СИСТЕМА И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОФОБНЫХ СТРУКТУР В ПОРИСТОЙ ПОДЛОЖКЕ
SYSTEM AND METHOD FOR FORMING HYDROPHOBIC STRUCTURES IN POROUS SUBSTRATE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к системам и способам управления осаждением гидрофобного материала в пористой подложке и, в частности, к системам и способам формирования гидрофобного материала в бумаге в качестве части устройства для химического анализа для управления диффузией текучей среды сквозь бумагу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Устройства для химического анализа на основе бумаги содержат бумажную подложку, воск, который формирует каналы для текучей среды и другие структуры для текучей среды в бумаге, и один или большее количество реагентов. Общие примеры бумажных устройств для химического анализа включают биомедицинские приборы для испытаний, которые выполнены из бумаги и позволяют выполнять биохимический анализ и диагностику испытательных текучих сред, таких как кровь, моча и слюна. Устройства являются компактными, имеют небольшой вес и низкую стоимость, а также имеют потенциальное применение в качестве диагностических устройств в областях здравоохранения, вооруженных сил и национальной безопасности, для примера. Текущий уровень известного бумажного диагностического устройства ограничен разрешением, зависящим от свойств текучей среды, и технологической совместимостью по причине неуправляемого оплавления воскового канала после того, как воск нанесен печатанием на бумагу.
[0003] На фиг. 10A и 10B показаны известные способы оплавления воска, нанесенного на бумажную подложку, в печи оплавления. Способ оплавления необходим для обеспечения возможности проникновения воска в бумагу, вместо того, чтобы оставаться в форме слоя на поверхности бумаги. Как показано на фиг. 10A, печь оплавления нагревает бумажную подложку с отвержденным воском до температуры приблизительно 150°C. Вся бумага и воск нагреваются до одной и той же температуры изотропным способом. Как показано на фиг. 10B, воск плавится и распространяется в пористой бумаге и вдоль ее поверхности примерно равномерным способом. Известная печь оплавления не может управлять направлением потока расплавленного воска, и расплавленный воск имеет тенденцию к распространению вдоль поверхности бумаги в большей степени, чем это необходимо. В биомедицинском приборе для испытаний из воска сформированы линии и другие структуры, которые действуют в качестве барьеров и каналов для текучих сред, диффундирующих сквозь бумажную подложку. Неуправляемое распространение воска затрудняет формирование имеющих точные формы барьеров и каналов для текучих сред. Следовательно, имеется потребность в усовершенствовании системы управления потоком гидрофобного материала, наносимого на пористую подложку.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Согласно одному варианту реализации создано устройство, которое распределяет гидрофобный материал в подложке. Устройство содержит: первый валик; второй валик, выполненный с возможностью взаимодействия с первым валиком с формированием зазора; первый нагреватель, функционально связанный с первым валиком и выполненный с возможностью нагревания первого валика до первой температуры, которая больше чем вторая температура второго валика; и транспортер для подложки, выполненный с возможностью перемещения подложки через зазор с заданной скоростью для обеспечения возможности взаимодействия первого валика с первой стороной подложки и второго валика с второй стороной подложки, причем вторая сторона подложки несет на себе гидрофобный материал, который проникает в подложку в ответ на действие температурного градиента в зазоре между первым валиком и вторым валиком.
[0005] Согласно другому варианту реализации разработан способ распространения гидрофобного материала в подложке. Способ включает этапы, согласно которым: вызывают взаимодействие первого валика с вторым валиком с формированием зазора, нагревают первый валик посредством первого нагревателя, функционально связанного с первым валиком, нагревающего первый валик до первой температуры, которая больше чем вторая температура второго валика, и перемещают подложку, имеющую первую сторону и вторую сторону, через зазор с заданной скоростью посредством транспортера для подложки для обеспечения возможности взаимодействия первого валика с первой стороной подложки и второго валика с второй стороной подложки, причем указанная вторая сторона подложки несет на себе гидрофобный материал, который проникает в подложку в ответ на действие температурного градиента в зазоре между первым валиком и вторым валиком.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Вышеуказанные аспекты и другие особенности устройства, управляющего распространением гидрофобного материала в подложке, подробно описаны ниже в соединении с сопроводительными чертежами.
[0007] На фиг. 1 показана схема струйного принтера, который содержит устройство, применяющее нагревание и давление к гидрофобному материалу на поверхности подложки для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку.
[0008] На фиг. 2 показана схема другого варианта реализации устройства, применяющего нагревание и давление к гидрофобному материалу на поверхности подложки.
[0009] На фиг. 3 показана схема температурного градиента, сформированного в устройстве, показанном на фиг. 1 или 2, для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку.
[0010] На фиг. 4 показана схема другого варианта реализации струйного принтера, который наносит множество слоев гидрофобного материала на поверхность подложки перед применением к устройству, показанному на фиг. 1 или 2, нагрева и давления для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку.
[0011] На фиг. 5 показана схема другого варианта реализации струйного принтера, который наносит множество слоев гидрофобного материала на поверхность подложки перед применением к устройству, показанному на фиг. 1 или 2, нагрева и давления для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку.
[0012] На фиг. 6 показана схема струйного принтера, который наносит множество слоев гидрофобного материала на первый барабан и применяет нагрев и давление к гидрофобному материалу и подложке для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку.
[0013] На фиг. 7 показана схема струйного принтера, который выбрасывает жидкие капли, содержащие реагенты или другие химикаты, на каналы для текучей среды в подложке, образованные гидрофобным материалом.
[0014] На фиг. 8 показан вид в разрезе и вид сверху биомедицинского испытательного устройства, выполненного в подложке с каналами для текучей среды, сформированными гидрофобным материалом.
[0015] На фиг. 9 показана блок-схема способа применения нагрева и давления к гидрофобному материалу, сформированному на поверхности подложки, для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку.
