一种集成微力检测的静电转印头及其使用方法

摘要

一种集成微力检测的静电转印头及其使用方法，属于精密制造领域。包括转印模块、自重调节模块和基座模块。转印模块包括转印针、针夹具、连接杆和微力传感器，用于检测转印过程中转印针所受液体压力并实现微量高粘度液体转移；自重调节模块用于解决由转印模块本身重量导致的微力传感器超量程等问题，包括细牙调节螺母、滑动轴承、导向杆和调节弹簧；基座模块用于实现转印模块和自重调整模块的安装定位，包括圆柱外壳、支撑板、连接板和绝缘套筒。所述的微量高粘度液体的转印方法，单次可完成pL～nL级别的微量高粘度液体转移，该方法不仅能消除低电导率液体的弱电流检测困难的影响，而且摆脱了工件和夹具重量对微力传感器选型的约束，拓宽其适用性，降低设备成本。

权利要求

1.一种集成微力检测的静电转印头装置，其特征在于，所述静电转印头装置包括集成微力传感的转印模块、基座、自重调节模块；

所述的转印模块包括转印针(1)、针夹具(2)、连接杆(3)和微力传感器(4)；所述转印针(1)设于针夹具(2)底端的定位槽内，其上端与连接杆(3)下端连接；所述连接杆(3)采用绝缘材料制备，其另一端连接在微力传感器(4)下端工作面(4a)上，使转印针(1)受的力传递给微力传感器(4)；转印模块整体通过微力传感器(4)上端螺纹孔与基座相连；

所述的基座用于转印模块和自重调整模块的安装定位，包括圆柱外壳(5)、支撑板(6)、连接板(7)和绝缘套筒(8)；所述支撑板(6)与连接板(7)为L型结构，支撑板(6)水平侧的一端与连接板(7)水平侧连接，两者对称贴合安装，且两者的垂直侧端面共面；所述支撑板(6)与连接板(7)垂直侧开有若干螺纹孔，用于将整个静电转印头装置固定在三维精密滑台(14)上；所述圆柱外壳(5)为不规则结构，其主体为无顶盖的圆柱形薄壳，顶端外侧设有圆环形凸台，圆环形凸台与支撑板(6)水平侧另一端连接；圆柱外壳(5)底端与绝缘套筒(8)顶端圆环形凸台连接，圆柱外壳(5)底端中心位置通孔与绝缘套筒(8)通孔同轴心；所述绝缘套筒(8)主体为上下贯通的圆柱形结构，顶端外侧设有圆环形凸台，其圆柱侧面开有螺纹孔，用于安装柱塞对连接杆(3)进行导向；所述微力传感器(4)放置于圆柱外壳(5)中，其顶端与支撑板(6)水平段底端连接，微力传感器(4)底端与连接杆(3)顶端连接，连接杆(3)底端穿过圆柱外壳(5)、绝缘套筒(8)中心位置通孔，其所连接的转印针(1)、针夹具(2)位于绝缘套筒(8)底端端面下方；

所述的自重调整模块包括细牙调节螺母(9)、滑动轴承(10)、导向杆(11)和调节弹簧(12)；所述的导向杆(11)顶端连接在微力传感器(4)下端工作面(4a)上，其下端穿过圆柱外壳(5)底端螺纹孔后插在滑动轴承(10)内形成导向配合；所述调节弹簧(12)套在导向杆(11)上，调节弹簧(12)的上下两端分别与微力传感器(4)下端工作面(4a)和滑动轴承(10)台阶面接触；所述细牙调节螺母(9)为外侧开有螺纹、中间开有圆孔的圆柱形结构，其底端开有一字槽，其中外侧螺纹与绝缘套筒(8)底端的细牙螺纹孔(5a)啮合，中间圆孔与滑动轴承(10)通过过盈配合连接在一起；根据转印模块和传感器量程要求，通过手动旋转细牙调节螺母(9)底端一字槽，改变调节弹簧(12)的压紧度，使调节弹簧(12)弹力抵消自重对微力传感器(4)的影响。

2.权利要求1所述的一种集成微力检测的静电转印头装置的使用方法，其特征在于，利用静电力和微力反馈实现高粘液体微量转印，包括以下步骤：第一步，转印模块自重调节和微力传感器(4)重新标定；

