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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen,
die eine zum Mitreißen
in Aerosolen geeignete Größe aufweisen.
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Hintergrund
und Zusammenfassung der Erfindung
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Die
fortlaufenden Fortschritte in der Medizin und Biotechnologie liefern
viel effektive und viel versprechende systemische Therapien, die
die Verabreichung bzw. Abgabe von biologischen und chemischen Substanzen
(z. B. Peptiden, Proteinen und kleinen Molekülen) in den Blutstrom des Patienten
erfordern. Ein Befördern
bestimmter Substanzen in den Blutstrom anhand von herkömmlichen
Verabreichungseinrichtungen, z. B. transdermal oder oral, ist mit
verschiedenen Problemen verbunden. Beispielsweise funktioniert eine
orale Verabreichung von therapeutischen Proteinen nicht, da die
Proteine verdaut werden, bevor sie eine Gelegenheit haben, den Blutstrom
zu erreichen. Aus diesem und anderen Gründen ist es somit am besten,
derartige Substanzen auf so direktem Wege wie möglich dem Blutstrom zuzuführen.
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Ein
Aerosol ist eine gasförmige
Suspension sehr feiner Feststoff- oder Flüssigkeitspartikel. Aerosole
werden derzeit zum Verabreichen bestimmter Medikamente in die Lungen
eines Patienten verwendet. Die Verabreichung von Medikamenten und
anderen therapeutischen Substanzen in die Lungen eines Patienten
wird manchmal als Pulmonarverabreichung bezeichnet.
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Das
innerste Gewebe der Lunge ist als Alveolarepithel bekannt, das Hunderte
von Millionen winziger Luftsäcke,
Alveolen genannt, umfasst, die von einem großen Netz von Blutgefäßen umgeben
sind. Die Alveolenwände
sind eine dünne,
einzellige Schicht, die eine rasche Absorption von Fluiden aus den
Alveolen in den Blutstrom ermöglicht.
Die effektivste Pulmonarverabreichung wird bewerkstelligt, wenn
die Substanz an die Alveolen abgegeben wird. Der Verabreichungsvorgang
erfordert die Erzeugung sehr kleiner Partikel oder Tröpfchen,
die in einem Gas wie z. B. einem Aerosol mitgerissen und zum Zweck
eines Transfers an den Blutstrom seitens des Patienten in die Alveolen
eingeatmet werden können.
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Die
Alveolen der Lunge können
ohne weiteres Flüssigkeitströpfchen mit
einem Durchmesser von etwa 4 μm
absorbieren, was ein Volumen von 33,5 Femtolitern darstellt. Ein
Femtoliter ist ein Billiardstel (10–15)
eines Liters. Größere Tropfen
tendieren dazu, die Lungenwände
zu berühren,
bevor sie die Alveolen erreichen, und da die Luftwege zu den Alveolen
mit einer dicken, mit Härchen
versehenen und mit Schleim bedeckten Zellschicht ausgekleidet sind,
ist es weniger wahrscheinlich, dass sie die Wand zu dem Blutstrom
durchdringen.
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Ein
beliebter Pulmonarverabreichungsmechanismus ist als Messdosisinhalator
(MDI – metered dose
inhaler) bekannt. Seine Verwendung zur Verabreichung von Asthmamedikamenten
ist weit verbreitet. Obwohl ein MDI-Verabreichungssystem bei Medikamenten
effektiv sein kann, die dahin gehend ausgelegt sind, das Lungengewebe
medizinisch zu behandeln, sind sie für eine Abgabe von Substanzen
an die Alveolen (somit an den Blutstrom) nicht optimal. Diesbezüglich kombiniert
ein MDI üblicherweise
das Medikament mit einem Treibmittel in einem mit Druck beaufschlagten
Behältnis.
Eine Betätigung
der Vorrichtung gibt abgemessene Dosen des Aerosols ab, jedoch ist
die Tröpfchengrößenverteilung
groß,
und der Dampfdruck des Treibmittels variiert mit der Temperatur
und der Anzahl der Anwendungen. Somit werden das Verhalten des Materials
in dem Luftstrom und das Ausmaß,
in dem die Tröpfchen
die Alveolen erreichen, etwas unvorhersehbar.
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Angesichts
des Vorstehenden kann man erkennen, dass ein Bedarf an einer Tröpfchenerzeugungsvorrichtung
besteht, die Tröpfchen
eines sehr geringen Volumens mit einer allgemein einheitlichen Größenverteilung
zum Mitreißen
in Aerosolen auf zuverlässige
Weise erzeugen kann.
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Ein
Referenzdokument, die U.S.-Patentschrift Nr. 5,894,841, hat das
Potential des Erzeugens sehr kleiner Tröpfchen unter Verwendung einer Tropfenerzeugungsvorrichtung
erkannt, die ausgehend von der beim Tintenstrahldrucken verwendeten Art
angepasst ist. Die hier interessierende Art des Tintenstrahldruckens
(oft als Thermotintenstrahldrucken bezeichnet) leitet Tinte in winzige
Kammern. Jede Kammer umfasst einen Wärmewandler wie z. B. einen
Dünnfilmwiderstand,
um eine Gasblase zu erzeugen, die ein Tintentröpfchen durch eine Öffnung,
die über
der Kammer liegt, ausstößt. Die
Kammern und Öffnungen
sind in eine Druckkopfvorrichtung integriert, die mit einem Tintenvorrat
und mit einer Steuerung zum zeitlichen Steuern des Tröpfchenausstoßes zum
Reproduzieren von Bildern auf Medien verbunden ist. Das soeben erwähnte Referenzdokument
liefert keine Einzelheiten einer thermisch effizienten Tropfenerzeugungsvorrichtung
zum Erzeugen der femtolitergroßen
Tropfen, die für
eine effektive Pulmonarverabreichung wünschenswert sind.
