通過向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生物檢定基板的噴墨裝置和方法

專利名稱：通過向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生物檢定基板的噴墨裝置和方法
通過向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生物檢定基板的噴墨裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生物檢定基板的噴墨裝 置和方法。
本發(fā)明公開了通過向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生物檢定基板的噴墨 裝置和方法。尤其是對于診斷而言，需要以非常準(zhǔn)確而且精確的方式定位 多種不同的物質(zhì)的基板。通常將所述多種物質(zhì)定位在基板上，從而在所述 基板上執(zhí)行多種生物化學(xué)測試或反應(yīng)。優(yōu)選將根據(jù)本發(fā)明的噴墨裝置和方 法應(yīng)用于如下的向基板上打印物質(zhì)的過程，在所述打印過程中，就物質(zhì)的 小滴是否己經(jīng)釋放到了基板上的問題和物質(zhì)小滴是否在基板上得到了正確 定位的問題而言，所述打印過程必須極為可靠。優(yōu)選將根據(jù)本發(fā)明的噴墨 裝置和方法應(yīng)用于如下的向基板上打印物質(zhì)的過程，在所述過程中，如果 將某種物質(zhì)錯(cuò)誤地施加到基板的某一區(qū)域上將是極為危險(xiǎn)的。此外，還優(yōu) 選將根據(jù)本發(fā)明的噴墨裝置和方法應(yīng)用于如下的向基板上打印物質(zhì)的過
程，在所述打印過程中，就打印設(shè)備(means)，尤其是包括打印頭和打印 噴嘴的打印設(shè)備是否清潔，即，是否受到了另一種要打印到所述基板上的 物質(zhì)的污染的問題而言，所述打印過程必須極為可靠。
噴墨裝置是公知的。例如，歐洲專利申請EP 1378359Al、 EP 1378360Al、 EP 1378361A1分別公開了控制含有墨水的噴墨打印頭的方法，其中，通過 機(jī)電換能器施加致動脈沖，從而將墨滴或者墨水小滴從導(dǎo)管中噴出，其中， 采用電子電路測量機(jī)電換能器的阻抗，并調(diào)整所述致動脈沖或者后繼致動 脈沖。例如，美國專利申請US 2004/0062686 Al公開了一種用于向自動微 陣列散布裝置內(nèi)的接收表面上定點(diǎn)投放溶液的微陣列器。其被公開為在完 成打印之后執(zhí)行對所述表面上的物質(zhì)的打印的分析。如果打印過程失敗， 操作員能夠?qū)λ蛴〉奈稽c(diǎn)(spot)返工。所述已知方法的一個(gè)缺點(diǎn)在于 不能實(shí)現(xiàn)生物檢定基板的自動化的、質(zhì)量受控的制造。這嚴(yán)重地限制了打印或噴墨裝置的可靠性，尤其是對采用多種不同物質(zhì)的可靠的自動打印過 程對于生物檢定基板的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)非常關(guān)鍵的應(yīng)用而言。
因此，本發(fā)明的目的在于提供通過將多種物質(zhì)釋放到基板上來制造生 物檢定基板的噴墨裝置和方法，其能夠在處理所要打印的多種不同的打印 流體或物質(zhì)時(shí)具有更高的可靠程度和更高的自動化程度。
上述目的是通過一種噴墨裝置實(shí)現(xiàn)的，所述噴墨裝置用于通過向基板 上釋放多種物質(zhì)來制造生物檢定基板，所述裝置包括打印設(shè)備、檢測設(shè)備、 填充設(shè)備和清潔設(shè)備，并且其中，所述噴墨裝置還包括針對自動化生產(chǎn)的 控制設(shè)備，從而使所述生物檢定基板針對多種誤差源表現(xiàn)出容差性。
其優(yōu)點(diǎn)在于，可以以和基板的最終質(zhì)量相關(guān)的非常高的可靠性實(shí)現(xiàn)生 物檢定基板的連續(xù)生產(chǎn)。例如，在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述噴墨 裝置包括自動填充和清潔站。所有的打印動作都受到光學(xué)和聲學(xué)監(jiān)測。顯
微鏡安裝配備有CCD攝像機(jī)，其測量小滴的體積和落點(diǎn)位置，從而連續(xù)監(jiān) 視所述打印過程。就在小滴錯(cuò)過預(yù)定落點(diǎn)位置或者落到落點(diǎn)位置之外的時(shí) 候，所述系統(tǒng)將停止打印過程，并對剛剛打印的膜做出標(biāo)記。所述系統(tǒng)自 動維護(hù)打印頭，檢查打印頭的操作，直到使其重新根據(jù)技術(shù)要求操作，并 且能夠恢復(fù)打印過程為止。過后，可以從大量的打印膜中去掉所標(biāo)記的膜。 由此，可以在仍然制造高質(zhì)量基板或膜的同時(shí)不受操作員干擾地制造生物 檢定基板。其顯著降低了生物檢定基板的制造成本。
根據(jù)本發(fā)明，非常優(yōu)選地，所述可檢測誤差源包括基板未對準(zhǔn)和/或打 印設(shè)備出現(xiàn)故障和/或打印設(shè)備內(nèi)的物質(zhì)短缺和/或物質(zhì)種類出現(xiàn)誤差。由 此，能夠通過本發(fā)明的噴墨裝置解決大量的可能誤差，因而可以去除出現(xiàn) 了打印或制造誤差的基板。
根據(jù)本發(fā)明，非常優(yōu)選地，所述打印設(shè)備至少包括具有用于噴射小滴 的噴嘴的打印頭，其中，所述檢測設(shè)備包括檢測攝像機(jī)，將所述檢測攝像 機(jī)布置為，在小滴從噴嘴中噴射出來之后，通過所述檢測攝像機(jī)檢測所述 小滴。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，所述打印設(shè)備至少包括具有用于噴射小滴的噴 嘴的打印頭，其中，所述檢測設(shè)備至少包括對準(zhǔn)攝像機(jī)，其用于使所述打 印頭的位置相對于所述基板對準(zhǔn)。由此，可以容易且快速地定義初始打印
7位置或起始位置，以實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)目的。優(yōu)選地，所述基板或基板支架(下文 中又稱為固定板)包括用于使所述打印頭相對于所述基板對準(zhǔn)的基準(zhǔn)標(biāo)記， 即，光學(xué)可見的基準(zhǔn)點(diǎn)或者基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，所述清潔設(shè)備包括被設(shè)置為至少部分清潔所述 打印設(shè)備的超聲清潔設(shè)備，尤其是超聲牙刷。有利地，由此能夠從外面清 潔所述噴嘴和打印頭。
根據(jù)本發(fā)明，還優(yōu)選將所述清潔設(shè)備設(shè)置為，通過施加軟聲波振動
(soft sonic vibration),尤其是頻率相對較低的超聲振動來清潔所述打 印設(shè)備。由此，可以使得清潔設(shè)備所施加的機(jī)械振動不會對打印設(shè)備，尤 其是打印頭和/或噴嘴的材料產(chǎn)生太大的應(yīng)力。這有利地延長了打印設(shè)備的壽命。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，尤其通過測量所述物質(zhì)的粘度而將所述物質(zhì)相 互區(qū)分開。此外，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，打印設(shè)備至少包括具有用于噴射 小滴的噴嘴和換能器的打印頭，其中，將所述檢測設(shè)備設(shè)置為，可以利用 對所述換能器的性態(tài)(behaviour)的檢測而將所述物質(zhì)相互區(qū)分開。有利 地，通過測量換能器和/或包括所述物質(zhì)的換能器的性態(tài)而將所述多種不同 的物質(zhì)區(qū)分開。所述換能器是向打印頭內(nèi)施加機(jī)械波和水中聲波 (hydro-acoustic wave)的換能器，其優(yōu)選是機(jī)電換能器。打印頭優(yōu)選是 至少部分填充了所要打印的液體(即所要打印的物質(zhì))的幾乎封閉的體積。 所述打印頭包括至少一個(gè)開口或?qū)Ч?，在所述開口或?qū)Ч芴?，在施加致?脈沖時(shí)，能夠使打印頭中含有的液體的至少一部分排出或噴出，從而在打 印頭外形成液體的小滴。在下文中，在本發(fā)明的情況下，還將所述開口或 導(dǎo)管稱為噴嘴。如果在打印頭內(nèi)采用了不同的液體或物質(zhì)，那么通過向填 充了所要打印的液體的打印頭內(nèi)施加機(jī)械波和水中聲波，所述包括打印頭 和液體的系統(tǒng)將按照不同的方式作出反應(yīng)。測量物質(zhì)的粘度是一種有利的 做法，因?yàn)檎扯鹊臏y量相對較為容易，并且能夠以較高的精確度實(shí)現(xiàn)。此 外，使所述換能器是壓電換能器也是有利的，因?yàn)榭梢圆捎孟嗤膿Q能器 來噴射小滴，以及測量打印頭內(nèi)的流體的性態(tài)。
