CN1423581A - 包含带流量控制特征的扩散器的物品 - Google Patents

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CN1423581A
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K·D·奥马拉
D·凯勒
J·T·麦克金
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DERCHIS PHARMACEUTICAL CORP
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Abstract

一种扩散器(518),其包括具有沿第一流体的流动方向增加横截面积的导管。在一个实施例中,该扩散器用于减小静电沉积设备中出现的流体波动的发生和严重程度。在某些实施例中,该扩散器包括一或多个流量控制特征。第一流量控制特征包括一或多个适当形状的环形缝隙(520),与流过扩散器的主要流体相比具有更大动量的流体通过该缝隙注入扩散器壁附近的“边界层”。第二流量控制特征包含一或多个位于扩散器周边的适当位置的环形缝隙(548),或者槽或孔,通过该缝隙去除在边界层流动的流体的一部分。在一个实施例中,通过在这种环形缝隙或槽产生压力差而实现边界层流动的去除。在其他优点中,这种流量控制特征减小了扩散器内主要流体的流体分离趋势。

Description

包含带流量控制特征的扩散器的物品
相关申请的声明
本发明涉及1999年6月8日提交的题为“药品以及制造该药品的方法和设备”的国际专利申请PCT/US99/12772。
技术领域
本发明涉及用于制造药品的设备的改进。
背景技术
在制药工业中,药品通常为药片、囊片、试条、胶囊等。这些药品包括诊断产品,它们包括一种或多种“单元剂量形式”或“单元诊断形式”(统称为“单元形式”)。
每一单元形式通常含有至少一种药物或生物活性成分(统称为“活性成分”)以及惰性/非活性成分。这些活性和非活性成分,通常为粉末形式,适于加工成单元形式。
在上述引用的国际专利申请中,申请人公开了一种用于制造这种单元形式的设备,其中在本文中通过引用而包含该申请。该设备利用静电沉积工艺,从而使含有活性和/或非活性成分的粉末沉积在处于分散位置的基片上,而形成所述的单元形式。为了形成本发明的上下文关系,下面描述所述的沉积设备、其操作和所生产的示例性单元形式。
图1-4示出了通过静电沉积设备生产的单元形式6的一个实施例。图1示出了许多排列在带条4上的这种单元形式6。在示出的实施例中,带条4包含基片8和覆盖层10,它们都包含基本上平坦的柔性薄膜或片。在某些实施例中,基片8或覆盖层10之一包括一系列半球形凸泡、凹腔或凹陷(在下文中称为“凸泡”)12,它们有利的均匀地排列成行和列。
单元形式6包含活性成分14,形成凸泡12的一部分覆盖层10,和在结合部7内的基片8的区域。图2(示出了从基片8部分“剥离”的覆盖层10)和图3(示出了带条4的一部分的横截面)描述了设于凸泡12内的基片8和覆盖层10之间的粉末形式的干活性成分14的沉积物。图3和图4(示出了单元形式6的顶视图)描述了经结合部7互相连接的基片8和覆盖层10,该结合部7靠近并环绕凸泡12。
沉积设备
图5通过高度简化的框图示出了适于制造单元形式6的沉积设备1。设备1包括生产单元形式6的平台102。平台102执行各种操作,包括在基片的预定分散区域静电沉积干粉、材料搬运、对准操作、测量操作和接合操作。
带有静电的粉末经送粉设备402输送到平台102进行沉积。在某些环境中,平台102和/或送粉设备402通过环境罩壳而与外界环境隔离。在这种实施例中,环境控制器EC对平台102和送粉设备402进行温度、压力和湿度控制。稍后在该部分中对平台102和送粉设备402进一步描述。
处理器P和控制器C控制设备1的各种电子功能,比如用于静电沉积操作、送粉设备402的操作、有利地与平台102一起使用的机器人的操作以及剂量测量操作的电压施加。为了有利于这些控制功能,存储器M可以到达处理器P和控制器C。
图6和7分别示出了示例性平台102的顶视图和正视图。在某些实施例中,平台102包含工作台214,该工作台包括五个处理工位,执行各种用于生产本发明产品的操作。简言之,这些处理工位包括:存储工位220,该工位包含三个分工位220A、220B和220C,用于存储基片和覆盖层;对准工位230,用于保证基片和覆盖层正确地附着于输送机构上(例如机器人元件),该输送机构将它们输送到其他处理工位;沉积工位250,在此粉末沉积在基片上;剂量测量工位240,用于测量沉积在基片上的粉末数量;以及层压工位260,在此覆盖层层压到基片上。
如图7所示,四个支撑件216在台面等表面上方抬起工作台214。此外,支撑件216有利地形成用于图6所示的侧部安装的可选阻挡件218的框架或上层结构。该侧部安装的阻挡件,与顶部阻挡件(未示出)和工作台214相结合,形成环境罩壳或室,借助于空气或惰性气体将其内区域与外界环境隔离。
为了有利于各种处理操作,以及在处理工位之间的材料搬运,有利的是平台102包括输送装置。在图7中所示的实施例中,输送装置是机器人系统,它包括可沿第一导轨290移动的第一机器人输送元件270和第二机器人输送元件280。第一导轨290用作沿一方向(例如沿x轴)运动的引导件/支撑件。可移动地安装在第一导轨290上的另一导轨(未示出)用作沿与第一导轨290垂直但在同一平面内的方向(例如y轴)运动的引导件/支撑件。这些导轨共同提供x-y运动。驱动装置(未示出)比如x-y步进马达沿该导轨移动机器人输送元件270和280。
接收器272连接于第一机器人输送元件270,“结合”头282连接于第二机器人输送元件280。接收器272可操作的至少从存储基片的分工位(即220A或220B或220C)取回基片,并将其移动到至少用于处理的各操作工位230-260的某些工位。结合头282可操作的将基片和覆盖层互相连接/密封,形成该单元形式6。