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In
Bezug auf Tropfenerzeugungsvorrichtungen wie z. B. diejenigen, die
beim Thermotintenstrahldrucken verwendet werden, ist die Öffnungsgröße lediglich
einer von mehreren Faktoren beim Steuern der Größe des Tröpfchenvolumens, das mit jeder
Aktivierung des Widerstandes (oder eines anderen geeigneten Wärmewandlers)
ausgeworfen wird. Eine viel größere Rolle
spielen die Konfiguration der Tintenkammer, die der Öffnung zugeordnet
ist, sowie die Größe und die
Energieerzeugungsfähigkeiten
des Wärmewandlers
in der Kammer.
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Derzeitige
Tintenstrahlentwürfe
liefern Tropfenerzeugungsvorrichtungen, die Tröpfchenvolumina von nur 4 Pikolitern,
was 4.000 Femtolitern entspricht, erzeugen. Um Tröpfchen in
der Größenordnung
von einigen zehn Femtolitern zu erzeugen, die beispielsweise in
einem Aerosol zum Zweck einer Verabreichung der Tröpfchen an
die Alveolen mitgerissen werden können, sieht man sich mit mehreren Problemen
konfrontiert, die ein einfaches Herunterskalieren derzeitiger Entwürfe, um
zu derartigen geringen Tröpfchenvolumina
zu gelangen, verhindern.
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Beispielsweise
würde ein
Ausstoß einzelner Tröpfchen im
Größenbereich
einiger zehn Femtoliter extrem kleine Tintenkammern und Widerstände erfordern,
die kritische Abmessungen aufweisen, die mit herkömmlichen
Tintenstrahldruckkopf-Herstellungsprozessen
schwierig herzustellen und zu steuern wären. Selbst wenn eine derartige
Herstellung unternommen würde,
wären derartige
kleine Widerstände
wahrscheinlich thermisch ineffizient. Der Wärmeverlust (d. h. Energie,
die im Verlauf einer Dampfblasenbildung nicht auf die Tinte übertragen
wird) bei derartigen kleinen Widerständen müsste mit einer relativ höheren Energiemenge
(als Einschaltenergie bzw. TOE (turn-on-energy) bezeichnet) zum
Bilden der Dampfblase überwunden
werden. Ein Erhöhen der
TOE erzeugt mehr Spannung in dem Wärmewandler, was die Zuverlässigkeit
des Wandlers über die
Zeit tendenziell verringert.
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Die
EP-A-0953445 beschreibt eine Flüssigtropfenerzeugungsvorrichtung,
die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat, das eine obere Oberfläche aufweist,
auf der ein planares Wärmeerzeugungsbauglied
vorgesehen ist, ein Öffnungsbauglied,
das an dem Substrat befestigt ist und eine Kammer definiert, die
sich zwischen dem Wärmeerzeugungsbauglied
und der Öffnung
erstreckt und die in Fluidkommunikation mit der Öffnung und mit einem Flüssigkeitseinlass
in dem Substrat steht, der ermöglicht,
dass Flüssigkeit
von dem Einlass in die Kammer geleitet wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Tropfenerzeugungsvorrichtung gemäß der Definition
durch Anspruch 1 vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Erzeugen von Tröpfchen
gemäß der Definition
durch Anspruch 5 vorgesehen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Tropfenerzeugungsvorrichtung
vom Thermotyp gerichtet, die eine Geometrie aufweist, die so konfiguriert
ist, dass der Ausstoß der
Flüssigkeit
aus der Kammer den Effekt des Unterteilens des ausgestoßenen Volumens
in eine Anzahl kleiner Tröpfchen
aufweist. Dies liefert eine thermisch effiziente Tropfenerzeugungsvorrichtung
(im Vergleich zu einer, die skaliert wird, um ein einziges kleines
Tröpfchen
zu erzeugen, für jede
Aktivierung des Wärmewandlers)
und vermeidet allgemein das Erfordernis, schwierige Herstellungstoleranzen
zu erfüllen,
wie oben erörtert
wurde.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Beziehung zwischen der Dicke der Flüssigkeitskammer
und der Fläche
des Wärmewandlers
dahin gehend gesteuert, den oben erwähnten Unterteilungsaspekt zu
liefern.
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Der
Ausstoß der
Flüssigkeit
wird zum Zweck einer präzisen
Dosierung der Menge ausgestoßener Tröpfchen auf
problemlose Weise gesteuert. Somit wird man erkennen, dass die Wärmeerzeugung
von Tröpfchen,
die durch die vorliegende Erfindung ins Auge gefasst wird, in einem
einzigen Vorgang (d. h. dem gesteuerten „Abfeuern" des Wärmewandlers, um den Inhalt
der Flüssigkeitskammer
auszuwerfen) sowohl das Dosieren der ausgeworfenen Flüssigkeitsmenge
sowie die Erzeugung von Tröpfchen
einer geeigneten geringen Größe liefert.
Das heißt, dass
das Abfeuern einer Flüssigkeit
aus der Kammer nicht von anderen Mechanismen bezüglich eines Verringerns des
Volumens der ausgestoßenen
Flüssigkeit
auf Tröpfchen
einer geeigneten geringen Größe begleitet
sein muss.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung wird das Flüssigkeitsvolumen
in einer Kammer durch eine Anzahl von Öffnungen unter Verwendung des
oben erwähnten
Volumenunterteilungsaspekts ausgeworfen. Dies weist den Effekt auf, die
Anzahl der erzeugten Tröpfchen
jedes Mal dann, wenn der Wärmewandler
aktiviert wird, zu vervielfachen (im Vergleich zu einem Ausführungsbeispiel
mit einer einzigen Öffnung).
