CN105319346B - 用于在多孔衬底中形成疏水结构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在衬底中分配疏水材料的设备，所述设备包括：第一辊；第二辊，所述第二辊配置成接合第一辊以形成压合部；加热器，所述加热器可操作地连接到第一辊并且配置成将第一辊加热到第一温度，所述第一温度大于第二辊的第二温度；以及衬底输送装置，所述衬底输送装置配置成以预定速度将衬底移动通过压合部。第一辊接合衬底的第一侧并且第二辊接合衬底的第二侧以使疏水材料能够穿透到衬底中。

Description

用于在多孔衬底中形成疏水结构的系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及用于控制疏水材料在多孔衬底中的淀积的系统和方法，并且更特别地，涉及用于在作为化学测定装置的一部分的纸中形成疏水材料以控制流体通过纸扩散的系统和方法。

背景技术

纸基化学测定装置包括纸质衬底，在纸中形成流体通道和其它流体结构的蜡，以及一种或多种试剂。纸基化学测定装置的普通例子包括由纸制造并且在测试流体(如血液、尿和唾液)中执行生物化学测定和诊断的生物化学测试装置。装置是小的、轻质的和低成本的并且举例来说作为诊断装置在卫生保健、军事和国土安全中具有潜在的应用。由于蜡打印在纸上之后蜡通道的不受控回流，现有技术的纸质诊断装置在流体特征分辨率和制造兼容性方面被限制。

图10A和图10B描绘用于在回流烘箱中熔化形成于纸质衬底上的蜡的现有技术的过程。熔化过程需要蜡穿透到纸中而不是保持在纸的表面上的层中。在图10A中，回流烘箱将具有固化蜡的纸质衬底加热到大约150℃的温度。整个纸和蜡以各向同性方式被加热到相同温度。如图10B中所示，蜡熔化并且以大致均匀方式同时散布到多孔纸中和横越纸的表面。现有技术的回流烘箱不能控制熔融蜡的流动的方向，并且熔融蜡倾向于在比期望更大的程度上在纸的表面上散布。在生物医学测试装置中，蜡形成线和其它结构，其用作通过纸质衬底扩散的流体的屏障和通道。蜡的不受控散布在以精确形状形成屏障和液体通道时具有困难。因此，改善淀积在多孔衬底上的疏水材料的流动的控制将是有益的。

发明内容

在一个实施例中，已开发一种在衬底中分配疏水材料的设备。所述设备包括：第一辊；第二辊，所述第二辊配置成接合所述第一辊以形成压合部；第一加热器，所述第一加热器可操作地连接到所述第一辊并且配置成将所述第一辊加热到第一温度，所述第一温度大于所述第二辊的第二温度；以及衬底输送装置，所述衬底输送装置配置成以预定速度将衬底移动通过所述压合部以使所述第一辊能够接合所述衬底的第一侧并且使所述第二辊能够接合所述衬底的第二侧，所述衬底的第二侧承载疏水材料，所述疏水材料响应所述第一辊和所述第二辊之间的所述压合部中的温度梯度穿透到所述衬底中。

在另一实施例中，已开发一种用于在衬底中分配疏水材料的方法。所述方法包括：使第一辊与第二辊接合以形成压合部；用可操作地连接到所述第一辊的第一加热器加热所述第一辊以将所述第一辊加热到第一温度，所述第一温度大于所述第二辊的第二温度；以及用衬底输送装置以预定速度将具有第一侧和第二侧的衬底移动通过所述压合部以使所述第一辊能够接合所述衬底的第一侧并且使所述第二辊能够接合所述衬底的第二侧，所述衬底的第二侧承载疏水材料，所述疏水材料响应所述第一辊和所述第二辊之间的所述压合部中的温度梯度穿透到所述衬底中。

