(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
親水性の第１の基板を親水性の第２の基板に接合するための装置であって、
第１のローラと、
前記第１のローラに係合してニップを形成するように構成されている第２のローラと、
前記第１のローラに動作可能に接続されており、前記第１のローラを、前記第２のローラの第２の温度よりも高い第１の温度まで加熱するように構成されている第１のヒータと、
前記第１の基板および第２の基板を、前記ニップを通じて同時に移動させるように構成されている基板搬送装置と、
前記第１のヒータおよび前記基板搬送装置に動作可能に接続されているコントローラであって、前記コントローラは、
前記第１のローラを前記第１の温度まで加熱するように前記第１のヒータを作動させ、
所定のパターンにある疎水性材料が前記第１の基板を前記第２の基板に接合することを可能にするために、前記第１の基板の前記第１の面上の前記疎水性材料の前記所定のパターンが前記第２の基板の第１の面に係合し、前記第１の基板の第２の面が前記第２のローラに係合し、前記第２の基板の第２の面が前記第１のローラに係合した状態で、前記ニップを通じて、前記第１の基板および前記第２の基板を移動させるように、前記基板搬送装置を操作し、
前記疎水性材料を液化して、前記疎水性材料の第１の部分が前記第１の基板に浸透し、前記疎水性材料の第２の部分が前記第２の基板に浸透することを可能にするための、前記ニップ内の温度勾配を生成するために、前記第１のローラを前記第１の所定の温度まで加熱するように前記第１のヒータを操作するように構成され、前記第２の部分は前記第１の部分よりも大きい、コントローラと
を備える、装置。
【請求項２】
前記ニップ内の前記温度勾配は、前記第１のローラにおける９０℃と、前記第２のローラにおける２０℃〜４０℃との間である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のローラの前記第１の所定の温度は６５℃〜１４０℃である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記疎水性材料は相変化インクを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のローラは、前記ニップが前記ニップ内の前記疎水性材料に圧力を加えることを可能にし、前記第１の基板を前記第２の基板に接合するように、所定の圧力で前記第１のローラに係合するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のローラと前記第２のローラの少なくとも１つに動作可能に接続されているアクチュエータを備え、
前記コントローラは、前記アクチュエータに動作可能に接続され、さらに、前記第１の基板及び前記第２の基板の所定の部分が、０．１秒から１０秒の範囲で前記ニップに残ることを可能にする所定の速度で、第１のローラ及び第２のローラが回転するように前記アクチュエータを作動させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
親水性の第１の基板を親水性の第２の基板に接合する方法であって、
コントローラを用いて第１のローラを第１の温度まで加熱するように第１のヒータを作動させるステップと、
前記コントローラを用いて、ニップを形成するために第２のローラを前記第１のローラに係合させるステップであって、前記第２のローラは前記第１の温度よりも低い第２の温度を有する、係合させるステップと、
前記コントローラを用いて、
所定の印刷パターンにある疎水性材料が前記第１の基板を前記第２の基板に接合することを可能にするために、前記第１の基板の前記第１の面上の前記疎水性材料の前記所定の印刷パターンが前記第２の基板の第１の面に係合し、前記第１の基板の第２の面が前記第２のローラに係合し、前記第２の基板の第２の面が前記第１のローラに係合した状態で、前記ニップを通じて、前記第１の基板および前記第２の基板を移動させるように、基板搬送装置を操作するステップと、
前記コントローラを用いて、前記疎水性材料を液化して、前記疎水性材料の第１の部分が前記第１の基板に浸透し、前記疎水性材料の第２の部分が前記第２の基板に浸透することを可能にするための、前記ニップ内の温度勾配を生成するために、前記第１のローラを前記第１の所定の温度まで加熱するように、前記第１のヒータを操作するステップであって、前記第２の部分は前記第１の部分よりも大きい、操作するステップと
を含む、方法。
【請求項８】
前記ニップ内の前記温度勾配は、前記第１のローラにおける９０℃と、前記第２のローラにおける２０℃〜４０℃の範囲との間である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のローラの前記第１の所定の温度は６５℃〜１４０℃である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記疎水性材料は相変化インクを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２のローラは、前記ニップが前記ニップ内の前記疎水性材料に圧力を加えることを可能にし、前記第１の基板を前記第２の基板に接合するように、所定の圧力で前記第１のローラに係合するように構成されている、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記コントローラを用いて、前記第１の基板及び前記第２の基板の所定の部分が、０．１秒から１０秒の範囲で前記ニップに残ることを可能にする所定の速度で、第１のローラ及び第２のローラが回転するようにアクチュエータを操作するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
