CN109011043A - 一种基于声表面波的雾化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声表面波的雾化装置，包括：雾化芯片、聚酯纤维纸和储液槽；所述雾化芯片包括压电单晶基体、以及设于所述压电单晶基体上的叉指换能器；所述聚酯纤维纸一端部贴合所述压电单晶基体上表面，另一端部插入所述储液槽中，将储液槽中的液体吸到所述压电单晶基体上表面；所述叉指换能器在射频信号驱动下，在压电单晶基体上表面产生声表面波，使压电单晶基体上表面的液体发生雾化。本发明还公开了一种雾化方法。本发明解决了现有技术中液体雾化效果差、喷雾液滴颗粒大且不均匀的问题。

Description

一种基于声表面波的雾化装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于声表面波的雾化装置和方法。

背景技术

雾化有着广泛的应用，可以应用于内燃机燃料喷射、喷墨打印、农业灌溉、质谱分析、化学生物反应和肺部药物交付等不同的技术领域，这些不同技术领域的技术方案的实现都要依赖于雾化方法产生的高浓度、单分散性和特定尺寸的喷雾液滴。传统的雾化方法包括气流式雾化、压力式雾化和超声波雾化等，气流式雾化和压力式雾化的液体雾化效果差、喷雾液滴颗粒大且不均匀，很难适用于精确控制颗粒尺寸的技术领域。超声波雾化在稀释痰液、消除炎症、解除支气管痉挛、改善通气等治疗上有着重要的作用，目前在医学临床上的应用比较普遍。但是现有的超声波雾化的设备的体积较大，不便于携带或运输；而且超声波雾化所需的功率大，雾化时产生的气溶胶颗粒直径范围大且分布不均匀，雾化时产生的热量较多，容易导致待雾化液体蒸发。当待雾化液体为药物溶剂时，会出现药物析出的问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于声表面波的雾化装置和雾化方法。

