專利名稱：用于以高速微射流形式輸送流體的設備和方法
用于以高速微射流形式輸送流體的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于以高速微射流形式輸送流體的設備和方法。
傳統(tǒng)地，口服藥片是將藥物輸送至人體內的主要方法。其他方法包括 注射和肺部及粘膜給藥。給藥的另一個方法是經皮給藥。經皮給藥是直接 通過皮膚屏障輸送藥物。經皮給藥相比其他給藥方法有許多益處，比如可 以避免首先經過新陳代謝等。
藥品透過皮膚擴散的主要屏障是皮膚的最外層，即角質層。已經提出 了各種對透過角質層的經皮給藥進行增強的方法，其中包括，使用如化學 物質的增強劑或刺激物、電壓電荷、超聲波、熱處理、微針和激光輔助技 術。然而，這些技術沒有提供根據時間按劑量給藥的能力。
另一個給藥方法是使用無針注射或者高速噴射注射器。噴射注射器高 速移動待注射的溶液，并將溶液以射流噴出，穿過角質層并將溶液沉積在 皮膚的真皮以及皮下區(qū)域。雖然傳統(tǒng)的高速噴射可以透過角質層傳輸藥物， 但是該方法的缺點是輸送大量藥物，其在僅一次性噴射注射中輸送。
已有通過高速噴射方法重復輸送小量藥物的新途徑。然而，所使用的 設備相當大而且昂貴，這是因為這些設備使用大的壓電換能器，例如，用
尺寸為2X2X2mm或5X5X5 mm的鋯鈦酸鉛(PZT)制成。這種大的壓 電換能器包括大量的鉛。
本發(fā)明的目的是提供用于以高速微射流形式輸送流體的小型且低價的 設備。
根據本發(fā)明，該目的通過用于以高速微射流形式輸送流體的設備實現(xiàn)， 其包括用于容納流體的容器，所述流體通過所述容器的噴嘴輸送；還包 括與所述容器協(xié)同工作的驅動器，其特征在于，所述驅動器包括薄膜換能 器膜，其中所述換能器膜被分為至少兩個換能器單元，所述換能器單元形 成換能器陣列，其中，每個換能器單元對應于所述換能器膜的特定一部分。
4本發(fā)明的核心思想是使用低價半導體薄膜技術來構造用于以高速微射 流形式輸送流體的低價設備。為此，薄膜換能器膜被分為至少兩個換能器 單元，以施加用于產生高速微射流的壓力。所述換能器單元形成換能器陣 列，其中，每個換能器單元對應于換能器膜的特定一部分。換能器陣列可 以是一維或二維的，即，換能器單元可以排列成一條線以形成一維陣列， 或以二維方式排列以形成二維陣列。
可以采用低價薄膜器件的形式提供薄膜壓電驅動器，該低價薄膜器件 可以用現(xiàn)有半導體技術來制造。這樣的薄膜壓電驅動器僅包括很少量的鉛。 減小鉛含量對于環(huán)境因素特別有益。
本發(fā)明的目的還通過采用流體輸送設備來輸送流體的方法實現(xiàn)，所述 方法包括施加驅動電壓以彎曲所述設備的薄膜換能器膜的換能器單元的步 驟，所述換能器膜被分為至少兩個換能器單元，所述換能器單元形成換能 器陣列，其中，每個換能器單元對應于所述換能器膜的特定一部分，所述 換能器膜是驅動器的一部分，所述驅動器與流體容器協(xié)同工作，使得在所 述換能器單元彎曲時通過所述容器的噴嘴輸送所述流體。
