CN1367027A - 气雾中的液滴的热效产生 - Google Patents

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Abstract

热效型液滴发生器(20),它所具的几何结构能使从室(32)喷出的液体有效地分成许多细小的液滴。液体室的厚度与用于喷出液体的热效换能器(34)的面积间的关系控制成提供一细分状况使得将喷出的液体细分成所具体积范围约为数十飞升的液滴(36)。这样小的液滴能易于夹带于气雾中,特别适用于将流体药剂输送到肺部。

Description

气雾中的液滴的热效产生
技术领域
本发明涉及产生所具尺寸适于夹带于气雾中的液滴。
背景与发明概述
医疗与生物技术的当前进展提供了众多的高效和有前途的系统治疗方法,这类方法要求将生物物质和化学物质(例如缩氨酸、蛋白质以及细小分子)输送到患者的血流中。用传统的输送方式例如经皮肤与经口腔将某些物质送达血流时,会带来各式各样的问题。例如经口腔输送的治疗用蛋白由于其在有机会到达血流前就被消化掉而不能起作用。这样,由于上述的和其他的原因,最好将这类物质尽可能直接地送到血流。
所谓气雾是极细的固体粒子或液体粒子的气体悬浮物。气雾当前用于将某些药物输送到病人的肺部。将药剂或其他治疗物质输送到病人肺部的方式有时称作肺输送。
肺的最内部组织称作肺泡上皮细胞,它包括数以亿计的称作为肺泡的细小气囊,它们为毛细血管的大网络包围。肺泡壁是薄的单一的细胞层,能从肺泡将流体快速地吸收到血流内。最有效的肺输送是在把药物输送到肺泡时而实现的。这种输送方法需要生成极细的微粒或小滴,能夹带于气体中成为气雾形式而为病人吸入肺泡内以传送到血流中。
肺泡能够迅速吸收直径约4μM的相当于33.5千万亿分之一公升体积的液滴。一千万亿分之一公升是1×10-15公升(飞升)。大的液滴常会在到达肺泡前与肺壁接触而较少可能透过肺壁到达血流,这是因为通向肺泡的气道衬有厚而带纤毛且为粘液覆盖的细胞层。
通用的肺输送装置是那种周知的计量药剂吸入器(MDI),它们已广泛用于输送哮喘药剂。MDI输送系统虽可有效地输送用来治疗肺组织的药物,但此系统并不能最佳地用来将物质输送到肺泡(从而到血流)。为此,MDI通常将药剂在加压容器中与推进剂组合。起动这种装置能释放出计量的气雾,但此时液滴的粒度分布大,而进推进剂的蒸气压力也随温度和使用的次数变化。这样,气流中的这种物料的行为以及液滴所能达到肺泡的范围便多少不能预测。
从以上所述可知,值得注意需要一种能可靠地产生很小体积的且具有大致均匀的尺寸分布而为气雾夹带的液滴的液滴发生器。
参考文献美国专利5,894,841已认识到,采用喷墨打印中的那种液滴发生器有可能产生极细的液滴。与这里所述有关的那种喷墨打印(常称为热喷墨打印),是将墨水引导到几个细小的室中。每个室包括有热效换能器如薄膜电阻器以产生将墨水滴通过室上方的孔喷出的蒸汽气泡。这些室与孔组装到打印头装置内,此装置与墨水源连接并配备有控制器使墨滴定时地喷射以在媒体上复印图像。上述参考文献并未提供用来产生进行有效肺输送所需飞升尺寸细粒的热效液滴发生器的具体细节。
对于例如用于热喷墨打印的液滴发生器,喷口尺寸仅仅是用来控制每次起动电阻器(或其他适当的热效换能器)所排出液滴体积大小的一个因素。与此喷口相关联的墨水室的构型以及室中热效换能器的尺寸和能量释放能力能起到更大的作用。
当前喷墨设计提供的液滴发生器所产生的液滴的体积小到4皮升(相当于4000飞升)。为了产生能夹带在例如用于将液滴输送到肺泡的气雾中的,约数十个飞升级的液滴,所遇到的一些问题妨碍了人们将当前的设计按简单的缩小比例的方法来求得这样小的液滴体积。
