CN101277759A - 用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备，用于受控地放置物质的液滴的方法以及喷墨设备的使用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备，该设备包括至少一个打印头，打印头具有被设计成用于喷射液滴的喷嘴，该设备还包括至少一个声学传感器，将该声学传感器布置成用于检测液滴滴落在基板上。在预定延迟时间内没有检测到液滴的滴落时，反馈环停止该打印过程。

Description

用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备，用于受控地放置物质的液滴的方法以及喷墨设备的使用
本发明涉及一种用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备。本发明进一步涉及一种使用喷墨设备将物质的液滴受控地放置在基板上的方法。本发明还涉及喷墨设备的使用。
本发明公开了一种用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备、方法、以及喷墨设备的使用。尤其对于医疗诊断来说，需要基板，需要在基板上以非常准确且精确的方式放置特定的物质。通常，在基板上放置这些物质，以便在基板上进行大量的生物化学测试或反应。根据本发明的受控地放置物质的液滴的喷墨设备、方法以及喷墨设备的使用优选应用于将物质打印在基板上的打印过程，该打印过程在以下方面都必须非常可靠：物质的液滴是否实际已经被释放到该基板上；以及物质的液滴是否已经正确地放置在基板上。
喷墨设备是众所周知的。例如，美国专利申请US2004/0196319 A1公开了一种图像记录装置，其包括具有多个喷嘴的记录头、托架、传送机构、驱动机构、用于光学检测喷射日期的检测机构、以及控制器。将多个喷嘴分为多个喷嘴组。控制器使得每个喷嘴组的喷射时刻与任何其它喷嘴组的喷射时刻不同。根据所引用的美国专利申请的记录头或多个记录头可以位于打印区域的外部，以便执行控制操作。该控制操作可以提供一个或多个打印头或打印喷嘴是否正确工作的问题的答案，例如由于墨阻塞了喷嘴等。当打印头位于打印区域的外部而在控制区域或检测区域中时，打印头或打印喷嘴不面对记录介质，其中打印头在打印区域中将墨滴施加到记录介质上。在检测区域中，液滴的轨迹与光电检测器检测的光束相交，从而控制打印头正常工作。已知设备的一个缺陷在于它不能可靠地回答单个液滴是否实际上已经沉积在基板或打印介质上的问题，这是由于控制操作仅有时执行。这严重限制了打印设备或喷墨设备的可靠性，尤其是在精确并且可靠的打印过程是必要的应用中。
因此，本发明的目的是提供一种用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备，它对于将液滴放置在基板上具有更高的可靠度。
上述目的由根据本发明的对液滴进行受控放置的喷墨设备和方法以及根据本发明的喷墨设备的使用来实现。用于将物质的液滴受控地放置在基板上的喷墨设备包括至少一个打印头，该打印头包括被设计成用于喷射液滴的喷嘴，该喷墨设备进一步包括至少一个声学传感器，将声学传感器布置成利用该声学传感器来检测液滴滴落在基板上。
根据本发明的喷墨设备的优点在于它可以使用至少一个声学传感器来检测液滴的滴落，并且因此具有关于喷射的液滴是否实际上已经滴落在基板上的可靠反馈。
在本发明的优选实施例中，检测基板在液滴滴落期间的振动。这使得可以以非常简单而又有效和可靠的方式检测液滴的滴落。这意味着：可以使得液滴的检测非常明确，并且液滴的检测在很高程度上不受任何误差源的干扰。
非常优选地，在该基板的第一侧上设置打印头，而在基板的与该第一侧相对的第二侧上设置至少一个声学传感器。优点在于：不需要将基板第一侧上的任何空间用于声学传感器。这尤其重要，因为打印头周围的空间非常珍贵。打印头离基板越近，液滴滴落就越精确。并且，利用安装在基板第二侧上的声学传感器，可以更好地区分滴落在基板的不同位置上的液滴。