第一和第二机器人输送元件270和280具有在伺服控制器(未示出)控制之下收缩的部件,以提供沿z轴的运动(即垂直于x-y平面)。这种z轴运动使接收器272和结合头282朝一处理工位“向下”运动,以有利于操作,以及在完成操作之后“向上”远离处理工位。
而且,机器人输送元件270和280有利地包括在伺服控制器(未示出)控制之下的θ控制部件,以使接收器272和结合头282在x-y平面内转动,而有利于在处理工位的操作。提供压缩的干空气或其他气体适于操作该机器人输送元件。机器人输送元件270和280可以是例如从日本的Yaskawa电子公司得到的Yaskawa机器人世界的线性马达机器人。
如前所述,在沉积工位250处含有活性成分的粉末静电沉积在基片8的分散位置上。在所述的实施例中,完成这种沉积过程需要在其他事物中将基片8从某些其他工位输送到沉积工位250,且形成静电荷,致使该粉末静电沉积在基片80上。这种输送和充电操作至少部分上经接收器272和静电卡盘302容易地实现。
图8示出了静电卡盘302的第一表面304的视图。静电卡盘302包含绝缘材料层303。该静电卡盘具有约0.01英寸(0.25mm)的厚度,因此相当柔软。示例性静电卡盘302具有“通孔”ECH,为位于其周边的槽。第一表面304还包括许多粉末收集区CZ。在示例性静电卡盘302中,有利的是,收集区CZ以每列12个收集区的8列306C1-C8的形式组织,总共96个收集区CZ。在本说明书中稍后将详细描述,每一收集区CZ对应基片上的粉末沉积工位(见图1的基片8)。收集区CZ在静电卡盘302内通过配置绝缘和导电区域而形成,在本文中稍后将结合图10a-10c描述一些实施例。
图9示出了静电卡盘302的第二表面308的视图。如图10a-10c中更详细地示出,收集区CZ通过电接触垫310而形成。这种电接触垫310形成与受控电压源连接的接触点。
电接触垫310与选定的其他电接触垫经寻址电极312实现电连接。由于这些成组的选定的电连接(例如,在图9中的示例性卡盘302的给定列306C1-C8内的垫310限定了一个示例性分组),第一电压可以施加到列306C1的接触垫310,而第二电压不同于第一电压,可以施加到第二列306C2的接触垫310,诸如此类根据需要在一列一列的基础上改变施加到接触垫310上的电压。应当理解的是,对这些不同的列施加不同的电压有利于控制每一列中的收集区CZ上的粉末沉积速度。在其他实施例中,寻址电极不同地布置,从而产生不同布置的成组接触垫310之间的相互电连接。对于图9中所示的接触垫310和寻址电极312之间的布局来说,电压仅需要施加到给定列306内的一个接触垫310上,以基本上在那个列的每一个接触垫310处形成同样的静电荷。
图10a-10c示出了适于形成静电卡盘比如静电卡盘302内的收集区CZ的结构布置的几个实施例。为了清楚起见,在图10a-10c中仅示出了与静电卡盘的一个收集区CZ相关的结构。
在图10a中所示的第一实施例中,导电材料314通过绝缘材料层303设置在指定为收集区CZ的每个区域。导电材料覆盖静电卡盘的第一表面304和第二表面308的一部分。覆盖第一表面304的那部分导电材料314包括粉末吸引电极316A,而覆盖第二表面308的那部分导电材料314包括电接触垫310A(它是前面所述的电接触垫310的一个实施例)。屏蔽电极318(根据喜好偏见也称作“接地电极”)设于层303内。
对电接触垫310A施加电压而在收集区CZ的粉末吸引电极316A处产生静电场。如本部分稍后所述,该静电场吸引带电的粉末到与静电卡盘的第一表面304接合的基片8上。此外,静电场有助于保持基片8扁平,而靠在第一表面304上。基片8紧紧地附着在静电卡盘上增加了在收集区的粉末沉积的可靠性、一致性等。在暴露出基片8的接收器272内形成低压也有助于基片附着在静电卡盘上。
图10b示出了第二示例性实施例,其中通孔V在电接触垫310B和粉末吸引电极316B处形成。图10c示出了第三实施例,其中附加的绝缘材料层305将粉末吸引电极316C与基片8分开。电接触垫310C覆盖第二表面308。
由图10C所示的结构形成的静电卡盘可以称作“垫缩进卡盘”,该卡盘对于每个收集区CZ约2mg以下的粉末沉积,可取的是约100μg以下的粉末沉积是有用的(例如,假定收集区具有在3-6mm的范围内的直径)。由图10a所示的结构形成的静电卡盘可以称为“垫前移卡盘”,该卡盘例如对于每一收集区CZ约20μg以上的粉末沉积(仍然假定为直径约3-6mm的收集区)是有用的。对于高剂量沉积来说该垫前移卡盘比该垫缩进卡盘更有用。
如下面所述,至少在沉积设备的某些操作过程中静电卡盘302接合接收器272(例如在粉末静电沉积在基片8上的过程中)。图11示出了接收器272的下侧274,静电卡盘302附着于此。静电卡盘302具有对准特征320,比如销或孔,通过它们与接收器上的互补的孔或销(未示出)对准。而且示出的是对准销276,该销被工作台214上的互补的孔所接纳,用于使接收器272对准各处理工位(例如沉积工位250)。有利的是,高度可调节的真空吸盘278有利地用于连接对准框架(未示出),该对准框架可以与基片结合使用。
粉末沉积处理通过静电卡盘302的电子控制进行。如前所述,沉积设备1有利地包括中央处理器P和控制器C,用于执行计算、控制功能等(见图5)。处理器P接收来自多个源例如包括机载传感器的性能输入数据,和来自剂量测量工位240的历史数据,并利用这些数据确定操作参数是否应当进行调整以保持在规格内进行粉末沉积。所述输入数据包括例如涉及进入并通过沉积机(由送粉设备402和沉积工位250构成)内的粉末流速的数据,和涉及粉末均匀地沉积在静电卡盘302上的程度的数据。下文中所述的“在接收器上”的电子元件,单独或者与处理器401和控制器403结合,形成在操作过程中用于调节设备1的装置。