非常優(yōu)選地，所述噴墨裝置包括多噴嘴打印頭。由此，可以從單個(gè)打 印頭中噴出多個(gè)小滴。這提高了打印過程的速度。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，所述噴墨裝置還包括打印臺、打印橋、可移動 打印頭支架和固定板，其中，所述打印頭支架可以利用三個(gè)線狀臺架而相
對于所述固定板沿第一、第二和第三方向(X方向、Y方向、Z方向)移動。 由此，可以將物質(zhì)的小滴打印或釋放到大應(yīng)用面積上，使得所打印的產(chǎn)品 的制造相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效，因?yàn)榭梢詫⒋蠡寤騿蝹€(gè)的基板作為同一個(gè)批次進(jìn) 行打印。還可以將所要打印的物質(zhì)的貯存器、清潔流體的貯存器、廢棄流 體的貯存器和/或?qū)Υ蛴☆^進(jìn)行機(jī)械清潔和干燥的設(shè)備包括在打印頭的巡 航范圍內(nèi)。由此，可以使生物檢定基板的制造過程進(jìn)一步自動化。
根據(jù)本發(fā)明，還優(yōu)選將所述打印橋相對于所述打印臺固定，其中，所 述固定板可以相對于所述打印橋沿所述第一和第二方向(X方向，Y方向) 移動，其中，所述打印頭支架可以相對于所述打印橋沿所述第三方向(Z方 向)移動。這一XY臺架實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，所述打印頭在所述第一和第二 方向上是完全靜止的，因而不存在由移動打印頭下的基板引起的壓力波動。 這意味著不存在任何振動或者其他可能的誤差源可以干擾打印過程。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，優(yōu)選將所述打印橋相對于所述打印臺固定， 其中，所述固定板可以相對于所述打印橋沿所述第一方向(X方向)移動， 其中，所述打印頭支架可以相對于所述打印橋沿所述第二和第三方向(Y方 向，Z方向)移動。其優(yōu)點(diǎn)在于，能夠采用更少的空間布置噴墨裝置。
根據(jù)本發(fā)明，所述基板優(yōu)選為平坦基板、結(jié)構(gòu)化基板或者多孔基板。 所述基板更優(yōu)選是尼龍膜、硝化纖維或PVDF基板或者涂覆多孔基板。由于 所述基板優(yōu)選是多孔的，因而由小滴沉積到單獨(dú)的位點(diǎn)(圓點(diǎn))內(nèi)的流體 的量還滲透到膜內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，所述基板還優(yōu)選包括多個(gè)基板區(qū)域，每一基板區(qū)域優(yōu)選 是由膜支架支持的單獨(dú)的膜。由此，可以利用本發(fā)明的噴墨裝置制造出多 個(gè)單獨(dú)的膜。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述基板優(yōu)選包括多個(gè)基板位置，所述基板位置相互 間隔的距離至少是處于一個(gè)基板位置上的位點(diǎn)的平均直徑。由此，可以將 物質(zhì)的不同小滴精確、獨(dú)立地定位到基板上的精確位置上。將多個(gè)小滴定 位在同一個(gè)基板位置上也是可以的，并且是有利的。
非常優(yōu)選地，所述物質(zhì)是存在于水或酒精等液體當(dāng)中的揮發(fā)性溶液，所述溶液具有甘油、乙二醇、洗滌劑等影響噴射性態(tài)的其他物質(zhì)，其中， 存在不同的分子或不同的化合物，尤其是生物學(xué)分子。
本發(fā)明還涉及一種通過采用噴墨裝置向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生 物檢定基板的方法，所述噴墨裝置包括打印設(shè)備、檢測設(shè)備、填充設(shè)備、 清潔設(shè)備和控制設(shè)備，其中，按照質(zhì)量可控的方式執(zhí)行生物檢定基板的自 動化生產(chǎn)，從而在基板的制造過程中檢測到多個(gè)不同的誤差源。由此，可 以以非常經(jīng)濟(jì)有效的自動方式來制造生物檢定基板。例如，可以檢測從打 印頭(或從多個(gè)打印頭)噴射出來的每一個(gè)單個(gè)小滴。如果產(chǎn)生了誤差， 那么控制設(shè)備內(nèi)的軟件模塊指揮制造過程，從而將相應(yīng)的基板標(biāo)記為有缺 陷的。另一個(gè)例子是檢測所述多種不同物質(zhì)或流體中的哪種物質(zhì)或流體處 于打印頭內(nèi)的可能性。由此，可以在通過指定方式打印不伺物質(zhì)的情況下 提供具有更高的精確度的打印過程。
根據(jù)本發(fā)明，所述可檢測誤差源優(yōu)選包括基板未對準(zhǔn)和/或打印設(shè)備出 現(xiàn)故障和/或打印設(shè)備內(nèi)的物質(zhì)短缺和/或物質(zhì)種類出現(xiàn)誤差。由此，能夠 通過本發(fā)明的噴墨裝置解決大量的可能誤差，因而可以去除出現(xiàn)了打印或 制造誤差的基板。
本發(fā)明還涉及一種通過采用噴墨裝置向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生 物檢定基板的方法，所述噴墨裝置包括打印設(shè)備、檢測設(shè)備、填充設(shè)備、 清潔設(shè)備和控制設(shè)備，其中，按照質(zhì)量可控的方式執(zhí)行生物檢定基板的自 動化生產(chǎn)，從而在基板的實(shí)際制造之前檢測到多個(gè)不同的誤差源。更具體 而言，根據(jù)本發(fā)明，可以檢測生物和清潔流體貯存器內(nèi)的流體水平面，和/ 或在開始實(shí)際的基板打印之前檢測貯存器上的帽存在與否。如果產(chǎn)生了誤 差，另P么控制設(shè)備內(nèi)的軟件模塊指示產(chǎn)生了哪種類型的誤差，之后，操作 員可以(例如)通過拆除存在缺陷的貯存器(沒有帽的)，并更換正確的貯 存器，或者通過將帽蓋到存在缺陷的貯存器上來解決該問題。由此，可以 從開始就避免不正確的打印過程。
根據(jù)本發(fā)明，所述噴墨裝置還優(yōu)選至少包括具有用于噴射小滴的噴嘴 的打印頭，其中，通過所述檢測設(shè)備檢測所述打印過程的故障，并將相關(guān) 基板標(biāo)記為不合格，其中，所述打印過程的故障導(dǎo)致了小滴的體積不正確 和/或小滴的粘度不正確和/或小滴的飛行軌跡的直線度不正確和/或小滴的短缺。由此，可以精確地控制打印過程。這使得在生物檢定基板的制造 過程中確保非常高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)成為可能。
根據(jù)本發(fā)明，所述清潔設(shè)備還優(yōu)選包括被設(shè)置為至少部分清潔所述打 印設(shè)備的超聲清潔設(shè)備，尤其是超聲牙刷。有利地，由此能夠從外面清潔 所述噴嘴和打印頭。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選將所述清潔設(shè)備設(shè)置為，通過施加軟聲波振動，尤 其是頻率相對較低的超聲振動來清潔所述打印設(shè)備。由此，可以使得清潔 設(shè)備所采用的機(jī)械振動不會對打印設(shè)備，尤其是打印頭和/或噴嘴的材料產(chǎn) 生太大的應(yīng)力。這有利地延長了打印設(shè)備的壽命。
通過下文中結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些和其他特點(diǎn)、特征和 優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中，所述附圖通過舉例的方式示出了本發(fā)明的原 理。給出所述說明的目的只是為了舉例，而不是限制本發(fā)明的范圍。下文 引用的附圖標(biāo)記參考附圖。
圖1和圖la示意性地示出了本發(fā)明的噴墨裝置的兩個(gè)實(shí)施例的頂視
圖2示意性地示出了貫穿基板區(qū)域和膜支架的橫截面； 圖3示意性地示出了支撐膜支架和多個(gè)貯存器的固定板的頂視圖； 圖4和圖5示意性地示出了基板區(qū)域的一部分連同膜支架和完整的膜； 圖6示意性地示出了包括多個(gè)打印頭的噴墨裝置的實(shí)施例；以及 圖7示意性地示出了支撐膜支架和多個(gè)貯存器的固定板的另一實(shí)施例 的頂視圖8示意性地示出了貫穿位于基板區(qū)域之上的打印頭和膜支架連同檢 測攝像機(jī)的橫截面；
