專利名稱：小珠處理卡盤的ac波形偏置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用一種空間分解方法電動拾取和分配顆粒的裝置。本發(fā)明具體描述了新的操作技術(shù)和用于小珠輸送器卡盤的小珠吸引電極偏置技術(shù)。本發(fā)明可以對小珠吸引電極施加動態(tài)電場，例如是用周期性脈沖或其他AC波形分量所獲得的動態(tài)電場代替原先在小珠處理卡盤中用來吸引顆粒的準(zhǔn)靜態(tài)電場。這些動態(tài)電位不僅可以用來吸引和保持顆粒，還可以通過測量累積的電荷來檢測淀積的顆粒。
靜電小珠輸送器卡盤可以用來拾取，處理，輸送和排放或放置顆粒或物體，用于制藥，診斷或化學(xué)合成，或者是執(zhí)行化驗或化學(xué)分析。
小珠輸送器卡盤象夾子一樣保持住物體。小珠輸送器卡盤對處理顆粒提供了優(yōu)越的性能，例如是化學(xué)分析中直徑為100-300微米的小珠，可用于合成化學(xué)工業(yè)中的固相合成，或者是使用PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))或其他粉末材料的化驗，例如可以用來在一個襯底上淀積藥物。
例如，小珠輸送器卡盤可以在一個陣列上淀積顆粒，這種方式比使用效率低并且費(fèi)時的微吸管更快并且更可靠。小珠輸送器卡盤的另一種用途是藥物成分合成，特別是可以用于人或動物的合成藥物成分的定量包裝。
含有一或多種有效成分的顆粒可以淀積在公知的載體或襯底上制成藥物劑量形式。這種顆?？梢允欠勰┬问降模鏪1]一種粉末，例如是用噴氣研磨工藝制成的干燥微粒形式；[2]微球體；[3]極小的構(gòu)造，包括fullerenes，螯合物，或是(納米管)nanotubes；或者是[4]由脂質(zhì)或細(xì)胞膜構(gòu)成的脂質(zhì)體和含脂肪的小滴。
使用小珠輸送器卡盤為按公式定制的藥物成分提供了一種定制和準(zhǔn)確的方法。在合并相鄰的載有有效成分襯底構(gòu)成多次劑量包裝時可以使用這種輸送器，其中的劑量從一個獨(dú)立單位到下一個單位可以增減，例如是荷爾蒙類(計劃生育)藥物或抗生素藥物。使用靜電小珠輸送器卡盤便于通過分配到每個制藥載體上的顆粒數(shù)量和/或種類來控制或是確定劑量，或是采用電，光或機(jī)械的藥物檢測方式。使用小珠輸送器卡盤在制藥成分中添加有效成分可以具有高度的可重復(fù)性，在有效成分不相容的情況下也是有益的，例如是有效成分難溶于載體，或者是配方或載體對有效成分的生物藥效率或穩(wěn)定性有不利影響。
盡管本文著重描述了用來施加保持和/或釋放顆粒的電場的靜電小珠輸送器卡盤，本發(fā)明的技術(shù)也可以用于采用其他手段的卡盤，例如是使用壓縮空氣或真空，或者是電/化學(xué)切換的吸附作用，用來控制顆粒和/或襯底。然而，靜電或準(zhǔn)靜電保持機(jī)構(gòu)對精密的顆粒結(jié)構(gòu)來說要比傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)好得多，特別是在控制生物學(xué)有效成分時，在這種場合必須盡量減少或是消除變形，污染，或是氧化損害。
