CN106456821A - 微流体递送体系 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于将流体组合物分配到空气中的微流体递送体系，其包括微流体管芯和至少一个加热元件，所述加热元件被构造成接收电信号，所述电信号包括特定工作时间和波形以将流体组合物递送至空气中。

Description

微流体递送体系
技术领域
本发明涉及包括微流体递送构件的微流体递送体系以及用于将流体组合物递送到空气中的方法。
背景技术
存在各种体系以通过通电(例如电力/电池供电)的雾化系统将流体组合物诸如香料混合物递送到空气中。此类体系包括以商品名由Reckitt Benckiser销售的电池供电的自动气溶胶空气清新器。另一尝试是将挥发性组合物在空气中雾化成流体滴的压电致动器，其以商品名由S.C.Johnson&Son出售。
近期已尝试使用喷墨喷头递送流体组合物，包括有香味的墨。这些尝试涉及将流体组合物喷射到邻近基底/表面上或将流体组合物喷射到邻近空间中。例如，JP2007054445A1描述了将流体喷雾到个人空间(例如，靠近使用者的鼻子)用于获得有益效果的喷墨头。JP2005125225描述了朝向目标表面喷雾杀昆虫剂的喷墨头。
仍然需要改善的微流体递送体系以有效地递送足量的流体组合物到空气中以递送有益效果，例如，使房间或生活空间空气清新，并且沉积到相邻表面上的流体组合物最少。
发明内容
在一个实施方案中，提供一种递送体系，所述递送体系包括微流体递送体系，所述微流体递送体系包括：微流体管芯，其包括用于分配流体组合物的多个喷嘴，并且包括至少一个被构造成接收电点火脉冲的加热元件，其中所述电点火脉冲在约0.25秒至约10秒的点火阶段(t开)期间递送，并且其中，在所述点火阶段期间，所述电点火脉冲以约100赫兹至约6000赫兹进行脉冲，其中点火时间(t点火)为约1微秒至约3微秒。
附图说明
图1为根据一个实施方案的微流体递送体系的示意性等距视图。
图2A-2B为根据一个实施方案的微流体递送料筒和保持器的示意性等距视图。
图3为沿图2A的线3-3的剖视示意图。
图4为沿图2B的线4-4的剖视示意图。
图5A-5B为根据实施方案的微流体递送构件的示意性等距视图。
图5C为图5A中的结构的分解视图。
图6A-6C为根据另一个实施方案的在各个层处的微流体管芯的示意性等距视图。
图7A为沿图6的线7-7的剖视示意图。
图7B为图7A的一部分的放大视图。
图8A为沿图6A的线8A-8A的剖视图。
图8B为沿图6A的线8B-8B的剖视图。
图9为根据本发明的一个实施方案的微流体料筒的流体路径的剖视示意图。
图10为根据本发明的一个实施方案的电信号的波形和脉冲时间的图表。
具体实施方式
本发明提供包括微流体递送构件64的微流体递送体系10以及用于将流体组合物递送到空气中的方法。
本发明的递送体系10可包括外壳12和料筒26。料筒26可包括用于容纳挥发性组分的贮存器50，和微流体递送构件64。外壳12可包括微处理器和出口20。
虽然下面说明书描述了递送体系10，所述递送体系包括外壳12和料筒26，两者均具有各种组件，但应当理解所述递送体系10不限于以下说明书中所述或附图中所示的构造和布置。本发明适用于其它实施方案或可以各种方式实践或实施。例如，外壳12的组件可位于料筒26上，并且反之亦然。另外，相对于构造与外壳分离的料筒，外壳12和料筒26可被构造成单个单元，如下面说明书中所述的。
外壳
微流体递送体系10可包括由单片构建的外壳12或具有被装配以形成外壳的多个表面。外壳12可具有上表面14、下表面16、以及位于上表面和下表面之间的主体部分18。外壳12的上表面包括置于与外壳12的内部22保持流体连通的外壳外部环境的出口20。外壳12的内部22可包括保持微流体料筒26的保持器构件24，其可以是可移除的。如将在下文所说明的，微流体递送体系10可被构造成使用热能以将流体从微流体填充料筒26内递送到外壳12的外部环境。
通过外壳中的开口28提供对外壳12的内部22的访问。开口28能够通过外壳12的覆盖件或门30访问。在例示性实施方案中，门30旋转以提供对开口28的访问。
保持器构件24包括上表面32和下表面34，其通过一个或多个侧壁36耦接在一起并且具有通过其微流体料筒26可滑进滑出的开口侧38。保持器构件24的上表面32包括与外壳12的第一孔20对准的开口40。保持器构件24将微流体料筒26保持在适当位置。
外壳12可包括用于与外部电源耦接的外部电连接元件。外部电连接元件可以为被构造成插入电源插座或电池末端中的插头。内部电连接将外部电连接元件耦接到保持器构件24以向微流体料筒26供电。外壳12可包括在外壳的前部上的电源开关42。
图2A示出不具有外壳12的保持器构件24中的微流体料筒26，并且图2B示出从保持器构件24移除的微流体料筒26。电路板44通过螺丝46耦接到保持器构件。如下文更详细地说明，电路板44包括电耦接到微流体料筒26的电触点48。电路板44的电触点48与内部电连接元件和外部电连接元件电连通。
料筒
贮存器
微流体递送体系10包括微流体料筒26，所述微流体料筒包括用于容纳流体组合物的贮存器50。在一些实施方案中，贮存器50被构造成容纳约5ml至约50ml，或者约10ml至约30ml，或者约15ml至约20ml的流体组合物。所述递送体系可被构造成具有多个贮存器，所述贮存器各自容纳相同或不同的组合物。贮存器50可形成为单独构造，以便可替换(例如再充填料筒)。贮存器可由任何适于容纳流体组合物的材料制成，包括玻璃和塑料。
将具有内表面56和外表面58的盖54固定到贮存器的上部部分60以覆盖贮存器50。所述盖54可经由本领域已知的多种方式固定到贮存器50。在盖54和贮存器50之间，可存在用于在两者间形成密封件的O形环62以防止流体渗出贮存器。