流体の拡散を導くように構成されている化学分析デバイスであって、
生物医学的流体試料を受け取るように構成されている所定の位置を有する第１の面を備える親水性の第１の基板と、
前記第１の基板を通じて拡散する前記生物医学的流体試料から流体を受け取るために前記第１の基板の第２の面に係合する第１の面を有する親水性の第２の基板と、
前記第１の基板を前記第２の基板に接合するために前記第１の基板および前記第２の基板に浸透する疎水性材料であって、前記疎水性材料の第１の部分は前記第１の基材に浸透し、前記疎水性材料の第２の部分は前記第２の基板に浸透し、前記第２の部分は前記第１の部分より大きい疎水性材料と
を備える、化学分析デバイス。
【請求項１４】
前記第１の基板及前記第２の基板は紙を含む、請求項１３に記載の化学分析デバイス。
【請求項１５】
前記疎水性材料は、前記疎水性材料によって浸透される前記第１の基板及び前記第２の基板の部分を通じた前記生物医学的流体試料の拡散を防ぐ疎水性材料を含む、請求項１４に記載の化学分析デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して基板をともに接合するためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、多層化学分析または生物医学的試験デバイスを形成するために紙基板の層を接合するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙ベースの化学分析デバイスは、紙基板と、紙の中に流体チャネルおよび他の流体構造を形成するワックスと、１つまたは複数の試薬とを含む。紙ベースの化学分析デバイスの一般的な例は、紙から作成され、血液、尿および唾液のような試験流体における生化学分析および診断を実施する生物医学的試験デバイスを含む。これらのデバイスは小さく、軽量で低コストであり、少し例を挙げるだけでも健康管理、軍事および国土安全保障における診断デバイスとしての潜在的な用途を有する。
【０００３】
多くの紙ベースの診断デバイスは、化学試薬と、分析を実施するために、生体液の拡散を、多孔性紙を通じて化学試薬が生体液と反応する１つまたは複数の部位へと導くためのチャネルを形成する、ワックスまたは相変化インクのような、疎水性材料とを埋め込まれている複数層の紙から形成される。適切に整列されると、複数層の紙は、流体のための三次元経路がセンサ内の試験部位に達することを可能にし、これによって、単一層の紙の中の二次元構成と比較して、種々の分析のためのより多数の試験部位が、所与のサイズのデバイス内に形成されることを可能にする。加えて、試験デバイス中のいくつかの化学薬品は、空気または他の環境汚染物に対して反応しやすい。ワックスまたは別の疎水性材料の任意選択のコーティングを施されている複数層の紙は、汚染を防止するために、試験デバイスの部分を環境から分離する。
【０００４】
複数層の紙または別の基板から形成される既存の生物医学的デバイスは、複数の基板層をともに接着するために、基板間に配置される接着層を使用する。たとえば、図６は、接着フィルムの複数の対応する層５０８Ａ〜５０８Ｃを用いてともに接合されている複数の紙層５０４Ａ〜５０４Ｄの拡大図を示す。接着フィルムの各層は、たとえば、両面接着テープである。接着フィルム層は、１層の基板層からの液体が接着材を通過して別の基板層に達することを可能にする穴、チャネル、および他の穿孔を含む。たとえば、層５０４Ａ内の領域５２０に与えられる流体は、接着層５０８Ａ内の対応する開口５２４を通過して、基板層５０４Ｂ内の対応する流体チャネル領域５２８に達する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従来技術の生物医学的センサに使用される別個の接着層は、製造過程中および生物医学的センサの使用中に欠点を有する。製造中、接着層は、当該接着層を包囲する２つの基板層内の開口のサイズ、形状、および位置に一致する開口を有して形成されなければならない。それらの開口を形成すること、および基板層を接着層と整列させることによって製造過程の複雑度が増大する。使用中、生物医学的センサは種々の生体液を受け取る。いくつかの事例において、生体液は、接着層内の接着材と化学的に反応しやすい。流体と接着剤との間の反応によって、生物医学的センサが汚染され、分析結果の精度が低減するおそれがある。それゆえ、多層生物医学的センサおよび他の多層デバイスの製造過程および構造に対する改善が有益である。
【０００６】
基板の接合を制御する装置の上記の態様および他の特徴は、添付の図面とともに取り上げられる、以下の記載において説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、２つの基板をともに、それらの基板のうちの一方に堆積される疎水性材料を用いて接合するように構成されている装置の図である。