为了避免由转印模块本身重量导致的微力传感器(4)超量程，需要转印模块进行自重调节和微力传感器(4)重新标定；将支撑板(6)与连接板(7)垂直侧通过螺栓与三维精密滑台(14)连接，使整个静电转印头装置固定在三维精密滑台(14)上：

1)自重调节

在转印针(1)下方放置精密天平(13)；在初始状态，调节弹簧(12)处于放松状态；移动三维精密滑台(14)，使转印针(1)端部与精密天平(13)工作台相接触，让部分转印模块自重施加在精密天平(13)上，观察示数，确认微力传感器(4)受力在工作量程内；

控制三维精密滑台(14)逐步缓慢下降转印针(1)，同时观察微力传感器(4)示数，待示数为零时，表示转印模块自重被精密天平(13)支撑力抵消，停止下降；

旋转细牙调节螺母(9)逐步压缩调节弹簧(12)，此时精密天平(13)示数逐步减小，微力传感器(4)保持近似不变，待精密天平(13)和微力传感器(4)均近似为零，此时转印模块自重被调节弹簧(12)弹力抵消，完成自重调节，固定细牙调节螺母(9)；

2)在自重调节的基础上实现微力传感器(4)的二次标定：在初始状态，转印针(1)与精密天平(13)工作台不接触，调节弹簧(12)处于压紧状态，微力传感器(4)示数近似为零；

控制三维精密滑台(14)逐步下降转印头，直至转印针(1)前端接触精密天平(13)工作台；

继续下降三维精密滑台(14)进给转印针(1)，待精密天平(13)显示到达第一个采样点时，停止下降，分别记录精密天平(13)示数Fb‑1和微力传感器(4)示数Fs‑1；

重复上述步骤，依次记录精密天平(13)示数Fb‑i和微力传感器(4)示数Fs‑i；根据二者偏差，以精密天平(13)示值为基准，补偿和修正微力传感器(4)的读数；

第二步，微量液体转移准备工作；

完成微力传感器(4)自重调节和标定后，进行微量液体转移；首先，利用离心法在圆片(15)上生成百微米级厚度的储胶池(16)，完成后将圆片(15)放置在转印针(1)下方，所述圆片(15)上表面镀有金属导电层，控制转印针(1)与液膜表面的距离不大于0.5mm；

第三步，形成液桥17；

将电源正极线与针夹具(2)连接，电源负极线连接开关后与圆片(15)上表面连接；开启电源，转印针(1)与圆片(15)上表面之间产生电压，液膜发生电极化，并在液膜表面产生径向和轴向极化静电力，拖动液膜逐渐向上形成液锥，直至液锥接触转印针(1)表面，形成液桥(17)；

第四步，液滴加载；

在液体接触转印针(1)的时刻，转印针(1)所受液体的挤压作用力FE会出现跳变；通过微力传感器(4)检测FE跳变点可判断转印针(1)与液体初始接触状态：当检测到FE跳变点时，推断转印针(1)已与液体接触；并将FE第一个减小值时间近似作为FE跳变点时间；根据转印针(1)与液体接触面积随时间变化关系设定延时时间，当微力传感器(4)检测到FE第一个减小值时间后，控制转印针(1)经过延时时间后上升拉断液桥，一部分液体将残留在转印针(1)表面上，完成从储胶池到转印针(1)的微量液体转移；

第五步，静电转印；

首先，控制三维精密滑台(14)使加载有液体的转印针(1)移动至待距离零件表面0～

5mm高度；然后，控制转印针(1)缓慢下移，当转印针(1)与物体接触时将受到压膜流阻产生的压力，通过微力传感器(4)监测转印针(1)所受压膜流阻力来控制液体转移量；最后，当微力传感器(4)示数达到所设阈值时，控制三维精密滑台(14)使转印针(1)上升拉断液桥，从而完成微量高粘度液体的转移。

说明书

一种集成微力检测的静电转印头及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于精密制造领域，涉及一种集成微力检测的静电转印头和用于高粘液体微量转印的方法。

