用於高速點陣配藥的方法及裝置的製作方法

2023-12-02 20:59:01

專利名稱：用於高速點陣配藥的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將化學試劑和其他的液體分配到基片上的裝置和方法，以形成診斷試驗帶或臨床測試帶，特別是涉及一種適合用於高速精確的將高-密度「點」陣和其他的圖形分配到高密度微井板或其它的接受表面或容器上的分配裝置和方法。
醫務人員對各種體液所做的臨床試驗是在對各種疾病和醫療情況進行醫學診斷和處理方面存在已久且切實可行的工具。由於醫學的進步已經為診斷和處理疾病帶來了許多新的方法，使得現在這種試驗變得非常複雜。
對各種疾病和醫療情況的早期篩分和診斷進行臨床試驗的常規應用當中，急需將其試驗程序簡化，使得這種試驗無需高技術人員或者無需醫務人員親自進行操作以從中獲取與生理相關情況方面的信息。這種試驗也許需要保健專家的會診。現在的這種程序包括葡萄糖試驗、排卵試驗、血液膽固醇試驗、以及對於尿液中的人類絨膜促性腺激素的出現所作的試驗、現代家庭妊娠試驗。另外的臨床試驗程序已經發展到了基因篩選或基因試驗，以用於研究或醫學診斷。例如，這種研究或篩選可能通過在一個高密度微井板上對許多單獨的液體樣品液滴所作的平行試驗來進行。
一種在臨床化學中最常用的工具是試驗帶或量尺。這些工具的特點在於成本低廉、使用方便。尤其是，試驗帶是放在與液體樣品接觸的位置上的。在試驗帶上含有不同的試劑，這些試劑可與樣品中出現的一種或多種分析成份進行反應以產生可檢測的信號。
大部分的試驗帶是可產生顏色的，即樣品中的預定的可溶成份與一種特殊的試劑相互作用，從而或者形成一種具有某種獨特顏色的化合物以作為這種成份是否出現的定性指示劑，或者形成一種具有不同顏色強度的彩色化合物以作為這種成份含量的定量指示劑。這些信號可以通過視覺或一種特殊的校準儀進行測量或檢測。
例如，用於測定尿中的白血球細胞、酯酶或蛋白酶的出現或濃度的試驗帶，使用了一種在酯酶或蛋白酶的水解作用下可產生乙醇產物的產色酯。這種完整的產色酯具有一種與乙醇水解產物不同的顏色。由此，通過產色酯的水解所產生的顏色變化，提供了一種用於檢測酯酶或蛋白酶出現的方法，另外，這種變化與白血球細胞的出現或濃度也是相關聯的。這種顏色過渡的程度和強度與尿中的白血球細胞或HLE的數量相一致。這可參考美國專利U．S．Pat．No．5，464，739。
作為臨床試驗和保健的組成之一，這種診斷試驗帶和其它的臨床篩分方法的出現和普遍接受，已經促進了許多高質量的診斷試驗帶和臨床篩分產物的發展。而且，這種產物的範圍和可效性可能在將來會大幅度地增加。
由於試驗帶被用於提供定性和定量檢測，因此對於提供在試驗帶基底上試劑的布置和分配的準確性和一致性是極為重要的。化學反應通常很敏感，好的醫學實踐要求這種試驗系統儘可能地極為準確和精密。當使用自動系統時，對於確保試驗帶的可靠性以及測試的定量準確性是特別重要的。
在某些情形下，必須或需要對試驗帶上的試劑提供精確的模式或點陣(或者是相鄰的，或者是不相鄰的)，包括不同的試劑和／或試劑濃度。例如，一些實驗帶提供了多個試驗區域，這些實驗區域被有序地排列成一個數組，以使得只用一個試驗帶可以進行多種試驗。例如，美國專利U．S．Pat．No．5，183，742公開了一種可以在一個單一體液上同時進行各種試驗的具有多個並列檢測區域的實驗帶。比如，這種實驗帶可用於測定一個單一血樣的葡萄糖、蛋白質的水平和PH值。
當使用這種模式(尤其是重疊和／或複合模式)時，將這種模式精確而重複地置於每一基片上以使得它們可以向一個試驗樣品進行精確記錄和／或將其它的試劑模式精確而重複地置於同一或另外的交配基片或罩幕上就顯得極為關鍵了。當使用自動採-放(吸-吐)液體作業系統時，也需要精確記錄。但是重複地將試劑或其它的液體以這種精確的方式分配到基片上是一項要完成的高難度的工作。要考慮到試劑的粘度和其它流體性質、與基片或其它試劑(從一種試劑到另一種試劑、甚至從許多的同種試劑到同種試劑之間)的反應性。通常很難於控制分配裝置以形成具有一致的試劑濃度或其它所需特徵的銳線或其它的幾何形狀。尤其難於將試劑模式精確而準確地置於相同或不同的基片上。這主要歸因於試劑和基片的性質。
目前有效的分配方法和設備受到它們所能提供的精確性和準確性程度的限制，尤其是受到一種高速生產規模的限制。例如，傳統的試劑分配設備包括一個安裝在一個程控的X，X-Y或X-Y-Z板或載運臺上的螺線管閥分配頭。板的移動與分配器的操作相協調，以使得分配器可以在由X-Y板的X軸和Y軸的位置所定義的基片上的任一位置上分配一或多種試劑或其它液體的液滴。在操作中，X-Y板移動基片或分配頭到所需的位置然後停止，此時分配器被引發，在所需位置上分配所需量的試劑到基片上。當完成每一分配操作過程後，X-Y板就移到下一個位置重複進行，直到完成這一模式所必須的所有位置的分配操作。
由於系統的調整時間大於完成每一周期所需的時間，因此這種X-Y板在每次分配操作之後的停止和開始過程是比較耗時的。每次板被導向停止在所需位置時，由於要消耗系統的調和能量，板或載運臺需要靜止一定時間。根據載運臺的質量和其它的系統特徵，這種調整時間有時可能有幾百微秒長或更長。當只分配少量的點或分配位置時，這種延滯時間很不明顯，但在使用可能包含成千上萬個點或分配位置的複雜或高密度試劑模式時，這種延滯時間就極為顯著了。這就會嚴重限制這種設備的生產速度和產量。
從精確性和準確性的觀點來看，傳統的「停-走」式分配設備和方法也是不理想的。當在每一分配操作之前用統計學來測定要分配的合適的調整時間時，在該系統中可能存在許多不易被預測或被控制的差異。例如，由於不平整性或潤滑性，X-Y板在某一位置或其範圍之內具有不同的阻尼係數。在這種情形下，在某些分配位所分配的調整時間就可能太短而使得系統不能完全靜止，從而不能保證精度和準確度。但是，增加所分配的調整時間只能降低產率，甚至不能保證該系統的其它差異或者統計差異不會遭受相同的退化效果。
通常，在X-Y板或載運臺中有一些滯後效應(如由於過度磨損引起的)，這時使用「停-走」式分配方法就會引起分配臺具有更大的不精確性。這是由於當載運臺停在某一特定X-Y位置時，載運臺可能會過衝並停止在一略微不同的位置上，當然，過衝幅度依賴於載運臺停止前的運動方向和速度。這種情形會由於重複進行的停-行操作而會更加惡化。儘管通過適當的維護和對X-Y板的控制，一些缺陷可能會得到減緩，但是這也會大幅度增加工作的難度。
即使克服了這些顯著的問題和限制，目前的分配設備和方法也常難以用於所需的複雜試劑模式。這是由於為了達到所需的模式，用戶必須按照一系列預置步驟和／或分配操作對X-Y板和分配頭進行調節和手動編程。這樣就比較耗時，也是一種重複工作。
根據本發明的另一實施例，提供了一種高速精確分配裝置以將液體試劑分配到一個接收基片之上。該裝置通常包括一個分配器，一個可移動的板或者載運臺以及一個控制器。分配器響應第一信號以將液體試劑液滴分配到一個接收基片之上；板或載運臺響應第二信號以提供在基片和分配器之間的相對的X，X-Y，X-Y-Z移動；一個控制器，被用於接收代表所需試劑模式的數據，並提供第一和第二信號以引發基片和分配器之間的相對移動，同時還引發分配器在一個或多個所需位置上將液體試劑液滴分配到基片上以形成所需的試劑模式；在已知所需的分配位置和每個液滴的可能軌跡之間的距離時，控制器還可以調節在第一和第二信號之間的相滯後或導向以補償在基片和分配頭之間的相對移動量。另外可選擇的，也可為分配頭連續提供正向排液泵或其它的方向流流體源以精確調整提供給分配頭的液體試劑的流量和流動速率。注射器響應一個第三信號，該信號最好與第一和第二信號同步。
根據本發明的又一實施例，提供了一種將液體試劑分配到一個接收基片之上的高速精確分配的方法。該方法包括以下步驟1)接收代表所需試劑模式的數據；2)提供一個第一信號給一個板載運臺以提供以引發基片和分配器之間的相對的X-，X-Y或X-Y-Z移動；3)同時提供一個第二信號給一個分配器以引發分配器在預定的位置上將液體試劑液滴分配到接收基片上以形成所需的試劑模式；以及4)在已知每個液滴的可能軌跡時，調節在第一和第二信號之間的相滯後或導向以提供所需的微量補償或補償在基片和分配頭之間的相對移動量。