微流体递送构件64固定到微流体料筒26的盖54的上表面66。微流体递送构件64包括上表面68和下表面70(参见图5A-5C)。上表面68的第一末端72包括当置于保持器构件24中时，用于与电路板44的电触点48耦接的电触点74。如将在下文更详细地说明，微流体递送构件64的第二末端76包括穿过开口78用于递送流体的流体路径的一部分。
流体输送构件
图3是沿图2A所示线3-3在保持器构件24中的微流体料筒26的剖视图。贮存器50内是流体输送构件80，其具有在贮存器50中的流体52中的第一末端82和在流体上方的第二末端84。所述流体输送构件80的第二末端84位于微流体递送构件64下方。流体输送构件80将流体从贮存器50递送至微流体递送构件64。流体可通过芯吸、扩散、抽吸、虹吸、真空或其它机制行进。在一些实施方案中，可通过本领域已知的重力进料系统将流体输送至微流体递送体系。
在一些实施方案中，微流体递送体系10可包括定位在流体输送构件80和贮存器50之间或流体输送构件80和微流体递送构件64之间的流动路径中的流体槽。槽可用于其中贮存器、输送构件或微流体递送构件不完全竖直对准的构造中，其中毛细管流体槽用于使得液体仍然能够毛细管流动。
流体输送构件80可以为任何可商购获得的毛细管或芯吸材料，诸如金属或织物网、海绵、或纤维状或多孔吸芯，所述吸芯包括多个互连的开孔，所述开孔形成毛细管通道以牵引流体组合物从贮存器向上与微流体递送构件的流体进料接触。适用于流体输送元件的组合物的非限制性示例包括聚乙烯、超高分子量聚乙烯、尼龙6、聚丙烯、聚酯纤维、乙烯醋酸乙烯酯、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、和聚醚砜、聚四氟乙烯、以及它们的组合。在一些实施方案中，流体输送构件80不含聚氨酯泡沫。许多传统喷墨料筒使用开孔聚氨酯泡沫，其随时间推移(例如在2或3个月之后)可能不与香料混合物相容，并可能破裂。
在一些实施方案中，所述流体输送构件80可为高密度吸芯组合物以帮助容纳香料混合物的香味。在一个实施方案中，所述流体输送构件由塑性材料制成，其选自高密度聚乙烯或聚酯纤维。如本文所用，高密度吸芯组合物包括本领域已知的任何常规的吸芯材料，其具有约20微米至约200微米，或者约30微米至约150微米，或者约30微米至约125微米，或者约40微米至约100微米范围内的孔半径或当量孔半径(例如在基于纤维的吸芯的情况下)。
无论制造材料如何，在使用芯吸材料的情况下，流体输送构件80可表现出约10微米至约500微米，或者约50微米至约150微米，或者约70微米的平均孔尺寸。吸芯的平均孔内容积(表达为流体输送构件不被结构组合物占据的分数)为约15％至约85％，或者约25％至约50％。对于具有约38％的平均孔内容积的吸芯，已得到良好结果。
流体输送构件80可以为能够将流体从贮存器50递送至微流体递送构件64的任何形状。虽然例示的实施方案的流体输送构件80具有显著小于贮存器50的宽度尺寸，诸如直径，但应当理解，流体输送构件80的直径可较大并且在一个实施方案中基本上填充贮存器50。所述流体输送构件80还可以具有不同长度，诸如约1mm至约100mm，或约5mm至约75mm，或约10mm至约50mm。
如图4最佳示出，流体输送构件80的第二末端84被从盖54的内表面延伸的输送覆盖件86包围。所述流体输送构件80的第二端部84和输送覆盖件86形成腔室88。腔室88可以在输送覆盖件86和流体输送构件80之间大致密封以防止空气从贮存器50进入腔室。
微流体递送构件
本发明的递送体系10采用微流体递送构件64。本发明的微流体递送构件64可采用喷墨打印头系统的各方面。
在通常的“按需”喷墨印刷方法中，通过快速压力脉冲，流体以小液滴的形式通过直径一般为约0.0024英寸(5-50微米)的非常小的孔射出。快速的压力脉冲通过以高频率振动的压电晶体的膨胀或通过快速热循环在油墨内的挥发性组分(例如溶剂、水、推进剂)的挥发而通常在打印头中产生。热喷墨印刷机在打印头中采用加热元件以挥发组合物的一部分，该组合物推动第二部分流体通过孔喷嘴以与加热元件的开关循环次数成比例地形成液滴。当需要时，流体被排出到喷嘴之外。常规的喷墨印刷机更具体地描述在美国专利3,465,350和3,465,351中。
本发明的微流体递送构件64可采用任何已知的喷墨打印头系统的各方面，或者更具体地，热喷墨打印头的各方面。本发明的微流体递送构件64可以与电源电连通，并可包括印刷电路板(“PCB”)106和与流体输送构件80保持流体连通的微流体管芯92。
如图4和5A-5C所示，微流体递送构件64可包括印刷电路板106(“PCB”)。所述板106为刚性平面电路板，其具有上表面68和下表面70。微流体递送构件64可包括小于约25mm2或约6mm2的平坦表面区域。
所述板106包括第一圆形开口136和第二圆形开口138以及椭圆形开口140。插针142从盖54延伸通过开口136,138,140以确保板106与流体路径适当对准。椭圆形开口140与较宽的插针相互作用使得板106可仅以一种布置适配到盖54上。另选地，椭圆形开口允许PCB和盖具有公差。
所述板106具有常规构造。其可包括玻璃纤维-环氧树脂复合基底材料和在上表面和下表面上的导电金属(通常为铜)的层。通过蚀刻工艺加工将导电层布置成导电路径。导电路径通过可光固化聚合物层(其常被称为阻焊层)防止板的大部分区域中的机械损坏和其它环境影响。在所选择的区域中，诸如液体流动路径和引线结合焊盘中，导电铜路径受惰性金属层诸如金保护。其它材料选择可以为锡、银、或其它低反应性的高电导性金属。