声学传感器优选是话筒。根据本发明，这是提供声学传感器的成本效益非常高的方式。
在本发明的优选实施例中，喷墨设备包括多个声学传感器。优点在于可以更好地区分撞击基板的液滴的位置和滴落在基板上的液滴的位置。
进一步优选的是，该基板包括多个基板区域，每个基板区域优选是由膜夹具夹持的单独的膜。这样，借助于本发明的喷墨设备，可以产生多个单独的膜。
非常优选地，为每个基板区域分配至少一个声学传感器。优点在于可以更好地区分撞击基板的液滴的位置以及滴落在基板上的液滴的位置。
并且，优选的是，对于液滴滴落在多个基板区域中的一个基板区域上与液滴滴落在多个基板区域中的不同一个基板区域上两种情况相比较而言，分配给多个基板区域中的一个基板区域的至少一个声学传感器的传感器信号显著不同。如果这些滴落是同时的，或者仅相隔非常短的时间，那么这甚至可以用于区分一个基板区域上的一个液滴的滴落和相邻基板区域上的另一液滴的滴落。
进一步优选的是，该喷墨设备包括打印台或固定板，其中该打印台或固定板包括用于每个膜夹具的凹槽或孔，并且/或者将分配给每个基板区域的声学传感器设置在该凹槽或孔中。从而，可以相对准确地区别滴落在不同膜区域上的液滴。
根据本发明更加优选的是，使用一种喷墨设备，该喷墨设备进一步包括(优选是稳定并且沉重的)打印台和打印桥、固定板、打印头，其中该固定板固定地安装在直线平台上，以允许在第一方向(X方向)上相对于打印台直线移动，而打印头附着到被安装在直线平台上的打印头夹具，以允许在第二方向(Y方向)上相对于打印桥直线移动。这样，可以将物质的液滴打印或释放在所应用的大面积上。这样，可以使打印产品的生产非常有成本效益，这是因为可以将大的基板或各个膜作为一批进行打印。
根据本发明，基板优选是平坦的基板、结构化的基板、多孔基板。更加优选地，基板是尼龙膜、硝酸纤维膜或PVDF膜。由于基板优选是多孔的，因此斑点或液滴不仅位于表面上，而且还渗透到膜中。
进一步优选地，该基板包括多个基板位置，这些基板位置彼此之间至少隔开了位于多个基板位置之一上的液滴的平均直径。这使得将物质的不同液滴准确且独立地放置在基板上的相应精确位置成为可能。同样可行并有利的是将多个液滴施加在同一基板位置上。
根据本发明，非常更加优选的是，该物质是透明的或者高度半透明的。非常优选地，该物质是水溶液，其中存在不同的分子或不同的化合物，尤其是生物分子。
本发明还包括使用喷墨设备将物质的液滴受控地放置在基板上的方法，其中该喷墨设备包括至少一个打印头，该打印头具有被设计成用于喷射液滴的喷嘴，该喷墨设备进一步包括至少一个声学传感器，将声学传感器布置成利用该声学传感器来检测液滴滴落在基板上。从而，可以实现可靠性非常高的打印过程。
根据本发明优选的是，在喷射液滴后，如果声学传感器在预定延迟时间内没有检测到该液滴滴落在基板上，那么反馈环停止该打印过程。优点在于：当在打印期间出现故障时，停止打印过程(该反馈环立即干预打印过程)，并且用于控制整个打印操作的软件将正被打印的基板标记为“不正确”，使得它好像一个正确产品一样而不将被进一步处理。在许多情况下，可能不容易在后来判断液滴是否的确已经滴落在基板上，尤其在基板吸收了液滴并且提供的液滴包括透明蒸发物质的情况下。而且，软件用来确保对液滴在基板上的每个滴落进行记录。在优选实施例中，反馈环跟随在该分析后，其中如果喷射液滴的分析显示在打印期间出现了故障，那么该反馈环停止打印机。
非常优选地，在喷嘴已经喷射了液滴之后，声学传感器对传感器信号上的数据进行记录。如果在液滴喷射之后的预定延迟时间期间，该声学传感器没有记录可被分配给基板上的液滴滴落的信号，那么检测出打印期间出现错误。相对于现有技术，具有的优点在于每个液滴是可跟踪的。
进一步优选的是，在第一步骤中，校准打印头相对于基板的位置，并且在第二步骤中，将物质放置在膜上。有利的是，这些方法步骤可以非常可靠地将物质的液滴放置在基板或膜上。
在进一步优选的实施例中，将多种不同的物质施加到基板上，使得第一物质位于第一基板位置上，而第二物质位于第二基板位置上。优点在于可以利用一个相同的打印过程(其仅仅交换了用于打印的打印头或物质贮存器)在基板上提供大量不同的物质，该基板可以在生物化学试验筒(assaycartridge)中使用。