例如喷出尺寸范围在约数十飞升级的单粒液滴时需要极小的墨水室与电阻器,它们所具有的关键的尺寸难以用常规的喷墨打印头制造工艺予以加工和控制。就算是能进行这种加工,这么小的电阻器的热效率很可能是不够的。由这样小的电阻器造成的热损失(即在形成蒸汽泡过程中未传送给墨水的能量)问题,能够由用来形成蒸汽气泡的相对更高的能量(称作转向能或TOE)解决。但是增大TOE会在热效换能器中产生较大的应力,这有可能使此换能器随时间的延长而降低其可靠性。
本发明针对这样一种热效型的微滴发生器,它所具有的几何结构能使从室中喷出的液体有效地将此喷出的大量液体分成许多细小的液滴。这样就提供了(与按比例缩小的通过每次起动热效换能器而生产出细小单粒的液滴发生器相比的)高热效的液滴发生器,且一般不需满足上述困难的制造公差。
在本发明的一种最佳实施形式中,液体室的厚度与热效换能器的面积之间的关系经控制成能提供上述细分形式。
液体的喷出易控制成能精密地对喷出的液滴计量。值得注意,通过本发明设计出的液滴的热发生形式,提供单一的一次操作(即控制热效换能器的“喷出”以将液体室中容物排出),既使排液量的计量化又产生适合的细小液滴,即从室中喷出液体不需伴随有减少喷出液体量以形成细小液滴的装置。
作为本发明的另一个方面,液室中的液体是利用上述容量细分特点通过许多喷口排出。这就有效地将每次起动热效换能器产生出的液滴数倍增(与单孔实施形式相比)。
下面详述实施本发明的设备与方法。本发明的其他优点与特点将通过浏览本说明书的下述各个部分与附图获得理解。
附图简述
图1是根据对本发明的液滴发生器的性能所作计算流体动力学模拟获得的图像的复制形式。
图2是依据本发明形成的单粒式液滴发生器放大横剖图。
图3A~3E是说明依据本发明最佳实施形式制造液滴发生器的工序的横剖图。
图4是示明依据本发明另一最佳实施形式制造的液滴发生器的横剖图。
图5是示明根据本发明又一最佳实施形式制造的液滴发生器的横剖图。
图6是部分剖面图,示明依据本发明形成的液滴发生器如何用来产生夹带于雾气中的液滴。
最佳实施形式的详述
图1是根据对本发明的液滴发生器的性能所作计算流体动力学模拟获得的图像的复制形式。此图中的液滴发生器以剖面图形式给出。出于模拟目的,坚固的喷口结构22构制成大致平面的部件,在其内部界定出一圆形喷口24。
喷口结构与一刚性基片件26连接,此基片件在喷口结构之下并具有与液体连通的相对侧。基片中确定出两个入口28以让液体(按箭头30示向)流入室32内。室23是小的储存室,用来将液体从该室经喷口24喷出之前保存液体。
用来将液体从室32喷出的机构是热效换能器34,它于这一充填有液体的室中生成蒸汽泡,蒸气泡的膨胀便喷出液体。出于计算目的,此热效换能器34视作平面部件(例如薄膜电阻器),在起动时,提供了约4nJ/m2的能量密度。所涉及的液体具有约3cp的粘度和100℃的沸点。
根据本发明,室32的构型与热效换能器34提供的能量之间的关系控制成每次起动热效换能器34时能喷出两个或更多个的飞升尺寸的液滴36。在此种关系的一种实施形式中,该室的厚度与热效换能器34的面积由一足以挤迫出室中的所有液体的量。选择成能使此换能器产生的蒸汽泡的前部(图1中虚线38所示)膨胀而从室中凸出而进到环境中。此外,由于室32如后所详述是较薄的,从此室排出的液体分成一些液滴36,每个液滴包括室中喷出的液体总量的一部分。如图1所示,这些液滴的轨迹是普遍发散的。
使室32的构型与热效换能器34所提供的能量之间的关系能达到使室中所有液体可按分散的液滴36的形式排出的一种方法是,使此室相对于换能器的面积而言较薄。
例如图1中的尺寸“T”表示此室的厚度,尺寸“R”表示此换能器的长度(更一般地说,假定图示的是方形换能器则R便是此换能器面积的平方根)。在一种实施形式中,由室厚T对换能器面积R之比构成的无因次参数选择成小于约0.75、更好小于0.50而最好约为0.35。这时,产生出的液滴体积平均约33飞升(直径约4μm),这种液滴如以下所述易于夹带于气雾中,能理想地用于肺输送。