在处理器P的主要职能是处理功能的实施例中,位于接收器272内的辅助处理器(未示出)起通讯板的作用,其接收来自处理器P的指令,并将这些指令传递到也位于接收器272内的寻址板(未示出)。然后寻址板发送用于控制施加到电接触垫310的电压的偏压控制信号(DC或AC信号)。根据寻址方案(例如,若有的话,单个电接触垫310通过所述配置经寻址电极312电连接),电压分区域地(例如以行、列等)或者单个地施加。
寻址板最好具有多个同步输出的通道(例如方波或DC)。发送到寻址板的信号可以与施加在其上的适当的电压一起编码,例如以改变大小的方波电压脉冲的模式,以便鉴别特定的电接触垫/粉末吸引电极,或者一组这种电极。
所述偏压控制信号经高压板(未示出)发送,该高压板有利地具有多个高压转换器的通道(变压器或HV DC-DC转换器),用于产生电压,比如200V或2500V或3000V(任一极性),给粉末吸引电极310供电。该高压板有利地位于接收器272内,而与其他系统隔开。
在某些实施例中,在接收器上的“辅助”处理器从位于静电卡盘302上或其附近的“充电”传感器(未示出)直接接收数据。这种传感器监测粉末沉积量。通过适当地调节施加到电接触垫/粉末吸引电极的电压,接收器上的处理器部分翻译并响应来自所述传感器的数据。
沉积设备的操作(参照图6-7)
在操作过程中,第一机器人输送元件270将接收器272和附着其上的静电卡盘302(见图11)移动到存储工位220。在工位220处,静电卡盘302接合“空白”的基片,在某些实施例中,还接合连接于该基片的对准框架(未示出)。
在一个实施例中,在接合之后,机器人输送元件270将接收器272、静电卡盘302、基片和框架移动到对准工位230。在对准工位处,该基片接触一垫(例如聚氨酯泡沫等)。这种接触有利地使基片平滑抵靠着静电卡盘302。在基片平滑抵靠着卡盘之后,施加抽吸力而保持基片贴靠静电卡盘302。这样将沉积表面(例如,基片)的整平和平滑提高了粉末在其上沉积的一致性。在另一实施例中,不使用对准工位230。相反,冲击销(未示出)和机器人输送元件的柔性提供了这种功能。
然后机器人输送元件270将接合的接收器272、静电卡盘302、基片和框架移动到剂量测量工位240。在工位240与测量设备242对准之后,通过测量装置扫描基片,计算并记录在每一收集区CZ从基准点到基片的距离(见图8,10a-10和11),以提供基线数据。
然后机器人输送元件270将接合的接收器272、静电卡盘302、框架和空白基片移动到沉积工位250。在沉积工位250处,所述基片邻靠构成沉积开口258的垫圈259(见图6)。启动粉末沉积机(见图13),粉末通过沉积开口258在覆盖静电卡盘的收集区CZ的区域静电沉积在基片上。
在完成粉末沉积操作之后,机器人输送元件270将带有其分散沉积的粉末补充物的基片返回到剂量测量工位240。在该工位,测量装置再次扫描基片,以确定基准点到每一粉末“沉积物”的表面之间的距离。从这些距离以及前面获得的基线数据,计算在每一沉积物中的粉末量(例如体积)。如果计算出的量超出预定目标量的预期范围,那么就将该信息显示出来。然后操作者可以适当地调整操作参数,以使该处理返回到规格内。在另一实施例中,根据需要,提供自动反馈而自动调整该处理。“超出规格”的单元形式可以抛弃。
对于剂量测量,可以使用一种或两种光学测量方法:弥散反射和光学表面光度测量法,这两种方法在本领域都是公知的。
弥散反射方法基于探测光束比如激光束沿不平行于镜面反射方向的方向从粉末上反射或散射。申请人已经发现,基于非吸收辐射的弥散反射获得的测量结果提供与单元形式中粉末的沉积量有很强的相关性,至少高达一定的量。限制量随粉末的特性变化,且被认为对应于防止光穿透进入下层的粉末量。
对于3或7mm的沉积“点”来说,根据粉末的特性,非吸收区域的漫弥散在测量剂量沉积量在50-400μg的范围内,或者甚至高达750μg至1mg的过程中,提供良好的精度。该弥散反射方法基本上可以检测不是单层的粉末。如果沉积物多于单层,那么探测光束必须部分穿透上层,从而使其受到离开下层的反射的影响,以提供精确的测量。然而,趋于对其沉积厚度的实际限制(取决于粉末),显示出通过弥散反射测量所需的“Lambertian”特性。弥散反射还是上述范围内的剂量沉积物的物理均匀性的测量方法。
光学表面光度测量法用于获得在可通过弥散反射法精确测量的范围之外的剂量测量。在光学表面光度测量法中,光照向沉积物,然后从其以一角度散射,该角度表示沉积物的高度。该高度容易通过三角测量而计算出。表面光度仪例如可以是共焦的表面光度仪。适于与本发明结合使用的共焦的表面光度仪可从Keyence(Keyence公司,日本,或者美国Keyence公司,Woodc1iff Lake,NJ)得到,型号为LT8015。
接着,第二机器人输送元件280从存储工位220拾取覆盖层,且有利的是还拾取对准框架,并将它们输送到层压工位的层压支撑模502(见图12)上。在剂量测量工位240处完成测量之后,第一机器人输送元件270将具有沉积粉末的基片输送到层压工位260。第一机器人输送元件270将基片8放在覆盖层10上,从而使粉末沉积物14与覆盖层10上的凸泡12的周边对齐(见图12)。
在第一机器人输送元件270移离开之后,第二机器人输送元件280返回,通过结合头282的操作,将基片和覆盖层连接在一起,在带条上形成许多单元形式(见图1)。在一自动系统中,该单元形式可以自动传送到包装工位,其中,超出规格的单元形式被筛选出,而规格内的单元形式被适当地包装。
用于静电沉积的设备1提供了含有许多药物或诊断单元形式的产品,每一单元形式包含至少一种药物或诊断活性成分,该成分有利地与预定目标量的偏差不会超过约5%。