背景技术

[0002] 粘度超过1Pa.S的液体一般归为高粘液体，高粘液体的微量分配在精密仪表的封装和连接等方面应用广泛。随着对系统微型化和性能等要求的持续提高，对高粘液体分配
量的分辨力需求也从几十纳升减小至纳升(nL)、甚至皮升(pL)量级。然而，将典型的压力‑
时间控制的注射式流体分配用于高粘液体存在流动阻力大、内腔残留液体难以清理等问
题，无法满足实际需求。

[0003] 微转印是另一种可用于高粘液体微量分配的方法，其使用涉及到储液池、转印探针、承液对象等，其过程如下：“首先，将部分储液池中的液体加载到转印针或其他形式转印
模具上。然后，控制转印针逐渐接近承液对象(工件)表面，当探针上的液体接触承液对象表
面时，由粘附作用将探针上液体转移到承液对象(零件表面或连接处等)上”。在上述过程
中，转印液体所能达到的最小量(分辨力)和转移液体量一致性两项关键指标与加载方法、
粘附特性等密切相关。例如，第一申请人前期的研究表明：(Micromachines,2019,11,728)
体积比例与基板/转印头所受的液体粘性流阻引起的压力有关系，在纳升～皮升转印范围
内，所受压力愈大，则由转印头转移到基板的液体转印率愈高。

[0004] 发明专利“微量液体点印装置”(CN02236171.5)，通过在锥形点印头前端设计的凹槽储存液滴，然后用毛细力将微量液体转移至载体。其液体加载量在一定范围内与转印针
面积与拖曳毛细力成正比。

[0005] 论文“Quantifying Liquid Transport and Patterning Using Atomic Force Microscopy”(Langmuir 2017,33,5173‑5178)所用的转印装置是基于原子力显微镜改造
的，通过调整浸入在液池的悬臂转印头振动频率控制液体加载量，然后通过测量悬臂梁谐
振频率来判断加载量。

[0006] 上述两种方法的转印量均依赖转印针的特征尺寸，特别是当转印量小至皮升时，不仅需要昂贵的原子力显微镜，而且所用的悬臂纳米针尖也容易损坏，不适合高效批量生
产使用。

[0007] 申请人之前发明了一种静电加载和力反馈转移相结合的高粘液体转印方法(CN201811406482.5)，利用极化静电力拖动液膜中流体向上运动，通过检测转印针(或其他
形式转印模)与储液池间的电流大小来判断液体在针表面的润湿状态。待电流达到阈值后，
控制转印针上升拉断液桥；待点样工件的载物台的下方装有微力传感器，当转印针与工件
表面或液体接触时将感知到压力信号。当接触力达到阈值时，控制转印头上升拉断液桥，完
成微量液体的转移。这种方法能够用于许多高粘液体的微量转移，但是也存在不足：

[0008] (1)对低电导率液体，例如无添加剂的环氧树脂(电导率～1×10‑8S/m)，虽然也能通过外加电场诱导出拖曳流动，但是其加载过程产生的接触电流很小，需要用fA级分辨率
的电流表才能检测到有效信号，目前只有少数企业能提供满足要求的仪器，价格昂贵，而且
有效电信号容易湮没于噪声中。

[0009] (2)微力传感器布置在工件下方，这使得夹具的重量也施加在力传感器上。为保证微力传感器工作在有效量程内，只能采用测量范围N级、分辨率在mN级(量程千分之一)的力
学传感器，限制了微力反馈转移方法的灵敏度。

发明内容

[0010] 针对现有技术存在的问题，申请人提出集静电转印和微力传感功能于一体的静电转印装置及方法，不仅能克服低电导率液体弱电流检测的困难，而且摆脱了工件和夹具重
量对微力传感器的约束，显著拓宽了方法适用性。

[0011] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0012] 一种集成微力检测的静电转印头装置，所述静电转印头装置集成电驱动和微力传感功能，包括集成微力传感的转印模块、基座、自重调节模块三部分。

[0013] 所述的转印模块包括转印针1、针夹具2、连接杆3和微力传感器4。所述转印针1可以通过光刻、腐蚀、镀膜、切割等工艺制备，通过胶粘接在针夹具2底端的定位槽内，针夹具2
上端与连接杆3下端通过螺纹连接，连接杆3采用绝缘材料制备，连接杆3另一端通过螺纹连
接在微力传感器4下端工作面4a上，使转印针1受的力传递给微力传感器4。转印模块整体通
过微力传感器4上端螺纹孔与基座相连。