附图说明

在结合附图进行的以下描述中解释控制疏水材料在衬底上的分配的设备的前述方面和其它特征。

图1是喷墨打印机的图示，所述喷墨打印机包括将热和压力施加到衬底的表面上的疏水材料以使疏水材料能够穿透衬底的设备。

图2是将热和压力施加到衬底的表面上的疏水材料的设备的另一实施例的图示。

图3是描绘形成于图1或图2的设备中以迫使疏水材料穿透衬底的温度梯度的图示。

图4是在图1或图2的设备施加热和压力以使疏水材料穿透衬底之前将疏水材料的多个层施加到衬底的表面的喷墨打印机配置的另一实施例的图示。

图5是在图1或图2的设备施加热和压力以使疏水材料穿透衬底之前将疏水材料的多个层施加到衬底的表面的喷墨打印机配置的另一实施例的图示。

图6是将疏水材料的多个层施加到第一鼓并且将热和压力施加到疏水材料和衬底以使疏水材料穿透衬底的喷墨打印机的图示。

图7是将包括试剂或其它化学制品的液滴喷射到由衬底中的疏水材料限定的衬底中的流体通道上的喷墨打印机的图示。

图8是形成于衬底中的生物医学测试装置的横截面图和平面图，衬底中的流体通道由疏水材料形成。

图9是用于将热和压力施加到形成于衬底的表面上的疏水材料以使疏水材料能够穿透衬底的过程的方块图。

图10A是熔化形成于衬底的表面上的疏水材料的现有技术的回流烘箱的图示。

图10B是描绘在现有技术的散布过程中在图10A的回流烘箱中的衬底上的疏水材料的散布的图示。

具体实施方式

为了本文中所公开的系统和方法的环境以及系统和方法的细节的一般理解，参考附图。在附图中，始终使用相似的附图标记来表示相似的元件。当在本文中使用时，词语“打印机”包含用树脂或着色剂在介质上产生图像的任何设备，如数字复印机、编书机、传真机、多功能机等。在下面的描述中，打印机还配置成将熔融蜡、相变墨或其它疏水材料淀积到多孔衬底(如纸)上。尽管下面所述的打印机是喷墨打印机并且在一些实施例中疏水相变材料可以是相变墨，但是在一些配置中疏水材料是光学透明蜡或不具有特殊颜色的其它材料。下面提供的疏水材料的视觉表示仅仅为了示例性目的，并且下面所述的不同实施例使用没有着色或具有适合与化学测定装置一起使用的任何着色的疏水材料。

打印机可选地配置成将温度梯度和压力施加到衬底，其散布疏水材料并且使疏水材料能够穿透到多孔衬底中以形成控制通过衬底的液体(包括水)的毛细流动的疏水结构，该疏水结构包括通道和屏障。

当在本文中使用时，术语“亲水材料”和“亲水衬底”指的是吸收水并且能够经由毛细作用通过材料扩散水的材料。亲水衬底的一个普通例子是纸，如纤维素过滤纸、层析纸或任何其它合适类型的纸。亲水衬底由允许水和包括水的其它生物流体(如血液、尿、唾液和其它生物流体)扩散到衬底中的多孔材料形成。如下所述，疏水材料嵌入亲水衬底中以形成流体通道屏障和控制流体通过亲水衬底扩散的其它疏水结构。

当在本文中使用时，术语“疏水材料”指的是抵抗附着到水并且基本上对通过毛细作用的水流不可透过的任何材料。当嵌入多孔衬底(如纸)中时，疏水材料用作屏障以防止水通过包括疏水材料的衬底的部分扩散。疏水材料也用作包括水的许多流体(如血液、尿、唾液和其它生物流体)的屏障。如下所述，疏水材料嵌入多孔衬底中以形成通道壁和控制液体通过衬底的毛细扩散的其它疏水结构。在一个实施例中，衬底也包括用于测试流体样本的各种性质的生物化学试剂。疏水材料形成通道以将流体引导到具有化学试剂的淀积物的衬底中的不同位置。疏水材料也相对于通道中的流体是基本上化学惰性的，从而减小或消除疏水材料与流体之间的化学反应。流体的单个样本通过衬底中的通道扩散以与衬底的不同位置的不同试剂反应，从而提供用于对单个的流体样本执行多个生物化学测试的简单和低成本装置。

当在本文中使用时，术语“相变材料”指的是在室温和标准大气压(例如，20℃和一个大气压)下具有固相并且在升高的温度和/或压力水平下具有液相的疏水材料。本文中使用的疏水相变材料的例子包括蜡和相变墨。当在本文中使用时，术语“相变墨”指的是在室温下基本上为固体、但是在高温下软化和液化的一种类型的墨。一些喷墨打印机将液化相变墨滴喷射到间接图像接收部件(如旋转鼓或环形带)上以形成墨潜像。墨潜像转印到衬底(如纸片材)。其它喷墨打印机将墨滴直接喷射到打印介质(如纸片材或长形纸卷)上。在液态下，相变墨材料可以穿透多孔衬底，如纸。

在传统喷墨打印机中，相变墨转印到衬底的一侧，可选地在双面打印操作中将不同相变墨图像转印到衬底的两侧。打印机将相变墨滴散布在衬底的表面上，并且相变墨图像在打印介质的表面上冷却和固化以形成打印图像。然而下面所述的实施例将热和压力施加到衬底的表面上的相变墨或另一疏水材料以使疏水材料能够穿透通过衬底中的多孔材料，从而形成控制通过衬底的流体的扩散的通过衬底的厚度的三维屏障。