根據由從屬權利要求限定的下列實施例進一步詳細說明本發(fā)明的這些 和其他方面。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，可以通過壓電或靜電驅動來驅動換能器單元。 在壓電驅動的情況下，換能器膜包括壓電層，通過向壓電層施加電場，由 壓電層的壓電驅動來彎曲換能器單元。壓電和靜電驅動都是薄膜換能器單 元領域公知的概念，從而使得可以使用低價半導體工藝來生產本發(fā)明所述 的換能器陣列。可以使用壓電和靜電驅動的組合。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，每個換能器單元具有專用的支撐結構，用 于獲得壓電層的最優(yōu)轉換。支撐結構用于將換能器膜分為形成陣列結構的 單個的換能器單元。陣列結構用于限定換能器膜的剛度和總能值。剛度由 換能器膜的層厚度、構成換能器膜的材料的楊氏模量和在壓電層的縱向膨 脹/收縮的主要方向上單個換能器單元的膜的長度來確定。總能值主要由其 壓電材料本身、施加的電壓、電極設計和壓電層的總體積確定。因而，壓 電層的面積越大，或者換能器單元越多，可用的能量就越多。單個換能器 單元的剛度限制了可以施加到流體的壓力，確定微射流的速度?？捎玫目偰芰肯拗屏四ひ淮蝿幼?stroke)可以輸送的流體量。因而，需要小的換能
器單元以獲得例如能夠穿過角質層的高速微射流，需要適當數(shù)量的換能器 單元來在一次動作中噴射適當量的流體。
本發(fā)明的另一目的是提高流體的輸送速度。本發(fā)明的該目的通過上述 設備實現(xiàn)，其包括用于向每個換能器單元單獨施加驅動電壓的控制單元。
本發(fā)明的該目的還通過包括下述步驟的方法實現(xiàn)施加驅動電壓使得在所 述設備的容器內產生確定的壓力波，所述壓力波集中在所述容器的噴嘴上。 換句話說，膜換能器的陣列結構具有另外的益處，即其使得可以在流體容 器的至少一個噴嘴上主動集中藥物中的壓力波。這在給定的驅動電壓下增 加了微射流速度。
本發(fā)明可用于醫(yī)療設施，例如用于經皮給藥，例如用于輸送縮氨酸、
蛋白質和基于DNA的治療物質，以及用于疼痛治療。此外，本發(fā)明可用于 美容目的的液體經皮注射。此外，本發(fā)明可用于噴墨打印設備。
下面通過舉例參考以下實施例和附圖詳細描述本發(fā)明的這些和其他方 面，其中


圖1是流體輸送設備第一實施例的示意圖； 圖2是流體輸送設備第二實施例的示意圖； 圖3是流體輸送設備第三實施例的示意圖； 圖4是換能器單元線性陣列的示意圖；以及 圖5是二維換能器單元陣列的示意圖。
圖1示出第一流體輸送設備1。本實施例使用液體藥物形式的流體。輸 送設備1包括漏斗狀容器2，用于容納藥物，通過噴嘴3輸送藥物。容器2 是基礎單元4的一部分。噴嘴3位于漏斗的窄端。也可以使用其他形狀的 容器。設備1還包括與所述容器2協(xié)同工作的驅動器5，該驅動器5包括薄 膜換能器膜6。換能器膜6封閉容器2的一側，噴嘴3位于容器2的相反一 側。換能器膜6包括壓電層7、底電極8和頂電極9。兩個電極8、 9都以 導電電極層(薄膜層)的形式設置。壓電層7由厚度介于0.5pm和10^im之間的PZT制成?？梢允褂靡恍┢渌麎弘姴牧洗鍼ZT。
底電極8未經結構化，覆蓋PZT層7朝向容器2的整個下表面。頂電 極9經結構化，使得其僅覆蓋PZT層7上表面的一部分。換句話說，PZT 層7上表面的一些區(qū)域11未被頂電極9覆蓋。PZT層7上表面被頂電極9 覆蓋的區(qū)域設置有包括腿13或條的支撐結構12，腿13或條連接到剛性背 板14。因而，PZT層7通過支撐結構12被夾在底電極8和結構化的頂電極 9之間。