可選擇地，這種方法進一步包括以下步驟提供一個第三信號給一個泵設備以提供定量的液體試劑給分配器，泵設備是被依次提供給分配器以獨立地調整提供給分配器的液體試劑的流量和流動速率。
為了總結本發明的優勢，在此列舉了本發明的某些目標和優勢。當然，根據本發明的個別實施例，也不是必須達到上述所有的目標或優勢。例如，熟悉本領域的技術人員將會認識到可能會以一種方式實施而達到或優化在此所述的一種或一組優勢而不必達到在此所述的其它目標或優勢。所有這些實施例均在在此所公開的本發明保護範圍之內。通過對下述帶有附圖的最佳實施例的細節描述，本發明中的這些和其它的實施例將對於本領域中的技術人員來說變得十分明顯。本發明並不局限於所公開的任何特定的最佳實施例。
發明詳述本發明所引用的美國專利U．S．Pat．No．5，738，728和U．S．Pat．No．5，743，554首次公開了一種試劑分配裝置和方法的概念，為了改善分配操作，這些專利提供了一種與液體分配器(如螺線管閥分配器或壓電分配器)相聯的正向排液注射泵。注射泵計量預定的流向分配器的試劑的流量和流速，以調整所分配的液體試劑的流量和流速。同時，一個關聯X，X-Y，X-Y-Z板被控制以按照與分配器操作的調整關係來移動基片，使得試劑密度可控。例如，根據基片的每單位長度所沉積的試劑體積基本不依賴於這種液體試劑的特定流體特徵或分配器的特定操作參數(在給出的範圍之內)。
在本發明之前，由於溫度和溼度的改變、或流體的粘度或其它性質的變化，會引起在分配操作過程當中產物流速的飄移。這樣就會引起大量的不良的試劑覆層濃度或覆蓋模式的差異。因此，傳統的試劑分配設備要求定時監控和經常調整不同的輸入參數，如試劑壓力、閥負荷周期和頻率等以保持一個合適的輸出值。但是，調整這些輸入參數中的任何一個以保持一個特定的所需流速，都會影響其它的相關輸出參數，如液滴尺寸、滴液速率和頻率。因此，通常需要許多嘗試-誤差調節以達到所需的操作點(假設該操作點是完全可以達到的)。
給分配器順序安裝一個正向排液泵，使得允許試劑的流速和流量可控並獨立於所分配的液體的特定流體特徵和／或特定的分配器的操作參數，就可以解決上述問題中的許多問題。例如，由一個分配器形成的液滴的尺寸可通過改變操作頻率(對於一個螺線管閥或壓電分配器)或通過調節氣壓或出孔尺寸(對於一個氣刷分配器)來進行調節，同時還不影響試劑的流速。而且，試劑流速可被控制而無需大量考慮系統操作參數，否則就需要達到穩定的分配操作。所分配試劑的流速和流量由正向排液泵獨立控制和調整。通過這種方式，本發明提供了一種不僅是改善過的計量和分配液體的方法，而且還增加了一個前所未有的新的分配操作和控制的尺度。
這些伴隨其它的並行發展的早期發明的商業介入和接受鼓舞著人們不斷更新發展以追求在試驗帶或量尺方面更為複雜的應用，如用於高生產量藥劑和／或基因篩分、醫學研究、以及其它的常規應用。在生產的水平上製作這種試驗帶的商業可行性也刺激了試驗帶本身和相關聯的臨床化學以及臨床診斷方面的技術的進步。這些進步又進一步地增強了這種試驗帶在更為廣泛的領域內的家用和臨床使用兩方面的商業和臨床的接受和活力。
本發明通過提供一個高速分配裝置和方法以更為精確和可重複地將試劑沉積在一個基片或其它的接受表面或容器上來改善和拓展了以前的工作。所公開的裝置和方法在分配複雜和／或試劑的高密度模式時具有特別的商業優勢，這是由於它提供了精確的分配「自由式」-即無需交替進行停止和運行X-Y載運臺。因此，也可以分配具有更高「點」密度甚至更為複雜的模式而無需顯著增加生產時間或操作成本。這些特徵和優勢是通過結合一個帶有一個特殊的適配控制系統的分配器裝置來實現的，利用這一裝置可通過X-Y板或其它類似平臺的移動來精確調整分配操作。系統概述

圖1是根據本發明具有特徵和優勢的分配裝置108的一個實施例的簡單示意圖。這個分配裝置108通常包括一個分配頭128，分配頭128帶有一個由傳動裝置如螺線管操縱的閥或者其它的分配方式204。分配頭128被安裝在或相聯結在X-Y板或臂架110上。在本領域中的技術人員會明白X-Y板110可能包含一個或更多的定位步進推進器123和124或類似部件，由此可以進行操作以以使分配頭128和／或運載臺或板112沿X，X-Y，X-Y-Z方向作相對移動(如圖所示)。值得注意的是，圖中只顯示了一個單一分配頭128，可以設想，以線性或二維數組的方式同時使用多個分配頭可具有相同或更多的功效。這些分配頭可以以如圖2所示的平行方式(即對應多組操作)或以另外的合適的坐標方式進行工作。
一個正向排液泵或其它的方向流液體源如注射泵120通過一個第一單路檢驗閥145被水力連接在一個儲液容器116上。注射泵120從儲液容器116中抽取液體130並通過一個第二單路檢驗閥145將其輸運給分配頭128(如圖1所示)。注射泵120是通過一個包含一個步進推進器和一個相連的導向螺杆的注射泵驅動器142進行操作的，由此使得活塞118可在注射桶362中伸展和收縮。熟悉本領域的技術人員會明白，當活塞118收縮時，試劑130從儲液容器116中被抽入注射泵120中。當活塞118再次伸展時，試劑130被迫從注射桶362中通過輸運管150流入分配頭128內，然後由分配頭128以液滴131的形式噴射到基片111上。
控制器114監督泵120、X-Y板110(或X，或X-Y-Z板)和分配頭128的操作。特別是，控制器114調整和控制步進推進器123和124以及注射泵驅動器142的每次移動，另外可以開啟和關閉閥204以在基片111上的一個或更多的預定的位置上精確分配適量的試劑。如上所述，這種分配操作是一種「自由式」操作，它無需停止X-Y板的移動。為了調整這種「自由式」分配而不考慮準確性、精確性和重複性，控制114對每一分配周期的階段調節進行了計算。通過考慮液滴的預期軌道，階段調節加速或延遲閥的開啟和關閉時間，以使分配的試劑131的液滴到達所需的位置上(或到達所需的補償位置上)。
熟悉本領域的技術人員將會認識到，這種必需的或所需的階段調節的程度將依賴於大量的系統輸入和輸出參數以及行為特徵(包括所需的微量補償)、分配頭128和／或基片111相對運動的速率或加速度、分配液滴的速率、大氣溫度和溼度、以及其它的一些控制和／或非控制因素。當以上的某些參數或特徵值可被隔離研究，那麼它們對必要的階段調節的影響就是完全可以預測到的。然而，本發明期望，對於一給定的生產體系，在生產之前或生產過程中就能夠實驗測定精確的階段調節量，以使得在長的生產線中達到高度精確、準確和可重複性。控制器114的結構和操作將結合對圖7-10的描述作一更為詳盡的說明。螺線管閥分配器可使用商用試劑分配器(如氣刷分配器、壓電分配器、螺線管閥分配器及類似裝置)中的任何一種分配器來完成本發明。然而，在通常應用當中，多使用螺線管閥分配器。圖3是根據圖1和圖2實施例中所用的一個螺線管閥分配頭128的截面示意圖。當選擇某一特殊的分配頭對於本發明並非關鍵時，我們發現按照在此所述的技術進行操作時，一種螺線管傳動閥分配器128可以產生良好的效果。而且，熟悉本領域的技術人員將會認識到，也存在其它類型的分配器和閥傳動裝置，且使用時也具有較好的效果。例如，這些分配器可以包括(但不局限於)氣刷分配器、壓電分配器、流體脈衝分配器、熱傳動分配器等等。
圖3中所示的這類螺線管閥分配器被普遍用於噴墨印刷並且其商品也可從The Lee Company of Westbrook，Connecticut採購到。分配器128通常包括一個螺線管部分202，一個閥部分204和一個噴口部分205。螺線管部分202包括一個電磁線圈206、一個靜止軸238和一個可移動柱塞240。靜止軸238和可移動柱塞240被安置在一個中空柱狀套管241並與之最好形成一定的間隙(至少略微離開套管241的內壁)以形成一個環形通道242，從而可使試劑1 30或其它的可分配的液體能夠在此流動。靜止軸238和可移動柱塞240最好是由一種磁鐵性物質形成，如鐵合金，並隔開成一空隙244。熟悉本領域的技術人員將會希望當螺線管線圈206通電時即可產生一個磁場，由此將柱塞240向上朝靜止軸238靠近，進而關閉間隙244並打開閥234。
