CN117562300A - 一种液体雾化器件及液体雾化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液体雾化器件及液体雾化装置，所述液体雾化器件包括：具有上表面和下表面的压电基底；叉指换能器，设置在压电基底的上表面上；液体供给纸芯，液体供给纸芯的一端贴合设置在压电基底下表面远离叉指换能器的一端，液体供给纸芯的另一端伸入液体中。本发明利用各种波在液体雾化器件一端边缘处形成极强的驻波，同时在沿压电基底端面向下传播的波的作用下液滴沿着压电基底端面向上爬升形成的液膜的过程中由于重力的作用，会形成容易被雾化的表面张力较小、液体分子间相互作用力较弱的极薄的液膜。在极强的驻波的作用下该极薄液膜的结构很容易被破坏而转换为气溶胶状态。因此，本发明提供的液体雾化器件具有较高的液体雾化效率。

Description

一种液体雾化器件及液体雾化装置

技术领域

本发明涉及液体雾化技术领域，尤其涉及一种液体雾化器件及液体雾化装置。

背景技术

声表面波雾化器件是通过以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基底，在其表面抛光后在上面蒸发一层金属膜，通过光刻工艺形成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极而制成。两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基底的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的激发瑞利波等声波，此声波主要沿着基底的表面传播。当瑞利波与位于基底上的液滴发生接触时，瑞利波携带的能量会衍射进入液滴，产生毛细波，进行强烈扰动，拉出半月板形状的液膜，当毛细波产生的惯性力大于液膜自身的张力和粘性力时，便可产生气溶胶。声表面波雾化器件能量定向集中，发热量小，产生气溶胶微粒直径小，达到微米级，特别是对于肺部药物输送，可以达到理想的效果。

目前绝大部分的雾化器件的叉指换能器(IDT)和液滴供给都是设计在基底表面，其中一种是通过基底刻槽的方式，两侧施加声表面波，驱动液滴进行雾化，通过微流泵6实现液滴供给(如图1所示)；另一种是通过液体供给纸芯3来供给液滴4，瑞利波拉出液膜，通过波产生的毛细波破坏液体前端的薄膜的自身张力和粘性力实现雾化(如图2所示)，这两种雾化器件都是在压电基底表面进行雾化，存在雾化效率低、制作繁琐、操作复杂、电极需要保护等问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种液体雾化器件及液体雾化装置，旨在解决现有液体雾化装置的雾化效率低的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种液体雾化器件，其中，所述液体雾化器件包括：

压电基底，所述压电基底具有上表面和下表面；

叉指换能器，所述叉指换能器设置在所述压电基底的上表面上；

液体供给纸芯，所述液体供给纸芯的一端贴合设置在所述压电基底下表面远离所述叉指换能器的一端，所述液体供给纸芯的另一端伸入液体中。

可选地，所述压电基底的厚度为300-1000μm。

可选地，所述压电基底包括铌酸锂基底、钽酸锂基底或石英基底。。

可选地，所述压电基底包括第一基底和位于所述第一基底上的压电薄膜，所述第一基底包括硅基底或蓝宝石基底，所述压电薄膜包括ZnO薄膜、AlN薄膜或锆钛酸铅薄膜。

可选地，所述叉指换能器包括均匀叉指换能器、聚焦型叉指换能器、分裂指叉指换能器或单相单向叉指换能器。

可选地，所述叉指换能器包括叉指电极，所述叉指电极的材料包括Al、Cu、Ni、Pt、Ti、Au、Mo、W中的至少一种。

可选地，所述叉指电极包括指部，所述指部的宽度为1-200μm，所述指部的长度为40μm-50mm，所述指部的厚度为80nm-1μm。

可选地，所述液体雾化器件包括两个液体供给纸芯，所述两个液体供给纸芯对称设置在所述压电基底下表面的两端；和/或，

所述液体供给纸芯的材质为聚酯纤维、棉纤维、竹纤维中的至少一种，所述液体供给纸芯为长条状。

可选地，所述压电基底与水平面之间具有预设大小的角度。

本发明的第二方面，提供一种液体雾化装置，其中，所述液体雾化装置包括本发明如上所述的液体雾化器件，所述液体雾化装置还包括与所述液体雾化器件相连接的射频信号发射器件和与所述液体雾化器件间隔设置的储液池。