根據頂電極9的結構和支撐結構12相對于換能器膜6的位置，換能器 膜6被分為多個換能器單元15，每個換能器單元具有相對小的有效表面面 積。所述換能器單元15形成換能器陣列，其中，每個換能器單元15對應 于換能器膜6的特定一部分。圖1示出三個這樣的換能器單元15。每個換 能器單元15的大小由支撐結構12相對于換能器膜6的位置確定。換能器 單元15在x方向的長度由支撐結構的兩個相鄰腿13或條之間的距離確定。 這些腿13或條之間在x方向上的距離主要地影響著換能器膜6的剛度，而 y方向的大小選定則相當不同。換句話說，換能器膜6是被加固的，其在于 換能器膜6以確定方式(即，沿確定的線)固定到支撐結構12。換能器單 元15沿膜平面x方向的延伸介于10pm和1 mm之間。
進行頂電極9的結構化及通過支撐結構12夾住換能器膜6的方式，使 得將PZT層7在長度方向(x方向)的膨脹/收縮最大地轉換成換能器膜6 的垂直運動(z方向)，以對液體藥物施加壓力。換句話說，支撐結構12保 證了每一單個換能器單元15所需要的剛度。此外，以陣列形式存在、足夠 大量、協(xié)同工作的小換能器單元15保證了輸送足夠大量的流體。
也可以使用其他電極組合，例如，兩個電極8、 9可以都是結構化的， 或者，依賴于換能器膜6的其他構成，可以使用未結構化的頂電極9。
換能器膜6和換能器單元15以及支撐結構12 —起固定在用于液體藥 物的容器2上。另一個可能是，整個容器2或者其一部分屬于半導體晶片 結構，通過半導體薄膜技術在該結構上設置電極8、 9和壓電層7。這包括 對容器2進行蝕刻以及對頂電極9進行結構化。此外，支撐結構12，例如 金屬化的結構化硅晶片，粘在或者焊在結構化的頂電極9上，以加固換能 器膜6。圖1示出具有X方向上一維換能器陣列的輸送設備1的截面。為了輸
送液體藥物，透過PZT層7施加驅動電壓。換句話說，向電極8、 9施加驅 動電壓以在膜平面內膨脹/收縮PZT層7，這主要利用與頂電極9和底電極 8之間的電場垂直的PZT層7的膨脹/收縮。利用換能器膜6固定于其上的 支撐結構12和結構化頂電極9， PZT層7的膨脹/收縮被轉換至換能器膜6 平面。換能器單元15垂直于換能器膜6平面彎曲，并且在容器2內的液體 藥物上施加z方向的壓力，迫使容器2內的藥物通過噴嘴3。另一個實施例 中(未示出)，在y方向上放置另外的換能器單元15，以構成二維陣列。
控制單元(未示出)用于施加驅動電壓，所述控制單元連接到驅動器5， 具體是連接到薄膜換能器膜6的電極8、 9。可采用特殊技術來控制一維或 二維陣列形式的換能器單元15。根據該技術，其每一個均可有選擇地能夠 變形的換能器單元15可以被單獨激活，即通過驅動電壓控制，以獲得對容 器2內的壓力波的主動集中。換句話說，每個換能器單元15可以由控制單 元單獨控制。為此，控制單元連接到每個換能器單元15，這可以通過印刷 電路板領域的公知技術實現(xiàn)?？刂茊卧刂茡Q能器單元15，使得在容器2 內產生確定的壓力波，所述壓力波集中在容器2的噴嘴3上。換句話說， 噴嘴3上的流體壓強最大。優(yōu)選地，這通過先向離噴嘴3最遠的換能器單 元15施加驅動電壓、然后繼續(xù)向臨近的換能器單元15等施加驅動電壓來 實現(xiàn)，這樣，獲得向噴嘴3的"相移"。驅動電壓的具體施加依賴于換能器 陣列的形狀、容器2的形狀、噴嘴3相對于換能器膜6的位置等等。
優(yōu)選地，通過計算機軟件實現(xiàn)控制單元的內部控制，該計算機軟件包 括計算機指令，當軟件在控制單元的處理單元內執(zhí)行時，用于如上所述地 控制驅動電壓。可替換地，可以用硬件實現(xiàn)驅動電壓的控制方法，例如， 使用一個或多個集成電路。處理單元自身可以包括以硬件、軟件或二者的 組合形式實現(xiàn)的功能模塊或單元。