【図２】図２は、２つの基板が図１の装置のニップにおいてともに接合されるときの、液相にある疎水性材料の流れを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、基板の表面上に形成されている疎水性材料によってともに接合されている複数の基板を含む多層生物医学的試験デバイスの拡大図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、基板をともに接合し、紙基板を通じた流体の拡散を制御するチャネルを形成するために疎水性材料でコーティングされている複数の個々の紙基板からの多層生物医学的試験デバイスの形成を示す図である。
【図４】図４は、疎水性材料を使用して複数の基板をともに接合するための過程のブロック図である。
【図５】第１の基板に接合されている別の基板を除去した後の、第１の基板への疎水性材料の浸透を示す図である。
【図６】中間接着層を用いてともに接合されている生物医学的試験デバイスの層を示す従来技術の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書に開示するシステムおよび方法に関する環境ならびにシステムおよび方法に関する詳細の全般的な理解のために、図面を参照する。図面において、同様の参照符号は全体を通じて同様の要素を指定するために使用されている。本明細書において使用される場合、「プリンタ」という単語は、デジタル複写機、製本機、ファクシミリ装置、多機能機などのような、媒体上の着色剤を用いて画像を生成する任意の装置を包含する。下記の記載において、プリンタは、溶融ワックス、相変化インク、または他の疎水性材料を、紙のような多孔性基板上に堆積するようにさらに構成される。プリンタは任意選択的に、基板に温度勾配および圧力を加えるように構成されており、これによって、疎水性材料が拡散し、疎水性材料が多孔性基板内に浸透して、水を含む液体の基板を通じた毛細管流動を制御するチャネルおよびバリアを形成することが可能になる。
【０００９】
本明細書において使用される場合、「親水性材料」および「親水性基板」という用語は、水を吸収し、毛細管作用を介して材料を通じて水が拡散することを可能にする材料を指す。親水性基板の１つの一般的な例が、セルロースろ紙、クロマトグラフィ紙、または任意の他の適切なタイプの紙のような、紙である。親水性基板は、水、ならびに、血液、尿、唾液、および他の生体液のような、水を含む他の生体液が、基板内に拡散することを可能にする多孔性材料から形成される。下記に記載するように、疎水性材料が親水性基板に埋め込まれて、親水性基板を通じた流体の拡散を制御するチャネルおよび他の構造を形成する。
【００１０】
本明細書において使用される場合、「疎水性材料」という用語は、水に対する癒着に抵抗し、毛細管運動を通じた水の流れに対して実質的に不浸透性である任意の材料を指す。紙のような多孔性基板に埋め込まれると、疎水性材料は、基板の、疎水性材料を含む部分を通じた水の拡散を阻害するためのバリアとして作用する。疎水性材料はまた、血液、尿、唾液、および他の生体液のような、水を含む多くの流体に対するバリアとしても作用する。下記に記載するように、疎水性材料が多孔性基板に埋め込まれて、限定ではないが、基板を通じた液体の毛細管拡散を制御する流体バリア、流体チャネル壁、および他の要素を含む疎水性構造を形成する。一実施形態において、基板はまた、流体試料の様々な特性を試験するのに使用される生化学試薬をも含む。疎水性材料は、化学試薬の堆積物を有する、基板の複数の異なる箇所に流体を導くためのチャネルを形成する。疎水性材料はまた、疎水性材料と流体との間の化学反応を低減するかまたはなくすために、チャネル内の流体に対して実質的に、化学的に不活性でもある。単一の流体試料に対する複数の生化学的試験を実施するための単純で低コストなデバイスを提供するために、単一の流体試料が基板内のチャネルを通じて拡散して、基板の複数の異なる箇所にある複数の異なる試薬と反応する。
【００１１】
本明細書において使用される場合、「相変化材料」という用語は、室温および標準気圧（たとえば、２０℃および１気圧）において固相を有し、上昇した温度および／または気圧レベルにおいて液相を有する一形態の疎水性材料を指す。本明細書において使用される相変化材料の例は、ワックスおよび相変化インクを含む。本明細書において使用される場合、「相変化インク」という用語は、室温においては実質的に固体であるが、上昇した温度においては軟化および液化するインクの形態の、疎水性相変化材料の一タイプを指す。いくつかのインクジェットプリンタは、相変化インクの液化した滴を、回転ドラムまたはエンドレスベルトのような間接受像面上に吐出して、インク潜像を形成する。インク潜像は、紙シートのような基板に転写される。他のインクジェットプリンタは、インク液滴を、紙シートまたは長いロール紙のような印刷媒体上に直接吐出する。液体状態において、相変化材料は、紙のような多孔性基板に浸透することができる。流体チャネルおよび親水性基板内の他の疎水性構造の形成に使用するのに適切である相変化インクの例は、コネティカット州ノーウォーク所在のＸｅｒｏｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって市販されている固体インクを含む。
【００１２】