有益效果：本发明中由叉指换能器产生的瑞利波沿着压电基底向另一端传播，当瑞利波达到压电基底另一端的边缘处会发生波沿平面的反射、波沿压电基底端面向下的传播和波在内部的反射转换为体波，则在液体雾化器件另一端的边缘处各种波叠加形成驻波最大点。沿压电基底端面向下传播的波从压电基底与下方的液体供给纸芯的接触界面拉出液滴，由于波的持续作用，拉出液滴的体积和高度会沿着压电基底的端面不断增加，形成一层爬升的液膜，同时液膜也受重力作用，由于波和重力的反向的拉扯作用从而在液体雾化器件边缘附近形成表面张力较低、液体分子之间的相互作用力很弱的极薄的液膜，因此，此时边缘处极强的驻波作用到该极薄的液膜上就会很容易破坏液膜结构将其转换为气溶胶烟雾，实现高效率的液体雾化。

附图说明

图1为现有技术中一种液体雾化器件的结构示意图。

图2为现有技术中另一种液体雾化器件的结构示意图。

图3为本发明实施例中一种液体雾化器件的结构示意图。

图4为图3中液体雾化器件一端边缘的放大图。

图5为本发明实施例中液体雾化器件进行边缘雾化的示意图。

图6为本发明实施例中叉指换能器的结构示意图，其中(a)为均匀叉指换能器的结构示意图，(b)为聚焦型叉指换能器的结构示意，(c)为分裂指叉指换能器的结构示意图，(d)为单相单向叉指换能器的结构示意图。

图7为本发明实施例中另一种液体雾化器件的结构示意图。

图8为本发明实施例中又一种液体雾化器件的结构示意图。

图9为本发明实施例中液体雾化装置的结构示意图。

附图中的标号：

1、压电基底；11、压电基底的上表面；12、压电基底的下表面；13、压电基底的端面；2、叉指换能器；3、液体供给纸芯；4、液滴；5、气溶胶烟雾；6、微流泵；111、液体雾化器件；112、射频信号发射器件；1121、射频信号源；1122功率放大器；1123、阻抗匹配网路；113、储液池；114、PCB板。

具体实施方式

本发明提供一种液体雾化器件及液体雾化装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明实施例提供一种液体雾化器件，其中，如图3-5所示，所述液体雾化器件111包括：

压电基底1，所述压电基底1具有上表面11和下表面12；

叉指换能器2，所述叉指换能器2设置在所述压电基底的上表面11上；

液体供给纸芯3，所述液体供给纸芯3的一端贴合设置在所述压电基底下表面12远离所述叉指换能器2的一端，所述液体供给纸芯3的另一端伸入液体中。

本发明实施例中，所述液体雾化器件通过在叉指换能器输入交流电信号，利用压电基底的逆压电效应，在叉指换能器下的压电基底部分激励起瑞利波并传播出去，最终瑞利波到达液体雾化器件边缘处，激发液滴转化为气溶胶，实现雾化作用。所述液体雾化器件雾化效率高、能够避免供给过多液滴而无法雾化的问题、且叉指换能器无需保护、制作简单。

具体地，本发明实施例由叉指换能器2产生的瑞利波(SAW，也即声表面波)会沿着压电基底1向另一端传播，当瑞利波达到压电基底另一端的边缘处会发生波沿平面的反射、波在内部的反射(而内部的这部分波不再是表面波，转换为在压电基底内部传输的体波)和波沿压电基底端面13向下的传播。最终，在压电基底1另一端的边缘处由沿端面13向下传播的表面波、反射的表面波以及内部的体波等波叠加形成驻波最大点。而现有技术中的液体雾化装置(如图1和2所示)由于在压电基底表面上进行雾化，因此不会在压电基底边缘形成极强的驻波。