圖9示意性地示出了與基板和打印頭相對于對準(zhǔn)攝像機(jī)的定位； 圖IO示意性地示出了位于檢查位置的噴墨裝置；
圖11到圖13示意性地示出了帶有分配給一個(gè)打印頭的檢測攝像機(jī)和 第二檢測攝像機(jī)的噴墨裝置的實(shí)施例；
圖14和圖15示意性地示出了用于檢測從打印頭中噴出的小滴的位置、
飛行軌跡和/或尺寸的檢測設(shè)備的布置；圖16示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的噴墨裝置10的整體圖示。
將相對于具體實(shí)施例并參考


本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此， 其僅由權(quán)利要求限定。所描述的附圖只是示意性的，而非限制性的。在附 圖中，出于舉例說明的目的，某些元件的尺寸可能被夸大，而并非按比例 繪制。
在因涉及單數(shù)名詞而采用了諸如"一"、"一個(gè)"、"該"的不定冠詞和 定冠詞的情況下，其仍然包括該名詞的復(fù)數(shù)形式，除非另外明確說明。
此外，出現(xiàn)在說明書和權(quán)利要求中的第一、第二、第三等詞語只是用 于區(qū)分類似的元件，而未必用于規(guī)定次序或時(shí)間順序。應(yīng)當(dāng)理解，在適當(dāng) 的情況下，所采用的所述詞語是可以互換的，而且文中所描述的本發(fā)明的 實(shí)施例可以按照文中描述或圖示的順序以外的其他順序操作。
此外，說明書和權(quán)利要求中的頂部、底部、上、下等詞語都是描述性 的，而未必用于說明相對位置。應(yīng)當(dāng)理解，在適當(dāng)?shù)那闆r下，所采用的所 述詞語是可以互換的，而且文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以按照文中描述 或圖示的取向以外的其他取向操作。
應(yīng)當(dāng)注意，在本說明書和權(quán)利要求中采用的"包括" 一詞不應(yīng)被解釋 為限于其后列舉的內(nèi)容；其不排除其他元件或步驟。因而，"一種包括設(shè)備 A和B的裝置"的表述的范圍不應(yīng)限于僅由部件A和B構(gòu)成的裝置。其意味 著，相對于本發(fā)明，A和B是所述裝置的僅有的相關(guān)部件。
在圖l和圖la中，示出了根據(jù)本發(fā)明的噴墨裝置10的示意性頂視圖。 在打印臺50 (優(yōu)選由重花崗巖板構(gòu)成)上，將固定板55安裝在線狀臺架上， 其允許沿固定板55的X方向運(yùn)動。在這一固定板55中，設(shè)置著若干個(gè)帶 有膜41的膜支架44。優(yōu)選以花崗巖臺的形式提供打印臺50?；蛘撸部?以采用其他非常重的材料。根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)將打印臺50布置在振動干擾 非常小的環(huán)境內(nèi)。所述膜41共同形成了基板40。因此，也可以將膜41稱 為"基板41"。為了清楚起見，在下文中，"基板40"—詞是指"膜41"的 可打印區(qū)的整體。膜支架44基本上只是環(huán)44。將圓的膜41焊接到這一環(huán) 上。因而，在打印之后，環(huán)44和帶有斑點(diǎn)的膜(spotted membrane) 41 — 起形成了最終產(chǎn)品。將打印橋51相對于打印臺50 (優(yōu)選是重花崗巖臺面)固定安裝。打印橋51承載可移動的打印頭支架51'。帶有固定板55的臺架 可以沿第一方向，即X方向移動。
在圖1所示的實(shí)施例中，將打印頭20安裝到可移動的打印頭支架51' 上，使得其可沿相對于打印橋的第二方向，即Y方向移動。
在圖la所示的另一實(shí)施例中，將固定板55安裝在兩個(gè)線狀臺架上， 其允許固定板55相對于打印臺50沿第一方向(X方向)和第二方向(Y方 向)運(yùn)動。在圖la所示的實(shí)施例中，相對于沿第一和第二方向的移動，將 打印頭20和打印頭支架51'固定安裝到打印橋51上。在這一所謂的"XY 臺架概念"或者"XY臺架實(shí)施例"中，打印頭完全靜止，因而不存在因移 動打印頭而帶來的壓力波動。與圖1所示的實(shí)施例相比，則需要更多的占 地面積。
根據(jù)本發(fā)明，在根據(jù)圖1和圖la的兩個(gè)實(shí)施例中，所述第一方向(X 方向)和第二方向(Y方向)優(yōu)選相互垂直。由此，能夠使打印頭20在打 印臺50的某一區(qū)域上移動，并且打印頭20能夠釋放優(yōu)選存儲在打印頭20 內(nèi)的物質(zhì)的小滴。將膜41按照沿X方向的均勻距離和Y方向的均勻距離安 裝到固定板55中，固定板55又被稱為定位板(registration plate) 55。 沿X方向的距離可以不同于沿Y方向的距離。根據(jù)本發(fā)明，提供了檢測攝 像機(jī)30，因而可以通過檢測攝像機(jī)30檢測從打印頭20的噴嘴噴出的物質(zhì) 的小滴(圖8中所示的物體22)。在圖1所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將 檢測攝像機(jī)30固定定位到處于可移動打印頭支架51'上的打印頭20的附 近。為了使檢測攝像機(jī)30能夠觀察到小滴22，將光源32 (優(yōu)選為頻閃儀 或可控閃光燈)設(shè)置成相對于控制攝影機(jī)30的光軸成一定角度。優(yōu)選相對 于打印頭20和/或打印頭支架51'固定安裝光源32。
為了采用多種不同的物質(zhì)，尤其是包括生物學(xué)分子的流體來填充打印 頭20，將打印頭支架51'安裝在(在圖l和圖la所示的兩個(gè)實(shí)施例中)允 許打印頭支架51'連同打印頭20—起沿第三方向(又被稱為Z方向)移動 的另一線狀臺架52 (又被稱為Z臺架)上。所述Z方向優(yōu)選分別與所述第 一和第二方向相互垂直。所述Z臺架允許對打印頭20進(jìn)行精確的垂直定位。
在圖1和圖la中示出了位于固定板55上或者與固定板55連接的包括 貯存器110和清潔設(shè)備120的其他元件。由此，打印頭20能夠既在膜41之上又在執(zhí)行膜41的完整制造所需的其他元件之上移動。包括處于三個(gè)方 向上的三個(gè)不同的線狀臺架的噴墨裝置的設(shè)置的背后所蘊(yùn)涵的基本思想 是，所有的位置，例如，基板位置42或者膜41上的位點(diǎn)位置(參考圖2)、 流體容器110或者流體貯存器110的位置，以及流體水平面的高度的位置、 清潔和干燥站的位置均可以由X、 Y、 Z值給出，并且均能夠通過軟件定義。 因而，打印將遵循由打印計(jì)劃給出的某一協(xié)議。打印頭20或移液管20的 內(nèi)部和外部的填充、凈化、清潔和干燥均可以在協(xié)議中得到定義，因此能 夠幾乎按照相同的方式反復(fù)自動執(zhí)行。這樣做能夠?qū)⒃诓僮鲉T進(jìn)行干擾時(shí) 不可避免地產(chǎn)生的錯(cuò)誤和處理誤差降至最低。
基板40 (圖2)可以由用于傳染病檢測的生物活性膜構(gòu)成。診斷這樣 的疾病要求打印過程具有非常高的可靠性。熒光圖案的讀出使疾病與具體 俘獲探頭的位置直接相關(guān)。因此，絕對有必要通過一種非常可靠的過程將 俘獲探頭正確地定位到基板40上，并且打印來自多種不同物質(zhì)的正確物質(zhì)。 噴墨打印是一種不存在對實(shí)際打印的物質(zhì)的任何反饋并且不存在對基板40 上的小滴的實(shí)際存在和落點(diǎn)的任何反饋的精確定量給料技術(shù)。其問題在于 沒有有關(guān)該過程的進(jìn)程的信息。本發(fā)明旨在考慮到提高生物檢定基板的生 產(chǎn)質(zhì)量而盡可能地多地收集有關(guān)打印過程的信息。根據(jù)本發(fā)明，可以測量 打印頭20內(nèi)的物質(zhì)的粘度，并在所要打印的物質(zhì)確實(shí)是正確的物質(zhì)的情況 下進(jìn)行另一次控制和檢測。換言之，可以通過其粘度標(biāo)識不同的物質(zhì)?？?以通過選擇溶劑或者溶劑的混合物而容易地調(diào)整或改變粘度。由此，能夠 減少打印誤差。根據(jù)本發(fā)明，可以采用光學(xué)方法即時(shí)跟蹤每一打印頭的打 印過程。在噴墨裝置10上，安裝了兩個(gè)配備有CCD攝像機(jī)的顯微鏡，其既 測量小滴的落點(diǎn)位置，又對打印過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。就在小滴錯(cuò)過落點(diǎn)位 置(圖2，基板位置42)或者落到預(yù)定落點(diǎn)位置以外的時(shí)刻，系統(tǒng)停止打 印過程，并標(biāo)記剛剛打印的膜41或基板區(qū)域41，從而允許系統(tǒng)將所述基板 或膜標(biāo)記為不合格。之后，可以將所標(biāo)記的膜從該批打印膜41中去除。