[0016] На фиг. 10A показана схема известной печи оплавления, которая расплавляет гидрофобный материал, сформированный на поверхности подложки.
[0017] На фиг. 10B приведена схема, показывающая распространение гидрофобного материала на подложке в печи оплавления, показанной на фиг. 10A, в известном способе распространения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Для общего понимания условий применения системы и способа, описанных в настоящей заявке, а также подробностей указанных системы и способа к настоящей заявке приложены сопроводительные чертежи. На чертежах подобные позиционные номера использованы по всему описанию для обозначения подобных элементов. Используемый в настоящей заявке термин "принтер" охватывает любое устройство, которое изготавливает с использованием смол или пигментов изображения на носителях, такое как цифровые копировальные устройства, книгопечатные машины, фототелеграфные аппараты, многофункциональные машины или тому подобное. В приведенном ниже описании принтер дополнительно выполнен с возможностью нанесения расплавленного воска, чернил с фазовым переходом или другого гидрофобного материала на пористую подложку, такую как бумага. Не смотря на то, что принтеры, описанные ниже, являются струйными принтерами, и гидрофобный материал с фазовым переходом согласно некоторым вариантам реализации может быть чернилами с фазовым переходом, в некоторых конфигурациях гидрофобный материал является оптически прозрачным воском или другим материалом, который не имеет конкретного цвета. Визуальные представления гидрофобного материала приведены ниже только в иллюстративных целях, и согласно различным вариантам реализации описанные ниже использованные гидрофобные материалы могут не иметь цвета или иметь любой цвет, который является подходящим для использования с устройством для химического анализа.
[0019] Принтер дополнительно выполнен с возможностью приложения температурного градиента и давления к подложке, в которой распространяется гидрофобный материал, и обеспечивает возможность проникновения гидрофобного материала в пористую подложку для формирования гидрофобных структур, включая каналы и барьеры, которые управляют капиллярным течением жидкостей, включая воду, сквозь подложку.
[0020] Используемые в настоящей заявке термины "гидрофильный материал" и "гидрофильная подложка" относятся к материалам, которые абсорбируют воду и обеспечивают возможность диффузии воды сквозь материал за счет капиллярного действия. Одним наиболее общим примером гидрофильной подложки является бумага, такая как целлюлозная фильтровальная бумага, хроматографическая бумага или бумага любого другого подходящего типа. Гидрофильные подложки формируют из пористых материалов, которые обеспечивают возможность распространения в подложке воды и других биологических текучих сред, которые включают воду, таких как кровь, моча, слюна и другие биологические текучие среды. Как описано ниже, гидрофобный материал встроен в гидрофильную подложку для формирования канальных барьеров для текучей среды и других гидрофобных структур, которые управляют диффузией текучей среды сквозь гидрофильную подложку.
[0021] Используемый в настоящей заявке термин "гидрофобный материал" относится к любому материалу, который препятствует адгезии воды и по существу является непроницаемым для воды, распространяющейся по капиллярам. Встроенный в пористую подложку, такую как бумагу, гидрофобный материал действует в качестве барьера для предотвращения диффузии воды сквозь части подложки, которые содержат гидрофобный материал. Гидрофобный материал также действует в качестве барьера в отношении многих текучих сред, которые включают воду, такую как кровь, моча, слюна и другие биологические текучие среды. Как описано ниже, гидрофобный материал встроен в пористую подложку для формирования стенок канала и других гидрофобных структур, которые управляют капиллярной диффузией жидкости сквозь подложку. Согласно одному варианту реализации подложка также содержит биохимические реагенты, которые используются для исследования различных свойств образцов текучей среды. Гидрофобный материал формирует каналы для направления текучей среды к различным областям в подложке, которые содержат порции химических реагентов. Гидрофобный материал также по существу является химически инертным по отношению к текучим средам в канале для уменьшения или исключения химических реакций между гидрофобным материалом и текучими средами. Одиночный образец текучей среды диффундирует через каналы в подложке для реагирования с различными реагентами в различных областях подложки для создания простого и недорогого устройства для осуществления многократных биохимических испытаний с использованием одиночного образца текучей среды.
[0022] Используемый в настоящей заявке термин "материал с фазовым переходом" относится к гидрофобному материалу, находящемуся в твердой фазе при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении (например, при температуре 20°C и давлении 1 атм) и в жидкой фазе при повышенных уровнях температуры и/или давления. Примеры гидрофобных материалов с фазовым переходом, используемых в настоящей заявке, включают воск и чернила с фазовым переходом. Используемый в настоящей заявке термин "чернила с фазовым переходом" относится к типу чернил, которые по существу являются твердыми при комнатной температуре, но размягчаются и превращаются в жидкость при повышенных температурах. Некоторые струйные принтеры выбрасывают превращенные в жидкие капли чернил с фазовым переходом на поверхности, принимающие непрямое изображение, такие как вращающийся барабан или кольцевая лента, для формирования скрытого чернильного изображения. Скрытое чернильное изображение передается подложке, такой как бумажный лист. Другие струйные принтеры выбрасывают капли чернил непосредственно на запечатываемый материал, такой как бумажный лист или удлиненный рулон бумаги. В жидком состоянии материал с фазовым переходом может проникать в пористую подложку, такую как бумага.
[0023] В известном струйном принтере чернила с фазовым переходом передаются одной стороне подложки, в качестве варианта, для передачи различных изображений с использованием чернил с фазовым переходом двум сторонам подложки в операции двусторонней печати. Принтер распространяет капли чернил с фазовым переходом на поверхность подложки, и изображение с использованием чернил с фазовым переходом охлаждается и отверждается на поверхности запечатываемого материала для формирования печатаемого изображения. Однако, в описанных ниже вариантах реализации применяют нагрев и давление к чернилам с фазовым переходом или другому гидрофобному материалу на поверхности подложки для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь пористый материал в подложку для формирования объемного барьера, проходящего сквозь толщину подложки, который управляет диффузией текучих сред сквозь подложку.
