TW202124174A - 整合式流體射出和成像 - Google Patents
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Abstract
提供一種整合式流體射出及成像系統，其可包括用以將一流體小液滴射出至一目標上之一沈積部位上的一流體射出器、用以對該沈積部位進行成像的一成像器，及支撐該流體射出器及該成像器使得該流體射出器及該成像器同時瞄準該目標上之該沈積部位的一封裝。
Description
本發明涉及整合式流體射出和成像的技術領域。
流體小液滴用於多種應用，諸如列印、積層製造、環境測試及生物醫學診斷。舉例而言，關於列印及積層製造，此類流體小液滴可包含墨水、黏合劑或其他類似材料。關於環境測試及生物醫學診斷，此類流體小液滴可包含反應物、染料或分析物。在許多應用中，經由使用流體射出器來自動供應流體小液滴。
所揭示的係一種整合式流體射出及成像系統，其包含：一流體射出器，其用以將一流體小液滴射出至一目標上之一沈積部位上；一成像器，其用以對該沈積部位進行成像；及一封裝，其支撐該流體射出器及該成像器，使得該流體射出器及該成像器同時瞄準該目標上之該沈積部位。
所揭示的係一種整合式流體射出及成像方法，其包含：將一流體射出器及一成像器同時瞄準一沈積部位，該流體射出器及該成像器由一封裝支撐；將一流體小液滴自該流體射出器射出至該沈積部位上；及運用該成像器對該沈積部位進行成像。
所揭示的係一種用於形成一整合式流體射出及成像系統之方法，該方法包含：形成用以射出一流體小液滴之一流體射出器；形成用以對該流體小液滴進行成像之一成像器；及將該流體射出器及該成像器整合為一封裝之部分，使得該流體射出器及該成像器同時瞄準一沈積部位。
所揭示的係將流體射出及成像能力或功能整合至單一單元或封裝中的實例系統及方法。實例系統及方法將流體射出器及成像器整合至單一封裝中，使得流體射出器及成像器同時瞄準將收納流體小液滴之目標上的沈積部位。結果，目標上之沈積部位可經成像以為小液滴提供閉環回饋位置驗證或在添加小液滴之後監視沈積部位之狀態。舉例而言，沈積部位可經成像以監視可在添加小液滴之後發生的任何反應。因為流體射出器及成像器由封裝（封裝使流體射出器及成像器兩者同時瞄準沈積部位）整合至單一封裝中，因此沈積部位之成像可在沈積部位不移動情況下及在無與獨立成像器耗時對準情況下實施。結果，沈積位置回饋控制或反應監控可在短得多的時間量中或即時實施。
在一些實施方案中，所揭示系統可在單一緻密單元或封裝中提供流體射出及成像能力。實例系統可利用平坦透鏡以將沈積部位之影像聚焦至成像陣列上。平坦透鏡具有相對較小厚度同時提供增強之聚焦能力。實例系統可部分重疊平坦透鏡與流體射出器之部分，從而相對於流體射出器及沈積部位更緊密定位成像器同時減少系統之大小。在一些實施方案中，系統可包括多個透鏡，從而增加成像之總視場及/或促進沈積部位之三維成像。在一些實施方案中，成像系統之多個透鏡可位於流體射出器之相對側上，從而進一步增加整個封裝之緊湊性。在一些實施方案中，支撐、部分環繞或攜載流體射出器及成像器兩者的封裝另外支撐、環繞及/或攜載目標照明器（諸如發光二極體），亦瞄準沈積部位以在成像期間照明沈積部位。歸因於其緊密大小，可在距將收納小液滴之目標更近的距離處支撐實例成像系統，從而增加沈積準確度。
在一些實施方案中，所揭示系統促進容易的製造。在一些實施方案中，流體射出器及成像器可利用單一電路平台、積體電路晶片或電路板，其中流體射出成像器可至少部分共面。在一些實施方案中，成像系統之透鏡由透明基板與成像陣列間隔開，其中透明基板形成流體射出器之流體射出腔室。雙重功能透明基板減少製造成本並增加整個封裝之緊湊性。
所揭示的係實例整合式流體射出及成像系統，其可包括用以將一流體小液滴射出至一目標上之一沈積部位上的一流體射出器、用以對該沈積部位進行成像的一成像器，及支撐該流體射出器及該成像器使得該流體射出器及該成像器同時瞄準該目標上之該沈積部位的一封裝。
所揭示的係實例整合式流體射出及成像方法。實例方法可包括將流體射出器及成像器同時瞄準沈積部位，流體射出器及成像器由封裝支撐；將流體小液滴自流體射出器射出至沈積部位上；及運用成像器對沈積部位進行成像。
所揭示的為用於形成整合式流體射出及成像系統的實例方法。該方法可包括形成用以射出流體小液滴之流體射出器；形成用以對流體小液滴進行成像之成像器；及將流體射出器及成像器整合為封裝之部分，使得流體射出器及成像器同時瞄準沈積部位。
所揭示的為用於形成整合式流體射出及成像系統的實例方法。該方法可包括提供包含成像陣列及流體致動器之電路平台；在電路平台上在成像陣列上方及在流體致動器上方形成透明基板；在透明基板內形成與流體致動器相對之流體射出腔室；及在透明基板上形成平坦透鏡以將光穿過透明基板聚焦至成像陣列上。
圖1為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統20之部分的方塊圖。系統20將流體射出器及成像器整合至單一封裝中，使得流體射出器及成像器同時瞄準將收納流體小液滴之目標上的沈積部位。結果，目標上之沈積部位可經成像以為小液滴提供閉環回饋位置驗證或在添加小液滴之後監視沈積部位之狀態。成像系統20包含流體射出器24、成像器28及封裝40。
流體射出器24包含用以朝向實例目標46（以虛線展示）上之沈積部位44選擇地射出流體小液滴並將其射出至該沈積部位上的裝置。在一個實施方案中，流體射出器24以電氣方式供電並經由電信號之傳輸來控制。在一個實施方案中，流體射出器24包含一流體射出腔室，其係以來自流體儲集器之流體供應，該流體待由一流體致動器射出，該流體致動器經選擇地致動以通過射出孔口或噴嘴開口排出該腔室內之流體。