閥部分204包括一個帶有開口254的閥座252，和一個帶有閥面258的塞頭256以塞封閥座252。塞頭256與柱塞240通過電控機械式相連並通過線圈彈簧260被彈性編向閥座252。而且，熟悉本領域的技術人員將會認識到，隨著柱塞240的上下移動，閥234將會相應地開啟和關閉。而且，閥234的每次開啟和關閉，可使液體通過閥口254流出。這樣就會形成一種能量脈衝或壓力波，並進而引起液滴從噴嘴尖端259的出口261噴射出去。
傳統地，帶有預定常壓的加壓液體容器(未附圖)被用來迫使試劑或其它的液體在閥234開啟時的時間間隔內(運轉周期)通過閥口254。以這種方式進行配置以及在可控條件下，這種分配器可能具有尺可能低的如±2％的重複率和約30-35毫微升大小的最小液滴。液滴尺寸將由系統操作參數如儲液容器壓力、閥的開啟時間或工作周期、和所分配試劑的粘度當或其它這種特殊試劑或所分配的液體的流體學特徵來進行調節。當然，某個參數，如噴嘴259和噴嘴開口261的尺寸和形狀，考慮到液滴的尺寸和重複性，將對於閥的操作特徵十分重要。然而，通常液滴的尺寸隨儲液容器的壓力和閥開啟時間的增加而增加。
根據本發明的一個特殊的最佳實施例，為螺線管閥分配器128提供了一個正向排液泵120(參考圖1)。這種配置方式有以下好處通過連續水壓，迫使螺線管閥分配器128接納和噴射只由正向排液泵120決定的試劑的流量和流速。例如，注射泵可以一穩定的速率被引導輸送流速為1微升／秒的試劑給螺線管閥128。當閥塞頭256以給定的頻率和工作周期開啟和關閉時，一系列的符合所需流速的液滴將會形成。在整個系統中，注射泵起至加壓的功能，以確保所需流速而不管分配閥的工作周期和頻率。
一種優勢在於，在某一操作範圍之內，可以簡單地通過改變提供給螺線管閥分配器的激勵脈衝182(如圖1所示)頻率和工作周期來調節液滴的頻率和／或速度而不影響試劑的流速。當然，也存在達到穩定液滴形成所必需的閥開啟時間或工作周期的物理限制。如果相對於流速開啟時間過短，壓力將會增加，可能會阻止分配器128的正常工作。如果相對於流速開啟時間過長，將會減弱下滴過程或者對於每一開／關循環可能會形成不均勻下滴。然而，對於由注射泵120提供的試劑130的給定流速，將會有相應的頻率和／或開／關時間或者工作周期，以使在達到所需液滴尺寸和流速下完成穩定分配操作。對於一個給定的生產線，這個範圍可通過實驗進行測定。注射泵如圖4所示，一種合適的注射泵120通常包括一個具有預定容積的注射室362和一個柱塞118，柱塞118通過○形圈或類似方式(未顯示)而對注射室進行密封。柱塞118與一個帶有導向螺紋368的柱塞柄366機械連接，通過該螺紋可將其固定在底座上(未附)。熟悉本領域的技術人員會明白，隨柱塞柄366的導向螺紋部分368的旋轉，柱塞118將會發生軸向移動，迫使試劑130從注射室362進入到退出管370內。可使用任何一種合適的電機或機械電機來驅動導向螺紋368。最好是，使用帶有一個步進電機(圖1所示)或其它的遞增或連續電機設備的泵驅動器142，以使試劑130的流量和流速可被精確調整。
有幾種商用注射泵是可以得到的。有一種注射泵是可從加利富尼亞的Irvine的Bio-Dot公司得到的Bio-Dot CV1000注射泵分配器。這種特殊的注射泵包括一個電控步進電機以通過使用不同尺寸的注射泵來提供精確液體操作。這種CV1000可供以24V的直流電源，並且一是通過一種工業標準的RS232或者RS485的總線接口來控制的。這種注射泵具有3000-24000個步進，儘管在本發明中也使用具有更高解析度(48000個步進或更高)的泵。具有更高解析度的泵如壓電電機驅動泵，也可用來提供所需的更高精細度。作為替換，計量泵的導向螺紋也被一個壓電載片取代，以提供更小的增量和更快的加速／減速特徵。也可平行使用多級注射泵，以向分配器輸運不同濃度的試劑130和／或其它液體，或者用於在兩種或更多種試劑之間的交替分配操作。例如，這種情形可能會用在噴墨印刷(同時使用一個或更多的彩墨或液體色劑)。
柱塞118的行程最好是約260mm。柱塞速率可在0．8秒／筆(最小10個步進，對於低解析度泵)至1．5秒／筆(最小20個步進，對於高解析度泵)。筆速的變化依賴於注射尺寸和所用的管。注射量從少於50微升到25毫升，或更多(如需要)。具有50微升到25毫升體積的注射量在大部分的試劑分配使用中都是足夠可行的。泵的最小增益排液量依賴於泵的解析度和注射量。例如，對於一個具有50ml的注射室和12000個步進解析度的頻道，其最小增益排液量將是約42毫微升。最小增益排液量從0．5至2．1毫微升是最佳的，儘管更高的或更低的最小增益排液量未被使用，但也享有本發明所公開的益處。
注射室362可從與生物相容的材料中選取，如玻璃、聚四氟乙烯或Kel-F。柱塞118最好是由純聚四氟乙烯形成的。參考圖1，注射器120通過一個聚四氟乙烯管150被連接在儲液容器116和分配頭128上，該管直徑為1／4英寸(0．64mm)，並提供了路厄式裝配與注射器和分配頭相連接。如需要，可以使用各種校驗閥145，以引導試劑130從儲液容器118中流進注射泵120和分配器128。當然，還可使用大量的其它類型的正向排液裝置或「方向流」液體源，以體現本發明中的優勢。這些包括(例如，無限制)旋轉泵、蠕動泵、壓入式平板泵，包括水力和電力反饋控制的泵等等。控制器圖7是具有本發明特徵的一個電控制器114的一個可能實施例。在該實施例中所述的控制器114通常包括一個主機CPU或計算機，它與數據存儲器的一些形式形成接口。特別是，控制器可大致分為五個基本子系統主機CPU402、協調控制線路404、存儲和邏輯線路406，注射停止計數電路408，閥點燃電路412。這些子系統以虛線依次表示在圖7當中，並在下文進行詳述。熟悉本領域的技術人員會明白，每一子系統都是和其它的子系統的協作而同時控制坐標步進電機123和124、注射泵電機142和螺線閥分配器128(圖l所示)以達到所需的分配效果。
主機CPU一個主機CPU 402被用作中心控制器，而且它是控制器114和用戶之間的接口。它允許操作人員輸入分配數據並且控制(獨立地或同時地)分配裝置108的每個方面(如圖l所示)。
在些所述的特殊實施例中，主機CPU 402通常包括一個帶有一個存儲槽或可插電路板的適配總線的80×86或者奔騰計算機。電路板或「控制卡」包含如圖7所示的四個系統。控制卡被安裝在或插入到計算機總線上以提供數據傳輸和指令通訊傳達。主機CPU 402還為控制卡提供電源，並進一步使操作者訪問、程控和控制控制卡的功能。進一步期望，主機CPU 402含有一些適當的與主機和控制卡適配的計算機軟體以方便在此所述的系統操作。
最好，顯示器和數據輸入方法被集成在CPU 402上，由此提供輸入數據給存儲器或裝在控制卡上的靜態RAM數組414的方法。熟悉本領域的一般技術人員都已知道，鍵盤、滑鼠、跟蹤球、光筆、電容接觸屏、計算機存儲媒介均是可接受的數據輸入方式。類似地，彩顯屏幕提供了一種適當的顯示方式。使用一種數據錄入裝置，如鍵盤，操作者可以用數據數組或圖像位圖的方式將數據輸入到主機CPU 402中，由此指導電子控制器和所需試劑模式和特徵的分配裝置。傳統的計算機軟體能可能比較便於通過主機CPU 402向控制卡的存儲器414輸入數據數組或位圖。
在此所述的特殊最佳實施例中，控制卡與PC-AT仿製計算機(即80×86或者奔騰計算機結構)相適配。控制卡形成因式，總線配置與PC-104格式匹配，因此可以在一塊電路板上快速而廉價地進行電路設計。在如上所述的特殊最佳實施例中，主機CPU 402使用了一個Motorola 68332處理器以作為微處理器。然而，熟悉本領域的技術人員會明白，其它的計算機系統和主機CPU也可使用並具有同樣的優勢。