[0024] На фиг. 1 показан струйный принтер 100, который содержит устройство 180 для приложения теплового градиента и давления к гидрофильной подложке, такой как бумага, для обеспечения возможности протекания гидрофобного материала в поры подложки для формирования барьеров и каналов, которые управляют диффузией текучей среды сквозь гидрофильную подложку. Используемый в настоящей заявке термин "устройство", если однозначно не указано иное, относится к устройству, которое прикладывает градиент тепла и давление к подложке для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала, сформированного на поверхности подложки, в подложку в соответствии с анизотропным шаблоном распространения. Устройство может быть встроено в принтер, такой как струйный принтер. Как описано ниже, не смотря на то, что устройство 180 показано на фиг. 1 как часть струйного принтера 100 для непрямой печати, устройство 180 может быть встроено в другие печатающие устройства или может быть независимым устройством, которое выполнено с возможностью обработки подложек, которые содержат гидрофобный материал, сформированный на поверхности с использованием струйного принтера или любого другого подходящего прикладного устройства.
[0025] Принтер 100 включает отображающий барабан 104, вал 108 переноса, нагреватель 112 отображающего барабана, вращающийся исполнительно-приводной механизм 116 и нагреватель 120 подложки. Принтер 100 содержит одну или большее количество струйных печатающих головок 124, которые выбрасывают сжиженные капли чернил с фазовым переходом или другого гидрофобного материала на поверхность барабана 104. Отображающий барабан 104 и вал 108 переноса взаимодействует друг с другом в зазоре 106. В принтере 100 механические, пневматические или гидравлические исполнительно-приводные механизмы удерживают отображающий барабан 104 и вал 108 переноса вместе для формирования зазора 106 и прикладывания давления к подложке, которая проходит через зазор 106. Согласно некоторым вариантам реализации исполнительно-приводные механизмы также приводят барабан 104 и вал 108 переноса во взаимодействие для формирования зазора 106 или выводят их из взаимодействия. Вращающийся исполнительно-приводной механизм 116 может быть, например, электродвигателем, который вращает отображающий барабан 104 в диапазоне выбранных скоростей. Вал 108 переноса вращается в ответ на перемещение барабана 104 при взаимодействии с барабаном 104.
[0026] В устройстве 180 транспортер для подложки перемещает подложку в направлении, указанном стрелкой 130, для перемещения подложки через зазор 106. Транспортер для подложки содержит один или большее количество исполнительно-приводных механизмов, ремней, валиков и других транспортных устройства, которые перемещают подложку через зазор 106 синхронно с перемещением отображающего барабана 104 и вала 108 переноса. Отображающий барабан 104 и вал 108 переноса являются частью транспортирующей системы для подложки, которая перемещает подложку через зазор 106. Согласно одному варианту реализации, в котором устройство 180 встроено в струйный принтер, система для транспортировки носителя в принтере транспортирует подложку в направлении устройства 180, и подложка перемещается через зазор 166, сформированный между первым валиком 154 и вторым валиком 158 в устройстве 180.
[0027] В устройстве 180 чистящий валик 174 сформирован с силиконовым поверхностным слоем или другим поверхностным слоем, который удаляет чернила или другой гидрофобный материал с поверхности второго валика 158. Второй валик 158 обычно покрыт материалом с низкой поверхностной энергией, таким как политетрафторэтилен или другое подходящее покрытие, для уменьшения адгезии между вторым валиком 158 и гидрофобным материалом 144. При использовании небольшая часть гидрофобного материала 144 может приклеиваться к второму валику 158, и чистящий валик 174 удаляет остаточный гидрофобный материал для предотвращения загрязнения последующих подложек, которые проходят через зазор 166.
[0028] На фиг. 1 показана конфигурация устройства 180 согласно варианту реализации, в котором устройство 180 является частью струйного принтера. На фиг. 1 цифровое электронное управляющее устройство (ECU) показано в форме контроллера 190, который принимает цифровые данные изображения, соответствующие заданным шаблонам и формам гидрофобных материалов, которые должны быть сформированы на подложке. В устройстве 180 печатающие головки 124 выбрасывают капли чернил на поверхность отображающего барабана 104 для формирования скрытого чернильного изображения 140. Согласно одному варианту реализации отображающий барабан 104 совершает многократные вращения мимо печатающих головок 124, и печатающие головки 124 формируют дополнительный слой чернил во время каждого оборота, которые передаются подложке 152. Согласно одному варианту реализации принтера 100 исполнительно-приводной механизм (не показан) выводит вал 108 переноса из взаимодействия с отображающим барабаном 104. Исполнительно-приводной механизм 116 вращает отображающий барабан 104 мимо печатающей головки 124, и отображающий барабан 104 принимает скрытое чернильное изображение от печатающей головки 124 в течение двух или большего количества оборотов. Согласно одному варианту реализации печатающая головка 124 формирует четыре слоя одиночного скрытого чернильного изображения на поверхности отображающего барабана 104. После формирования скрытого чернильного изображения на отображающем барабане 104 вал 108 переноса взаимодействует с отображающим барабаном 104, и подложка 152 проходит через зазор 106, предназначенный для приема многослойное скрытого чернильного изображения.
