DE69837451T2

DE69837451T2 - Mikrostrukturierter Filter

Info

Publication number: DE69837451T2
Application number: DE69837451T
Authority: DE
Inventors: Joachim Eicher; Johannes Geser; Klaus Kadel; Stephen Terence Stowmarket Suffolk Dunne; Wulf Bachtler; Bernhard Freund
Original assignee: Boehringer Ingelheim International GmbH
Current assignee: Boehringer Ingelheim International GmbH
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2018-08-29
Also published as: SA98190631B1; ES2280451T3; IL134186A; PE91599A1; EG21958A; JP2001518377A; HK1030182A1; YU16800A; DE69809779D1; PL339492A1; EP1243299A3; AR010946A1; EP1017469B1; CN1142811C; ID24484A; EP1243299B1; PT1243299E; EE04773B1; ATE357956T1; UA54561C2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf mikrostrukturierte Filter für Fluide.
Verschiedene Filter sind bekannt, in denen das Filtermedium bis hinunter zum Submikrometerbereich Mikroporen aufweist, wobei die Porengröße in Abhängigkeit vom Material statistisch verteilt ist. Die äußeren Abmessungen der Filtermedien dieser Art sind um Zehnerpotenzen größer als der mittlere Porendurchmesser und die Erfahrung hat gezeigt, dass diese nicht ohne weiteres so klein hergestellt werden können, wie sie gewünscht werden.
Metallstreifen mit Mikroöffnungen, die für den Siebdruck verwendet werden, sind ebenfalls mit einer Dicke bis zu 100 μm bekannt, umfassend beispielsweise Nickel, bereitgestellt mit Öffnungen, die gleichmäßig über den Streifen verteilt sind, wobei der Durchmesser der Öffnungen einige Mikrometer beträgt. Diese Streifen werden beispielsweise galvanisch erzeugt. Metallstreifen dieser Art können mit mikrostrukturierten Komponenten zusammengebaut werden.
Das europäische Patent Nr. 0 231 432 beschreibt einen Querstrommikrofilter, zu dem ein zu filterndes Fluid zugeführt wird und aus dem ein konzentrierter Fluss und ein Filtratfluss herauskommen. Angeordnet zwischen der Kammer, in die das Fluid fließt, und der Sammelkammer für das Filtrat befindet sich eine Reihe von Bahnen bzw. Geweben oder Bereichen, zwischen denen sich Passagen befinden. Die Reihe von Bahnen bzw. Geweben und Passagen bilden den Mikrofilter. Die Richtung der Passagen ist über einen Winkel von 90 bis 135°, bezogen auf die Richtung des Flusses des Fluids/Konzentrats, geneigt. Das zugeführte Fluid, das in das Konzentrat übergeht, fließt an der Reihe von Bahnen bzw. Geweben vorüber. Das Filtrat wird in einer Vielzahl von Kammern gesammelt und verlässt den Filter entweder senkrecht zur Filteroberfläche oder in der Filteroberfläche in einer Vielzahl von Passagen, die sich zwischen den Passagen für das Konzentrat erstrecken.
Das internationale Patent Nr. WO 93/11862 offenbart einen mikromechanischen Filter, der aus drei Schichten aufgebaut ist. In vorgegebenen Bereichen ist eine Zwischenschicht an der geschlossenen Basisschicht angeordnet und hierauf ist eine Deck schicht mit Öffnungen angeordnet, die in bereichsweiser Art und Weise länglich sind. Die Zwischenschicht fehlt parallel zu einer oder beiden longitudinalen Seiten der Öffnungen. In diesen Bereichen ist die Deckschicht in einer frei tragenden oder Überhangkonfiguration angeordnet. Angeordnet unter dem frei tragenden Teil der Deckschicht, benachbart zur Öffnung, befindet sich ein schmaler Schlitz, der so dick ist wie die Zwischenschicht und so lang wie die längliche Öffnung. Das Filtrat fließt durch diesen Schlitz in die Filtratsammelkammer, die dicker ist als die Zwischenkammer. Die Deckschicht enthält eine große Anzahl von länglichen Öffnungen, die reihenweise in paralleler Art und Weise zueinander angeordnet sind. Die Reihen von Schlitzen können in einer Mäanderkonfiguration in der Deckschicht angeordnet sein. Das Fluid fließt durch eine Vielzahl von Öffnungen senkrecht zur Filteroberfläche in eine Vielzahl von Einlasskammern und wird aus einer Vielzahl von Filtratsammelkammern durch eine Vielzahl von Öffnungen senkrecht zur Filteroberfläche entfernt. Die Schichten des Filters können aus Silicium, Kunststoffmaterial oder Metall aufgebaut sein und werden durch Ätzen, Prägen oder mechanische Verarbeitung oder maschinelle Verarbeitung strukturiert, während Verfahren, die Dünnfilmtechnologie und Metallabscheidung aus der Dampfphase einbeziehen, eingeschlossen sein können.