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Vorrichtungen
und Verfahren zum Durchführen
der Erfindung werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Andere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nach Betrachtung
der folgenden Teile dieser Spezifikation und der Zeichnungen offensichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Reproduktion einer Graphik aus einer rechentechnischen Fluiddynamiksimulation der
Leistungsfähigkeit
einer Tropfenerzeugungsvorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung
konfiguriert ist.
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2 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
einer gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildeten Einzeltropfenerzeugungsvorrichtung.
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3A bis 3E sind
Querschnittsdiagramme, die Schritte beim Herstellen einer Tropfenerzeugungsvorrichtung
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
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4 ist
ein Querschnittsdiagramm, das eine Tropfenerzeugungsvorrichtung
veranschaulicht, die gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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5 ist
ein Querschnittsdiagramm, das eine Tropfenerzeugungsvorrichtung
veranschaulicht, die gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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6 ist
ein Diagramm, teilweise im Schnitt, das veranschaulicht, wie gemäß der Erfindung
gebildete Tropfenerzeugungsvorrichtungen für die Zwecke des Erzeugens
von Tröpfchen,
die in einem Aerosol mitgerissen werden, verwendet werden können.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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1 ist
eine Reproduktion einer Graphik aus einer rechentechnischen Fluiddynamiksimulation der
Leistungsfähigkeit
einer Tropfenerzeugunsvorrichtung, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
gebildet ist. In dieser Figur ist die Tropfenerzeugungsvorrichtung 20 im
Querschnitt gezeigt. Zu Modellierungszwecken ist eine feste Öffnungsstruktur 22 als
allgemein planares Bauglied konstruiert, in dem eine kreisförmige Öffnung 24 definiert
ist.
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Die Öffnungsstruktur
ist durchgehend mit einem festen Substratbauglied 26, das
unter der Öffnungsstruktur
liegt und dessen gegenüberliegende Seite
in Kommunikation mit einer Flüssigkeit
steht. Zwei Einlässe 28 sind
in dem Substrat definiert, um zu ermöglichen, dass die Flüssigkeit
in eine Kammer 32 strömt
(wie durch Pfeile 30 gezeigt ist). Die Kammer 32 ist
ein kleines Reservoir zum Halten einer Flüssigkeit vor einem Ausstoß der Flüssigkeit
aus der Kammer durch die Öffnung 24.
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Der
Mechanismus zum Ausstoßen
der Flüssigkeit
aus der Kammer ist ein Wärmewandler 34,
der in der mit Flüssigkeit
gefüllten
Kammer eine Dampfblase erzeugt, deren Ausdehnung die Flüssigkeit ausstößt. Für rechnerische
Zwecke wird der Wärmewandler 34 als
planares Bauglied (z. B. als Dünnfilmwiderstand)
betrachtet, das auf eine Betätigung
hin eine Energiedichte von etwa 4 nJ/m2 liefert.
Die in Betracht gezogene Flüssigkeit
weist eine Viskosität
von etwa 3 cp und einen Siedepunkt von 100°C auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Beziehung zwischen der Konfiguration der Kammer 32 und
der durch den Wärmewandler 34 gelieferten Energie
bezüglich
eines Ausstoßens
zweier oder mehrerer femtolitergroßer Tröpfchen 36 bei jeder
Aktivierung des Wärmewandlers 34 gesteuert.
Bei einer Implementierung dieser Beziehung sind die Dicke der Kammer
und die Fläche
des Wärmewandlers
so gewählt,
dass sich die Vorderseite der durch den Wandler erzeugten Dampfblase
(in 1 als gestrichelte Linie 38 gezeigt)
ausdehnt, um in einem Ausmaß,
das ausreichend ist, um die gesamte Flüssigkeit aus der Kammer zu
drücken,
aus der Kammer hervorzuragen und somit an die Umgebung zu entlüften. Da
die Kammer relativ dünn
ist, teilt sich außerdem
die aus der Kammer ausgestoßene
Flüssigkeit, wie
nachstehend ausführlicher
beschrieben wird, in Tröpfchen 36 auf,
wobei jedes Tröpfchen
einen Bruchteil des Volumens der aus der Kammer ausgestoßenen Flüssigkeit
umfasst. Wie in 1 gezeigt ist, laufen die Flugbahnen
der Tröpfchen
allgemein auseinander.
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Eine
Technik zum Erreichen einer Beziehung zwischen der Konfiguration
der Kammer 32 und der durch den Wärmewandler 34 bereitgestellten
Energie zum Ausstoßen
des gesamten Flüssigkeitskammerinhalts
in Form getrennter Tröpfchen 36 besteht darin,
die Kammer bezüglich
der Fläche
des Wandlers relativ dünn
zu machen.
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Beispielsweise
stellt die Abmessung „T" in 1 die
Dicke der Kammer dar, und die Abmessung „R" ist eine Längenabmes sung des Wärmewandlers
(allgemeiner gesagt und unter Annahme eines quadratischen Wandlers
bei dieser Veranschaulichung ist R die Quadratwurzel der Fläche des
Wärmewandlers).
Gemäß der Erfindung
ist der dimensionslose Parameter, der das Verhältnis der Kammerdicke „T" zu der Quadratwurzel
der Wandlerfläche „R" umfasst, so ausgewählt, dass
er weniger als etwa 0,75, vorzugsweise weniger als 0,50 und am stärksten bevorzugt
etwa 0,35 beträgt.
In einem solchen Fall werden Tröpfchen
erzeugt, die ein Volumen von durchschnittlich etwa 33 Femtolitern
(einen Durchmesser von etwa 4 μm)
aufweisen und die, wie oben angemerkt wurde, ohne weiteres in einem
Aerosol mitgerissen werden und ideal für eine Pulmonarverabreichung
sind.