[0029] Согласно другому варианту реализации, как показано на фиг. 1, принтер 100 пропускает подложку 152 через зазор 106 два или большее количество раз для формирования печатаемого изображения из множества слоев чернил. Например, как показано на фиг. 1, на поверхности 156 подложки 152 формируется первый слой чернил 142. Транспортер для носителей перемещает подложку 152, как показано на чертеже, вдоль пути 130 для ее прохождения через зазор 106 во второй раз, в то время как отображающий барабан 104 переносит дополнительный слой чернил 140, который выбрасывается печатающей головкой 124. Путь 130 носителя не включает блок двусторонней печати, который обычно используют для двустороннего печатания в принтере, для обеспечения возможности взаимодействия сторон 156 подложки 152 с отображающим барабаном 104 во время каждого прохода подложки через зазор 106. Согласно одному варианту реализации электронное управляющее устройство 190 управляет печатающей головкой 124 для формирования того же самого изображения во время каждого прохода подложки 152 таким образом, что одиночный печатаемый шаблон чернил формируется на одной стороне подложки. Например, скрытое чернильное изображение 140 выровнено с чернильным изображением 142, которое уже сформировано на подложке 152, для формирования комбинированного изображения 144, включающего комбинированные объемы чернил в изображениях 140 и 142. Множество проходов обеспечивают возможность нанесения принтером 100 повышенное количество чернил на подложку 152, чем обычно используется в традиционных печатных операциях. Согласно некоторым вариантам реализации принтер 100 пропускает подложку 152 через зазор 106 четыре раза для формирования четырех слоев чернил с фазовым переходом на одной стороне подложки 152.
[0030] Как показано на фиг. 1, транспортер для подложки перемещает подложку 152, такую как бумажный лист или бумажную ленту из рулона через зазор 106. Согласно одному варианту реализации нагреватель 112 отображающего барабана нагревает поверхность отображающего барабана 104 до температуры 57°C, и исполнительно-приводной механизм 116 вращает отображающий барабан 104 и вал 108 переноса с линейной окружной скоростью 5 дюймов в секунду (IPS) (127 мм/сек) для передачи скрытого изображения 144 из гидрофобного материала одной стороне 156 подложки 152. Согласно другим вариантам реализации скорость фиксации изображения может быть больше или меньше для регулирования "времени прогрева" запечатываемого носителя 152 в зазоре. Используемый в настоящей заявке термин "время прогрева" относится к количеству времени, в течение которого данная часть запечатываемого носителя 152 находится в зазоре для приема тепла и давления от валиков, формирующих зазор. Время прогрева зависит от площадей поверхности валиков, которые формируют зазор, и линейной скорости подложки в зазоре. Например, время прогрева в зазоре 166 зависит от площадей поверхности валиков 154 и 158 и линейной скорости подложки 152, транспортируемой через зазор 166. Время прогрева выбирают для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку для формирования стенок для каналов для текучей среды и других гидрофобных структур в подложке. Выбранное время прогрева может изменяться в зависимости от толщины и пористости запечатываемого носителя 152, температурного градиента в зазоре 166, давления в зазоре 166 и характеристик вязкости гидрофобного материала. Большие валики обычно формируют зазор с повышенной площадью поверхности. Таким образом, согласно одному варианту реализации устройство 180 с валиками, имеющими большой диаметр, работает с более высокой линейной скоростью для достижения того же самого времени прогрева, что и в другом варианте реализации устройства 180 с валиками, имеющими уменьшенный диаметр, и пониженной линейной скоростью. В различных режимах работы устройства 180 выбранное время прогрева находится в диапазоне приблизительно от 0,1 сек до 10 сек.
[0031] Чистая сторона 160 запечатываемого носителя 152 взаимодействует с валом 108 переноса во время операции фиксации изображения. Нагрев и давление в зазоре 106 распространяют гидрофобный материал 140 на поверхности подложки 152 для формирования печатаемого изображения на первой стороне 156 путем объединения гидрофобного материала 140 с гидрофобным материалом 142 в многоходовом варианте реализации, показанном на фиг. 1. После завершения операции фиксации изображения, показанной на фиг. 1, существенная часть гидрофобного материала 144 остается на поверхности 156 подложки 152 или вблизи нее.
[0032] В принтере 100 транспортер для носителей перемещает подложку 152 в устройство 180 после одного или большего количества проходов подложки 152, предназначенной для приема печатаемого изображения 144. Транспортер для носителей перемещает подложку вдоль указанного пути 134 к устройству 180. Устройство 180 содержит первый валик 154, второй валик 158, дополнительный нагреватель 170 подложки и чистящий валик 174. Первый валик 154 и второй валик 158 взаимодействуют друг с другом для формирования зазора 166. В устройстве 180 механические, пневматические или гидравлические исполнительно-приводные механизмы удерживают валики 154 и 158 вместе для формирования зазора 166 и прикладывания давления к подложке, которая проходит через зазор 166. Первый валик 154 и второй валик 158 прикладывают давление к подложке 152 и гидрофобному материалу 144 величиной 1000 фунт/кв. дюйм (PSI) (6900 кПа) согласно варианту реализации, показанному на фиг. 1. Согласно другим вариантам реализации давление в зазоре 166 составляет между 800 фунт/кв. дюйм (5516 кПа) и 3000 фунт/кв. дюйм (20684 кПа) и выбирается на основании свойств подложки и состава гидрофобного материала. Нагреватель 162 в рабочем состоянии соединен с первым валиком 154 и выполнен с возможностью нагревания первого валика 154 до более высокой температуры, чем температура второго валика 158. Транспортер для носителей перемещает подложку 152 через зазор 166 после передачи гидрофобного материала 144 стороне 156 подложки 152.
[0033] В примере, показанном на фиг. 1, исполнительно-приводной механизм 168 вращает первый валик 154 для перемещения подложки 152 через зазор 166 в направлении 134, в то время как второй валик 158 вращается свободно, не смотря на взаимодействие с печатаемой стороной 156 подложки 152, которая несет на себе гидрофобные материал 144. Повышенная температура первого валика 154 формирует температурный градиент в зазоре 166, и первый валик 154 взаимодействует с второй стороной 160 подложки 152. Как описано ниже, температурный градиент обеспечивает возможность проникновения печатаемого рисунка из гидрофобного материала 144 сквозь толщину подложки 152 с одновременным снижением бокового распространения гидрофобного материала 144.