對於本發明的使用目的，總線包括一個電力連接，由此可進行數據交換，如地址信息、數據信息、和／或指令。本發明包括一個裝有地址信息的地址總線416和一個裝有數據信息的數據總線418。數據總線418和地址總線416與存儲器和邏輯線路406相連。具有優越性地，數據總線418和地址總線416都是雙向的，由此可以允許在控制卡和存儲器以及邏輯線路406之間的數據傳送。控制器114可以將從控制卡中得到的狀態信息顯示在主機CPU 402的顯示器上，並可將信息寫入給一可長永保存的一個數據文件中。熟悉本領域的技術人員會明白，也存在其它類型的攜帶電子信息的電力連接，並為本發明所完全關注其使用。存儲器和邏輯線路與主機CPU 402連接的是一個線路網，在此是指存儲器和邏輯線路406。通常，存儲器和邏輯線路406存儲用來定義分配模式和特徵的數據。需要時，也可使用其它的硬線邏輯線路，如計量器424和和多路傳輸器426以解析分配數據給控制器114的其它子系統或者加速信息處理和控制數據。
尤其是，存儲器和邏輯線路406通常包括一個電子存儲器414以保存有關試劑130分配參數的數據、一個三態緩衝區420、一個等分器422、一個地址計數器424、一個多路傳輸器426和各種邏輯線路以確保電子控制器114的正常工作。三態緩衝區420通過數據總線418與主機CPU402相連接，並將CPU與控制卡隔離。緩衝區420是用來迅速接收和保存數據以進一步增加數據傳輸速度和釋放數據傳輸操作的主機CPU402。反之，三態緩衝區420與一個存儲器模塊401相連，最好是一個隨機存取存儲器數組。三態緩衝區420也和靜態隨機存取存儲器數組414的的輸出線相連，以直接控制注射電機142和螺線管閥分配器128(如圖1所示)。
靜態隨機存取存儲器數組414包括一個電子存儲器，通過它可以通過三態緩衝區420以數據數組的方式保存從主機CPU 402發出的數據。數據數組414定義試劑130分配模式。較優越地，訪問對應於一個數據數組地址的數據數組414中的每一個值，從而可以訪問數據數組414中的每一個值。
一個21多路傳輸器426通過地址總線416與主機CPU 402相連。21多路傳輸器426允許操作人員選擇兩個輸入途徑中一個以傳給輸出口。多路傳輸器426有兩個輸入端一個第一輸入端是與計數器424的輸出端相連的，一個第二輸入端是與地址總線416相連的。在最佳實施例中，在穩態操作過程當中，多路傳輸器426從主機CPU 402或從存儲器和邏輯線路計數器424的輸出端提供一個數據數組地址。熟悉本領域的技術人員會明白，當多路傳輸器426經過計數器輸出端到靜態RAM數組414時，地址通過一個步進控制晶片輸出的方式自動增加。步進控制晶片430的輸出被較好地用作控制器的主時鐘，並因此使系統108進行同步操作。下面更為詳盡地敘述步進控制晶片430。
計數器輸出424提供兩個輸入端中的一個給多路傳輸器426。熟悉本領域的一般技術人員都知道，計數器424包括一個數字邏輯線電路，它可以記錄輸入脈衝以產生一個二進位代碼，該代碼在每次輸入脈衝下通過一個預定值(最好是1)進行增或減。這種二進位代碼提供下一地址以從數據數組中檢索數據。由此，計數器424的作用是增加數據數組414的地址。計數器424最好是一個復位電路，從各種寄存器和邏輯電路428提供一個復位線以復位計數器424。計數器424可以通過一個從主機CPU402來的中斷自動或手動地被復位。
等分器422的輸出提供輸入給計數器424。等分器422在接收到N個輸入脈衝後提供一個輸出，其中N是激發一個輸出脈衝所需的輸入脈衝的個數。如果需要，等分器422可以進行調節，以使N值可由操作人員進行設定。因此，這種分配裝置的解析度可以通過由步進控制晶片430和所設定的N值所得到的脈衝輸出個數來進行控制。熟悉本領域的一般技術人員都知道，等分器422用一種計數器線路的形式很易於完成，其中計數器線路在接收到一定量的輸入脈衝後輸出一個脈衝。等分器422的輸入是由步進控制晶片430提供的主時鐘信號。如下所述，等分器422也為注射終止計數電路408和閥發射線路412提供輸出。
從靜態隨機存取存儲數組414出來的雙重輸出線與每個注射終止計數電路408和閥單射電路412相連，這將在下文詳述。熟悉本領域的一般技術人員都期望靜態隨機存取存儲數組414的輸出定義所需的注射電機增益和閥脈衝延續時間，且通過地址計數器輸入順序遞增。
為方便操作，各種寄存器和邏輯電路(如在步進428中所示的)均與上述元件集成。熟悉本領域的一般技術人員都知道，不同的邏輯線路和存儲寄存器428被合理地散布於在此所述的元件之間。另一方面，在些所述的電子硬體易於通過使用適當的軟體得以體現。
坐標控制線路利用坐標控制線路404可將分配頭128(如圖1所示)移至每一所需位置。圖7僅僅顯示了對於X-軸移動控制的線路，熟悉本領域的一般技術人員都知道，為便於對X-Y板的操作，在本發明中，對Y軸驅動控制也是所能預料的。在其它的實施例中，控制器114也可以包括Z軸移動以適應X-Y-Y板。沿Z軸移動這一額外的系統控制是通過調整分配頭128和基片111(如圖1所示)之間的距離來完成的。
坐標控制線路404通常包括一個步進控制晶片430、控制邏輯電路446和一個軸向傳動驅動器448。下文將作更詳盡的描述，其中，坐標控制線路404提供輸入值給儲存器和邏輯線路406的等分器422。坐標控制線路404也提供對一個軸向步進電機123(如圖1所示)提供控制並輸入到注射終止計數線路408和閥激活線路412。
步進控制晶片430產生一個常量步進脈衝輸出。這種步進脈衝具有兩個目的。首先，步進脈衝提供一個控制信號給軸傳動驅動器443，該驅動器進而激發步進電機123；步進電機沿X軸方向控制分配頭位置。其次是步進脈衝或一個分離形式，它們作為主時鐘脈衝蔓延整個系統。步進控制晶片430是一種常用的操作步進電機。在此所述的最佳實施例使用了一種可從Nippon Pulse公司購到的Nippon Pulse PCL-240AK產品，儘管也可以使用其它的目前可得到的傳動控制晶片。
現在我們對坐標控制線路作以更為詳盡的描述。步進控制晶片430具有兩個輸出一個是步進脈衝輸出450，另一個是方向信號輸出452。第一個輸出即步進脈衝輸出450至少連接到一個邏輯電路上以調整步進電機123的操作。在本實施例中，邏輯電路包括一個雙重輸入AND門446。AND門446的一個輸入從步進控制晶片430連接到步進脈衝輸出450上。一個軸允許線453連接到AND門446的另外輸入端。軸允許信號(當較高時)，允許步進脈衝輸出傳播至AND門446的輸出。如上所述的存儲器和邏輯線路406這個軸允許信號給AND門446，從而提供停止分配頭128運動的方式，這種方式或者是通過數據數組自動進行，或者是通過主機CPU 402手動進行。
步進控制晶片430的第二輸出(傳動方向控制信號)是在一個方向控制線452上提供的，是用來控制X軸步進電機123的方向。載有傳動方向信號的傳動方向線452直接連接至軸傳動驅動器448上。步進傳動方向信號也被輸送給注射停止計數線路408(將在下面更為詳細地介紹)。改變方向線的狀態或邏輯電路水平將改變X軸步進電機123的方向。在此，本發明較有優勢地提供了一種雙重方向印刷裝置，如上所述，該裝置可以加速分配操作。
一個軸傳動驅動器448從AND門446和步進控制晶片430接收輸出信號。軸傳動驅動器440是一種由正常邏輯電路水平信號控制的電子設備，該信號與邏輯電路水平輸入信號相關聯進入到一個特定的輸出，該已增加了驅動一個步進電機的流源能力。熟悉本領域的一般技術人員都知道，許多傳動驅動器都是可行的，都能夠滿足本發明的需要。
軸傳動驅動器448被提供給X軸步進電機123。步進電機123控制分配頭128與基片111的相對移動(如圖1所示)。最好是，步進控制晶片430、軸傳動驅動器448和步進電機123具有大於約100個步進／線性英寸(40個步進／釐米)的解析度，更好的情況是大於約500步進／線性英寸(200個步進／釐米)的解析度，甚至超過700個步進／線性英寸(300個步進／釐米)的解析度。
注射停止計數線路注射停止計數線路408根據從步進控制晶片430和存儲器和邏輯線路406接收到的信號控制注射器120的信號。注射停止計數線路408包括控制邏輯電路、一個注射線路等分器455、一個注射線路計數器456和一個注射傳動驅動器458。具有優勢地，注射停止計數線路408與控制器114的其它的子系統同步以確保精確地同時地控制整個注射傳動驅動器458。