在圖1和圖la所示的實(shí)施例中，還使對準(zhǔn)攝像機(jī)45位于打印頭的附 近并且位于打印頭支架51'上。將對準(zhǔn)攝像機(jī)45定位在與打印頭20相隔預(yù) 定距離的位置。通過査看固定板55或者基板40上的某一結(jié)構(gòu)(在下文中 又稱為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu))，可以相對于打印臺50，并由此相對于膜41校準(zhǔn)打印頭20或?qū)ζ溥M(jìn)行定位。
對準(zhǔn)攝像機(jī)45具有兩種功能對準(zhǔn)和測量。通過直接安裝在對準(zhǔn)攝像 機(jī)45上的LED環(huán)(未示出)照射對準(zhǔn)標(biāo)記(圖3，基準(zhǔn)標(biāo)記46')。在配置 過程中，尋找基準(zhǔn)標(biāo)記46'或?qū)?zhǔn)標(biāo)記46'，并存儲它們的位置。將一個(gè)基 準(zhǔn)標(biāo)記46'用于XY定位，將另一個(gè)用于角度校正。還存儲對準(zhǔn)標(biāo)記46'的 形狀。之后，所述軟件將識別所述對準(zhǔn)標(biāo)記，并相應(yīng)地定位基板?？梢匀?工或自動執(zhí)行角度校正。就測量而言，可以采用帶有照明環(huán)(illumination ring)的對準(zhǔn)攝像機(jī)45來尋找所要打印的基板40或膜41。對于每一膜41 采用關(guān)于基準(zhǔn)46'的相同圖案識別軟件，因而能夠測量并存儲每一膜41相 對于預(yù)定位置和方向的位置和旋轉(zhuǎn)。之后，可以通過打印軟件利用這些數(shù) 據(jù)。
將檢查攝像機(jī)45'(帶有檢查光源47')相對于打印臺50固定地定位。 如圖IO所示，通過將打印頭20移動到檢查位置，能夠?qū)蓚€(gè)攝像機(jī)(檢 測攝像機(jī)30和檢査攝像機(jī)45')定位成相互成90度角。這樣可以在二維空 間內(nèi)測量小滴體積、小滴粘度和小滴飛行軌跡?？梢詫⑦@些數(shù)據(jù)存儲并轉(zhuǎn) 移至控制打印程序的計(jì)算機(jī)。通過校正飛行軌跡的偏移，總是能夠確保小 滴落在預(yù)定位置上。
檢測攝像機(jī)30和檢查攝像機(jī)45'基本相同，并且用于相同的用途。檢 測攝像機(jī)30和檢查攝像機(jī)45'之間的唯一差別在于，在整個(gè)打印過程中采 用所述檢測攝像機(jī)30，而檢查攝像機(jī)45'則僅用于打印之前的檢査過程。 對準(zhǔn)攝像機(jī)45的不同之處在于，僅在進(jìn)行整批打印之前采用對準(zhǔn)攝像機(jī)45 將固定板55與打印臺50對準(zhǔn)。
在圖11中，示出了噴墨裝置10的另一實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，與 圖1和圖10所示的實(shí)施例形成對照的是，還將第二檢測攝像機(jī)30'(類似 于檢測攝像機(jī)30固定安裝到打印頭上。由此，可以在三維空間內(nèi)檢測由打 印頭20噴出的小滴22。在圖1和圖10中，只有在檢查過程中，能夠沿兩 個(gè)方向記錄小滴的飛行軌跡。而在打印過程中，只有檢測攝像機(jī)30記錄小 滴22的圖像。在圖11所示的實(shí)施例中，在檢查以及打印過程中，能夠沿 兩個(gè)方向獲得小滴22的圖像。
在圖12、圖13和圖14中，示出了圖ll所示的實(shí)施例的本發(fā)明的噴墨裝置10的一部分。將Z臺架52固定到打印橋51上，Z臺架52允許打印頭 支架51'沿第三方向(Z方向)垂直移動。將檢測攝像機(jī)30、第二檢測攝像 機(jī)30'和對準(zhǔn)攝像機(jī)45安裝在打印頭支架51'上。此外，將帶有噴嘴21的 打印頭20 (移液管20)安裝在打印頭支架51'上。為了更好地接近打印頭 20，選擇這樣一種布置，其中，將檢測攝像機(jī)30、 30'安裝成相對于X方向 和Y方向成45。角以下。
為了檢測小滴的發(fā)射特性，必須通過光源32對小滴22進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣?明。圖13和圖14示意性地示出了兩種不同的照明方式。圖13示出了通過 基板表面對頻閃儀的閃光的漫反射來進(jìn)行對小滴的照明。采用這一方法在 打印過程中跟蹤小滴的發(fā)射。圖14示出了通過處于陰影設(shè)置(shadow set-up)中的頻閃閃光進(jìn)行對小滴的照明。所述頻閃儀位于顯微鏡物鏡的 光軸上。
將噴墨裝置10設(shè)置成不會由任何與小滴測量和對準(zhǔn)相關(guān)的阻擋物遮擋 基板40或者噴嘴21或印刷頭20。這意味著必需按照一定的角度安裝檢測 攝像機(jī)30、 30'(用于小滴可視化的顯微鏡物鏡)，從而使小滴22僅在離開 噴嘴21之后的某一時(shí)間變得可見。其同樣適用于光源32或者光源32'，優(yōu) 選將其實(shí)現(xiàn)為頻閃儀或者受控閃光單元。應(yīng)當(dāng)注意，安裝到打印頭支架51' 上的檢測攝像機(jī)30、 30'(顯微鏡物鏡)和光源32、 32'(頻閃儀單元)必 須在打印水平面(即，基板40的水平面)之上保留足夠的空間，從而允許 移液管20或打印頭20插入容器110內(nèi)的足夠深度，以進(jìn)行填充。在圖13 中，示意性地繪出了這樣一種設(shè)置，其中，通過基板40的漫反射產(chǎn)生對小 滴22 (未示出)的照明。將頻閃儀單元32或光源32安裝為，使膜41能夠 在下面自由移動。在圖14中，示出了這樣一種布置，其中，將光源32、 32' (頻閃儀)安裝在處于基板40的打印水平面下的固定板55的邊緣上。將 光源32、 32'(頻閃儀單元)安裝在檢測攝像機(jī)30、 30'(顯微鏡物鏡)的 光軸31上。又將這種情況稱為"陰影照明設(shè)置"。
將在不同的模式中采用檢測攝像機(jī)30、 30'(又被稱為小滴發(fā)射監(jiān)視攝 像機(jī))首先為小滴位置和小滴體積測量模式，其中，由CCD攝像機(jī)記錄小 滴，并將其顯示在監(jiān)視器上。圖像分析軟件從監(jiān)視器圖像獲取數(shù)據(jù)。相對 于理想的飛行軌跡測量小滴軌跡。通過獲得小滴的面積來測量體積。通過處于閃光(streak)布置(圖13)中的LED頻閃儀對小滴22進(jìn)行照明，這 意味著由通過基板的反射對小滴進(jìn)行間接照明，或者通過安裝在檢測攝像 機(jī)30 (顯微鏡物鏡)的光軸上(處于基板水平面40之下)的光源32 (頻 閃儀)的陰影照明來照射小滴22。其次，在打印過程中可能存在小滴發(fā)射 監(jiān)視模式。將測量每一發(fā)射的小滴22。未必一定要測量體積；唯一需要考 慮的就是，所要找的小滴是否確實(shí)沿正確方向穿過了檢測攝像機(jī)的視場。 飛行軌跡的信息對于避免小滴的錯(cuò)誤投放也是很關(guān)鍵的。必須以高達(dá)(例 如)500Hz的頻率檢查小滴發(fā)射。所述照明總是根據(jù)所述閃光設(shè)置(圖13)， 從而避免與基板40或膜41的任何接觸。
為了填充打印頭20或移液管20，必須使其插入貯存器110的流體內(nèi)幾 毫米。選擇膜41的數(shù)量，從而在原則上使存儲在移液管20內(nèi)的流體的量 綽綽有余。在打印之前，必須檢査所有的容器110或貯存器110是否具有 適當(dāng)?shù)牧黧w水平面。在流體水平面過低的情況下必須添加一些流體。
存在若干種自動檢查流體水平面的方式，例如
-安裝兩個(gè)攝像機(jī)(檢測攝像機(jī)30和第二檢測攝像機(jī)30'，參照圖11) 以進(jìn)行小滴檢查。還可以采用這些檢測攝像機(jī)30、 30'檢測打印頭或移液管 的尖端或噴嘴接觸貯存器110之一內(nèi)的流體的表面的時(shí)刻。移液管從該位 置向下移動幾毫米，并抽吸所需的流體量。
-移液管或打印頭20設(shè)有負(fù)壓控制單元(未示出)，從而使噴嘴壓力 稍微低于環(huán)境壓力，以避免泄漏。如果移液管20空了將存在連續(xù)的氣流， 可以通過氣流指示器(未示出)對其進(jìn)行檢測。就在移液管的尖端接觸到 貯存器110之一內(nèi)的流體的時(shí)刻，在高得多的流體粘度的作用下，氣流停 止。采用這種效應(yīng)檢測移液管20的噴嘴21接觸到流體表面時(shí)的Z距離。 通過向下額外運(yùn)動幾毫米能夠得到正確的浸入深度。 .