本发明还包括根据本发明的喷墨设备的使用，其中该物质包括生物化学反应物和/或核酸和/或多肽和/或蛋白质。为了该目的，本发明的喷墨设备的使用可以非常精确地将某一数量的物质放置在基板上。
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的这些和其它特征、特点和优点将变得显而易见，附图通过示例说明了本发明的原理。该描述仅作为示例给出，并不限定本发明的范围。下面提到的参考数字指的是附图。
图1是本发明的喷墨设备的实施例的示意性平面图；
图2是贯穿基板区域、膜夹具和固定板的示意性横截面图；
图3示意性示出了具有多个膜区域和声学传感器的本发明的喷墨设备的固定板；
图4示意性示出了本发明的喷墨设备的固定板的可选实施例；
图5a和5b示意性示出了与膜夹具和完整的膜在一起的基板区域的一部分；以及
图6示意性示出了包括多个打印头的喷墨设备的实施例。
将参照具体实施例并参照特定附图描述本发明，但是，本发明并不限于此，而仅由权利要求限定。所描绘的附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，可以放大某些元件的尺寸，并且为了说明的目的而并未按照比例绘制。
在使用不定冠词或者定冠词来引用单数名词的情况下，例如“一”、“一个”、“该”，除非特别声明，其包括多个所述名词。
此外，在说明书和权利要求中，术语第一、第二、第三等用于区分相似元件，并非必然描述顺序或时序。应当理解，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，并且此处所描述的本发明的实施例能够以不同于这里所描述或说明的其它顺序操作。
而且，在说明书和权利要求书中，术语顶部、底部、上方、下方等用于说明的目的，并非必然描述相对位置。应当理解，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，并且此处所描述的本发明的实施例能够以不同于这里所描述或说明的其它方位进行操作。
注意，不应该将本说明书和权利要求中使用的术语“包括”解释为局限于后面列出的装置；它不排除其它元件或步骤。因此，语句“包括装置A和B的设备”的范围应当不局限于仅由部件A和B组成的设备。对于本发明来说，这仅意味着设备的相关部件仅为A和B。
图1是根据本发明的喷墨设备10的示意性平面图。在打印台50(优选由沉重的花岗岩制成)上，固定板55固定附着到直线平台上，该直线平台允许相对于花岗岩台的直线移动。具有膜41的多个膜夹具44位于该固定板55中。这些膜41共同形成基板40。因此，膜41也可以称为“基板41”。为了清楚起见，在下文中，术语“基板40”指的是“膜41”的可打印区域的总和。膜夹具44基本上仅是一个环44。圆形膜41被焊接到该环上。在打印后，环44和膜41由此共同形成最终产品。打印桥51相对于固定板55可移动地设置，并且相对于打印台50固定安装。打印桥51载有可移动的打印头夹具51’。具有固定板55的平台可在第一方向，即X方向上移动。打印头20安装在可移动的打印头夹具51’上，使得它可相对于打印桥51在第二方向，即Y方向上移动。根据本发明，优选的是，第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)相互垂直。结果，打印头20可以在固定板55的某一区域上移动，并且可以释放在打印头20附近的贮存器(未示出)中存储的物质的液滴。在X方向上以均匀距离并且在Y方向上以均匀距离，将膜41安装在固定板55(也称为记录板55)中。X方向上的距离可以与Y方向上的距离不同。根据本发明，设置了控制照相机30，使得控制照相机30能够检测到从打印头20的喷嘴中喷射的物质的液滴(在图2中示出)。在图1所示的本发明的优选实施例中，控制照相机30固定放置在可移动的打印头夹具51’上的打印头20附近。