[0014] 所述的基座用于转印模块和自重调整模块的安装定位。基座包括圆柱外壳5、支撑板6、连接板7和绝缘套筒8。所述支撑板6与连接板7为L型结构，支撑板6水平侧一端通过螺
栓与连接板7水平侧连接，两者成对称贴合安装，两者的垂直侧端面共面。所述支撑板6与连
接板7垂直侧开有若干螺纹孔，用于将整个静电转印头装置固定在三维精密滑台14上。所述
圆柱外壳5为不规则结构，其主体为无顶盖的圆柱形薄壳，顶端外侧设有圆环形凸台，其圆
环形凸台通过螺栓与支撑板6水平侧另一端连接；圆柱外壳5底端通过螺栓与绝缘套筒8顶
端圆环形凸台连接，圆柱外壳5底端中心位置通孔与绝缘套筒8通孔同轴心。所述绝缘套筒8
主体为上下贯通的圆柱形结构，顶端外侧设有圆环形凸台，其圆柱侧面开有螺纹孔，用于安
装柱塞对连接杆3导向。所述微力传感器4放置于圆柱外壳5中，其顶端通过螺栓与支撑板6
水平端底端连接，微力传感器4底端通过螺纹与连接杆3顶端连接，连接杆3底端穿过圆柱外
壳5、绝缘套筒8中心位置通孔，其所连接的转印针1、针夹具2位于绝缘套筒8底端端面下方。

[0015] 所述的自重调整模块是为了避免由转印模块本身重量(转印针1、针夹具2与连接杆3)导致的微力传感器4超量程等问题设计的，包括细牙调节螺母9、滑动轴承10、导向杆11
和调节弹簧12。所述的导向杆11顶端通过螺纹连接在微力传感器4下端工作面4a上，其下端
穿过圆柱外壳5底端螺纹孔后插在滑动轴承10内形成导向配合。所述调节弹簧12套在导向
杆11上，调节弹簧12的上下两端分别与微力传感器4下端工作面4a和滑动轴承10台阶面接
触。所述细牙调节螺母9为外侧开有螺纹、中间开有圆孔的圆柱形结构，其底端开有一字槽，
其中外侧螺纹与绝缘套筒8底端的细牙螺纹孔5a啮合，中间圆孔与滑动轴承10通过过盈配
合相连接。根据转印模块和传感器量程要求，通过手动旋转细牙调节螺母9底端一字槽，改
变调节弹簧12的压紧度，使调节弹簧12弹力抵消自重对微力传感器4的影响。

[0016] 一种集成微力检测的静电转印头装置的使用方法，利用静电力和微力反馈实现高粘液体微量转印，单次可完成pL～nL量级的微量高粘度液体转移，该方法不仅能消除低电
导率液体的弱电流检测困难的影响，而且摆脱了工件和夹具重量对微力传感器选型的约
束，具体包括以下步骤：

[0017] 第一步，转印模块自重调节和微力传感器4重新标定。

[0018] 为了避免由转印模块本身重量导致的微力传感器4超量程等问题，需要转印模块进行自重调节和微力传感器4重新标定。将支撑板6与连接板7垂直侧通过螺栓与三维精密
滑台14连接，使整个静电转印头装置固定在三维精密滑台14上。实施方法如下：

[0019] (1)自重调节

[0020] 在转印针1下方放置精密天平13。在初始状态，调节弹簧12处于放松状态。移动三维精密滑台14，使得转印针1端部与精密天平13工作台相接触，让部分转印模块自重施加在
精密天平13上，观察示数，确认微力传感器4受力在工作量程内。

[0021] 控制三维精密滑台14逐步缓慢下降转印针1，同时观察微力传感器4示数，待示数为零时，表示转印模块自重被精密天平13支撑力抵消，停止下降。

[0022] 旋转细牙调节螺母9逐步压缩调节弹簧12，此时精密天平13示数逐步减小，微力传感器4保持近似不变，待精密天平13和微力传感器4均近似为零，此时转印模块自重被调节
弹簧12弹力抵消，完成自重调节，用螺纹胶适度固定细牙调节螺母9，以防松动。