下面说明依据刚刚所述关系来制造液滴发生器的最佳方法。
图2示明依据本发明形成的一个液滴发生器20的大加放大的横剖图。为便于图示,只表明了一个液滴发生器,但应认识到,所述的生产工艺允许制造出多个液滴发生器。所生产出的液滴发生器的个数取决于一固定用途下所要求的液滴量。可以按照从液滴发生器同时喷出液滴流量或数目来考虑这种要求。在需要有较大流量时,可以制造较多的液滴发生器。
典型的液滴发生器20包括刚性基片40,此基片可以有硅底层42,且最好是传统的硅片,在上面已生成有绝缘层,如二氧化硅。此种基片40可以是同于涉及喷墨打印先有技术如美国专利4,719,477中所描述的,现综合于此供参考。此基片包括一层电阻材料如钽铝形成的部分35,这些部分分别通过导电层连接到挠曲的电路60(参看图6)上,此电路60如后面更全面地描述的,连接一用于操作液滴发生器的控制器52。
再来参看图2,电阻层的各个部分35以后称作热效换能器或电阻器,乃是可以合称为基片40的控制层44的一部分,它最好包括例如美国专利4,719,477中所描述的电阻体一保护钝化层和其他子层。当从室中喷出的液体不会伤及电阻体时,这种保护钝化层的要求可以最少。
应知上述基片可以并入CMOS电路元件以允许采用复合信号来启动液滴发生器。由CMOS电路系统提供的复合控制逻辑除能简化与热效换能器的连接外(即不需要有众多的迹线与热效换能器直接连接),例如还能将精密的计量要求编程到此电路中,从而能使其实现于制造液滴发生器的装置中。举例来说,在要求逐渐加大剂量的气雾疗法中喷射药物液滴时,可将上述控制电路编程,使在每次使用液滴发生器之后起动另外的液滴发生器(加大流量)。
整体式的喷口件48固定于控制层44上并构造成能为各个液滴发生器确定一喷口25,此喷口件48在与喷口连接的液体室33之下。前述电阻器35由电流脉冲作有选择地驱动(加热)。来自此电阻器的热量足以蒸发室33中的某些液体,由此迫使液体通过喷口25而细分成液滴36,如上面相对于图1所述。
各室33在每次喷射后,再以经由通过控制层44形成的入口54流入的液体充填。在最佳实施形式中,在喷口件48装附到基片40上之前同时是在基片40的底部42上腐蚀出通道58之前,基片40的控制层44的上表面56图案化并腐蚀形成入口54。(此处将表面56名为“上”表面是为了方便并理解为当液滴发生器从图2所示定向中倒置时表面56在控制层44的其余部分下面定向)。
现在说明液滴发生器20的制造工序中的细节,参看图3A,其中示出了在业已加工而载有包括了先前形成的入口54的控制层44后基片底部42的情形。
图3B所示的基片40在其上表面56上已涂布有一层将包括喷口件48的光阻材料。在一种最佳实施形式中,此喷口件是一种慢交联聚合物,该聚合物是应用常规的例如Karl Suss KG制造的旋涂机具涂布。在最佳实施形式中,上述光阻材料包括交易中通常已知为SU-8的光聚合环氧树脂。此光阻材料的例子之一可以购自Microchem Corp.ofNewton,MA并以SU8-10的名称出售。但应认识到,所述喷口件可以包括能在暴露于电磁辐射如紫外射线后不会在显影液中溶解的许多光阻材料中的任何一种。
与上述旋涂机具相关的旋涂层得以随着上述慢交联聚合物充填入口54时而形成一平的表面。旋涂用的典型方法是由调节到70rpm的旋涂机具,以100rpm/s的加速度和20秒的涂布时间,把一层光阻材料涂布到基片上。然后以100rpm/s的减速度停止旋涂并保持10秒。再在1060rpm下,用300rpm/s的加速度旋转此已涂层的基片30秒,以在整个基片上涂布此光阻材料。
另一些涂层聚合物的方法包括辊涂、幕涂、挤涂、喷涂与浸涂。内行的人当知还有其他方法可将聚合物涂层到基片上。前述慢交联聚合物是通过将光学染料(例如3号橙色约20%重量)混合到可光致成像的聚酰亚胺或是可光致成像的透明环氧聚合物材料中制成。由于增添了染料,用于交联化这种材料所需的电磁能便大于未混有染料的材料。