图1描绘喷墨打印机100，所述喷墨打印机包括用于将热梯度和压力施加到亲水衬底(如纸)以使疏水材料能够流入衬底的孔隙中从而形成控制流体通过亲水衬底扩散的屏障和通道的设备180。当在本文中使用时，除非另外明确地说明，对术语“设备”的引用指的是将热梯度和压力施加到衬底以使形成于衬底的表面上的疏水材料能够以各向异性散布图案穿透到衬底中的设备。设备可选地包含到打印机(如喷墨打印机)中。如下所述，尽管设备180在图1中描绘为间接喷墨打印机100的一部分，但是设备180可以包含到其它打印装置中或者可以是配置成处理衬底的独立装置，所述衬底具有使用喷墨打印机或任何其它合适的应用装置形成于表面上的疏水材料。

打印机100包括成像鼓104、转印定影辊108、成像鼓加热器112、旋转致动器116和衬底加热器120。打印机100包括将液化相变墨滴或其它疏水材料喷射到成像鼓104的表面上的一个或多个喷墨打印头124。成像鼓104和转印定影辊108在压合部106中彼此接合。在打印机100中，机械、气动或液压致动器将成像鼓104和转印定影辊108保持在一起以形成压合部106并且将压力施加到通过压合部106的衬底。在一些实施例中，致动器也将成像鼓104和转印定影辊108移动成接合以形成压合部106或移动成脱离接合。例如，旋转致动器116是以选定速度范围旋转成像鼓104的电动机。当接合到成像鼓104时转印定影辊108响应成像鼓104的运动而旋转。

在设备180中，衬底输送装置在由箭头130指示的方向上推动衬底通过压合部106。衬底输送装置包括一个或多个致动器和皮带、辊以及与成像鼓104和转印定影辊108的运动同步地将衬底移动通过压合部106的其它输送装置。成像鼓104和转印定影辊108是推动衬底通过压合部106的衬底输送系统的一部分。在设备180包含在喷墨打印机中的实施例中，打印机中的介质输送系统将衬底输送到设备180并且衬底移动通过形成于设备180中的第一辊154和第二辊158之间的压合部166。

在设备180中，清洁辊174形成有从第二辊158的表面去除相变墨或其它疏水材料的硅树脂表面层或另一表面层。第二辊158典型地涂覆有低表面能材料，如聚四氟乙烯或另一合适的涂层，从而减小第二辊158和疏水材料144之间的附着。在操作期间，疏水材料144的小部分可能附着到第二辊158，并且清洁辊174去除残余疏水材料以防止通过压合部166的后续衬底的污染。

图1描绘实施例中的设备180的配置，其中设备180是喷墨打印机的一部分。在图1中，描绘为控制器190的数字电子控制单元(ECU)接收对应于将形成于衬底上的疏水材料的预定图案和形状的数字图像数据。在设备180中，打印头124将相变墨滴喷射到成像鼓104的表面上以形成墨潜像140。在一个实施例中，成像鼓104完成经过打印头24的多个旋转并且打印头124在每个旋转期间形成转印到衬底152的相变墨的附加层。在打印机100的一个实施例中，致动器(未显示)使转印定影辊108脱离与成像鼓104接合。致动器116使成像鼓104旋转经过打印头124并且成像鼓104在两个或更多个旋转的过程中接收来自打印头124的墨潜像。在一个实施例中，打印头124在成像鼓104的表面上形成单个墨潜像的四层。一旦墨潜像形成于成像鼓104上，转印定影辊108接合成像鼓104并且衬底152通过压合部106以接收多层墨潜像。

在图1的另一实施例中，打印机100使衬底152通过压合部106两次或更多次以由墨的多个层形成打印图像。例如，在图1中相变墨142的第一层形成于衬底152的表面156上。当成像鼓104承载由打印头124喷射的相变墨140的附加层时介质输送装置如路径130所示将衬底152第二次移动通过压合部106。介质路径130不包括双工单元，所述双工单元通常在打印机中用于双面打印以在每次通过压合部106期间使衬底152的侧156接合成像鼓104。在一个配置中，控制器190操作打印头124以在衬底152的每次通过期间形成相同图像使得相变墨的单个打印图案形成于衬底的一侧上。例如，墨潜像140与已经形成于衬底152上的墨图像142对准，从而形成包括图像140和142中的相变墨的组合体积的组合图像144。多次通过使打印机100能够将比通常用于常规打印操作更大的量的相变墨淀积在衬底152上。在一些实施例中，打印机100使衬底152通过压合部106四次以在衬底152的一侧上形成相变墨的四层。