在一個實施方案中，流體致動器可包含一熱電阻器，在接收電流後，該熱電阻器加熱至高於流體之長晶溫度的溫度以便汽化鄰近流體的一部分以產生一鼓泡，該鼓泡使流體通過相關聯孔口排出。在其他實施方案中，流體致動器可包含其他形式之流體致動器。在其他實施方案中，個別流體致動器可呈以下各者之形式：基於壓電膜之致動器、靜電膜致動器、機械/衝擊驅動膜致動器、磁致伸縮驅動致動器、電化學致動器，及外部雷射致動器（其運用一雷射束經由沸騰形成鼓泡）、其他此類微裝置，或其任何組合。
成像器28包含一裝置，該裝置在由流體射出器24沈積小液滴之前、在流體射出器24沈積小液滴期間及/或在流體射出器24沈積小液滴之後藉由捕獲沈積部位44之一或多個影像而使沈積部位44成像。在一實例實施方案中，成像器28可包含將光或沈積部位之影像聚焦至成像陣列上的透鏡。在一實施方案中，透鏡可包含平坦透鏡。透鏡之特定實例包括菲涅爾透鏡、波帶片透鏡及元透鏡。透鏡可包括用於計算成像之振幅遮罩。成像陣列可包含互補金氧半導體（complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS）、電荷耦合裝置（charge coupled device；CCD）感測器元件或其他類型之成像裝置或陣列。
在所說明實例中，成像器28如同流體射出器24支撐於目標46之相同側面上。結果，目標46（或任何下層支撐件支撐目標46）可係不透明的。另外，成像器28可與正被成像的表面更緊密間隔開。
封裝40將流體射出器24及成像器28整合為單一單元或封裝。在一個實施方案中，封裝40沿著流體射出器24及成像器28之背側延伸並直接連接至流體射出器24及成像器28。在一實例實施方案中，封裝40部分囊封流體射出器24及成像器28，從而在流體射出器24及成像器28之背側上延伸。在一實例實施方案中，封裝40包含液體或可模製材料，其圍繞流體射出器24及成像器28之部分模製且接著諸如經由固化或蒸發而凝固或硬化以形成單一整合式封裝。
如進一步由圖1所展示，封裝40支撐流體射出器24及成像器28，使得流體射出器24及成像器28兩者同時瞄準實例目標46之沈積部位44。出於本揭示內容之目的，流體射出器及成像器朝向沈積部位之同時「瞄準」意謂流體射出器之個別噴嘴開口大體與沈積部位相對延伸，使得由流體射出器射出的小液滴將在大體上垂直於目標之方向上行進以便落在沈積部位上且成像器之視場同時涵蓋沈積部位並在目標、流體射出器及/或成像器相對於彼此不移動的情況下聚焦於沈積部位上。在一些實施方案中，成像器之視場涵蓋目標之不到整個部分。在一實例實施方案中，視場在每一維度上延伸最小50微米至多5 mm。在一些實施方案中，視場被更多聚焦，不小於100微米且不大於500微米。
因為封裝40支撐流體射出器24及成像器28使得流體射出器24及成像器28同時瞄準沈積部位44，因此沈積部位44之成像可在沈積部位44不移動情況下及在無與獨立成像器耗時對準情況下實施。結果，沈積位置回饋控制或反應監控可在短得多的時間量中或即時實施。
圖2為實例整合式流體射出及成像方法100的流程圖。方法100促進沈積部位在時間上更靠近所射出小液滴落在或沈積在沈積部位上所在的時間成像。儘管在由系統20實施之上下文中描述方法100，但應瞭解方法100可同樣運用下文描述之系統中之任一者或運用其他類似系統而實施。
如由區塊104指示，使流體射出器24及成像器28同時瞄準沈積部位44，其中流體射出器及成像器由封裝40支撐。如由區塊108指示，將流體小液滴自流體射出器射出至沈積部位上。如由區塊112指示，由成像器28對沈積部位進行成像。
因為流體射出器及成像器同時瞄準沈積部位，因此沈積部位可在小液滴落至沈積部位上後即刻成像。換言之，沈積部位之此類成像可在沈積部位不移動或不與單獨或獨立成像器對準情況下發生。在一些實施方案中，沈積部位可在小液滴落至沈積部位上之前或期間成像。方法100促進在短得多的時間量中或即時實施的沈積位置回饋控制或反應監控。
圖3為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統220之部分的剖視圖。圖3說明流體射出器及成像器以及由封裝而整合為單一封裝之部分的目標照明器之特定實例。圖3進一步說明成像器可經如何支撐以便部分重疊流體射出器使得系統220更緊湊。系統220包含流體射出器224、成像器228、目標照明器232、封裝240及目標支撐件（target support：TS）242。
流體射出器224包含用以選擇地朝向實例目標246上之沈積部位244射出一流體小液滴225或多個流體液滴225及將其射出至該沈積部位244上的裝置。在一個實施方案中，流體射出器224以電氣方式供電並經由電信號之傳輸來控制。在實例實施方案中，流體射出器224包含電路平台250、腔室層252、射出孔口254及流體致動器256。
電路平台250包含併入導電導線、跡線或其類似者及電子組件（諸如電晶體、二極體及各種邏輯元件）的結構。在一個實施方案中，電路平台250包含有時被稱作薄膜結構的結構。舉例而言，電路平台250可包含一矽基板，該矽基板經摻雜以形成導電電晶體，且在該矽基板上材料層經光微影圖案化以形成用於對流體致動器256供電並選擇地致動流體致動器256的導電跡線。在一個實施方案中，電路平台250可包含支撐電子部件之電路板。
腔室層250包含經支撐及形成於電路平台250上之一或多個材料層。腔室層250界定一內部腔室260，其流體連接至通過射出孔口254射出的流體之源。在一個實施方案中，腔室層250可由光阻環氧樹脂形成。在一個實施方案中，腔室層250可由一雙酚A酚醛環氧樹脂及至多10 wt%的混合三芳基鋶/六氟銻酸鹽（作為光酸產生劑）形成，該雙酚A酚醛環氧樹脂溶解於有機溶劑（γ丁內酯GBL或環戊酮，取決於調配物）中。在其他實施方案中，腔室層250可由諸如玻璃、陶瓷、聚合物或其類似者的其他材料形成。
射出孔口254包含諸如噴嘴開口之開口，腔室260內的流體通過該開口排出及射出。在一個實施方案中，射出孔口254係由延伸穿過經緊固至腔室層250之孔口板的開口形成。在另一實施方案中，射出孔口254形成於材料形成腔室層250中。