沉积“机”包括平台102上的沉积工位250和送粉设备402,且可能是各种操作问题的根源。这些问题包括例如粉末压实,非均匀粉末流动,粉末装载困难、操作不稳定性和粉末尺寸限制等。虽然在国际专利申请PCT/US99/12772中公开的送粉设备(在下面简要描述)已经设计成避免上述问题,但仍然存在着对该设备改进的空间。这种改进正是本发明的目的。在提出这些改进之前,描述现有的送粉设备的一个实施例,其中这种改进稍后在说明书中的“概述”和“详细描述”部分中描述。
沉积机
示例性送粉设备402包括粉末输送系统403,该系统经粉末充电系统416对粉末充电,并将其输送到粉末分配器418。粉末分配器418将充电的粉末输送到沉积工位250,用于沉积在基片8(为清楚起见没有示出静电卡盘和接收器)上,该基片邻靠形成沉积开口258的垫圈259。没有沉积在基片上的粉末通过压力差吸回而穿过抽粉管426,到达粉末收集器428。排出粉末收集器428的气体被输送到HEPA过滤器430。
在所示实施例中,粉末输送系统403包括螺旋转动马达404、漏斗406、振动器408、螺旋推进器410,供应改进的文丘里加料器阀412的清洁气体源414和粉末充电系统416,如所示它们相互关联。除了粉末充电系统416之外,示例性的粉末输送系统403基本上设于罩壳432内,为清楚起见,该罩壳示为虚线。
在所示实施例中,粉末充电系统形成为一管,在下文中称为粉末充电输送管416。然而,应当理解的是,在其他实施例中,可以使用不是所述管的粉末充电装置。
代替文丘里管412,可以提供气源来推动粉末通过粉末充电输送管416。在一个实施例中,气源414使气体压力朝向送粉的机械装置的出口。气体射流可以定向并调节而在该出口处分解结块的粉末。
在另一实施例中(未示出),在图13中示出的漏斗和螺旋推进装置可以用转动鼓代替,该转动鼓临时存储粉末并将其输送到可移动带上。然后,该可移动带将粉末输送到用于从该移动带上移走粉末的装置上。这种装置的一个示例是薄的高速气体射流,该气体射流将粉末吹入粉末充电输送管416,或相连通的导管中。
对于静电沉积来说,必须使粉末充电。如上所述,这种功能是通过粉末充电系统(例如粉末充电输送管416)完成的。现在提供涉及粉末充电的一些进一步的细节。
在一个实施例中,粉末充电输送管416由一种材料制成,该材料通过摩擦充电,在粉末经过该管时与管的侧面产生周期性的碰撞而将适当的电荷传递给粉末。这在本领域内是公知的,TEFLON、全氟化聚合物,可用于将正电荷传递给粉末(适于粉末材料),而尼龙(氨基聚合物)可用于传递负电荷。
这样在对粉末充电的过程中,该管积聚电荷,如果不进行调节,可能通过电弧放电。因此,将导电套或涂层施加到粉末充电输送管416的外部并接地。管416可以用铝或铜箔缠绕,或者涂有胶状石墨制品比如Aquadag,可从Acheson Colloids Co.of Port Huron,MI得到。或者粉末充电输送管416可以涂有混合物,该混合物包含石墨或另一种导电颗粒比如铜或铝、粘结剂聚合物和载体溶剂,并以适于保持该粘结剂聚合物的“粘性”的量混合。这种混合物的示例是246g的三氯乙烯、30g的聚异丁烯和22.5g的石墨粉。
可以监测通过上述概括的接地程序而去除的电荷,以提供侧量通过粉末充电输送管416的粉末流动的测量。这一数据有利地发送到处理器P进行分析。作为分析的结果,可以适当地调整沉积操作参数,以保持符合规格的操作。
另一种将电荷传递到粉末上的方法是通过“感应”充电。实现感应充电的一种方式是在粉末充电输送管416内有感应充电区域。尤其是,粉末充电输送管416的至少一部分包含材料比如不锈钢,该材料通过来自电源的一极施加偏压,而相反的一极连接于粉末所接触的附近的金属结构上。因此,在接触点处产生高电场区域。根据需要,接触点可以变化而将所需量的电荷传递到粉末上。在一个实施例中,感应充电与上述的摩擦充电特征结合使用。
在另一实施例中,粉末通过“电晕充电”进行充电,这对本领域技术人员而言是熟悉的。例如参见J.A.Cross,“Electrostatics:Principles,Problem and Applications”,IOP出版有限公司(1987),第46-49页。
如前所述,粉末充电输送管416经粉末分配器418将充电的粉末输送到由罩壳252封闭的沉积工位250。在所示实施例中,粉末分配器418包含转动的挡板424,该挡板从喷嘴422悬垂。喷嘴马达420驱动该转动挡板。
朝基片8移动的粉末经过控制栅极254。控制栅极254有利地位于静电卡盘(在图12中未示出)的收集区CZ下方约二分之一到1.0英寸的距离,且在每二分之一英寸的这种距离上在准备用于粉末的极性处施加约500V的偏压。因此控制栅极254调节卡盘附近的电场,避免由于沉积工位250的充电粉末云落下而产生的电场变化。
控制栅极254例如可以是一系列平行的电线,比如可以由一根电线沿“之字形路线”形成,或者是电线格栅。电线的平行部分的间隔最好在约5至约15mm的范围内。粉末云流动的速度可以通过测量光发射器256(例如激光发射器)和光检测器257之间的光衰减而监测。该值可以输送到处理器P。
已经发现在通过上述沉积机的气体/粉末流出现波动。这种波动对沉积性能产生不利的影响。这种波动至少部分是由于如下原因造成的:
(1)转动挡板424和沉积工位250的某些实施例的非轴对称几何形状;
(2)通过粉末输送系统403的某些实施例输送粉末的脉动方式;
(3)由于边界层分离和涡流造成的流动不稳定。
应当认识到的是,希望减小这种气体/粉末流波动,从而改进沉积设备的性能。
发明内容
根据本发明的示例性实施例,现有沉积设备中观测到的流量波动利用流量扩散器来降低。代替现有沉积设备中的粉末分配器的流量扩散器包含一导管,该导管具有沿粉末流动的方向增加的横截面积。横截面的增加可控制地使气流到达一速度,其中使静电作用力支配通过气流输送的粉末的运动。