Die WO-A-9 729 283 offenbart einen mikrostrukturierten Filter, umfassend zwei Platten, die einen Flussweg bilden. Eine kontinuierliche Zick-Zack-Erhebung bzw. ein Zick-Zack-Vorsprung erstreckt sich von der unteren Platte in den Flussweg, der eine kleinere Höhe aufweist als der Abstand der Platten, wobei der verbliebene Schlitz Abtrennungsfunktionalitäten aufweist. Die obere Platte wird durch eine einzelne Reihe kleiner Vertiefungen auf dem Vorsprung getragen, die keine Abtrennungs- sondern nur Trägerfunktionalitäten aufweisen.
Die EP-A-0 231 432 offenbart ein Beispiel eines mikrostrukturierten Querstromfilters, umfassend zwei Platten, die einen Flussweg bilden, sowie Vorsprünge, die sich vollständig zwischen diesen zwei Platten in einer einzelnen linearen Reihe erstrecken.
Diese und andere zuvor vorgeschlagene Vorrichtungen unterliegen einer Anzahl von Problemen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass mindestens ein Teil der zuvor vorgeschlagenen Vorrichtungen einer übermäßigen Blockierung unterliegen, woraufhin die Vorrichtung dann aufhören kann zu funktionieren. In einem Versuch, dieses Problem zu verringern, wurde vorgeschlagen, einen größeren Filter bereitzustellen, aber die se größeren Filter haben unerwünschterweise große Totvolumina. Einige der zuvor vorgeschlagenen Vorrichtungen sind auch übermäßig kompliziert und somit teuer und zeitraubend herzustellen. Zusätzlich sind einige zuvor vorgeschlagene Vorrichtungen derart, dass sie nicht ohne weiteres mit anderen Mikrostrukturkomponenten zusammengebaut werden können.
Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, einen mikrostrukturierten Filter für ein Fluid bereitzustellen, der mindestens einen Teil der mit den zuvor vorgeschlagenen Vorrichtungen in Zusammenhang stehende Probleme verringert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein mikrostrukturierter Filter mit einem Einlass für ungefiltertes Fluid und einem Auslass für gefiltertes Fluid bereitgestellt, wobei der Filter umfasst: eine im Wesentlichen flache Basisplatte und eine Deckplatte, die daran gesichert bzw. befestigt ist; und eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, von denen jeder einen integralen Bestandteil der Basisplatte darstellt und sich von dort erhebt, wobei die Vorsprünge bzw. Erhebungen voneinander durch Passagen beabstandet sind, die einen Fluidweg durch den Filter vom Einlass zum Auslass bilden, wobei die Deckplatte die Vorsprünge bzw. Erhebungen und die Passagen abdeckt; worin die Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen in mindestens zwei Reihen angeordnet sind, und sich in einer Zick-Zack-Anordnung und in gegenseitig aneinander angrenzender Beziehung über den Filter erstrecken.
In einer Ausführungsform des Filters werden eine Vielzahl von Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen in Kaskadenform angeordnet, wobei der Querschnitt der Passagen senkrecht zur Fließrichtung des Fluids – in Fließrichtung gesehen – von Reihe zu Reihe abnimmt, die Vorsprünge bzw. Erhebungen, die näher zur Einlassseite des Filters angeordnet sind, größer sind als die Vorsprünge bzw. Erhebungen, die eher zur Auslassseite des Filters angeordnet sind und der Abstand zwischen der Basisplatte und der Deckplatte im Bereich um jede Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, wobei die Reihe in einer Kaskadenform angeordnet ist, in etwa so groß ist, wie die Breite der Passagen auf der Seite der Vorsprünge bzw. Erhebungen, auf der das Fluid die Reihe der Passagen passiert.
Eine Vielzahl von Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen kann in einer Kaskadenanordnung angeordnet sein. Die Vorsprünge bzw. Erhebungen, die näher zur Ein lassseite des Filters angeordnet sind, sind bevorzugt größer als die Vorsprünge bzw. Erhebungen, die mehr zur Auslassseite des Filters angeordnet sind.
Der Abstand zwischen der flachen Basisplatte und der flachen Deckplatte im Bereich um jede Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, wobei die Reihe in einer Kaskadenanordnung angeordnet ist, ist bevorzugt etwa so groß wie die Breite der Passage auf der Seite der Vorsprünge bzw. Projektionen, auf der das Fluid die Reihe der Passagen passiert. Der Abstand beträgt bevorzugt zwischen der halben und der doppelten Breite der Passage. Der Abstand nimmt bevorzugt von einer Reihe zur anderen, in Fließrichtung gesehen, ab. Die Passagen können daher in etwa quadratischen Querschnitt auf ihrer Eintrittsseite für das Fluid aufweisen.