流體致動器256包含一裝置，該裝置在被致動後通過射出孔口或噴嘴254排出腔室層26之流體射出腔室內的流體。在一個實施方案中，流體致動器256包含一熱電阻器，在接收電流後，該熱電阻器加熱至高於流體之長晶溫度的溫度以便汽化鄰近流體的一部分以產生一鼓泡，該鼓泡使流體通過相關聯孔口排出。在其他實施方案中，流體致動器256可包含其他形式之流體致動器。在其他實施方案中，流體致動器256可呈以下各者之形式：基於壓電膜之致動器、靜電膜致動器、機械/衝擊驅動膜致動器、磁致伸縮驅動致動器、電化學致動器，及外部雷射致動器（其運用一雷射束經由沸騰形成鼓泡）、其他此類微裝置，或其任何組合。
儘管流體射出器224經說明為具有單一腔室260、單一流體射出孔口254及相關聯單一流體致動器256，但在其他實施方案中，流體射出器224可包含腔室260、孔口254及流體致動器256之陣列。舉例而言，流體射出器224可包含此類孔口254及流體致動器256之行。在一個實施方案中，流體射出器224可包含由形成封裝40之環氧樹脂模製化合物部分地囊封或環繞的一狹條（具有10:1或更大的長寬比）。
成像器228包含由封裝240攜載之一裝置，該裝置在由流體射出器224沈積小液滴之前、在由流體射出器224沈積小液滴期間及/或在由流體射出器224沈積小液滴之後藉由捕獲沈積部位244之一或多個影像而使沈積部位244成像。在所說明實例中，成像器228如同流體射出器224支撐於目標246之相同側面上。結果，目標246（或任何下層支撐件支撐目標246）可係不透明的。另外，成像器228可與正被成像的表面更緊密間隔開。成像器28包含聚焦器260及成像陣列262。
聚焦器260包含將自目標246之沈積部位244反射的光聚焦至成像陣列262上的透鏡。在所說明實例中，聚焦器260包含透明基板264及透鏡266。透明基板264包含包夾在透鏡266與成像陣列262之間的一或多個層。透明基板264將透鏡266與成像陣列262隔開以增強來自沈積部位244之光至成像陣列262上的聚焦。在一個實施方案中，透明基板264具有20微米或更大之厚度。在一些實施方案中，透明基板具有不大於2 mm之厚度。為了光學效能，透明基板264可具有100至500微米之厚度。在一個實施方案中，透明基板264可由諸如SU8、石英或其他透明聚合物、抗蝕劑、PMMA、玻璃形式的透明材料形成。在其他實施方案中，透明基板264可由其他透明材料形成或可具有其他厚度。在一些實施方案中，透明基板264可被省略以增強噴嘴及光學表面維護。
透鏡266將來自沈積部位244穿過透明基板264之光聚焦並聚焦至成像陣列262上。在一實施方案中，透鏡266可包含平坦透鏡。在實施方案中，透鏡266包含具有1 μm或小於1 μm之厚度，從而在其平坦形式情況下促進小於2 mm之短工作距離而無對準困難。透鏡266之特定實例包括菲涅爾透鏡、波帶片透鏡及元透鏡。透鏡可包括用於計算成像之振幅遮罩。
圖4A、圖4B及圖4C說明透鏡366，透鏡266之實例。透鏡366包含呈元透鏡形式之平坦透鏡。在一實例實施方案中，透鏡366具有大致每隔50至300 nm在x、y中以繞射有限效能的一相解析度
或更小之解析度取樣的相位分佈。結果，聚焦效率可高達80%至90%，但可涉及具有在50至100 nm範圍內的大小之特徵之製造。在所說明實例中，相位取樣經提供有具有所說明分佈的不同直徑之導柱368（在圖4C中展示），亦稱作諧振器。在所說明實例中，導柱368之分佈具有除區域邊界以外具有x、y之連續平滑函數的相位剖面，其中相位係以2
摺疊以促進製造的簡易性。在一個實施方案中，導柱包含具有六邊形組態（五個導柱等間隔圍繞一中心柱）的圓柱形奈米諧振器，該些個別導柱具有400 nm之高度、325 nm之中到中間距且該些外部導柱368具有60°之角度偏移。在一個實施方案中，導柱可由諸如TiO2
之透明材料形成。在其他實施方案中，在圖4C中展示之導柱可由諸如非晶矽或透明聚合物之其他材料形成。元透鏡提供高折射率（取決於波長之大於n=1.5至n=3及以上的任何值）、在工作波長範圍下的低吸收性（比70%更好的透射率，包括吸收及散射損耗），及低粗糙度（至少
及在一些實施方案中，
或至
，其中
為波長）。在一些實施方案中，元透鏡可由金屬性奈米結構製成，金屬性奈米結構具有顯著更多損耗，但可能更易於製造。元透鏡（金屬及介電質兩者）亦可由除導柱以外之奈米結構製成。此類導柱可為任何形狀，諸如正方形導柱、多面體、v形多面體及其他拓樸變形、耦接之諧振器等。
圖5A及圖5B說明透鏡466，透鏡266之另一實例。透鏡466包含呈波帶片形式之平坦透鏡。透鏡466係以幾個離散層級相位取樣。在一個實施方案中，透鏡466之波帶片係以兩個層級
或高達
遞增取樣。結果，製造歸因於較大最小特徵大小而較容易。與元透鏡相反，透鏡效率可低於40%透射效率。然而，波帶片可運用電子射束微影由諸如聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane；PDMS）（有時亦被稱作二甲基聚矽氧烷或二甲聚矽氧烷）之低吸收性材料製造。
如由圖3進一步展示，聚焦器260重疊流體射出器224之部分。透明基板264及透鏡266兩者之部分重疊流體射出器224之部分。透明基板264之部分包夾在透鏡266與流體射出器224之間。結果，可更接近射出孔口254及沈積部位244支撐透鏡230以用於沈積部位244的增強成像。在其他實施方案中，可省略此重疊。
成像陣列228係由封裝240支撐。成像陣列228包含由電子平台265支撐的個別光學或光感測元件263之陣列。個別光學光感測元件263接收由透鏡266穿過基板264聚焦的光並基於所接收到之光輸出電信號。成像陣列228可包含互補金氧半導體（CMOS）、電荷耦合裝置（CCD）感測器陣列或其他類型之成像元件。電子平台265支撐導電跡線、電晶體及用於對光感測元件263進行供電及操作的其他電子部件。在一個實施方案中，元件263及電子平台265可包含薄膜、電路板、晶粒或其他單式結構。