在压电基底边缘沿端面13向下传输的表面波，从压电基底1与下方的液体供给纸芯3的接触界面拉出液滴4，由于波的持续作用，拉出液滴4的体积和高度会沿着压电基底端面13不断增加，形成一层爬升的液膜，同时重力也作用于液膜，而波和重力的反向的拉扯作用，有助于前端的液膜与压电基底表面形成更小的接触角，从而在液体雾化器件边缘附近形成极薄的液膜(也即液体薄膜)。极薄的液膜中液体表面的分子数密度较低，表面张力也较低，液体分子之间的相互作用力很小(很容易被雾化)，此时在边缘处极强的驻波作用到液膜上就会很容易破坏液膜结构将其转换为气溶胶烟雾5(见图5)，实现高效率的液体雾化。也就是说，本发明实施例中，利用各种波在液体雾化器件另一端边缘处形成极强的驻波，同时在沿压电基底端面13向下传播的波的作用下液滴沿着压电基底端面13向上爬升形成液膜的过程中由于重力的作用，会形成容易被雾化的表面张力较小、液体分子间相互作用力较弱的极薄的液膜。在极强的驻波的作用下该极薄液膜的结构很容易被破坏而转换为气溶胶状态。因此，本发明提供的液体雾化器件具有较高的液体雾化效率。

本发明实施例中在压电基底另一端的边缘处形成最大驻波，能量最大，避免了声波能量泄露到液体供给纸芯中。相比于现有技术中表面雾化在表面形成的液膜(如图1和2所示，图2中的上图为虚线框处的放大图)，本发明实施例中的液体雾化装置采用边缘雾化在边缘处形成的液膜与压电基底表面具有更小的接触角，可形成更薄的薄膜，液膜表面的分子数密度更低，表面张力更小，液体分子之间的作用力也会变得更小，更容易转换为气溶胶状态，因此本发明实施例提供的液体雾化装置在边缘处雾化效率会比现有技术中表面雾化更高。在40dbm也就是10w的射频输入功率下，本发明实施例中进行边缘雾化(或者端部雾化)的液体雾化装置的雾化效率可以达到490mg/min，如图2所示进行表面雾化的液体雾化器件的雾化效率只有350mg/min，并且本发明实施例中液体雾化器件的雾化面积会更小，单位面积的雾化效率会进一步提升。

本发明实施例提供的液体雾化装置能够避免供给过多液滴而无法雾化的问题。具体地，如图2所示，现有技术中的液体雾化器件，液体供给纸芯3会在右方阻挡液滴4，随着雾化过程的持续进行，持续拉出液滴，波也会推动液滴，在液体供给纸芯3附近造成液滴的堆积，所以液膜的厚度会发生增高，液体分子数密度增高，液体分子间的相互作用力增大，难以持续雾化。而本发明实施例提供的液体雾化装置，如图3所示，拉伸上来的液滴4由于波和重力的反向拉扯，形成更薄的液膜，而且液滴4远离液体供给纸芯，通过改变压电基底1的厚度(也即端面13的高度)更容易控制边缘液滴的量，本发明提供的液体雾化器件不易形成液体堆积，更容易形成便于雾化的液滴数量和形貌。

现有技术中，如图1和图2所示的液体雾化器件中液体供给纸芯或刻槽需要持续稳定的微流泵6来进行液滴供给，操作复杂。本发明实施例中只需要将液体供给纸芯的另一端伸入液体中即可，且无需刻槽处理，因此，本发明实施例提供的液体雾化器件更简单，且可简化制作流程，同时本发明实施例中液体供给纸芯设置在所述压电基底的下表面更容易固定。进一步地，如图1和2所示的液体雾化器件，其进行表面雾化液体时，需要在叉指换能器上镀一层二氧化硅，来保护叉指换能器不被表面的液滴溅射造成短路。而本发明实施例中的液体雾化器件进行边缘雾化，液滴距离叉指换能器较远，雾化溅射出的液滴不会碰到叉指环能器，所以叉指换能器不需要额外保护。