Der Abstand zwischen der flachen Basisplatte im Bereich um die Vorsprünge bzw. Erhebungen und der flachen Deckplatte kann innerhalb einer Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen konstant sein. Für die Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, die in Zick-Zack-Anordnung angeordnet sind, kann der Abstand im Bereich des Endes der Reihe, das sich in der Nähe der Auslassseite des Filters befindet, größer sein als im Bereich des Endes der Reihe, die sich in der Nähe der Einlassseite des Filters befindet. Der Abstand nimmt bevorzugt etwa linear von einem Ende der Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen zum anderen zu.
Die sich wechselseitig gegenüberliegenden Seiten von zwei benachbarten Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen können eine verbundene Zwischenkammer definieren, in die das Fluid aus sämtlichen Passagen zwischen den Vorsprüngen bzw. Erhebungen aus einer ersten Reihe fließt, woraus das Fluid in sämtliche Passagen zwischen den Vorsprüngen bzw. Erhebungen der benachbarten Reihe fließt. Stromaufwärts der ersten Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen angeordnet ist eine Sammelkammer von länglichem Querschnitt, in die das ungefilterte Fluid passiert und von der aus das Fluid in sämtliche Passagen zwischen den Vorsprüngen bzw. Erhebungen der ersten Reihe heraus fließt. Stromabwärts der letzten Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen angeordnet ist eine Sammelkammer von länglichem Querschnitt, in die das Fluid aus sämtlichen Passagen der letzten Reihe fließt und aus der das gefilterte Fluid passiert.
Die Vorsprünge bzw. Erhebungen können in Form von Bahnen bzw. Geweben oder Bereichen sein, die – in Fließrichtung gesehen – gerade oder gebogen sind. Die Vorsprünge bzw. Erhebungen können ebenfalls in Form von – bevorzugt – geraden Säulen jeglichen Querschnitts, bevorzugt von rundem oder polygonalem Querschnitt, sein.
Die Länge der Passagen, die sich zwischen den Bahnen bzw. Geweben oder Bereichen erstreckt, ist bevorzugt mindestens zweimal so groß wie ihre Höhe auf der Eintrittsseite des Fluids. Der Querschnitt der Passagen ist bevorzugt etwa quadratisch oder fassförmig oder trapezoid; in letzterem Falle kann die längere Seite des Trapezes durch eine Deckplatte gebildet werden. Die Passagen sind beispielsweise 5 bis 50 μm lang, 2,5 bis 25 μm hoch und 2,5 bis 25 μm breit. Die Breite der Passagen kann in Richtung der Austrittsseite größer werden.
Der Abstand zwischen den Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen ist bevorzugt zweimal so groß wie die Passagenbreite bzw. -weite auf der Eintrittsseite. Die in Zick-Zack-Anordnung angeordneten Reihen können relativ zueinander in einem Winkel von 2 bis 25° geneigt sein.
Mit dem Filter, der Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen aufweist, die in Zick-Zack-Anordnung angeordnet sind, werden die zu filternden Partikel zunächst in den Bereichen auf der Einlassseite des Fluids abgeschieden, die sich in der Nähe der Auslassseite des Filters befinden, wobei sich der Abstand zwischen den Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen auf der Einlassseite stufenweise erhöht, beginnend im Bereich der Auslassseite des Filters. Der Filter ist nur annähernd vollständig blockiert und die Filterkapazität erschöpft, wenn die Einlasskammer zwischen zwei Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen fast vollständig mit heraus zu filtrierenden Partikeln gefüllt ist.
Der Trennungsgrad des Filters ist aufgrund minimaler Fluktuationen in den Abmessungen der Passagen bevorzugt relativ scharf definiert. Der Filter kann keinen Zufuhrflussverteiler für das zu filtrierende Fluid sowie eine Filtratsammelvorrichtung für das gefilterte Fluid erfordern.
Der Filter kann unter Verwendung bekannter Verfahren aus beispielsweise Metall, Silicium, Glas, Keramik oder Kunststoffmaterial hergestellt werden. Die Basisplatte kann aus demselben Material oder einem von der Deckplatte verschiedenen Material hergestellt werden. Der Filter ist bevorzugt für den Hochdruckbereich beispielsweise bis zu 30 MPa (300 bar) geeignet.
In einem mikrostrukturierten Filter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden weiterhin mikrostrukturierte Fluidelemente auf derselben Basisplatte beispielsweise eine Düse zum Sprühen eines Fluids oder zur Erzeugung eines Aerosols, ebenfalls im Hochdruckbereich, angeordnet.