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Es
folgt nun eine Beschreibung eines bevorzugten Lösungsansatzes zum Herstellen
von Tropfenerzeugungsvorrichtungen gemäß der soeben erörterten
Beziehung.
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2 zeigt
einen stark vergrößerten Querschnitt
einer gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildeten Tropfenerzeugungsvorrichtung 20. Zu
Veranschaulichungszwecken ist lediglich eine Tropfenerzeugungsvorrichtung
gezeigt, wie jedoch noch deutlich werden wird, ermöglicht der
Herstellungsprozess die Erzeugung von mehreren Tropfenerzeugungsvorrichtungen.
Die Anzahl erzeugter Tropfenerzeugungsvorrichtungen hängt von
der Menge an Tröpfchen
ab, die für
eine gegebene Anwendung erforderlich sind. Man kann diese Anforderungen
in Bezug auf einen Fluss oder in Bezug auf die Anzahl von Tröpfchen,
die gleichzeitig aus den Tropfenerzeugungsvorrichtungen ausgestoßen werden,
betrachten. Für
höhere
Flussanforderungen werden mehr Tropfenerzeugungsvorrichtungen erzeugt.
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Die
beispielhafte Tropfenerzeugungsvorrichtung 20 umfasst ein
starres Substrat 40, das eine Siliziumbasis 42 sein
kann, die vorzugsweise ein herkömmlicher
Siliziumwafer ist, auf den eine Isolierungsschicht, z. B. Siliziumdioxid,
aufgewachsen wurde. Das Substrat 40 kann so sein, wie es
im Stand der Technik unter Bezugnahme auf das Tintenstrahldrucken,
z. B. U.S.-Patentschrift Nr. 4,719,477, beschrieben wurde. Das Substrat
umfasst eine Schicht eines widerstandsbehafteten Materials, z. B. Tantalaluminium,
Abschnitte 35, die individuell durch leitfähige Schichten
mit Bahnen auf einer flexiblen Schaltung 60 verbunden sind
(siehe 6), die, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird,
mit einer Steuerung 52 zum Betreiben der Tropfenerzeugungsvorrichtungen
verbunden ist.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 2 sind die individuellen Abschnitte 35 der
widerstandsbehafteten Schicht, hiernach als Wärmewandler oder Widerstände bezeichnet,
ein Bestandteil dessen, was kollektiv als Steuerschicht 44 des
Substrats 40 bezeichnet werden kann, die vorzugsweise eine
Widerstandsschutzpassivierung und andere Unterschichten umfasst,
wie sie z. B. in der U.S.-Patentschrift 4,719,477 beschrieben sind.
Das Erfordernis einer Passivierungsschicht kann in Fällen, bei
denen die aus der Kammer auszustoßende Flüssigkeit dem Widerstand keinen
Schaden zufügt,
minimal sein.
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Es
ist erwähnenswert,
dass das Substrat CMOS-Schaltungskomponenten
zum Ermöglichen der
Verwendung multiplexierter Steuersignale zum Abfeuern der Tropfenerzeugungsvorrichtungen
beinhalten kann. Zusätzlich
zu der vereinfachten Verbindung mit den Wärmewandlern 35 (d.
h. der Eliminierung des Erfordernisses zahlreicher Bahnen, die direkt
mit den Wärmewandlern
verbunden sind) ermöglicht
die durch die CMOS-Schaltungsanordnung gebotene komplexe Steuerlogik
beispielsweise, dass in diese Schaltung präzise Dosierungsanforderungen einprogrammiert
und somit in der Vorrichtung, für
die die Tropfenerzeugungsvorrichtungen erzeugt werden, getragen
werden. Wenn beispielsweise für
eine Aerosolbehandlung, die eine allmählich zunehmende Dosis erfordert,
Tröpfchen
eines medizinischen Fluids ausgestoßen werden sollen, kann die
Steuerschaltungsanordnung dahin gehend programmiert werden, bei
jeder nachfol genden Verwendung der Vorrichtung zusätzliche
Tropfenerzeugungsvorrichtungen abzufeuern (den Fluss zu erhöhen).
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Ein
einheitliches Öffnungsbauglied 48 ist
an der Steuerschicht 44 befestigt und dahin gehend geformt,
für jede
Tropfenerzeugungsvorrichtung eine Öffnung 25 und eine
darunter liegende Flüssigkeitskammer 33,
die mit der Öffnung
durchgehend ist, zu definieren. Der Widerstand 35 wird
mit einem Puls eines elektrischen Stroms selektiv angetrieben (erwärmt). Die
Wärme von
dem Widerstand ist ausreichend, um einen Teil der Flüssigkeit
in der Kammer 33 zum Verdampfen zu bringen, wodurch die
Flüssigkeit
durch die Öffnung 25 gedrückt wird,
um sich in Tröpfchen 36 aufzuteilen,
wie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde.
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Jede
Kammer 33 wird nach jedem Ausstoß erneut mit Flüssigkeit
gefüllt,
die durch Einlässe 54, die
durch die Steuerschicht 44 gebildet sind, in die Kammer
fließt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die obere Oberfläche 56 der
Steuerschicht 44 des Substrats dahin gehend strukturiert
und geätzt,
die Einlässe 54 zu
bilden, bevor das Öffnungsbauglied 48 an
dem Substrat befestigt wird und bevor ein Kanal 58 in die
Basis 42 des Substrats 40 geätzt wird, wie nachstehend beschrieben
wird. (Der Zweckmäßigkeit
halber und mit dem Wissen, dass die Oberfläche 56 unter der restlichen
Steuerschicht 44 orientiert sein kann, wenn die Tropfenerzeugungsvorrichtung
bezüglich
der in 2 gezeigten Orientierung umgekehrt wird, wird
die Oberfläche 56 als die „obere" bezeichnet).