在图1中，衬底输送装置将衬底152(如纸的片材或长形卷)移动通过压合部106。在一个实施例中，成像鼓加热器112将成像鼓104的表面加热到57℃并且致动器116以五英寸每秒(IPS)的线性表面速度旋转成像鼓104和转印定影辊108以将疏水材料潜像144转印到衬底152的一侧156。在替代实施例中，转印定影速度更快或更慢以调节打印介质152在压合部中的“停留时间”。当在本文中使用时，术语“停留时间”指的是打印介质152的指定部分在压合部中接收来自形成压合部的辊的热和压力花费的时间量。停留时间量与形成压合部的辊的表面面积和通过压合部的衬底的线性速度相关。例如，在压合部166中停留时间与辊154和158的表面面积和通过压合部166的衬底152的线性速度相关。停留时间选择成使疏水材料能够穿透衬底以形成用于衬底中的流体通道和其它疏水结构的壁。选定停留时间可以基于打印介质152的厚度和孔隙率、压合部166中的温度梯度、压合部166中的压力和疏水材料的粘性特性变化。更大的辊典型地形成具有更大表面面积的压合部。因此，具有更大辊直径的设备180的一个实施例以更高的线性速度操作以获得与具有更小直径辊和更低线性速度的设备180的另一实施例相同的停留时间。在设备180的不同操作模式下，选定停留时间在大约0.1秒到10秒的范围内。

打印介质152的空白侧160在成像操作期间接合转印定影辊108。压合部106中的热和压力散布衬底152的表面上的疏水材料140以在第一侧156上形成打印图像，在图1的多次通过的实施例中，疏水材料140与疏水材料142组合。在图1中所示的成像操作之后，疏水材料144的大部分保持在衬底152的表面156上或附近。

在打印机100中，在衬底152的一次或多次通过以接收打印图像144之后介质输送装置将衬底152移动到设备180。介质输送装置如路径134所示将衬底移动到设备180。设备180包括第一辊154、第二辊158、可选的衬底加热器170和清洁辊174。第一辊154和第二辊158彼此接合以形成压合部166。在设备180中，机械、气动或液压致动器将辊154和158保持在一起以形成压合部166并且将压力施加到通过压合部166的衬底。在图1的实施例中第一辊154和第二辊158以1,000磅每平方英寸(PSI)的压力将压力施加到衬底152和疏水材料144。在其它配置中，压合部166中的压力在800PSI到3,000PSI之间并且基于衬底的性质和疏水材料的组分被选择。加热器162可操作地连接到第一辊154并且配置成将第一辊154加热到比第二辊158更高的温度。在疏水材料144已转印到衬底152的一侧156之后介质输送装置将衬底152移动通过压合部166。

在图1的例子中，致动器168旋转第一辊154以使衬底152能够在方向134上移动通过压合部166，而第二辊158自由地旋转，同时接合承载疏水材料144的衬底152的打印侧156。第一辊154的高温形成压合部166中的温度梯度，并且第一辊154接合衬底152的第二侧160。如下所述，温度梯度使疏水材料144的打印图案能够穿透衬底152的厚度，同时减小疏水材料144的横向散布。

在设备180中当衬底通过压合部166时可选的衬底加热器170将衬底的温度升高到预定温度。在一个实施例中，当衬底接近压合部166时衬底加热器170将衬底加热到60℃。辊加热器162将第一辊154的表面加热到大约100℃，而第二辊158的表面保持在大约60-70℃的较低温度。在一个实施例中，第二辊158包括比第一辊154更大的直径以使第二辊158的表面在接合压合部166中的较高温度的第一辊154之后冷却。在其它实施例中，辊在尺寸上大致相等或者第一辊154在直径上大于第二辊158。辊加热器162和衬底加热器170体现为设备180中的电辐射加热器。在图1的实施例中，当衬底152通过压合部166时致动器168以大约一英寸每秒的线性速度旋转第一辊154和第二辊158。衬底152的线性速度与在压合部166中的停留时间成反比。停留时间受到影响压合部166的物理尺寸的辊154和158的表面面积和衬底152的线性速度影响。在设备180中，停留时间在大约0.1秒到10秒之间并且控制器190调节衬底152的线性速度以产生在压合部166中的选定停留时间。

在替代实施例中，设备180的操作参数被调节以修改压合部166中的温度梯度和衬底152在压合部166中的停留时间，从而控制疏水材料144穿透通过衬底152。在设备180的不同实施例中，压合部166中的温度梯度和压力以及衬底152在压合部166中的停留时间被调节以产生针对具有不同直径的辊的选定停留时间。