在一些实施例中，如图3所示，所述液体供给纸芯3的一端贴合设置在所述压电基底下表面12远离所述叉指换能器2的一端端面13的底边至距离该底边预设距离d的区域。如此，能够充分地保证沿压电基底端面13向下传波的表面波，从压电基底1与下方的液体供给纸芯3的接触界面拉出液滴。本实施例中，压电基底1与下方的液体供给纸芯3的接触界面即图3中宽度d所对应的区域。

在一些实施例中，所述压电基底的厚度为300-1000μm，例如可以是300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm或1000μm。因为压电基底的厚度也即压电基底端面13的高度决定着液滴上升的高度和液滴的形貌，进而影响雾化效率。本实施例中，采用所述厚度的压电基底可以保证所述液体雾化器件具有较佳的雾化效率。

在一些实施例中，所述压电基底包括铌酸锂基底、钽酸锂基底或石英基底，但不限于此。可通过对压电单晶如铌酸锂单晶、钛酸锂单晶或石英单晶进行切割、减薄、抛光、刻蚀等实现所需厚度。

在另一些实施例中，所述压电基底包括第一基底和位于所述第一基底上的压电薄膜，所述第一基底包括但不限于硅基底或蓝宝石基底，所述压电薄膜包括但不限于ZnO薄膜、AlN薄膜或锆钛酸铅薄膜。则此时，叉指换能器设置在所述压电薄膜上，液体供给纸芯设置在所述第一基底上。

在一些实施例中，如图6所示，所述叉指换能器包括均匀叉指换能器、聚焦型叉指换能器、分裂指叉指换能器或单相单向叉指换能器(SPUDT)。叉指换能器的结构影响着电声转换性能，使用分裂指叉指换能器可以有效抑制声表面波谐振频率时的布拉格反射。使用聚焦型叉指换能器，可以使得声表面波能量更加集中，进一步提升雾化效率。使用单相单向叉指换能器，可以抑制双向传播损耗，从而使得声表面波只往一个方向激励。

在一些实施例中，所述叉指换能器包括两组叉指电极，所述叉指电极的材料包括Al、Cu、Ni、Pt、Ti、Au、Mo、W中的至少一种。两组叉指电极分别为输入叉指换能器和输出叉指换能器。具体可通过平面光刻工艺、剥离方式制作两组叉指电极。

在一些实施例中，所述叉指电极包括指部，所述指部的宽度为1-200μm(例如可以是1μm、5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、150μm或200μm)，所述指部的长度为40μm-50mm(例如可以是40μm、50μm、100μm、500μm、1mm、5mm、10mm、20mm或50mm等)，所述指部的厚度为80nm-1μm(例如可以是80nm、100nm、200nm、500nm、800nm或1μm等)。

在一些实施例中，所述液体供给纸芯的材质为聚酯纤维、棉纤维、竹纤维中的至少一种，所述液体供给纸芯为长条状。这些材料能够保证液体供给纸芯具有足够的吸水性，将液体从液体供给纸芯的一端吸收到另一端，实现液体的供给。

在一些实施例中，如图7所示，所述压电基底1与水平面之间具有预设大小的角度α。该液体雾化器件与水平方向存在一定的角度，由于受重力的影响，所述结构的液体雾化器件还会有自净功能。在一些具体的实施例中，所述压电基底1与水平面之间的夹角α＝5°-20°。作为举例，α＝5°、8°、10°、15°、18°或20°等。