控制邏輯電路為得到對整個注射系統進行手動控制提供了方法，它包括一個方向控制NOR門460，該門具有兩個輸入端，第一輸入端與步進控制晶片430的方向線452相連，第二輸入端與一個注射方向反向線462相連。儘管未附，注射方向反向線462與存儲器和邏輯線路406相連，並將在下文進行詳述。方向控制NOR門460的輸出與注射傳動驅動器458相連。根據進入NOR門460的信號，注射傳動驅動器可用來改變注射步進電機142的方向。具有優勢地，注射驅動器142是雙向的，由此可以提供將液體吸進注射器120或從注射器120中排出液體的方式。例如，根據包含在靜態隨機存取存儲數組414中的數據，可提供注射方向反向信號，並由此根據起初的程序進行操作。
如果在步進晶片430的方向倒轉，那麼注射柱塞118的移動(如圖1所示)也會翻轉方向。然而，在靜態隨機存取存儲數組414中的閥也會存在以確保雙向印刷，即當步進電機123改變時，在方向反向線462上的信號的水平發生改變。反之，操作人員可以通過主機CPU 402經過方向反向線462而手動控制注射器120的方向(如圖1所示)。手動控制整個注射器120(如圖1所示)提供抽取、分配、或充填注射器120的能力以達到獨特的非自動分配操作。
注射停止計數線路408也包含一個注射線路計數器456。注射線路計數器456決定在一個分立的分配操作過程中要提供給注射電機的脈衝的次數。在本發明實施例中，注射線路計數器456帶有三個輸入端465、466、467和一個輸出端464。第一輸入465接受從靜態隨機存取存儲數組414中獲得的注射增益值。注射增益值是注射電機142(如圖1所示)在某一目標位置上將要移動的步進次數。第一輸入466接受從存儲器和邏輯線路等分器422得到的等分器422的輸出值。等分器輸出值是作為注射線路計數器456的主時鐘，由此使得向等分器輸出的每一上升脈衝的計數器輸出同步化。計數器的第三輸入467是用來監測到達注射傳動驅動器458的脈衝並由此以遞減計算在計數器的值。因此，注射線路計數器456從數據數組得到一個值，在這種情形下，注射器120的步進次數增加，並響應主時鐘信號的上邊緣，向輸出454提供一個相同的脈衝次數。
計數器456的輸出454輸送以注射停止計數線路408的三個邏輯網絡。通常，這種邏輯網絡使帶有位置步進電機123的注射器120的操作(如圖1所示)同步化並為用戶提供手動控制以禁止注射操作。邏輯網絡提供一個過載OR門470、一個AND門471和一個注射禁止器AND門472。注射器過載OR門470具有一個與上述計數輸出454相連的第一輸入端。注射器過載OR門470具有一個與注射器過載信號線474相連的第二輸入端，由此提供手動操作注射電機142的方式。在靜態隨機存取存儲數組414中的數據數組可能提供注射過載信號，或在手動方式時，通過存儲器和邏輯線路406提供注射過載信號。
注射器過載OR門470與一個AND門471的第一輸入端相連。AND門的第二輸入端直接連至步進控制晶片430的輸出端上。AND門471允許注射電機或者通過注射器過載信號傳播，或者根據值在自動操作過程中通過靜態隨機存取存儲數組414傳播。AND門471的輸出連接到一個注射禁止器AND門472的第一輸入端。注射禁止器AND門472的第二輸入端包括一個注射禁止信號線476，它提供中止對注射電機142進行操作的方式。在靜態隨機存取存儲數組414中的數據數組提供注射禁止信號，或者在手動控制分配時，主機CPU 402提供注射禁止信號。
注射禁止器AND門472的輸出值進入一個注射線路等分器455。這個注射線路等分器455與上述在存儲器和邏輯線路406中的等分器相一致，就不再詳細描述。當N值決定系統的解析度時，等分器455對輸入脈衝的每個N值均提供一個輸出脈衝。等分器455將其輸出提供給注射線路計數器467和注射傳動驅動器458的輸入。
注射傳動驅動器458主要根據前述坐標控制線路404的軸傳動驅動器448的原則進行操作，在此不再詳述。
值得一提的是，為螺線管閥分配器128(如圖1所示)連續地提供一個正向排液泵120具有這樣的好處迫使螺線管閥分配器128接納和噴射只由正向排液泵120決定的試劑的流量和流速。關鍵是，注射泵對於整個系統起到推動作用，以確保能夠保持所需的流速而不管分配閥的工作周期、頻率或者其它的操作參數。這在靜態操作中是完全正確的。
然而，對於非靜態操作，如在開始起步或間歇分配操作時，由於在水力系統中的水力「電容效應」、小氣泡的洩露或沉澱，在供應線150中可能會出現瞬變壓力的變化。這些壓力變化可能會引起所分配液體的流速的瞬變或間歇變化。例如，圖5中線910示意了由對分配裝置的開始起動操作引起的瞬變分配效果。為補償這些變化並確保在開始起動和間歇分配操作過程中的一致性分配操作，本發明中的控制器較好地提供了在開始起動操作之前的供應線150的預壓化。
例如，可通過預壓化可通過以下方式實現為了在線150內建立壓力，可在閥204(如圖3所示)關閉時推進注射器120至所預定的穩態水平。相應地，當閥開啟時，試劑130在所需的目標或以所需的穩態速率或速度退出。對於一給定的生產線，達到以穩態操作所需的預壓化的量可由實驗測定。例如，圖5示意了預壓變化對開始起動間歇分配操作的影響。熟悉本領域的技術人員會明白，其它的壓力補償技術如壓力傳感器、時域補償、注射排液補償等也有效果。
閥激活線路閥激活線路412控制分配頭128使之與分配裝置108(如圖1所示)剩餘子系統相一致進行同步化操作。在本實施例中，閥激活線路412包括一個閥脈衝計數器480和一個閥驅動器484。閥激活線路412得到兩個輸入信號。第一個輸入信號是從存儲器和邏輯線路406獲得的，包括一個從靜態隨機存取存儲數組414傳來的閥脈衝值。閥脈衝值是閥保持開啟時的單擊周期的時間或次數。第二輸入信號包括從邏輯線路和驅動器422的輸出傳來的主時鐘脈衝。主時鐘脈衝是用來使分配裝置的其餘部分與閥進行同步化操作。脈衝計數器480用於為閥驅動器484提供適當的脈衝延續時間。
具有優勢地，這種閥激活線路包括一個參照時鐘。參照時鐘產生固定延續時間的脈衝。這些具有固定延續時間的脈衝提供了一個可能的時間參照，參照時鐘482可確保對分配頭128(如圖1，3)的精確操作。
脈衝控制器480的輸出端與閥驅動器484相連。閥驅動器484從脈衝計數器480接收邏輯電路水平輸入信號並提供一個驅動電壓以驅動螺線管或其它的類似部件來打開或關閉螺線管閥分配器128(如圖3所示)的閥204。相應地，閥驅動器484與螺線管分配器202進行電通訊。軟體／流程表圖8是一個示意對一個分配裝置和如上所述的控制系統的基本操作流程表。第一步604包括提供試劑模式和使用要求／參數給控制器。如上所述，數據最好是以表或圖的形式進入到數據文件或位圖文件中。試劑應用要求定義了分配過程的位置、數量和使用參數。這使得用戶可以通過鍵盤或圖形界面進行輸入，或者可以直接從存儲媒介如磁碟或磁帶中讀取。在下一步驟608，系統將使用要求翻譯成注射排液和閥脈衝延續時間值並在數據數組中排列計算值。
包含在數據數組中的數據類型列於表1。例如，數據數組可能含有將試劑分配在一特定目標位置的控制方式的數據值。因此，每一個數據地址對應於一個目標位置，進而每個目標位置對應許多用來定義該位置分配特徵的數值。
表1 每個分配位置的注射排液值和閥脈衝值對應於一個數據數組中的地址。由此，當控制器114(如圖1所示)移動分配頭128橫過基片111時，數據數組中的地址依次增加並進而以這種方式處理完數據數組中的所有值。這就提供了對試劑量的精確控制和將試劑提供給基片111上每個位置的方式。所有這些均是在分配頭橫越過基片的連續移動過程中同時發生的。
為了包括在分配過程中的特殊的要求、參數或者調節增量，另外的數據處理可能在步驟612中出現。調節可能包括對液體流速、液體溫度、分配裝置調整、基片成份和其它參數的調節。調節可能還包括分配頭對於X軸和／或Y軸移動的速率補償。例如，如果分配頭以高速移動，給定預期軌跡，閥脈衝和注射器必須在所需分配位置之前稍微調整相位以到達所需的目標區域。類似地，更粘的液體可能需要額外的相位調節或者增加閥脈衝時間和注射遞增距離，以使得適當量的試劑退出閥。