在某些实施例中,该扩散器包括一或多个流量控制特征。第一流量控制特征包括一或多个适当形状的环形槽,气体通过该环形槽注入扩散器的壁附近的“边界层”。注入的气体具有比边界层的气体更大的动量。注入的气体用于多种目的,逐条列举如下。
1.减小边界层分离的趋势。
2.朝扩散器的中心轴线引导/成形“粉末云”(即粉末输送气)。这种成形抵消了现有的充电粒子互相排斥的趋势,而这种趋势会导致粉末远离扩散器的中心轴线迁移。
3.提供“气幕”效应,该效应降低粉末云中所含粉末在扩散器壁上粘附的趋势。
第二流量控制特征包含一或多个设于扩散器的周边附近的适当位置的环形缝隙,或者多个槽/孔。这种开口与压差产生装置流体连通。该压差产生装置横过扩散器的开口产生压力差,从而使扩散器外部的压力低于扩散器的内部的压力。因此,去除慢速移动的边界层内的一部分粉末输送气。去除这种慢速移动的气体有助于扩散器内的粉末载运气体的速度分布扁平化。而且,通过防止流动分离或至少延迟其开始,使这种速度分布扁平化趋于稳定粉末载运气体的流动。
因此,扩散器、流量控制特征和其他与粉末输送到沉积工位有关的元件有利地降低了粉末载运气体速度中的空间和时间变化。导致流动场的均匀性的增加改进了沉积操作的控制。这种改进的控制导致沉积的均匀性和精度(即,活性成分量与目标量的偏差)的提高。
附图说明
图1示出了含有许多单元形式的带条的轴测图;
图2示出了从基片上部分分离的带条包装件的覆盖层;
图3示出了示例性单元形式的侧视图;
图4示出了图3的示例性单元形式的顶视图;
图5示出了适于生产图1-4的单元形式的设备的高度简化框图;
图6示出了进行处理操作的平台的顶视图;
图7示出了图7所示平台的侧视图;
图8示出了示例性静电卡盘的第一表面的平面图;
图9示出了示例性静电卡盘的第二表面的平面图;
图10a-10c示出了在收集区附近的图8和9的静电卡盘实施例的侧视剖面图;
图11示出了附着其上的静电卡盘的示例性接收器的下侧;
图12示出了用于使基片和覆盖层层压在一起的层压支撑块;
图13示出了用于在基片上静电沉积粉末的沉积机;
图14示出了根据本发明的启示而改进的沉积设备的一部分,所示部分包含有一扩散器;
图15示出了示例性边界层气体注入器;
图16示出了边界层气体注入器的环形通道和四个注入喷嘴的第一示例性实施例的顶视剖面图;
图17示出了边界层气体注入器的环形通道和四个注入喷嘴的第二示例性实施例的顶视剖面图;
图18示出了用于响应粉末沉积数据调节边界层气体注入的手动控制系统的示例性实施例;
图19示出了用于响应粉末沉积数据调节边界层气体注入的自动控制系统的示例性实施例;
图20示出了用于描述扩散器结构的特征角;
图21示出了根据本发明启示的扩散器的另一实施例;
图22示出了与本发明的扩散器一起使用的示例性流体整流器;
图23示出了流体整流器的内管的剖面端视图;
图24示出了与静电沉积一起使用的聚焦电极的侧视图;和
图25示出了从静电卡盘的底部观察到的聚焦电极。
具体实施方式
在该详细描述部分内,引用众所周知的流体动力学概念,例如包括“边界层”和“流体分离”理论。因为这些概念对于本领域的技术人员来说是公知的,所以在本文中将不对这些概念进行定义或讨论。
图14示出了根据本发明启示的沉积设备1A的一部分。图14中所示的设备1A的一部分包括粉末充电输送管416、流体整流器517、扩散器518和沉积工位550的区域。图14还示出了基片8、静电卡盘302和接收器272,它们都与沉积工位550接合。
粉末载运气体离开粉末充电输送管416,并进入流体整流器517,其中减小粉末载运气体中的紊流。如在该说明书中稍后详细描述,流体整流器可用于调整扩散器内的流动分布。离开流体整流器517,粉末载运气体进入扩散器518。扩散器518的横截面积沿流动的方向增加。因此,当粉末载运气体540移动通过扩散器518时平均流体速度降低。当粉末载运气体流过扩散器时,它最终遇到这样一区域,在该区域内气体流速减缓到这样的程度,即由粉末的空间电荷、静电卡盘302和可选聚焦电极(见图16和17)产生的静电力支配粉末的运动。在本文中该区域称作“粒子漂移区534”。粒子漂移区534的特定位置由流动参数和静电场强度决定。通过示例,在某些实施例中,该粒子漂移区可以占据多达或高于扩散器后部的二分之一。
扩散器518由与所用沉积过程兼容的材料制成。例如,在所示实施例中,扩散器与静电沉积过程一起使用。因此,扩散器518的壁521的内表面必须能接收静电荷并保持静电荷。而且,该材料必须与粉末和充电方法的充电特性兼容(例如,如果粉末充正电荷,那么包含壁521的材料必须不将所述正电荷改变为负电荷)。此外,就扩散器与生产药品的过程一起使用来说,所述材料必须满足有关的FDA规定。
对于本领域的技术人员来说,显然当本发明的扩散器与静电沉积工艺一起使用时,扩散器应当由绝缘材料制成,比如含有丙烯酸和聚碳酸酯塑料的各种塑料中的任一种,但不限于此。就本发明的扩散器与其他类型的粉末沉积过程一起使用来说,或者一般地说,在其他类型的粉末输送系统中,可能要控制其他材料需求。
带电粉末544在流动流体的气动作用力的控制下移动穿过扩散器,直到它进入粒子漂移区534。在粒子漂移区,静电作用力控制粉末运动,因为在扩散器的该区域,这种作用力支配气动作用力。换言之,在粒子漂移区534内,粉末不跟随气体的流线。
基本上没有粉末的气体542,被从扩散器518在环形缝隙530处抽出。该气体最终经数个位于周边的出口526抽出。环形缝隙530最好是倒圆的,如区域532所示,以避免导致紊流进入由扩散器518建立的均匀的流动分布中。在覆盖静电卡盘302的收集区(未示出)的区域,粉末544沉积在基片8上。
在某些实施例中,一或多个流量控制特征与扩散器518一起使用。第一流量控制特征是将气体548注入扩散器内流动的“边界层”。注入的气体,例如可以是氮气,应具有比在边界层流动的粉末载运气体更大的动量(这种动量计算可以由本领域的技术人员容易进行)。注入的气体穿过一边界层气体注入器,该注入器包含在扩散器上的一或多个环形缝隙。在图14的实施例中,气体在两个位置注入边界层:设于扩散器518的入口附近的第一注入缝隙520和设于扩散器的中点附近的第二注入缝隙522。
