EP3017876B1 - Liquid atomizing device and method for its preparation - Google Patents
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Definitions
- the channel is made of varnish on all sides and thus the channel has no level contact with the substrate.
- the proposed solution requires more than one coating step, each with a subsequent exposure consisting of flood or structural exposures.
- the object of the present invention is to provide a device for liquid atomization with which a safe, reproducible and uniform atomization of liquids can be ensured using surface acoustic waves, and furthermore to provide a method for their production which is easily reproducible and applicable on an industrial scale is.
- microchannel an opening of which is arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5-30%, still advantageously 5-15% of the maximum amplitude of the wave or waves.
- the polymer material of the microchannels consists of epoxy-based polymeric photoresist, or novolak-based polymeric photoresist or acrylic-based polymeric photoresist.
- the device for liquid atomization which essentially connects a SAW component with a polymeric, lithographically produced component and uses the properties of an acoustic wave for liquid atomization.
- the device consists of a substrate which can be used for a SAW component. These are piezoelectric substrates or substrates coated with a piezoelectric layer or from a substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium.
- the latter substrates are referred to as superstrates or super-substrates in the field of SAW liquid actuators.
- These can be, for example, non-piezoelectric glass, ceramic, metal or polymer plates which are acoustically coupled to a piezoelectric substrate using a coupling medium.
- Integrated methods which reduce or even completely prevent backscattering of UV light from the underside of the substrate or the substrate holder are advantageous for a two-stage exposure process on transparent substrates.
- This can be done, for example, by a functional coating with a suitable layer system acting as a Bragg reflector on the substrate surface.
- the layer acting as a Bragg reflector would thus imitate the positive reflection properties of Si substrates.
- the increase in the amplitude of the wave or waves is defined in the context of this invention in such a way that when a wave or waves is formed on a substrate, the wave or waves is viewed across the cross-section, starting from the substrate from both lateral edges of the wave to the amplitude up to Amplitude maximum or several amplitude maxima increases.
- This location can be calculated for known data of the SAW component. However, the location can also be determined by measuring the amplitude distribution for a given structure and input signal, for example with the aid of a vibrometer. The position of the position can also be shifted on the substrate surface for a given structure by increasing or decreasing the power supplied to the IDT, so that at a fixed position on the Substrate surface the amount of increase in amplitude and the amplitude of the acoustic wave or waves can be changed.
- the at least second opening of the microchannels which is not arranged in the direction of the acoustic wave, is connected to a liquid reservoir.
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Special Spraying Apparatus (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mikroakustik und betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung, wie sie beispielsweise im medizinischen Bereich für die Inhalation oder im technischen Bereich für Kühlung oder die Kontrolle atmosphärischer Bedingungen, aber auch zur Brennstoffinjektion oder Duftverteilung oder für Mikrodruckverfahren zum Einsatz kommen kann, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to the field of microacoustics and relates to a device for atomizing liquids, as can be used, for example, in the medical field for inhalation or in the technical field for cooling or controlling atmospheric conditions, but also for fuel injection or fragrance distribution or for micro-printing processes , and a process for their manufacture.
Die Anwendung von Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, kurz SAW) für die Flüssigkeitszerstäubung ist seit 1995 bekannt (
Als Bauteile wurden dafür piezoelektrische Substrate mit Interdigitalwandlern (engl. Interdigital transducer, kurz IDT) mit Aperturen von 1 - 10 mm (Überlappungsbereich der Fingerelektroden) bei Frequenzen zwischen 1 und 200 MHz eingesetzt. Als Substrate wurden Lithiumniobat, Aluminiumnitrid oder Zinkoxid eingesetzt. Als Flüssigkeiten wurden beispielsweise Wasser, Alkohole, Glycerol, Öle, Mikro- und Nanopartikellösungen, Zelllösungen oder Proteinlösungen zerstäubt. Die elektrische Ansteuerung erfolgt über Frequenzgeneratoren und Verstärker, kontinuierlich oder im Pulsbetrieb.Piezoelectric substrates with interdigital transducers (English: IDT) with apertures of 1 - 10 mm (overlap area of the finger electrodes) at frequencies between 1 and 200 MHz were used as components. Lithium niobate, aluminum nitride or zinc oxide were used as substrates. As Liquids have been atomized, for example, water, alcohols, glycerol, oils, micro- and nanoparticle solutions, cell solutions or protein solutions. The electrical control takes place via frequency generators and amplifiers, continuously or in pulse mode.
Als Verfahren für die Flüssigkeitszufuhr für die Flüssigkeitszerstäubung mit SAW sind drei verschiedene Prinzipien bekannt.
- 1. Die Flüssigkeit wird in Form einzelner Tropfen auf die Substratoberfläche aufgebracht (
A. Qi, et al: Physics of Fluids 20, 1 (2008
Die Nachteile dieser Lösung liegen in ihrer nichtkontinuierlichen Flüssigkeitszufuhr, der nicht-reproduzierbaren Flüssigkeitsgeometrie auf dem Substrat und dem dadurch zeitlich nicht konstanten Zerstäubungsprozess, welcher dann auch zeitlich veränderliche Aerosoleigenschaften bedingt. - 2. Die Flüssigkeit wird mit Hilfe von flüssigkeitsgetränkten Geweben/Vliesen, welche in Kontakt mit der Substratoberfläche stehen, in den Schallpfad gebracht (
D. Taller, et al: Phys. Rev. E 87, 053004 (2013
Die Nachteile dieser Verfahren liegen in der geringen Reproduzierbarkeit der Vliesgeometrie und Vliespositionierung, der schwierigen Miniaturisierbarkeit und der undefinierten Interaktion der SAW mit dem Gewebe/Vlies, wenn dessen Geometrie (Porengröße, Faserdurchmesser usw.) in der Größenordnung der akustischen Welle liegt. - 3. Die Flüssigkeit wird durch einen Kapillarspalt zugeführt (
M. Kurosawa et al: IEEE Proceedings, 25 (1995
Der Nachteil dieser Lösung liegt in der aufwendigen technologischen Umsetzung und teuren Herstellung sowie der noch unzuverlässigen Arbeitsweise.
- 1. The liquid is applied to the substrate surface in the form of individual drops (
A. Qi, et al: Physics of Fluids 20, 1 (2008
The disadvantages of this solution lie in its non-continuous supply of liquid, the non-reproducible liquid geometry on the substrate and the atomization process, which is not constant over time, which then also requires aerosol properties that change over time. - 2. The liquid is brought into the sound path with the help of liquid-soaked fabrics / fleeces that are in contact with the substrate surface (
D. Taller, et al: Phys. Rev. E 87, 053004 (2013
The disadvantages of these processes are the low reproducibility of the fleece geometry and positioning, the difficult miniaturization and the undefined interaction of the SAW with the fabric / fleece if its geometry (pore size, fiber diameter, etc.) is in the order of the acoustic wave. - 3. The liquid is fed through a capillary gap (
M. Kurosawa et al: IEEE Proceedings, 25 (1995
The disadvantage of this solution lies in the complex technological implementation and expensive manufacture as well as the still unreliable way of working.
Bezüglich des Ortes der Flüssigkeitszufuhr auf der Substratoberfläche ist bisher nur ein einziger Ort beschrieben worden: Die Flüssigkeit wird im Bereich der maximalen Amplitude der Teilchenoszillation zugeführt, so dass die laufende akustische Welle zentral auf die Flüssigkeit trifft (
Nachteilig ist, dass es dabei aber zu sekundären Wechselwirkungen zwischen der SAW und dem Flüssigkeitsvolumen und/oder dem Flüssigkeitsmeniskus kommt, wie beispielsweise zu einer Flüssigkeitsakkumulation durch die Erhöhung des Kontaktwinkels auf den Rayleigh-Winkel und die Flüssigkeitsnachlieferung aus dem Reservoir, zu Strömungsanregungen ("acoustic streaming", Eckart-Strömung), zur Anregung von Kapillarwellen an der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche bis hin zur Abtrennung von größeren Flüssigkeitstropfen (Jetting), welche die Effizienz des Zerstäubungsprozesses verringern, den Zerstäubungsprozess destabilisieren und die Aerosoleigenschaften negativ beeinflussen können.So far, only one location has been described with regard to the location of the liquid supply on the substrate surface: The liquid is supplied in the area of the maximum amplitude of the particle oscillation, so that the acoustic wave that is running hits the liquid centrally (
It is disadvantageous, however, that there are secondary interactions between the SAW and the liquid volume and / or the liquid meniscus, such as, for example, liquid accumulation due to the increase in the contact angle to the Rayleigh angle and the supply of liquid from the reservoir, and flow excitation ("acoustic streaming ", Eckart flow), for the excitation of capillary waves at the liquid-gas interface up to the separation of larger liquid drops (jetting), which reduce the efficiency of the atomization process, destabilize the atomization process and can negatively influence the aerosol properties.
Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen Polymere zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen wie Mikrokanälen unter Anwendung von fotolithografischen Verfahren zum Einsatz kommen (
Nachteilig bei der Verwendung von Graustufenmasken sind zum einen der große Aufwand, inklusive der höheren Kosten, bei der Herstellung der Masken sowie die unscharf abgebildeten Übergänge von Kanalwand zu Kanaldeckel bei kleinen Abmessungen und Aspektverhältnissen.Disadvantages of using grayscale masks are, on the one hand, the great effort, including the higher costs, in the production of the masks and the blurred transitions from the duct wall to the duct cover with small dimensions and aspect ratios.
Es ist eine Lösung bekannt, bei der ein transparentes Glassubstrat verwendet wurde, um Kanalstrukturen im Fotolack zu erzeugen (
Nachteilig daran ist jedoch, dass der Kanal allseitig aus dem Lack besteht und somit der Kanal keinen ebenen Kontakt zum Substrat hat. Des Weiteren benötigt der Lösungsvorschlag mehr als einen Belackungsschritt mit je einer nachfolgenden Belichtung bestehend aus Flut- oder Strukturbelichtungen.The disadvantage of this, however, is that the channel is made of varnish on all sides and thus the channel has no level contact with the substrate. Furthermore, the proposed solution requires more than one coating step, each with a subsequent exposure consisting of flood or structural exposures.
Für die in (
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die verfügbaren Werte für das Tempern des Lackes und Dosis während der Belichtung wegen der speziellen Eigenschaften (Verspannung, Doppelbrechung, Reflexion) des Substrates in Verbindung mit dem Lack nicht für andere Materialkombinationen übernommen werden können und erst jeweils angepasst werden müssen.The disadvantage of this process is that the available values for the tempering of the varnish and dose during exposure due to the special properties (tension, birefringence, reflection) of the substrate in connection with the varnish cannot be adopted for other material combinations and are only adjusted in each case have to.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen insgesamt ist, dass entsprechende Mikrokanäle nicht im industriellen Maßstab herstellbar sind und eine sichere und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten nicht gewährleistet werden kann.A disadvantage of the known solutions as a whole is that corresponding microchannels cannot be produced on an industrial scale and a reliable and uniform atomization of liquids cannot be guaranteed.
Bekannt ist die Anordnung von Mikrokanälen auf einem SAW-Bauelement, welche mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt worden sind und deren Auslass an der Grenze der akustischen Welle positioniert ist und direkt auf das Zentrum der akustischen Welle zeigt (
Weitere Beispiele werden durch
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung anzugeben, mit der unter Einsatz von akustischen Oberflächenwellen eine sichere, reproduzierbare und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten gewährleistet werden kann, und weiterhin ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, welches einfach reproduzierbar und im industriellen Maßstab anwendbar ist.The object of the present invention is to provide a device for liquid atomization with which a safe, reproducible and uniform atomization of liquids can be ensured using surface acoustic waves, and furthermore to provide a method for their production which is easily reproducible and applicable on an industrial scale is.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung besteht aus einem piezoelektrischen Substrat oder aus einem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten Substrat oder aus einem mit einem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenen nichtpiezoelektrischen Substrat, wobei auf dem piezoelektrischen Substrat oder auf dem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten Substrat mindestens ein Interdigitalwandler mit Elektroden aufgebracht ist, und weiterhin auf dem piezoelektrischen Substrat oder auf dem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten Substrat oder auf dem mit dem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenen nichtpiezoelektrischen Substrat ein oder mehrere mittels fotolithografischer Verfahren aufgebrachte Strukturen aus Polymermaterial mit Mikrokanälen vorhanden sind, die mindestens teilweise außerhalb des Ausbreitungsbereichs der von dem mindestens einen Interdigitalwandler angeregten akustischen Welle oder Wellen angeordnet sind, und die Mikrokanäle mindestens zwei Öffnungen aufweisen und mindestens eine der Öffnungen der Mikrokanäle in Richtung der akustischen Welle oder Wellen angeordnet sind, und diese mindestens eine Öffnung der Mikrokanäle an der Position angeordnet ist, an der die akustische Welle oder Wellen einen nachweislichen Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen aufweisen, und die mindestens eine Öffnung der Mikrokanäle, die nicht in Richtung der akustischen Welle angeordnet ist, mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist.The device for liquid atomization according to the invention consists of a piezoelectric substrate or of a substrate coated with a piezoelectric layer or of a non-piezoelectric substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium, at least one interdigital transducer on the piezoelectric substrate or on the substrate coated with a piezoelectric layer is applied with electrodes, and furthermore, on the piezoelectric substrate or on the substrate coated with a piezoelectric layer or on the non-piezoelectric substrate connected to the piezoelectric substrate via a coupling medium, one or more structures of polymer material with microchannels applied by means of photolithographic methods are present, which at least partially outside the range of the acoustic wave or wave excited by the at least one interdigital transducer len are arranged, and the microchannels have at least two openings and at least one of the openings of the microchannels are arranged in the direction of the acoustic wave or waves, and this at least one opening of the microchannels is arranged at the position at which the acoustic wave or waves has a demonstrable Increase in the amplitude of the acoustic wave or waves, and the at least one opening of the microchannels, which is not arranged in the direction of the acoustic wave, is connected to a liquid reservoir.
Vorteilhafterweise besteht das piezoelektrische Substrat aus einkristallinem SiO2, Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Langasit (La3Ga5SiO14), Ca3TaGa3Si2O14, Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobat (PMN), Galliumorthophosphat (GaPO4) oder aus einem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten nichtpiezoelektrischen Substrat aus Polymer, Glas, Keramik oder Metall.The piezoelectric substrate advantageously consists of single-crystal SiO 2 , lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ), Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO) , Lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), gallium orthophosphate (GaPO 4 ) or from a non-piezoelectric substrate made of polymer, glass, ceramic or metal coated with a piezoelectric layer.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht das über ein Koppelmedium mit einem piezoelektrischen Substrat verbundene nichtpiezoelektrische Substrat aus Polymer, Glas, Keramik oder Metall.Furthermore advantageously, the non-piezoelectric substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium consists of polymer, glass, ceramic or metal.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist das Substrat, auf dem sich die Strukturen aus Polymermaterial befinden, optisch transparent.The substrate on which the structures made of polymer material are located is likewise advantageously optically transparent.
Und auch vorteilhafterweise ist ein Mikrokanal vorhanden, dessen eine Öffnung an der Position angeordnet ist, bei der die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 5 - 30 %, noch vorteilhafterweise 5 - 15% der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt.And also advantageously there is a microchannel, an opening of which is arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5-30%, still advantageously 5-15% of the maximum amplitude of the wave or waves.
Vorteilhaft ist es auch, wenn zwei Mikrokanäle vorhanden sind, von denen mindestens eine Öffnung an der Position angeordnet ist, bei der die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 5 - 30 %, noch vorteilhafterweise 5 - 15 %, der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt, wobei die Mikrokanäle an gegenüberliegenden Seiten der akustischen Welle auf dem Substrat angeordnet sind.It is also advantageous if there are two microchannels, of which at least one opening is arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5-30%, still advantageously 5-15%, of the maximum amplitude of the wave or waves , the microchannels being arranged on opposite sides of the acoustic wave on the substrate.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl an Mikrokanälen vorhanden sind, deren mindestens eine Öffnung auf einer oder auf beiden Seiten der akustischen Welle oder Wellen angeordnet sind.It is also advantageous if a plurality of microchannels are present, the at least one opening of which is arranged on one or on both sides of the acoustic wave or waves.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Polymermaterial der Mikrokanäle aus Epoxy-basiertem polymeren Fotolack, oder Novolak-basiertem polymeren Fotolack oder Acryl-basiertem polymeren Fotolack besteht.It is also advantageous if the polymer material of the microchannels consists of epoxy-based polymeric photoresist, or novolak-based polymeric photoresist or acrylic-based polymeric photoresist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Querschnitte der Mikrokanäle rechteckig, quadratisch, halbrund oder halboval sind, und/oder ein Bereich des Umfangs der Mikrokanäle vom Substrat und/oder auf dem Substrat befindlichen Schichten gebildet ist.It is also advantageous if the cross sections of the microchannels are rectangular, square, semicircular or semi-oval, and / or a region of the circumference of the microchannels is formed by the substrate and / or layers located on the substrate.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Innenwände der Mikrokanäle mit Einzelschichten oder Mehrlagenschichten aus Metallmaterial, Silanverbindungen, Polymermaterial, Keramikmaterial oder Glasmaterial beschichtet sind.It is also advantageous if the inner walls of the microchannels are coated with individual layers or multilayer layers made of metal material, silane compounds, polymer material, ceramic material or glass material.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn mindestens eine Öffnung eines Mikrokanals an der Position angeordnet ist, an der der Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 10-4...10 nm/mm, vorteilhafterweise 10-3...5 nm/mm, beträgt.It is also advantageous if at least one opening of a microchannel is arranged at the position at which the increase in the amplitude of the acoustic wave or waves 10 -4 ... 10 nm / mm, advantageously 10 -3 ... 5 nm / mm.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn als Interdigitalwandler Chirped IDT oder slanted finger IDT zum Einsatz kommen.It is also advantageous if chirped IDT or slanted finger IDT are used as interdigital converters.