图1描绘当已经在一侧156上承载疏水材料144的衬底152通过压合部166时的设备180，其中压力和温度梯度施加到衬底152以使疏水材料144能够穿透到衬底152的多孔材料中。在图1中，衬底输送装置将衬底移动通过压合部166，且承载疏水材料的一侧156接合第二辊158，而空白侧160接合第一辊154。设备180被描绘在打印机100中，其中打印机100形成疏水材料的打印图案。然而在另一实施例中，设备180接收在独立喷墨打印装置中或通过在衬底的表面上形成疏水材料的任何合适的淀积过程形成的衬底和疏水材料。

图2描绘设备280的另一实施例。设备280包括来自设备180的部件中的一些，包括第一辊154、第二辊158、第一辊加热器162、致动器168和衬底加热器170。设备280也包括中间幅条272，所述中间幅条在形成于第一辊154和第二辊158之间的压合部206中接合第二辊158的表面和衬底152的表面。在一个实施例中，中间幅条272由在压合部206中接合衬底152和疏水材料144的环形或循环硅橡胶带形成。环形带272防止疏水材料144转印到第二辊158，并且可以清洁在压合部206中转印到带272的任何疏水材料。在另一配置中，中间幅条272是通过压合部206一次并且随后被丢弃或回收的牺牲材料，如塑料膜或涂层纸幅。图2中的设备280以类似于设备180的方式将压力和温度梯度施加到疏水材料144和衬底152以使疏水材料能够穿透衬底152。

图3更详细地描绘疏水材料144穿透到衬底152中。压合部106中的高温和高压熔化固化疏水材料144并且液化疏水材料水平地和竖直地散布到衬底152中的多孔材料中。液化疏水材料的散布距离L由Washburn方程：提供，其中γ是熔融疏水材料144的表面张力，D是衬底152中的孔隙的孔隙直径，t是衬底在压合部中的停留时间，在此期间压合部中的温度梯度和压力减小疏水材料144的粘度，并且η是熔融疏水液体的粘度。表面张力γ和粘度η项从疏水材料144的性质经验地确定。孔隙直径D从形成衬底152的纸或其它亲水材料的类型经验地确定。设备180对当疏水材料和衬底移动通过在压合部166中产生的温度梯度时的疏水材料的粘度η和疏水材料在压合部166中保持在液化状态持续的时间t具有直接或间接控制。疏水材料(如蜡或相变墨)基于材料的温度和施加到疏水材料的压力过渡到具有变化粘度水平的液态。液化疏水材料的粘度与材料的温度逆相关。相比于较冷侧156和较冷辊158上，压合部中的温度梯度在更大程度上减小靠近侧160和第一辊154的较高温度区域中的疏水材料的粘度。因此，由于在温度增加时粘度减小，相比于较冷区域中的墨，温度梯度使温度梯度的较高温度区域中的墨穿透更长距离。

在本领域中众所周知，在压合部166中施加的压力也减小疏水材料144的有效熔化温度使得熔化和减小压合部166中的疏水材料144的粘度水平所需的温度水平低于标准大气压下的熔化温度。一旦衬底152的一部分离开压合部166，压力和温度水平快速下降，这使疏水材料144能够以比图10A中所示的现有技术的回流烘箱更快速和受控的方式返回固化状态。压合部166中的衬底152的每个部分的停留时间也影响疏水材料144在液态下花费的时间量。

在压合部166中，温度梯度产生熔融疏水材料144的各向异性加热。相比于较冷侧156上，在所述侧160上的第一辊154的较高温度在更大程度上减小疏水材料144的粘度η。因此，相比于疏水材料144沿着衬底152的长度的水平流动，温度梯度使疏水材料144能够朝着所述侧160以更长距离流动到衬底152的多孔材料中。在图3中，较长箭头220描绘疏水材料144通过衬底152中的多孔材料朝着高温侧160的较长流动距离L，而较短箭头224指示沿着衬底152的长度的较短流动距离。对于相变墨疏水材料，当墨朝着较高温度辊154穿透衬底152时的墨的减小粘度η使相变墨能够通过衬底从打印表面156穿透到第二侧160，这形成通过衬底152的整个厚度的相变墨的层。