後述するように、２つの基板が、相変化疎水性材料に温度勾配および圧力を加える２つのローラの間のニップを通過する。相変化材料は、液相に遷移し、両方の基板に浸透する。相変化材料はその後冷却し、固化して両方の基板をともに接合する。生物学的センサとともに使用するための、本明細書に記載する相変化材料の実施形態はまた、水および他の生体液の基板を通じた拡散に対するバリアを呈する疎水性材料でもある。相変化材料はまた、生物学的センサの実施形態において生体液に対して化学的に実質的に反応しない。しかしながら、代替的な実施形態において、２つの基板をともに接合する相変化材料は、必ずしも疎水性材料ではない。
【００１３】
本明細書において使用される場合、「滞留時間」という用語は、２つ以上の基板の所与の部分が、基板をともに接合する熱および圧力を受け取るために２つのローラの間に形成されるニップ内で過ごす時間量を指す。滞留時間の量は、ニップを形成するローラの表面積およびニップを通じた基板の直線速度に関係する。滞留時間は、相変化材料が基板に浸透して基板をともに接合することを可能にするように選択される。選択される滞留時間は、基板の厚さおよび多孔率、ニップ内の温度勾配、ニップ内の圧力、ならびに、基板をともに接合する相変化材料の粘度特性に基づいて変化し得る。ローラが大きくなるほど、一般的により大きい表面積を有するニップが形成される。したがって、ローラ径がより大きい接合装置の実施形態は、ローラ径がより小さい他の実施形態と同じ滞留時間を達成するのに、より高い直線速度で動作する。
【００１４】
従来のインクジェットプリンタにおいて、相変化インクは基板の片面に転写され、オプションとして、両面印刷動作において、複数の異なる相変化インク画像が基板の両面に転写される。プリンタは基板の表面上に相変化インク液滴を拡散させ、相変化インク画像は印刷媒体の表面上で冷却および固化して印刷画像が形成される。一方、下記に記載する実施形態は、基板の表面上の相変化インクまたは別の相変化疎水性材料に熱および圧力を加えて、相変化材料が基板内の多孔性材料を通じて浸透することを可能にして、基板の厚さを通じて、基板を通じた流体の拡散を制御する三次元バリアを形成する。
【００１５】
図１は、２枚の紙のような２つの基板に熱および圧力を加えて、基板の一方の上に形成されている疎水性材料が、両方の基板の多孔性材料の中に流れ込んで基板をともに接合することを可能にするための装置１００を示す。いくつかの実施形態において、装置１００は、インクジェット印刷システムに組み込まれる。
【００１６】
図１において、装置１００は、第１のローラ１０４と、第２のローラ１０８と、ローラヒータ１１２と、回転アクチュエータ１１６と、基板ヒータ１２０と、コントローラ５０とを含む。第１のローラ１０４および第２のローラ１０８はニップ１０６において互いに係合する。装置１００内で、機械式、空気圧式、または液圧式アクチュエータが、ローラ１０４および１０８をともに保持して、可変レベルの圧力を有するニップ１０６を形成して、ニップ１０６を通過する１つまたは複数の基板に圧力を加える。いくつかの実施形態において、アクチュエータはまた、ローラ１０４および１０８を動かして係合させてニップ１０６を形成するか、または係合を解除する。回転アクチュエータ１１６は、たとえば、第１のローラ１０４を選択される速度の範囲内で回転させる電気モータである。第２のローラ１０８は、第１のローラ１０４に係合すると、第１のローラ１０４の動きに応答して回転する。
【００１７】
装置１００において、基板搬送装置は、矢印１３０が示す方向に基板を推進して、ニップ１０６を通過させる。基板搬送装置は、１つまたは複数のアクチュエータおよびベルトと、ローラと、ローラ１０４および１０８の動きに同期してニップを通じて基板を移動させる他の搬送デバイスとを含む。第１のローラ１０４および第２のローラ１０８は、ニップ１０６を通じて基板を推進する基板搬送システムの一部である。装置１００がインクジェットプリンタに組み込まれる一実施形態においては、プリンタ内の基板搬送システムが基板を搬送する。いくつかのインクジェットプリンタは、第１のローラ１０４から基板の一方の面上に疎水性材料を受け取るためにニップ１０６を通じて基板を動かし、疎水性材料を受け取った面を第２のローラ１０８に係合させるように、ニップ１０６を通じて基板を返す両面基板搬送装置を含む。
【００１８】
装置１００は、ローラ１０４の表面を上昇した温度の範囲まで加熱するローラヒータ１１２を含む。後述するように、ヒータ１１２は、疎水性材料が基板に浸透することを可能にし、任意選択のインクジェットプリンタの実施形態において、疎水性材料から形成される潜像を基板の表面上に転写するために、ローラ１０４をローラ１０４の異なる表面温度まで加熱する。基板ヒータ１２０は、ニップ１０６の前の基板搬送装置を通じた基板の経路に沿って位置付けられる別のヒータである。基板ヒータ１２０は、基板がニップ１０６を通過するときに、基板の温度を所定の温度まで上昇させる。一実施形態において、基板ヒータ１２０は、基板がニップ１０６に近づくときに基板を６０℃まで加熱する。ローラヒータ１１２および基板ヒータ１２０は、装置１００内の電気放射ヒータとして具現化される。
【００１９】