[0034] В устройстве 180 дополнительный нагреватель 170 подложки повышает температуру подложки до заданной при прохождении подложки через зазор 166. Согласно одному варианту реализации нагреватель 170 нагревает подложку до температуры 60°C при приближении подложки к зазору 166. Нагреватель 162 валика нагревает поверхность первого валика 154 приблизительно до температуры 100°C, в то время как поверхность второго валика 158 остается при пониженной температуре приблизительно 60°C-70°C. Согласно одному варианту реализации второй валик 158 имеет увеличенный диаметр, чем первый валик 154, для обеспечения возможности охлаждения поверхности второго валика 158 после взаимодействия в зазоре 166 с первым валиком 154, имеющим более высокую температуру. Согласно другим вариантам реализации валики по существу имеют одинаковый размер, или первый валик 154 имеет больший диаметр, чем второй валик 158. Нагреватель 162 валика и нагреватель 170 подложки в устройстве 180 выполнены в форме электрических излучающих нагревателей. Согласно одному варианту реализации, как показано на фиг. 1, исполнительно-приводной механизм 168 вращает первый валик 154 и второй валик 158 с линейной скоростью приблизительно 1 дюйм в секунду (25,4 мм/сек) при прохождении подложки 152 через зазор 166. Линейная скорость подложки 152 обратно пропорциональна времени прогрева в зазоре 166. Время прогрева зависит от площадей поверхности валиков 154 и 158, которые влияют на физический размер зазора 166, и линейной скорости подложки 152. В устройстве 180 время прогрева составляет приблизительно между 0,1 сек и 10 сек, и электронное управляющее устройство 190 настраивает линейную скорость подложки 152 для задания выбранного времени прогрева в зазоре 166.
[0035] Согласно другим вариантам реализации рабочие параметры устройства 180 настраивают для изменения температурного градиента в зазоре 166 и времени прогрева подложки 152 в зазоре 166 для управления проникновением гидрофобного материала 144 сквозь подложку 152. Согласно различным вариантам реализации устройства 180 температурный градиент и давление в зазоре 166, а также время прогрева подложки 152 в зазоре 166 настраивают для задания выбранного времени прогрева для валиков с различными диаметрами.
[0036] На фиг. 1 показано устройство 180, в котором подложка 152, уже несущая гидрофобный материал 144 на одной своей стороне 156, проходит через зазор 166, в котором давление и температурный градиент прикладывают к подложке 152 для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала 144 в пористый материал подложки 152. Как показано на фиг. 1, транспортер для подложки перемещает подложку через зазор 166, причем сторона 156 несет на себе гидрофобный материал, взаимодействующий с вторым валиком 158, в то время как чистая сторона 160 взаимодействует с первым валиком 154. Устройство 180 изображено установленным в принтере 100, причем принтер 100 формирует печатные шаблоны гидрофобного материала. Согласно другому варианту реализации устройство 180 принимает подложку и гидрофобный материал, которые сформированы посредством отдельного струйного печатающего устройства или с использованием любого подходящего процесса осаждения, формирующего гидрофобный материал на одной поверхности подложки.
[0037] На фиг. 2 показан другой вариант реализации устройства 280. Устройство 280 содержит некоторые из компонентов устройства 180, включая первый валик 154, второй валик 158, первый нагреватель 162 валика, исполнительно-приводной механизм 168 и нагреватель 170 подложки. Устройство 280 также включает промежуточное полотно 272, которое взаимодействует с поверхностью второго валика 158 и поверхностью подложки 152 в зазоре 206, сформированном между первым валиком 154 и вторым валиком 158. Согласно одному варианту реализации промежуточное полотно 272 сформировано из бесконечного или циклически повторяющегося ремня из силиконового каучука, который взаимодействует с подложкой 152 и гидрофобными материалами 144 в зазоре 206. Бесконечная лента 272 препятствует передаче гидрофобного материала 144 второму валику 158 и может быть очищена от любого гидрофобного материала, прилипшего к ленте 272 в зазоре 206. В другой конфигурации промежуточное полотно 272 представляет собой абляционный материал, такой как термопластичная пленка или покрытое бумажное полотно, которое пропускают через зазор 206 один раз и затем утилизуют или перерабатывают. Устройство 280, показанное на фиг. 2, прилагает давление и температурный градиент к гидрофобному материалу 144 и подложке 152 подобным способом, как и устройство 180, для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала в подложку 152.
[0038] На фиг. 3 показано проникновение гидрофобного материала 144 в подложку 152 более подробно. Повышенная температура и давление в зазоре 106 вызывают расплавление отвержденного гидрофобного материала 144, и сжиженный гидрофобный материал распространяется в горизонтальном и вертикальном направлениях в пористом материале подложки 152. Расстояние L распространения сжиженного гидрофобного материала может быть вычислено из уравнения Уошбурна:
,
где γ - поверхностное натяжение расплавленного гидрофобного материала 144, D - диаметр пор в подложке 152, t - время прогрева подложки в зазоре, в течение которого под действием температурного градиента и давления в зазоре уменьшается вязкость гидрофобного материала 144, и η - вязкость расплавленной гидрофобной жидкости. Поверхностное натяжение γ и вязкость η эмпирически определяется из свойств гидрофобного материала 144. Диаметр поры D эмпирически определяется из типа бумаги или другого гидрофильного материала, из которого сформирована подложка 152. Устройство 180 выполнено с возможностью прямого или непрямого управления вязкостью η гидрофобного материала при перемещении гидрофобного материала и подложки сквозь температурный градиент, который сформирован в зазоре 166, и времени t, в течение которого гидрофобный материал остается в сжиженном состоянии в зазоре 166. Гидрофобные материалы, такие как воск или чернила с фазовым переходом, переходят в жидкое состояние с изменением уровня вязкости под действием температуры и давления, приложенных к гидрофобному материалу. Вязкость сжиженного гидрофобного материала обратно пропорциональна его температуре. Температурный градиент в зазоре способствует снижению вязкости гидрофобного материала в более высокотемпературной области рядом со стороной 160 и валиком 154 до большей степени, чем на более холодной стороне 156 и рядом с более холодным валиком 158. Таким образом, температурный градиент обеспечивает возможность проникновения чернил в повышенных температурных областях температурного градиента на увеличенное расстояние по сравнению с чернилами в более холодных областях по причине сниженной вязкости при повышенной температуре.