另一個實施例中(未示出)，容器2包括多于一個噴嘴3。此外，可以 有以特定方式打開或關閉噴嘴3的裝置，優(yōu)選地進行該噴嘴操作以對應于 動態(tài)控制的對驅動電壓向換能器單元15的施加。
本發(fā)明的另一個實施例中，圖1所示的整個輸送設備集成在具有流體 貯液器的外殼(未示出)內，貯液器連接到設備l的藥物容器2，以在噴射流體后重新填充藥物容器2。此外，外殼可以包括基于微處理器的控制單元， 用于控制設備1的激活和能量源，如作為電源的電池。控制單元可以進行 如上所述施加驅動電壓的功能。
圖2示出本發(fā)明的另一個實施例，其中換能器膜6'包括形成換能器膜6' 上表面的兩個膜層16、 17 (例如，由Si02，、 Si3N4或半導體產品線上可用 的類似材料制成)、壓電(如PZT)層7和形成頂電極9，的單個電極層?？?替換地，可以僅使用一個換能器層，而且/或者，壓電層7可以是結構化的 (未示出)。同樣進行頂電極9'的結構化以及通過支撐結構12'來夾持，以 將壓電層7的長度方向上(x方向)膨脹/收縮最大地轉換成換能器膜6的 垂直運動(z方向)，以對藥物施加壓力。
圖l所示實施例中，電場對準于頂電極和底電極8、 9之間且位于z方 向，即，與壓電層7的長度方向上膨脹/收縮(x方向)的方向垂直。這種 情況下，壓電系數(shù)d3,用于膨脹/收縮。與之相比，圖2的實施例中，電場與 膨脹/收縮方向(x方向)對準，g口，電場位于x方向。因而，這種情況下 使用壓電系數(shù)(b。優(yōu)選地，使用更高的膜溫度，向頂電極9'施加相對高的 驅動電壓，得到換能器膜6'相對大的彎曲。
圖2所示的多個膜層16、 17也可以用于圖l所示實施例。這些另外的 膜層16、 17有助于增加換能器膜6的剛度和彎曲。
圖3示出本發(fā)明另一個實施例。所示流體輸送設備l"的工作基于靜電 驅動?？梢韵蛭鍌€電極18中的一個或多個電極以及單個膜6"施加電壓。電 極18位于背板14上并在腿13之間，腿13用作單個膜6"的支撐，膜6" 延伸通過容器2。膜6"可以包括單個導電層或者相疊的若干層，其中只有 一層必須是導電的。通過以獨立方式控制電極18和膜6"之間的電壓，可以 彼此獨立地將膜6"位于和相關的電極18相對的的部分彎曲。這些部分作為 根據本發(fā)明的換能器單元15。
換能器單元15可以排列形成一維或二維陣列。圖4示出一維陣列，即 線性陣列，圖5示出二維陣列。使用線性陣列，可以沿容器2內的直線產 生確定的壓力波。使用二維陣列，也可以沿直線產生確定的壓力波。此外， 然而驅動可以集中于特定的點。就每個實施例示出了換能器單元15、用于 控制換能器單元15的控制器19以及控制器19和換能器單元15之間的連接線。
概括而言，本發(fā)明提出一種流體輸送設備l，其使用低價標準薄膜技術
提供薄的壓電層7。為了獲得該薄壓電層7的足夠彎曲，通過專用支撐結構 12來加固膜6，該支撐結構12將膜6分為顯示出所需剛度的較小的膜單元 15陣列。此外，可以單獨控制所述換能器單元15，以產生用于加速的流體 輸出的壓力波。