设备180生成各向异性温度梯度和疏水材料144的液体流动图案以形成具有疏水材料144的打印行和其它打印特征，其具有沿着衬底152的长度的更小散布和通过衬底152从打印侧156到空白侧160的改善穿透。例如，在一个实施例中用设备180形成的打印通道屏障行的水平宽度为大约650μm，而图10A的现有技术的回流烘箱将相同打印行散布到大约1000μm的宽度。此外，相比于图10B中所示的具有各向同性温度分布的现有技术的回流烘箱，设备180中的各向异性温度梯度使疏水材料144能够在更大程度上穿透到衬底152中。屏障的更窄宽度允许产生具有更细特征细节的更小装置，并且也改善控制流体通过衬底的毛细扩散的流体通道的有效性。

图4描绘将疏水材料444的图案淀积到衬底452上的喷墨打印机400的另一实施例。喷墨打印机400是直接喷墨打印机，其中打印区中的多组打印头(如打印头424A和424B)将疏水材料直接喷射到衬底452上。衬底452示出为长形介质幅。当衬底452进入打印区时加热器420将衬底452加热到预定温度，如60℃。在图4的例子中，打印头424A和424B在衬底452上以预定图案形成疏水材料444的两个层，但是其它打印机实施例包括附加打印头以形成具有疏水材料的附加层的打印图案。在打印机400中，辊430是如箭头434所示将衬底移动通过打印区的介质输送装置的一部分。衬底452随后移动通过设备180或280，所述设备施加温度梯度和压力以使疏水材料444能够穿透通过衬底452。设备180或280在一个实施例中包含到打印机400中。在另一实施例中，设备180或280在用打印机400打印之后发生的修整或另一处理期间接收衬底452。

图5描绘将疏水材料544的图案淀积到衬底552上的喷墨打印机500的另一配置。在打印机500中，衬底552是经过打印区中的多个打印头(如打印头524A和524B)以接收具有疏水材料544的多个层的打印图案的纸或另一衬底材料的长形幅。尽管图5描绘两组打印头524A和524B在衬底552中形成疏水材料的两个层，但是打印机500的另一配置使用附加打印头形成疏水材料的三个或更多层。打印机500包括衬底加热器520，当衬底552接近打印区时所述衬底加热器加热衬底552。在打印机500中，衬底552接合旋转支撑辊528，当衬底552移动经过打印区中的打印头524A和524B时所述旋转支撑辊支撑衬底552。支撑辊528包括加热器562以在打印过程期间将衬底552的温度保持在预定温度(例如，60℃)。衬底552随后离开打印区，如箭头534所示，并且进入设备180或280。设备180或280在一个实施例中包含到打印机500中。在另一实施例中，设备180或280在用打印机500打印之后发生的修整或另一处理期间接收衬底452。

图6描绘包含设备180和280的功能性的喷墨打印机600的另一实施例。喷墨打印机包括成像鼓604、转印定影辊608、衬底加热器620、打印头624A和624B以及清洁辊674。成像鼓604接合转印定影辊608以形成压合部606。打印头624A和624B均喷射相变墨或其它疏水材料的层以在成像鼓604的表面上形成疏水材料图像644。与图4的实施例一样，打印机600可选地包括附加打印头以在成像鼓604上形成疏水材料的附加层，或者在将衬底642移动通过压合部606之前成像鼓604在多次通过打印配置中完成经过一个或多个打印头的多个旋转以形成多层打印图像。

在打印机600中，成像鼓604可选地包括加热器612，当成像鼓604旋转经过打印头624A和624B时所述加热器将成像鼓604的表面加热到预定温度(例如，60℃)。打印机600也包括以预定压力水平(如1,000PSI压力水平)接合压合部606中的成像鼓604和转印定影辊608的一个或多个电动、气动或液压致动器。转印定影辊608包括另一加热器662，所述另一加热器将转印定影辊608的表面加热到比压合部606中的成像鼓604的表面更高的温度。例如，在一个实施例中压合部606中的转印定影辊608的表面温度为大约100℃，而成像鼓604的表面温度为大约60℃-70℃。

在操作期间，打印机600以类似于设备180和280的配置的方式在压合部606中形成温度梯度。较低温度成像鼓604上的疏水材料图案644在压合部606中转印到衬底642的一侧646，并且压合部606中的温度梯度使疏水材料644能够朝着接合较高温度转印定影辊608的一侧650穿透通过衬底462。在打印机600的配置中，转印定影辊608用作来自设备180和280的较高温度的第一辊并且成像鼓604用作设备180和280中的较低温度的第二辊。成像鼓604继续旋转通过压合部606并且经过清洁辊674，所述清洁辊从成像鼓604的表面去除残余相变墨和其它疏水材料。