[0039] Известно, что давление, приложенное в зазоре 166, также уменьшает эффективную температуру плавления гидрофобного материала 144 таким образом, что уровни температур, необходимые для плавления и уменьшения уровня вязкости гидрофобного материала 144 в зазоре 166, ниже температуры плавления при нормальном атмосферном давлении. После выхода части подложки 152 из зазора 166 уровни давления и температуры быстро снижаются, что обеспечивает возможность возвращения гидрофобного материала 144 в твердое состояние более быстрым и управляемым способом, чем в известной печи оплавления, показанной на фиг. 10A. Время прогрева каждой части подложки 152 в зазоре 166 также влияет на время, в течение которого гидрофобный материал 144 находится в жидком состоянии.
[0040] В зазоре 166 благодаря температурному градиенту происходит анизотропный нагрев расплавленного гидрофобного материала 144. Более высокая температура первого валика 154 на стороне 160 уменьшает вязкость η гидрофобного материала 144 до большей степени, чем на более холодной стороне 156. Таким образом, температурный градиент обеспечивает возможность протекания гидрофобного материала 144 в пористый материал подложки 152 в направлении стороны 160 на более длинное расстояние, чем горизонтальный поток гидрофобного материала 144 вдоль подложки 152. На фиг. 3 более длинная стрелка 220 показывает более длинное расстояние потока L для гидрофобного материала 144, протекающего сквозь пористый материал в подложке в направлении высокотемпературной стороны 160 подложки 152, в то время как более короткие стрелки 224 указывают более короткое расстояние потока вдоль подложки 152. Для чернил с фазовым переходом в гидрофобном материале сниженная вязкость η чернил при их проникновении в подложку 152 к более нагретому валику 154 обеспечивает возможность проникновения чернил сквозь подложку от печатаемой поверхности 156 к второй стороне 160, что позволяет сформировать слой чернил с фазовым переходом по всей толщине подложки 152.
[0041] Устройство 180 генерирует анизотропный температурный градиент и шаблоны потока жидкости для гидрофобного материала 144 для формирования печатаемых линий и других печатаемых особенностей с использованием гидрофобного материала 144, которые демонстрируют улучшенное распространение вдоль длины подложки 152 и улучшенное проникновение сквозь подложку 152 от печатаемой стороны 156 к чистой стороне 160. Например, согласно одному варианту реализации горизонтальная ширина заградительной линии печатаемого канала, формируемого устройством 180, составляет приблизительно 650 мкм, в то время как с использованием известной печи оплавления, показанной на фиг. 10A, та же самая печатаемая линия имеет ширину приблизительно 1000 мкм. Кроме того, анизотропный температурный градиент в устройстве 180 обеспечивает возможность проникновения гидрофобного материала 144 в подложку 152 в большей степени, чем изотропное температурное распределение с использованием известной печи оплавления, как показано на фиг. 10B. Уменьшенная ширина барьеров обеспечивает возможность изготовления более компактных устройств с более точными особенностями и также повышает эффективность каналов для текучей среды, которые управляют капиллярной диффузией текучих сред сквозь подложку.
[0042] На фиг. 4 показан другой вариант реализации струйного принтера 400, который наносит шаблон гидрофобного материала 444 на подложку 452. Струйный принтер 400 является прямым струйным принтером, в котором множество наборов печатающих головок, таких как печатающие головки 424A и 424B, расположенные в области печати, выбрасывают гидрофобный материал непосредственно на подложку 452. Подложка 452 показана в форме удлиненного полотна носителя. Нагреватели 420 нагревают подложку 452 до заданной температуры, такой как 60°C, когда подложка 452 входит в зону печати. В примере, показанном на фиг. 4, печатающие головки 424A и 424B формируют два слоя гидрофобного материала 444 в соответствии с заданным шаблоном на подложке 452, в то время как другие варианты реализации принтера включают дополнительные печатающие головки для формирования печатаемых шаблонов с дополнительными слоями гидрофобного материала. В принтере 400 валики 430 являются частью транспортера для носителей, который перемещает подложку через зону печати, как указано стрелкой 434. Подложка 452 впоследствии перемещается через устройство 180 или 280, которые прилагают температурный градиент и давление для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала 444 сквозь подложку 452. Устройство 180 или 280 согласно одному варианту реализации встроено в принтер 400. Согласно другому варианту реализации устройство 180 или 280 принимает подложку 452 во время окончательной или другой обработки, которую выполняют после печатания принтером 400.
[0043] На фиг. 5 показана другая конфигурация струйного принтера 500, который наносит шаблон гидрофобного материала 544 на подложку 552. В принтере 500 подложка 552 является удлиненным полотном из бумаги или другого материала для подложки, которое перемещается мимо множества печатающих головок, таких как печатающие головки 524A и 524B, в зоне печати, предназначенной для приема печатаемого шаблона с множеством слоев гидрофобного материала 544. Не смотря на то, что на фиг. 5 показаны два набора печатающих головок 524A и 524B, которые формируют два слоя гидрофобного материала на подложке 552, другая конфигурация принтера 500 формирует три или большее количество слоев гидрофобного материала с использованием дополнительных печатающих головок. Принтер 500 содержит нагреватели 520 подложек, которые нагревают подложку 552, когда подложка 552 приближается к зоне печати. В принтере 500 подложка 552 взаимодействует с вращающимся поддерживающим валиком 528, который поддерживает подложку 552, когда подложка 552 перемещается мимо печатающих головок 524A и 524B в зоне печати. Поддерживающий валик 528 содержит нагреватель 562 для поддерживания температуры подложки 552 на заданном уровне (например 60°C) во время процесса печатания. Затем подложка 552 выходит из зоны печати, как указано стрелкой 534, и входит в устройство 180 или 280. Устройство 180 или 280 согласно одному варианту реализации встроено в принтер 500. Согласно другому варианту реализации устройство 180 или 280 принимает подложку 452 во время окончательной или другой обработки, которую выполняют после печатания принтером 500.