對本領域技術人員顯見的是本發(fā)明不限于前述示例實施例的細節(jié)，本 發(fā)明可以用其他特定形式實現(xiàn)而不背離本發(fā)明的精神和實質特征。因而， 這些實施例在所有方面應被視為示例性而非限定性的，本發(fā)明的范圍由所 附權利要求而不是前述說明限定，與權利要求等同的含義和范圍內的所有 修改都要被這些權利要求所涵蓋。另外，顯見的是，"包括" 一詞不排除其 他部件或步驟，"一個"不排除多個，單個單元，如計算機系統(tǒng)或另一單元 可以執(zhí)行權利要求所述多個裝置的功能。權利要求中的標號不應理解為限 制權利要求的范圍。參考標號
1流體輸送設備
2容器
3噴嘴 4基礎單元 5驅動器 6換能器膜 7壓電層 8底電極 9頂電極
10 (未使用)
11 土悪全F74t^ i丄 /1、1艾jmi^^
12支撐結構
13腿
14背板
15換能器單元
16膜層
17膜層
18電極
19控制器
權利要求
1、一種用于以高速微射流形式輸送流體的設備(1)，包括用于容納流體的容器(2)，所述流體通過所述容器(2)的噴嘴(3)輸送；還包括與所述容器(2)協(xié)同工作的驅動器(5)，其特征在于，所述驅動器(5)包括薄膜換能器膜(6)，其中所述換能器膜(6)被分為至少兩個換能器單元(15)，所述換能器單元(15)形成換能器陣列，其中，每個換能器單元(15)對應于所述換能器膜(6)的特定一部分。
2、 如權利要求l所述的設備(1)，其中每個換能器單元(15)具有專 用的支撐結構(12)。
3、 如權利要求1所述的設備(1)，其中所述換能器膜(6)包括壓電 層(7)，所述換能器單元(15)通過壓電驅動彎曲。
4、 如權利要求l所述的設備(1)，其中所述換能器單元(15)通過壓 電驅動彎曲。
5、 如權利要求l所述的設備(1)，還包括控制單元，用于向每個換能 器單元(15)單獨施加驅動電壓。
6、 一種通過流體輸送設備(1)輸送流體的方法，包括施加驅動電壓 以使所述設備(1)的薄膜換能器膜(6)的換能器單元(15)彎曲的步驟， 所述換能器膜(6)被分為至少兩個換能器單元(15)，所述換能器單元(15) 形成換能器陣列，其中，每個換能器單元(15)對應于所述換能器膜(6) 的特定一部分，所述換能器膜(6)是驅動器(5)的一部分，所述驅動器(5)與流體容器(2)協(xié)同工作，使得在所述換能器單元(15)被彎曲時 通過所述容器(2)的噴嘴(3)輸送所述流體。
7、 如權利要求6所述的方法，包括如下步驟施加所述驅動電壓從而在所述設備(1)的容器(2)內產生確定的壓力波，所述壓力波集中在所 述容器(2)的噴嘴(3)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于以高速微射流形式輸送流體的設備和方法。為了提供以高速微射流形式輸送流體的小型低價設備，所提出的設備(1)包括用于容納流體的容器(2)，所述流體通過所述容器(2)的噴嘴(3)輸送；還包括與所述容器(2)協(xié)同工作的驅動器(5)，其特征在于，所述驅動器(5)包括薄膜換能器膜(6)，其中所述換能器膜(6)被分為至少兩個換能器單元(15)，所述換能器單元(15)形成換能器陣列，其中，每個換能器單元(15)對應于所述換能器膜(6)的特定一部分。
文檔編號A61M5/30GK101479002SQ200780024223
公開日2009年7月8日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權日2006年6月28日
發(fā)明者H·佩爾策, K·賴曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司