-將電線(未示出)連接至移液管。如果在噴嘴抵達(dá)流體表面的時(shí)刻 流體導(dǎo)電，那么將使電路閉合。通過這一信號，移液管在通過一定的額外 負(fù)壓填充自身之前向下移動幾毫米。
-平行于移液管安裝基于激光的距離測量裝置(未示出)，其測量容器 或貯存器內(nèi)的流體的高度。所述軟件采用這一值計(jì)算正確的浸入深度。
-可以平行于移液管安裝基于音頻的距離測量裝置(未示出)，其測量容器或貯存器內(nèi)的流體的高度。所述裝置向流體表面發(fā)出音信號。檢測反 射波，并且通過測量(例如)時(shí)間差(或波長偏移)，所述軟件能夠計(jì)算容 器內(nèi)的流體高度。
為了使貯存器110內(nèi)的流體的表面基本保持在恒定值，可以將容器110 或貯存器IIO (例如)安裝在類彈簧結(jié)構(gòu)上。在流體被從容器中排出時(shí)，重
量降低，所述彈簧釋放，從而使流體水平保持在恒定的z值上。另一種獲
得貯存器內(nèi)的流體的恒定水平面的可能性是，將每一容器連接至放在其他
位置的更大的器皿，通過較大器皿和小容器之間的連通來保持較小容器110
內(nèi)的流體水平。
可以采用上述測量容器內(nèi)的流體高度的裝置之一或其組合來檢測一個(gè) 或多個(gè)貯存器上的帽是否缺失。通過這種方式，變得可以在實(shí)際開始實(shí)際 的打印過程之前檢測貯存器上的帽的存在。這為用戶提供了校正錯(cuò)誤的可 能性，例如，采用正確的貯存器更換沒有帽的貯存器。應(yīng)當(dāng)指出，可以檢 查裝置中采用的所有貯存器上是否有帽，因此，也包括對含有清潔流體的 貯存器進(jìn)行所述檢查。這確保了清潔過程將會得到正確地執(zhí)行。另一種檢 測帽的存在的優(yōu)選選項(xiàng)是在帽的高度上為貯存器支架提供光傳感器，并從
貯存器下面向上施加(優(yōu)選為均勻的)光。使帽的邊緣是磨砂的(frosted)。 在存在帽的情況下，光從磨砂邊緣耦合出來，傳感器測量到光。如果帽缺 失，那么光向上穿過忙存器，因而不會被傳感器檢測到。另一種優(yōu)選的方 式是在帽的高度從貯存器的側(cè)面施加光，例如，激光。光傳感器位于相對 側(cè)。在存在帽的情況下，光受到帽的阻擋，傳感器檢測不到光。在帽缺失 的情況下，光傳播到傳感器，因而傳感器將檢測到光。如有必要，可以將 單獨(dú)的光阻擋結(jié)構(gòu)附著到貯存器上，例如，當(dāng)帽未超過(rise above)貯 存器支架時(shí)。另一優(yōu)選方式是采用優(yōu)選安裝在打印滑架(sledge)上的對 準(zhǔn)攝像機(jī)，其指向帽上的標(biāo)記物。
在圖2中示出了單個(gè)的基板膜支架44和固定板55的一部分的橫截面 圖的示意性圖示。膜支架44承載作為基板40的一部分的一個(gè)膜41。 一個(gè) 膜41又被稱為基板區(qū)域41。每一單個(gè)的膜支架44位于固定板55上。在基 板40上，g卩，在每一膜41上，將多個(gè)基板位置42設(shè)置成使單個(gè)的物質(zhì)的 圓點(diǎn)(dot)(由打印在基板位置42上的一個(gè)或多個(gè)小滴得到，并且在圖2
18中由附圖標(biāo)記22示意性地表示)能夠彼此相隔一定距離。圓點(diǎn)可以由打印 頭施加的一個(gè)小滴形成，或者由相同物質(zhì)的多個(gè)小滴構(gòu)成。由此，可以在 每一基板位置42上分配或定位不同種類的物質(zhì)。
在圖3中，示意性地示出了支撐了膜支架和多個(gè)貯存器的固定板的頂 視圖。根據(jù)本發(fā)明，可以將多種物質(zhì)23、 23a和23b填充到打印頭20內(nèi)。 將這些不同的物質(zhì)23、 23a、 23b存儲在固定板55上的物質(zhì)貯存器111內(nèi)。 固定板55還包括用于一種或多種清潔流體的清潔貯存器112以及用于存放 廢棄流體的廢液貯存器113和114。
在打印過程中，優(yōu)選由罩或蓋(圖3未示出)來覆蓋容器或貯存器110， 以避免蒸發(fā)和交叉污染。就圖3所示的固定板55而言，有可能每一容器或 貯存器110均具有能夠通過電磁體(圖3未示出)提起的蓋子(圖3未示 出)。將這一電磁體安裝到打印頭支架51'上。要想打開容器或貯存器110， 則操縱容器之上的電磁體，接通磁體，則提起蓋，并將其固持住。使移液 管或打印頭20移動到所述容器，浸入并被填充。所述移液管移開，電磁體 返回至敞開的容器，在斷開之后，蓋子下落，并再次關(guān)閉容器。為了確保 蓋子正確地落在容器的邊緣上，將容器的下部的外形構(gòu)造為使其將自身自 動調(diào)整到正確的位置(例如，圓錐形或球形)。如果不采用電磁體，則可以 采用真空。通過閥門連接至真空泵的導(dǎo)管移動到蓋子上。閥門打開，將蓋 子提起并固持。在填充移液管之后，管移動到開啟的容器上，關(guān)掉真空， 則蓋子下落，從而封閉容器。
在圖7中，示出了支撐了膜支架44和多個(gè)貯存器110的固定板55的 另一實(shí)施例(與圖3所示的實(shí)施例相比)的頂視圖。該另一實(shí)施例允許在 打印操作期間覆蓋貯存器110內(nèi)的流體，并通過與電磁體或真空不同的方 式執(zhí)行打開蓋子的動作。按照與Y方向平行的行布置容器110。在每一行上 都有封閉該行內(nèi)的所有的容器110的蓋子115。在容器110之間，蓋子115 具有小孔116。在移液管20或打印頭20 (圖7中未示出)需要來自某一容 器的流體時(shí)，則針對該容器對其進(jìn)行操縱。蓋子115的開口 116或孔116 的軸優(yōu)選與打印頭20的X位置相匹配。優(yōu)選為雙位置氣缸的開蓋致動器117 與蓋115自動連接，并且能夠移動蓋115，從而使對應(yīng)于容器的開口 116處 于容器的中央之上。移液管20或打印頭20移動到所需的容器的位置，沿第三方向(z方向)向下移動，并抽吸所需的流體的量。在再次向上移動之 后，開蓋致動器117的活塞向外移動，并使容器再次閉合。致動器117可 以使只有一種開啟和關(guān)閉運(yùn)動是可能的，在這種情況下，將打開該行的所 有容器。借助能夠抵達(dá)不同位置的不同致動器117，可以設(shè)計(jì)出每次只打開 一個(gè)容器的設(shè)置。
在圖4中從頂部示出了膜41或基板區(qū)域41的一部分。在基板區(qū)域41 上定義了多個(gè)基板位置42、 42a、 42b?；逦恢?2、 42a、 42b是將采用根 據(jù)本發(fā)明的噴墨裝置10定位小滴22的位置。還可能將相同物質(zhì)的多個(gè)小 滴定位到單個(gè)基板位置42上。由打印頭20噴出并落在基板40上的小滴22 將以平均直徑43覆蓋基板位置42、 42a、 42b周圍的一定圓點(diǎn)區(qū)域或位點(diǎn)， 所述平均直徑43小于基板位置42、 42a、 42b彼此之間的相應(yīng)距離43'(或 間距)。
在圖5中，示出了基板區(qū)域41的頂視圖，其中，通過小圈表示多個(gè)基 板位置42。根據(jù)本發(fā)明，可以將很多種不同的物質(zhì)定位到這些不同的基板 位置42上，從而將基板區(qū)域41的膜用于診斷目的。根據(jù)本發(fā)明，可以定 義幾個(gè)由基板位置42構(gòu)成的組42'，從而在一個(gè)由基板位置42及它們相應(yīng) 的物質(zhì)構(gòu)成的組42'內(nèi)執(zhí)行整套測試。