Der mikrostrukturierte Filter gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung kann einige oder sämtliche der folgenden Vorteile zeigen:

– weil der Filter eine große Anzahl von Passagen über einen kleinen Bereich aufweist, kann dieser betriebsbereit bleiben, selbst wenn einige Passagen durch Verunreinigungen, die das Fluid kontaminieren, blockiert werden. Dies ermöglicht die Verwendbarkeit des Filters, wenn dieser mit einer Düse zur Verwendung in einem zu verbessernden Atomisierer bzw. Zerstäuber zusammengebaut wird, wie verwendet in einem Atomisierer für die Verabreichung eines Arzneimittels, wobei ein Ausfall des Atomisierers in bestimmten Verwendungszeitspannen fatale Folgen für den Verwender haben kann;
– die Passagen können mit engen Grenzen hinsichtlich Form, Querschnittsbereich und Länge definiert sein (in der am meisten bevorzugten Ausführungsform sind die Abmessungen sämtlicher Passagen in einem Filter dieselben);
– der Passagenquerschnitt kann an weitere Bedingungen angepasst werden, beispielsweise den Querschnitt einer Düse, die stromabwärts hiervon verbunden ist;
– eine große Filteroberfläche kann in einem schmalen Filtervolumen angeordnet sein;
– bevor das Fluid in die Passagen passieren kann, wird der Fluidfluss zwischen die in Zick-Zack-Anordnung angeordneten Reihen im wesentlichen senkrecht zum Fluss in den Passagen gerichtet;
– der offene Filterbereich (die Summe des Querschnittsbereichs sämtlicher Passagen) kann mindestens 50% des Gesamtfilterbereichs betragen;
– der Filter kann ein kleines Totvolumen aufweisen und
– der Filter kann in einer einfachen Art und Weise mit anderen mikrostrukturierten Komponenten zusammengebaut werden.

Der hier beschriebene mikrostrukturierte Filter findet insbesondere Verwendung, wenn er zur Filtration eines Arzneimittels, gelöst in einem Lösungsmittel, zur Erzeu gung eines Aerosols für Inhalationszwecke verwendet wird. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Wasser oder Ethanol oder Mischungen hiervon. Geeignete Arzneimittel sind beispielsweise Berotec, Atrovent, Berodual, Salbutamol, Combivent, Oxivent, Ba 679, Bea 2108 und andere.
Der erfindungsgemäße Filter kann ebenfalls in einem Vernebler verwendet werden, wie jenen, beschrieben in der PCT-Anmeldung WO 91/14468 oder PCT/EP 96/04351.
Der hier beschriebene mikrostrukturierte Filter kann in der folgenden veranschaulichenden Art und Weise hergestellt werden: Eine Vielzahl von miteinander verbundenen Basisplatten beispielsweise in der Größenordnung von einigen Tausend, wird gleichzeitig auf einem großen Oberflächenbereich mikrostrukturiert und in einem Schritt mit einer großen flachen Deckplatte verbunden (chargenweises Verfahren). Diese kombinierte Anordnung kann dann in eine Anzahl von einzelnen Teilen aufgeteilt werden.
Diese Art der Herstellung hat einige spezifische Vorteile. Einerseits erfordert eine chargenweise Herstellung die Möglichkeit, besonders billige einzelne Teile mit einem hohen Grad an Präzision mit Strukturgenauigkeiten von wenigen Mikrometern bis hinunter zum Submikrometerbereich herzustellen, was in einem seriellen Herstellungsverfahren nur mit wesentlich größeren Kosten hergestellt werden könnte, während andererseits eine Chargenherstellung eine gleichmäßig definierte Qualität im Hinblick auf sämtliche Teile erfordert, die unter denselben Verfahrensbedingungen reproduzierbar erreicht werden kann und wahrscheinlich keiner langsamen Änderung unterliegt, wie es im Falle des Beispiels von Serienverarbeitungsverfahren aufgrund des Werkzeugverschleißes der Fall wäre.
Zusätzlich sind die Position und Lage der Teile im Verfahren ebenfalls durch das Design vorherbestimmt und müssen nicht mittels teurer Sortier- und Handhabungsmechanismen eingestellt und festgelegt werden, wie dies mit einigen der zuvor vorgeschlagenen Anordnungen der Fall ist.
Die Basisplatte kann beispielsweise durch reaktives Ionenätzen, Galvanoformen oder im Falle von Kunststoffmaterialien gemäß dem LIGM-Verfahren durch Lithographie, Galvanoformen und Formpressen hergestellt werden. Es können weitere Strukturierungsverfahren zur Herstellung spezifischer Passagenformen verwendet werden. Die Passagen von Trapezoiden oder fassförmigem Querschnitt können durch spezifisches Überätzen oder Unterätzen hergestellt werden. Derartige Formen können sowohl durch Trockenätzen als auch mit Nassätzverfahren hergestellt werden. Triangulare Passagenquerschnitte können mit anisotropen wirksamen Ätzverfahren in monokristallinen Basisplatten von Silicium hergestellt werden. Die Basisplatte wird bevorzugt durch isotropes oder anisotropes nasses oder trockenes Ätzen oder eine Kombination dieser Verfahren, insbesondere bevorzugt durch anisotropes Trockenätzen, strukturiert.
