專利名稱：一種優(yōu)化的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將藥物霧化后輸入人體內(nèi)的裝置，屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，用于吸入式藥物治療(Inhalation Drug Therapy，IDT)的微噴得到了廣泛的關(guān)注。做為一種具有很少副作用的非侵入式治療方法，IDT是哮喘和其它肺部疾病常用的治療方法，其市場(chǎng)潛力約在120億美元。此外，在糖尿病的治療中，IDT也是傳統(tǒng)的胰島素注射方法的潛在的替代方法。
本發(fā)明人過去曾研制了一種面向IDT應(yīng)用的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件包括噴孔膜1、彈性腔膜4、圓形壓電片5和電極引線7。噴孔膜1采用體硅工藝在硅片上刻蝕出凹槽即液體腔2的上半部，然后利用ICP工藝刻蝕出微噴孔陣列6，其中典型的噴孔直徑為10μm，噴孔數(shù)為600個(gè)。彈性腔膜4采用體硅工藝刻蝕出供液管道3和液體腔2的下半部。噴孔膜1與彈性腔膜4粘結(jié)在一起后形成封閉的液體腔2。壓電片5與彈性腔膜4粘結(jié)在一起形成壓電換能器。壓電片上下表面鍍有鋁電極，其極化方向?yàn)楹穸确较颉?br> 壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴是基于壓電驅(qū)動(dòng)噴墨打印機(jī)工作的基本原理，利用微型機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)技術(shù)加工而成的。這種微型噴產(chǎn)生的霧粒直徑分布集中，霧粒直徑更加適合于霧化吸入治療。壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴應(yīng)用于霧化吸入治療具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)壓電驅(qū)動(dòng)不會(huì)造成藥物的物理/化學(xué)變化，對(duì)藥物幾乎沒有損害；(2)控制靈活簡(jiǎn)單，一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)用于多個(gè)噴嘴的噴射，因而可以在合理的驅(qū)動(dòng)頻率下達(dá)到足夠的流量；(3)功耗低，體積??；(4)MEMS高集成和批量生產(chǎn)可能使成本大大降低。其工作原理為壓電換能器在交變電壓作用下發(fā)生振動(dòng)，并與液體腔中液體相互作用，產(chǎn)生的壓力波傳遞到噴嘴的入口處導(dǎo)致液體射流從噴嘴噴出進(jìn)而霧化為液滴。液滴的大小和速度與驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和頻率有關(guān)。
但是所述的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴還存在著很多問題。這些問題包括(1)在每次壓電驅(qū)動(dòng)中，不是噴孔膜上的所有噴孔都噴射液滴，因而減少了噴射劑量，使得每次給藥量低于設(shè)計(jì)量，不能精確控制噴射劑量；(2)氣泡和噴孔外表面的水膜問題，也是有噴孔的微型陣列微噴的共有的問題，對(duì)液滴噴射的影響較大，甚至?xí)?dǎo)致微型陣列微噴不能工作，尤其是對(duì)陣列液滴噴射的影響更為明顯；(3)在噴孔比較小的情況下，微噴流量比較小。由于這些問題，壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴距離進(jìn)入吸入器市場(chǎng)還有一定距離。在明確壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴的工作機(jī)理的基礎(chǔ)上對(duì)這些問題的解決是當(dāng)前一個(gè)迫切的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴存在的噴孔外表面的水膜問題和在噴孔比較小的情況下，微噴流量比較小的問題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴存在的在每次壓電驅(qū)動(dòng)中，不是噴孔膜上的所有噴孔都噴射液滴。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供本發(fā)明所述的彈性腔膜的加工方法。
本發(fā)明提供了一種優(yōu)化的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，包括噴孔膜，彈性腔膜和壓電片，壓電片與彈性腔膜粘結(jié)在一起形成壓電換能器，壓電片上下表面鍍有鋁電極，極化方向?yàn)楹穸确较颍涮卣髟谟谒鰢娍啄づc彈性腔膜粘結(jié)形成封閉的液體腔，所述噴孔膜外表面上設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)；所述噴孔膜上的噴孔布置在所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面。