Und auch von Vorteil ist es, wenn zwischen dem Substrat und dem Polymermaterial der Strukturen eine oder mehrere Funktionsschichten vorhanden sind.It is also advantageous if one or more functional layers are present between the substrate and the polymer material of the structures.
Ebenso von Vorteil ist es, wenn der Kontaktwinkel der Flüssigkeit zur Substratoberfläche oder zu einer auf der Substratoberfläche befindlichen Funktionsschicht kleiner oder gleich dem Winkel der Wellenabstrahlung in die Flüssigkeit (Rayleigh-Winkel) ist.It is also advantageous if the contact angle of the liquid to the substrate surface or to a functional layer located on the substrate surface is less than or equal to the angle of the wave radiation into the liquid (Rayleigh angle).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung wird auf ein piezoelektrisches Substrat oder auf ein mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtetes Substrat oder auf ein mit einem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenes Substrat mindestens ein Interdigitalwandler aufgebracht, nachfolgend wird fotolithographisch strukturierbares Polymermaterial aufgebracht und die strukturierte Belichtung des Polymermaterials zur Herstellung von einem oder mehreren Mikrokanälen mit mindestens zwei Öffnungen durchgeführt, wobei durch die Strukturierung jeweils eine der Öffnungen der Mikrokanäle in Richtung der akustischen Welle oder Wellen an der Position angeordnet wird, an der die akustische Welle oder Wellen einen nachweislichen Anstiegs der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen aufweisen, und nach der strukturierten Belichtung und Aushärtung wird das unvernetzten Polymermaterial entfernt.In the method according to the invention for producing a device for atomizing liquids, at least one interdigital transducer is applied to a piezoelectric substrate or to a substrate coated with a piezoelectric layer or to a substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium, subsequently photolithographically structurable polymer material is applied and the structured one Exposure of the polymer material for the production of one or more microchannels with at least two openings is carried out, with the structuring in each case one of the openings of the microchannels being arranged in the direction of the acoustic wave or waves at the position at which the acoustic wave or waves has a demonstrable increase in Have amplitude of the acoustic wave or waves, and after the structured exposure and curing, the uncrosslinked polymer material is removed.
Vorteilhafterweise wird fotolithographisch strukturierbares Polymermaterial mit wellenlängenabhängiger Lichtabsorption aufgebracht und zur Strukturierung der Mikrokanäle zuerst mit Licht einer Wellenlänge 1 zur Belichtung der Mikrokanalwände belichtet und nachfolgend mit Licht einer Wellenlänge 2 zur Belichtung der Mikrokanalabdeckung belichtet.Advantageously, photolithographically structurable polymer material is applied with wavelength-dependent light absorption and, for structuring the microchannels, first exposed to light with a wavelength 1 for exposing the microchannel walls and subsequently exposed to light with a wavelength 2 for exposing the microchannel cover.
Weiterhin vorteilhafterweise werden funktionelle Schicht/en auf das Substrat aufgebracht.Furthermore, functional layers are advantageously applied to the substrate.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Schichten aus dielektrischem oder passivierendem Material, wie Schichten aus SiO2, Al2O3, TiO2 und/oder metallische Schichten wie Al, Ti, Cr, Au, Pt, Pd aufgebracht.Layers of dielectric or passivating material, such as layers of SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 and / or metallic layers such as Al, Ti, Cr, Au, Pt, Pd, are likewise advantageously applied.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung anzugeben, mit der unter Einsatz von akustischen Oberflächenwellen eine sichere, reproduzierbare und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten gewährleistet werden kann, und weiterhin ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, welches einfach reproduzierbar und im industriellen Maßstab anwendbar ist.With the solution according to the invention, it is possible for the first time to provide a device for liquid atomization, with which a safe, reproducible and uniform atomization of liquids can be ensured using surface acoustic waves, and also to specify a process for its production which is easily reproducible and on an industrial scale is applicable.
Erreicht wird dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung, welche im Wesentlichen ein SAW-Bauelement mit einem polymeren, lithographisch hergestellten Bauelement verbindet und die Eigenschaften einer akustischen Welle für die Flüssigkeitszerstäubung ausnutzt.This is achieved with the device for liquid atomization according to the invention, which essentially connects a SAW component with a polymeric, lithographically produced component and uses the properties of an acoustic wave for liquid atomization.
Die Vorrichtung besteht dabei aus einem Substrat, welches für ein SAW-Bauelement einsetzbar ist. Dies sind piezoelektrische Substrate oder mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtete Substrate oder aus einem mit einem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenen Substrat. Letztgenannte Substrate werden im Bereich der SAW-Flüssigkeitsaktorik als Superstrates oder Übersubstrate bezeichnet. Dies können beispielsweise nichtpiezoelektrische Glas-, Keramik-, Metall- oder Polymerplatten sein, die mit einem Koppelmedium an ein piezoelektrisches Substrat akustisch angekoppelt sind.The device consists of a substrate which can be used for a SAW component. These are piezoelectric substrates or substrates coated with a piezoelectric layer or from a substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium. The latter substrates are referred to as superstrates or super-substrates in the field of SAW liquid actuators. These can be, for example, non-piezoelectric glass, ceramic, metal or polymer plates which are acoustically coupled to a piezoelectric substrate using a coupling medium.
Als piezoelektrische Substrate können alle bekannten piezoelektrischen Substratmaterialien, die auch für SAW-Bauelemente bekannt sind und die Anregung von Rayleigh- oder Plattenwellen ermöglichen, eingesetzt werden, wie einkristallines SiO2, oder LiNbO3 (insbesondere 128°YX-LiNbO3), LiTaO3, La3Ga5SiO14, Ca3TaGa3Si2O14, AlN, ZnO, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobat (PMN), Galliumorthophosphat (GaPO4) oder beschichtetes Polymer, Glas, Keramik oder Metall.All known piezoelectric substrate materials, which are also known for SAW components and which enable the excitation of Rayleigh or plate waves, can be used as piezoelectric substrates, such as single-crystal SiO 2 , or LiNbO 3 (in particular 128 ° YX-LiNbO 3 ), LiTaO 3 , La 3 Ga 5 SiO 14 , Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , AlN, ZnO, lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), gallium orthophosphate (GaPO 4 ) or coated polymer, glass, Ceramic or metal.
Auf die erfindungsgemäß einsetzbaren Substrate, die entweder piezoelektrische Substrate sind oder mit einem Piezomaterial beschichtete Substrate sind, wird mindestens ein Interdigitalwandler mit Elektroden aufgebracht. Dies erfolgt ebenfalls mit bekannten Verfahren und Materialien aus der SAW-Technologie, wie beispielsweise Lift-Off-Strukturierungsverfahren und Materialien wie Aluminium oder Titan. Vorteilhafterweise wird für eine Flüssigkeitszerstäubung nur ein Interdigitalwandler auf das Substrat aufgebracht, es können aber auch zwei oder mehr Interdigitalwandler für eine Flüssigkeitszerstäubung aufgebracht werden, wenn stehende Wellenfelder oder Wellenfelder mit spezieller räumlicher Struktur oder Amplitudenverteilung angeregt werden sollen.At least one interdigital transducer with electrodes is applied to the substrates that can be used according to the invention, which are either piezoelectric substrates or are substrates coated with a piezo material. This is also done using known processes and materials from SAW technology, such as lift-off structuring processes and materials such as aluminum or titanium. Advantageously, only one interdigital transducer is applied to the substrate for liquid atomization, but two or more interdigital transducers can also be applied for liquid atomization if standing wave fields or wave fields with a special spatial structure or amplitude distribution are to be excited.