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Unter
Bezugnahme auf die Einzelheiten der Herstellungsschritte der Tropfenerzeugungsvorrichtung 20 und
unter Bezugnahme auf 3A ist eine Substratbasis 42 gezeigt,
nachdem sie verarbeitet wurde, um die Steuerschicht 44 zu
tragen, die die zuvor gebildeten Einlässe 54 beinhaltet.
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3B veranschaulicht
das Substrat 40 nach einer Aufbringung einer Schicht aus
einem Photoresistmaterial, die beinhaltet, dass das Öffnungsbauglied 48 auf
die obere Oberfläche 56 des
Substrats aufgebracht wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Öffnungsbauglied
ein langsam vernetzendes Polymer, das unter Verwendung eines herkömmlichen
Schleuderbeschichtungshilfsmittels wie z. B. eines von Karl Suss
KG hergestellten aufgebracht wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Photoresistmaterial ein photopolymerisierbares Epoxidharz,
das im Handel allgemein als SU-8 bekannt ist. Ein Beispiel ist dasjenige,
das von MicroChem Corp., Newton, MA, erhältlich ist und unter dem Namen
SU8-10 vertrieben wird. Jedoch wird man erkennen, dass das Öffnungsbauglied
ein beliebiges einer Anzahl von Photoresistmaterialien umfassen
könnte,
die in Entwicklungslösungen
nach einer Kontaktierung bzw. Exposition mit elektromagnetischer
Strahlung wie z. B. UV-Strahlung
unlöslich
werden.
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Der
Schleuderbeschichtungsprozess, der dem Schleuderbeschichtungshilfsmittel
zugeordnet ist, ermöglicht,
dass eine planare Oberfläche
gebildet wird, während
das langsam vernetzende Polymer die Einlässe 54 füllt. Ein
exemplarischer Vorgang zum Schleuderbeschichten besteht darin, eine
Schicht des Resists auf einem Substratwafer zu verteilen, wobei
das Schleuderbeschichtungshilfsmittel auf 70 UpM mit einer Beschreibung
von 100 UpM/Sek und einer Ausbreitungszeit von 20 Sekunden eingestellt ist.
Das Schleudern wird anschließend
mit einer Verlangsamung von 100 UpM/Sek und einer zehnsekündigen Ruhezeit
beendet. Das beschichtete Substrat wird anschließend bei 1.060 UpM bei einer
Beschleunigungsrate von 300 UpM/Sek 30 Sekunden lang geschleudert,
um das Resist über
den gesamten Wafer zu verteilen.
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Alternative
Polymeraufbringungsprozesse umfassten ein Rollenbeschichten, ein
Streichbeschichten, ein Extrusionsbeschichten, ein Sprühbeschichten
und ein Tauchbeschichten. Fachleute werden erkennen, dass andere
Verfahren zum Aufbringen der Polymerschichten auf das Substrat existieren.
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Das
langsam vernetzende Polymer wird hergestellt, indem ein optischer
Farbstoff (z. B. Orange Nr. 3, ~ 2 Gewichtsprozent) zu einem transparenten Polymermaterial
aus entweder photoabbildbarem Polyimid oder photoabbildbarem Epoxid
hergestellt wird. Durch Hinzufügen
eines Farbstoffs ist die Menge an benötigter elektromagnetischer
Energie größer als
bei einem nicht mit einem Farbstoff gemischten Material, um das
Material zu vernetzen.
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3C veranschaulicht
die Kontaktierung bzw. Exposition der Schicht des vernetzenden Polymermaterials
des Bauglieds 48 mit einer geringen Dosis elektromagnetischer
Energie (mit Pfeilen 62 veranschaulicht). Bei einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
wird dieser Schritt mit einem Micralign-Scanprojektionsausrichter,
wie er von SVG, San Jose, Kalifornien, hergestellt wird, mit einer
Kontaktierungseinstellung von 60,3 mJoule durchgeführt, was
gerade ausreichend ist, um das Polymer zu unter-exponieren und bis
zu einer gewünschten
Tiefe zu vernetzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die unter-exponierte,
gewünschte
Tiefe als Doppelschraffierung gezeigt und kann beispielsweise etwa
2 μm betragen.
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Die
Energie (z. B. UV-Strahlung) wird durch eine Maske (nicht gezeigt)
an das Öffnungsbaugliedmaterial
angelegt. Die Maske ist eine herkömmliche Vorrichtung, die beispielsweise
ein Quarzsubstrat mit einer Schicht aus einem semitransparenten
Dielektrikum, z. B. Eisenmonoxid, umfasst. Die Maske ist mit einem
lichtundurchlässigen
Material wie z. B. Chrom strukturiert, um die Form der Öffnung 25,
die vorzugsweise rund ist, zu definieren (indem sie dieselbe un-exponiert
lässt).
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3D veranschaulicht
eine weitere Exposition des langsam vernetzenden Polymermaterials, das
die Öffnungsbaugliedschicht 48 ausmacht,
mit einer relativ hohen Dosis an Energie, die ausreichend ist, um
die gesamte Dicke der Schicht aus Polymer 48 zu exponieren
und zu vernetzen. Das Anlegen von Energie wird maskiert, so dass
der Abschnitt der Flüssigkeitskammer 33,
der zu der oberen Oberfläche 56 des
Substrats 40 benachbart ist, nicht exponiert wird. Wie
in 3D gezeigt ist, ist dieser Abschnitt der Kammer
zu dem Wärmewandler 35 benachbart
und erstreckt sich über
den Verbindungspunkt der Einlässe 54 und
der oberen Oberfläche 56.