Die mikrostrukturierte Basisplatte und die Vorsprünge bzw. Erhebungen hiervon können mit der flachen Deckplatte beispielsweise durch anodisches Binden von Silicium und Glas, beispielsweise ein Alkaliborosilicatglas, verbunden werden. In einem Beispiel wird die Glasplatte auf die mikrostrukturierte Siliciumplatte gelegt und mit einer Elektrode in Kontakt gebracht. Die gesamte Anordnung wird auf Temperaturen zwischen 200 und 500°C erhitzt und eine negative Spannung von etwa 1000 V zwischen der Siliciumplatte und der Glasplatte angelegt. Aufgrund der Spannung passieren die positiv geladenen Alkaliionen durch das Glas zur Kathode, wo sie neutralisiert werden. Im Glas wird am Übergang zwischen dem Glas und dem Silicium eine negative Raumladung gebildet, die elektrostatische Anziehung der zwei Oberflächen bereitstellt und aus der zusätzlich im Wege von Sauerstoffbrückenbindungen in einer dauerhaften chemischen Bindung zwischen der Glasoberfläche und der Siliciumoberfläche resultiert.
Mit dem oben beschriebenen veranschaulichenden Verfahren ist eine Deckplatte aus Glas insbesondere zur Qualitätssicherung aufgrund einerseits der Qualität der Bindungsbildung und andererseits aufgrund von Defekten oder enthaltenen Partikeln, die in einer Fehlfunktion des Filters resultieren, ohne weiteres durch optische Inspektion erkannt werden können, besonders vorteilhaft.
Nach dem Bindungsverfahren kann die Anordnung in einzelne Filter aufgeteilt werden, bevorzugt mit einer Hochgeschwindigkeitsrotationsdiamantkreissäge, wobei die Einlassseite und die Auslassseite jedes Filters freigelegt werden, wenn sie nicht bereits zuvor freigelegt sind. Der teilende Schnitt kann mit einem Genauigkeitsgrad innerhalb weniger Mikrometer positioniert werden.
Neben der Verwendung von anodischem Binden kann die mikrostrukturierte Basisplatte mittels Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Kleben oder Löten oder irgend einem anderen Mittel, das dem Fachmann im Stand der Technik offensichtlich ist, mit der flachen Deckplatte verbunden werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels, bezogen auf die beigefügten Figuren, beschrieben, worin:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Filters veranschaulicht;
2 eine Ansicht in vergrößertem Maßstab darstellt, die die Anordnung von Vorsprüngen bzw. Erhebungen in Reihen des Filters von 1 zeigt;
3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 2 darstellt;
4 eine schematische Veranschaulichung einer Vielzahl verschiedener Vorsprünge bzw. Erhebungen darstellt;
5 eine schematische Veranschaulichung weiterer Vorsprünge bzw. Erhebungen darstellt;
6 eine schematische Veranschaulichung einer Anzahl von veranschaulichenden Mustern darstellt, in denen die Vorsprünge bzw. Erhebungen angeordnet sein können;
7 ein veranschaulichendes Beispiel der Orientierung der Vorsprünge bzw. Erhebungen zeigt; und
8 ein Bild eines Filters am Ende seiner üblichen Haltbarkeit darstellt, erzeugt in einem Rasterelektronenmikroskop.
Wie oben erwähnt, zeigt 1 eine veranschaulichende Ausführungsform eines Filters, gesehen von der anfänglich offenen Seite, die dann mit der Deckplatte (nicht gezeigt) abgedeckt wird. Eine Basisplatte 1 des Filters wird zwischen den Kantenbereichen 2a und 2b mikrostrukturiert. Die Mikrostrukturierung liefert, in diesem Beispiel, Reihen 3 von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, die in einer Zick-Zack-Anordnung angeordnet sind. Es kann ebenfalls gesehen werden, dass die Reihen 3 relativ zueinander um einen Winkel α geneigt sind.
In diesem Beispiel ist die Basisplatte mit einer weiteren Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen 4 versehen, die einen sehr groben Filter bilden, der dazu dient, dass hindurch fließende Fluid zu bewegen, bereitgestellt zusätzlich zum Filter und stromaufwärts von diesem. Stromaufwärts der Vorsprünge bzw. Erhebungen 4 angeordnet ist ein Einlassschlitz 5, durch den das unfiltrierte Fluid in den Filter passiert. In dieser Aus führungsform ist benachbart zum Filter eine Düse 6 angeordnet, aus der das gefilterte Fluid austreten kann. Die Düse 6 wurde in diesem veranschaulichenden Beispiel als integrale Komponente der Basisplatte 1 gebildet. Es wird geschätzt werden, dass der Filter ohne die Düse 6 und den Grobfilter 4 gebildet werden kann.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 1, die eine veranschaulichende Anordnung von Vorsprüngen bzw. Erhebungen in den Reihen 3 zeigt. In diesem Fall sind die Vorsprünge bzw. Erhebungen 7 rechteckige Bahnen bzw. Geweben oder Bereiche, aber wie später erläutert werden wird, können sie eine alternative Konfiguration aufweisen. Es kann ersehen werden, dass die Reihen 3 eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen 7 umfassen, die von der Basisplatte 1 abstehen und die voneinander beabstandet sind, um einen feinen Fluidfilter bereitzustellen.
