阶梯式聚磁永磁定位磁针设计与试验

刘强; 宋仕辉; 牛萍娟; 陈云喆; 俞建荣

doi:10.37188/OPE.20253320.3228

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阶梯式聚磁永磁定位磁针设计与试验

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2025-11-28

- 阶梯式聚磁永磁定位磁针设计与试验
- Design and experiment of stepped polymagnetic permanent magnet positioning magnetic needle
- 光学精密工程 2025年33卷第20期页码：3228-3238
- 作者机构：
  
  1.北京石油化工学院精密电磁装备与先进测量技术研究所，北京 102617
  2.天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387
  3.福州水影流芯科技有限公司，福建福州 350000
- 作者简介：
  
  [ "刘强（1983-），男，江西九江人，教授，博士生导师，2013年于北京航空航天大学获得博士学位，主要从事Mini/Micro LED巨量转移和磁悬浮轴承技术研究。 E-mail： liuqiangbuaa@163.com" ]
  [ "宋仕辉（2001-），男，内蒙古呼伦贝尔人，硕士研究生，主要从事Mini/Micro LED巨量转移和磁悬浮天车技术研究。 E-mail： 15049053458@163.com" ]
- 基金信息：
  
  北京市属高等学校高水平科研创新团队建设支持计划资助项目(BPHR20220110)
- DOI：10.37188/OPE.20253320.3228
  中图分类号： TN312.8
- CSTR：32169.14.OPE.20253320.3228
- 收稿：2025-07-30，
  
  修回：2025-08-18，
  
  纸质出版：2025-10-25
- 稿件说明：
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刘强,宋仕辉,牛萍娟等.阶梯式聚磁永磁定位磁针设计与试验[J].光学精密工程,2025,33(20):3228-3238.

LIU Qiang,SONG Shihui,NIU Pingjuan,et al.Design and experiment of stepped polymagnetic permanent magnet positioning magnetic needle[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(20):3228-3238.
刘强,宋仕辉,牛萍娟等.阶梯式聚磁永磁定位磁针设计与试验[J].光学精密工程,2025,33(20):3228-3238. DOI： 10.37188/OPE.20253320.3228. CSTR： 32169.14.OPE.20253320.3228.

LIU Qiang,SONG Shihui,NIU Pingjuan,et al.Design and experiment of stepped polymagnetic permanent magnet positioning magnetic needle[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(20):3228-3238. DOI： 10.37188/OPE.20253320.3228. CSTR： 32169.14.OPE.20253320.3228.

摘要

为提升Mini/Micro LED芯片流磁巨量转移中永磁定位阵列磁针的磁密峰谷效应，提出了一种阶梯式聚磁永磁定位磁针。针对该阶梯式聚磁永磁磁针结构，建立了包含非线性退磁效应和磁路饱和特性的多阶等效磁路模型，以及考虑芯片运动特性和流固耦合作用的力学动态模型。在此基础上，以提升磁场峰谷变化率和峰谷变化速率为核心目标，借助有限元分析软件对磁针各阶高度与直径参数进行了分步参数化仿真，确定了特定几何尺度及工艺约束下高性能磁针的最优三维结构参数。基于优化结果研制了一台磁针样机，并通过磁针磁密测量试验和巨量转移试验验证了优化结果的有效性。结果表明，优化后的磁针磁密峰谷变化率

达到82.3%，峰谷变化速率

达到44.8 mT/mm，分别提升了20.1%和28.7%。在180 mm×160 mm的接收基板上进行了4 500颗芯片的流磁巨量转移实验，转移时间仅为3 min，相较于现有方案用时减少了40%。

Abstract

To improve the magnetic density peak-to-valley effect of the permanent magnet positioning array magnetic needle in the fluid magnetic mass transfer of Mini/Micro LED chips， a stepped polymagnetic permanent magnet positioning magnetic needle was proposed. For this stepped polymagnetic permanent magnet needle structure， a multistage equivalent magnetic circuit model incorporating nonlinear demagnetization effects and magnetic circuit saturation characteristics， as well as a mechanical dynamic model considering chip motion characteristics and fluid-structure interaction， were established. Based on this， with the core objectives of improving the magnetic field peak-to-valley change rate and peak-to-valley change speed， the height and diameter parameters of each stage of the magnetic needle were subjected to step-by-step parametric simulation using finite element analysis software. This determined the optimal three-dimensional structural parameters for a high-performance magnetic needle under specific geometric scale and process constraints. A prototype magnetic needle was developed based on the optimization results， and the effectiveness of the optimization was verified through magnetic needle magnetic density measurement tests and mass transfer tests. The results show that the optimized magnetic needle achieved a magnetic density peak-to-valley change rate δ of 82.3% and a peak-to-valley change speed ζ of 44.8 mT/mm， representing improvements of 20.1% and 28.7%， respectively. A fluid magnetic mass transfer experiment involving 4 500 chips was conducted on a 180 mm×160 mm receiving substrate， with a transfer time of only 3 minutes， reducing the time by 40% compared to existing solutions.

关键词

Keywords

references

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