在圖6中，示意性地局部示出了本發(fā)明的噴墨裝置10的另一實(shí)施例。 打印橋51除了設(shè)有打印頭20外，還設(shè)有另一打印頭20a和第三打印頭20b。 相應(yīng)地，將所述另一檢測攝像機(jī)30a和第三檢測攝像機(jī)30b定位在打印頭 20、 20a、 20b的附近。根據(jù)本發(fā)明，還優(yōu)選提供分配給另一檢測攝像機(jī)30a 的另一光源32a以及分配給第三檢測攝像機(jī)30b的第三光源32b。在根據(jù)圖 6的實(shí)施例中，將多達(dá)三個(gè)或更多的單噴嘴打印頭20、 20a、 20b布置在打 印橋51上?？梢允勾蛴☆^20、 20a、 20b相對于打印橋51沿第二方向(Y 方向)移動，或者可以使打印頭20、 20a、 20b相對于打印橋51固定(除 了沿第三方向移動外)，并在第一和第二方向上移動固定板55。可以通過同 時(shí)移動固定板55 (沿X方向或者沿X和Y方向移動)和/或沿Y方向移動打 印頭20、 20a、 20b而將打印頭20、 20a、 20b移動到基板40上的任何位置。 為了使打印頭支架51'的運(yùn)動最小化，打印頭20、 20a、 20b之間的距離將 盡可能等于膜41沿Y方向的距離?？梢圆捎孟嗤牧黧w/物質(zhì)23、 23a、 23b填充打印頭20、 20a、 20b，或者采用不同的流體/物質(zhì)23、 23a、 23b填充 打印頭20、 20a、 20b中的每一個(gè)。通過采用不只一個(gè)打印頭20，能夠在并 行采用若干個(gè)單噴嘴打印頭時(shí)實(shí)現(xiàn)打印時(shí)間的縮短。
在基板區(qū)域41上，例如，可以提供130個(gè)能夠打印小滴22的位點(diǎn)或 者基板位置42，每一小滴需要(例如)大約lnl的體積。位點(diǎn)或小滴22的 直徑43為(例如)200Wn，并且將它們布置到具有(例如)400Mm的間距的 圖案內(nèi)。當(dāng)然，也可以提供更多(多達(dá)1000個(gè))或者更小的位點(diǎn)，從而僅 需要較小的間距，例如，300Mm或僅200Mm、 100Mm或者50Mm。例如，采用 設(shè)有不同物質(zhì)23的單個(gè)打印頭20打印所述130個(gè)位點(diǎn)。例如，在固定板 55上，布置由噴墨裝置20在一批打印中處理的140個(gè)或者多達(dá)1000個(gè)以 上的膜支架44。根據(jù)本發(fā)明，將小滴位點(diǎn)的間距43'設(shè)置為處于10到500Mm 的范圍內(nèi)。所述小滴22的位點(diǎn)的直徑43處于實(shí)際間距43'的大約20%到70% 的范圍內(nèi)。必須根據(jù)位點(diǎn)的優(yōu)選尺寸和所采用的基板40的材料(例如，根 據(jù)基板對所涂覆的物質(zhì)的吸收的強(qiáng)弱)來調(diào)整小滴22的體積。典型地，小 滴22的體積大約為0. OOlnl到10nl。
在圖8中示出了本發(fā)明的噴墨裝置10的檢測攝像機(jī)30的布置的示意 性橫截面圖示。在膜支架44上，設(shè)置膜41或基板區(qū)域41。打印頭20包括 能夠噴射小滴22的噴嘴21。小滴22從噴嘴21沿小滴22的跡線22'朝向 基板40的表面移動。在這一過程中，檢測攝像機(jī)30能夠觀察到從噴嘴21 朝向基板40的表面行進(jìn)的小滴22的圖像。為了使檢測攝像機(jī)30能夠觀察 到小滴22，使光源32 (優(yōu)選為頻閃儀或可控閃光燈)的位置相對于控制攝 影機(jī)30的光軸31成一定角度。所述攝像機(jī)的布置使得相對于基板40的表 面的角度盡可能小，從而實(shí)現(xiàn)噴嘴21下的盡可能大的視野。這同樣適用于 頻閃照明系統(tǒng)的光軸。優(yōu)選通過基板40的反射間接照射小滴22。將檢測攝 像機(jī)30固定地安裝到打印頭支架上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，檢測攝像機(jī)30 的光軸傾斜了角度31'。優(yōu)選相對于打印頭20固定地安裝光源32。
在圖9中，示出了打印頭20相對于膜40或者相對于打印臺50進(jìn)行對 準(zhǔn)的步驟的示意性圖示。(例如，縱向)定位對準(zhǔn)攝像機(jī)45，使得在相應(yīng)定 位了打印頭20和打印橋51的情況下，對準(zhǔn)攝像機(jī)45可以觀察導(dǎo)打印臺50 或者固定板55上的結(jié)構(gòu)46'(下文又稱為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)46')。優(yōu)選將另一光源47的位置設(shè)置為能夠通過對準(zhǔn)攝像機(jī)45清楚地觀察到結(jié)構(gòu)46'。因此，所 述另一光源47 (例如)近似地與校準(zhǔn)攝像機(jī)45的光軸46對準(zhǔn)。
在圖15中，示出了在檢査多噴嘴打印頭20或者多個(gè)打印頭20的噴嘴 21板(噴嘴正面)的同時(shí)檢查小滴22發(fā)射的可能性的示意性圖示。在測量 過程中，固定板55 (或者打印頭支架51')沿Y方向移動。通過這種方式 總是能夠獲得反射鏡56的清潔的鏡面。在沿Y方向的掃描之后，可以在沿 X方向發(fā)生小位移之后進(jìn)行接下來的一系列測量。光源32 (尤其是頻閃儀) 通過鏡面反射照射小滴22。顯而易見的是，在測量之后必須對反射鏡56進(jìn) 行清潔。
在圖16中，示出了根據(jù)本發(fā)明的噴墨裝置10的示意性總體圖示。根 據(jù)本發(fā)明，噴墨裝置10包括填充設(shè)備100，其優(yōu)選產(chǎn)生負(fù)壓，從而用打印 頭20被浸入的流體填充打印頭20。為了避免交叉污染，優(yōu)選在打印過程中 也保持打印頭20內(nèi)的負(fù)壓。通過作為控制設(shè)備140的一部分的計(jì)算機(jī)執(zhí)行 負(fù)壓控制。還需要通過負(fù)壓來確保用于沖洗、填充和清潔的合適的壓力水 平。
可以始終通過聲控設(shè)備95對打印頭20或移液管20的功能進(jìn)行聲學(xué)測 試。聲控設(shè)備95記錄時(shí)域和頻域內(nèi)的測量譜的偏移，從而檢査并確定打印 頭20 (移液管)的適當(dāng)操作以及移液管的填充狀態(tài)。
噴墨裝置10設(shè)有包括(例如)兩臺計(jì)算機(jī)141、 142的控制設(shè)備140。 當(dāng)然，控制設(shè)備140利用控制單元或者多個(gè)單元143、 144控制X臺架、Y 臺架和Z臺架。檢測攝像機(jī)30、 30'、對準(zhǔn)攝像機(jī)45、檢查攝像機(jī)45'、圖 像分析單元91、聲控設(shè)備95以及其他傳感器或檢測器共同形成了檢測設(shè)備 90。根據(jù)本發(fā)明，提供檢測設(shè)備90的目的在于檢測與打印過程相關(guān)以及與 打印過程的準(zhǔn)備相關(guān)的誤差源的最大數(shù)量，例如，打印過程的準(zhǔn)備可以是 采用正確的物質(zhì)23、 23a、 23b填充打印頭20。
控制設(shè)備140控制打印、填充、沖洗和清潔操作。該P(yáng)C控制
-打印頭的打印、填充、清潔和沖洗所需的負(fù)壓和超壓。
-定義打印程序、填充程序、清潔程序。
-打印操作，例如，對準(zhǔn)、將基板臺操縱到打印、填充和清潔位置、 設(shè)置打印頻率、啟動和停止打印頭以及上下移動打印頭。所述PC還控制與XY臺架控制器144和Z臺架控制器143的所有通信。
-用于研究小滴發(fā)射(體積、速度、附屬物(satellites)、直線度、 可靠性)的單小滴噴嘴檢查系統(tǒng)(Single Droplet Nozzle Inspection System)。
-打印過程中的小滴發(fā)射，只要小滴落在該過程進(jìn)行的觀察窗口內(nèi)， 就將所述小滴中的每一個(gè)記錄下來。