作为本发明实施例的一个方面，涉及一种基于声表面波的雾化装置，包括：雾化芯片、聚酯纤维纸和储液槽；

所述雾化芯片包括压电单晶基体、以及设于所述压电单晶基体上的叉指换能器；

所述聚酯纤维纸一端部贴合所述压电单晶基体上表面，另一端部插入所述储液槽中，将储液槽中的液体吸到所述压电单晶基体上表面；

所述叉指换能器在射频信号驱动下，在压电单晶基体上表面产生声表面波，使压电单晶基体上表面的液体发生雾化。

在一个实施例中，所述的基于声表面波的雾化装置，还包括射频信号发生装置，用于向所述叉指换能器加载射频信号。

在一个实施例中，所述雾化芯片还包括印制电路板PCB和信号接口；

所述压电单晶基体和所述信号接口设于所述PCB电路板上，所述信号接口连接所述叉指换能器和射频信号发生装置。

在一个实施例中，所述压电单晶基体通过胶黏贴合到所述PCB电路板上。

在一个实施例中，所述射频信号发生装置为射频电源；或，

所述射频信号发生装置包括信号发生器以及与信号发生器连接的功率放大器。

在一个实施例中，所述的基于声表面波的雾化装置，还包括：防护套管，所述聚酯纤维纸穿过所述防护套管后，插入所述储液槽中。

在一个实施例中，所述叉指换能器为直型叉指换能器，所述叉指换能器的指条宽度a与指条间隔b相等。

在一个实施例中，所述压电单晶基体的材料为铌酸锂、钽酸锂或四硼酸锂。

在一个实施例中，所述聚酯纤维纸的厚度＜1mm，宽度＜5mm；

所述聚酯纤维纸为多孔结构，其孔径为10-100μm。

作为本发明实施例的另一方面，涉及一种应用上述任一项所述的基于声表面波的雾化装置的雾化方法，包括：

聚酯纤维纸将储液槽中的液体吸到压电单晶基体上表面；

叉指换能器在射频信号驱动下，在压电单晶基体上表面产生声表面波，将压电单晶基体上表面的液体进行雾化。

在一个实施例中，所述的雾化方法，还包括：调整叉指换能器加载的射频信号的功率，调节压电单晶基体上表面的液体雾化速率。

本发明实施例至少实现了如下技术效果：

1、本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，所述叉指换能器在射频信号驱动下，在压电单晶基体上表面产生声表面波，声表面波在压电单晶基体上表面传播，在接触液体时，声表面波携带的能量会以漏声表面波的模式以特定角度衍射纵波进入液体产生循环流，由于粘性耗散即表现为声流，随着输入功率加大使液体产生形变，对液体的自由表面产生强烈扰动，进入液滴的声波能量克服液滴的表面毛细管力时，即发生雾化现象。由于声表面波的频率较高，产生的喷雾液滴颗粒会更小，且更均匀。

2、本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，结构简单，雾化芯片集成度高，整体结构紧凑，便于携带和使用。雾化装置工作时消耗能量少，产生的声表面波能量集中，产生的热量少，不易出现液体蒸发。

3、本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，通过聚酯纤维纸对液体进行引流，当聚酯纤维纸吸到压电单晶基体上表面的液体发生雾化后，聚酯纤维纸与储液槽之间产生压差，发生虹吸效应。聚酯纤维纸通过虹吸作用将液体吸到基体表面进行持续雾化。

4、本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，与超声波雾化相比，产生雾化时产生的气溶胶粒径更小，颗粒更加均匀，叉指换能器产生声表面波时的激励频率比超声波雾化所需的频率更高，适用于医学临床上的应用，药物溶剂雾化时的颗粒较小，便于使用者吸入到呼吸道下部或肺部，沉积效率高；基于声表面波的雾化方式，在压电单晶基体的表面产生的热量少，不易出现药物析出的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的叉指换能器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的聚酯纤维纸在显微镜下的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面分别对本发明实施例提供的一种基于声表面波的雾化装置和雾化方法的各种具体实施方式进行详细的说明。

实施例一：

参照图1，本发明实施例一提供的一种基于声表面波的雾化装置，包括：雾化芯片1、聚酯纤维纸2和储液槽4；

所述雾化芯片1包括压电单晶基体101、以及设于所述压电单晶基体101上的叉指换能器103；

所述聚酯纤维纸2一端部贴合所述压电单晶基体101上表面，另一端部插入所述储液槽4中，将储液槽4中的液体吸到所述压电单晶基体101上表面；

所述叉指换能器103在射频信号驱动下，在压电单晶基体101上表面产生声表面波，使压电单晶基体101上表面的液体发生雾化。

本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，所述叉指换能器103在射频信号驱动下，利用压电材料本身的逆压电效应，将电信号转变成声波信号，在压电单晶基体101上表面产生声表面波，声表面波在压电单晶基体101上表面传播，在接触液体时，声表面波携带的能量会以漏声表面波的模式以一定的角度衍射纵波进入液体内部产生循环流，由于粘性耗散即表现为声流，随着输入功率加大使液体产生形变，对液体的自由表面产生强烈扰动，进入液滴的声波能量克服液滴的表面毛细管力时，即发生雾化现象。由于声表面波的频率较高，产生的喷雾液滴颗粒会更小，且更均匀。

本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，结构简单，雾化芯片集成度高，尺寸小，通常设计在2cm*2cm左右，整体结构紧凑，便于携带和使用。雾化装置工作时消耗能量少，产生的声表面波能量集中，产生的热量少，不易出现液体蒸发。

本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，通过聚酯纤维纸2对液体进行引流，当聚酯纤维纸2吸到压电单晶基体101上表面的液体发生雾化后，聚酯纤维纸2与储液槽4之间产生压差，聚酯纤维纸2利用虹吸作用持续将储液槽4中的液体吸到压电单晶基体101上表面，当压电单晶基体101上表面的液体的雾化速率与聚酯纤维纸2吸到压电单晶基体101表面的液体的供流速率一致时，在压电单晶基体101表面对液体进行持续雾化。

本发明实施例提供的基于声表面波的雾化装置，与超声波雾化相比，产生雾化时产生的气溶胶粒径更小，颗粒更加均匀，尺寸小可便携。叉指换能器103产生声表面波时的激励频率比超声波雾化所需的频率更高，雾化时产生的气溶胶粒径大致集中在1um-10um，适用于医学临床上的应用，便于使用者吸入到呼吸道下部或肺部，沉积效率高；基于声表面波的雾化方式，在压电单晶基体101的表面产生的热量少，不易出现药物析出的问题。