本發(fā)明可以使用聲學(xué)刺激或是聲學(xué)分配器，用一個揚(yáng)聲器或壓電裝置來提供聲學(xué)能量，可以大大有利于顆?？刂?，有利在靜電處理之前特別是處理過程中推進(jìn)顆粒和/或摩擦充電。按照以下描述的現(xiàn)有技術(shù)，對顆粒摩擦充電對顆粒造成的損傷比電暈或等離子體充電要小而充電效率高，后者往往需要施加5KV左右的高電壓。在這種聲學(xué)顆粒分配器中使用的聲波振動膜或是篩本身就可以用來對顆粒摩擦充電，不需要在顆粒進(jìn)入聲學(xué)分配器之前對顆粒充電。使用聲學(xué)分配器能夠鑒別顆粒的極性，錯誤帶電的顆粒不能被小珠輸送器卡盤保持。也可以用其他方式來充電和分配顆粒，例如和本文同時在1998年6月10日提交的美國專利申請US09/095,246中所述。這一同時提交的申請描述了顆粒輸送系統(tǒng)，在顆粒輸送管中使用螺絲鉆，噴射磨或是液化床，氣動文氏管和感應(yīng)充電。
許多小珠輸送器卡盤能夠精確到每個小珠輸送器卡盤或者是小珠輸送器卡盤的每一個井，象素或是獨(dú)立的空間元件僅僅吸引，輸送和排放一個顆粒。在許多情況下，可以將每個象素視為一個能夠選擇和獨(dú)立控制的微小的小珠輸送器卡盤，如平面卡盤具有獨(dú)立的x和y地址坐標(biāo)。這其中包括可獨(dú)立尋址的象素，用于多種不同類型的顆粒。
用這種小珠輸送器卡盤(或是小珠處理卡盤)處理的顆粒便于釋放并且可以控制，錯誤帶電的顆粒(具有與所需極性相反的電荷的物體或顆粒)不會占據(jù)小珠輸送器卡盤上的小珠保持或收集區(qū)。它們對大范圍內(nèi)的顆粒直徑都適用，包括一般直徑為100微米以上的顆粒，直徑更小的顆粒，還包括具有高電荷/質(zhì)量比的多孔或空心的顆粒。它們還具有耐久性和可重復(fù)利用性，并且便于使用，包括具有選擇或完全透明的元件，以便于移動并且將卡盤對準(zhǔn)需要的目標(biāo)或載體。
往往不是單純淀積顆粒，小珠輸送器卡盤還用來在一個襯底上吸附和放置粉末，例如是包含有效成分的粉末，這是一種用于藥物劑量形式的食用襯底。
用來吸附顆粒的電極可以直接暴露于空氣，或者是用一種介質(zhì)覆蓋以免離子擊穿(火花)，并且利用介質(zhì)的性質(zhì)提高保持顆粒的電容。為了控制可以吸附的帶電顆粒的數(shù)量，可以采用一種間接方法，吸附電極不是用來直接吸附顆粒-而是如下文所述用于和一個墊片或浮動電極進(jìn)行電容耦合。然后由這一浮動電極響應(yīng)小珠電極產(chǎn)生的電場而產(chǎn)生映象電荷，并且能自我限制它的動作，使其在自身產(chǎn)生的電壓消除之前僅僅能夠吸引定量的電荷。這種間接充電方法可能更平穩(wěn)，更精確，并且比電暈放電的充電方法實施起來更便宜，特別適用于高分辨率用途。本發(fā)明可以用于任意數(shù)量的小珠輸送器卡盤結(jié)構(gòu)，但是為了便于說明在圖中僅僅表示了用一或多個浮動電極間接吸附顆粒的卡盤。未決的美國專利申請?zhí)朥S09/095,246中描述了其它有用的電極結(jié)構(gòu)。用于精確劑量控制的其它技術(shù)包括使用檢測電極來檢測淀積的顆粒。檢測電極可以和專用的小珠輸送器卡盤是相同的，并且專門監(jiān)視積累的顆粒電荷。
然而，在某些條件下，直接用靜態(tài)或是準(zhǔn)靜態(tài)直流(DC)電壓施加到吸附電極上用來拾取和排放顆粒的小珠輸送器卡盤的設(shè)計和控制技術(shù)在顆粒吸附和電荷控制上面臨著嚴(yán)重的問題。
一個問題是電阻性襯底的電導(dǎo)率不能滿足為了將顆?；蚍勰┪皆谝r底上所需要保持的電荷。早先設(shè)計的卡盤是采用準(zhǔn)靜態(tài)DC偏置狀態(tài)，對小珠吸附電極選擇施加DC電壓來拾取顆粒。而在排放顆粒時就將極性顛倒。使用準(zhǔn)靜態(tài)顆粒吸附電壓的這些卡盤適用于具有高電阻的顆粒(如，粉末)和襯底，例如是具有10^15Ω-cm量級體電阻率ρ的絕緣體或聚合物薄膜。