照明器232包含運用可自沈積部位244反射並可由聚焦器260接收的光來照明目標246之部分的電子組件。在一實例實施方案中，照明器232可包含發光二極體。在一實例實施方案中，照明器232可包含用於單色成像以減小光學系統之色像差離軸的效應之雷射二極體。在其他實施方案中，目標照明器232可包含其他發光裝置。在所說明實例中，目標照明器232係由封裝240支撐。在所說明實例中，目標照明器232係由封裝240囊封。在其他實施方案中，目標照明器232可為安裝於系統220之整個封裝上（諸如晶粒形成系統220上）的表面。在其他實施方案中，目標照明器232可與封裝240及晶粒形成系統220分隔開及不同。在一些實施方案中，諸如在環境光足夠的情況下，可省略目標照明器232。
封裝240將流體射出器224及成像器228整合為單一單元或封裝。在所說明實例中，封裝240支撐成像陣列228以便沿著流體射出器224的邊與流體射出器224共面。在所說明實例中，封裝240沿著背側延伸並直接連接至流體射出器224及成像器228。在所說明實例中，封裝240部分囊封流體射出器224及成像器228，從而在流體射出器224及成像器228之背側及圍繞流體射出器224及/或成像器228之側面延伸。
在所說明實例中，封裝240另外囊封目標照明器232，其中目標照明器232如同成像器228支撐於流體射出器224之相對側。在所說明實例中，目標照明器232、流體射出器224及成像器228全部同時瞄準沈積部位244，使得流體小液滴可經射出至沈積部位244上，可由目標照明器232照明且可由成像器228成像而無目標246或成像系統220的相對移動。在一實例實施方案中，封裝240包含液體或可模製材料，其圍繞流體射出器224及成像器228之部分模製且接著諸如經由固化或蒸發而凝固或硬化以形成單一整合式封裝。
如進一步由圖3所展示，封裝240支撐流體射出器224及成像器228，使得流體射出器224及成像器228兩者同時瞄準實例目標246之沈積部位244。在一些實施方案中，成像器之視場涵蓋目標之不到整個部分。在一實例實施方案中，視場在每一維度上延伸最小50微米至多5 mm。在一些實施方案中，視場被更多聚焦，不小於100微米且不大於500微米。
目標支撐件242支撐大體與流體射出器224及成像器228相對的目標246及沈積部位244。在一個實施方案中，目標支撐件242可包含用於選擇地定位與流體射出器224及成像器228相對之不同沈積部位的X-Y可移動平台。在一個實施方案中，目標支撐件242支撐目標246，使得沈積部位244與流體射出孔口254間隔不大於10 mm。儘管目標支撐件242可用於選擇地定位不同沈積部位以用於接收來自流體射出器224之小液滴225及用於同時由成像器228成像，但因為封裝240支撐流體射出器224及成像器228，使得流體射出器224及成像器228同時瞄準沈積部位244，所以在沈積部位244不移動情況下及無與獨立成像器之耗時對準情況下可實施沈積部位244之成像。結果，沈積位置回饋控制或反應監控可在短得多的時間量中或即時實施。
在一些實施方案中，可省略目標支撐件242。舉例而言，在一些實施方案中，目標246可包含能夠自主移動之活有機體或手動可移動目標。在此類情形中，當目標246相對於流體射出器228移動時，成像器228可用以捕獲目標246之影像。在此應用中，由成像器228捕獲的影像可用以精確對準目標246上之特定沈積部位與流體射出器224，以便促進一小液滴至250個小液滴225至目標246上的沈積之精確位置準確度。因為成像器228及流體射出器224同時瞄準相同點或位置，因此流體射出器224可經致動以回應於成像器228捕獲指示目標246在適當位置處的影像而即刻、即時射出小液滴225，使得目標沈積部位244將收納由流體射出器224射出之任何小液滴225。
在一些實施方案中，即刻或即時成像目標246以及成像器228及流體射出器224同時瞄準相同點可促進在目標246之連續不間斷移動期間對所射出流體小液滴之降落部位的精確位置控制。舉例而言，在一些實施方案中，由成像器228捕獲的多個影像可經傳輸至控制器270（包含來自處理器及電腦可讀媒體，諸如在圖8中示意性地展示）並由該控制器使用以控制射出小液滴225所藉以的時間。在一實例實施方案中，控制器可使用來自成像器228之影像以識別射出孔口254何時精確定位於目標沈積部位244上方（在目標246移動期間）並在此時即刻致動流體射出器224。在另一實例實施方案中，控制器可使用來自成像器228之影像以判定目標246之當前速度及移動方向。使用目標246之經判定速度及方向、孔口254與目標246之表面之間的間距以及所射出小液滴之速度，控制器270可搶先（在目標沈積部位實際上與射出孔口254相對之前）輸出信號，從而致動流體射出器224，使得小液滴225將在經判定時間點處射出使得小液滴225將在目標246之移動期間落在目標沈積部位上。此可在其中目標246為經歷移動或搖晃之活有機體或其中目標246經手動定位且可經受搖晃她的移動的情形中尤其有益。
在一實例實施方案中，系統220具有以下幾何特性。射出孔口與成像器228之邊緣之間的間距d係在50微米與5 mm之間，且標稱地0.5 mm。列印距離H係在100微米與5 mm之間，且標稱地2 mm。由成像陣列262提供的放大率M係在0.05×與20×之間，且標稱地0.3×。成像器228之視場F係在50微米與5 mm之間，且標稱地0.4 mm。透明基板264具有MH/（1+M）之厚度h1、在20微米與3 mm之間的厚度，及標稱地0.4 mm。透鏡266與目標246之間的工作距離h2為H-h1、在100微米與5 mm之間，及標稱地1.54 mm。孔口至基板邊緣距離D（經流體約束）係在50微米與3 mm之間，且標稱地0.2 mm。在其他實施方案中，系統220可具有可視流體射出器224、目標246、成像陣列262及透鏡266之特性而變化的其他幾何特性。