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3E veranschaulicht
den Entwicklungsprozess, bei dem die nicht exponierten oder nicht
vernetzten Abschnitte des Öffnungsbauglieds 48,
einschließlich
des die Einlässe 54 füllenden
Abschnitts, beseitigt sind. Ein beispielhafter Prozess verwendet eine
70sekündige
Entwicklung in N-Methyl-2-pyrrolidinon
(NMP) bei 1 kUpM und eine 8sekündige
Mischung von Isopropylalkohohl (IPA) und NMP bei 1 kUpM, dann eine
10sekündige
Spülung
mit IPA bei 1 kUpM und schließlich
ein 60sekündiges
Schleudern bei 2 kUpM. Ein derartiges Entwicklungshilfsmittel ist von
Solitec Wafer Processing, Inc., San Jose, Kalifornien, erhältlich.
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2 zeigt
die fertig gestellte Tropfenerzeugungsvorrichtung nach Abschluss
des Entwicklungsschrittes und nachdem die Unterseite 66 des
Substrats mit einer Siliziumätzung,
z. B. Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) geätzt wurde, um den Kanal 58 zu
erzeugen. Der Kanal 58 steht in Fluidkommunikation mit
den Flüssigkeitseinlässen 54.
Somit ist Flüssigkeit
in dem Kanal 58 in der Lage, nach jedem Ausstoß der Flüssigkeit
aus der Kammer durch die Einlässe 54 zu
strömen
und die Kammer 33 wieder zu füllen.
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Wie
oben angegeben wurde, sind die Größe des Wärmewandlers 35 und
die Dicke der Kammer 33 dahin gehend entworfen, das gewünschte Verhältnis T/R
herzustellen. Die Abmessung „T" stellt, wie oben
erwähnt
wurde, die Dicke der Kammer 33 dar und wird von der oberen
Oberfläche 56 der
Steuerschicht (wobei die obere Oberfläche 56 die Flüssigkeit/Feststoff-Grenzfläche in der
Kammer 33 darstellt) zu der Außenoberfläche 49 des Öffnungsbauglieds 48 gemessen
(2). Die Abmessung „R" ist ebenfalls in 2 gezeigt
und oben definiert. Gemäß der Erfindung
wird das Verhältnis
T/R so ausgewählt, dass
es weniger als etwa 0,75 und am stärksten bevorzugt etwa 0,35
beträgt.
Somit beträgt
die am stärksten
bevorzugte Kammerhöhe „T" für einen
quadratisch geformten Wärmewandler,
der eine Fläche von
144 μm2 (somit einen „R"-Wert
von 12 μm)
aufweist, etwa 0,35 mal 12 oder etwa 4 μm.
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Flüssigkeit
kann auf eine Anzahl unterschiedlicher Arten und Weisen dem Kanal 58 bereitgestellt
werden. Beispielsweise kann die Substratunteroberfläche 66 an
der Außenoberfläche eines
Körpers 68 einer
Vorrichtung befestigt sein, der ein Flüssigkeitsreservoir trägt (siehe 6).
Die Körperoberfläche ist
mit mehreren Leitungen 70 konfiguriert (von denen eine
in 2 gezeigt ist), wobei jede Leitung 70 mit
einem Kanal 58 ausgerichtet ist, um die Flüssigkeit
von dem Reservoir zu dem Kanal zu lenken. Wie oben erwähnt wurde,
kann ein Substrat viele Tropfenerzeugungsvorrichtungen 20 tragen,
von denen mehrere mit dem linearen Kanal 58 in dem Substrat
fluidisch gekoppelt sein können,
und das Substrat kann mehrere derartiger Kanäle tragen. Die Gesamtvorrichtung
(Substrat mit mehreren Tropfenerzeugungsvorrichtungen) kann als
Tropfenerzeugungsvorrichtungskopf 72 betrachtet werden (6).
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4 ist
ein Querschnittsdiagramm, das der 2 ähnlich ist,
jedoch eine Tropfenerzeugungsvorrichtung veranschaulicht, die gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Diese Tropfenerzeugungsvorrichtung 120 umfasst
ein Substrat 140 und einen Wärmewandler 135, wie
sie oben beschrieben wurden. Bei diesem Ausführungsbeispiel steht die Kammer 133 jedoch
in Fluidkommunikation mit mehr als einer Öffnung 125. Beispielsweise
können
vier Öffnungen 125 verwendet
werden, die um die Mitte der Kammer herum angeordnet sind (in 4 erscheinen
lediglich zwei derartige Öffnungen).
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Wärmewandler 135 ein
einheitliches Bauglied, so dass für jede Kammer ein Wärme wandler
vorliegt, wie es bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Fall war. Der einheitliche Wandler 135 wird aktiviert,
und die sich ergebende Dampfblase presst den Kammerinhalt durch
mehr als eine Öffnung,
wodurch die Flüssigkeit in
mehrere Tröpfchen
aufgeteilt wird. Der Begriff „einheitlich" soll gemäß der Verwendung
in dem vorliegenden Dokument bedeuten, dass der Wärmewandler 135 als
einheitliches Bauglied arbeitet. Beispielsweise wird in Betracht
gezogen, dass die widerstandsbehafteten Komponenten des Wärmewandlers 135 zum
Zweck einer größeren thermischen
Effizienz ausgeworfen oder auf andere Weise segmentiert werden können.
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Sofern
das mehrere Öffnungen
umfassende Ausführungsbeispiel
der 4 mit dem oben beschriebenen niedrigen T/R-Verhältnis konstruiert
ist, erfolgt eine weitere Auftrennung der Tröpfchen, wenn sie aus den einzelnen Öffnungen 125 austreten.