Weiterhin sind ein oder mehrere Mikrokanäle auf dem piezoelektrischen Substrat oder auf dem mit einem Piezomaterial beschichteten Substrat oder auf dem über ein Koppelmedium mit einem piezoelektrischen Substrat verbundenem nichtpiezoelektrischen Substrat vorhanden, die mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt worden sind.
Dabei wird fotolithographisch strukturierbares Polymermaterial aufgebracht und nachfolgend erfolgt eine strukturierte Belichtung des Polymermaterials zur Herstellung von einem oder mehreren Mikrokanälen mit mindestens zwei Öffnungen. Fotolithographisches Polymermaterial sind beispielsweise Epoxy-basierte polymere Fotolacke und/oder Novolak-basierte polymere Fotolacke und/oder Acryl-basierte polymere Fotolacke, wie SU-8, SU-8 50, SU-8-2000, SU-8-3000, KMPR, SPR 220-7, Ordyl P-50100 oder Diaplate 132.
Die strukturierte Belichtung des Polymermaterials, im für UV Lithographie üblichen Spektrum, wird einerseits mit chromstrukturierten Masken oder mit graduierten Intensitätsfiltern versehenen Grautonmasken durchgeführt. Mittels einer Grautonmaske kann die strukturierte Belichtung in einem Prozessschritt durchgeführt werden. Hinzu kommt, dass es weitaus schwieriger ist, bei einem einstufigen Belichtungsverfahren nicht-transparente Substratmaterialien zu finden, welche für SAW Anwendungen geeignet sind und zudem die Fotolacke bei der gewählten Wellenlänge für die Intransparenz des Substrates noch dreidimensional strukturierbar sind. Daher ist es vorteilhaft für eine industrielle Verwendung die strukturierte Belichtung wegen der weitaus günstigeren Herstellung von chromstrukturierten Masken in zwei Prozessschritten durchzuführen.Furthermore, one or more microchannels are present on the piezoelectric substrate or on the substrate coated with a piezo material or on the non-piezoelectric substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium, which have been produced by means of photolithographic processes.
In this case, photolithographically structurable polymer material is applied, followed by structured exposure of the polymer material to produce one or more microchannels with at least two openings. Photolithographic polymer materials are, for example, epoxy-based polymeric photoresists and / or novolak-based polymeric photoresists and / or acrylic-based polymeric photoresists, such as SU-8, SU-8 50, SU-8-2000, SU-8-3000, KMPR, SPR 220-7, Ordyl P-50100 or Diaplate 132.
The structured exposure of the polymer material, in the spectrum customary for UV lithography, is carried out on the one hand with chrome-structured masks or with gray-tone masks provided with graduated intensity filters. By means of a The structured exposure can be carried out in one process step. In addition, it is much more difficult to find non-transparent substrate materials in a one-step exposure process, which are suitable for SAW applications and, moreover, the photoresists can be structured three-dimensionally at the chosen wavelength for the non-transparency of the substrate. It is therefore advantageous for industrial use to carry out the structured exposure in two process steps because of the much cheaper manufacture of chromium-structured masks.
Zu berücksichtigen ist, dass die jeweiligen strukturierten Belichtungen hinsichtlich der Wellenlängen an die optischen Eigenschaften des Substrates und der Polymermaterialien anzupassen sind. Dies sind bekannte Kriterien für fotolithographische Verfahren.It must be taken into account that the respective structured exposures must be adapted to the optical properties of the substrate and the polymer materials with regard to the wavelengths. These are known criteria for photolithographic processes.
Vorteilhaft für einen zweistufigen Belichtungsprozess auf transparenten Substraten sind integrierte Methoden, die ein Rückstreuen von UV Licht von der Substratunterseite oder dem Substrathalter vermindern oder gar ganz verhindern. Dies kann beispielsweise durch eine funktionale Beschichtung mit einem als Bragg-Reflektor wirkendes geeignetes Schichtsystem auf der Substratoberfläche geschehen. Die als Bragg-Reflektor wirkende Schicht würde somit die positiven Reflexionseigenschaften von Si-Substraten imitieren.Integrated methods which reduce or even completely prevent backscattering of UV light from the underside of the substrate or the substrate holder are advantageous for a two-stage exposure process on transparent substrates. This can be done, for example, by a functional coating with a suitable layer system acting as a Bragg reflector on the substrate surface. The layer acting as a Bragg reflector would thus imitate the positive reflection properties of Si substrates.
Bei einem zweistufigen Belichtungsprozess wird im ersten Prozessschritt das Polymermaterial zur Erzeugung der Mikrokanalwände mit Licht einer Wellenlänge 1 und einer Fotomaske 1 belichtet. Dabei ist von Bedeutung, dass bei dieser gewählten Wellenlänge das Polymermaterial eine höhere Transparenz und damit eine geringere optische Dichte und gleichzeitig das Substrat eine geringere Reflektivität von der Substratunterseite aufweisen, als bei der nachfolgenden Belichtung mit Licht einer Wellenlänge 2. Idealerweise sollte das Substrat bei der Wellenlänge 1 das Licht entweder komplett von Oberfläche reflektieren oder komplett absorbieren.In a two-stage exposure process, the polymer material for generating the microchannel walls is exposed to light of a wavelength 1 and a photo mask 1 in the first process step. It is important that at this chosen wavelength the polymer material has a higher transparency and thus a lower optical density and at the same time the substrate has a lower reflectivity from the underside of the substrate than in the subsequent exposure to light of a wavelength 2. Ideally, the substrate should Wavelength 1 either completely reflect the light from the surface or completely absorb it.
Bei der erfindungsgemäßen strukturierten Belichtung sollten bei der Herstellung der Mikrokanalwände nur minimale Reflexionen von der Substratunterseite auftreten und damit minimierte sekundäre Belichtungseffekte auftreten. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von Licht bei einer Wellenlänge, bei der das Polymermaterial einen Großteil des Lichtes absorbiert, aber dennoch durchbelichtet werden kann. Dadurch gelangt möglichst wenig Licht in das Substrat und folglich kann entsprechend weniger von der Substratunterseite zurückgestreut werden.
Im zweiten Prozessschritt wird das bereits teilweise belichtete Polymermaterial erneut belichtet, jedoch mit Licht einer Wellenlänge 2 und einer Fotomaske 2. Die Wellenlänge 2 wird dabei so gewählt, dass das Polymermaterial bei der Belichtung eine hohe Lichtabsorption, also eine höhere optische Dichte gegenüber dem Licht mit der Wellenlänge 1 aufweist. Dadurch wird nicht das gesamte Volumen des Polymers durchbelichtet, sondern nur eine obere Schicht, welche dünner ist als die gesamte Polymerschicht.
Mit der zweiten Belichtung sollen die Mikrokanalabdeckungen hergestellt werden. Nach der Belichtung erfolgt die Temperung und damit die Auslösung der gewünschten chemischen Reaktionen zur Vernetzung und Aushärtung des Polymermaterials. Der folgende nasschemische Waschschritt mit einem Lackentwickler entfernt die nicht vernetzen Polymerbereiche und legt somit die Kanalstruktur frei.
Zur weiteren Modifizierung beziehungsweise Korrektur der Kanalstruktur können weitere Belichtungsschritte durchgeführt werden.With the structured exposure according to the invention, only minimal reflections from the underside of the substrate should occur during the production of the microchannel walls thus minimized secondary exposure effects occur. This is made possible by the use of light at a wavelength at which the polymer material absorbs a large part of the light, but can still be exposed through. As a result, as little light as possible gets into the substrate and consequently less can be scattered back from the underside of the substrate.
In the second process step, the already partially exposed polymer material is exposed again, but with light of a wavelength 2 and a photomask 2. The wavelength 2 is chosen so that the polymer material has a high light absorption during exposure, ie a higher optical density compared to the light of wavelength 1. This means that the entire volume of the polymer is not exposed, but only an upper layer, which is thinner than the entire polymer layer.
With the second exposure, the microchannel covers are to be produced. After the exposure, the tempering and thus the triggering of the desired chemical reactions for crosslinking and curing of the polymer material takes place. The following wet chemical washing step with a paint developer removes the non-crosslinked polymer areas and thus exposes the channel structure.
For further modification or correction of the channel structure, further exposure steps can be carried out.