3 ist eine Querschnittsansicht durch eine Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen entlang der Linie A-A in 2. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform weisen die Vorsprünge bzw. Erhebungen 7 konkav gekrümmte longitudinale Seiten auf, zwischen denen Passagen 8 von fassförmigem Querschnitt vorliegen.
4 zeigt eine Vielzahl von Ausführungsformen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, jeweils gesehen entlang der anfänglich offenen Seite des Filters (das heißt von oben). Jede dieser oder jede Kombination dieser veranschaulichenden Vorsprünge bzw. Erhebungen (oder jeder andere Vorsprung oder Erhebung) kann im hier beschriebenen Filter eingesetzt werden. 4 zeigt einen rechteckigen Bereich 11, einen länglichen Bereich 12 von konstanter Breite mit gerundeten engen Seiten, einen flügelförmigen Bereich 13, einen Bereich 14 von konstanter Breite und mit einer sich mit Neigung erstreckenden engen Seite und einen Bereich 12, der in Form eines Kreissegments gebogen ist. Auch veranschaulicht sind eine quadratische Säule 16, eine dreieckige Säule 17, eine runde Säule 18 und eine achteckige Säule 19. Wie oben erwähnt, sind jegliche Formen oder irgendeine Kombination dieser Bereiche zur Verwendung im Filter geeignet.
5 zeigt verschiedene Querschnittsansichten durch eine Vielzahl verschiedener Vorsprünge bzw. Erhebungen, noch spezieller einen Vorsprung bzw. eine Erhebung von rechtwinkligem Querschnitt 21, einen Vorsprung bzw. eine Erhebung von Querschnitt 22 mit konkav gebogenen longitudinalen Seiten, einen Vorsprung bzw. eine Erhebung von trapezoidalem Querschnitt 23, in dem die lange Seite des Trapezes mit der Basisplatte 1 verbunden ist, einen Vorsprung bzw. eine Erhebung von trapezoidalem Querschnitt 24, in dem die kurze Seite des Trapezes mit der Basisplatte 1 verbunden ist sowie einen Vorsprung bzw. eine Erhebung 25 mit zwei abgerundeten longitudinalen Kanten.
6 zeigt verschiedene Anordnungen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, worin die Vorsprünge bzw. Erhebungen – ungeachtet ihrer Form – durch Punkte verschiedener Größe angegeben sind. Die Vorsprünge bzw. Erhebungen der vorliegenden Ausführungsform sind in einer Zick-Zack-Anordnung 34 angeordnet. Eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, angeordnet in einer Zick-Zack-Anordnung 36, können in der Folge in Kaskadenbeziehung angeordnet sein (6 zeigt ebenfalls eine Matrix 31, eine lineare Anordnung 32 und eine Mäanderkonfiguration 33 für die Vorsprünge bzw. Erhebungen, die nicht erfindungsgemäß sind).
7 zeigt eine veranschaulichende Orientierung von Bereichen, bezogen auf die Eintrittsflussrichtung 41 des Fluids. Wie gezeigt, sind einige Bereiche (angegeben mit Bezugszeichen 42) parallel zur Eintrittsfließrichtung angeordnet, andere Bereiche (angegeben mit Bezugszeichen 43) senkrecht zur Eintrittsfließrichtung angeordnet und der Rest der Bereiche (angegeben mit Bezugszeichen 44) sind in verschiedenen Winkeln zur Eintrittsfließrichtung geneigt angeordnet. Es sollte aus 7 verstanden werden, dass die Bereiche nicht dieselbe Orientierung im Hinblick auf die Eintrittsfließrichtung aufweisen. Tatsächlich ist das Vorsehen verschieden orientierter Bereiche ein deutlicher Vorteil, da die unterschiedliche Orientierung dazu dient, den Fluidbewegungsgrad zu verbessern, wenn das Fluid sich durch den Filter bewegt.
8 zeigt ein in einem Rasterelektronenmikroskop erzeugtes Bild eines mikrostrukturierten Filters, wie dem in 1 gezeigten, am Ende seiner verwendbaren Haltbarkeitsdauer. Das Bild wurde durch die Deckplatte (nicht sichtbar) aus Glas aufgenommen. Das gezeigte Bild veranschaulicht einen Filter mit Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, angeordnet in einer Zick-Zack-Anordnung; jedoch können die Vorsprünge bzw. Erhebungen an sich bei der gewählten Vergrößerung nicht gesehen werden.
Fluid floss während der Verwendung des Filters in Richtung der Pfeile durch den Filter und im Fluid suspendierte Partikel wurden durch angrenzende Vorsprünge bzw. Erhebungen eingefangen. Wie gezeigt, werden die Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhe bungen mit ausgefilterten Partikeln bedeckt, insbesondere in einem größeren Grad in der Nähe der Kantenbereiche 2a und 2b, als im zentralen Bereich des Filters. Es gibt fast keine Partikel im Raum zwischen den Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, der sich an der Eintrittsflussseite des Filters befindet, und somit ist der Filter in diesem Bereich vollständig funktionsfähig (das heißt, Fluid kann nach wie vor hindurchtreten). Wie aus 8 ersehen werden kann, erstreckt sich die Grenzlinie zwischen dem freien Filterbereich und dem blockierten Filterbereich in etwa parabolischer Form. Wie aus 8 zu ersehen, kann Fluid nach wie vor durch den Filter passieren, obwohl ein beträchtlicher Teil des Filteroberflächenbereichs bereits blockiert wurde.