[0023] (2)微力传感器4重新标定

[0024] 在转印过程中微力传感器4所受的力包含转印针1‑液体相互作用力、弹性力、系统摩擦力，为获得转印针1‑液体相互作用力的真实值，需要对微力传感器4进行二次标定，标
定过程是在自重调节的基础上实现的，方法如下：

[0025] 在初始状态，转印针1与精密天平13工作台不接触，而调节弹簧12处于压紧状态，微力传感器4示数近似为零。

[0026] 控制三维精密滑台14逐步下降转印头，直至转印针1前端接触精密天平13的工作台。

[0027] 继续下降三维精密滑台14进给转印针1，待精密天平13显示到达第一个采样点时，停止下降，分别记录精密天平13示数Fb‑1和微力传感器4示数Fs‑1。

[0028] 重复上述步骤，依次记录精密天平13示数Fb‑i和微力传感器4示数Fs‑i。根据二者偏差，以精密天平13示值为基准，补偿和修正微力传感器4的读数。

[0029] 上述过程中，微力传感器4、调节弹簧12、精密天平13、采样范围和间隔的参数是由液体性质和分配量选定的。在结构空间允许和满足功能的前提下，应选择弹性系数小的调
节弹簧12，减弱其影响。

[0030] 第二步，微量液体转移准备工作。

[0031] 完成微力传感器4自重调节和标定后，进行微量液体转移。首先，利用离心法在圆片15上生成百微米级厚度的储胶池16，完成后将圆片15放置在转印针1下方，所述圆片15上
表面镀有金属导电层，控制转印针1与液膜表面的距离在0～0.5mm之间。

[0032] 第三步，液桥17形成。

[0033] 将电源正极线与针夹具2连接，电源负极线连接开关后与圆片15上表面连接。开启电源，闭合开关后，转印针1与圆片15上表面之间将产生电压，液膜将会发生电极化，并在液
膜表面产生径向和轴向极化静电力，拖动液膜逐渐向上形成液锥，直至液锥接触转印针1表
面形成液桥17。

[0034] 第四步，液滴加载。

[0035] 在液体接触转印针1的时刻，转印针1所受液体的挤压作用力FE会出现跳变，这是由于转印针的接触介质由空气转为液体，使得边界条件突变引起的。通过微力传感器4检测
FE跳变点可判断转印针1与液体初始接触状态，当检测到FE跳变点时，可推断转印针1已与液
体接触。由于微力传感器4采样频率较大，可将微力传感器4采样数值每5个为一组取均值，
将FE第一组均值减小值时间近似作为FE跳变点时间。由转印针1与液体接触面积随时间变化
关系，依据不同的液体接触面积需求设定不同延时时间，当微力传感器4检测到FE第一组减
小值时间后，控制转印针1经过延时时间后上升拉断液桥，一部分液体将残留在转印针1表
面上，完成从储胶池16到转印针1的微量液体转移。

[0036] 第五步，静电转印。

[0037] 控制三维精密滑台14使加载有液体的转印针1移动至待距离零件表面0～5mm高度。然后，控制转印针1缓慢下移，当转印针1与物体接触时将受到压膜流阻产生的压力，通
过微力传感器4监测转印针1所受压膜流阻力来控制液体转移量，当微力传感器4示数达到
所设阈值时，控制三维精密滑台14使转印针1以合适的上升速度拉断液桥，从而完成高粘液
体的微量转移。

[0038] 本发明的有益效果为：本发明提供一种将静电转印和微力传感功能集一体的静电转印头装置及其使用方法，不仅能消除低电导率液体的弱电流检测困难的影响，而且摆脱
了工件和夹具重量对微力传感器4选型的约束，拓宽了方法的适用性，降低了设备成本。

附图说明

[0039] 图1为集成微力传感转印头整体装置示意图；

[0040] 图2为自重调节模块装置示意图；

[0041] 图3为自重调节和力传感器标定示意图；

[0042] 图4为系统电路连接图；

[0043] 图5(a)为转印针1(d＝0.4mm,d＝0.6mm)所受液体挤压作用力FE与液体接触面积S随时间t变化图；

[0044] 图5(b)为转印针1(d＝0.6mm)所受液体挤压作用力FE随接触面积S变化图；

[0045] 图6为液滴加载和转印实验过程图；图6(a)为转印针1液滴加载时液桥形成图，图6(b)为微量液体转移至物体表面俯视图，图6(c)为转印时转印针1移动至待转移物体上方
图，图6(d)为转印时微量液体与待转移物体初始接触图，图6(e)为转印时微量液体与待转
移物体接触图，图6(f)为微量液体转移至物体表面侧视图；