圖6為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統520之部分的剖視圖。圖6說明多個透鏡266-1、266-2（統稱為透鏡266）（諸如多個平坦透鏡）在基板264上的供應。對應於系統220之組件的系統520之剩餘組件經類似地編號及/或展示於圖3中。舉例而言，儘管未特定展示，但系統520可另外包括如上文所描述之目標照明器232。透鏡266在流體射出器224之一側延伸。透鏡266中之每一者同時聚焦於沈積部位244。歸因於不同定位，透鏡266具有不同焦平面。
圖7為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統620之部分的剖視圖。圖7說明多個透鏡666-1、666-2（統稱為透鏡666）（諸如多個平坦透鏡）在基板264上的供應。對應於系統220之組件的系統620之剩餘組件經類似地編號及/或展示於圖3中。舉例而言，系統620可另外包括如上文所描述之目標照明器232。透鏡666在流體射出器224之一側延伸。相較於系統220，透鏡666提供具有放大總視場之系統620。
圖8為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統720之部分的剖視圖。圖8說明多個成像器728-1、728-2（統稱為成像器728）在流體射出器224之相對側的供應。對應於系統220之組件的系統720之剩餘組件經類似地編號及/或展示於圖3中。舉例而言，系統720可另外包括如上文所描述之目標照明器232。
成像器728各自類似於在圖7中展示的成像器。成像器728中之每一者包括由透明基板264支撐的多個透鏡666-1、661-2。除了將較大視場及具有不同焦平面之成像提供給系統720之外，因為成像器728位於流體射出器224之相對側上，因此成像器728可捕獲或收集沈積部位244之兩個不同視角。在一些實施方案中，以不同視角捕獲的不同影像可由控制器770使用以組合影像以提供立體視覺及/或提供在沈積部位244處之一或多個流體小液滴的三維成像或其他資訊。在所說明實例中，控制器770包含一處理器772，其遵循含於電腦可讀媒體774中之指令以組合自不同視角由不同成像器728取得的所捕獲影像以輸出關於小液滴或沈積部位244處之任何變化的立體視覺或三維資訊。在一些實施方案中，控制器770亦可類似於上文所描述的控制器270起作用，從而當目標246可移動時控制流體射出之時序。
圖9為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統820之部分的剖視圖。圖9說明多個成像器228-1、228-2（統稱為成像器228）相對於流體射出器224及在流體射出器224之相對側的堆疊。對應於系統220之組件的系統820之剩餘組件經類似地編號及/或展示於圖3中。舉例而言，系統820可另外包括如上文所描述之目標照明器232。
除成像器228-1及228-2各自經堆疊以便重疊流體射出器224以外，成像器228中之每一者類似於上文關於系統220所描述的成像器228。聚焦器260及成像陣列262兩者重疊流體射出器224之部分。基板264及成像陣列262之部分包夾在透鏡266與流體射出器224的腔室層252之部分之間。在所說明實例中，流體射出器224沿著在成像器228-1與228-2之間延伸的射出軌跡或路徑射出小液滴225。因為成像器228重疊流體射出器224之部分，因此系統820之封裝的總大小縮減。另外，離軸角度A經縮減以改良圖像品質及像差控制同時避免干擾流體軌跡。
如上文關於系統720所描述，在一實例實施方案中，成像器228之兩者可聚焦於相同沈積部位244。結果，沈積部位244亦可由成像器228自多個視角捕獲或觀測。以不同視角取得的多個不同捕獲影像可由控制器770組合以輸出關於小液滴或沈積部位244處任何變化的立體視覺或三維資訊。
圖10為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統920之部分的剖視圖。圖10說明如在流體射出器與成像器之間的一另外整合度。類似地編號對應於系統220之部分的系統920之彼等部分。
如由圖10所展示，支撐流體致動器256及其相關聯電子組件（導電跡線及電晶體）的相同電路平台亦支撐並攜載成像陣列及其相關聯電子組件。支撐透鏡266及由透鏡266將光聚焦至成像陣列上所穿過的相同透明基板亦形成用於流體射出器之腔室層。結果，系統920更緊湊且可能製造不大複雜或代價不大高。系統920包含電路平台950、流體致動器256、透明基板964、透鏡266及成像陣列262。在所說明實例中，電路平台950之部分及透明基板964之部分以及流體致動器256形成流體射出器。電路平台950之部分及透明基板964之部分進一步形成成像器之部分。
電路平台950包括導電跡線、電晶體及其他電子部件以用於對流體致動器256（上文所描述）及光學或光感測元件263（上文所描述）兩者進行供電及控制。電路平台950可另外包含用於傳輸電信號之導電跡線。電路平台950可呈薄膜、電路板或單一電子晶粒之形式。
除透明基板964進一步在流體致動器256下方及跨越流體致動器256延伸同時充當亦提供流體射出腔室260（上文所描述）之腔室層以外，透明基板964類似於上文所描述的透明基板264。在一個實施方案中，透明基板964由SU8形成。在其他實施方案中，透明基板964可由其他材料（諸如石英、玻璃、聚合物及其類似者）形成。在一實例實施方案中，透明基板964另外形成射出孔口254（上文所描述）。在另一實例實施方案中，單獨孔口板安裝在基板964之部分上方以形成射出孔口254。如同透明基板264，透明基板964支撐透鏡266，其中透鏡266將光聚焦穿過透明基板964並聚焦至感測元件263之陣列上。