Es kann daher ersehen werden, dass der hier beschriebene Filter gegenüber einem Blockieren weniger anfällig ist, als zuvor vorgeschlagene Filter, und daher nach wie vor angemessen funktionieren kann, selbst wenn ein relativ großer Anteil der Filteroberfläche blockiert wurde. Als Folge dieser Verbesserung kann die verwendbare Haltbarkeit des Filters (und damit von jeder Vorrichtung, die den Filter enthält) in großem Maße erhöht werden. Dies steht in direktem Gegensatz zur vorher vorgeschlagenen Anordnung, wo eine relativ kleine Menge an Filterblockierung dazu führt, dass die Vorrichtung das korrekte Funktionieren einstellt.
Beispiel: Mikrostrukturierter Filter für einen Atomisierer bzw. Zerstäuber
Wie oben erwähnt, findet der hier beschriebene Filter große Anwendbarkeit in Atomisierern, und insbesondere in Atomisierern zur Erzeugung eines Aerosols eines arzneimitteltragenden Fluids.
Ein veranschaulichendes Beispiel eines derartigen Atomisierers wird nun beschrieben. In diesem veranschaulichenden Beispiel wird der Filter auf einer Basisplatte zusammen mit einer Anzahl von anderen mikrostrukturierten Komponenten gebildet. Die Basisplatte ist 2,6 mm breit und etwa 5 mm lang. Auf einer Breite von etwa 2 mm enthält sie 40 Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen, wobei die Reihen in einer Zick-Zack-Anordnung angeordnet sind. Jede Reihe ist 1,3 mm lang. Die Vorsprünge bzw. Erhebungen sind rechteckige Bereiche, die 10 μm lang und 2,5 μm breit sind und sie stehen von der Basisplatte um 5 μm vor. Zwischen den Bereichen sind Passagen vorgesehen, die 5 μm hoch und 3 μm breit sind.
Auf der Fluideintrittsseite des Filters ist eine Reihe von zehn rechtwinkligen Bereichen angeordnet, die 200 μm lang und 50 μm breit sind und sie stehen von der Basisplatte 100 μm ab. Zwischen diesen Bereichen sind Passagen vorgesehen, die 100 μm hoch und 150 μm breit sind. Die zehn rechteckigen Bereiche stellen einen Durchlauffilter dar sowie ein Mittel zum Bewegen des hindurchfließenden Fluids. In einem Abstand von etwa 300 μm vor der Reihe von Bereichen ist eine Fluideintrittslücke vorgesehen, die etwa 2 mm breit und 100 μm hoch ist.
Eine Filtratsammelkammer ist hinter den Reihen von Bereichen, die in Zick-Zack-Anordnung angeordnet sind, vorgesehen. Die Filtratsammelkammer ist 5 μm hoch und verengt sich allmählich von einer 2 mm Breite und kommuniziert mit einer Düse von rechtwinkligem Querschnitt, die 5 μm hoch und 8 μm breit ist. In diesem Beispiel wurde die Düsenöffnung gleichzeitig mit der Mikrostrukturierung der Basisplatte hergestellt.
Die Basisplatte, die 1,5 mm dick ist, umfasst Nickel und wird durch Galvanoformen eines Kunststoffformeinsatzes hergestellt, der die komplementäre Struktur für 1083 Filter enthält. Dieser ist mit einer 0,8 mm dicken, flachen Nickelplatte abgedeckt, die an die Basisplatte gelötet wird.

Claims

Mikrostrukturierter Filter mit einem Einlass für ungefiltertes Fluid und einem Auslass für gefiltertes Fluid, wobei der Filter umfasst: eine im Wesentlichen flache Basisplatte (1) und eine Deckplatte, die daran gesichert bzw. befestigt ist; und eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen (7), von denen jeder einen integralen Bestandteil der Basisplatte (1) darstellt und sich von dort erhebt, wobei die Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) voneinander durch Passagen (8) beabstandet sind, die einen Fluidweg durch den Filter vom Einlass zum Auslass bilden, wobei die Deckplatte die Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) und die Passagen (8) abdeckt; worin die Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen in mindestens zwei Reihen angeordnet sind, um sich in einer Zick-Zack-Anordnung (34) und in gegenseitig aneinander angrenzender Beziehung über den Filter zu erstrecken.
Filter nach Anspruch 1, worin ein Abstand zwischen der Basisplatte und der Deckplatte in etwa so groß ist wie die Breite bzw. Weite der Passagen (8) zwischen benachbarten Vorsprüngen bzw. Erhebungen (7).