参见图5A-5C，所述板106可包括板106的上表面68上的所有电连接--触点74、迹线75、和接触焊盘112。例如，耦接到外壳的电触点74的顶部表面144平行于x-y平面。所述板106的上表面68也平行于x-y平面。此外，管芯92的喷嘴板132的顶部表面也平行于x-y平面。接触焊盘112还具有平行于x-y平面的顶部表面。通过使这些特征结构中的每一个形成为处于平行平面，可减少板106的复杂性并且更容易制造。此外，这使得喷嘴130竖直地(直接向上或成一角度)远离外壳12射出流体，诸如可用于将有香味的油喷雾到房间中作为空气清新剂。该布置可形成一股向上远离喷嘴130和外壳12的约5cm至约10cm的细小液滴。
所述板106包括在第一端部处的电触点和在邻近管芯92的第二端部处的接触焊盘112。接触焊盘112到电触点的电迹线形成于板上并且可被阻焊层或另一个电介质覆盖。可通过引线结合法建立从管芯92到板106的电连接，其中小引线220(其可由金或铝构成)可热附接到硅管芯上的结合焊盘和板上的相应结合焊盘。将包封材料，通常为环氧化合物施加于引线结合区域以防止脆弱的连接机械损坏和其它环境影响。
在板106的下表面上，过滤器96将板的开口78与室88在板的下表面处分开。过滤器96被构造成防止颗粒中的至少一些穿过开口78从而防止堵塞管芯92的喷嘴130。在一些实施方案中，过滤器96被构造成阻碍大于喷嘴130的直径的三分之一的颗粒。应当理解，在一些实施方案中，流体输送构件80可充当合适的过滤器96，使得不需要单独的过滤器。在一个实施方案中，过滤器96为不锈钢网。在其它实施方案中，过滤器96为无规编织网、聚丙烯或基于硅的。
过滤器96可利用粘合剂材料附接到底部表面，所述粘合剂材料不容易被贮存器50中的流体降解。在一些实施方案中，粘合剂可以为热或紫外线活化的。过滤器96可被定位在室88和管芯92之间。过滤器96可通过机械间隔件98与微流体递送构件64的底部表面分开。机械间隔件98在微流体递送构件64的底部表面70和邻近通孔78的过滤器96之间形成间隙99。机械间隔件98可以为适形于过滤器96和微流体递送构件64之间的形状的刚性载体或粘合剂。就这点而言，过滤器96的出口大于第二通孔78的直径并且从其偏置，使得比过滤器直接附接到微流体递送构件64的底部表面70但不具有机械间隔件98时可提供的大的过滤器96的表面区域可过滤流体。应当理解，机械间隔件98允许通过过滤器96的合适的流量。即，在过滤器96聚集颗粒时，过滤器将不使流经其中的流体减慢。在一个实施方案中，过滤器96的出口为约4mm2或更大并且支架为约700微米厚。
开口78可形成为椭圆形，如图5C所示；然而，可根据应用设想其它形状。椭圆形可具有约1.5mm的第一直径和约700微米的第二直径的尺寸。开口78暴露板106的侧壁102。如果板106为FR4PCB，则纤维束可由开口暴露。这些侧壁易受流体影响，并且因此包括衬件100以覆盖并保护这些侧壁。如果流体进入侧壁，则板106可开始劣化，从而缩短该产品的寿命跨度。
板106承载微流体管芯92。管芯92包括通过使用半导体微加工成形方法诸如薄膜沉积、钝化、蚀刻、纺丝、溅射、掩蔽、外延生长、晶圆/晶圆结合、微薄膜层压、固化、切割等制成的流体注射体系。这些方法在本领域中已知用于制备MEMs装置。管芯92可由硅、玻璃或它们的混合物制成。管芯92包括多个微流体室128，其各自包括相应的致动元件：加热元件或机电致动器。以这种方式，管芯的流体注射体系可以为微热成核(例如，加热元件)或微型机械致动(例如，薄膜压电)。本发明的微流体递送构件的一种类型的管芯是如转让给STMicroelectronics S.R.I.(Geneva，Switzerland)的US 2010/0154790中描述的通过MEMs技术得到的一体化喷嘴膜。在薄膜压电的情况下，压电材料(例如钛酸锆铅)通常经由纺丝和/或溅射工艺施加。半导体微加工方法允许在一次批量方法中同时制备一个至数千个MEMS装置(一次批量方法包括多个掩膜层)。
管芯92固定到开口78上方的板106的上表面。通过被构造成将半导体管芯固定到板上的任何粘合剂材料，将管芯92固定到板106的上表面。所述粘合剂材料可以与用于将过滤器96固定到微流体递送构件64的粘合剂材料相同或不同。
管芯92可包括硅基底、导电层和聚合物层。硅基底形成其它层的支撑结构，并且包括用于将流体从管芯的底部递送至上层的槽。导电层沉积在硅基底上，从而形成具有高电导率的电迹线和具有较低电导率的加热器。聚合物层形成通道、点火室、和限定液滴成形几何形状的喷嘴130。
图6A-6C包括微流体管芯92的更多细节。微流体管芯92包括基底107、多个中间层109、和喷嘴板132。多个中间层109包括电介质层和室层148，其定位在基底和喷嘴板132之间。在一个实施方案中，喷嘴板132为约12微米厚。
管芯92包括多个电连接引线110，所述引线从中间层109中的一个延伸向下至电路板106上的接触焊盘112。至少一个引线耦接到单个接触焊盘112。管芯92的左侧和右侧上的开口150提供对引线110与其耦接的中间层109的访问。开口150穿过喷嘴板132和室层148以暴露接触焊盘152，所述接触焊盘在中间电介质层上形成。在将在下文描述的其它实施方案中，可存在仅定位在管芯92的一侧上的一个开口150，使得从管芯延伸的全部引线从一个侧面延伸同时其它侧面保持不受引线阻碍。