圖11為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統1020之部分的剖視圖。除系統1020整合兩個成像器與每一流體射出器並包含呈孔板形式之目標1046以外，系統1020類似於上文所描述的系統920。類似地編號對應於系統920之組件的系統1020之剩餘組件。
系統1020分別地包含電路平台1050及透明基板1064而不是電路平台950及透明基板964。系統1020包含成像元件之兩個陣列263-1及263-2（而不是成像元件263）。系統1020包含兩個透鏡266-1及266-2（統稱為透鏡266）而不是透鏡266。除系統1020之電路平台1050在流體致動器256之相對側支撐成像陣列263-1及263-2（統稱為陣列263）以外，電路平台1050類似於電路平台950。電路平台1050包括用於在控制器770（上文所描述的）與陣列263之間傳輸信號的導電導線或跡線。電路平台1050進一步包含用於對陣列263供電並致動陣列263的電晶體及其他電子部件。
除透明基板1064在射出孔口254之相對側支撐透鏡266以外，透明基板1064類似於透明基板964。透鏡26各自類似於上文所描述的透鏡266。透鏡266-1及266-2將來自目標1046之光聚焦至其各別成像陣列263-1及263-2上。在一實例實施方案中，透鏡266各自聚焦於相同沈積部位以提供沈積部位之不同視角，從而促進沈積部位之立體或三維影像的結構。在另一實例實施方案中，透鏡266聚焦於目標1046之不同部分，從而提供較寬視場，在一些實施方案中，促進孔板之多個孔的成像。
在所說明實例中，系統1020另外包含兩個目標照明器232。在所說明實例中，目標照明器232中之一者由封裝240支撐而目標照明器232中之其他者獨立於封裝240而被支撐。兩個目標照明器232提供目標1046之照明以用於由兩對透鏡266及成像陣列263形成的兩個不同成像器中之每一者。儘管剖視圖將成像陣列263及透鏡266說明為在孔口254之相對側延伸，但應瞭解在一些實施方案中，成像陣列263及透鏡266可呈以下形式：（a）單一成像陣列及單一連續透鏡；或（B）多個成像陣列及/或多個透鏡，其共同地環繞或圍繞射出孔口254，從而提供較大視場或為沈積部位之立體或3D影像的結構提供額外視角。
在所說明實例中，電路平台及透明基板兩者由成像器及流體射出器兩者共用。在其他實施方案中，成像器及流體射出器可共用電路平台，其中成像器具有專用透明基板964、1064而流體射出器具有專用腔室層252。在其他實施方案中，成像器及流體射出器可具有相異專用電路平台250及265，其中由成像器使用的透明基板964、1060亦形成流體射出腔室260。
目標1046呈包含多個個別孔1080-1、1080-2、1080-3、1080-4等（統稱為孔1080）的孔板形式。孔1080中之每一者包含收納溶液或材料以及收納通過孔口254射出之小液滴225的體積。孔1080中之每一者可包括對齊標記1082（示意性地展示）而不是透明塗飾（transparent finishing）。此類對齊標記1082可促進由系統1020之成像器識別個別孔。在一些實施方案中，對齊標記1082可包含經壓印、壓紋、雷射雕刻或劃線成孔1082的富裕線（well-off line）或基準標記（十字形、柱及其類似者）。孔1082中之每一者可另外或替代地包括著陸襯墊1084（示意性地展示）以用於相對於孔1080及/或射出孔口254對齊。
在一實例實施方案中，孔1080中之每一者包含具有按照小於1 mm2
之等級的橫截面面積的微反應微型孔。因為射出孔口254及由透鏡266-1、266-2形成的成像器中之一者或兩者瞄準或聚焦於相同位置或點，從而提供射出孔口254與同時成像沈積部位（孔之內部）的內建式對準，因此個別孔1080可經精確定位用於一流體小液滴或多個小液滴之成像及接收兩者。結果，孔1080可具有較小橫截面且陣列可具有較大孔密度。小液滴之置放的即時監控或孔1080之定位的即時監控經促進以促進較快樣本處理及分析。
圖12為沿著圖11之線12-12截取的系統1020之一個實施方案的一部分之仰視圖。圖12說明系統1020之流體射出器及成像器可經如何配置或佈置於單一整合式封裝（諸如單一積體晶粒）上的一個實例。在所說明的實例中，由流體射出孔口254、流體致動器256及射出腔室260形成的流體射出器1024-1、1024-2及1024-3（統稱為射出器1024）沿著封裝240按列或行配置。在所說明實例中，流體射出器1024中之每一者具有透鏡266之其自身相對專用對。在所說明實例中，成像元件263經形成為沿著流體射出器1024之列或行延伸的元件之單一連續帶或條帶。元件263之連續帶或條帶之相異部分可與相異流體射出器1024相關聯。在所說明實例中，目標照明器232亦經提供為光發射器（諸如發光二極體）之單一連續列或行。在其他實施方案中，流體射出器1024中之每一者可具有成像陣列元件263及/或目標照明器232之相關聯對。
圖13為沿著圖11之線12-12截取的系統1020之一個實施方案的一部分之仰視圖。圖13說明系統1020之流體射出器及成像器可經如何配置或佈置於單一整合式封裝（諸如單一積體晶粒）上的一個實例。如同圖12中所說明的實例，在圖13中之實例中，由流體射出孔口254、流體致動器256及射出腔室260形成的流體射出器1024沿著封裝240按列或行配置。在所說明實例中，流體射出器1024中之每一者具有透鏡266之其自身專用對。然而，在圖13之實例中，流體射出器1024中之每一者具有環繞或圍繞射出孔口254的一透鏡或透鏡266之群組。同樣，流體射出器1024中之每一者具有共同地環繞或圍繞射出孔口254的成像陣列元件263，從而提供較大視場或提供額外視角用於沈積部位的立體或3D影像之結構。儘管元件263及透鏡266經說明為持續圍繞其各別流體射出孔口254，但在一些實施方案中，元件263及/或透鏡266可經配置成元件之個別相異分組或叢集或環繞及圍繞其各別流體射出孔口254間隔的透鏡之相異分組或叢集。