本發(fā)明所述壓電片驅(qū)動(dòng)并在噴孔膜上產(chǎn)生壓力波分布，所述噴孔位于噴孔膜上對(duì)應(yīng)的壓力峰值處。
本發(fā)明的一種實(shí)施例為所述噴孔膜上的噴孔位于噴孔膜的中心。
本發(fā)明的另一種實(shí)施例為所述噴孔膜上的噴孔位于噴孔膜的中心和靠近邊壁處。
本發(fā)明所述液體腔的深度為50～150μm。
本發(fā)明公開了壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴裝置中的噴孔膜加工方法，采用等離子刻蝕方法在硅片上加工微噴孔，其特征在于該加工方法依次按如下步驟執(zhí)行1)雙面生長(zhǎng)SiO2，雙面淀積Si3N4；2)下表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成等離子刻蝕微噴孔圖形窗口；3)下表面等離子刻蝕單晶硅，形成一端開口的微噴孔；4)下表面生長(zhǎng)SiO2，淀積Si3N4，以保護(hù)步驟3)中形成的微噴孔；5)上表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成體硅腐蝕圖形窗口；6)各向異性腐蝕單晶硅上表面，使步驟3)中所述微噴孔成為通孔，并形成凹槽結(jié)構(gòu)；7)上、下表面去除Si3N4和SiO2。
通過對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使得其液滴噴射分布更加均勻，并且有效避免了水膜問題，同時(shí)提高了流量。


圖1為現(xiàn)有的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明所述的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴裝置的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為f＝35.759KHz時(shí)噴孔入口面壓力波分布與噴孔布置的比較圖。
圖4為本發(fā)明所述的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴裝置的實(shí)施例的噴孔面平面圖。
圖5a為本發(fā)明所述的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴裝置中的彈性腔膜的加工流程簡(jiǎn)圖。
圖5b為本發(fā)明所述的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴裝置中的噴孔膜的加工流程簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)應(yīng)用的要求以及以往的相關(guān)研究成果，本發(fā)明設(shè)計(jì)的優(yōu)化的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴結(jié)構(gòu)的實(shí)施例如圖3所示。該器件主要由噴孔膜13，彈性腔膜9和壓電片10構(gòu)成的。噴孔膜13先利用ICP工藝刻蝕出微噴孔陣列12，然后采用體硅工藝在硅片上刻蝕出凹槽結(jié)構(gòu)，并使微噴孔成為通孔，微噴孔的直徑控制在3～30μm之間，長(zhǎng)度為30μm，噴孔數(shù)為4000個(gè)。彈性腔膜9是采用體硅工藝在硅片的上下表面分別刻蝕出直徑為10mm，深度為100μm和200μm的圓形凹槽后的剩余部分，其厚度為100μm，供液管道11與深度為100μm的圓形凹槽同時(shí)刻蝕。將噴孔膜13的凹槽結(jié)構(gòu)向上與彈性腔膜9粘結(jié)在一起形成封閉的液體腔8。壓電片10與彈性腔膜9粘結(jié)在一起形成壓電換能器。圓形壓電片上下表面鍍有鋁電極，其極化方向?yàn)楹穸确较颉?4為電極引線。噴孔膜13上的噴孔12布置在所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面。
壓電微噴的工作有三個(gè)特點(diǎn)。一是微噴工作在器件的諧振頻率點(diǎn)，在諧振頻率點(diǎn)，壓電換能器的振動(dòng)幅值最大，因而傳遞到噴孔的壓力波的幅值也最大，液滴最容易形成；二是在其它工作條件相同的情況下，液滴的大小與驅(qū)動(dòng)頻率成反比，頻率越高，液滴越?。蝗窃谥C振頻率點(diǎn)，壓力波在液體腔中形成駐波，不同階諧振頻率，駐波模態(tài)不同。由于噴孔應(yīng)該布置在壓力波幅值最大的區(qū)域，所以針對(duì)不同工作頻率，應(yīng)該根據(jù)壓力駐波模態(tài)具有不同的噴孔布置。如果噴孔布置在壓力較小的地方，該噴孔處液體不但不能形成射流和霧化為液滴，而且會(huì)在噴孔面上形成大的液滴或者液膜，導(dǎo)致微噴不能正常工作。