喷嘴板132可包括约4个至约64个喷嘴130，或约6个至约48个喷嘴，或约8个至约32个喷嘴，或约8个至约24个喷嘴，或约12个至约20个喷嘴。在例示性实施方案中，存在通过喷嘴板132的十八个喷嘴130，九个喷嘴在中心线的每一侧上。每个喷嘴130可递送约1至约10皮升，或约2至约8皮升，或约4至约6皮升的流体组合物/电点火脉冲。喷嘴130可定位成相隔约60μm至约110μm。在一个实施方案中，二十个喷嘴130存在于3mm2区域中。喷嘴130可具有约5μm至约40μm，或10μm至约30μm，或约20μm至约30μm，或约13μm至约25μm的直径。图6B是管芯92的顶部朝下式等距视图，其中移除喷嘴板132，使得室层148暴露。
一般来讲，喷嘴板130沿流体进料槽通过管芯92定位，如图7A和7B所示。喷嘴130可包括锥形侧壁使得上开口小于下开口。在该实施方案中，加热器为正方形，其具有一定长度的侧面。在一个示例中，上直径为约13μm至约18μm，并且下直径为约15μm至约20μm。在上直径为13μm并且下直径为18μm时，这可提供132.67μm的上部区域和176.63μm的下部区域。下直径与上直径的比率可在约1.3至1。此外，加热器的面积与上开口的面积的比率可以较高，诸如大于5:1或大于14:1。
每个喷嘴130通过流体路径与贮存器50中的流体保持流体连通。参见图4和图7A和7B，从贮存器50的流体路径包括流体输送构件80的第一端部82，通过输送构件到输送构件的第二端部84，通过室88，通过第一通孔90，通过板106的开口78，通过管芯92的入口94，然后通过槽126，并且然后通过室128，并且离开管芯的喷嘴130。
邻近每个喷嘴室128的是加热元件134(参见图6C和8A)，所述加热元件电耦接到由管芯92的接触焊盘152之一提供的电信号并且由其激活。参见图6C，每个加热元件134耦接到第一触点154和第二触点156。第一触点154通过导电迹线155耦接到管芯上的接触焊盘152中的对应接触焊盘。第二触点156耦接到与管芯的一个侧面上的第二触点156中的每一个共享的接地线158。在一个实施方案中，仅存在与管芯的两个侧面上的触点共享的单个接地线。尽管图6C示为似乎所有特征结构均在单个层上，但它们可形成于电介质材料和导电材料的多个堆叠层上。另外，虽然例示性实施方案示出加热元件134作为致动元件，但管芯92可在每个室128中包括压电致动器以从管芯分配流体组合物。
在使用时，当每个室128中的流体通过加热元件134加热时，流体蒸发以产生气泡。形成气泡的膨胀导致流体从喷嘴130射出并形成一个或多个液滴的股流。
图7A为通过图6的管芯，通过切割线7-7的剖视图。图7B为图7A中的横截面的增强视图。基底107包括耦接到槽126的入口路径94，所述槽与单个室128保持流体连通，从而形成流体路径的部分。室128上方的是喷嘴板132，其包括多个喷嘴130。每个喷嘴130在室128中的对应室上方。管芯92可具有多个室和喷嘴，包括一个室和喷嘴。在例示性实施方案中，管芯包括十八个室，其各自与对应喷嘴相关联。另选地，可具有十个喷嘴和对一组五个喷嘴提供流体的两个室。室和喷嘴之间具有一一对应不是必要的。
如图7B最佳可见，室层148限定将流体从槽126进料到室128中的成角度的漏斗状路径160。室层148定位在中间层109的顶部上。室层限定槽的边界并且多个室128与每个喷嘴130相关联。在一个实施方案中，室层在模具中独立地形成并且然后附接到基底。在其它实施方案中，室层通过在基底的顶部上沉积、掩蔽和蚀刻层来形成。
中间层109包括第一电介质层162和第二电介质层164。第一电介质层和第二电介质层位于喷嘴板和基底之间。第一电介质层162覆盖形成于基底上的多个第一触点154和第二触点156，并且覆盖与每个室相关联的加热器134。第二电介质层164覆盖导电迹线155。
图8A为沿图6A中的切割线8A-8A通过管芯92的剖视图。第一触点154和第二触点156形成于基底107上。加热器134形成为与对应加热器组件的第一触点154和第二触点156重叠。触点154,156可由第一金属层或其它导电材料形成。加热器134可由第二金属层或其它导电材料形成。加热器134是侧向连接第一触点154和第二触点156的薄膜电阻器。在其它实施方案中，取代直接形成于触点的顶部表面上，加热器134可通过通孔耦接到触点154、156或可在触点下方形成。
在一个实施方案中，加热器134为20纳米厚的钽铝层。在其它实施方案中，加热器134可包括铬硅膜，其各自具有不同的铬和硅的百分比并且各自为10纳米厚。用于加热器134的其它材料可包括钽硅氮化物和钨硅氮化物。加热器134还可包括氮化硅的30纳米顶盖。在另选的实施方案中，加热器134可通过连续沉积多个薄膜层来形成。薄膜层的堆叠组合了单独层的基本特性。
加热器134的面积与喷嘴130的面积的比率可大于七比一。在一个实施方案中，加热器134是正方形，其中每侧具有长度147。所述长度可以为47微米、51微米或71微米。这可分别具有2209平方微米、2601平方微米、或5041平方微米的面积。如果喷嘴直径为20微米，则第二端部处的面积可以为314平方微米，从而分别产生7比1、8比1、或16比1的近似比率。
图8B为沿图6A中的切割线8B-8B通过管芯的剖视图。可看到邻近入口94的第一触点154的长度。通孔151将第一触点154耦接到迹线155，所述迹线在第一电介质层162上形成。第二电介质层164在迹线155上。通孔149穿过第二电介质层164形成并且将迹线155耦接至接触焊盘152。朝向管芯的边缘163、介于通孔149和边缘163之间的接地线158的一部分是可视的。
如在该横截面中可见，管芯92相对简单并且不包括复杂的集成电路。该管芯92将通过外部微控制器或微处理器来控制和驱动。外部微控制器和微处理器可在外壳中提供。这使得板64和管芯92简单化和高性价比。