對於給定的試劑或生產線，許多調節可能是通過實驗研究和／或實驗性地確定的。例如，為了對分配頭的溫度、粘度、高度或速度進行調節，可以先通過已知的分配數據或已確定的參數公式或一覽表進行粗調。對於給定的生產線再可以進行細調。例如，可通過對分配頭編程以在基片上的特定位置上分配已知的橫或縱線模式、目標模式和／或類似模式。通過檢查所產生的模式，可以作某些調節如相引導或滯後以分配數據來補償所注意到的誤差。實驗儘可能重複多次。可選擇地，為了提供提供對分配器的調節和實時自動反饋，最好提供傳感器如溫度指示、粘度傳感器、或者其它的傳感器。
最後，在步驟616中，控制器按其始位置排列試劑分配頭。當分配裝置開始工作時，分配頭128橫穿過基片。現在，控制器114(如圖1所示)增進注射器120(如圖1所示)，推動螺線管閥分配器128(圖1，3所示)並連接增加數據數組地址以提供精確的「自由式」試劑分配。
圖9A是根據本發明的一個分配裝置的一個最佳操作模式的更為詳細的流程示意圖。在步驟804，主機CPU 402(圖7)接收控制一種特殊試劑的分配和分配操作的數據。鍵盤、硬碟、磁碟、CD-ROM、或其它的數據輸入設備都可以提供這種信息給主機CPU 402。在步驟812中，主機CPU 402或者控制器114也可接收這個N值，通過該值，可均分主時鐘信號。通常根據每線性距離「d」所含有的地址目標區域的數目來確定分配操作的解析度。
在步驟816中，主機CPU 402將分配數據傳送給電子控制器的靜態隨機存取存儲數組414(圖7)。與靜態隨機存取存儲數組414相聯繫的主機CPU 402將數據放入一個數據數組。對於每個目標位置706(圖3所示)數據數組包含該分配數據並可通過一個數據地址位置進行訪問。如果該信息可用，數據數組還可以包含特殊的控制信息如注射禁止、注射過載、閥禁止、閥過載和步進傳動方向和／或不同的調節。
在步驟824中，系統控制器114監控外部感應器和／或操作人員輸入。監控外部感應器可以獲得其它的信息如液體粘度和／或溫度。根據從外部感應器和任何操作人員的最後變化獲得的數據，控制器114在步驟820中調節數據數組。例如，如果試劑被測定其溫度高於正常溫度，則會將閥的工作周期調低以確保排出合適量的試劑。
在步驟832中，步進控制晶片430(圖7)通過輸出一系列的脈衝開始工作。步進控制晶片430或其它的一些等同的輸出器件提供一個脈衝給X軸驅動器448(圖7)，由此激發可連續移動分配頭128(圖1)穿過基片111的X軸步進電機123(圖1)。在本發明中，由於步進的高精度，分配頭128(圖1)假設一個連續穩態移動的位置。在這個特殊實施例中，等分步進控制晶片輸出脈衝被用作圖7中的控制器114的主時鐘。然而，熟悉本領域的技術人員會明白，也可使用其它類型的系統同步器。例如，在此所權利要求的發明是使用計算機軟體來實現的，主計算機時鐘或一個等分說明也可作為一個同步化信號。
下一步，控制器114的操作分支並循環，表示成包含在虛線範圍內的扇區834。在循環之內，系統同時進行以下幾個功能即移動分配頭128、推進注射器120、以及打開／關閉閥204(圖1，3)。為了完成這項工作，步進晶片430(圖7)在數據保存的位置增加數據數組的地址(步驟836)。這就提供了一種自動和須序地讀取數據數組中的數據值。最好是，將數據數組中的數據排列起來以使得系統108可以用一個恰當的模式(須序地或無序地、連續地或非連續地)來分配試劑130。因此，分配頭128將只在基片111上的特定的目標位置分配試劑，該位置是由分配包含在數據數組中的數據指定的。
多路傳輸器426(圖7)和各種寄存器及邏輯電路(圖7)讀取注射增益值840和閥脈值844。這些值被保存在靜態隨機存取存儲器數組414(圖7)中並對於一特定的目標位置706(圖6)定義注射器120如何進行及閥保持開啟狀態的長短時間。然後將注射增益值傳送給一個注射停止計數器電路(步驟848)。同時，閥脈衝值被傳給一個閥激活電路(步驟852)。由這些電路執行的子程序分別控制注射器120和閥128的操作(兩個均顯示在圖1中)。將在以下對注射停止計數器電路848和閥激活電路852進行詳細描述。
注射停止計數器電路848和閥激活電路852之後，控制器114查詢其它的X軸數據(步驟854)。如果其它的X軸數據存在，系統返回到步驟836以增加數據數組的地址並重複上述過程。相反地，如果對於某一特殊的行不存在另外的數據，控制器114則暫停步進輸出(步驟856)並查詢試劑130的其它行需要分配(步驟860)。如果在數據數組中的對應於其它行的數據存在，那麼系統增加Y軸移動以使分配頭128(圖1)前進一行(步驟862)，並返回步驟828以分配試劑130的其它行。
如果沒有其它的數據項存在，即在最後行的最後的X位置已經被分配，那麼控制器114停止工作。操作人員然後裝入另外的基片111(步驟864)並重複分配過程或通過主機CPU 402輸入另外的分配模式。可替換地，如果裝有自動基片輸入(未附)裝置，分配裝置108(圖1)就會在完成該過程之後自動加載另外的基片111。
圖98更為詳細地描述了對注射停止計數線路408(如圖7所示)的最佳操作。如圖7中的硬體所示，注射停止計數線路408根據數據數組中的值和控制器114的其它部分的操作來控制注射器120的操作。在操作過程中，從數據數組中得到的注射增益值加載進入注射計數器456(圖7)(步驟870)。如果注射增益值是一非零值，計數器456的輸出為高端以使注射驅動器開始工作(步驟872)。均分步進晶片輸出450(圖7)的每個時鐘脈衝同時遞增注射器120和遞減計數器456(步驟874)。以重複的形式，注射柱塞118(圖1)移動或前進以增加線150(圖1)的壓力。
在步驟876中，控制器或主機CPU查詢計數器456的狀態。如果計數器的值尚未達到零，那麼在本實施例中，注射停止計數線路408(如圖7所示)保持計數器輸出的狀態為高端或可工作狀態。因此，在下一個均分主時鐘脈衝上計數器注射器120遞增而計數器遞減(步驟874)。可替代地，如果查詢步驟測定計數器為零，那麼計數器456的輸出就不工作(步驟878)，進一步中止注射器120的前進。這樣就可以完成對於一個特殊目標位置的注射操作。控制器114的操作返回到圖9A。對於在基片111上的每一目標位置706(圖3)均重複上述過程。
圖9C更為詳盡地描述了對閥激活線路412的最佳操作。顯示在圖7中的硬體裡的虛線412即閥點為線路412包括被虛線所包含在內的硬體。在操作過程中，傳輸的閥脈衝值加載進閥計數器480(圖7)上(步驟884)。如果閥脈衝持續時間為零，計數器480的輸出進入高端以使閥驅動器484(圖7)開始工作(步驟886)。
最好是，閥脈衝計數器480(圖7)的運行與參照時鐘482(圖7)相聯繫以為閥的工作建立參照周期，該周期是以步進控制晶片430(圖7)的時間的單位值來替代脈衝的單位數。這樣，數據數組提供關於參照時鐘有多少個脈衝的信息，閥204(圖3)將會保持開啟狀態，這對應於時間的周期而非X軸步進電機123(圖1)的行過的距離。例如，如果每個時鐘脈衝持續0．001秒，那麼對於100個參照時鐘脈衝均保持開啟狀態，將會導致閥保持開啟狀態為0．1秒。
在參照時鐘的下一個上升邊緣上，閥火線路遞減計數器480(步驟888)。這就完成了一個時鐘循環。下一步，在步驟890中，對計數器的狀態進行查詢。如果計數器480的值非零，則閥激活電路412保持計數器輸出的狀態，即在高端或開啟狀態。因此，閥204(圖1，3)保持開啟且計數器480在參照時鐘脈衝的下一上升邊緣遞減(步驟888)。
可替換地，如果查詢步驟890測定出計數器值為零，則計數器480(圖7)的輸出無效(步驟892)，進而使得驅動器484(圖7)無效並導致閥204關閉。這樣就完成了對一特殊目標位置706的閥操作。繼續按步驟894中圖9A所述的方式進行系統的操作。對於在基片111上的每個目標位置706(圖6)均重複上述步驟。