在一个实施例中，所述的基于声表面波的雾化装置，还包括射频信号发生装置5，用于向所述叉指换能器103加载射频信号。

在一个实施例中，所述雾化芯片1还包括印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)102和信号接口104；

所述压电单晶基体101和信号接口104设于所述PCB电路板102上，所述信号接口104连接所述叉指换能器103和射频信号发生装置5。

在一个具体实施例中，所述信号接口104为SMA(Sub-Miniature-A)信号接口。

在一个实施例中，所述压电单晶基体101通过胶黏贴合到所述PCB电路板102上。

在一个实施例中，所述射频信号发生装置5为射频电源；或，

所述射频信号发生装置5包括信号发生器以及与信号发生器连接的功率放大器。

在一个具体实施例中，本发明实施例提供的射频信号发生装置5为小型集成化的射频电源，由于小型集成化的射频电源的结构集成度高，体积较小，便于携带，可满足使本发明的基于声表面波的雾化装置的整体实现小型化的需求。

在一个实施例中，所述的基于声表面波的雾化装置，还包括：防护套管3，所述聚酯纤维纸2穿过所述防护套管3后，插入所述储液槽4中。

在一个具体实施例中，所述防护套管3为硅胶管。通过防护套管3套在聚酯纤维纸2的外侧，防止聚酯纤维纸2吸收的液体在运输过程中，滴落到储液槽4外造成液体外溅和浪费。本发明实施例中，所采用的硅胶管的外径为10mm，内径为5mm。

在一个实施例中，图2所示为叉指换能器103的结构示意图，其中：a表示叉指换能器103的指条宽度；b表示叉指换能器103的指条间间隔；p表示叉指换能器103的周期长度；W表示叉指换能器103的孔径。几何参数a、p、W随坐标变化的叉指换能器103称为加权型叉指换能器。指条宽度a与指条间间隔b相等的叉指换能器103为直型叉指换能器。叉指换能器103所激励的声表面波波长λ，是由叉指换能器103的指条宽度a和指条间间隔b决定的，对于指条宽度a和指条间间隔b相等的直型叉指换能器103，所激励出的声表面波波长λ是其指条宽度a的四倍。为得到稳定的声表面波，本发明实施例中所述叉指换能器103可以选择较适用于声表面波雾化的直型叉指换能器。

在一个实施例中，所述压电单晶基体101的材料为铌酸锂、钽酸锂或四硼酸锂。

压电单晶基体101的材料采用不同的切向可以获得不同的机电耦合系数与温度系数。作为本发明实施例的一个具体实施方案，本发明中的压电单晶基体101可以选择采用Y切X 128.68°方向的铌酸锂(LiNbO3)材料，以便获得较大的机电耦合系数与较小的温度系数。在选定的压电单晶基体101是由Y切X128.68°方向的铌酸锂材料构成，且压电单晶基体101的厚度、机电耦合系数、温度系数别为0.5mm、5.5％、-72x10-6/℃时，声表面波传播的速度c近似为3965m/s。

本发明实施例中，叉指换能器103光刻于压电单晶基体101的上表面，信号接口104通过PCB电路板102上的导电线与叉指换能器103的两个电极相连，射频信号发生装置5通过信号接口104将正弦信号波加载到叉指换能器103。已知直型叉指换能器的指条宽度a，可以求得叉指换能器利用逆压电效应激发产生声表面波的波长λ＝4*a，通过求频率的公式f＝c/λ，求得声表面波的激励频率。比如，设计叉指换能器103的指条宽度a为50μm，则声表面波的波长λ为200μm，将波长λ和声表面波传播的速度c，带入求频率的公式f＝c/λ，可得声表面波的激励频率。通过射频信号发生装置5向叉指换能器103加载与叉指换能器103的声表面波的频率相同的正弦信号波，使得液体在压电单晶基体表面发生共振，产生雾化。