[0046] 图中：1转印针；2针夹具；3连接杆；4微力传感器；4a微力传感器下端工作面；5圆柱外壳；5a圆柱外壳下端细牙螺纹孔；6支撑板；7连接板；8绝缘套筒；9细牙调节螺母；10滑动
轴承；11导向杆；12调节弹簧；13精密天平；14三维精密滑台；15圆片；16储胶池；17液桥；18
环氧树脂溶液。

具体实施方式

[0047] 以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。

[0048] 一种集成微力检测的静电转印头装置，所述静电转印头装置集成电驱动和微力传感功能，包括集成微力传感的转印模块、基座、自重调节模块三部分。

[0049] 所述的转印模块包括转印针1、针夹具2、连接杆3和微力传感器4。所述转印针1通过微光刻、腐蚀、镀膜、切割等工艺制备，通过胶粘接在针夹具2底端的定位槽内，针夹具2上
端与连接杆3下端通过螺纹连接，连接杆3采用绝缘材料制备，连接杆3另一端通过螺纹连接
在微力传感器4下端工作面4a上，使转印针1受的力传递给微力传感器4。转印模块整体通过
微力传感器4上端螺纹孔与基座相连。

[0050] 所述的基座用于转印模块和自重调整模块的安装定位。基座包括圆柱外壳5、支撑板6、连接板7和绝缘套筒8。所述支撑板6与连接板7为L型结构，支撑板6水平侧一端通过螺
栓与连接板7水平侧连接，两者成对称贴合安装，两者的垂直侧端面共面。所述支撑板6与连
接板7垂直侧开有若干螺纹孔，用于将整个静电转印头装置固定在三维精密滑台14上。所述
圆柱外壳5为不规则结构，其主体为无顶盖的圆柱形薄壳，顶端外侧设有圆环形凸台，其圆
环形凸台通过螺栓与支撑板6水平侧另一端连接；圆柱外壳5底端通过螺栓与绝缘套筒8顶
端圆环形凸台连接，圆柱外壳5底端中心位置通孔与绝缘套筒8通孔同轴心。所述绝缘套筒8
主体为上下贯通的圆柱形结构，顶端外侧设有圆环形凸台，其圆柱侧面开有螺纹孔，用于安
装柱塞对连接杆3进行导向。所述微力传感器4置于圆柱外壳5中，其顶端通过螺栓与支撑板
6水平段底端连接，微力传感器4底端通过螺纹与连接杆3顶端连接，连接杆3底端穿过圆柱
外壳5、绝缘套筒8中心位置通孔，其所连接的转印针1、针夹具2位于绝缘套筒8底端端面下
方。

[0051] 所述的自重调整模块是为了避免由转印模块本身重量导致的微力传感器4超量程等问题设计的，包括细牙调节螺母9、滑动轴承10、导向杆11和调节弹簧12。所述的导向杆11
顶端通过螺纹连接在微力传感器4下端工作面4a上，其下端穿过圆柱外壳5底端螺纹孔后插
在滑动轴承10内形成导向配合。所述调节弹簧12套在导向杆11上，调节弹簧12的上下两端
分别与微力传感器4下端工作面4a和滑动轴承10台阶面接触。所述细牙调节螺母9为外侧开
有螺纹、中间开有圆孔的圆柱形结构，其底端开有一字槽，其中外侧螺纹与绝缘套筒8底端
的细牙螺纹孔5a啮合，中间圆孔与滑动轴承10通过过盈配合连接。根据转印模块和传感器
量程要求，通过手动旋转细牙调节螺母9底端一字槽，改变调节弹簧12的压紧度，使得调节
弹簧12弹力抵消自重对微力传感器4的影响。