Während die Wände und der Deckel der Mikrokanäle aus einem Polymermaterial bestehen, besteht der Boden der Mikrokanäle aus dem Substratmaterial oder der obersten der auf das Substratmaterial aufgebrachten Funktionsschichten. Die Innenwände des Mikrokanals können mit verschiedenen Funktionsschichten beschichtet sein, um einen an das verwendete Fluid angepasste Oberflächenspannung zu erzeugen. Eine angepasste Oberflächenspannung kann das Befüllen des Kanals erleichtern.While the walls and the cover of the microchannels consist of a polymer material, the bottom of the microchannels consists of the substrate material or the uppermost of the functional layers applied to the substrate material. The inner walls of the microchannel can be coated with various functional layers in order to generate a surface tension that is adapted to the fluid used. Adjusting the surface tension can make it easier to fill the channel.
Auf das Substrat können (vor Erzeugung der Mikrokanäle aus Polymermaterial) ebenfalls funktionelle Schichten, wie dielektrische Schichten, optisch opaque, reflektierende und/oder absorbierende Schichten oder Schichten zur Einstellung einer gezielten Lichtreflexion oder -absorption beispielsweise aus Al, Cr und Ti als Einzel- oder Mehrfachschichten realisiert werden. Auch auf die Innenwände der Mikrokanäle können nach deren Herstellung funktionelle Schichten aus beispielsweise SiO2, Al3O3, TiO2, Silanverbindungen zur chemischen Funktionalisierung, zur chemischen Passivierung und/oder zur Anpassung der Benetzungseigenschaften der Materialien der Mikrokanäle beispielsweise durch naßchemische Verfahren oder Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.Functional layers, such as dielectric layers, optically opaque, reflecting and / or absorbing layers or layers for setting a targeted light reflection or absorption, for example made of Al, Cr and Ti as individual or Multiple layers can be realized. Even on the inside walls of the After their production, microchannels can be applied with functional layers of, for example, SiO 2 , Al 3 O 3 , TiO 2 , silane compounds for chemical functionalization, for chemical passivation and / or for adapting the wetting properties of the materials of the microchannels, for example by wet chemical processes or gas phase deposition.
Da die strukturierte Belichtung zur Herstellung von Mikrokanälen mit mindestens zwei Öffnungen durchgeführt wird, befindet sich in dem verbliebenen ausgehärteten Polymermaterial mindestens ein Mikrokanal, beispielsweise mit einem rechteckigen Querschnitt mit Abmessungen von 2000x50x50 µm3 (LängexHöhexBreite).Die Positionierung und Ausrichtung der Mikrokanäle und ihrer Öffnungen wird durch die strukturierte Belichtung und Aushärtung die Polymermaterialien und nachfolgende Entfernung der unausgehärteten Polymermaterialien erreicht.Since the structured exposure for the production of microchannels is carried out with at least two openings, there is at least one microchannel in the remaining cured polymer material, for example with a rectangular cross section with dimensions of 2000x50x50 μm 3 (length x height, width). The positioning and alignment of the microchannels and their openings the polymer materials and subsequent removal of the uncured polymer materials is achieved by the structured exposure and curing.
Dabei erfolgt die Anordnung des fotolithographisch strukturierten Polymerblockes mit dem Mikrokanal oder den Mikrokanälen auf dem Substrat mindestens teilweise außerhalb des Ausbreitungsbereichs der akustischen Welle oder Wellen, wobei die Ausrichtung des Mikrokanals oder der Mikrokanäle und deren mindestens eine Öffnung in Richtung der akustischen Welle oder Wellen, vorteilhafterweise in einem Winkel von ± 45° bezogen auf die orthogonale Ausrichtung der Öffnung zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle oder Wellen, erfolgt , ebenfalls vorteilhafterweise im Wesentlichen orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle oder Wellen, und mindestens an einer Position bezüglich der akustischen Welle oder Wellen realisiert ist, an welcher ein Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen nachweisbar ist.The photolithographically structured polymer block with the microchannel or microchannels is arranged on the substrate at least partially outside the propagation range of the acoustic wave or waves, the orientation of the microchannel or microchannels and their at least one opening in the direction of the acoustic wave or waves, advantageously at an angle of ± 45 ° with respect to the orthogonal orientation of the opening to the direction of propagation of the acoustic wave or waves, likewise advantageously essentially orthogonal to the direction of propagation of the acoustic wave or waves, and is realized at least at one position with respect to the acoustic wave or waves , at which an increase in the amplitude of the acoustic wave or waves is detectable.
Die Positionierung der mindestens einen Öffnung eines Mikrokanals erfolgt, vorteilhafterweise, indem der Mikrokanalteil mit der Öffnung im Ausbreitungsbereich der akustischen Welle oder Wellen angeordnet ist besonders vorteilhafterweise an einer Position der Substratoberfläche, an welcher der Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 10-4...10 nm/mm, vorteilhafterweise 10-3...5 nm/mm, mit nm = (Amplitude der Oberflächenoszillation) und mm = (Strecke auf der Substratoberfläche) beträgt. Der übrige Mikrokanalteil kann außerhalb des Ausbreitungsbereiches der akustischen Welle oder Wellen angeordnet sein.The positioning of the at least one opening of a microchannel takes place advantageously by arranging the microchannel part with the opening in the propagation area of the acoustic wave or waves, particularly advantageously at a position on the substrate surface at which the increase in the amplitude of the acoustic wave or waves 10 -4 . ..10 nm / mm, advantageously 10 -3 ... 5 nm / mm, with nm = (amplitude of the surface oscillation) and mm = (distance on the substrate surface). The rest of the microchannel part can be arranged outside the propagation range of the acoustic wave or waves.
Die Positionierung einer Öffnung eines Mikrokanals am und/oder teilweise im Ausbreitungsbereich der akustischen Welle und an einer Position mit einem nachweisbaren Anstieg der Amplitude der Welle oder Wellen ermöglicht die Interaktion der im Mikrokanal befindlichen Flüssigkeit am Mikrokanalausgang mit der Welle oder den Wellen und damit die Einwirkung einer Kraft auf die Flüssigkeit. Diese Kraftwirkung in Richtung des oder der Amplitudenmaxima führt zur dynamischen Ausbildung und Stabilisierung einer Flüssigkeitsdünnschicht, deren Ausdehnung in Richtung der ansteigenden Amplitude erfolgt und im Amplitudenmaximum zur Zerstäubung der Flüssigkeit führt.Positioning an opening of a microchannel at and / or partially in the propagation area of the acoustic wave and at a position with a detectable increase in the amplitude of the wave or waves enables the interaction of the liquid in the microchannel at the microchannel exit with the wave or the waves and thus the effect a force on the liquid. This force effect in the direction of the amplitude peak or maxima leads to the dynamic formation and stabilization of a liquid thin layer, the expansion of which takes place in the direction of the increasing amplitude and leads to the atomization of the liquid at the amplitude maximum.
Weiterhin können auch eine Vielzahl von Mikrokanälen auf einer oder auf beiden Seiten einer oder mehrerer akustischer Wellen angeordnet sein, wobei immer mindestens eine Öffnung eines Mikrokanals an der Position angeordnet ist, bei der die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 5 - 30 % der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt.Furthermore, a multiplicity of microchannels can also be arranged on one or on both sides of one or more acoustic waves, wherein at least one opening of a microchannel is always arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5-30% of the maximum amplitude of the wave or waves.
Der Anstieg der Amplitude der Welle oder Wellen wird im Rahmen dieser Erfindung so definiert, dass bei Vorliegen einer ausgebildeten Welle oder Wellen auf einem Substrat die Welle oder Wellen über den Querschnitt betrachtet, vom Substrat ausgehend von beiden seitlichen Rändern der Welle aus die Amplitude bis zum Amplitudenmaximum oder mehreren Amplitudenmaxima ansteigt. Sobald ein nachweisbarer Anstieg der Amplitude am Wellenrand vorliegt, ist damit ein Ort für die Positionierung der Öffnung eines Mikrokanals angegeben. Vorteilhafterweise befindet sich dieser Ort an der Position, an der der Anstieg 10-3...5 nm/mm, mit nm = (Amplitude der Oberflächenoszillation) und mm = (Strecke auf der Substratoberfläche) und die Amplitude 5-30 %, vorteilhafterweise 5-15 %, der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt.The increase in the amplitude of the wave or waves is defined in the context of this invention in such a way that when a wave or waves is formed on a substrate, the wave or waves is viewed across the cross-section, starting from the substrate from both lateral edges of the wave to the amplitude up to Amplitude maximum or several amplitude maxima increases. As soon as there is a detectable increase in the amplitude at the edge of the wave, a location for the positioning of the opening of a microchannel is indicated. This location is advantageously at the position at which the rise 10 -3 ... 5 nm / mm, with nm = (amplitude of the surface oscillation) and mm = (distance on the substrate surface) and the amplitude 5-30%, advantageously 5-15%, the maximum amplitude of the wave or waves.