對于聲控而言，優(yōu)選采用額外的計(jì)算機(jī)142，例如，PC。這一計(jì)算機(jī) 142連續(xù)監(jiān)測打印頭(移液管)的聲譜。在每次打印(在某一基板上的某一 位置上打印若干個(gè)小滴)之后，對該譜進(jìn)行評估。只有當(dāng)所有的譜都落在 預(yù)定包絡(luò)內(nèi)時(shí)，用于聲學(xué)測試的計(jì)算機(jī)142才允許對基板40或膜41的制 造進(jìn)行進(jìn)一步處理。
可以預(yù)見打印、填充、沖洗和清潔流程根據(jù)下述步驟進(jìn)行
-將膜41安裝在基板支架板或固定板44上。
-采用生物活性流體填充容器或貯存器110，第一流體或物質(zhì)23位于 物質(zhì)容器111的第一容器內(nèi)，第二流體23a位于物質(zhì)容器111的第二容器 內(nèi)，等等。而且，采用沖洗和清潔流體填充清潔貯存器112，而用于廢液的 廢液容器113和114被排空。每一容器在基板支架板55或固定板55上具 有相對于基板支架板的零位置(對準(zhǔn)標(biāo)記46'之一)的預(yù)定位置。
-通過檢查基準(zhǔn)46'的位置使基板支架板55對準(zhǔn)。在需要時(shí)，人工或 自動調(diào)整旋轉(zhuǎn)。
-移液管或打印頭20移動到第一容器的中央。 -Z臺架使移液管向下移動，從而使噴嘴浸入到第一流體23內(nèi)。 -通過控制負(fù)壓單元100或者填充設(shè)備100，使移液管或打印頭向上吸 出第一流體23。通過對打印頭20的聲學(xué)特性定時(shí)或檢査，使填充過程在移 液管得到填充的時(shí)刻停止。
-將小滴計(jì)數(shù)器設(shè)置為零。
_ Z臺架52使微移液管打印頭20向上移動到打印Z位置。 -XY臺架使基板支架板移動到位置(X。， Y。)。
-對小滴發(fā)射進(jìn)行光學(xué)和聲學(xué)測試，確定與理想飛行軌跡的偏差，并 將其自動輸入到打印計(jì)劃軟件內(nèi)。通過聲學(xué)測試，測試打印頭(移液管)內(nèi)的正確流體。在小滴發(fā)射正確時(shí)，存儲聲譜，并在以后用作檢査在打印
過程中的打印頭的動作的參考。對用于小滴形成評估的所有小滴22進(jìn)行計(jì) 數(shù)。將所測的體積自動發(fā)送給打印機(jī)軟件，從而確定每個(gè)位點(diǎn)上所要發(fā)射 的小滴的量。
-可以執(zhí)行屬于第一流體23的打印計(jì)劃。
_在連續(xù)打印過程中，將對小滴形成進(jìn)行光學(xué)和聲學(xué)跟蹤。當(dāng)偏差變 得過大時(shí)，將停止打印，并且將對打印頭20進(jìn)行維護(hù)，并再次對其進(jìn)行測 試。稍后將說明維護(hù)協(xié)議。將對打印不滿足技術(shù)規(guī)范的膜41做出標(biāo)記，并 在打印和后繼處理結(jié)束后將其從該批次中去除。
_對所噴射的所有小滴進(jìn)行計(jì)數(shù)。移液管或打印頭20貯存器含有以ii 1給定的一定量的流體。已經(jīng)借助單小滴噴嘴檢查系統(tǒng)確定了小滴的體積。 因此，移液管的貯存器內(nèi)含有的小滴的數(shù)量是已知的，在用完該量之后， 必須對移液管進(jìn)行再次填充(并將小滴計(jì)數(shù)器再次設(shè)置為零)。就在移液管 變空的時(shí)刻，聲譜也將違背技術(shù)規(guī)范。
_在執(zhí)行第一流體23的打印時(shí)，移液管返回至第一容器。將打印頭20 內(nèi)的第一流體23的剩余部分沖到第一容器內(nèi)。
-移液管20移動到基板支架板55上的清潔站或清潔貯存器112。根據(jù) 將在下文描述的清潔協(xié)議，移液管抽吸清潔流體，并將其沖到廢液容器113 或114內(nèi)。采用超聲清洗設(shè)備121，尤其是電動牙刷，例如，Philips Sonicare 電動牙刷來清潔噴嘴前端。最后，將移液管的內(nèi)外吹干。
-移液管移動到第二容器的中央，重復(fù)上述流程，直到準(zhǔn)備好第二流 體23a的打印為止，等等。
在打印頭20的動作違背了技術(shù)規(guī)范的情況下，必須對其進(jìn)行維護(hù)
_打印頭20移動到第一流體23貯存器111的中央。
-將打印頭20內(nèi)的剩余的量的第一流體23沖回。
-采用第一流體23的溶劑作為清潔流體執(zhí)行清潔流程。
_采用超聲清洗設(shè)備121，例如，Philips Sonicare電動牙刷來清潔 噴嘴前端。
_將打印頭(移液管)20的內(nèi)外吹干。
-打印頭20移動到第一流體23的容器的中央。打印頭20向下移動，直到其浸入到流體23內(nèi)，并且再次將第一流體23吸入。 -將小滴計(jì)數(shù)器設(shè)置為零。
_檢査小滴發(fā)射，并將有關(guān)小滴體積和直線度的相關(guān)數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)移到 打印機(jī)軟件。
_在打印頭(移液管)未通過測試的情況下，必須執(zhí)行完整的清潔流
程。所述完整的清潔流程類似于流體的改變。
遵循下述協(xié)議執(zhí)行從第一流體23到第二流體23a的流體改變
-打印頭(移液管)移動到第一流體23的容器的中央。
-將移液管20內(nèi)的剩余的量的流體23沖回到容器內(nèi)。
_打印頭20移動到第一清潔流體容器的中央。Z臺架52使移液管20
向下移動，直到噴嘴21浸入到第一清潔流體內(nèi)為止。
-抽吸第一清潔流體。通過定時(shí)或者聲學(xué)測試來控制移液管的貯存器
的填充程度。
-Z臺架提升移液管，并將其移動到廢液容器的中央。
-片刻之后，即，為移液管內(nèi)壁上的污染物的擴(kuò)散留出時(shí)間之后，將 第一清潔流體排放到廢液容器內(nèi)。
-采用預(yù)定數(shù)量的清潔流體重復(fù)這一流程。需要多少清潔步驟取決于 所要噴墨打印的流體之間的交叉污染特性。
_打印頭(移液管)移動到噴嘴前端清潔站。Z臺架使移液管降低到清 洗槽內(nèi)。
-利用超聲清洗設(shè)備121，例如，Philips Sonicare電動牙刷來清潔 噴嘴前端。
-將移液管內(nèi)外吹干。
_移液管移動到具有第二流體23a的容器的中央，并開始第二流體23a 的填充流程。
權(quán)利要求
1、一種通過向基板(40)上釋放多種物質(zhì)(23，23a，23b)而制造生物檢定基板(40)的噴墨裝置(10)，所述裝置(10)包括打印設(shè)備(20，21)、檢測設(shè)備(90)、填充設(shè)備(100)和清潔設(shè)備(120)，并且其中，所述噴墨裝置(10)還包括用于自動化生產(chǎn)的控制設(shè)備(140)，從而使所述生物檢定基板(40)的制造對多種誤差源具有容差性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，可檢測誤差源包括 所述基板(40)未對準(zhǔn)和/或所述打印設(shè)備(20， 21)出現(xiàn)故障和/或所述 打印設(shè)備(20， 21)內(nèi)的物質(zhì)(23， 23a， 23b)短缺和/或所述物質(zhì)(23， 23a， 23b)的種類出現(xiàn)誤差。