上述的喷墨打印机和装置在亲水衬底(如纸)上形成疏水材料的预定图案以形成控制液体通过衬底扩散的流体通道和其它特征。如上所述，化学测定装置是包括具有用疏水材料形成的流体通道的衬底的一类装置的一个例子。化学测定装置的选定区域包括与生物医学测试装置一起使用的各种化学制品，包括试剂、催化剂、指示剂、缓冲剂等。在一些实施例中，在疏水材料已被施加到衬底以形成流体通道之后喷墨打印机将化学制品施加到衬底的不同区域。

图7描绘具有打印头724A-724C的喷墨打印机700的实施例。在图7的配置中，打印头724A-724C的每一个喷射液滴，所述液滴包括用于与化学测定装置一起使用的化学制品，所述化学测定装置配置成由衬底742形成的生物医学传感器。在另一配置中，打印机包括用于打印化学制品的不同组合的不同数量的打印头或者打印头的每一个配置成具有多个液体储存器以允许从单个打印头中的喷墨器的不同组喷射不同类型的化学制品。在衬底742中，区域744由大致穿透衬底742的整个厚度以形成疏水结构的疏水材料形成，所述疏水结构包括用于由衬底742的暴露区域(如区域704A、704B和704C)吸收的液体的屏障和流体通道。打印头724A-724C将包括一种或多种选定化学制品的液滴喷射到衬底742中的不同暴露区域上。例如，在图7的配置中打印头724A-724C将具有不同化学制品的液滴分别喷射到区域704A-704C中。液滴包括作为溶液或悬浮液运载化学制品的载体化学制品，如水、酒精或另一溶剂。在经过打印头724A-724C之后，液体载体从衬底742干燥并且留下化学制品淀积在衬底742中以便以后在化学测定或生物医学测试装置中使用。

图8描绘生物医学测试装置850中的打印图案的例子，所述生物医学测试装置包括淀积位置和由衬底中的疏水材料形成的流体通道以将流体引导到不同位置，在所述位置化学试剂与流体反应。衬底152包括由疏水材料144形成的屏障824和828。设备180使屏障疏水结构824和828中的疏水材料能够穿透通过侧156和160之间的衬底152的厚度以完全围绕流体通道808。亲水衬底152吸收流体样本并且流体通过毛细扩散移动通过通道808，而屏障824和828防止流体离开通道808。生物医学检测装置850包括衬底152，形成于衬底中以控制流体的扩散的疏水屏障，淀积部位854，以及一组反应部位，如反应部位858和862。在操作期间，流体样本淀积在中心淀积部位854中。尽管未在图8中描绘，但是掩模层典型地形成于被打印装置850上以保证流体样本仅仅在淀积部位854处被吸收。流体样本通过由疏水材料形成的通道传播通过亲水衬底152并且到达反应部位的阵列。每个反应部位包括嵌入衬底152中的化学试剂。化学试剂与流体样本中的不同化学化合物反应并且改变颜色或产生可以用于分析流体样本的另一指示。例如，对于放置在淀积部位854中的单个血液样本，反应部位858测试贫血，而反应部位862测试葡萄糖(血糖)水平。

图9描绘用于施加并且散布疏水材料通过衬底的过程900的方块图。为了示例性目的，与图1的设备180、图2的设备280、图3的压合部和温度梯度的示例性例子以及图8的生物医学测试装置850结合描述过程900。

过程900开始于在衬底的表面上形成疏水材料的可选过程(方块904)。如上所述，在一个实施例中设备180包含在喷墨打印机中，并且喷墨打印头124以预定图案(如生物医学测试装置850中所示的图案)喷射疏水材料的液滴。衬底输送装置将空白衬底移动通过压合部并且疏水材料转印到衬底的打印侧。

过程900继续使具有疏水材料的衬底通过由被加热到不同温度的两个辊形成的压合部，衬底的空白侧接合具有较高温度的辊并且衬底的承载疏水材料的一侧接合具有较低温度的辊(方块908)。如上面图1中所示，在一个配置中加热器162将第一辊154加热到100℃，而第二辊158保持在大约60-70℃的较低温度。在替代配置中，加热器162将第一辊154加热到70℃到140℃的高温度。第二辊158保持在比第一辊154低的温度以在压合部166中产生温度梯度。当衬底移动通过压合部166时，由于辊154和158之间的温度梯度，空白侧160被加热到较高温度并且打印侧156被加热到较低温度。如图3中所示，疏水材料液化并且流动通过衬底152的厚度。压合部166中的温度梯度使疏水材料能够以各向异性方式流动，液体流动的更大部分从打印侧156向空白侧160引导到衬底中以形成控制流体扩散通过衬底152中的亲水材料的屏障和通道。