图3C示明喷口件48的交联聚合物层以低剂量的电磁能(箭头62所示)的曝光。在典型的实施形式中,这一工序是用美国加州Son Jose市的SVG生产的Micralign扫描投影式光刻机,在曝光设定在60.3mJ下进行,这一能量正好足以让聚合物曝光不足交联化至所需深度。在此实施形式中,这一曝光不足的所需深度是以双阴影表示,例如可约为2μm。
照射的能量(例如紫外辐射能)是通过掩模(未图示)照射到喷口件的材料上。此掩模属常规装置,例如包括石英基片带有一层半透明的介电材料如氧化亚铁。此掩膜用不透光材料如铬图案化,确定出(通过未曝光)喷口25的最好为圆形的形状。
图3D示明对此慢联聚合物材料作进一步的曝光,该材料用足以曝光和交联化此聚合物层48整个厚度的相对高剂量的辐射能来形成这一喷口件层。对此所加的能量加以屏蔽,使与基片40上表面相邻的这部分液体室33不被曝光。如图3D所示,这部分室与热效换能器35相邻并延伸到入口54与上表面56的接合处。
图3E示明了将喷口件48的未曝光或未交联化的部分包括充填入口54的部分除去的显影过程。典型的显影过程采用在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中并在1Krpm下70秒显影;再在1Krpm用8秒混合以异丙醇(IPA)与NMP,再在1Krpm下经10秒的以IPA冲洗,最后在2Krpm下作60秒旋转。这种显影装置可以购自美国加州Son Jose市的Solitec Wafer Processing,Inc.。
图2示明在完成了显影工序时并且在基片的下侧66通过四甲基氢氧化铵(TMAH)进行硅侵蚀形成通道58后的成品液滴发生器。通道58与液体入口54形成流体通道。这样,通道58内的液体便能流过入口54并在室33每次喷射液体后对其再充填。
如上所述,热效换能器35的尺寸与室33的厚度经设计成能形成所需的比T/R。尺寸“T”如上所述代表室33的厚度,是从控制层的上表面56(上表面56表示室33液/固界面)到喷口件48的外表面49测量的厚度(图2)。尺寸“R”也示明于图2中并定义如上。在最佳实施形式中,比T/R选择成小于约0.75而最好约为0.35。例如对于面积为144μm2的方形换能器(因而“R”值为12μm),最佳的室的高度“T”约为0.35乘以12倍或约为4μm。
应知比T/R虽为有用的设计参数,但在本发明下并非是达到室尺寸相对电阻器能量关系的唯一的依据。例如可以知道,热效换能器面积与电阻器(热效换能器)的能量密度有关,而室/电阻器的关系则可以用室高相对于所需用来将室内液体喷出且细分成希望的体积范围(数十飞升或更小)的换能器能量密度值的关系表示。此外,也应认识到,由大于0.75(最高约达1.0)的比T/R来制造液滴发生器时同样能提供这里所关心的飞升尺寸的液滴。
液体可以用种种方式提供给通道58。例如基片的底面66可以装附到载有液体储器的装置立体68的外表面上(图6)。此主体表面形成若干导管70(其中之一示明于图2),每个导管70都与通道58对准,用来将液体从上述储器导向通道。如前所述,一个基片可以载有多个液滴发生器20,其中的若干可以与基片中的线状通道58流体连通,而基片可以载有几个这类通道。整个装置(带有多个液滴发生器的基片)可以视作为液滴发生器头部72(图6)。图4是类似图2的横剖图,示明依据本发明另一最佳实施形式制成的液滴发生器。此液滴发生器120包括如上所述的基片140与热效换能器135。但在此实施形式中,室133是与一个以上的喷孔125形成流体连通。例如可以采用围绕室的中心布置的四个喷孔125(图4中只示明了两个这样的喷孔)。在这一实施形式中,热效换能器135是整体部件,因而与前述实施形式的情形相同,各室有一个热效换能器。此整体式换能器135起动后,所形成的蒸汽泡迫使室内液体通过一个以上喷孔而将液体分成许多液滴。上面所用的“整体式”一词意指热效换能器135起到整体器件的作用。例如可以认为热效换能器135的各电阻元件能够被分散或要不然分断来取得更大的热效率。