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述打印設(shè)備(20， 21)至少包括具有用于噴射小滴(22)的噴嘴(21)的打印頭(20),并且 其中，所述檢測設(shè)備(90)包括檢測攝像機(jī)(30)，將所述檢測攝像機(jī)(30) 布置為，在所述小滴(22)從所述噴嘴(21)中噴射出來之后，通過所述 檢測攝像機(jī)(30)檢測所述小滴(22)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述打印設(shè)備(20， 21)至少包括具有用于噴射小滴(22)的噴嘴(21)的打印頭(20)，并且 其中，所述檢測設(shè)備(90)包括至少一個(gè)對準(zhǔn)攝像機(jī)(45)，其用于使所述 打印頭(20)的位置相對于所述基板(40)對準(zhǔn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述清潔設(shè)備(120) 包括超聲清潔設(shè)備(121)，尤其是超聲牙刷，所述超聲清潔設(shè)備(121)用 于至少部分地清潔所述打印設(shè)備(20， 21)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴墨裝置(10)，其中，將所述清潔設(shè)備(121) 設(shè)置為，通過施加軟聲波振動，尤其是相對較低頻率的超聲振動來清潔所述打印設(shè)備(20， 21)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，尤其通過測量所述 物質(zhì)(23， 23a， 23b)的粘度而使所述物質(zhì)(23， 23a， 23b)可相互區(qū)分 開。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴墨裝置(10)，其中，打印設(shè)備(20， 21) 至少包括打印頭(20)，該打印頭(20)包括用于噴射小滴(22)的噴嘴(21) 和換能器，其中，將所述檢測設(shè)備(90)設(shè)置為，利用對所述換能器的性 態(tài)的檢測而使所述物質(zhì)(23， 23a， 23b)可相互區(qū)分開。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置，其中，所述噴墨裝置(10)包括 多噴嘴打印頭(20)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述噴墨裝置(10) 還包括打印臺(50)、打印橋(51)、打印頭支架(51')和固定板(55)， 其中，所述打印頭支架(51')利用三個(gè)線狀臺架而可相對于所述固定板(55) 沿第一、第二和第三方向(X方向、Y方向、Z方向)移動。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的噴墨裝置(IO)，其中，使所述打印橋(51) 相對于所述打印臺(50)固定，其中，所述固定板(55)可相對于所述打 印橋(51)沿所述第一和第二方向(X方向，Y方向)移動，其中，所述打 印頭支架(51')可相對于所述打印橋(51)沿所述第三方向(Z方向)移 動。
12、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的噴墨裝置(IO)，其中，使所述打印橋(51) 相對于所述打印臺(50)固定，其中，所述固定板(55)可相對于所述打 印橋(51)沿所述第一方向(X方向)移動，其中，所述打印頭支架(51') 可相對于所述打印橋(51)沿所述第二和第三方向(Y方向，Z方向)移動。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的噴墨裝置(10)，其中，所述第一方向(X 方向)、所述第二方向(Y方向)和所述第三方向(Z方向)相互垂直。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述基板(40)為 平坦基板、結(jié)構(gòu)化基板、涂覆基板或多孔膜(41)，優(yōu)選為尼龍膜。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述基板(40)包 括多個(gè)基板區(qū)域(41)，每一所述基板區(qū)域(41)優(yōu)選是由膜支架(44)支 撐的單獨(dú)的膜(41)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，所述基板(40)包 括多個(gè)基板位置(42， 42a， 42b)，所述基板位置(42， 42a， 42b)相互隔 開的距離至少是定位在所述基板位置(42， 42a， 42b)中的一個(gè)上的小滴(22)的平均直徑(43)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴墨裝置(10)，其中，多個(gè)小滴(22)在 一個(gè)基板位置(42， 42a， 42b)上疊置。
18、 一種通過采用噴墨裝置(10)向基板(40)上釋放多種物質(zhì)(23， 23a， 23b)而制造生物檢定基板(40)的方法，所述噴墨裝置(10)包括 打印設(shè)備(20， 21)、檢測設(shè)備(90)、填充設(shè)備(100)、清潔設(shè)備(120) 和控制設(shè)備(140),其中，以質(zhì)量可控的方式執(zhí)行所述生物檢定基板(40) 的自動化生產(chǎn)，從而在基板(40)的制造過程中檢測到多個(gè)不同的誤差源。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，可檢測誤差源包括所述基板 (40)未對準(zhǔn)和/或所述打印設(shè)備(20， 21)出現(xiàn)故障和/或所述打印設(shè)備 (20， 21)內(nèi)的物質(zhì)(23， 23a， 23b)短缺和/或所述物質(zhì)(23， 23a， 23b)的種類出現(xiàn)誤差。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述噴墨裝置(10)至少包括具有用于噴射小滴(22)的噴嘴(21)的打印頭(20)，其中，通過所述 檢測設(shè)備(90)檢測所述打印過程的故障，并將相關(guān)基板(40)標(biāo)記為不 合格，其中，所述打印過程的所述故障導(dǎo)致所述小滴(22)的體積不正確 和/或所述小滴(22)的速率不正確和/或所述小滴(22)的飛行軌跡的直 線度不正確和/或所述小滴(22)的缺失和/或錯(cuò)誤的物質(zhì)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述清潔設(shè)備(120)包括 超聲清潔設(shè)備(121)，尤其是超聲牙刷，所述超聲清潔設(shè)備(121)用于至 少部分地清潔所述打印設(shè)備(20， 21)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述清潔設(shè)備(121)用于 通過施加軟聲波振動，尤其是相對較低頻率的超聲振動來清潔所述打印設(shè) 備(20，
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于通過向基板上釋放多種物質(zhì)而制造生物檢定基板的噴墨裝置(10)，所述裝置包括打印設(shè)備(20)、檢測設(shè)備(30，32，45，45’)、填充設(shè)備和清潔設(shè)備(120)，并且其中，所述噴墨裝置還包括用于自動化生產(chǎn)的控制設(shè)備，從而使所述生物檢定基板的制造對多種誤差源表現(xiàn)出容差性。
文檔編號B01L99/00GK101316652SQ200680044713
公開日2008年12月3日 申請日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者A·H·J·伊明克, A·J·J·維斯曼斯, A·T·A·M·拉伊馬克斯, A·派里克, J·F·迪克斯曼, L·J·C·范登貝瑟勒, M·M·維爾號特, R·G·F·A·費(fèi)爾貝克, R·J·M·施羅德斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司