Filter nach Anspruch 1, worin: – eine Vielzahl von Reihen (3) der Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) in Kaskadenform angeordnet sind, – der Querschnitt der Passagen (8) senkrecht zur Fließrichtung des Fluids – in Fließrichtung gesehen – von Reihe zu Reihe abnimmt, – die Vorsprünge bzw. Erhebungen (3), die näher zur Einlassseite des Filters angeordnet sind, größer sind als die Vorsprünge bzw. Erhebungen (3), die eher zur Auslassseite des Filters angeordnet sind, und – der Abstand zwischen der Basisplatte und der Deckplatte im Bereich um jede Reihe von Vorsprüngen bzw. Erhebungen (7), wobei die Reihe in einer Kaskadenform angeordnet ist, in etwa so groß ist wie die Breite der Passagen auf der Seite der Vorsprünge bzw. Erhebungen (7), auf der das Fluid die Reihe der Passagen passiert.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Deckplatte im Wesentlichen flach ist.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin: – ein Abstand zwischen der Basisplatte (1) im Bereich um die Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) und der Deckplatte in einer Reihe (3) von Vorsprüngen bzw. Erhebungen (7) zwischen der halben und der doppelten Breite der Passage auf der Seite der Vorsprünge bzw. Erhebungen, auf der das Fluid in die Reihe von Passagen (8) passiert, beträgt.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin sich gegenseitig zugewandte Seiten zweier benachbarter Reihen von Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) einen verbundenen Zwischenraum definieren, in den das Fluid von allen Passagen zwischen den Vorsprünge bzw. Erhebungen einer ersten Reihe fließt, und aus dem das Fluid in alle Passagen zwischen den Vorsprünge bzw. Erhebungen der in Flußrichtung folgenden Reihe von Vorsprünge bzw. Erhebungen fließt.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Vorsprünge bzw. Erhebungen entweder in Form von Bereichen (lands) (11, 12, 13, 14, 15) sind, die – in Flussrichtung gesehen – gerade oder gebogen sind; oder in Form von Säulen (16, 17, 18, 19) vorliegen.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Passagen (8) im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen, und eine Länge, die mindestens zweimal so groß ist, wie ihre Höhe auf der Eintrittsseite des Fluids, aufweisen.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Passagen (8) in etwa konstanten Querschnitt über die Passagenlänge, und eine Länge von 5 μm bis 50 μm, eine Höhe von 2,5 μm bis 25 μm und eine Breite von 2,5 μm bis 25 μm aufweisen.
Filter nach Anspruch 9, worin die Passagen einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweisen.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Passagen einen fassförmigen oder trapezoiden Querschnitt aufweisen.
Filter nach Anspruch 11, worin eine längere Seite der trapezoiden Passagen durch die Deckplatte gebildet ist.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Passagen (8) einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf der Eintrittsseite des Filters aufweisen, der zur Austrittsseite des Filters hin weiter wird.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, worin der Abstand zwischen zwei Reihen von Vorsprüngen bzw. Erhebungen bevorzugt doppelt so groß ist wie die Breite der Passage auf der Eintrittsseite.
Filter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Zick-Zack-Konfiguration Reihen von Vorsprünge bzw. Erhebungen umfasst, die relativ zueinander durch einen Winkel alpha zwischen 2° und 25° geneigt sind.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Abstand zwischen der Basisplatte (1) im Bereich um die Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) und der Deckplatte in einer Reihe (3) von Vorsprüngen bzw. Erhebungen im Wesentlichen konstant ist.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Abstand zwischen der Basisplatte (1) im Bereich um die Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) und die Deckplatte (3) in einer Reihe (3) von Vorsprüngen bzw. Erhebungen (7) im Bereich des Endes der Reihe, das sich in der Nähe des Auslasses des Filters befindet, größer ist als in dem Bereich des Endes der Reihe, das sich in der Nähe des Einlasses des Filters befindet.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Abstand zwischen der flachen Basisplatte (1) im Bereich um die Vorsprünge bzw. Erhebungen (7) und die flache Deckplatte in einer Reihe von Vorsprünge bzw. Erhebungen von dem Bereich des Endes der Reihe, das sich in der Nähe des Einlassseite des Filters befindet in eine Richtung zu dem Bereich des Endes der Reihe, das sich in der Nähe der Auslassseite des Filters befindet, linear zunimmt.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, worin die Basisplatte (1) durch isotropes oder anisotropes Nass- oder Trocken-Ätzen oder eine Kombination dieser Verfahren strukturiert wurde, bevorzugt durch anisotropes Trocken-Ätzen.
Filter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19, worin die Basisplatte (1) Silicium darstellt und die Abdeckplatte aus Glas besteht, wobei die Basisplatte durch anodisches Binden mit der Abdeckplatte verbunden ist.
Atomisierer zur Inhalationstherapie, wobei der Vernebler einen mikrostrukturierten Filter nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Atomisierer nach Anspruch 21, umfassend eine Düse (6) in Verbindung bzw. Zusammenbau mit dem Filter.