基板40可以由用于检测传染病的生物活性膜制成。医疗诊断需要可靠性非常高的打印过程。荧光图案的读取将疾病直接与特定的捕获探针的位置相联系。因此，绝对必要的是具有一种非常可靠的在基板40上正确地放置捕获探针的过程。喷墨打印是一种在没有关于基板40上的液滴的实际存在和布置的任何反馈的情况下的精确定量给料技术。问题是没有关于操作如何进行的信息。本发明描述了紧接着打印过程的声学方法。将声学传感器，尤其是话筒安装在喷墨设备10上，该传感器检测液滴是否已经滴落在基板40上。该系统在液滴丢失时立刻停止打印过程，并且标记刚被打印过的膜41或基板区域41。现在，操作者可以调整打印头(吸液管)，使得它能够再次根据规范进行操作，并且可以恢复打印过程。随后，从该批打印的膜41中取出被标记的膜。
打印台50优选是花岗岩台。可选地，可以使用非常沉重的不同材料。根据本发明，打印台50应当布置在振动干扰非常小的环境中。相对于花岗岩台(打印台50)，安装精密直线平台，并且安装在该平台上的固定板55根据定义在第一方向(X方向)上移动。
图2是单个膜夹具44和部分固定板55的示意性横截面图。膜夹具44承载了作为基板40的一部分的一个膜41。一个膜41还表示基板区域41。每个单个的膜夹具44位于固定板55上。在基板40上，即在每个膜41上，提供了多个基板位置42，使得各个液滴或液滴点(图2中示意性标记为22)彼此相隔一定距离。这样，可以在每个基板位置42上分配或者放置不同种类的物质。膜夹具44位于固定板55或记录板55的孔57内。喷墨设备10的打印头20优选位于基板40的第一(“上”)侧40’上，声学传感器60优选位于基板40的第二(“下”)侧40”上，第二侧40”与第一侧40’相对设置。声学传感器60优选设置在位于孔57中的另一凹槽61中。仅在图2中示意性示出了声学传感器60，即，例如没有连接线等。对本领域技术人员显而易见的是，这样的连接线必须存在，以便将声学传感器60的信号传导到处理设备和/或控制设备(未示出)，在该处理设备和/或控制设备中，处理由声学传感器60产生的数据或信号。优选地，将声学传感器60构造为话筒。
图3是具有多个膜区域41、41a、41b和声学传感器60、60a、60b的固定板55的示意平面图。一个声学传感器60、60a、60b与每个膜区域41、41a、41b相关联。这意味着：例如与膜区域41a关联的声学传感器60a仅检测液滴22的滴落，或者至少在非常高的程度上检测液滴22是否滴落在膜区域41a上。对于与膜区域41b关联的声学传感器60b和与膜区域41关联的声学传感器60而言，情况相同。可以在基板40的不同位置上设置多个这样的声学传感器60，以便不仅检测液滴22是否已经滴落在基板40(某个地方)上，而且还检测液滴22已经滴落的精确膜区域41。
图4示意性示出了本发明的喷墨设备10的固定板55的可选实施例。膜夹具44位于这种可选实施例的固定板55的凹槽56中。在这些凹槽56中，示意性地示出了供声学传感器60使用的其它凹槽61。膜区域41位于膜夹具44上。
图5a从顶部示出了膜41或基板区域41的一部分。在基板区域41上，定义了多个基板位置42、42a、42b。该基板位置42、42a、42b是根据本发明的喷墨设备10将要放置液滴22的位置。可以将多个液滴放置在一个单个的基板位置42上。打印头20喷射且滴落在基板40上的液滴22将围绕基板位置42、42a、42b以一平均直径43覆盖某一液滴区域或斑点，该平均直径43比基板位置42、42a、42b的相互距离43’(间距)小。
图5b是基板区域41的平面图，在该平面图中，多个基板位置42由小圆圈代表。根据本发明，可以将许多不同的物质沉积在这些不同的基板位置42上，以便将基板区域41的膜用于诊断的目的。根据本发明，可以定义基板位置42的几个组42’，以便在基板位置42的一个组42’和它们各自的物质内执行一组完整的测试。
图6示意性和部分示出了本发明的喷墨设备10的另一实施例。打印头夹具51’相对于打印桥51沿Y轴移动，除了打印头20之外，该打印头夹具51’还设置有另一个打印头20a和第三个打印头20b。相应地，将另一个控制照相机30a和第三个控制照相机30b放置在打印头20、20a、20b附近。根据本发明，设置打印头20、20a、20b，以使得不同打印头20、20a、20b所喷射的液滴22滴落在不同的膜区域41、41a、41b上。这使得从多个打印头20、20a、20b同时或至少仅相隔非常短的时间喷射多个液滴22成为可能，同时它仍然可以区分每个液滴22是滴落在基板40上还是滴落在它的各个膜区域41、41a、41b上。