装置１００において、コントローラ５０は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）およびデジタルメモリを有するものを含む、自己完結型専用デジタルコンピューティングデバイスである。コントローラ５０は、装置１００内の他の構成要素の中でも、アクチュエータ１１６およびヒータ１１２に動作可能に接続される。動作中、コントローラ５０は、１つまたは複数の基板の面上に形成される疎水性材料のパターンに対応するデジタル画像データを受信する。疎水性材料は、紙のような親水性基板を通じた流体試料の拡散を制御するバリアおよび流体チャネルを形成する。加えて、疎水性材料の領域が、基板の面をコーティングして、基板および積層多層デバイス内の他の基板を汚染からシールする。
【００２０】
コントローラ５０は、装置１００内の１つまたは複数の構成要素の動作を制御するためのプログラム命令を実行する汎用または専用プログラム可能プロセッサを用いて実装される。プログラムされた機能を実施するのに必要とされる命令およびデータは、プロセッサまたはコントローラと関連付けられるメモリ内に記憶される。コントローラ５０内のこれらの構成要素は、プリント回路カード上に設けられるか、または、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）内の回路として提供される。それらの回路の各々が別個のプロセッサを用いて実装され得るか、または、複数の回路が同じプロセッサ上に実装される。代替的な構成において、それらの回路は、超大規模集積（ＶＬＳＩ）回路内の個別の構成要素または回路を用いて実装される。また、本明細書に記載する回路は、プロセッサ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、または個別の構成要素の組合せを用いて実装することができる。
【００２１】
図３Ａは、多層化学分析デバイス内の複数の異なる基板層上に形成される印刷疎水性層の例を示す。図３Ａの実施形態において、化学分析デバイスは、堆積箇所、および、化学試薬が流体と反応する種々の箇所に流体を導くための疎水性材料から形成される流体チャネルを含む生物医学的試験デバイス３５０として具現化される。デバイス３５０は、４つの基板層３５４、３５８、３６２、および３６６を含む。層３５４は、装置１００が疎水性材料から形成する領域３５５と、裸の紙基板から形成され生物医学的流体の液滴を受け取る堆積部位３５６とを有する入口層である。領域３５５内の疎水性材料は、生物医学的デバイス３５０を一方の面からシールし、堆積部位３５６上に配置される生物医学的流体の拡散を制御する。装置１００は、図３に示すように、疎水性材料の種々の印刷構成を層３５８、３６２、および３６６上に堆積する。層３５８および３６２は、層３５２からの流体を層３６６内の種々の試験部位に導く中間流体チャネルを形成する。たとえば、試験部位３６８は、血液試料中のタンパク質レベルについて試験する化学試薬を含み、試験部位３７０は、血液試料中のブドウ糖レベルについて試験する化学試薬を含む。基板層３６６上の印刷構成は、試験部位間の流体の拡散を防止するためのバリアを形成し、基板層３６６が基板層３６４に接合されることを可能にする。
【００２２】
図１を参照すると、装置１００は動作モードにおいて示されており、この動作モードにおいて、すでに一方の面１５６上に疎水性材料１４０を有する基板１５２が、別の基板１７２とともにニップ１０６を通過し、ニップにおいて、疎水性材料１４０が、ニップ１０６内で液化して基板１５２および１７２をともに接合することを可能にするために、圧力および温度勾配が両方の基板１５２および１７２に加えられる。基板１５２および１７２は、基板１５２の面１６０がローラ１０４に係合し、印刷パターン１４０を有する面１５６が基板１７２の面１８０に係合し、基板１７２の別の面１７６が第２のローラ１０８に係合した状態で、ニップ１０６を通じて移動する。図１の実施形態において、基板搬送装置が、２枚の紙を共通の辺に沿って整列させるなど、基板１５２および１７２の両方を基板シートの辺に沿って整列させる。インクジェット印刷システム（図示せず）または別の適切なデバイスが、２つの媒体シートが辺において整列され、ニップ１０６を通されるときに、媒体シートの間で対応する流体チャネルおよび疎水性材料の印刷領域を整列させるのに十分な精度でパターンを形成する。
【００２３】
図１において、ローラヒータ１１２は、第１のローラ１０４の表面を約１００℃の温度まで加熱する。第２のローラ１０８の表面は、約２０℃〜４０℃のより低い温度のままである。動作中、より低い温度を維持するために、アクチュエータ（図示せず）が、基板がニップ１０６を通じて移動していない動作期間の間、第２のローラ１０８をニップ１０６から取り外す。第２のローラ１０８が第１のローラ１０４から何らかの熱エネルギーを受け取っている間、第２のローラ１０８を第１のローラ１０４から分離することによって、第２のローラ１０８が第１のローラ１０４より低い温度にあるままになって、基板がニップ１０６を通過するときの温度勾配を形成することが可能になる。基板を接合するための材料として疎水性相変化インクを使用する他の実施形態において、第１のローラの表面は６５℃〜１４０℃の範囲内の上昇した温度まで加熱されるが、異なる疎水性材料組成には他の温度範囲が適切である場合がある。
【００２４】