Bei bekannten Daten des SAW-Bauelementes kann dieser Ort berechnet werden. Der Ort kann aber auch durch Messung der Amplitudenverteilung bei gegebenem Aufbau und Eingangssignal, beispielsweise mit Hilfe eines Vibrometers, bestimmt werden. Die Lage der Position kann bei gegebenem Aufbau ebenfalls auf der Substratoberfläche verschoben werden, indem die dem IDT zugeführte Leistung erhöht oder verringert wird, so dass an einer festen Position auf der Substratoberfläche der Betrag des Anstiegs der Amplitude und die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen verändert werden kann.This location can be calculated for known data of the SAW component. However, the location can also be determined by measuring the amplitude distribution for a given structure and input signal, for example with the aid of a vibrometer. The position of the position can also be shifted on the substrate surface for a given structure by increasing or decreasing the power supplied to the IDT, so that at a fixed position on the Substrate surface the amount of increase in amplitude and the amplitude of the acoustic wave or waves can be changed.
Die Lage der Position kann bei gegebenem Aufbau ebenfalls auf der Substratoberfläche verschoben werden, indem die dem IDT zugeführte Leistung erhöht oder verringert wird, so dass sich an einer festen Position auf der Substratoberfläche der Betrag des Anstiegs der Amplitude und die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen verändert. Weiterhin kann bezüglich einer festen Position auf der Substratoberfläche der Betrag des Anstieges der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen bei Verwendung spezieller IDT, beispielsweise sogenannter Chirped oder slanted-finger IDT durch Veränderung der elektrischen Eingangssignale verändert werden. Bei chirped IDT kann dabei durch Wahl der Frequenz in Kombination mit der wellenlängenabhängigen Beugung und Wellenausbreitung eine Variation des Wellenfeldes, d.h. der räumlichen Amplitudenverteilung, erreicht werden. Bei slanted-finger IDT erfolgt die Anregung der SAW bei einer Frequenz nur in einem Teil der Apertur, wodurch ebenfalls das Wellenfeld entsprechend gesteuert werden kann.The position of the position can also be shifted on the substrate surface for a given structure by increasing or decreasing the power supplied to the IDT, so that the amount of increase in amplitude and the amplitude of the acoustic wave or waves change at a fixed position on the substrate surface changed. Furthermore, with regard to a fixed position on the substrate surface, the amount of increase in the amplitude of the acoustic wave or waves can be changed by using special IDTs, for example so-called chirped or slanted-finger IDTs, by changing the electrical input signals. With chirped IDT, a selection of the frequency in combination with the wavelength-dependent diffraction and wave propagation can vary the wave field, i.e. the spatial amplitude distribution. With slanted-finger IDT, the excitation of the SAW occurs at a frequency only in part of the aperture, which also allows the wave field to be controlled accordingly.
Es ist auch möglich, durch die Veränderung des lokalen Anstiegs der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen über ihre Pfadlänge verschiedene Öffnungen von Mikrokanälen entlang des Pfades der akustischen Welle anzusteuern und dann möglicherweise auch unterschiedliche Flüssigkeiten gezielt zu zerstäuben, die durch die unterschiedlichen Mikrokanäle eingebracht werden können.It is also possible to control different openings of microchannels along the path of the acoustic wave by changing the local increase in the amplitude of the acoustic wave or waves over their path length and then possibly also to specifically atomize different liquids which can be introduced through the different microchannels .
Die mindestens zweite Öffnung der Mikrokanäle, die nicht in Richtung der akustischen Welle angeordnet ist, ist mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden.The at least second opening of the microchannels, which is not arranged in the direction of the acoustic wave, is connected to a liquid reservoir.
Die Mikrokanäle haben vorteilhafterweise eine L-förmige Struktur, wobei der kürzere Schenkel des L in Richtung des Flüssigkeitsreservoirs angeordnet ist. Dort können Pumpen, Schläuche oder Ventile angeschlossen werden, um die Flüssigkeitszufuhr zu gewährleisten. Andere Kanalformen, beispielsweise Mäander, oder Kanäle mit mehreren Kanalöffnungen, oder die Integration von aktiven Komponenten wie Pumpen oder Ventilen in den Mikrokanal sind ebenfalls möglich.The microchannels advantageously have an L-shaped structure, the shorter leg of the L being arranged in the direction of the liquid reservoir. Pumps, hoses or valves can be connected there to ensure the fluid supply. Other channel shapes, for example meanders, or channels with several channel openings, or the integration of active components such as pumps or valves in the microchannel are also possible.
Die Dimensionierung der Öffnung in Richtung der akustischen Welle können den Dimensionen der gewünschten Flüssigkeitsschicht (Breite, Höhe) angepasst werden. Wünschenswert ist zudem eine möglichst geringe Breite der Mikrokanalwände im Wechselwirkungsbereich mit der akustischen Welle, um die Wechselwirkungen des Polymermaterials mit der akustischen Welle zu minimieren und die Intensität störender Effekte, wie Polymererwärmung und/oder Polymerdegradation und/oder die Dämpfung der akustischen Welle und/oder die negative Beeinflussung des Wellenfeldes zu verringern. Die Breite der technologisch realisierbaren Kanalwände wird jedoch durch Faktoren wie Haftfestigkeit, mechanische Stabilität und die Grenzen der Lithografie in Polymerschichten limitiert.The dimensions of the opening in the direction of the acoustic wave can be adapted to the dimensions of the desired liquid layer (width, height). It is also desirable to have the smallest possible width of the microchannel walls in the interaction area with the acoustic wave, in order to minimize the interactions of the polymer material with the acoustic wave and the intensity of interfering effects, such as polymer heating and / or polymer degradation and / or the damping of the acoustic wave and / or to reduce the negative influence on the wave field. However, the width of the technologically feasible duct walls is limited by factors such as adhesive strength, mechanical stability and the limits of lithography in polymer layers.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine räumliche Trennung von Flüssigkeitszufuhrposition und Zerstäubungszone realisiert, die durch eine Flüssigkeitsdünnschicht miteinander verbunden sind. Dadurch wird die akustische Welle in ihren Eigenschaften wenig oder gar nicht beeinflusst, sekundäre akustischbedingte Effekte im Fluid vermindert und eine bestmögliche Zerstäubung der Flüssigkeit ist möglich. Ebenso wird das Polymermaterial durch die akustische Welle wenig oder gar nicht negativ beeinflusst, was eine geringere Stressbelastung und höhere Lebensdauer und Leistungsbeständigkeit des Polymermaterials zur Folge hat.The solution according to the invention realizes a spatial separation of the liquid supply position and atomization zone, which are connected to one another by a thin liquid layer. As a result, the properties of the acoustic wave are influenced little or not at all, secondary acoustic effects in the fluid are reduced and the best possible atomization of the liquid is possible. Likewise, the polymer material is negatively or not at all negatively influenced by the acoustic wave, which results in a lower stress load and a longer service life and performance stability of the polymer material.
Die Herstellung der Mikrokanäle mittels fotolithographischer Verfahren ist einfach und kostengünstig und für eine Massenproduktion einfach anwendbar. Es kann auf teure Verfahrensschritte, wie beispielsweise Waferbonden, verzichtet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gut miniaturisierbar und kann gut mit übergeordneten Fluidsystemen, wie Pumpen, Reservoiren, Ventilen, verbunden werden.
Durch Auswahl der Polymermaterialien und einer möglichen Funktionalisierung der Kanalinnenwände kann eine gute Kompatibilität zu vielen Flüssigkeitsklassen oder Dispersionen erreicht werden, ebenso wie eine gute Biokompatibilität.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können kontinuierliche oder diskontinuierliche Flüssigkeitszerstäubungen realisiert werden, sowohl mit nur einer Flüssigkeit als auch mit mehreren verschiedenen Flüssigkeiten, sowie eine gezielte Steuerung der Zerstäubung an verschiedenen Orten durch lokale Änderung des Anstieges der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen auf dem Substrat. Ebenso können die Zerstäubungsbedingungen gesteuert und damit die Aerosoleigenschaften konstant gehalten werden, beispielsweise hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung, oder auch eine selektive Aerosolbildung oder eine zeitlich variable Aerosolbildung realisiert werden.