边界层注入气体以细流的形式注入扩散器中,并“直接”沿壁521流动。在一个实施例中,通过使注入缝隙(例如520和522)朝壁521注入气体而使气体朝向壁521。在另一实施例内,注入缝隙沿壁521注入气体。在另一实施例中,注入缝隙基本上垂直于扩散器的壁521(即,通常使注入的气体远离附近的壁521而朝向中心流动区域)。在后一实施例中,缝隙的“上游”壁(即,最接近扩散器入口的缝隙壁)具有尖锐的边缘,而缝隙的“下游”壁设有倒圆的边缘。这种布置的结果是,注入的气体在倒圆的边缘转向,以保持在壁521附近。这种效应称为柯恩达(Coanda)效应,为本领域的技术人员所公知。
边界层气体的注入改善了流体均匀性。尤其是,这种注入降低或防止了扩散器518的壁521的内表面的流动分离。而且,气体注入导致粉末载运气体540朝扩散器518的中心轴线519(见图15)“整形”或“转向”。这种转向抵消了由于这些类似带电的粒子的互相排斥而造成的带电粒子远离中心轴线移动的趋势。此外,这种气体注入产生“气幕”效应,其中气体540内所含的粉末远离扩散器壁521的内表面,从而降低粉末积聚到其上面的趋势。
示例性边界层气体注入器的其他实施例结合图15-19一起描述。图15示出了图14中所示的扩散器518的注入缝隙520附近区域的“放大”图。在图15所示的实施例中,边界层气体注入器还包括两个喷嘴660A和660B、环形通道662和紧固件(由孔664A和664B容纳)。被注入边界层的气体从喷嘴660A和664B被输送到环形通道662。紧固件比如螺钉等(未示出)由孔664A和664B容纳,该紧固件控制缝隙512的尺寸。尤其是,紧固件之一(例如孔664A内的紧固件)比另一紧固件(例如,孔664B内的紧固件)更加张紧导致所述缝隙在一个区域(例如在孔664B附近)大于在另一区域的(例如在孔664A附近)。
当注入气体进入喷嘴660A和660B的流速相等时,通过注入缝隙520的注入气体的流动将在注入缝隙较大的区域加大。已经发现,边界层气体注入中的这种偏差将影响扩散器518的出口附近的流动分布,且最终可能影响基片8上的粉末分布。
在根据本发明启示的扩散器的另一实施例中,边界层气体注入通过增加附加喷嘴而局部地变化,如图16所示。图16示出了环形通道662的顶部剖视图。如图16所示,四个喷嘴660A-660D将注入气体输送到环形通道662。通过单独改变通过喷嘴660A-660D的注入气体流量,可以影响在扩散器518的出口附近的流动分布(例如,可能将更大量的粉末引向基片的特定区域)。虽然在图16中示出了四个喷嘴,但可以使用更多数目的喷嘴,从而在下游的粉末分布上提供更多的控制措施。
图17示出了另一实施例,其中环形通道762经分隔件766分成多个区域。在通道的特定区域内的注入气体的流动通过供应该区域的喷嘴来支配。希望这种布置比图16中所示的连续环形通道662在下游粉末分布上提供更多的控制措施。
如前面在本说明书中所述,设于静电卡盘302上或附近的“电荷”传感器(实际上测量电流)可用来确定沉积在基片上的局部基础上的粉末量。在某些实施例中,在每一收集区CZ处设置传感器,以便知道横过基片8的每一点的粉末分布。这种信息可以用作闭环控制系统的基础(反馈或前馈),从而调节边界层的气体注入流,以校正粉末分布中的任何偏差。
图18示出了一种手动控制方案,其中来自电荷传感器CS的输出数据被输送到处理电子设备PE,并将粉末分布的示值提供给操作者(例如,显示在显示装置DD上)。这样操作者可以通过流量控制装置,比如质量-流量控制器MFC,单独控制通过每一喷嘴660注入气体的流量,来手动调节边界层的气体注入。
图19示出了一种自动控制循环,其中电荷传感器CS的输出数据被输送到适合的处理电子设备PE,该处理设备包含有适于编程的处理器PP,它决定边界层的流量如何调节,从而校正粉末分布上的不足。产生一或多个重新设定控制器FC的设定点的信号RS,其中该控制器控制供应每一喷嘴660的流量控制阀CV的运行。控制器FC产生控制信号CS,该信号导致受控阀间歇地打开或关闭,从而增加或减小从中经过的流量。
与本发明的扩散器的某些实施例一起应用的第二流量控制特征包含“边界层”抽气,其中气体从邻近壁521的内表面的慢速移动的边界层(未示出)通过边界层抽气器抽出。边界层抽气器包含一或多个在壁521上的用于抽出气体546的开口,和压差产生装置,该压差产生装置横过开口产生压差,从而抽出从中经过的气体546。在图14中所示的实施例中,边界层抽气器包括多排位于壁521上的槽524。如图14所示,槽524在排与排的基础上与相邻排的槽524偏置。在其他实施例中,以注入缝隙520和522形式构成的环形狭缝可用于边界层抽气。
在所示实施例中,压差产生装置包括压力密闭的外壳/罩壳528和与外壳528流体连通的抽吸流动产生装置(未示出)。抽吸流动产生装置产生流出所述罩壳528的流体550。流体550横过从边界层抽出气体546的孔524形成压力差。流体550可以以各种公知的方式产生,比如利用活塞或隔膜型真空泵或喷射器。
在本发明的某些实施例中,“叶片”(未示出)设于扩散器内。在这些实施例之一中,叶片绕中间纵向轴线519径向布置。在另一实施例中,叶片构形为多个以纵向轴线519为中心的同心环。叶片使粉末载运气体540的速度分布扁平化,而防止流体分离。然而这些叶片可能具有从粉末载运气体540收集粉末的趋势。
应当理解的是上述流量控制特征(即,边界层气体注入、边界层气体抽出和叶片)在某些实施例中单独使用,而在其他实施例中组合使用。
表示为2θ(见图20)的扩散器的“锥角”影响扩散器的性能。虽然公知的公式表示了锥角和性能参数之间的关系,但扩散器的合适锥角最好通过制造样品扩散器然后评定其性能来确定。