该管芯92是不含复杂的有源电路的热式加热管芯。在该实施方案中，在基底上形成两种金属或导电水平。这些导电水平包括触点154和迹线155。在一些实施方案中，所有这些特征结构均可形成在单个金属水平。这使得管芯制造简单并且使加热器和室之间的电介质层数最小化。
现在参见图9，提供了微流体料筒26的一部分的近距离视图，其示出根据一个实施方案的流体路径，其中过滤器96位于流体输送构件80的第二端部84和管芯92之间。微流体递送构件80的第二通孔78可包括覆盖板106的暴露侧壁102的衬件100。衬件100可以为被构造成防止板106由于流体的存在降解，诸如防止板的纤维分离的任何材料。就该点而言，衬件100可避免颗粒从板106进入流体路径中并阻碍喷嘴130。例如，第二通孔78可衬有比板106的材料更不易对贮存器中的流体反应的材料。就该点而言，在流体穿过其中时，可保护所述板106。在一个实施方案中，通孔涂覆有金属材料，诸如金。
在耗尽贮存器50中的流体时，可从外壳10移除微流体料筒26，并且替换另一个微流体料筒26。
操作系统
微流体递送体系10包括可编程的电子设备电路，以设置流体组合物的精确强度水平和递送速率(以毫克每小时计)，从而提供消费者有益效果，诸如在大生活空间中的良好室内填充，以及最小沉积和最小堵塞(例如吸芯堵塞)。在操作时，微流体递送体系10可递送微液滴的喷雾，其中大多数喷射的滴液从喷嘴130向上至少约4cm至约12cm，或约8cm至约12cm投射，以提供流体组合物到空间的显著递送，同时使沉积最小化。
递送体系10可允许使用者为了个人喜好、功效或为了空间大小而调节递送流体组合物的强度和/或定时。例如，所述递送体系10可为使用者提供十档强度水平用于选择，并提供每隔6、12或24小时递送流体组合物的使用者选项。
微流体递送体系10可以两种模式中的一者运行：(1)正常操作和(2)再填充限制。在正常操作模式下，体系以使得室128能够再填充至基本上等于其静态体积的程度的频率运行，使得液滴射出与体积和形状一致。与之相比，再填充限制模式是以下操作条件，由此驱动电路在快于流体基本上再填充室128所需的时间的速率下点火。通过以再填充限制模式操作，体系10可迫使射出的液滴具有较小尺寸、较高速度、和随机形状分布，这可导致外壳12、微流体递送构件64或周围表面上的较少沉积。在较高爆发频率下，这些液滴通常小于喷嘴直径。在印刷应用的情况下，该随机形状和尺寸对于高印刷分辨率可能是有问题的，但在将液体雾化进入空气中的情况下，其可以是优点。以再填充限制模式操作允许射出较小液滴同时避免用于构造小喷嘴直径(其可更容易堵塞)的复杂微加工过程。小液滴分布可具有相比于在正常操作模式下产生的液滴分布蒸发更快的优点，从而可能使表面沉积最小化并由于扩散动力学而快速达到空间中。
驱动电路由外部电源供应约4至约24伏特、或约4至约16伏特。加热元件134电连接至微处理器，所述微处理器可以为装置或料筒的部分并包括编程以控制加热元件134的操作诸如加热元件的点火时间、点火顺序、和频率的软件。当在软件的引导下激活加热元件134时，流体组合物从喷嘴130喷射。
参见图10，微处理器向加热元件134提供具有点火时间(表示为t点火)的点火脉冲。在一些实施方案中，如图10所示，多个单独的加热元件以被称为爆发的顺序依次点火(1、2、3、4等)，其具有插入延迟时间(表示为t延迟)。在点火阶段期间(表示为t开)，爆发以约100至约8000赫兹、或约100至约6000赫兹、或约1000至约6000赫兹、或约1000至约5000赫兹、或约2000至5000赫兹、或约1000至约2500赫兹的爆发频率(表示为f爆发)进行。在其中加热元件134被构造成依次点火的实施方案中，爆发频率(f爆发)等于单独喷嘴的点火频率。
已经发现，点火频率将影响液滴尺寸以及液滴向上射出的距离，这对避免沉积而言是重要的。在较高速率(例如5000赫兹)下，液滴以5000次/秒点火，这为后续液滴提供更多动量并因此导致液滴射出更远，这可有助于减少周围表面上的沉积。此外，在5000赫兹下，对于给定的室尺寸而言液滴更小，这是由于完全填充室的时间不充分，这已经在上文定义为再填充限制模式。
点火阶段(t开)可具有约0.25秒至约10秒，或约0.5秒至约2秒，或约0.25秒至约1秒的持续时间。非点火阶段(表示为t关)(其中不对加热元件134提供点火脉冲)可具有约9秒至约200秒的持续时间。当处于连续重复模式时，t开和t关在延长的时间段内连续重复以递送流体的期望的mg/h速率。例如，在5000赫兹的爆发频率和0.5秒的点火阶段(t开)下，每个喷嘴在该顺序期间点火2500次。如果t关为10秒，则将每10.5秒或约6次/分钟重复所述顺序，并且每个喷嘴的总点火可以为2500乘以约6次/min或约15,000次点火/min。根据表1，在20个喷嘴点火的情况下，该递送速率将递送约90mg/小时的流体组合物到空气中。
在5000赫兹下，在连续重复模式的另一个示例中，为递送5mg/h的流体组合物，加热元件134可具有占.3％工作周期(例如，0.5秒点火和160秒非点火)的点火阶段(t开)和非点火阶段(t关)。为递送57mg/h，加热元件可具有占2.4％工作周期(例如，0.5秒点火和20秒非点火)的点火阶段和非点火阶段。在机电致动器作为致动元件的情况下，所述加热元件可以为压电元件。表1和表10示出以下文速率重复1至2微秒脉冲的加热元件134的点火模式以实现等级1至等级10(或5至90mg/h)的强度等级。
表1：
强度 mg/小时 t点火 t延迟 t开(s) t关(s) f爆发(Hz)
1 5 2us 8us .5秒 160秒 5000
2 10 2us 8us .5秒 100秒 5000
3 15 2us 8us .5秒 70秒 5000