[0044] На фиг. 6 показан другой вариант реализации струйного принтера 600, который включает функции устройств 180 и 280. Струйный принтер содержит отображающий барабан 604, валом 608 переноса, нагреватели 620 подложки, печатающие головки 624A и 624B и чистящий валик 674. Отображающий барабан 604 взаимодействует с валом 608 переноса для формирования зазора 606. Каждая из печатающих головок 624A и 624B наносит слой чернил с фазовым переходом или другого гидрофобного материала для формирования изображения 644 из гидрофобного материала на поверхности отображающего барабана 604. Как и в варианте реализации, показанном на фиг.4, принтер 600 также содержит дополнительные печатающие головки для формирования дополнительных слоев гидрофобного материала на отображающем барабане 604, или отображающий барабан 604 совершает множество оборотов мимо одной или большего количества печатающих головок для формирования многослойного печатаемого изображения в многопроходной печатающей конфигурации перед перемещением подложки 642 через зазор 606.
[0045] В принтере 600 отображающий барабан 604 дополнительно содержит нагреватель 612, который нагревает поверхность отображающего барабана 604 до заданной температуры (например 60°C), когда отображающий барабан 604 вращается мимо печатающих головок 624A и 624B. Принтер 600 также содержит один или большее количество электрических, пневматических или гидравлических исполнительно-приводных механизмов, которые взаимодействуют с отображающим барабаном 604 и валом 608 переноса в зазоре 606 с заданным уровнем давления, таким как 1000 фунтов на кв. дюйм (6900 кПа). Вал 608 переноса содержит другой нагреватель 662, который нагревает поверхность вала 608 переноса до более высокой температуры, чем температура поверхности отображающего барабана 604 в зазоре 606. Например, согласно одному варианту реализации температура поверхности фиксирующего валика 608 в зазоре 606 составляет приблизительно 100°C, в то время как температура поверхности отображающего барабана 604 составляет приблизительно 60-70°C.
[0046] При использовании принтер 600 формирует температурный градиент в зазоре 606 подобным способом, как и в конфигурациях устройств 180 и 280. Рисунок 644 из гидрофобного материала на нижнем температурном отображающем барабане 604 передается одной стороне 646 подложки 642 в зазоре 606, и температурный градиент в зазоре 606 обеспечивает возможность проникновения гидрофобного материала 644 сквозь подложку 642 к стороне 650, которая взаимодействует с имеющим более высокую температуру валом 608 переноса. В конфигурации принтера 600 фиксирующий валик 608 действует как и высокотемпературный первый валик в устройствах 180 и 280, и отображающий барабан 604 действует как низкотемпературный второй валик в устройствах 180 и 280. Отображающий барабан 604 продолжает в зазоре 606 и проходит мимо чистящего валика 674, который удаляет остаточные чернила или другой гидрофобный материал с поверхности отображающего барабана 604.
[0047] Струйные принтеры и устройства, описанные выше, формируют заданные шаблоны гидрофобного материала на гидрофильной подложке, такой как бумага, для формирования каналов для текучей среды и других особенностей, которые управляют диффузией жидкости сквозь подложку. Как описано выше, устройства для химического анализа являются одним примером класса устройств, которые включают подложку с каналами для текучей среды, которые сформированы из гидрофобного материала. Некоторые области химического анализа включают различные химикаты, включая реагенты, катализаторы, индикаторы, буферы и т.п., которые используются с биомедицинским прибором для испытаний. Согласно некоторым вариантам реализации струйный принтер применяет химикаты к различным участкам подложки после внедрения гидрофобного материала в подложку для формирования каналов для текучей среды.
[0048] На фиг. 7 показан вариант реализации струйного принтера 700 с печатающими головками 724A-724C. В конфигурации, показанной на фиг. 7, каждая из печатающих головок 724A-724C выбрасывает жидкие капли, которые содержат химикат для использования с устройством для химического анализа, выполненным с возможностью использования в качестве биомедицинского датчика, сформированного из подложки 742. В другой конфигурации принтер содержит различное количество печатающих головок для печатания различных комбинаций химикатов, или каждая из печатающих головок выполнена с множеством содержащих жидкость резервуаров для обеспечения возможности выброса химикатов различных типов из различных групп распыляющих сопел в одиночной печатающей головке. В подложке 742 области 744 сформированы из гидрофобного материала, который по существу проникает сквозь всю толщину подложки 742 для формирования гидрофобных структур, включая барьеры и каналы для текучих сред, которые поглощены открытыми областями подложки 742, такими как области 704A, 704B и 704C. Печатающие головки 724A-724C выбрасывают жидкие капли, содержащие один или большее количество выбранных химикатов, на различные открытые области подложки 742. Например, печатающие головки 724A-724C выбрасывают жидкие капли с различными химикатами в области 704A-704C соответственно, как показано в конфигурации на фиг. 7. Жидкие капли содержат носитель химикатов, такой как вода, спирт или другой растворитель, который переносит химикат в форме раствора или суспензии. После прохождения печатающих головок 724A-724C жидкий носитель испаряется из подложки 742 и оставляет химикат осажденным в подложке 742 для последующего использования в химическом анализе или биомедицинском испытательном приборе.