Somit weist dieses mehrere Öffnungen
umfassende Ausführungsbeispiel
den Effekt auf, den Tröpfchenfluss
(relativ zu einem Ausführungsbeispiel
mit einer einzigen Öffnung),
der jedes Mal dann erzeugt wird, wenn der Wärmewandler aktiviert wird,
zu vervielfachen.
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Ein
Querschnittsdiagramm einer weiteren möglichen Konfiguration für Tropfenerzeugungsvorrichtungen,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt sind, ist in 5 gezeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
befindet sich ein Paar von Wärmewandlern 235 in
dem Substrat, so dass sie auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals 258 vorliegen, der
in die Basis 242 des Substrats 240 geätzt ist.
Die Steuerschicht 244 wird anfänglich so aufgebracht, dass
die Schicht aus widerstandsbehaftetem Material, das die Wandler 235 ausmacht,
strukturiert wird, um gegenüberliegende
Paare von Wandlern auf gegenüberliegenden
Rändern
des Kanals 258 zu definieren. Die Leiterbahnen zu und von
den Wandlern 235 sind so angeordnet, dass sie nicht den
Raum zwischen gegenüberliegenden
Wandlern überspannen.
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Die
Steuerschicht 244 ist dahin gehend geätzt, einen Schlitz zwischen
jedem Paar von Wandlern 235 zu definieren, so dass sie,
wenn das photoabbildbare Öffnungsbauglied 248 aufgebracht
wird, die Wandler bedeckt und den Schlitz füllt. Das Öffnungsbauglied 248 wird
anschließend
gemäß der obigen
Beschreibung exponiert und entwickelt, um die Kammern 233 und
die Öffnungen 225 zu
definieren. Wie in 5 gezeigt ist, definieren die
Räume zwischen
dem Öffnungsbauglied 248 und
den Wandlern 235 die Flüssigkeitseinlässe 254.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
eine Schutzschicht, z. B. ein Plasma-aufgebrachtes Tetraethoxysilan-(TEOS)oxid, aufgebracht, um
die obere Oberfläche
der Substratbasis 242 zu bedecken, bevor das Öffnungsbaugliedmaterial
aufgebracht wird. Diese Schutzschicht ist in 5 in gestrichelten
Linien 80 gezeigt und ist dahin gehend geformt, den Schlitz
zwischen den beiden Wandlern 235 mit einer leichten Überlappung
auf die Steuerschicht 244 zu bedecken, wie gezeigt ist.
Das Öffnungsbaugliedmaterial 248 ist
so, wie dies zuvor erwähnt
wurde, auf die Schutzschicht aufgebracht und geformt.
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Die
Schutzschicht 80 befindet sich in ihrer Position, während der
Kanal 258 zum ersten Mal geätzt wird. Diese langfristige „Volumen"-TMAH-Ätzung durch
die Basis 242 kann zu etwas ungleichmäßigen Ergebnisse führen. Diesbezüglich stellen
die veranschaulichten Verlängerungen 82 der
Kanalwände diese
Wände nach
der ersten Ätzung
des Kanals 258 dar. Wenn die erste Ätzung die einzige wäre, kann man
sehen, dass die gegenüberliegenden
Einlässe 254 bezüglich ihrer
Größe ungleich
wären;
im Einzelnen sind die Zwischenräume
zwischen der Basis 242 und dem Öffnungsbauglied 248 ungleich,
was zu unterschiedlichen Flüssigkeitsströmungsraten
von dem Kanal 258 zu den Kammern 233 führen würde.
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Das
vorliegende Ausführungsbeispiel
umfasst jedoch eine zweite TMAH-Ätzung
der Basis 242 (zum Fertigstellen des Kanals 258),
nachdem die Schutzschicht 80 mittels z. B. eines gepufferten
Oxidätzmittels
(BOE – buffered
oxide etchant) entfernt wurde. Dadurch werden die Siliziumoberflächen der Substratbasis 242 in
einem solchen Umfang exponiert, dass die zweite TMAH-Ätzung die
Zwischenräume
zwischen der Basis 242 und dem Öffnungsbauglied 248 so
ausgleicht, dass die Flüssigkeitsströmung durch
die Einlässe 254 zu
den Kammern 233 für
alle Tropfenerzeugungsvorrichtungen im Wesentlichen gleichmäßig ist.
Wie zuvor, ist jede Tropfenerzeugungsvorrichtung 220 dahin
gehend konfiguriert, das wünschenswerte
T/R-Verhältnis
aufzuweisen, wie oben beschrieben wurde.
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Es
wird ins Auge gefasst, dass die Wärmeerzeugung von Tröpfchen für Aerosole
gemäß der vorliegenden
Erfindung anhand anderer Tropfenerzeugungsvorrichtung-Konfigurationen
ausgeführt
werden kann. Beispielsweise wären
Tropfenerzeugungsvorrichtungen, die mit mittels Laser abgetragenen Öffnungsbaugliedern
hergestellt sind, wie sie z. B. in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,305,015
beschrieben sind, geeignet, vorausgesetzt, dass die oben beschriebene
Beziehung zwischen der Kammerdicke und der Wandlergröße (-energie)
aufrechterhalten wird.
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Desgleichen
würden
auch Tropfenerzeugungsvorrichtungen ausreichen, die gemäß denen aufgebaut
sind, die in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,608,436 beschrieben sind.
Diese Tropfenerzeugungsvorrichtungen umfassen eine polymere Barriereschicht,
die einen Teil der Kammern definiert und zwischen der oberen Schicht
des Substrats und einer dünnen
metallenen Öffnungsplatte
liegt. Alternativ dazu kann die Öffnungsplatte
aus einem polymeren Material gebildet sein, das mittels Laser abgetragen wurde,
um die Öffnungen
zu bilden, wie in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,305,015 beschrieben
ist. Bei derartigen Konstruktionen ist die Öffnungsplatte und/oder die
Barriereschicht sehr dünn
ausgelegt (diese beiden Komponenten können als zu dem oben beschriebenen Öffnungsbauglied äquivalent
angesehen werden), so dass die gewünschte T/R-Beziehung vorliegt.