本文中所述的流量控制特征有利于使用更大的锥角,从而形成较“短”的扩散器。已经发现约15°的锥角适于不依赖上述附加流量控制特征的扩散器。通常,希望在约10℃至约17℃的范围内的锥角适于这种应用。采用这种流量控制特征,并确保过渡区平滑、倒圆的表面(例如,轴向缝隙、流体整流器和扩散器之间的边界等)允许使用更大的锥角。特别是,在这种情况下,希望利用约25℃至约30℃的扩散器锥角获得满意的性能。
示例性扩散器518具有恒定的锥角(例如15度)。在图21所示的另一实施例中,扩散器818的第一部分870具有恒定的锥角,而扩散器818的第二部分876具有渐增的锥角。比较在接近第二部分876的开始端878的扩散器的表面上的位置882处的半锥角θ1与接近第二部分876的出口880的表面上的位置884处的半锥角θ2。
在第一部分870中,相对中间的锥角(例如10°-17°)有助于在扩散器818内建立所需的流动分布。一旦建立,锥角可以逐渐增加,同时保持所需的流动分布。增加锥角减小了扩散器的长度(给定扩散器的出口附近的目标直径)。因为扩散器的壁上的突变过渡部分将干扰流动分布,所以在第二部分876的开始端878的锥角有利地等于第一部分870的端部874的锥角。
选择用于扩散器的第一和第二部分的锥角是应用的具体任务。尤其是,锥角依赖于气体送进速度、粉末送进速度和电荷。作为示例但不限于此,第一部分870的锥角通常在约10℃-约17℃的范围内。第二部分876的开始端878的锥角通常在约10℃-约17℃的范围内,而第二部分876的端部880附近的锥角通常在约25℃-约35℃的范围内。
前面已经声明,在本发明的某些实施例中,流体整流器与扩散器一起使用,以“调整”或调节扩散器内的流动分布。图22和23示出了适于调整扩散器内的粉末载运气体540的流动分布的流体整流器。
图22示出了与扩散器518接合的流体整流器917。流体整流器和扩散器之间的过渡区域920减小了流动不稳定的可能性(例如粉末从粉末载运气体540中沉淀出等)。流体整流器917包含多个管922。管922具有在约10/1至约60/1的范围内的长径比(L/D)。在粉末载运气体540进入扩散器518时,经过这些管的粉末载运气体540产生较扁平的流动分布。
已经发现,在扩散器的出口附近的粉末载运气体的流动分布在某种程度上依赖于该气体进入扩散器之前的粉末载运气体的流动分布。因此,在某些实施例中,流体整流器917有利地根据需要用于调整粉末载运气体540的流动分布。
在一个实施例中,粉末载运气体540的流动分布通过使流体整流器917内的管922的直径变化而调整。图23示出了流体整流器1017的剖面端视图,示出了管922的直径随着由流体整流器中心轴线的径向距离增加而增加的实施例。因此,与中心轴线对齐的管922D具有最小的直径,六个管922C具有稍大于管922D的直径,六个管922B具有稍大于管922C的直径,且流体整流器的壁924附近的六个管922A具有最大的直径。
与具有相等直径的管的流体整流器相比,图23所示的布置通常增加壁521附近的气体速度。因此如果特定的扩散器设计方案显示出不可接受的径向速度梯度,那么这种方案可用来使经过扩散器的流动分布扁平化。在其他实施例中,不等直径的管的其他布置用于使扩散器内的流动分布根据需要变化。
前面描述了“聚焦电极”与静电卡盘有利地一起使用而在基片8上沉积粉末。这种聚焦电极1152的一个实施例在图24(侧视图)和图25(静电卡盘的底视图)中示出。
在图24所示的实施例中,聚焦电极1152位于基片8附近。聚焦电极构形成便于拆除,比如为了清洗等。
在图25所示的实施例中,聚焦电极1152包含包覆有导体比如铜的绝缘材料。电极1152包括多个与静电卡盘302的收集区(未示出)对齐的开口1154。电极1152与受控的电压源(未示出)接触,该电压源可操作的将与粉末上的电荷的极性相同的电荷放在导体上。因此,粉末“转向”离开导体,穿过孔1154到达基片8。
应当理解的是,上述实施例仅是本发明的示例说明,且对于本领域的技术人员来说可以作出许多变化,而并不脱离本发明的范围。因此,这些变化也包括在下述权利要求及其对等形式的范围内。

Claims (38)

1.一种用于在基片上静电沉积粉末的设备,其包括:
送粉设备,用于将粉末引导到所述基片上,所述送粉设备包括:
扩散器;和
粉末输送系统,该系统将第一气体中携带的所述粉末输送到所述扩散器,该粉末输送系统包括粉末充电系统,该充电系统将电荷传递到所述粉末上,其中:
所述扩散器可操作的:
从所述粉末输送系统接收带电粉末;以及
降低所述第一气体和所述带电粉末的速度到这样一个范围,使静电作用力控制所述带电粉末的运动,将所述带电粉末吸引到所述基片上。
2.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述扩散器的锥角约10至17度。
3.如权利要求1所述的设备,其特征在于,其还包括至少一个流量控制特征,该特征改善经过所述扩散器的所述第一气体和所述带电粉末的流动均匀性。
4.如权利要求3所述的设备,其特征在于,所述一个流量控制特征包括边界层气体注入器。
5.如权利要求4所述的设备,其特征在于,所述边界层气体注入器包含至少在所述扩散器的壁上的第一环形缝隙,第二气体通过该缝隙注入所述边界层。
6.如权利要求5所述的设备,其特征在于,所述第二气体具有第二动量,该动量大于在所述边界层流动的所述第一气体的一部分的第一动量。
7.如权利要求5所述的设备,其特征在于,所述边界层气体注入器还包括环形通道,该通道与所述环形缝隙流体连通,其中所述第二气体注入所述环形通道内。
8.如权利要求7所述的设备,其特征在于,所述边界层气体注入器还包括至少两个将所述第二气体注入所述环形通道内的喷嘴。
9.如权利要求8所述的设备,其特征在于,所述边界层气体注入器还包括用于独立控制穿过所述两喷嘴的所述第二气体流的流量控制装置。