Unter Flüssigkeiten sollen im Rahmen dieser Erfindung alle Flüssigkeiten und auch Dispersionen und Suspensionen mit Bestandteilen im Nanometerbereich verstanden werden.The production of the microchannels by means of photolithographic processes is simple and inexpensive and can easily be used for mass production. Expensive process steps, such as wafer bonding, can be dispensed with.
The device according to the invention can be miniaturized well and can be easily connected to superordinate fluid systems, such as pumps, reservoirs, valves.
By selecting the polymer materials and a possible functionalization of the channel inner walls, good compatibility with many liquid classes or dispersions can be achieved, as well as good biocompatibility.
With the device according to the invention, continuous or discontinuous liquid atomization can be realized, both with only one liquid and with several different liquids, and a targeted control of the atomization at different locations by changing the local Increase in the amplitude of the acoustic wave or waves on the substrate. The atomization conditions can also be controlled and the aerosol properties can thus be kept constant, for example with regard to the drop size distribution, or else selective aerosol formation or time-variable aerosol formation can be realized.
In the context of this invention, liquids are to be understood to mean all liquids and also dispersions and suspensions with constituents in the nanometer range.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Auf einem 4-Zoll-Wafer aus piezoelektrischem 128°YX Lithiumniobat (LiNbO3) als Substrat wird ein Interdigitalwandler aus 5nm Titan (als Haftschicht) und aufliegend 295nm Aluminium mittels Lift-Off-Strukturierung hergestellt. Anschließend wird eine 1 µm dicke SiO2-Schicht als Funktionsschicht mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht. Die SiO2-Schicht wird anschließend an den Stellen der elektrischen Kontaktierung freigeätzt. Der Interdigitalwandler ist vom Lambda-Viertel-Typ mit Finger- und Leerraumbreiten von jeweils 15 µm und einer Apertur von 2 mm.On a 4-inch wafer made of piezoelectric 128 ° YX lithium niobate (LiNbO 3 ) as a substrate, an interdigital transducer made of 5nm titanium (as an adhesive layer) and 295nm aluminum on top using lift-off structuring. Then a 1 µm thick SiO 2 layer is applied as a functional layer by means of cathode sputtering. The SiO 2 layer is then etched free at the points of the electrical contact. The interdigital converter is of the lambda quarter type with finger and empty space widths of 15 µm each and an aperture of 2 mm.
Nachfolgend wird die Oberfläche des Substrates mittels Aceton und Isopropylalkohol unter Ultraschall 10 min gereinigt und nachfolgend mit Stickstoff abgeblasen und mit Sauerstoffplasma behandelt. Damit sind alle Partikel und organischen Reste von der Oberfläche entfernt, was die Adhäsion mit dem nachfolgend aufgebrachten Fotolack verbessert.Subsequently, the surface of the substrate is cleaned using acetone and isopropyl alcohol under ultrasound for 10 min and then blown off with nitrogen and treated with oxygen plasma. This removes all particles and organic residues from the surface, which improves the adhesion with the subsequently applied photoresist.
Auf die Mitte des Substrates wird nun 5 ml Fotolack SU-8 50 aufgetropft. Durch Abschleudern bei 1500 rpm wird eine Lackschicht auf der Oberfläche des Substrates von ca. 80 µm Dicke gebildet. Das Substrat mit der Lackschicht wird mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 K/min auf 95 °C erwärmt dort für 30 min gehalten und ebenfalls mit 2 K/min wieder abgekühlt. Damit ist das Lösungsmittel entfernt und Verspannungen sind in der Lackschicht minimiert.5 ml of photoresist SU-8 50 is now dripped onto the center of the substrate. By centrifuging at 1500 rpm, a lacquer layer of approximately 80 µm in thickness is formed on the surface of the substrate. The substrate with the lacquer layer is heated to 95 ° C. at a heating rate of 2 K / min and held there for 30 min and likewise cooled again at 2 K / min. This removes the solvent and tensions in the paint layer are minimized.
Nachfolgend findet der Belichtungsprozess statt. Die Belichtung erfolgt in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt die Mikrokanalwände und im zweiten Schritt der Mikrokanaldeckel strukturiert werden.
Zur Herstellung der Mikrokanalwände wird eine Fotomaske 1 in einer im Kontaktmodus betriebenen Belichtungsanlage eingesetzt. Die Fotomaske 1 weist Strukturen aus Chrom und Leerräume auf. Die Leerräume repräsentieren dabei die zu belichtenden Bereiche und damit die späteren Mikrokanalwände. Die Fotomaske 1 wird in einer Vorrichtung entsprechend ausgerichtet. Bei einer Wellenlänge von 365nm wird der Fotolack mit einer Lichtdosis von 7mW/cm2 für 20 s belichtet.
Nachfolgend erfolgt die zweite Belichtung mit der Fotomaske 2 bei einer Wellenlänge von 254 nm mit einer Lichtdosis von 2 mW/cm2 und einer Belichtungszeit von 10 s. Auch diese Fotomaske 2 weist Strukturen aus Chrom und Leerräume auf, wobei die Leerräume die zu belichtenden Bereiche repräsentieren und damit den späteren Kanaldeckel. Auch die Fotomaske 2 wird entsprechend der zuvor belichteten Strukturen ausgerichtet.The exposure process takes place below. The exposure takes place in two steps, the microchannel walls being structured in the first step and the microchannel cover in the second step.
To produce the microchannel walls, a photomask 1 is used in an exposure system operated in contact mode. The photomask 1 has structures made of chrome and empty spaces. The empty spaces represent the areas to be exposed and thus the later microchannel walls. The photomask 1 is aligned accordingly in a device. At a wavelength of 365nm, the photoresist is exposed to a light dose of 7mW / cm 2 for 20 s.
Subsequently, the second exposure with the photo mask 2 takes place at a wavelength of 254 nm with a light dose of 2 mW / cm 2 and an exposure time of 10 s. This photomask 2 also has structures made of chrome and empty spaces, the empty spaces representing the areas to be exposed and thus the subsequent manhole cover. The photo mask 2 is also aligned in accordance with the previously exposed structures.
Nach den beiden Belichtungsschritten erfolgt wiederum eine Temperung zu den Bedingungen, wie für die Entfernung des Lösungsmittels. Danach erfolgt die Entwicklung des Fotolacks mit einem Lackentwickler mr-DEV 600 pur für 2 Stunden. Nachfolgend wird eine Spülung mit reinem Isopropylalkohol durchgeführt und eine Trocknung an Luft realisiert.After the two exposure steps, tempering is again carried out at the same conditions as for the removal of the solvent. Then the photo lacquer is developed with a lacquer developer mr-DEV 600 pur for 2 hours. A rinse with pure isopropyl alcohol is then carried out and drying in air is carried out.
Nach der Entfernung des ungehärteten Fotolacks vom Substrat verbleibt ein Polymerblock von 3,0 x 3,5 mm2 (BreitexLänge) und einer Höhe von 80 µm. Der L-förmige Mikrokanal im Inneren des Polymerblockes hat die Abmessungen von 1,5 mm Länge und 70x100 µm2 (HöhexBreite) des langen L-Schenkels, der parallel zur Substratoberfläche angeordnet ist und 80µm Länge und 100x100 µm2 (HöhexBreite) des kurzen L-Schenkels, der in einem Winkel von 90° zur Substratoberfläche angeordnet ist. Die Innenwände des Mikrokanals sind zur Verbesserung der Benetzung mit einer 5 nm dicken Hydroxymethyltriethoxysilanschicht beschichtet.After the uncured photoresist has been removed from the substrate, a polymer block of 3.0 × 3.5 mm 2 (width × length) and a height of 80 μm remains. The L-shaped microchannel inside the polymer block has the dimensions of 1.5 mm long and 70x100 µm 2 (height x width) of the long L-leg, which is arranged parallel to the substrate surface, and 80µm length and 100x100 µm 2 (height x width) of the short L - Leg, which is arranged at an angle of 90 ° to the substrate surface. The inner walls of the microchannel are coated with a 5 nm thick hydroxymethyltriethoxysilane layer to improve wetting.