装置１００において、第２のローラの表面温度は、範囲内の選択されるいかなる温度範囲についても、第１のローラの表面温度よりも低いままである。ローラ１０４と１０８との間における表面温度が異なることによって、基板１５２および１７２がニップ１０６を通じて移動するときに、ニップ１０６内に温度勾配が形成される。基板１５２の面１６０は、ニップ１０６内で基板１７２の面１７６よりも高い温度まで加熱される。ニップ１０６内に形成される温度勾配は、疎水性材料１４０がより高温のローラ１０４に向かって、当該疎水性材料１４０が基板１７２内に浸透するよりも大きい度合いまで基板１５２内に浸透することを可能にする。疎水性材料１４０は、基板１５２および１７２をともに接合するのに十分な度合いまで、両方の基板に浸透する。第１のローラ１０４および第２のローラ１０８はまた、図１の実施形態において、８００ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）〜３，０００ＰＳＩの範囲内で選択されるニップ圧力で、基板１５２および疎水性材料１４０に加圧する。
【００２５】
動作中、アクチュエータ１１６は、疎水性材料１４０が基板１５２および１７２に浸透するのに十分な滞留時間を与える速度においてニップ１０６を通じて基板１５２を移動させるための所定の直線速度において、第１のローラ１０４を回転させる。直線速度は、基板１５２および１７２の各部分が、０．１秒〜１０秒の間の所定の滞留時間にわたってニップ１０６内にあるままであることを可能にするように選択される。上述のように、ローラ１０４および１０８のサイズおよび表面積がニップのサイズに影響を与え、コントローラ５０は、第１のローラ１０４および第２のローラ１０８の直線速度を、基板および基板を接合する疎水性材料のタイプに基づいて選択される所定の滞留時間を生成するように調整するように、アクチュエータ１１６を操作する。
【００２６】
図２は、疎水性材料１４０の基板１５２および１７２内への浸透をより詳細に示す。ニップ１０６における温度上昇および圧力によって固化疎水性材料１４０が溶融し、両方の基板１５２および１７２の多孔性材料内に延伸する領域２１２が示すように、液化疎水性材料が基板１５２および１７２の多孔性材料内へ水平および垂直の両方向に拡散する。液化疎水性材料の拡散距離Ｌは、ウォッシュバーンの式
【００２７】
【数１】
0006448473.tif 000002
【００２８】
によって与えられ、式中、γは溶融疎水性材料１４０の表面張力であり、Ｄは基板１５２および１７２内の細孔の孔径であり、ｔは、疎水性材料１４０が液化したままである時間量であり、ηは溶融疎水液の粘度である。表面張力γおよび粘度ηの項は、疎水性材料１４０の特性から経験的に求められる。孔径Ｄは、紙または基板１５２および１７２を形成する他の親水性材料のタイプから経験的に求められる。要件ではないが、基板１５２および１７２は図２の実施形態においては同じ孔径Ｄを有する。
【００２９】
ウォッシュバーンの式において上記に記載したように、拡散距離Ｌは、疎水液の粘度ηに反比例する。装置１００は、ニップ１０６においてもたらされる温度勾配、および、滞留時間ｔによって、疎水性材料および基板が移動するときに疎水性材料の粘度ηを直接または間接的に制御する。ワックスまたは相変化インクのような疎水性材料は、材料の温度および疎水性材料に加えられる圧力に基づいて、様々な粘度レベルを有する液体状態に遷移する。液化疎水性材料の粘度は、材料の温度に逆相関する。ニップにおける温度勾配によって、基板１５２の面１６０およびローラ１０４付近のより高温の領域にある疎水性材料の粘度が、基板１７２のより低温の面１７６およびより低温のローラ１０８よりも高い度合いだけ低減する。
【００３０】
当該技術分野において既知であるように、ニップ１０６において加えられる圧力も、疎水性材料１４０の実効溶融温度を低減し、それによって、ニップ１０６内の疎水性材料１４０を溶融するのに必要とされる温度レベルが、標準気圧における溶融温度よりも低くなる。基板１５２および１７２がニップを出ると、圧力レベルは急速に降下し、これによって、疎水性材料１４０がより急速にかつ制御された様態で固化状態に戻って、基板１５２および１７２を接合することが可能になる。ニップ１０６を通じた基板１５２および１７２の直線速度も、疎水性材料１４０が液体状態で過ごす時間量に影響を与える。
【００３１】
ニップ１０６において、温度勾配は、溶融疎水性材料１４０の異方性加熱を可能にする。面１６０上の第１のローラ１０４の温度がより高いことによって、より高温の第１のローラ１０４付近の疎水性材料１４０の粘度ηが、より低温の第２のローラ１０８付近の疎水性材料１４０の粘度よりも大きい度合いまで低下する。したがって、温度勾配によって、疎水性材料１４０が基板１５２の多孔性材料内へ、面１７６に向かう基板１７２内への疎水性材料の流れよりも、面１６０に向けてより長い距離にわたって流れることが可能になる。領域２１２において、矢印２２０は、方向２２８における、より低温のローラ１０８に向かう基板１７２内への比較的短い流れと比較した、より高温のローラ１０４に向かう疎水性材料の流れのより長い距離を示す。温度勾配はまた、矢印２２４が示すような、基板１５２および１７２の長さに沿った疎水性材料１４０の水平の流れも低減する。ニップ１０６内の温度勾配は、疎水性材料１４０が、液相に遷移し、両方の基板１５２および１７２内に浸透して基板をともに接合することを可能にする。図２の例において、疎水性材料１４０は、面１５２から面１６０へと貫通する。疎水性材料の貫通によって、疎水性材料が、基板１５６を通じてバリアおよび流体チャネルを形成することが可能になる。基板１７２内への浸透が低減されることによって、疎水性材料１４０が、第２の基板１７２内の疎水性材料の追加の層から形成される流体チャネルを遮断または他の様態で干渉することが防止されるが、疎水性材料１４０の十分な部分が第２の基板１７２に浸透して、基板１５２と１７２との間の堅固な接合を形成する。