由于图4的多喷孔实施形式如上所述是据低的T/R比构成,而从各个喷孔125喷出的液滴还将进一步分离。这样,所述多喷孔的实施形式能有效地在每次起动热效换能器时,使产生的液滴流量(比单喷孔实施形式)倍增。
图5示明依据本发明制造的液滴发生器的另一种可能构型。在此实施形式中。于基片240上设置成对的热效换能器235,且使其处于此基片的底层242中腐蚀出的通道258的两相对侧。首先涂布成控制层244,使构成换能器235的光阻材料层图案化,以在通道258的相对边缘上确定出相向成对的换能器。相对于换能器235进出的导电迹线则布置成不横跨相对的换能器之间的空隙。
控制层244经腐蚀在各对换能器235之间确定出一槽,使得在涂布成可光致成像的喷口件248时,它将覆盖换能器并充填此槽。此喷口件248然后如上述曝光和显影,确定出室233与喷口225。如图5所示,喷口件248与换能器235之间的空隙界定出液体入口254。
在一最佳实施形式中,在涂布喷口件材料之前涂布上保护层,例如用等离子体涂布的四乙氧基硅烷(TEOS)氧化物来覆盖基片底层242。上述保护层以虚线80示明于图5中,其所具外形能覆盖两个换能器235之间的槽并稍稍叠置到控制层244上,如图所示。喷孔件材料248涂布到上述保护层上并如以前所述成形。
上述保护层80是在第一次腐蚀成通道258时涂布定位。通过底层242作这样长时间的“大量”TMAH腐蚀可能会带来某些不均匀的涂层结果。在这方面,通道壁的延伸部分82,如图所示,便代表通道258经第一次腐蚀后的那些壁部。要是只进行此第一次腐蚀,可以看到此相对的两个入口254具有不一致的尺寸;特别是底层242与喷口件248之间的间隙是不均一的,这将导致从通道258到各室233有不同的流率。
但是本实施形式在通过例如是缓冲氧化物腐蚀剂(BOE)在除去保护层80后,还有对底层242作第二次的TMAH腐蚀(用于完成通道258)。这样便将基片底层242的硅面暴露一定程度,得以由第二次TMAH腐蚀导致底层242与喷口件248之间均匀化,使得通过入口254到各室233的液体流对于所有的液滴发生器基本一致。与以前相同,各个液滴发生器220构造成具有同于上述的所需T/R比。
依据本发明由热生成气雾液滴的方法是有可能由其他构型的液滴发生器来实施的。例如具有由激光烧蚀的喷口件的液滴发生器,如美国专利5,305,015中所述的(现综合于此供参考),只要其中的室厚与换能器的规格(能量)可保持前述的关系即可。
类似地,按照美国专利5,608,436(现综合于此供参考)所述的方法构造的液滴发生器也可以满足要求。这类液滴发生器包括聚合物阻挡层,此种阻挡层确定出储液室的一部分并处于基片的上层与薄金属的喷孔板之间。此种喷孔板或也可由聚合物材料经激光烧蚀形成喷口而成,如美国专利5,305,015所示(已综合于此供参考)。在以上各结构中,喷孔板和/或阻挡层制作得极薄(这两个部件可以视作为等同于前述的喷孔件),以提供所需的T/R关系。
在任何一种上述的实施形式中,重要地应知,对于较大厚度的“T”,通过采用相对较大的换能器的面积,可以实现所需的比T/R。换言之,此比中的两项能根据需要变动以满足所需的T/R比与任何其他设计的约束条件。
如上所述,本发明提供了用来形成飞升尺寸液滴36的热效液滴发生器(图1),此种发生器例如适合夹带于气雾中供有效的肺输送。在本实施形式中,这是通过例如图6中所示的吸入器71实现的。此吸入器的一种实施形式包括主体68,主体有客座可以于其中设置液态药剂(或如前述的任何液基生物与化学物质)的供给源75。