4 20 2us 8us .5秒 50秒 5000
5 25 2us 8us .5秒 40秒 5000
6 31 2us 8us .5秒 30秒 5000
7 43 2us 8us .5秒 25秒 5000
8 57 2us 8us .5秒 20秒 5000
9 72 2us 8us .5秒 15秒 5000
10 90 2us 8us .5秒 10秒 5000
在爆发模式下，加热元件134可具有约0.5秒的点火阶段(t开)和约0.5秒的非点火阶段(t关)，并且在约20秒内重复20次以递送约5mg的流体组合物到空气中。该一次爆发的重复数可根据需要利用软件调节。
室128尺寸(例如，入口宽度、入口厚度、入口流动路径的表面张力以及液体特性(表面张力和粘度))全部均可影响正常操作模式或再填充限制模式的期望的频率。在当前示例的情况下，发明人已经发现，小于2000赫兹的点火频率趋于产生正常操作模式，然而当电信号在4000赫兹或更高频率下点火时，体系趋于处于再填充限制模式，其具有相对于喷嘴直径的显著更小的液滴和更细的碎片。虽然再填充限制模式对于以特定分辨率将墨印刷到纸材上而言可能是一个问题，但其对于设计成使液体挥发到空气中或将组合物沉积到表面上的体系而言可能是优点。
作为加热元件134的操作的部分，可提供具有预热持续时间(表示为t加热)的一个或多个预热脉冲，所述预热持续时间常常小于仅出于预热室内液体的目的的t点火。预热的程度和速率通过提供的脉冲的数目和持续时间来控制。流体的预热对于降低体系的粘度并且因此使得流体点火的更加可实现而言是重要的。在较低粘度下，出口速率也更高，这改善滴液的投射距离。
作为操作条件的部分，在装置理想状态下，仅出于随时间推移保持喷嘴健康的目的，可引入“保持润湿喷溅”(“KWS”)操作。KWS是在极低频率下的点火操作，以便平衡变干现象与浪费递送流体。在香料的情况下，0.1赫兹至0.0001赫兹的KWS足以保持喷嘴健康。变干是指影响喷射性能(例如，粘度、低BP组分等)的随时间推移的流体组成的变化。
在多贮存器递送体系中可安装微处理器和定时器以在不同时间和对于所选时间段从各贮存器喷射流体组合物，包括如U.S.7,223,361中所述以交替的喷射模式喷射挥发性组合物。另外，所述递送体系可以是可编程的，由此使用者可选择特定的组合物用于发射。在同时喷射香味香料的情况下，可将定制的香味递送至空气。还应当理解，在多室体系中，驱动电路(电压、t点火、t加热等)可在相同装置中不同。
虽然每个室128的加热元件134依次示于图10中，但可将加热元件同时激活，或以预定模式/顺序激活(例如，排1:喷嘴1、5、10、14、18等…)。在一些实施方案中，以分阶段方式对加热元件施加脉冲，因为这可避免相邻液滴的聚结，而且避免可更快耗尽电池的高功率损耗。理想的是，将加热元件134依次施加脉冲，并且优选以跳过喷嘴使得两个相邻的喷嘴不依次射出流体的顺序施加脉冲。在一些实施方案中，20％的加热元件134同时点火并且然后下一20％点火等。在此类实施方案中，优选但不是必要的是两个相邻喷嘴不同时射出流体。
喷嘴130可与其它喷嘴一起成组以形成一组，其中每个组可通至少预定的最小数目的喷嘴彼此隔开。并且，在一个组中的喷嘴130中的每个与后续启用组中的喷嘴隔开至少预定的最小数目的喷嘴。
在一些实施方案中，微流体递送体系10的操作系统递送约5mg至约90mg，或约5mg至约40mg的流体组合物/小时到空气中。流体组合物的递送速率可根据以下计算：
平均液滴质量*喷嘴数*频率*t开的累加秒数/小时(s/h)＝5至90mg/h。
例如，如果t开为0.5秒并且t关为59.5秒，则累加t开时间可以为30秒/小时。另外，如果平均液滴质量为.000004mg并且在5000赫兹频率下使用20个喷嘴，则30秒的累加t开情况下的mg/小时＝12mg/小时。
任选的特征结构
风扇
在本发明的另一方面，递送体系可包括风扇以有助于驱动空间填充，并有助于避免较大液滴掉落在周围表面上，其可使表面损坏。风扇可以是空气清新系统领域中使用的任何已知的风扇，诸如5V 25×25×5mm DC轴流式风扇(250系列，255N型，购自EBMPAPST)，其递送每分钟1-1000立方厘米或每分钟10-100立方厘米的空气。
传感器
在一些实施方案中，所述递送体系可包括可商购获得的传感器，其响应环境刺激，诸如光、噪音、运动和/或空气中的气味含量。例如，所述递送体系可被编程以在当它感知光时开启，和/或当其感知无光时关闭。在另一示例中，当传感器感知人员进入传感器附近时所述递送体系可开启。传感器还可用于监控空气中的气味含量。气味传感器可于开启递送体系，提高热量或风扇速度，和/或按需从所述递送体系逐步递送流体组合物。
在一些实施方案中，VOC传感器用于测量来自相邻或远程装置的香料的强度并且改变操作条件以与其它香料装置协同工作。例如，远程传感器可检测与喷射装置的距离以及芳香剂强度，并且然后在设置装置的位置处向装置提供反馈以使房间填充最大化和/或对使用者提供房间中的“期望”强度。
在一些实施方案中，所述装置可彼此通信并配合操作以便与其它香料装置协同工作。
传感器还可于测量贮存器中的流体水平或计数加热元件的点火以在耗尽之前指示料筒的期限结束。在该情况下，可开启LED光以指示贮存器需要填充或用新贮存器更换。
传感器可与递送体系外壳形成一体或在远程位置(即与递送体系外壳物理分开)，诸如远程计算机或移动智能装置/电话。传感器可与递送体系通过低能蓝牙、6low pan无线电或任何其它的与装置和/或控制器(例如智能电话或计算机)无线通信的装置远程通信。
在另一个实施方案中，使用者可经由低能量蓝牙或其它部件远程改变装置的操作条件。
智能芯片