[0052] 下面以纳升(nL)级液体转移为例，进一步说明本发明实施方法：

[0053] 一种集成微力检测的静电转印头装置的使用方法，利用静电力和微力反馈实现高粘液体微量转印，包括以下步骤：

[0054] 第一步，微力计算和微力传感器4选型

[0055] 微力传感器4受力大小与转移液体体积相关，用有限元软件对液滴加载过程进行模拟，估算受力范围。本例中分别计算转印针1直径0.4mm和0.6mm两种情况，设置电压400V，
液体粘度289Pa·s，液体厚度0.7mm，转印针1距液膜高度0.08mm。得出转印针1所受液体挤
压作用力FE与液体接触面积S随时间t变化规律，如图5(a)所示。

[0056] 图5(a)为转印针1直径为0.4mm和0.6mm时所受液体挤压作用力FE与液体接触面积S随时间t的变化，当转印针1直径为0.4mm时，在t＝6.5s时刻，转印针1与液体开始接触。

[0057] 在拉断速度不变的前提下，液体与转印针1接触面积越大，拉断后残余在转印针1上的液体残余量越大，本例中转印针1拉断速度固定为v＝0.12mm/s。

[0058] 如图5(a)所示：

[0059] 当t＝7.0～7.2s时，转印针1与液体接触面积S约为0.05mm2，所受液体挤压作用力FE约为14μN。由实验确认：在此拉断速度下，液桥拉断后转印针1上残余液体体积约为
2
400pL。当t＝7.7s～7.9s时，转印针1与液体的接触面积S约为0.1mm ，所受液体挤压作用力
FE约为5μN，拉断后留在在转印针1上的液体约为1nL。

[0060] 当转印针1直径为0.6mm时，在t＝5.8s的时刻，转印针1与液体开始接触，在t＝6.42
～6.5s时，转印针1与液体的接触面积约为0.1mm ，所受液体挤压作用力FE约为47μN，拉断后
残余在转印针1上的液体残余量约为1nL；在t＝6.6s～6.8s，转印针1与液体的接触面积约
2
为0.15mm，所受液体挤压作用力FE约为42μN，拉断后在转印针1上的液体体积约为2nL；在t
2
＝7.0～7.2s，转印针1与液体接触面积约为0.2mm ，所受液体挤压作用力FE约为31.5μN，拉
断后残余在转印针1上的液体体积约为3nL。

[0061] 可见：通过调整转印针1直径和延时时间，可获得不同的液体加载量。以3nL的体积量微量液体转移需求为例，由图5(a)知，液滴加载过程中转印针1所受力范围为36.9μN～
46.9μN，因此可选择量程0～1000μN，分辨率为1μN的微力传感器4。

[0062] 第二步，系统自重调节和力传感器标定

[0063] 将支撑板6与连接板7垂直侧通过螺栓与精密三维滑台14连接，使整个静电转印头装置固定在三维精密滑台14上。然后进行自重调节并对微力传感器4进行二次标定，过程如
下：

[0064] (1)系统自重调节

[0065] 本例中，当调节弹簧12处于放松状态时，微力传感器4下端连接的转印针1、针夹具2和连接杆3总质量约为13.2g(0.13N)，本例中调节弹簧12可调节位移为15mm，选择弹性系
数为15N/m的调节弹簧12(调节弹簧12压缩位移约为9mm时平衡)。在转印针1下方放置精密
天平13，在初始状态，调节弹簧12处于放松状态。移动三维精密滑台14，使得转印针1端部与
精密天平13工作台相接触，让部分转印模块自重施加在精密天平13上，观察示数，确认微力
传感器4受力在工作量程内。

[0066] 控制三维精密滑台14逐步缓慢下降转印针1，同时观察微力传感器4示数，待示数为零时，表示转印模块自重被精密天平13支撑力抵消，停止下降。

[0067] 微调细牙调节螺母9逐步压缩调节弹簧12，此时精密天平13示数逐步减小，微力传感器4示数保持近似不变，待精密天平13和微力传感器4示数均近似为零，认为转印模块自
重被调节弹簧12弹力抵消，完成自重调节，用螺纹胶固定细牙调节螺母9，以防松动。

