柔性膜片部分的內(nèi)表面連通，用于使所述柔性膜片部分向外偏置成與基底表面緊密且大致均勻地接觸，從而將所述一種或多種材料的預(yù)先選定的圖案轉(zhuǎn)印到該表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述涂覆有一種或多種呈預(yù)先選定圖案形式的材料的外表面包括預(yù)先選定的表面凸紋圖案，該預(yù)先選定的表面凸紋圖案大致均勻地涂覆有待轉(zhuǎn)印到所述基底表面上的材料。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述的預(yù)先選定的表面凸紋圖案由凸起部分限定形成，該凸起部分大致均勻地涂覆有所述待轉(zhuǎn)印到基底表面上的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述涂覆有一種或多種呈預(yù)先選定圖案形式的材料的外表面大致上是平的，且其中所述待轉(zhuǎn)印到基底表面上的材料以預(yù)先選定的圖案的形式施加到該平的表面上。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述偏置裝置包括連接于所述剛性支撐元件相對端中的第二端上的泵，用于通過加壓流體給所述流體通道加壓，從而向外偏置所述柔性膜片部分。
6.如權(quán)利要求5所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，操作所述泵而將流體泵出所述流體通道，用于為該流體通道的內(nèi)部提供負壓，從而將所述柔性膜片部分向內(nèi)偏置入所述通道內(nèi)，而將該膜片部分從所述基底表面上移去。
7.如權(quán)利要求6所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述加壓流體為氣體。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的用于形成圖案的設(shè)備，具中，所述的印模由聚合物材料制造。
9.如權(quán)利要求8所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述聚合物材料為天然橡膠。
10.如權(quán)利要求8所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述聚合物材料為合成橡膠。
11.如權(quán)利要求8所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述印模由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。
12.如權(quán)利要求8所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述印模由聚烯烴制成。
13.如上述權(quán)利要求1至12中任一項所述的用于形成圖案的設(shè)備，其包括一個定位機構(gòu)，所述剛性支撐元件與該定位機構(gòu)相連并且是可以移動的，以移動到用于將圖案印制到多個基底表面上的位置。
14.如上述權(quán)利要求1至13中任一項所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述剛性支撐元件由塑料制成。
15.如上述權(quán)利要求1至14中任一項所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述剛性支撐元件為一個管。
16.如權(quán)利要求5所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述泵包括控制器，用于將壓力脈沖施加于所述柔性膜片部分而在基底的批量壓印過程中迅速地偏置所述柔性膜片部分。
17.如上述權(quán)利要求1至16中任一項所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述位于外表面上的一種或多種材料為依分析物而不同的受體，預(yù)先選定的分析物種結(jié)合于該依分析物而不同的受體。
18.如上述權(quán)利要求1至17中任一項所述的用于形成圖案的設(shè)備，其中，所述剛性支撐元件制造成具有不同的預(yù)先選定的物理要件，其中，在將印模附裝在所述剛性支撐元件相對端中的第一端處時，所述預(yù)先選定的物理要件用于在該剛性支撐元件和設(shè)置有圖案要件的母模之間形成精確的參照，且其中，采用固定設(shè)備來保持住所述基底并使基底精確地參照該剛性支撐元件，其中，圖案要件旋轉(zhuǎn)地參照基底。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于在基底表面上形成圖案的設(shè)備。所述設(shè)備包括剛性的支撐元件——例如剛性的管狀結(jié)構(gòu)，其具有相對的第一端和第二端以及延伸穿過其的流體通道。一印模附裝在剛性支撐元件相對端之一上。印模具有柔性膜片部分，該柔性膜片部分的外表面涂覆有一種或多種呈預(yù)先選定圖案形式的材料。使用通過流體通道而與柔性膜片部分的內(nèi)表面連通的氣動加壓機構(gòu)來將柔性膜片部分向外偏置成與基底表面緊密且大致均勻地接觸，從而將預(yù)先選定的圖案轉(zhuǎn)印到該表面上。所述剛性管狀支撐件附裝到一機器人定位機構(gòu)上，用于對印模相對于基底表面的定位提供控制。
文檔編號G03F7/00GK1898091SQ200480038757
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者雷蒙德·弗朗西斯·克拉考爾, 羅基·甘斯克, M·辛西亞·戈, 簡·B·戈, 亞當·布賴恩·利德曼, 理查德·洛, 譚沛 申請人:愛克瑟拉生物傳感器有限公司