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Bezüglich jeglicher
der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
ist es wichtig, im Auge zu behalten, dass bezüglich einer relativ großen Dickenabmessung „T" das gewünschte Verhältnis T/R
trotzdem noch durch die Verwendung einer entsprechend großen Wandlerfläche erfüllt werden
kann. Mit anderen Worten sind beide Bestandteile des Verhältnisses nach
Bedarf variabel, um das erforderliche T/R-Verhältnis sowie etwaige andere
Entwurfseinschränkungen
zu erfüllen.
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Wie
oben erwähnt
wurde, liefert die vorliegende Erfindung eine thermisch effiziente
Tropfenerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von femtolitergroßen Tröpfchen 36 (1),
die beispielsweise zum Mitreißen
in einem Aerosol zum Zweck einer effektiven Pulmonarverabreichung
geeignet sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies mittels eines
Inhalators 71 wie z. B. des in 6 gezeigten bewerkstelligt.
Ein Ausführungsbeispiel
eines derartigen Inhalators umfasst einen Körper 68, der ein Behältnis aufweist,
in das ein Vorrat 75 einer Arzneimittelflüssigkeit
(oder beliebiger anderer flüssigkeitsbasierter
biologischer und chemischer Substanzen, wie oben erwähnt) passt.
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Der
Vorrat 75 ist z. B. mittels einer Nadel- und Septumsverbindung
mit einer Leitung 73 in dem Körper verbunden, so dass die
Flüssigkeit
in dem Vorrat zu dem Tropfenerzeugungsvorrichtungskopf 72 geleitet
wird, der die mehreren Tropfenerzeugungsvorrichtungen trägt, wie
oben in Verbindung mit 2 beschrieben wurde. Vorzugsweise
werden die Leitung und der Tropfenerzeugungsvorrichtungskopf nach
der Herstellung oder durch den Benutzer befüllt (z. B. durch ein Anlegen
eines Soges an die Öffnungen
in dem Kopf), bevor der Inhalator dahin gehend betrieben wird, Tropfen
auszustoßen,
wie als Nächstes
beschrieben wird.
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Die
oben erwähnte
flexible Schaltung 60 kann beispielsweise an den Inhalator 71 in
einer entsprechend geformten Ausnehmung 61 in dem Körper 68 gebondet
sein. Diese Schaltung verbindet die Wärmewandler der Tropfenerzeugungsvorrichtungen
mit geeigneten konditionierten Steuersignalen von einer Steuerung 52,
die Bestandteil des Inhalatorsteuersystems 81 ist. Das
Steuersystem 81 umfasst die Steuerung 52, die
mit einer Leistungsversorgung 79 und einem Bedienschalter 77 ausgestattet ist.
Die Steuerung ist eine integrierte Schaltung, die auf das Schaltersignal
reagiert, indem sie nach Bedarf gesteuerte Strompulse zu dem Kopf 72 leitet,
um die Tropfenerzeugungsvorrichtungen abzufeuern. Man wird erkennen,
dass das Steuersystem auf eine beliebige einer Anzahl von Arten
und Weisen konfiguriert sein kann und am stärksten bevorzugt mit dem Körper des
Inhalators integriert ist.
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Der
Tropfenerzeugungsvorrichtungskopf 72 befindet sich vorzugsweise
an dem Mundstück 69 des
Inhalators. Die Ausnehmung 61 oder andere Mechanismen können zum
Bereitstellen eines Luftstroms während
einer Einatmung verwendet werden, so dass die Tröpfchen in der Luft mitgerissen
werden.
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Man
wird erkennen, dass das Steuersystem 81 und die Anordnung
des Tropfenerzeugungsvorrichtungskopfes 72 (das heißt, so dass
die durch den Kopf 72 erzeugten Tröpfchen unmittelbar in die Umgebungsluft
getrieben werden) sowohl eine präzise Dosierung
der Menge an ausgestoßenen
Tröpfchen und
der Menge an ausgeworfener Flüssigkeit
sowie die Erzeugung von Tröpfchen
einer geeignet geringen Größe vorsieht.
Das heißt,
dass der Auswurf der Flüssigkeit
aus der Kammer nicht von anderen Mechanismen bezüglich eines Verringerns des
Volumens der ausgestoßenen
Flüssigkeit
auf Tröpfchen einer
geeigneten geringen Größe begleitet
sein muss.
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Obwohl
die vorstehende Beschreibung auf die Herstellung von Tröpfchen gerichtet
war, die für eine
Aerosol-Verabreichung der Tröpfchen
an die Alveolen geeignet sind, wird einleuchten, dass derartige
kleine Tröpfchen
auch für
andere Anwen dungen erzeugt werden können. Die Tropfenerzeugungsvorrichtungen
der vorliegenden Erfindung könnten
mit Flüssigkeitsvorräten integriert
werden, die für
eine Abgabe von Düften
geeignet sind, wobei präzise
gesteuerte Mengen an Pestiziden, Lacken, Brennstoffen usw. abgegeben
werden.
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Nachdem
hier bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, geht man davon aus,
dass Fachleute innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung andere
Modifikationen an denselben vornehmen können. Obwohl also bevorzugte
und alternative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, wird man erkennen,
dass die Wesensart und der Schutzumfang der Erfindung nicht auf
diese Ausführungsbeispiele
beschränkt
sind, sondern sich auf die Ausführungsbeispiele
erstrecken, wie sie in den angehängten
Patentansprüchen
definiert sind.