[0049] На фиг. 8 показан пример печатного шаблона в биомедицинском испытательном устройстве 850, который включает область для размещения пробы и каналы для текучей среды, сформированные в подложке из гидрофобного материала для направления текучей среды к различным областям, в которых химические реагенты реагируют с текучей средой. Подложка 152 содержит барьеры 824 и 828, сформированные из гидрофобного материала 144. Устройство 180 обеспечивает возможность проникновения гидрофобного материала в барьерных гидрофобных структурах 824 и 828 сквозь толщину подложки 152 между сторонами 156 и 160 для полного окружения канала 808 для текучей среды. Гидрофильная подложка 152 абсорбирует пробу текучей среды, и указанная текучая среда перемещается в канале 808 путем капиллярной диффузии, в то время как барьеры 824 и 828 препятствуют выходу текучей среды из канала 808. Биомедицинское обнаруживающее устройство 850 содержит подложку 152, сформированные в подложке гидрофобные барьеры для управления диффузией текучих сред, область 854 для размещения пробы и ряд областей для реакции, таких как области 858 и 862 для реакции. При использовании пробу текучей среды осаждают на центральную область 854 для размещения пробы. Обычно поверх печатного устройства 850 формируют не показанный на фиг. 8 маскирующий слой для обеспечения поглощения проб текучей среды только в области 854 для размещения пробы. Проба текучей среды распространяется сквозь гидрофильной подложки 152 вдоль каналов, сформированных гидрофобным материалом, в направлении к матрице областей для реакции. Каждая из областей для реакции содержит химический реагент, встроенный в подложку 152. Химические реагенты реагируют с различными химическими соединениями, содержащимися в пробе текучей среды, и изменяют свой цвет или вырабатывают иной индикатор, который может быть использован для анализа указанной пробы текучей среды. Например, область 858 для реакции предназначена для испытаний на анемию, в то время как область 862 для реакции предназначена для испытания на уровень глюкозы (сахара в крови) в одиночной пробе крови, которую размещают в области 854 для пробы.
[0050] На фиг. 9 показана блок-схема способа 900 нанесения и распространения гидрофобного материала сквозь подложку. Способ 900 описан в соединении с устройством 180, показанным на фиг. 1, устройством 280 на фиг. 2, иллюстративным примером зазора и температурного градиента на фиг. 3 и биомедицинским прибором 850 для испытаний на фиг. 8, приведенных в иллюстративных целях.
[0051] Способ 900 начинается с этапа 904, на котором опционально формируют гидрофобный материал на поверхности подложки. Как описано выше, согласно одному варианту реализации устройство 180 встроено в струйный принтер, и струйные печатающие головки 124 выбрасывают жидкие капли гидрофобного материала в заданных шаблонах, таких как шаблон, показанный в биомедицинском приборе 850 для испытаний. Транспортер для подложки перемещает исходную подложку через зазор, и гидрофобный материал передается печатной стороне подложки.
[0052] Способ 900 продолжается на этапе 908, на котором подложка с гидрофобным материалом проходит через зазор, сформированный двумя валиками, которые нагреваются до различных температур, причем чистая сторона подложки взаимодействует с валиком, имеющим более высокую температуру, и сторона подложки, которая несет гидрофобный материал, взаимодействует с валиком, имеющим более низкую температуру. Как показано на фиг. 1, согласно одному варианту реализации нагреватель 162 нагревает первый валик 154 до температуры 100°C, в то время как второй валик 158 сохраняет более низкую температуру, составляющую приблизительно 60-70°C. Согласно другим вариантам реализации нагреватель 162 нагревает первый валик 154 до повышенной температуры 70-140°C. Второй валик 158 сохраняет более низкую температуру, чем первый валик 154, для создания температурного градиента в зазоре 166. При перемещении подложки через зазор 166 чистая сторона 160 нагревается до более высокой температуры, и печатная сторона 156 нагревается до меньшей температуры по причине температурного градиента между валиками 154 и 158. Как показано на фиг. 3, гидрофобный материал превращается в жидкость и протекает сквозь толщину подложки 152. Температурный градиент в зазоре 166 обеспечивает возможность анизотропного распространения гидрофобного материала, при котором большая часть потока жидкости, направляемого в подложку от печатной стороны 156 к чистой стороне 160 для формирования барьеров и каналов, которые управляют диффузией текучих сред сквозь гидрофильный материал в подложке 152.
[0053] Способ 900 продолжается на этапе 912, на котором дополнительно применяют реагенты или другие химикаты к областям гидрофильной подложки, которые образованы гидрофобными барьерами каналов для текучей среды. Как показано на фиг. 7, струйный принтер может выбрасывать жидкие капли, содержащие различные химикаты, на области подложки, образованные гидрофобным материалом. Одноразовый химический анализатор или биомедицинский прибор для испытаний могут содержать множество химикатов, которые размещены в различных областях подложки и изолированы друг от друга каналами для текучей среды, которые сформированы гидрофобным материалом. В способе 900 химикаты размещают на подложке после завершения каналов для текучей среды с использованием гидрофобного материала для предотвращения взаимного загрязнения между различными химикатами, которые размещены на одиночной подложке, поскольку применение нагрева и давления для обеспечения возможности проникновения гидрофобного материала сквозь подложку может вызвать нежелательные реакции между различными химикатами, которые используются в химических датчиках или биомедицинских приборах для испытаний.
[0054] Следует понимать, что различные вышеописанные и другие особенности, функции или их варианты в случае необходимости могут быть объединены в множестве других различных систем или приложений. Различные неизвестные или непредвиденные в настоящее время варианты реализации, модификации, изменения или их усовершенствования могут быть впоследствии осуществлены специалистами и также должны быть включены в объем защиты настоящего изобретения, определенный пунктами приложенной формулы.