Der strukturierte Polymerblock befindet sich zum größten Teil außerhalb des Pfades der akustischen Welle, wobei die Öffnung des langen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung angeordnet ist. Die Kanalöffnung befindet sich dabei in Ausbreitungsrichtung der Welle in einem Abstand von 3mm vom IDT-Ende und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung in einem Abstand von 1.25mm von der Aperturmitte. An diesem Ort entspricht der Betrag der ansteigenden Amplitude der SAW senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ca. 4nm/mm, mit nm (Amplitude) und mm (Strecke auf der Substratoberfläche). Die Amplitude der Welle an der Kanalöffnung beträgt dabei nur ca. 5% des Amplitudenmaximums in dieser Entfernung zum IDT, wodurch ein sehr geringer Energieeintrag in das Polymermaterial gewährleistet wird.The structured polymer block is for the most part outside the path of the acoustic wave, the opening of the long leg of the L-shaped microchannel being arranged perpendicular to the direction of wave propagation. The The channel opening is at a distance of 3mm from the IDT end in the direction of propagation of the shaft and at a distance of 1.25mm from the center of the aperture perpendicular to the direction of propagation. At this location, the magnitude of the increasing amplitude of the SAW perpendicular to the direction of propagation corresponds to approximately 4 nm / mm, with nm (amplitude) and mm (distance on the substrate surface). The amplitude of the wave at the channel opening is only approx. 5% of the maximum amplitude at this distance from the IDT, which ensures a very low energy input into the polymer material.
Zur elektrischen Ansteuerung des Interdigitalwandlers dient ein Sinus-Generator, welcher bei der Resonanzfrequenz des Interdigitalwandlers (ca. 64MHz) betrieben wird und an dessen Ausgang ein 10W-Hochfrequenzverstärker angeschlossen ist. An den Ausgang wird der Interdigitalwandler über Bonddrahtbrücken und SMA-Anschlusskabel angeschlossen.A sine generator, which is operated at the resonance frequency of the interdigital converter (approx. 64 MHz) and to whose output a 10W high-frequency amplifier is connected, is used to electrically control the interdigital converter. The interdigital converter is connected to the output via bond wire jumpers and SMA connection cables.
Die Öffnung des kurzen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals wird über einen Gummiring direkt an eine Andruckplatte mit einem Flüssigkeitsreservoir angeschlossen. Bei Zugabe der Flüssigkeit in das Reservoir füllt diese den Kanal und bildet an der Öffnung des langen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals einen Flüssigkeitsmeniskus auf der Substratoberfläche aus. Als Flüssigkeit wird eine 1%ige Kochsalzlösung eingesetzt. Der Kontaktwinkel der Flüssigkeit zum SiO2 ist kleiner als der Rayleigh-Winkel.The opening of the short leg of the L-shaped microchannel is connected directly to a pressure plate with a liquid reservoir via a rubber ring. When the liquid is added to the reservoir, it fills the channel and forms a liquid meniscus on the substrate surface at the opening of the long leg of the L-shaped microchannel. A 1% saline solution is used as the liquid. The contact angle of the liquid to the SiO 2 is smaller than the Rayleigh angle.
Bei Anlegen eines Sinus-Signals mit der Resonanzfrequenz des Interdigitalwandlers und 4W elektrischer Leistung wird vom Interdigitalwandler eine akustische Oberflächenwelle vom Rayleigh-Typ ausgesandt. Die akustische Oberflächenwelle erreicht den Ort der Öffnung des langen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals mit dem zuvor definierten Amplitudenanstieg. Dadurch wird eine Kraft auf den Flüssigkeitsmeniskus ausgeübt, es bildet sich eine dünne Flüssigkeitsschicht aus und die Flüssigkeit wird in Richtung des Amplitudenmaximums gezogen. Die Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt am Ort des Amplitudenmaximums. Durch eine kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr wird eine kontinuierliche, gleichmäßige und sichere Zerstäubung realisiert.When a sine signal is applied with the resonance frequency of the interdigital transducer and 4W electrical power, the surface acoustic wave from the interdigital transducer is emitted by the Rayleigh type. The surface acoustic wave reaches the location of the opening of the long leg of the L-shaped microchannel with the previously defined increase in amplitude. As a result, a force is exerted on the fluid meniscus, a thin layer of fluid forms and the fluid is drawn in the direction of the maximum amplitude. The liquid is atomized at the location of the maximum amplitude. Continuous, even and safe atomization is achieved through a continuous supply of liquid.
Claims (17)
- Device for atomizing liquid, consisting of a piezoelectric substrate or of a substrate coated with a piezoelectric layer or of a nonpiezoelectric substrate joined via a coupling medium to a piezoelectric substrate, where at least one interdigital transducer having electrodes has been applied to the piezoelectric substrate or to the substrate coated with a piezoelectric layer, and also one or more structures composed of polymer material having microchannels which have been applied by means of photolithographic processes are present on the piezoelectric substrate or on the substrate coated with a piezoelectric layer or on the nonpiezoelectric substrate joined via a coupling medium to the piezeoelectric substrate, which structures are arranged at least partly outside the region of spread of the acoustic wave or waves excited by the at least one interdigital transducer, and the microchannels have at least two openings and at least one of the openings of the microchannels is arranged in the direction of the acoustic wave or waves and this at least one opening of the microchannels is arranged at the position at which the acoustic wave or waves has/have a discernible increase in the amplitude of the acoustic wave or waves and the at least one opening of the microchannels which is not arranged in the direction of the acoustic wave is connected to a reservoir for liquid.
- Device according to Claim 1, wherein the piezoelectric substrate consists of single-crystal SiO2, lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3) , langasite (La3Ga5SiO14), Ca3TaGa3Si2O14, aluminium nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT), lead-magnesium niobate (PMN), gallium orthophosphate (GaPO4) or a nonpiezoelectric substrate composed of polymer, glass, ceramic or metal coated with a piezoelectric layer.
- Device according to Claim 1, wherein the nonpiezoelectric substrate joined via a coupling medium to a piezoelectric substrate consists of polymer, glass, ceramic or metal.
- Device according to Claim 1, wherein the substrate on which the structures composed of polymer material are located is optically transparent.
- Device according to Claim 1, wherein there is a microchannel whose opening is arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5 - 30%, more advantageously 5 - 15%, of the maximum amplitude of the wave or waves.
- Device according to Claim 1, wherein there are two microchannels of which at least one opening is arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5 - 30%, more advantageously 5 - 15%, of the maximum amplitude of the wave or waves, with the microchannels being arranged on the substrate at opposite sides of the acoustic wave.
- Device according to Claim 1, wherein there is a plurality of microchannels whose at least one opening is arranged on one or both sides of the acoustic wave or waves.
- Device according to Claim 1, wherein the polymer material of the microchannels consists of epoxy-based polymeric photoresist or novolak-based polymeric photoresist or acrylic-based polymeric photoresist.
- Device according to Claim 1, wherein the cross sections of the microchannels are rectangular, square, semi-circular or half-oval and/or a region of the circumference of the microchannels is formed by the substrate and/or layers present on the substrate.
- Device according to Claim 1, wherein the interior walls of the microchannels are coated with individual layers or multiple layers of metallic material, silane compounds, polymer material, ceramic material or glass material.
- Device according to Claim 1, wherein at least one opening of a microchannel is arranged at the position at which the increase in the amplitude of the acoustic wave or waves is 10-4 ... 10 nm/mm, advantageously 10-3 ... 5 nm/mm.
- Device according to Claim 1, wherein chirped IDTs or slanted finger IDTs are used as interdigital transducers.
- Device according to Claim 1, wherein one or more functional layers are present between the substrate and the polymer material of the structures.
- Device according to Claim 1, wherein the contact angle of the liquid to the substrate surface and/or to a functional layer located on the substrate surface is smaller than or equal to the angle of radiation of the waves into the liquid (Rayleigh angle).
- Process for producing a device for atomizing liquid, wherein at least one interdigital transducer is applied to a piezoelectric substrate or to a substrate coated with a piezoelectric layer or to a substrate joined via a coupling medium to a piezoelectric substrate, photolithographically structurable polymer material is subsequently applied and the structured illumination of the polymer material is carried out to produce one or more microchannels having at least two openings, where at least one of the openings of the microchannels produced by the structuring is in each case arranged in the direction of the acoustic wave or waves at the position at which the acoustic wave or waves has/have a discernible increase in the amplitude of the acoustic wave or waves and the uncrosslinked polymer material is removed after the structured illumination and curing.
- Process according to Claim 15, wherein photolithographically structurable polymer material having wavelength-dependent light absorption is applied and in order to structure the microchannels is illuminated firstly with light having a wavelength 1 for illumination of the microchannel walls and is subsequently illuminated with light having a wavelength 2 for illumination of the microchannel covering.
- Process according to Claim 15, wherein functional layer(s) are applied to the substrate, advantageously functional layers composed of dielectric or passivating material, for example layers composed of SiO2, Al2O3, TiO2 and/or metallic layers such as Al, Ti, Cr, Au, Pt, Pd.
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