供给源75例如通过针状体和隔膜与主体中的导管73互连。使供给源中的液体引向前面联系图2所述的载有多个液滴发生器的液滴发生器头部72中。最好上述导管与液滴发生器设备在刚制成时或用户于操作吸入器如下所述喷射液滴之前作好准备(例如通过对头部72中的喷孔加抽力)。
上述挠曲电路60例如可粘合到主体68中为相应外形的凹座61中的吸入器71上。此电路用吸入器控制系统81一部分的控制器52的经适当调节的控制信号与液滴发生器的热效换能器连接。控制系统81包括设有电源79与操作开关77的控制器52。控制器52是一集成电路,响应此开关的信号,给头部72以受控的电流脉冲,按照需要驱动此液滴发生器。应知此控制系统可以由任意多种方式构成,而最好是与吸入器的主体形成整体。
液滴发生器头部72最好位在吸入器的喷嘴69上。凹座61或其它机械可用作在吸入期间提供气流,使得液滴夹带于空气中。
应知此控制系统81与液滴发生器头部72的布置(即要让头部72产生的液滴能立即推进入周围的空气中),既对喷出的液滴或排出的液体量作精密的计量,又能产生合适的小的液滴。具体地说,从室中喷出液体不需同时使用其他装置将喷出液体减至合适小尺寸的液滴。
尽管以上的说明集中于产生适于由气雾将液滴输送到肺泡的液滴,但应认识到也可以产生供其他用途的如此小滴。本发明的液滴发生器可以具体用于供应适合香味输送的液体,以及用于分配精确控制数量的杀菌剂、颜料、燃料等。
上面已然描述了本发明的最佳实施形式,但可以预料,内行的人当可在本发明的范围内提出其他一些变更型式的实施形式的。这样,虽然已描述过本发明的最佳的和另外一些实施形式,但本发明的精神与范围则不局限于这些实施形式,而是可以遍及各种各样的改型和如后附权利要求书所确定的等同形式。

Claims (10)

1.一种液滴发生器(20),它包括:
基片(40)在其上表面(56)上载有的热效换能器(35),此换能器是有一定面积的基本为平面的部件;
装附到此基片上并具有外表面(49)的喷口件(48),通过此外表面形成有喷口(25),此喷口件确定出与上述热效换能器相邻的室(33),室(33)与该喷口流体连通,同时与此基片上的入口(54)流体连通用于将液体经此入口导引而进入该室;
其中,室的厚度是从上述上表面延伸到上述外表面的尺寸;以及
其中室的厚度对前述热效换能器面积平方根之比小于约0.75。
2.如权利要求1所述的液滴发生器(20),其中所述的比小于0.50。
3.如权利要求1所述的液滴发生器(20),其中所述的比约为0.35。
4.如权利要求1所述的液滴发生器(20),其中所述喷口件(48)具有至少两个喷口(125)从室(33)延伸出而通过喷孔件(48)的外表面(49),以让液体从此室通过所述喷口喷出。
5.如权利要求4所述的液滴发生器(20),其中所述室(33)内的热效换能器(35)是整体式部件。
6.一种产生液滴的方法,此方法包括下述步骤:
提供一液体源;
以此液体的一部分充填室(33);以及
用一定量的热能瞬时地加热室中的液体使之足以在各室中产生蒸汽泡,用来从各室中推挤出液滴(36),其中各液滴的体积小于100飞升。
7.如权利要求6所述的方法,它包括从各室(33)将液体作为分成两或多个液滴的大致为单一体积的形式推挤出的步骤。
8.如权利要求7所述的方法,它包括瞬时地加热液体,使室(33)中的液体通过单一的瞬间加热方式推挤出的步骤。
9.如权利要求7所述的方法,它还包括提供具有至少两个从室(33)伸出的喷口(125),使液体能从流室经所述喷口推挤出的步骤。
10.如权利要求7所述的方法,它还包括提供单一喷口(25),通过该喷口使室(33)中基本上所有的液体推挤出的步骤。
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