在根据图6的实施例中，三个或更多个单个喷嘴打印头20、20a、20b(吸液管)固定地安装在桥51上的直线平台上，该打印头20、20a、20b根据定义在第二方向(Y方向)上移动。通过同时在X方向上移动基板40和/或在Y方向上移动打印桥51连同打印头20、20a、20b，打印头20、20a、20b可以移动到基板40上的任何位置。打印头20、20a、20b的距离尽可能地与膜区域41在Y方向上的间距相等。固定板55被固定地安装在打印台50的顶部上。固定板55也被称为膜区域41或膜夹具44的载体55。使用一个以上的打印头20意味着可以获得更短的打印时间，这是因为并行使用了许多单个喷嘴的打印头。
根据本发明，优选以下列方式处理打印协议。优选地，首先，相对于打印台50或固定板55排列膜41。这用于确保液滴22在三维中的位置信息是已知的。优选地，利用照相机检测来自打印头20、20a、20b的液滴22的喷射，并且利用声学传感器或传感器60、60a、60b实时地检测液滴22滴落在基板40上。来自传感器或照相机的所有信号和数据由软件记录并且存储在存储器中。
例如，在基板区域41上，可以提供能够打印液滴22的130个斑点或基板位置42，每个液滴需要例如大约1nl的体积。斑点或液滴22的直径43例如是200μm，并且它们被放置在间距例如为400μm的图案中。当然，也可以提供更小的斑点，这使得间距更小变得必需，例如仅为300μm、200μm、100μm或者甚至为50μm。例如，利用设置有不同物质23的一个单个打印头20打印130个斑点。例如，在固定板55上，布置140个膜夹具44，它们由喷墨设备10在一批打印中处理。根据本发明，液滴斑点的间距43’位于10至500μm的范围内。液滴22的斑点的直径43在实际间距43’的大约20％至70％的范围内。液滴22的体积不得不适应于斑点的优选尺寸，并且适应于所使用的基板40的材料(例如，取决于基板是否强烈还是微弱地吸收所施加的物质)。典型地，液滴22的体积大约是0.001nl至10nl。

Claims (21)

1、用于将物质(23)的液滴(22)受控地放置在基板(40)上的喷墨设备(10)，所述设备(10)包括至少一个打印头(20)，所述打印头(20)包括被设计成用于喷射液滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨设备(10)进一步包括至少一个声学传感器(60)，将所述声学传感器(60)布置成利用所述声学传感器(60)来检测所述液滴(22)滴落在所述基板(40)上。
2、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中检测所述基板(40)在所述液滴(22)的滴落期间的振动。
3、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中在所述基板(40)的第一侧(40’)上设置所述打印头(20)，并且其中在所述基板(40)的与所述第一侧(40’)相对的第二侧(40”)上设置所述至少一个声学传感器(60)。
4、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述声学传感器(60)是话筒。
5、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述喷墨设备(10)包括多个声学传感器(60、60a、60b)。
6、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述基板(40)包括多个基板区域(41)，每个基板区域(41)优选是由膜夹具(44)夹持的单独的膜(41)。
7、根据权利要求5所述的喷墨设备(10)，其中至少一个声学传感器(60、60a、60b)与每个基板区域(41、41a、41b)相关联。