过程900继续可选地将试剂或其它化学制品施加到由疏水流体通道屏障限定的亲水衬底的区域(方块912)。如上面参考图7所示，喷墨打印机可以将包括各种化学制品的液滴喷射到由疏水材料限定的衬底的区域上。单个化学测定或生物医学测试装置可以包括淀积到衬底的不同区域中并且通过由疏水材料形成的流体通道彼此隔离的多种化学制品。在过程900中，在用疏水材料形成流体通道之后化学制品形成于衬底上，以防止喷射到单个衬底上的不同化学制品之间的交叉污染，并且这是由于施加热和压力以使疏水材料能够穿透衬底可能产生与在化学传感器或生物医学测试装置中使用的许多化学制品的非期望反应。

Claims (18)

1.一种用于在衬底中分配疏水材料的设备，其包括：

第一辊；

第二辊，所述第二辊配置成接合所述第一辊以形成压合部；

第一加热器，所述第一加热器可操作地连接到所述第一辊并且配置成将所述第一辊加热到第一温度，所述第一温度大于所述第二辊的第二温度；

打印头，所述打印头具有多个喷墨器，所述喷墨器配置成以预定图案在所述第二辊上喷射疏水材料的滴；以及

衬底输送装置，所述衬底输送装置配置成以约五英寸每秒的预定线性速度将衬底移动至少两次通过所述压合部以使所述第一辊能够接合所述衬底的第一侧并且使所述第二辊能够接合所述衬底的第二侧，以熔化疏水材料的两个预定图案并使疏水材料的所述两个预定图案能够响应所述第一辊和所述第二辊之间的所述压合部中的温度梯度穿透到所述衬底的所述第一侧中。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述打印头的喷墨器进一步被配置为喷射熔化的蜡的滴。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述打印头的喷墨器进一步被配置为喷射熔化的相变墨的滴。

4.根据权利要求1所述的设备，其还包括：

第二加热器，所述第二加热器在所述压合部之前定位在所述衬底输送装置上并且配置成将所述衬底加热到预定温度。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底输送装置还包括：

致动器，所述致动器配置成以预定线性速度旋转所述第一辊和所述第二辊。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一温度在大约70℃到140℃的范围内。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述预定线性速度使所述衬底的预定部分能够在大约0.1秒到10秒的范围内保持在所述压合部中。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二辊配置成以预定压力接合所述第一辊以使所述压合部能够将所述疏水材料推动到所述衬底的所述第一侧中。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述预定压力在大约800磅每平方英寸(PSI)到3,000PSI的范围内。

10.一种用于在衬底中分配疏水材料的方法，其包括：

使第一辊与第二辊接合以形成压合部；

用可操作地连接到所述第一辊的第一加热器加热所述第一辊以将所述第一辊加热到第一温度，所述第一温度大于所述第二辊的第二温度；

操作打印头中的多个喷墨器以在所述第二辊上喷射疏水材料的滴，以在所述第二辊上形成所述疏水材料的预定图案；以及

用衬底输送装置以约五英寸每秒的预定线性速度将具有第一侧和第二侧的衬底移动至少两次通过所述压合部以使所述第一辊能够接合所述衬底的第一侧并且使所述第二辊能够接合所述衬底的第二侧，以熔化所述疏水材料的两个预定图案并使疏水材料的所述两个预定图案能够响应所述第一辊和所述第二辊之间的所述压合部中的温度梯度穿透到所述衬底的所述第一侧中。

11.根据权利要求10所述的方法，加热所述第一辊进一步包括：

加热所述第一辊到第一温度，所述第一温度有效用于使用以所述两个预定图案喷射在所述第二辊上的蜡穿透所述衬底的所述第一侧。

12.根据权利要求10所述的方法，加热所述第一辊进一步包括：

加热所述第一辊到第一温度，所述第一温度有效用于使用以所述两个预定图案喷射在所述第二辊上的相变墨穿透所述衬底的所述第一侧。

13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

用在所述压合部之前的第二加热器加热所述衬底输送装置以将所述衬底加热到预定温度。

14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

用致动器以预定线性速度旋转所述第一辊和所述第二辊。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一辊被加热到在大约70℃到140℃的范围内的温度。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述衬底以所述预定线性速度被移动通过所述压合部，使所述衬底的预定部分能够在大约0.1秒到10秒的范围内保持在所述压合部中。

17.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

将所述第一辊以预定压力接合所述第二辊，以使所述压合部能够将所述疏水材料推动到所述衬底的所述第一侧中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二辊在大约800磅每平方英寸(PSI)到3,000PSI的范围内的预定压力接合所述第一辊。