如上文所提及，上述整合式流體射出及成像系統可促進不大複雜且較低成本製造。圖14為用於形成此整合式流體射出及成像系統的實例方法1300之流程圖。方法1300可用以形成上述系統中之任一者的部分。
如由區塊1304所指示，形成流體射出器以射出流體小液滴。如由區塊1308指示，形成成像器以諸如在流體小液滴已落至目標沈積部位上之後對流體小液滴進行成像。如由區塊1312指示，將流體射出器及成像器整合為封裝之部分，諸如上文所描述的封裝40，使得流體射出器及成像器同時瞄準沈積部位。如上所說明，流體射出器及成像器由封裝40或240的整合可藉由由液體或可模製材料囊封或部分囊封所形成成像器及流體射出器來達成，該液體或可模製材料當經乾燥及/或固化時硬化或固化以支撐及攜載作為單一單元或封裝之部分的流體射出器及成像器。因為流體射出器及成像器經支撐以便同時瞄準相同位置、點或沈積部位，因此沈積部位之成像可在沈積部位不移動情況下及在無與獨立成像器耗時對準情況下實施。結果，沈積位置回饋控制或反應監控可在短得多的時間量中或即時實施。
在一些實施方案中，由成像器捕獲的影像可用以精確對準目標上之特定沈積部位與流體射出器，以便促進一或多個小液滴至目標上的沈積之精確位置準確度。因為成像器及流體射出器同時瞄準相同點或位置，因此流體射出器可經致動以回應於成像器捕獲指示目標在適當位置處的影像而即刻、即時射出小液滴，使得目標沈積部位將收納由流體射出器射出之任何小液滴。
圖15為可用以形成實例整合式流體射出及成像系統（諸如系統920或系統1020）的實例方法1400之流程圖，其中系統之部分由成像器及流體射出器兩者功能性共用。如由區塊1404指示，提供電路平台，其中電路平台包含成像元件及流體致動器之陣列。如由區塊1408指示，在電路上在成像陣列上方及在流體致動器上方形成透明基板。如由區塊1412指示，在透明基板內形成與流體致動器相對之流體射出腔室。如由區塊1416指示，在透明基板上形成平坦透鏡以穿過透明基板聚焦至成像陣列上。
上文所描述之整合式流體射出及成像系統中之每一者促進關於流體小液滴之置放的即時監控以允許在任意判定目標上精確分配。此類即時監控可在運用對於其他染色之即時回饋精確染色小組織區時係有益的。此類系統可促進具有大量染色之組織的詢問且因此自少量組織獲得大量資訊。
上文所描述之整合式流體射出及成像系統中之每一者可用於各種應用，諸如在貴重樣本（諸如病理學載片、來自組織銀行之樣本、癌症及其他活檢體）中之A/B測試以及病理學載片、組織銀行之樣本、癌症及其他活檢體中之就地多工染色藥物遞送及轉染。上文所描述之整合式流體射出成像系統可進一步用於藉由監視細胞骨架對小液滴衝擊之結構回應識別培養皿中之緩慢生長細菌群落的抗微生物學敏感性測試及附著單細胞之機械探測。整合式流體射出影像亦可用以實施科學研究及關於金屬或奈米材料之材料科學，實施關於非平基板（諸如病患皮膚）之成像及研究，實施軟結構（諸如3D列印組織）之精確裝配及微觀「移動」代理（諸如昆蟲或微型機器人）的標記。
在一個實施方案中，多個染色劑由流體射出器射出至附近區上，從而運用大量染色劑探測少量組織。在一些實施方案中，表面增強拉曼散射（surface enhanced Raman scattering；SERS）感測器可使用具有具有20 μm或小於20 μm之直徑的流體射出孔口254的封裝實施直徑小至50 μm的染色區之化學濃度的定量分析。此類系統可監視組織對染色的回應及此後基於來自先前區之資訊染色後續區。基於來自先前區之資訊染色新區的能力可顯著減少組織的使用，此對於壓力樣本（諸如生物銀行組織及罕見疾病組織）可係尤其有利的。
儘管已參考實例實施方案描述了本揭示內容，但熟習此項技術者將認識到，可在不脫離本揭示內容之情況下在形式及細節上作出改變。舉例而言，儘管不同實例實施方案可能已描述為包括提供各種益處之特徵，但預期所描述特徵在所描述實例實施方案中或在其他替代實施方案中可彼此互換或替代地彼此組合。因為本揭示內容之技術相對複雜，所以不可預見所有的技術變化。參考實例實施方案所描述且在以下申請專利範圍中所闡述之本揭示內容顯然意欲儘可能地寬泛。舉例而言，除非另外特別陳述，否則列舉單一特定元件之請求項亦涵蓋複數個此等特定元件。技術方案中之術語「第一」、「第二」、「第三」等僅區分不同元件，且除非另行說明，該些術語並不特定地與本揭示內容中之元件的特定次序或特定編號相關聯。
20,220,520,620,720,820,920,1020:整合式流體射出及成像系統
24,224,1024-1,1024-2,1024-3:流體射出器
28,228,728-1,728-2:成像器
40,240:封裝
44,244:沈積部位
46,246,1046:目標
100:實例整合式流體射出及成像方法
104,108,112,1304,1308,1312,1404,1408,1412,1416:區塊
225:流體小液滴/流體液滴
232:目標照明器
242:目標支撐件（TS）
250,950,1050:電路平台
252:腔室層
254:射出孔口
256:流體致動器
260:內部腔室
262:成像陣列
263,263-1,263-2:光感測元件/成像陣列
264,964,1064:透明基板
265:電子平台
266,266-1,266-2,366,466,666-1,666-2:透鏡
368:導柱
770:控制器
772:處理器
774:電腦可讀媒體
1080-1,1080-2,1080-3,1080-4:孔
1082:對齊標記/孔
1084:著陸襯墊
1300,1400:用於形成此整合式流體射出及成像系統的實例方法
12-12:線
d:間距
H:列印距離
h1:厚度