在本发明的另一个方面，料筒具有存储器以便向所述装置发送最佳操作条件。预期在一些情况下操作最佳条件是流体依赖性的。
所述递送体系可被配置为紧凑且易携带的。在该情况下，所述递送体系可以是电池驱动的。所述递送体系能够与电源如9伏电池、常规的干电池诸如“A”、“AA”、“AAA”、“C”和“D”电池、纽扣电池、手表电池、太阳能电池以及具有再充电基座的可再充电电池一起使用。
流体组合物
为了在微流体递送体系中令人满意地工作，需考虑流体组合物的许多特性。一些因素包括配制具有对于从微流体递送构件喷射最优粘度的流体，配制具有有限量或不含会堵塞微流体递送构件的悬浮固体的流体，配制对于不使微流体递送构件变干和堵塞而充分稳定的流体等。但是在微流体递送体系中令人满意地工作仅解决具有大于50重量％的香料混合物以从微流体递送构件合适地雾化，并有效地递送作为空气清新或恶臭减少组合物的流体组合物所需的一些要求。
本发明的流体组合物可表现出小于20厘泊(“cps”)，或者小于18cps，或者小于16cps，或者约5cps至约16cps，或者约8cps至约15cps的粘度。并且，所述挥发性组合物可具有低于约35达因/厘米，或着约20达因/厘米至约30达因/厘米的表面张力。粘度以cps计，使用结合高灵敏度双间隙几何构造的Bohlin CVO流变仪系统进行测定。
在一些实施方案中，所述流体组合物不含在混合物中存在的悬浮固体或固体颗粒，其中颗粒物分散在液体基质内。不含悬浮固体可与作为一些香料材料的特征的溶解固体相区别。
在一些实施方案中，本发明的流体组合物可包含挥发性物质。示例性挥发性物质包括香料物质、挥发性染料、用作杀昆虫剂的物质、用于调理、改善或以其它方式改善环境的精油或材料(例如，辅助睡眠、唤醒、呼吸健康等调理)，除臭剂或恶臭控制组合物(例如，气味中和材料，诸如活性醛(如U.S.2005/0124512中公开的)，气味阻挡材料、气味掩蔽材料、或感觉改善材料，诸如紫罗酮(如U.S.2005/0124512中所公开的))。
挥发性材料可以按所述流体组合物的重量计大于约50％，或者大于约60％，或者大于约70％，或者大于约75％，或者大于约80％，或者约50％至约100％，或者约60％至约100％，或者约70％至约100％，或者约80％至约100％，或者约90％至约100％的量存在。
流体组合物可包含通过材料的沸点(“B.P.”)选择的一种或多种挥发性材料。本文所述的B.P.在760mm Hg的正常标准压力下测量的。许多香料成分在标准的760mm Hg下的B.P.可见于Steffen Arctander在1969年撰写和出版的“Perfume and Flavor Chemicals(Aroma Chemicals)”。
在本发明中，流体组合物可具有小于250℃，或者小于225℃，或者小于200℃，或者小于约150℃，或者小于约120℃，或者小于约100℃，或者约50℃至约200℃，或者约110℃至约140℃的平均B.P.。在一些实施方案中，大量低B.P.成分(<200C)可用于帮助射出更高B.P.的制剂。在一个示例中，虽然总体平均值仍然高于25o，但如果10-50％的制剂的成分具有小于200C的B.P.，则具有高于250℃的BP的制剂可被制成以良好性能射出。
在一些实施方案中，流体组合物可包含、基本上由或由挥发性香料材料组成。
表2和表3概括了适用于本发明的香料材料的技术数据。在一些实施方案中，按所述组合物的重量计，约10％为乙醇，其可用作稀释剂以将沸点减小至小于250℃的水平。在选择香料制剂时可认为闪点是由于易燃性在一些国家中特定装运和处理所需的小于70℃的闪点。因此，配制成较高的闪点可能存在优势。
表2列出了一些非限制性的示例性的适于本发明的流体组合物的各个香料材料。
表2
表3示出了具有小于200℃的总B.P.的示例性香料混合物
表3
CAS号 香料原料名 重量％ B.P.(℃)
123-68-2 己酸烯丙酯 2.50 185
140-11-4 乙酸苄酯 3.00 214
928-96-1 β,γ-己烯醇 9.00 157
18479-58-8 二氢月桂烯醇 5.00 198
39255-32-8 2甲基戊酸乙酯 9.00 157
77-83-8 乙基甲基苯基缩水甘油酸酯 2.00 260
7452-79-1 2-甲基丁酸乙酯 8.00 132
142-92-7 乙酸己酯 12.50 146
68514-75-0 橙相油25Xl.18％-Low Cit.14638 10.00 177
93-58-3 苯甲酸甲酯 0.50 200
104-93-8 对甲苯基甲醚 0.20 176
1191-16-8 乙酸异戊二烯酯 8.00 145
88-41-5 Verdox 3.00 223
58430-94-7 乙酸异壬酯 27.30 225
总计： 100.00
当配制用于本发明的流体组合物时，其还可包含溶剂、稀释剂、增容剂、固定剂、增稠剂等。这些材料的非限制性示例是乙醇、卡必醇、二甘醇、二丙二醇、邻苯二甲酸二乙酯、柠檬酸三乙酯、肉豆蔻酸异丙酯、乙基纤维素和苯甲酸苄酯。
在一些实施方案中，所述流体组合物可包含功能性香料组分(“FPC”)。FPC是一类具有与传统的有机溶剂或挥发性有机混合物(“VOC”)相似的蒸发性质的香料原料。如本文所用，“VOC”是指在20℃下测量的蒸气压大于0.2mm Hg，并有助于香料蒸发的挥发性有机化合物。示例性VOC包括以下有机溶剂：双丙二醇甲醚(“DPM”)、3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇(“MMB”)、挥发性硅油和双丙二醇的甲酯、双丙二醇的乙酯、双丙二醇的丙酯、双丙二醇的丁酯、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚或商品名为DowanolTM二醇醚的任何VOC。VOC通常在流体组合物中以大于20％的量使用以有助于香料蒸发。