遺憾地是，對顆粒吸附電極施加準(zhǔn)靜態(tài)DC電壓的許多小珠輸送器卡盤不能有效地應(yīng)用于低電阻率的顆?；蛞r底。由于低電阻率顆?；蛞r底的電導(dǎo)率比較高，在使用高電導(dǎo)率襯底或顆粒成分時，在顆粒或襯底內(nèi)部用DC或準(zhǔn)靜態(tài)產(chǎn)生的電荷會急劇衰減。電荷的這種急劇衰減或泄漏是由于顆?；蛞r底內(nèi)部的電荷的內(nèi)部運(yùn)動和雜散泄漏造成的，還有環(huán)境濕度的作用。這樣就會使小珠輸送器卡盤無法吸附和保持高電導(dǎo)率的顆?；蚍勰?。例如，在使用中，采用電容耦合到浮動電極的小珠輸送器卡盤僅僅具有有限的電荷感應(yīng)和吸附能力。對于低電阻率的小珠或襯底，在靠近浮動墊片的區(qū)域例如是一個襯底上的感應(yīng)電荷收集電壓會在幾毫秒內(nèi)急劇衰減到零-而這一時間對于使顆粒加速，輸送并且保持在指定的小珠收集區(qū)往往是不夠的。
具體地說，本發(fā)明就是為了解決電阻率ρ不足的襯底所面臨的問題，例如是具有10^10或10^11Ω-cm量級體電阻率的襯底。如下文所述，許多小珠輸送器卡盤中的電路元件具有RC電路(具有明顯的電阻和電容性元件的電路)的電氣性能，并且可以用一個指數(shù)函數(shù)來表示在一個顆粒或襯底上從初始量吸附電荷Q0剩下的用于吸附顆粒的電荷Q的時間函數(shù)Q=Q0e^(-Kt)(1)其中的特性時間常數(shù)K等于總電阻R乘以總電容CK=RC (2)這一時間常數(shù)K被稱為“RC”時間常數(shù)，如果用SI單位來表示R和C，它的單位就是秒。電阻R是根據(jù)具體使用材料的截面面積A和長度l通過電阻率推導(dǎo)出來的R=(ρl)/A (3)其中的ρ是體電阻率或者等效物，用歐姆-米的標(biāo)準(zhǔn)SI單位來表示。按照現(xiàn)有技術(shù)的小珠輸送器卡盤和操作技術(shù)，為了使時間常數(shù)在秒級以上的量級，電阻率ρ的量級應(yīng)該大于1.1×10^11Ω-cm所述時間常數(shù)也就是主要顆粒吸附和淀積必須完成的時間(具體參見下文)。這一問題對于一些食用襯底來說特別嚴(yán)重，例如有polyvinylacetate或hydroxypropylmethylcellulose，它們具有的體電阻率或等效的表面電阻率ρ遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10^11Ω-cm，由此所得的時間常數(shù)處在十毫秒量級，這一時間對于加速，輸送，吸附和保持小珠往往是不夠的。
時間常數(shù)小的結(jié)果是因為內(nèi)部電荷運(yùn)動和泄漏，在小珠輸送器卡盤操作過程中吸附在預(yù)計的小珠收集區(qū)和/或襯底上的顆粒會比預(yù)計的要少或是沒有。在合成器分析過程中，如果為了有效控制顆粒的需要使用準(zhǔn)靜態(tài)吸附電壓，則不能在每個小珠收集區(qū)或襯底上攜帶精確劑量的成分，而是在預(yù)計的位置僅僅吸附和保持極少量的甚至沒有顆粒。
為了避免卡盤的這一缺陷，可以大大增加施加的(吸附)電壓，主要就會使吸附電場過強(qiáng)，造成顆粒被吸附在小珠輸送器卡盤上的錯誤位置，或者是致使吸附到小珠輸送器卡盤或襯底上的顆粒錯誤地帶電。這種問題還會造成難以或不能執(zhí)行累積電荷檢測，這是為了計量小珠輸送器卡盤上已經(jīng)吸附和保持了多少有效成分。