在一些实施例中，如图8所示，所述液体雾化器件包括两个液体供给纸芯3，所述两个液体供给纸芯3对称设置在所述压电基底下表面12的两端。此时，所述叉指换能器2设置在述压电基底上表面11的中间位置。此结构可以减少反射传播损耗，双向激励液滴进行边缘雾化。本实施例中，两个液体供给纸芯的另一端分别伸入液体中。

本发明实施例还提供一种液体雾化装置，如图9所示，所述液体雾化装置包括本发明实施例如上所述的液体雾化器件111，所述液体雾化装置还包括与所述液体雾化器件111相连接的射频信号发射器件112和与所述液体雾化器件111间隔设置的储液池113。

下面结合图9对所述液体雾化装置进行详细说明。

本实施例中，所述液体雾化装置包括：

液体雾化器件111(具体结构参见上文所述)；

储液池113，与所述液体雾化器件111间隔设置；

具有通孔的PCB板114，所述液体雾化器件111通过金线键合设置在所述具有通孔的PCB板114上，且液体供给纸芯3的另一端穿过所述通孔，伸入到储液池113的液体(如水)中；

射频信号发射器件112，与所述具有通孔的PCB板114电连接；

所述射频信号发射器件112包括依次电连接的射频信号源1121、功率放大器1122和阻抗匹配网络1123(阻抗匹配网络用于提升液体雾化装置的电声转换效率)。

其中，将所述液体雾化器件111通过金线键合设置在所述具有通孔的PCB板114时，液体供给纸芯3位于所述压电基底1与具有通孔的PCB板114之间。在一些叉指换能器2包括两组叉指电极，两组叉指电极的对数均为30对。

所述液体雾化装置通过在叉指换能器输入交流电信号，利用压电基底的逆压电效应，在叉指换能器下的压电基底部分激励起瑞利波并传播出去，最终瑞利波到达液体雾化器件边缘处，激发液滴转化为气溶胶，实现雾化作用。所述液体雾化装置雾化效率高、叉指换能器无需保护、制作简单。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种液体雾化器件，其特征在于，所述液体雾化器件包括：

压电基底，所述压电基底具有上表面和下表面；

叉指换能器，所述叉指换能器设置在所述压电基底的上表面上；

液体供给纸芯，所述液体供给纸芯的一端贴合设置在所述压电基底下表面远离所述叉指换能器的一端，所述液体供给纸芯的另一端伸入液体中。

2.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述压电基底的厚度为300-1000μm。

3.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述压电基底包括铌酸锂基底、钽酸锂基底或石英基底。

4.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述压电基底包括第一基底和位于所述第一基底上的压电薄膜，所述第一基底包括硅基底或蓝宝石基底，所述压电薄膜包括ZnO薄膜、AlN薄膜或锆钛酸铅薄膜。

5.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述叉指换能器包括均匀叉指换能器、聚焦型叉指换能器、分裂指叉指换能器或单相单向叉指换能器。

6.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述叉指换能器包括叉指电极，所述叉指电极的材料包括Al、Cu、Ni、Pt、Ti、Au、Mo、W中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的液体雾化器件，其特征在于，所述叉指电极包括指部，所述指部的宽度为1-200μm，所述指部的长度为40μm-50mm，所述指部的厚度为80nm-1μm。

8.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述液体雾化器件包括两个液体供给纸芯，所述两个液体供给纸芯对称设置在所述压电基底下表面的两端；和/或，

所述液体供给纸芯的材质为聚酯纤维、棉纤维、竹纤维中的至少一种，所述液体供给纸芯为长条状。

9.根据权利要求1所述的液体雾化器件，其特征在于，所述压电基底与水平面之间具有预设大小的角度。

10.一种液体雾化装置，其特征在于，所述液体雾化装置包括权利要求1-9任一项所述的液体雾化器件，所述液体雾化装置还包括与所述液体雾化器件相连接的射频信号发射器件和与所述液体雾化器件间隔设置的储液池。