由于對(duì)應(yīng)于相同階次的壓力駐波模態(tài)，壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴的工作分p型和q型振動(dòng)兩個(gè)諧振頻率。p型振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)于壓電換能器振動(dòng)占主導(dǎo)的模態(tài)，壓力駐波模態(tài)的階次與壓電換能器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的階次相同。對(duì)于p型振動(dòng)模態(tài)，壓力波沿厚度方向幾乎沒有變化。q型振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)于噴孔膜占主導(dǎo)的模態(tài)，壓力駐波模態(tài)的階次與噴孔膜的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的階次相同，壓力波沿厚度方向有變化。因此，p型振動(dòng)諧振頻率才是我們需要的器件工作頻率。
對(duì)于軸對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，壓力波在噴孔面中心幅值均較大，而對(duì)應(yīng)于非軸對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，壓力波在噴孔膜中心幅值均較小。出于液滴噴射方向性的考慮，軸對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)是較理想的器件工作頻率。
圖3所示為微噴工作在諧振頻率點(diǎn)f＝35.759KHz時(shí)的壓力波的分布，其為軸對(duì)稱的，壓力波沿徑向有兩個(gè)峰值分布，分別在噴孔膜的中心和靠近邊壁處，這就說明為了提高微噴流量，噴孔應(yīng)該集中布置在噴孔膜對(duì)應(yīng)壓力峰值的中心和靠近邊壁處，而靠近波節(jié)圓處應(yīng)該盡量少布置噴孔。圖3中陰影部分為現(xiàn)有的噴孔布置，顯然大部分噴孔都布置在壓力較小的地方，所以這種布置是不符合設(shè)計(jì)要求的；而圖4所示的本發(fā)明實(shí)施例的噴孔布置則與壓力波分布吻合，即布置在噴孔膜的中心和靠近邊壁處。
與圖1所示的壓電驅(qū)動(dòng)微噴比較，本發(fā)明所述的優(yōu)化壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置具有以下的優(yōu)點(diǎn)1、新型壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴的噴孔在噴孔膜上的分布符合壓力波的分布，有利于液滴的噴射；2、為了縮短噴孔長(zhǎng)度的同時(shí)提高噴孔膜的剛度和強(qiáng)度，在噴孔膜上設(shè)計(jì)了凹槽結(jié)構(gòu)，但是由于壓力波在液體腔內(nèi)的傳播是徑向的，在圖1所示的壓電驅(qū)動(dòng)微噴中，這些凹槽的邊壁就會(huì)阻礙噴孔附近的壓力波的傳輸，因此將凹槽結(jié)構(gòu)向上可以有效避免這一缺點(diǎn)；另一方面，微噴在工作時(shí)，其表面極其容易形成水膜，阻礙微噴工作；將凹槽結(jié)構(gòu)向上后，噴孔膜上表面就被分成了很多了小的區(qū)域，這樣在每個(gè)區(qū)域內(nèi)的噴孔數(shù)量就少很多，從而形成水膜的幾率就大大降低了。
3、由于現(xiàn)有硅片的厚度一般都為400μm，而微噴的振動(dòng)腔膜只需要100μm，這樣液體腔的深度就為300μm。經(jīng)研究得知，液體腔越厚，壓力波在液體中傳播時(shí)受到的阻力越大。因此，減小液體腔的深度有利于壓力波的傳輸，及液滴的噴射。
現(xiàn)有技術(shù)中，噴孔膜的加工是先體硅腐蝕出凹槽，然后ICP刻蝕出微噴孔的，這樣加工的缺點(diǎn)是ICP刻蝕時(shí)微噴孔靠近體硅腐蝕的那面散熱不好，致使微噴孔變?yōu)殄F孔。為了克服上述技術(shù)難題，本發(fā)明采用如圖5所示的壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴加工工藝進(jìn)行噴孔膜的加工。噴孔膜13和彈性腔膜9的加工是基于MEMS技術(shù)，采用硅微細(xì)加工工藝，噴孔膜13和彈性腔膜的粘接采用硅-硅鍵合，這樣就有效避免了手工粘接中的對(duì)準(zhǔn)等問題。其中，微噴孔采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕(Inductively Coupled Plasma，ICP)方法在硅片上加工，彈性腔膜9和噴孔膜13的加工流程如圖5a和圖5b所示，其中，17為單晶硅，本發(fā)明中使用的單晶硅厚度為400μm，16為二氧化硅(SiO2)，15為氮化硅(Si3N4)。彈性腔膜的加工工藝流程為1)雙面生長(zhǎng)SiO2，雙面淀積Si3N4；2)下表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成下表面體硅腐蝕窗口；3)各向異性腐蝕單晶硅下表面100μm；4)上表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成上表面體硅腐蝕窗口；5)各向異性腐蝕單晶硅上、下表面100μm；6)上、下表面去除Si3N4和SiO2。