【００３２】
図３Ｂは、装置１００を使用してデバイス３５０の複数の基板層をともに接合する過程を示す。図３Ｂにおいて、装置１００は基板３５４および３５８を通し、これらの基板はニップを通過して、接合層３６０が示すようにともに接合される。装置１００はその後、接合層３６０を、次の層３６２を有するニップを通じて移動させて３つの接合層３６４を形成し、装置は同様に継続して基板３６６を３つの接合層３６４に接合して、デバイス３５０を形成する。図３Ｂは、連続した基板層をともに接合してデバイス３５０を形成する単一の装置１００を示す。別の実施形態は、装置１００と同様である複数セットのローラを使用して、複数の基板層をともに接合する。
【００３３】
図３Ｂにおいて、基板層の少なくともいくつかは、複数の基板層をともに接合する疎水性材料に加えて、基板を通る流体チャネルを形成するための疎水性材料を含む。たとえば、基板層３５８は、基板の厚さを通じて中に形成される流体チャネル３５９を含む。装置１００における基板３５４と３５８との間の最初の接合過程の間、より高温の第１のローラ１０４が基板３５８に係合する。ニップ１０６内の異方性温度勾配が、基板３５８上の疎水性材料が基板３５８内に浸透して流体チャネルを形成することを可能にする。加えて、疎水性材料の一部分が、基板３５４および３５８の両方に浸透して、これらの基板をともに接合する。基板層３６２および３６６のための後続の接合動作中、追加の層が装置１００内のより高温のローラ１０４に係合している間に、以前に接合された積層がより低温の第２のローラ１０８に係合する。以前に接合された基板内に形成されている流体チャネルは、追加の層を接合してデバイス３５０を形成する後続の装置１００の通過によっては実質的に影響を受けない。
【００３４】
図４は、疎水性材料を使用して２つ以上の基板をともに接合するための過程４００のブロック図を示す。過程４００は、例示を目的として、図１および図２の装置１００、ならびに図３Ａおよび図３Ｂの生物医学的試験デバイス３５０と関連して説明される。
【００３５】
過程４００は、基板搬送装置としての装置１００が、印刷基板を第２の基板の第１の面と整列させると、開始する（ブロック４０８）。装置１００において、２つの基板は既存のプリンタデバイスにおいて使用されている基板取り扱いデバイスを使用して少なくとも２つの直交する辺に沿って整列される。辺に沿って基板を整列させることによって、異なる基板層内の疎水性材料の印刷パターンも互いと整列されて複数の基板層を通じてともに接続される流体チャネルが形成されることが保証される。
【００３６】
過程４００は、装置１００が２つの基板に、第１の基板の第２の面がより高温の第１のローラに係合し、第２の基板の第２の面がより低温の第２のローラに係合した状態でニップ１０６を通過させることによって継続する（ブロック４１２）。疎水性材料がニップ内で液化し、２つの基板をともに接合する。図１および図２は、接合過程をより詳細に示している。上述のように、ニップ内の、第１のローラのより高い温度から第２のローラのより低い温度への温度勾配が、液化疎水性材料が第１の基板に、第２の基板よりも大きい度合いまで浸透することを可能にする。
【００３７】
過程４００はデバイスを形成するのに使用される任意のさらなる基板について継続する（ブロック４１６）。過程４００の間、以前に接合された基板が、ブロック４０８および４１２の処理を参照して説明した第２の基板としてニップを通過される（ブロック４２４）。第１の基板は、以前に接合された基板層に接合されるさらなる層である。装置１００は、ブロック４０８〜４２４を参照して説明した処理の各反復の間にさらなる基板層を接合する。
【００３８】
すべての層がともに接合された後、装置１００は任意選択的に、接合過程の終わりに最後に接合された基板の第２の面上にさらなる疎水性材料パターンを印刷する（ブロック４２８）。疎水性材料のさらなる層は、残りの基板層に接合される最後の基板層の露出部分をシールする。たとえば、センサ３５０において、層３６６がセンサ３５０内の基板に接合される最後の層である場合、装置１００は任意選択的に、生物医学的試験デバイス３５０の裏の層３６６の露出面をシールする相変化インクのパターンを印刷する。生物医学的試験デバイス３５０において、試験部位はユーザに見える必要があるが、紙基板が露出している場合、試験部位は流体または空気によって汚染されることになるおそれがある。過程４００の一実施形態において、インクジェットプリンタまたは他のデバイスが、デバイス３５０が流体試料を分析するのに使用されるときに、試験部位３６８および３７０のような試験部位が見えるままであることを可能にしながら、層３６６の露出した下面を完全にシールする光学的に透明なワックスまたは相変化インクのコーティングを形成する。
【００３９】