本发明的FPC有助于香料材料的蒸发，并可提供愉悦、芳香的有益效果。FPC可以相对较大的浓度使用而不会不利影响总体组合物的香料特性。由此，在一些实施方案中，本发明的流体组合物可基本上不含VOC，也就是说它包含按所述组合物的重量计不大于18％，或者不大于6％，或者不大于5％，或者不大于1％，或者不大于0.5％的VOC。在一些实施方案中，所述挥发性组合物可不含VOC。
适合作为FPC的香料材料公开于U.S.8,338,346中。
在整个说明书中，以单数形式涉及的组分应当理解为涉及单个或多个此类组分这两种情况。
除非另外指明，本文中所述的所有百分比均按重量计。
在整个说明书中给出的每一数值范围包括落在该较宽数值范围内的每一较窄数值范围，如同此较窄数值范围在本文中是明确地写出一样。例如，应当认为所述“1至10”的范围包括在最小值1和最大值10之间(且包括所述值在内)的任何范围及所有子范围；即，开始于最小值1或更大值且结束于最大值10或更小值例如1至6.1，3.5至7.8，5.5至10等的所有子范围。
此外，本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。
除非明确排除或有所限制，否则将本文引用的每篇文献，包括任何交叉引用或相关专利或申请，全文均以引用方式并入本文。任何文献的引用不是对其相对于任何本发明所公开的或本文受权利要求书保护的现有技术的认可，或不是对其单独地或以与任何其它参考文献或多个参考文献的组合提出、建议或公开了任何此类发明的认可。此外，如果此文献中术语的任何含义或定义与以引用方式并入本文的文献中相同术语的任何含义或定义相冲突，则将以此文献中赋予该术语的含义或定义为准。
尽管描述了本发明的具体实施方案，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可作出各种其它的改变和修改。因此，本文旨在于所附权利要求中涵盖属于本发明范围内的所有这些改变和修改。

Claims (16)

1.一种微流体递送体系，所述微流体递送体系包括：
微流体管芯，所述微流体管芯包括用于分配流体组合物的多个喷嘴，并且包括至少一个被构造成接收电点火脉冲的加热元件，其中所述电点火脉冲在0.25秒至10秒的点火阶段(t开)期间递送，并且其中，在所述点火阶段期间，所述电点火脉冲以100赫兹至6000赫兹进行脉冲，其中点火时间(t点火)为1微秒至3微秒。
2.根据权利要求1所述的微流体递送体系，其中所述管芯还包括用于所述多个喷嘴中的每个的多个加热元件。
3.根据权利要求2所述的微流体递送体系，其中所述管芯包括8至64个加热元件。
4.根据权利要求2所述的微流体递送体系，其中所述多个喷嘴各自限定10微米至50微米，优选地5微米至30微米的孔，通过所述孔将挥发性组合物递送至空气。
5.根据权利要求2所述的微流体递送体系，其中所述管芯包括多个喷嘴，所述喷嘴各自具有5皮升至15皮升的室体积。
6.根据权利要求1所述的微流体递送体系，其中所述加热元件中的每个包括2500平方微米的面积。
7.根据权利要求1所述的微流体递送体系，其中所述微处理器被编程为向所述加热元件提供顺序点火信号。
8.根据权利要求1所述的微流体递送体系，还向所述加热元件提供4伏特至16伏特的能量。
9.根据权利要求1所述的微流体递送体系，其中所述微流体递送构件每小时将5mg至90mg的流体组合物递送至空气中。
10.根据权利要求1所述的微流体递送体系，其中在每电点火脉冲，所述微流体管芯将1皮升至10皮升的挥发性组合物从所述多个喷嘴中的每个排放至空气中。
11.根据权利要求1所述的微流体递送体系，所述微流体递送体系还包括选自以下的传感器：运动传感器、无线传感器信标、光传感器、流体检测传感器、气味检测传感器、以及它们的组合。
12.根据权利要求1所述的微流体递送体系，所述微流体递送体系还包括含有香料混合物的贮存器，所述香料混合物具有小于250℃，优选地小于200℃的沸点，优选地所述香料混合物的5重量％至50重量％包含具有小于200℃的沸点的单独的香料材料。
13.根据权利要求12所述的微流体递送体系，其中所述香料混合物还包含功能性香料组分，所述功能性香料组分以按所述香料混合物的重量计50％至100％的量存在，其中所述功能性香料组分选自：乙酸异壬酯、二氢月桂烯醇(3-亚甲基-7-甲基辛-7-醇)、芳樟醇(3-羟基-3,7-二甲基-1,6-辛二烯)、香叶醇(3,7-二甲基-2,6-辛二烯-1-醇)、右旋-柠檬烯(1-甲基-4-异丙烯基-1-环己烯、乙酸苄酯、肉豆蔻酸异丙酯、以及它们的混合物。
14.一种微流体递送体系，所述微流体递送体系包括：
微流体管芯，所述微流体管芯包括用于分配流体组合物的多个喷嘴和对应的多个激活元件，所述多个激活元件中的每个被构造成接收电点火脉冲，其中所述电点火脉冲在0.25秒至10秒的点火阶段(t开)期间递送，并且其中，在所述点火阶段期间，所述电点火脉冲以100赫兹至8000赫兹进行脉冲，其中点火时间(t点火)为1微秒至3微秒。
15.根据权利要求14所述的微流体递送体系，其中所述管芯包括8至64个激活元件。
16.根据权利要求14所述的微流体递送体系，其中所述体系包括驱动电路，所述驱动电路以再填充限制模式运行，由此所述体系喷射所述流体组合物的液滴，所述液滴的直径小于所述液滴从其中喷射的所述喷嘴的直径。
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