本发明实施例的雾化折本的叉指换能器103的指条宽度选择范围为2μm至990μm，以使得叉指换能器103的激励频率约在10-500MHz，叉指换能器103激励产生的声表面波在便于对液体雾化的同时，产生的热量少，雾化效率高。

本发明的发明人在使用雾化芯片1进行雾化试验过程中，对压电单晶基体101表面的液体的取液方式进行了多次比对试验，最终选择了聚酯纤维纸2作为取液的载体，采用聚酯纤维纸2将储液槽4中的液体吸到压电单晶基体101的上表面进行雾化。试验过程大致如下：

发明人最初采用直接将待雾化液体滴到压电单晶基体101的表面，叉指换能器103在射频信号驱动下工作，对液滴进行雾化。由于单个液滴的液珠不易在压电单晶基体101的表面摊开，造成液滴的厚度较大，通常厚度都大于1mm，在试验时对叉指换能器103加载的射频信号的功率持续加大，在压电单晶基体101的表面依然难以观察到雾化现象，即使出现雾化，雾化的现象也不明显。而且由于操作的人为误差，造成每次滴加的液滴的大小和厚度都有差异，也会影响到观察雾化效果。

发明人在试验中还采用棉线进行引流的方式，将储水槽中的液体通过棉线吸到压电单晶基体101的表面，叉指换能器103在射频信号驱动下工作，对液滴进行雾化。由于棉线的直径较大，会出现跟直接将液滴滴到压电单晶基体101上相似的问题，压电单晶基体101上表面的液滴的厚度依然较大，单个液滴的液珠不易在压电单晶基体101的表面摊开，在试验时，虽然对叉指换能器103加载的射频信号的功率持续加大，在压电单晶基体101的表面依然难以观察到雾化现象，即使出现雾化，雾化的现象也不明显。而且随着对叉指换能器103加载的射频信号的功率持续加大，压电单晶基体101的上表面的液滴会出现蒸发。

在试验过程中，发明人还通过采用微泵泵液到压电单晶基体101的表面的方式进行供液。具体的，微泵取液的方式是指，采用一个注射泵连接到注射器的一端，在注射器的另一端连接输液管，通过注射泵工作将注射器中的液体通过输液管泵送到压电单晶基体101的上表面，通过调节注射泵的参数，控制向将压电单晶基体101的上表面供液的速度，通过改变输液管的内径，可以对供液的液滴的厚度进行选择。采用微泵泵液的形式，可以根据试验需要调节泵液的液滴厚度和供液的速度，可以解决液滴的厚度大的问题，但是采用微泵供液增加了装置的组成部件，不利于装置的小型化，结构也相对复杂。

最终发明人采用聚酯纤维纸2代替棉线进行试验，试验过程中发现由于聚酯纤维纸2厚度较小，而且供液速率能够达到雾化芯片1的雾化速率，聚酯纤维纸2吸到在压电单晶基体101上表面的液体，会在聚酯纤维纸2的前端形成半月板形的一层非常薄的液膜，液膜的厚度小。对叉指换能器103加载的射频信号的功率加大过程中，在压电单晶基体101上表面很容易的观察到雾化现象。本本次试验中，发明人多次对聚酯纤维纸2的厚度和宽度大小进行调整，发现聚酯纤维纸2的厚度在不超过1mm、宽度不超过5mm时，都可以较为明显的观察到雾化现象。试验时发现，聚酯纤维纸2的宽度超过5mm，聚酯纤维纸2吸到压电单晶基体101的上表面的液体形成的液膜面积过大，液膜边缘处的液体发生雾化就会比较缓慢。通过进一步的试验发现，在聚酯纤维纸2的厚度为0.2-0.7mm，比如0.3、0.4、0.5或0.6mm时，聚酯纤维纸2吸收的液体在压电单晶基体101形成的液膜较薄，对叉指换能器103加载的射频信号，在压电单晶基体101上表面能观察到更好的雾化的效果。而且此时，射频信号发生装置5的输出功率较小，在压电单晶基体101上表面产生的热量少，产生雾化的液滴粒径更细小。在本试验中，为了使吸到压电单晶基体101上表面的液体雾化更快速，雾化效率更高，发明人选择在叉指换能器103不做镀膜保护，虽然在叉指换能器103的表面镀上一层二氧化硅薄膜可以起到保护电极的作用，但也使产生的声表面波强度受到削弱，对雾化产生影响。因此，为了使叉指换能器103产生的声表面波没有干扰的在压电单晶基体101表面进行传播，减少声表面波的强度衰减，本发明实施例中，叉指换能器103不做镀膜处理。在试验过程中，发明人发现，在雾化过程中聚酯纤维纸2与压电单晶基体101的接触表面会产生一个向叉指换能器103方向的力，把聚酯纤维纸2上表面的液体向叉指换能器103方向拖拽的力，在聚酯纤维纸2前端的压电单晶基体101上表面形成半月板薄膜，为了防止液体直接接触到叉指换能器103，烧坏叉指换能器103的电极，需要在叉指换能器103和聚酯纤维纸2之间留有适当的一段操作距离。