h2:工作距離
D:孔口至基板邊緣距離
A:離軸角度
TS:目標支撐件
[圖1]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的方塊圖。
[圖2]為實例整合式流體射出及成像方法的流程圖。
[圖3]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖4A]為用於圖3之系統的實例平坦透鏡之俯視圖。
[圖4B]為圖4A之平坦透鏡的一部分之放大視圖。
[圖4C]為圖4B之平坦透鏡的一部分之一另外放大視圖。
[圖5A]為用於圖3之系統的實例平坦透鏡之俯視圖。
[圖5B]為圖5A之平坦透鏡之一部分的放大視圖。
[圖6]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖7]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖8]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖9]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖10]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖11]為示意性地說明實例整合式流體射出及成像系統之部分的剖視圖。
[圖12]為沿著圖11之線12-12截取並說明流體射出器及成像器在封裝上的佈局之一個實例的仰視圖。
[圖13]為沿著圖11之線12-12截取並說明流體射出器及成像器在封裝上的佈局之一個實例的仰視圖。
[圖14]為用於形成整合式流體射出及成像系統的實例方法之流程圖。
[圖15]為用於形成整合式流體射出及成像系統的實例方法之流程圖。
在整個圖式中，類似的元件符號表示類似但未必相同之元件。圖式未必按比例，且一些部分之大小可加以誇示以更清楚地說明所展示之實例。此外，該些圖式提供符合描述之實例及/或實施；然而，描述不限於該些圖式中所提供之實例及/或實施方案。
20:整合式流體射出及成像系統
24:流體射出器
28:成像器
40:封裝
44:沈積部位
46:目標
Claims (15)
- 一種整合式流體射出及成像系統，其包含： 一流體射出器，其用以將一流體小液滴射出至一目標上之一沈積部位上； 一成像器，其用以對該沈積部位進行成像；及 一封裝，其支撐該流體射出器及該成像器，使得該流體射出器及該成像器同時瞄準該目標上之該沈積部位。
- 如請求項1之系統，其中該成像器包含： 一成像陣列；及 一聚焦器，其用以將該沈積部位聚焦至該成像陣列上。
- 如請求項2之系統，其中該聚焦器包含： 一平坦透鏡；及 一透明基板，其被包夾在該平坦透鏡與該成像陣列之間。
- 如請求項3之系統，該流體射出器包含： 一電路平台，其包含一流體致動器；及 一流體射出腔室，該流體射出腔室形成於該透明基板內。
- 如請求項4之系統，其中該流體射出器進一步包含一流體射出孔口，且其中該成像陣列及該平坦透鏡係在該流體射出孔口之一第一側，該系統進一步包含： 一第二影像陣列，其由該封裝支撐；及 一第二平坦透鏡，其由該封裝支撐，其中該透明基板被包夾在該第二平坦透鏡與該第二影像陣列之間，且其中該第二影像陣列及該第二平坦透鏡在該流體射出孔口之一第二側。
- 如請求項5之系統，其進一步包含用以組合由該成像陣列輸出之第一影像與由該第二成像陣列輸出之第二影像的一控制器。
- 如請求項4之系統，其中該電路平台包含該成像陣列。
- 如請求項3之系統，其中該流體射出器包含一流體射出孔口，且其中該成像陣列及該平坦透鏡係在該流體射出孔口之一第一側，該系統進一步包含： 一第二影像陣列，其由該封裝支撐；及 一第二平坦透鏡，其由該封裝支撐，其中該透明基板被包夾在該第二平坦透鏡與該第二影像陣列之間，且其中該第二影像陣列及該第二平坦透鏡係在該流體射出孔口之一第二側。
- 如請求項8之系統，其中該流體射出器包含： 一電路平台，其包含一流體致動器；及 一腔室層，其鄰近該流體致動器形成一流體射出腔室；及 一流體射出孔口，其自該流體射出腔室延伸以在該成像陣列與該第二成像陣列之間、穿過該透明基板及在該第二平坦透鏡中之該平坦透鏡之間朝向該目標導引該流體小液滴。
- 如請求項3之系統，其中該流體射出器包含： 一電路平台，其包含一流體致動器；及 一腔室層，其鄰近該流體致動器形成一流體射出腔室；及 一流體射出孔口，其自該流體射出腔室延伸以經過該成像陣列、經過該透明基板及經過該平坦透鏡朝向該目標導引該流體小液滴。
- 如請求項1之系統，其進一步包含由該封裝攜載之一目標照明器。
- 如請求項1之系統，其中該流體射出器包含一流體射出孔口，該系統進一步包含用以支撐該目標之一目標支撐件，其中該目標支撐件與該流體射出孔口間隔開不大於10 mm。
- 一種整合式流體射出及成像方法，其包含： 將一流體射出器及一成像器同時瞄準一沈積部位，該流體射出器及該成像器由一封裝支撐； 將一流體小液滴自該流體射出器射出至該沈積部位上；及 運用該成像器對該沈積部位進行成像。
- 一種用於形成一整合式流體射出及成像系統之方法，該方法包含： 形成用以射出一流體小液滴之一流體射出器； 形成用以對該流體小液滴進行成像之一成像器；及 將該流體射出器及該成像器整合為一封裝之部分，使得該流體射出器及該成像器同時瞄準一沈積部位。
- 如請求項14之方法，其中該流體射出器之形成、該成像器之形成及該流體射出器與該成像器之整合包含： 提供包含一成像陣列及一流體致動器之一電路平台； 在該電路平台上形成一透明基板在該成像陣列上方及在該流體致動器上方； 在該透明基板內形成與該流體致動器相對之一流體射出腔室； 在該透明基板上形成一平坦透鏡以穿過該透明基板聚焦至該成像陣列上。
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