在一可選擇的實施例中，本發明可配置為完成選擇性的試劑分配操作。例如，對於分配頭128的連續線性移動，代替配置系統108，該系統也可提供給隨機存取基片目標區域的地址。由此，分配裝置108就能夠在基片111的右上角分配試劑，然後移到左下角分配試劑而不必在任何位置之間進行分配。分配的次序和模式是通過數據數組自動控制或通過主機CPU 402(圖7)手動控制的。操作人員將會配置數據數組值以創建一個適當的分配試劑130的模式。例如，該模式能夠提供一個信號的或結構上的表達方式以指示試驗結果，或者在基片111上形成一個可視商標或商業名稱。替換配置儘管已結合特殊的最佳實施例對本發明作了詳細描述，但熟悉本領域的技術人員將認識到，以許多替換配置中的任何一種(如軟體基系統)均可以實現本發明。例如，在一個軟體基系統中，一個或更多的EPROMs都可以保存計算機代碼。每個EPROM都能夠連接到一個或更多個微處理器上，其中的每一個均可以連接到一個或更多個驅動器上以提供適當的信號給每個電子機械式驅動器。
可選擇地，多路分配器502或者可平行使用(如圖2所示)，或者可獨立使用。分配頭的數組可以一起配置，如間隔成中心距離為4．5mm或9mm，以提供8的數組分配，同時16和64下降和／或以同步調整。圖2顯示了一個帶有多路分配器512的單調輸入平臺500以操作一種或多種試劑。這種特殊的分配裝置配置對於連續網絡生產應用具有顯著的優勢，這是由於一個或多個注射泵512可以交替連續的方式進行操作，其中，允許非分配注射泵從儲液容器中吸取另外的試劑，或者它們可以進行配置以互相獨立地同時或依次地分配相同或不同的試劑。
根據本發明所構成的一種分配裝置也可以被安裝在任何一種其它類型的薄膜安置和處理模塊。這樣的分配平臺可以是微處理基的，最好是通過工業標準輸入／輸出1-0控制器(未附)如RS232界面來進行控制。本發明也適於用單個薄膜帶處理模塊和連續的卷到卷式處理模塊來進行操作。例如，一個單個薄膜帶處理模塊可以僅僅包括一個用於分配的X軸板移動。卷到卷式平臺可能包括一個附有可選擇的裝置的固定速度薄膜傳輸以使一個或多個分配器進行移動。也可使用一個乾燥烘箱(未附)以增加所需的生產量。使用與操作圖6顯示了一個基片111的示意圖，它包括一個放大的圖，該圖則說明了單個「點」或「液滴」702是如何在基片111上優先排列的。從概念上講，根據一個可設定地址的目標區域706／線性距離「d」的值，將基片111分割成具有預先設定的解析度的行(X軸)714和列(Y軸)716。因此，基片111上沿一軸方向移動的等於1英寸(2．54mm)的一個線性距離d，包含100-500或更多個單可設定地址的目標位置。每個目標位置都將對應於許多X軸步進驅動器增益以及許多相對於預先設定相對於預定值「零」位置的Y軸步進驅動增益量。
因此每個目標位置706都有一個特殊的地址，一個控制器可以精確選擇特定的靶區位置並分配預定的試劑液滴的量。圖6顯示了一個相對於基片111的分配移動的最佳模式。該模式較好地減少了完成一個特定操作的時間。在沿第一行執行一個第一線性遍數730時，分配頭轉向並沿相鄰的第二行執行一個第二遍734的操作。與非方向性分配操作相比，這種方向性分配較好地減少了完成分配操作所需的時間。可以看到，對於非連續或間歇分配，控制器將會通過或者相鄰地直接和／或鄰近地調節下一步所需的目標位置而無需完成每個連續遍數或每個插入的行來發送給分配頭以加速操作。
本發明另外的顯著優勢在於能夠以一種更為友好地更易於理解的方式來定義所需的輸出數據或試劑模式，如作為一個簡單的位圖或計算機圖形文件。熟悉計算機圖形技術的技術人員會明白，位圖文件很易於使用任何一種商業軟體如PC-PaintTM生成或保存。針對本發明的修改過的圖形軟體也能夠提供輸入和記錄相關數據，如關於每個特殊的點地址的所需的密度、液滴流速等。使用合適的軟體和控制技術，包括位圖的數據文件很易於直接下載給一個控制器，該控制器指示分配裝置以創建所需的具有特定特徵的試劑模式。
上述本發明的使用和操作僅為一個較好的模式。其它的操作模式也可能具有顯著的商業和科學優勢。下面通過實施例對本發明的其它較佳模式加以說明。
實施例1程控線模式圖10A是根據本發明的一個最佳實施例的分配操作的程控線模式的流程示意圖。在這個模式裡，可以沿一個線性或線性的模式在不同的位置對相同或不同量的液體的單個獨立的點進行分配。這些獨立的點可以共線，也可以是不共線的或者甚至是分立的(如果需要)。它們可以是互相間隔開的，也可以是通過一所需的間隔量互相補償的。例如，這種模式可用於在薄膜或玻璃載片上創建常見的點陣模式。
實施例2同步線模式圖10B是根據本發明的一個最佳實施例的分配操作的同步模式的流程示意圖，該模式可用於在薄膜或玻璃載片上創建高密度點陣。這種操作模式特別適合於用一個單頭或多頭分配器將試劑或其它的液體分配進一個傳統的井板數組中(如圖10C所示意的)。例如，可能用一個具有1×8分配頭陣列的多頭分配器充填一個標準的96-井(8×12)井板。分配器將分配12個液滴的8個平行線，每個液滴之間的間距為9mm，線長度為99mm。對於1536-井(32×18)井板陣列，也可使用同樣的分配器來分配48個液滴的8個平行線，每個液滴之間的間距為2．25mm，線長度為105．75mm。這種線模式將重複4次以充填井板。
相同的分配模式也適用於分配液滴模式到電子雙重感應器數組上。這些通常是用基片上的感應器或電極的印刷陣列製作的。在這種情形下，試劑被分配以匹配感應器模式。而且，這也可以用一個與上述傳統的微井板相似的線模式進行。
實施例3非同步線模式圖10D是根據本發明的一個最佳實施例的線分配操作的一個非同步模式的流程示意圖，該模式可用於在平基片上以創建一連續的均勻線或用於在一可視微井板內充填井。可視微井板使用了分隔各井的三角尖頂井。當分配一個試劑的一致連續線時，單個液滴從尖端滾入相鄰的井內，由此可給出統計學上的準確性甚至充填井。
本發明通過去除通訊及加速／減速問題而改善了分配均勻線的能力。傳統的分配系統在形成線的操作過程中遇到在起始和結束時液滴間距缺乏均勻性的問題。而均勻性卻是非常重要的，尤其是當分配短線時，這是因為在短線中，每根線的起始和結束控制了整條陣列的質量。這樣就會引起無法接受的統計學差異，比如在使用一個可視微井板時。
在線分配操作的非同步模式中，閥分配頭和注射泵操作是通過和諧移動步進來產生一系列的液滴。對於移動步進器的每N個步進分配一個液滴。例如，如果移動步進器具有2微米的解析度，注射泵具有每筆劃192000個步進的解析度，那麼用一個100nL的注射器按每0．5mm分配一個20．8nL的液滴，就需要N=250，M=40。因此，線性移動的每個單位所分配的液滴量可以得到精確控制。對於同步X和Y移動，如用於形成一個診斷線，只需對分配頻率作以簡單的調整即可確保得到合適的線性移動的每個單位所分配的液滴量。
實施例4點陣映射圖10E是根據本發明的一個實施例的點陣映射的一個最佳模式的流程示意圖。例如，常需要映射(複製或傳輸)一個或多個微板陣列給薄膜或玻璃載片上的一個高密度陣列。如映射16個具有井中心間隔為9mm的96-井的井板給一個單個具有井中心間隔為100-1000微米的96-井的1536點陣。
可以通過本發明中所公開的幾種方法來完成這項任務。在一個實施例中，可使用具有較大液滴間隔的同步線分配模式對具有9mm頭間距的8頭分配器每個分配頭進行連續操作。例如，一種常用的基片是一種標準的25×76mm顯微載片。可以在X-Y板上放50個玻璃載片並依次對8個分配頭的每個頭進行操作以在相同的位置上在每個載片上產生間距為25mm範圍內的液滴。另外7個分配頭可以以帶有少許補償的線性方式進行連續操作，以在玻璃載片上產生一個8點的陣列，各點之間的間隔在10-1000微米之間。注意，這種操作可用一個分配頭一次完成，或者更好地，用所有的8個分配頭快速連續(略有延遲)地進行分配以產生所需的線性間隔。通過重複所有16個板的這種功能，並使用合適的補償，可以將16個井板在每個玻璃載片上映射成一個單1526陣列。在這種情形下，映射將是定位在4×4陣列中的每個96井板的最小型化的複製品。
也可以程控分配器以傳輸一個或更多個井板陣列進入一個新的或不同的高或低密度陣列中。例如，一系列的二維陣列可以被傳輸進入一個更大的高密度陣列的行或列中。或者陣列可被倒置或轉向。也可以通過以平行同時線模式操作分配頭來完成直接的1∶1映射以在每個載片上產生8個間距為9mm的液滴。本發明中的其它的模式和變化的作用和操作對於熟悉本領域的技術人員來說都是很明顯的。