重要的問題是許多靜電小珠輸送器卡盤都是利用靜電映象力來操縱帶電顆粒。當(dāng)帶電顆粒接近金屬或?qū)щ姳砻鏁r，例如是顆粒分配器或容器內(nèi)部的小珠吸附電極，在導(dǎo)電表面上就會累積相反極性的映象電荷。當(dāng)導(dǎo)電表面上的移動電荷載體受到顆粒電荷的吸引或排斥時，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。電荷在導(dǎo)電表面中隨著附近的帶電顆粒的這種運(yùn)動會產(chǎn)生強(qiáng)烈的映象電荷感應(yīng)的保持力或者說是靜電映象力。這一靜電映象力容易使顆粒被緊緊吸附然后牢固地接觸導(dǎo)電表面。值得注意的是，靜止地緊密接觸一個導(dǎo)電表面的不導(dǎo)電顆粒能夠好幾天保持它們的電荷。當(dāng)一個顆粒非?？拷?例如接觸)任何導(dǎo)體時產(chǎn)生的靜電映象力往往比為了使顆粒朝著小珠輸送器卡盤加速而施加的電場產(chǎn)生的力更大，可以達(dá)到重力作用的數(shù)百倍。
需要輸送或操縱的顆粒往往是通過相互摩擦和碰撞來摩擦充電的，例如是和表面摩擦或碰撞，通過電荷感應(yīng)或電荷遷移而帶電。在摩擦充電過程中發(fā)生的特殊的電荷遷移機(jī)制決定了應(yīng)該在所使用的摩擦充電篩上施加的電壓。
另外，在分配器或容器內(nèi)部受到相互阻礙的顆粒運(yùn)動和相互作用或是碰撞容易使它們不規(guī)則地運(yùn)動，這樣會在顆粒朝著小珠輸送器卡盤加速的過程中影響顆粒輸送特性。
如下文所述，準(zhǔn)靜態(tài)偏置技術(shù)的另一個問題是顆粒淀積，這里采用的是累積電荷檢測方法。為了朝著檢測電極吸引帶電顆粒而施加的電壓的靜態(tài)特性會引入各種噪聲-例如散粒噪聲，Johnson(1/f)噪聲，熱噪聲，電流噪聲和放大器噪聲，這樣就會破壞累積電荷檢測信息，不能有效和精確地監(jiān)視顆粒收集或粉末淀積。
以下文獻(xiàn)描述了使用小珠輸送器卡盤和聲學(xué)顆粒分配器的方法1998年2月3日授予Pletcher等人的美國專利US5,714,007“Apparatus for electrostatically depositing a medicamentpowder upon predefined regions of a substrate(在基板的預(yù)定區(qū)以靜電方式設(shè)置藥劑粉末的裝置)”；Pletcher等人于1996年6月6日遞交的美國專利申請?zhí)朥S08/659,501“Method and Apparatusfor Electrostatically Depositing a Medicament Powder UponPredefined Regions of a Substrate(在基板的預(yù)定區(qū)以靜電方式設(shè)置藥劑粉末的裝置)”；Pletcher等人于1996年10月18日遞交的美國專并利US申請?zhí)?8/733,525“Method and Apparatus forelectrostatically depositing a medicament powder uponpredefined regions of a substrate”(在基板的預(yù)定區(qū)以靜電方式設(shè)置藥劑粉末的裝置)；1997年9月23日授權(quán)的Pletcher等人的美國專利US5,669,973“Apparatus for electrostaticallydepositing and retaining materials upon a substrate(在基板預(yù)定區(qū)以靜電方式設(shè)置和保持材料的裝置)”；Datta等人于1996年6月10日提交的美國專利申請US08/661,213“Inhaler