10.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述一个流量控制特征包括边界层抽气器。
11.如权利要求10所述的设备,其特征在于,所述边界层抽气器包括:
至少在所述扩散器的壁上的第一环形缝隙;
压差产生装置,该装置横过所述第一环形缝隙产生压力差,从而经所述第一环形缝隙除去至少在所述边界层的某些所述第一气体。
12.如权利要求11所述的设备,其特征在于,所述压差产生装置包括:
将所述第一环形缝隙与外界环境隔开的压力密闭的罩壳;
与所述压力封闭罩壳流体连通的抽吸流产生装置。
13.如权利要求3所述的设备,其特征在于,所述扩散器的锥角在约15至30度的范围内。
14.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述扩散器包括:
具有入口和出口的第一部分,该部分的特征是有恒定的锥角;以及
具有邻近所述第一部分的所述出口的入口的第二部分,所述第二部分延伸到所述扩散器的出口,所述第二部分的特征在于可变锥角,该锥角从所述第二部分的所述入口处的最小值增加到所述扩散器的所述出口处的最大值。
15.如权利要求14所述的设备,其特征在于,
所述恒定的锥角在约10至17度的范围内;
所述可变锥角在所述第二部分的所述入口处在约10至17度的范围内;
所述可变锥角在所述扩散器的所述出口处在约25至30度的范围内;
16.如权利要求1所述的设备,其特征在于,其还包括流体整流器,该整流器接收所述第一气体中携带的带电粉末,并将其输送到所述扩散器中,其中所述流体整流器可操作的使所述第一气体的速度分布扁平。
17.如权利要求16所述的设备,其特征在于,所述流体整流器包括多个管,所述第一气体和所述带电粉末通过这些管流动。
18.如权利要求17所述的设备,其特征在于,所述管具有在约10∶1至约60∶1的范围内的长径比。
19.如权利要求17所述的设备,其特征在于,至少某些所述管具有与其他所述管不同的直径。
20.如权利要求19所述的设备,其特征在于,与所述整流器的中心纵轴线对齐的管比位置偏离所述中心纵向轴线的管具有更小的直径。
21.如权利要求1所述的设备,其特征在于,其还包括具有一或多个收集区的静电卡盘,每一收集区与偏压源一起可操作的产生所述静电力,且其中所述基片可拆卸地与所述静电卡盘接合,并覆盖所述收集区。
22.如权利要求21所述的设备,其特征在于,其还包括:
传感器,其可操作的获得表示沉积在每一收集区的粉末数量的数据;
边界层气体注入器,其包括至少一个在所述扩散器的壁上的环形缝隙,第二气体通过该缝隙注入所述边界层;
至少两个喷嘴,将所述第二气体通过所述环形通道注入;以及
根据所述传感器获得的所述数据,用于调节所述第二气体的注入的装置。
23.如权利要求21所述的设备,其特征在于,其还包括:
光学检测装置,用于获得表示在覆盖每一收集区的区域沉积在所述基片上的所述粉末数量的数据的。
24.如权利要求23所述的设备,其特征在于,其还包括可以移动所述静电卡盘的输送元件,将所述静电卡盘:
移动到第一位置以接合所述基片;
移动到第二位置,在此所述粉末沉积在所述基片上;以及
移动到第三位置,用以通过所述光学检测装置采集测量数据。
25.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述粉末输送系统包括:
用于临时存储所述粉末的鼓;
从所述鼓接收所述粉末的可移动带;
用于从所述可移动带上去除所述粉末的装置;
用于接收所述被去除的粉末并将其导向所述粉末充电输送管的装置。
26.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述粉末充电系统包括粉末充电输送管。
27.一种包含扩散器的物品,所述扩散器包括:
具有沿第一流体的流动方向增加横截面积的导管;
在所述导管的壁上的第一环形缝隙,具有第二动量的第二流体通过该缝隙注入,其中所述第二动量大于所述第一流体的次要部分的动量,该次要部分在边界层流动。
28.如权利要求27所述的物品,其特征在于,所述扩散器还包括在所述壁上的第二环形缝隙,通过该缝隙去除所述第一气体的所述次要部分的一部分。
29.如权利要求28所述的物品,其特征在于,其还包括压差产生装置,该装置横过所述第二环形缝隙产生压力差,从而通过所述第二环形缝隙去除所述第一气体的所述次要部分的所述部分。
30.如权利要求29所述的物品,其特征在于,其还包括在所述壁上的第三环形缝隙,通过该缝隙去除所述第一气体的主要部分。
31.如权利要求27所述的物品,其特征在于:
所述物品生产药品或医学诊断制品;以及
所述第一流体包括含有活性成分的粉末。
32.一种送粉设备,其包括:
导管,含有在气体中夹带的粉末的第一流体在该导管中从第一端流到第二端,其中所述导管的横截面积从所述第一端到所述第二端增力;以及
第一流量控制特征,用于当第一流体流经所述导管时用于使所述第一流体的速度分布扁平。
33.如权利要求32所述的设备,其特征在于,所述第一流量控制特征包括:
用于将第二流体注入所述第一流体的边界层流体中的布置。
34.如权利要求33所述的设备,其特征在于,所述布置包括至少两个喷嘴,其将所述第二气体注入所述边界层流体中。
35.如权利要求34所述的设备,其特征在于,所述布置还包括用于独立控制通过所述两个喷嘴的所述第二气体的流动的流量控制装置。
36.如权利要求32所述的设备,其特征在于,所述第一流量控制特征包括用于将所述边界层流的一部分从所述导管去除的布置。
37.一种用于改进通过扩散器的第一流体的流动均匀性的方法,其包括将第二流体注入所述第一流体的边界层流动内。
38.如权利要求37所述的方法,其特征在于,其还包括抽出所述第一流体的边界层流动的一部分。
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