別の実施形態において、過程４００は、犠牲基板層を用いて、センサ３５０のような接合基板スタックの外面上のシールを形成する。犠牲基板層は疎水性材料を用いてコーティングされ、基板層３６６の露出面のような、センサ３５０の外側に接合される。犠牲基板は、装置１００を通過した後、バイオセンサ３５０から剥離される。接合装置１００は、犠牲層とバイオセンサ３５０の露出層との間に弱い接合を形成し、犠牲層上に形成される疎水性材料の大部分は、バイオセンサ３５０の露出面に転写される。犠牲層はその後、バイオセンサ３５０を使用するときに手作業で、または自動的にのいずれかで剥離される。
【００４０】
図３は、堆積物３５６の周囲でバイオセンサ３５０内の基板３５４に接合される犠牲基板３７４を示す。犠牲基板３７４は、堆積部位３５６を遮断することなく犠牲基板３７４を基板３５４に接合する疎水性材料３７６の円形堆積物を含む。犠牲材料３７６は、犠牲基板のセンサ３５０内の基板層３５４からの手作業によるまたは自動的な分離を可能にするために、犠牲基板３７４の全面は被覆しない。図３には示されていないが、別の犠牲層が、任意選択的にセンサ３５０内の底部基板３６６に接合される。底部犠牲層は、反応部位３６８、３７０または基板層３６６内の任意の他の反応部位を被覆しない疎水性材料のパターンを受け取る。上述のように、犠牲層上に形成される疎水性材料は任意選択的に、センサ３５０の光学的に透明なワックスまたはインクであり、生物医学的分析のための反応部位３６８および３７０を含む基板層３６６の露出面は見えるままであるが、汚染から保護される。
【００４１】
バイオセンサおよび犠牲層は、犠牲層がより低温の第２のローラ１０８に係合し、センサ内の接合基板層３７２がより高温の第１のローラ１０４に係合した状態で装置１００を通過する。したがって、装置１００のニップ内の温度勾配が、図２の基板１５２と同様に、相変化インクを層３５４に向けて引き込む。疎水性材料が分散することによって、基板層３５４の表面に損傷を与えることなく基板３７４を基板層３５４から手作業でまたは自動的に分離することを可能にする、基板層３５４と犠牲基板３７４との間の比較的弱い接合が形成される。
【００４２】
図３は、犠牲基板層がより高温の第１のローラではなくより低温の第２のローラに係合する構成を示しているが、別の構成において、犠牲層は、犠牲基板層３７４と生物医学的試験デバイス３５０内の他の層との間の接合を形成するために、装置１００のより高温の第１のローラに係合する。この実施形態において、犠牲基板層３７４は、生物医学的試験デバイス３５０内の他の基板層と実質的に同じように他の基板層に接合される。後述するように、第１のローラの温度は、２つ以上の基板の間の接合の強度に影響を与える可能性がある。別の実施形態において、犠牲基板層３７４を接合する装置１００内の第１のローラは任意選択的に、犠牲基板層３７４と生物医学的試験デバイス３５０内の他の基板層との間のより弱い接合を形成するために、より高い温度まで加熱される。
【００４３】
図５は、第１の基板に接合された第２の基板を除去した後に第１の基板上に残される疎水性材料の一連の残留パターンを示す。残留パターン３８２、３８４、３８６、３８８、および３９０はニップ内で、それぞれ６９℃、７９℃、８２℃、９５℃、および１１０℃の温度を有する高温の第１のローラ１０４を用いて固定圧力において形成される。図５の例において、ニップ圧力は約２，５００ＰＳＩであるが、代替的な構成は８００ＰＳＩ〜３，０００ＰＳＩの圧力範囲を使用する。図５に示すように、基板に浸透する疎水性材料の量は、第１のローラの温度の対応する増大に応答して増大する。２つの基板をともに接合するために、疎水性材料を両方の基板内にいくらか浸透させることによって、接合を形成する。しかしながら、両方の基板に浸透する疎水性材料が多すぎる場合、２つの基板の間に残って接合を維持する疎水性材料が不十分になるため、基板間の接合が弱くなる。図５の実施形態において、６９℃の最低温度において形成されるパターン３８２が、疎水性材料のより大きい部分が２つの基板間に残るため、最大度の残留を示す。このレベルの残留は、２つの基板間のより強い接合を示す。図５に示すように、残留のレベルは、試料３８４、３８６、３８８、および３９０において第１のローラの温度が増大するにつれて低減する。
【００４４】
基板をともに接合することに加えて、疎水性材料はまた、いくつかの実施形態において流体チャネルを形成するためにも基板に浸透し、温度が増大することによって、疎水性材料が完全に基板に浸透する流体チャネルの形成が促進される。たとえば、図５において、それぞれ９５℃および１１０℃の第１のローラの温度によって形成される試料３８８および３９０は、第１の基板により大きく浸透する相変化パターンを示す。結果として、装置内の第１のローラのより低い動作範囲付近の温度は基板層間のより強い接合を形成するが、基板をともに接合するのに加えて流体チャネルを形成するために疎水性材料が基板に浸透する実施形態においては、選択される第１のローラの温度はより高い。図３に示すように、第１のローラの温度は一実施形態において、生物医学的試験デバイス３５０の実際の使用に耐える基板層間の接合も形成しながら、疎水性材料が生物医学的試験デバイス３５０内の基板層に浸透することを可能にする９０℃である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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