apparatuswith modified surface for enhanced release of dry powders(通過修改表面來改進(jìn)干粉末釋放的吸入裝置)”；1998年5月19日授權(quán)的Sun等人的美國專利US5,753,302“Acoustic Dispenser(聲學(xué)分配器)”；Sun等人于1996年4月9日提交的美國專利申請US08/630,050“Electrostatic Chucks(靜電卡盤)”；Sun等人于1996年6月10日提交的美國專利申請US08/661,210“Electrostatic Chucks(靜電卡盤)”；Sun于1996年4月9日提交的美國專利申請US08/630,012“Chucks and Method forPositioning Mulitple 0bjects on a Substrate(在基板上設(shè)置多物體的卡盤和方法)”；Loewy等人于1997年10月23日提交的美國專利申請US08/956,348“Deposited Reagents for ChemicalProcesses(化學(xué)工藝用的淀積試劑)”,Loewy等人于1997年10月23日提交的美國專利申請US08/956,737“Solid Support WithAttached Molecules(具有依附分子的固體支持)”；Sun于1998年2月19日提交的美國專利申請US09/026,303“Bead TransporterChucks Using Repulsive Field Guidance(利用排斥性場引導(dǎo)的珠傳送器)”；Sun的美國專利申請US09/047,631“Bead manipulatingChucks with Bead Size Selector(有珠尺寸選擇功能的珠操縱卡盤)”；Sun于1998年5月22日提交的美國專利申請US09/083,487“Focused Acoustic Bead Charger/Dispenser for Beadmanipulating Chucks(珠操縱卡盤用聚焦聲學(xué)珠加載/分配器)”。其他指導(dǎo)信息可以參見Poliniak等人和本申請同時提交的美國專利申請US09/095,246“Dry Powder Deposition Apparatus(干粉末設(shè)置裝置)”；Sun等人和本申請同時提交的的美國專利申請US09/095,32l“Apparatus for Clamping a Planar Substrate(夾持平基板的裝置)”；以及和本申請同時提交的美國專利申請US“Pharmaceutical Product and Method of Making(藥產(chǎn)品及制造方法)”。
因而希望降低食用襯底的電阻率或是電荷保持要求，允許使用原來不能使用的顆粒或襯底使顆粒加速并且吸附在預(yù)計的小珠收集區(qū)或襯底上。最好是還能同時結(jié)合著靜電映象力在預(yù)定的方向和位置上淀積顆粒。
另外還希望有一種用于劑量監(jiān)視或是顆粒淀積監(jiān)視的裝置。它應(yīng)該能夠精確地檢測累積的電荷，知道在單個襯底或小珠收集區(qū)上累積了多少電荷。具體地說，就是希望能夠在小珠輸送器卡盤工作的同時用一種有效的方法執(zhí)行累積電荷檢測，克服準(zhǔn)靜態(tài)偏置技術(shù)帶來的各種噪聲源的有害影響。
映象電荷，電極性，顆粒質(zhì)量以及輸送對于吸附和操縱顆粒都是有關(guān)的。