儘管本發明已通過一定的最佳實施例進行了公開，熟悉本領域的技術人員仍然明白，對本發明實施例中所作的任何變化和更改、修正或等同替換裝置等等均在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍不僅僅局限於本發明所公開實施例所涉及的範圍之內，它還保護以下的權利要求項。
權利要求
1．一種向基片上分配液體試劑的裝置，該裝置包括一個帶有一個輸入端和一個輸出端的分配頭，所述分配頭響應第一信號以將所述液體試劑液滴分配到所述基片之上，所述基片和／或所述分配頭被固定或相關聯在一個響應第二信號的板或載運臺上以提供在基片和分配頭之間的相對的X，X-Y，X-Y-Z移動；一個響應一個第三信號的泵設備，用來向所述分配頭的輸入端提供一定量的所述液體試劑，所述泵設備被與所述分配頭依次液壓排列以獨立調整提供給所述分配頭的所述液體試劑的流量和流速以及一個控制器，被用於接收代表所需試劑模式的數據以及輸出和調節第一、第二和第三信號信號以引發所述基片和分配頭之間的相對移動，同時還引發所述泵設備和分配頭在所述基片上的一個或多個所需位置上將液體試劑液滴分配到基片上以形成所需的試劑模式。
2．根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述分配頭包括一個適於以預定的頻率和周期開啟和關閉的閥，它響應所述第一信號以分配所述液體試劑的液滴。
3．根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述閥是通過一個電子蚴線管或壓電壓縮機觸動的。
4．根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於對於給定的所述液體試劑的流量和流速，所述閥的頻率和工作周期都能被獨立地大幅度調節，以產生具有所需尺寸、頻率和／或退出速率的所述液滴。
5．根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於所述的直流液體源包括一個正向排液注射泵和一個步進電機，該裝置被用來引起上述泵進行分配具有預定增量或流速的所述液體試劑給所述的分配頭。
6．根據權利要求5所述的裝置其特徵在於進一步包括一個第二正向排液注射泵，該泵被水力連接於第一正向排液注射泵以提供連續流動能力。
7．根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述控制器被進一步用來輸出和協調所述的第一和第三信號以在開始分配操作之前完成一個預定的或穩態的分配壓力。
8．根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述控制器被用來以一種代表一個所需的試劑模式的位圖的形式來接收數據
9．根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於其中的第一、第二和第三信號包括具有一個頻率和延續時間的電子脈衝。
10．根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於給定液體試劑的每一液滴的軌跡，為了補償所述在基片和分配頭之間的相對移動量，所述控制器被用於調節相對於所述第二信號的所述第一和第三信號的相。
11．根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於為了補償所述在基片和分配頭之間的相對移動量，所述控制器被用於增加相對於所述第二信號的所述第一和第三信號的相。
12．根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於為了補償所述所述液體試劑的粘度、附著係數、溫度、壓力或密度，所述控制器被用於增加或延遲相對於所述第二信號的所述第一和第三信號的相。
13．根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於為減少或最少化對於給定的試劑和／或設備的分配不準確性或誤差量，通過所述控制器增加或延遲預定量的相對於所述第二信號的所述第一和第三信號的相。
14．根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於為提供所需液滴補償和／或優化分配操作，所述控制器被用於增加或延遲預定量的相對於所述第三信號的所述第一信號的相。
15．一種使用權利要求1中的裝置將一種液體試劑的模式分配到一個接收基片上的方法，包括以下步驟接收代表所需試劑模式的數據；提供一個第一信號給一個板載運臺以提供以引發基片和分配器之間的相對的X-，X-Y或X-Y-Z移動；同時提供一個第二信號給一個分配器以引發分配器在預定的位置上將液體試劑液滴分配到接收基片上以形成所需的試劑模式；以及在已知每個液滴的可能軌跡時，調節在第一和第二信號之間的相滯後或導向以提供所需的微量補償或補償在基片和分配頭之間的相對移動量。
16．根據權利要求15所述的方法，其特徵在於包括以下步驟提供一個第二信號給一個閥以引發所述閥以一由所述第二信號測定的預定的頻率和工作周期進行開啟和關閉，以分配所述液體試劑的液滴。
17．根據權利要求16所述的方法，其特徵在於包括用一個電子螺線管開啟和關閉所述閥的步驟。
18．根據權利要求17所述的方法，其特徵在於包括以下步驟在大體獨立於所述液體試劑的流量和流速的情況下，調節所述閥開啟和關閉的頻率和工作周期，以產生具有所需尺寸、頻率和／或退出速率的液滴。
19．根據權利要求15所述的方法，其特徵在於包括一個以代表所述所需試劑模式的位圖的形式來接收數據的步驟。
20．根據權利要求15所述的方法，其特徵在於所述的第一和第二信號包括具有一個頻率和延續時間的電子脈衝。
21．根據權利要求20所述的方法，其特徵在於包括該步驟為了補償所述在基片和分配頭之間的相對移動量，增加相對於所述第一信號的所述第二信號的相。
22．根據權利要求20所述的方法，其特徵在於包括該步驟為了補償所述所述液體試劑的粘度、附著係數、溫度、壓力或密度，增加或延遲所述相對於所述第二信號的所述第一信號的相。
23．根據權利要求20所述的方法，其特徵在於包括該步驟為減少或最少化對於給定的試劑和／或設備的分配不準確性或誤差量，增加或延遲預定量的相對於所述第二信號的所述第一信號的相。
24．根據權利要求20所述的方法，其特徵在於進一步包括以下步驟提供一個第三信號給一個泵設備以提供定量的液體試劑給所述分配器，所述泵設備是被順序的和所述分配器液壓設置以調整提供給所述分配器的所述液體試劑的流量和流動速率。
全文摘要
本發明提供一種精確而準確地將不同所需的試劑(130)模式分配一個基片或其它的接收表面或容器(111)上。本發明提供了一種高速「自由式」分配模式以用一種圖形位圖文件來分配不同的由操作人員提供的所需的試劑模式。該分配裝置(108)包括一個響應第一信號(182)的分配頭(128)以將液體試劑(130)液滴分配到一個基片(111)之上。基片(111)或分配頭(128)由一個板或者載運臺(112)相連接。板(112)響應第二信號以提供在基片(111)和分配頭(128)之間的相對的X,X－Y,X－Y－Z移動。一個控制器(114),被用於接收代表所需試劑模式的數據,以輸出和調節第一和第二信號(182,113)來引發基片(111)和分配頭(128)之間的相對移動,同時,還引發分配頭(128)在一個或多個所需位置上將液體試劑(130)液滴分配到基片(111)上以形成所需的試劑模式。在已知液體試劑(130)的每個液滴(702)的可能軌時,跡控制器(114)還調節在第一和第二信號(182,113)之間的相滯後或導向以補償在基片(111)和分配頭(128)之間的相對移動量。另外可選擇的,也可為分配頭(128)連續提供一個直流液體源,如正向排液泵(120)以精確調整提供給分配頭(128)的液體試劑(130)的流量和流動速率。
文檔編號B05D1/26GK1289271SQ99802619
公開日2001年3月28日 申請日期1999年1月5日 優先權日1998年1月9日
發明者託馬斯·C·託索內, 克瑞斯託夫·V·託索內 申請人:笛卡技術有限公司