噴孔膜的加工工藝流程為1)雙面生長(zhǎng)SiO2，雙面淀積Si3N4；2)下表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成ICP刻蝕微噴孔圖形窗口；3)下表面ICP刻蝕單晶硅40μm，形成一端開口的微噴孔；4)下表面生長(zhǎng)SiO2，淀積Si3N4，以保護(hù)步驟3)中形成的微噴孔；5)上表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成體硅腐蝕圖形窗口；6)各向異性腐蝕單晶硅上表面，腐蝕深度370μm使步驟3)中所述微噴孔成為通孔，并形成凹槽結(jié)構(gòu)；7)上、下表面去除Si3N4和SiO2。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，包括噴孔膜，彈性腔膜和壓電片，壓電片與彈性腔膜粘結(jié)在一起形成壓電換能器，壓電片上下表面鍍有鋁電極，極化方向?yàn)楹穸确较?，其特征在于所述噴孔膜與彈性腔膜粘結(jié)形成封閉的液體腔，所述噴孔膜外表面上設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)；所述噴孔膜上的噴孔布置在所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，其特征在于所述壓電片驅(qū)動(dòng)并在噴孔膜上產(chǎn)生壓力波分布，所述噴孔位于噴孔膜上對(duì)應(yīng)的壓力峰值處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，其特征在于所述噴孔位于噴孔膜的中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，其特征在于所述噴孔位于噴孔膜的中心和靠近邊壁處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，其特征在于所述液體腔的深度為50～150μm。
6.壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴裝置中的噴孔膜加工方法，采用等離子刻蝕方法在硅片上加工微噴孔，其特征在于該加工方法依次按如下步驟執(zhí)行1)雙面生長(zhǎng)SiO2，雙面淀積Si3N4；2)下表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成等離子刻蝕微噴孔圖形窗口；3)下表面等離子刻蝕單晶硅，形成一端開口的微噴孔；4)下表面生長(zhǎng)SiO2，淀積Si3N4，以保護(hù)步驟3)中形成的微噴孔；5)上表面光刻，刻蝕Si3N4和SiO2，形成體硅腐蝕圖形窗口；6)各向異性腐蝕單晶硅上表面，使步驟3)中所述微噴孔成為通孔，并形成凹槽結(jié)構(gòu)；7)上、下表面去除Si3N4和SiO2。
全文摘要
一種優(yōu)化的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置及其加工方法，屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)陣列微噴存在的噴孔外表面的水膜問題和在噴孔比較小的情況下，微噴流量比較小的問題，本發(fā)明提供了一種優(yōu)化的壓電驅(qū)動(dòng)微噴裝置，包括噴孔膜，彈性腔膜和壓電片，壓電片與彈性腔膜粘結(jié)在一起形成壓電換能器，壓電片上下表面鍍有鋁電極，極化方向?yàn)楹穸确较颍涮卣髟谟谒鰢娍啄づc彈性腔膜粘結(jié)形成封閉的液體腔，所述噴孔膜外表面上設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)；所述噴孔膜上的噴孔布置在所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面。本發(fā)明還公開了噴孔膜加工方法，該方法采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法在硅片上加工微噴孔。本發(fā)明所述裝置的液滴噴射分布均勻，有效避免了水膜問題，同時(shí)提高了流量。
文檔編號(hào)A61M11/00GK1562398SQ200410003470
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者周兆英, 朱俊華, 杜桂彬, 馮焱穎, 張毓笠, 史文勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京博大微納科技有限責(zé)任公司