8、根据权利要求6所述的喷墨设备(10)，其中与所述多个基板区域(41、41a、41b)中的一个基板区域相关联的所述至少一个声学传感器(60、60a、60b)响应于液滴(22)滴落在所述基板区域(41、41a、41b)中的所述一个基板区域而产生的传感器信号与其响应于液滴(22)滴落在所述基板区域(41、41a、41b)中的不同一个基板区域而产生的相应传感器信号显著不同。
9、根据权利要求7所述的喷墨设备(10)，其中所述喷墨设备(10)包括固定的打印台(50)和可移动的固定板(55)，所述固定板(55)包括用于每个膜夹具(44)的凹槽(56)或孔(57)。
10、根据权利要求8所述的喷墨设备(10)，其中在相应的凹槽(56)或孔(57)中，设置与给定的基板区域(41、41a、41b)相关联的所述声学传感器(60、60a、60b)。
11、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述喷墨设备(10)进一步包括打印台(50)和固定附着到所述台上的打印桥(51)、固定板(55)、以及安装在可移动的打印头夹具(51’)上的所述打印头(20)，其中将所述固定板55安装成可相对于所述打印台(50)在第一方向(X方向)上移动，而且所述可移动的打印头夹具(51’)安装到所述打印桥(51)上，使得所述打印头(20)可相对于所述打印桥(51)在第二方向(Y方向)上移动。
12、根据权利要求10所述的喷墨设备(10)，其中所述第一方向(X方向)和所述第二方向(Y方向)相互垂直。
13、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述基板(40)是平坦的基板、结构化的基板或多孔的膜(41)，优选是尼龙膜、硝酸纤维膜或PVDF膜。
14、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述基板(40)包括多个基板位置(42、42a、42b)，所述基板位置(42、42a、42b)彼此之间至少隔开了位于所述基板位置(42、42a、42b)之一上的点(22)的平均直径(43)。
15、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中多个液滴(22)叠加在一个基板位置(42、42a、42b)上。
16、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述物质(23)是透明的或高度半透明的。
17、一种使用喷墨设备(10)将物质(23)的液滴(22)受控地放置在基板(40)上的方法，所述喷墨设备(10)包括至少一个打印头(20)，所述打印头(20)包括被设计成用于喷射液滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨设备(10)进一步包括至少一个声学传感器，将所述声学传感器布置成利用所述声学传感器来检测所述液滴(22)滴落在所述基板(40)上。
18、根据权利要求17所述的方法，其中如果在喷射所述液滴(22)后，所述声学传感器(60、60a、60b)在预定延迟时间内没有检测到所述液滴(22)滴落在所述基板(40)上，那么反馈环停止打印过程。
19、根据权利要求17所述的方法，其中在第一步骤，校准所述打印头(20)相对于所述基板(40)的位置，并且其中在第二步骤，将所述物质(23)放置在所述基板(40)上。
20、根据权利要求17所述的方法，其中将多种不同物质(23)施加到所述基板(40)上，使得第一物质(23a)位于第一基板位置(42a)上，而第二物质(23b)位于第二基板位置(42b)上。
21、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)的使用，其中所述物质(23)包括生物化学反应物和/或核酸和/或多肽和/或蛋白质。
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