参照图3，在显微镜下，聚酯纤维纸2是一种多孔结构的纤维纸，内部孔径尺寸主要是10-100μm，利用聚酯纤维纸2将液体吸到压电单晶基体101上表面进行雾化，使吸到压电单晶基体101上表面的液体摊开成液膜状，更加容易发生雾化，产生雾化液滴粒径也越小。利用聚酯纤维纸2从水槽中通过虹吸作用将液体吸到压电单晶基体101表面101进行持续雾化，当雾化速率与纸条供流速率相一致时，持续稳定雾化将发生。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种雾化方法，包括：

聚酯纤维纸2将储液槽4中的液体吸到压电单晶基体101上表面；

叉指换能器103在射频信号驱动下，在压电单晶基体101上表面产生声表面波，将压电单晶基体101上表面的液体进行雾化。

在一个实施例中，所述的雾化方法，还包括，通过调整叉指换能器103加载的射频信号的功率，调节压电单晶基体101上表面的液体雾化速率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于声表面波的雾化装置，其特征在于，包括：雾化芯片、聚酯纤维纸和储液槽；

所述雾化芯片包括压电单晶基体、以及设于所述压电单晶基体上的叉指换能器；

所述聚酯纤维纸一端部贴合所述压电单晶基体上表面，另一端部插入所述储液槽中，将储液槽中的液体吸到所述压电单晶基体上表面；

所述叉指换能器在射频信号驱动下，在压电单晶基体上表面产生声表面波，使压电单晶基体上表面的液体发生雾化。

2.如权利要求1所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，还包括射频信号发生装置，用于向所述叉指换能器加载射频信号。

3.如权利要求2所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，所述雾化芯片还包括印制电路板PCB和信号接口；

所述压电单晶基体和所述信号接口设于所述PCB电路板上，所述信号接口连接所述叉指换能器和射频信号发生装置。

4.如权利要求3所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，所述压电单晶基体通过胶黏贴合到所述PCB电路板上。

5.如权利要求2-4任一项所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，所述射频信号发生装置为射频电源；或，

所述射频信号发生装置包括信号发生器以及与信号发生器连接的功率放大器。

6.如权利要求1-4任一项所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，还包括：防护套管，所述聚酯纤维纸穿过所述防护套管后，插入所述储液槽中。

7.如权利要求6项所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，所述叉指换能器为直型叉指换能器，所述叉指换能器的指条宽度a与指条间隔b相等。

8.如权利要求6所述的基于声表面波的雾化装置，其特征在于，所述聚酯纤维纸的厚度＜1mm，宽度＜5mm；

所述聚酯纤维纸为多孔结构，其孔径为10-100μm。

9.一种应用权利要求1-8任一项所述的基于声表面波的雾化装置的雾化方法，其特征在于，包括：

聚酯纤维纸将储液槽中的液体吸到压电单晶基体上表面；

叉指换能器在射频信号驱动下，在压电单晶基体上表面产生声表面波，将压电单晶基体上表面的液体进行雾化。

10.如权利要求9所述的雾化方法，其特征在于，还包括：调整叉指换能器加载的射频信号的功率，调节压电单晶基体上表面的液体雾化速率。