[0068] (2)微力传感器4重新标定

[0069] 在转印过程中微力传感器4所受的力包含转印针1‑液体相互作用力、弹性力、摩擦力，为获得转印针1所受力的真实值，需要二次标定微力传感器4。

[0070] 在初始状态，转印针1与精密天平13工作台不接触，而调节弹簧12处于压紧状态，微力传感器4示数近似为零。

[0071] 控制三维精密滑台14逐步下降转印针1，直至转印针1前端接触精密天平13工作台。

[0072] 继续下降三维精密滑台14进给转印针1，待精密天平13显示到达第一个采样点时停止下降，记录精密天平13示数0.01mg(100μN)和微力传感器4示数80μN。接着以0.001mg
(10μN)的采样间隔逐渐减小精密天平13示数至0.001mg，记录两者10次示数差取均值，以精
密天平13示值为基准，软件补偿和修正微力传感器4的读数，完成微力传感器4标定。

[0073] 第三步，微量液体转移

[0074] 完成系统自重调节和微力传感器4标定后，利用转印头进行微量液体转移，可分为4阶段，准备工作、液桥形成、液滴加载和转印：

[0075] (1)准备工作

[0076] 首先，利用空竹匀胶机旋转在圆片15上获得厚700μm环氧树脂液膜。将电源正极与针夹具2连接，电源负极连接开关后与圆片15上表面连接，圆片15上表面镀有导电金属层。
选取直径600μm的转印针1，利用三维精密滑台14将其移动至距液膜80μm的位置。

[0077] (2)液桥形成

[0078] 打开电源，闭合开关，在转印针1与环氧树脂溶液18之间施加400V电压，如图6(a)所示，负电荷将受极化作用聚集到液体表面，并受径向和轴向电极力，拖动液膜上升直至与
转印针1接触形成液桥。

[0079] (3)液滴加载

[0080] 转印针1与液体的接触面积将随时间逐渐增大，即为液滴加载阶段。图5(b)为用有限元软件计算的液滴加载过程中转印针1所受液体挤压作用力FE随接触面积S变化图像，FE
呈现先增加后减小的变化过程，这是由于在液体接触转印针1时，由于接触介质由空气变化
为液体造成的。通过微力传感器4检测FE跳变点来判断转印针1与液体初始接触状态，当检
测到FE跳变点时，可推断转印针1已与液体接触。再依据转印针1与液体接触面积随时间变
化的函数关系，通过控制延时时间，进而获得不同的液体接触面积。

[0081] 由图5(b)知，转印针1所受FE的跳变点为整个液滴加载过程中FE的最大值，由于微力传感器4采样频率较大，可将FE的第一组减小值时间近似作为跳变点时间。转印针1所受FE
第一组减小点时间检测方法为对微力传感器4的采样数值，每5个为一组计算一次平均值，
当平均值开始减小时，记录下该点时刻t0，将其作为转印针所受FE跳变点。微力传感器4的采
样频率设置为100S/s，两均值之间的时间差约为0.05s，所造成的接触面积增加量可忽略不
计。本例中，当微力传感器4采样均值达到46μN时(其上一个值为47μN)延时0.8s，控制转印
头以0.12mm/s的速度上升拉断液桥。在液桥拉断后，一部分液体由于重力作用返回，另一部
分液体将残留(～3nL)在转印针上。至此，完成了微量液体至转印针1的转移。

[0082] (4)转印

[0083] 首先，控制三维精密滑台14将转印针1移动至距离待转移物体表面100μm的位置，如图6(c)所示。接着，控制转印针1以10μm/s速度缓慢下移，当转印针1上的液体与待转移物
体表面接触时，转印针1会受到待转移物体轴向的压膜流阻力，如图6(d)(e)所示，随着转印
针1位置的不断下降，其受到的压膜流阻力将逐渐增大，由已知的液体转移量与转印针1所
受压膜流阻力的函数关系，通过控制转印针1所受压膜流阻力大小来控制转印液体体积。当
转印针1所受压膜流阻力达到所设阈值0.1mN时，控制转印针1上升拉断液桥。

[0084] 液桥断裂后，由于转印针1和待转移物体表面对转移液体的黏附力存在差异，一部分液体残留在待转移物体表面，其俯视图如图6(b)所示。利用激光聚焦显微镜对图6(f)中
残留在待转移物体表面的液体体积进行计算，得知待转移物体14表面液体体积为2.844nL。
至此，完成微量液体转移过程。

[0085] 以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还
可以做出若干改进，这些均属于本发明的保护范围。