本發(fā)明解決這些問題的辦法是采用AC波形偏置將顆粒吸附在一個小珠輸送器卡盤的小珠接觸面上。使用脈沖或其它動態(tài)而非靜態(tài)的小珠電極偏置波形將小珠引向小珠接觸面上的小珠收集區(qū)，波形中包括AC和DC分量，并且不一定是周期性的。
在一個實施例中，使用AC波形偏置將顆粒吸附和保持在一個小珠接觸面上的小珠收集區(qū)并且從小珠收集區(qū)排放顆粒的一種小珠輸送器卡盤包括一個小珠電極，用于為小珠收集區(qū)選擇產(chǎn)生一個顆粒吸附電場，小珠電極的形狀和結(jié)構(gòu)是這樣的，施加給它的AC波形電壓會影響到顆粒，并且用小珠電極選擇引導(dǎo)顆粒保持在小珠收集區(qū)上。
小珠輸送器卡盤可以包括位于小珠電極和小珠接觸面之間的介質(zhì)。還可以包括一個定位的屏蔽電極，用來修整小珠電極產(chǎn)生的吸附電場，和/或包括一個浮動墊片電極，它在一個實施例中位于介質(zhì)和小珠接觸面之間。可以這樣來修整和設(shè)計屏蔽電極，允許小珠電極產(chǎn)生的電場穿過小珠收集區(qū)。例如可以將屏蔽電極定位在介質(zhì)和小珠接觸面之間，并且讓它圍繞浮動墊片電極但是與其保持電氣絕緣。必要時可以將第二介質(zhì)定位在屏蔽電極和小珠接觸面之間或者是浮動墊片電極和小珠接觸面之間，或者二者都有。
小珠輸送器卡盤可以包括一個電荷收集電極或是一個耦合電容或是二者都有，用來監(jiān)視在小珠接觸面的小珠收集區(qū)上累積的電荷。
小珠輸送器卡盤使用的AC波形電壓可以這樣來選擇和構(gòu)造，當(dāng)小珠收集區(qū)接近一種材料例如是低電阻襯底時，在小珠接觸面的小珠收集區(qū)反復(fù)提供吸附電壓，在反復(fù)施加吸附電壓時使材料所帶的電荷發(fā)生RC衰減。AC波形電壓是這樣構(gòu)造的，每當(dāng)顆粒吸附電壓起作用時，小珠收集區(qū)上的時間平均的顆粒吸附電壓的平均值比施加一個對應(yīng)著AC波形電壓的等效時間平均DC電壓時獲得的第二顆粒吸附電壓要高。
也可以通過選擇AC波形電壓而使小珠接觸面上的顆粒吸附電壓最大，在AC波形上的A和B點(diǎn)之間將一個絕對值VBCZ相對于時間積分，∫AB|VBCZ|dt---(4)]]>取最大值，讓積分的值大于用沒有這樣優(yōu)化的第二AC波形電壓所獲得的值。
本發(fā)明還為具有電荷檢測電極的小珠輸送器卡盤提供了一種累積電荷檢測電路，用來監(jiān)視小珠接觸面的小珠收集區(qū)上累積的電荷。這一電荷檢測電路包括一個用電路連接在電荷收集電極和AC偏置電源之間的檢測電容器；以及用電路連接在AC偏置電源和耦合電容器之間的一個電位計，用來測量檢測電容器的電壓。在操作中可以用累積電荷檢測電路確定何時停止累積顆粒，或者是監(jiān)視小珠輸送器卡盤的各個區(qū)域上的累積情況，對操作進(jìn)行調(diào)整，高速改變顆粒吸附電壓。
累積電荷檢測電路的另一個實施例包括一個具有原邊繞組和副邊繞組的變壓器，原邊和副邊繞組各自具有第一和第二極；用電路連接到變壓器副邊繞組的第一極[BP]上的電荷收集電極；連接在地和變壓器副邊繞組的第二極[CP]之間的檢測電容器；用電路連接在變壓器副邊繞組的第二極[CP]和地之間的一個電位計；以及跨接在變壓器原邊繞組的第一和第二極之間的一個AC偏置電源。
采用AC偏置波形的一種小珠輸送器卡盤的使用方法包括以下的一些或是全部步驟[a]對小珠輸送器卡盤的小珠電極施加第一電壓，產(chǎn)生一個顆粒吸附電場；并且[b]將顆粒吸附和保持在小珠收集區(qū)；[c]降低對小珠電極施加的第一電壓，從而充分降低顆粒吸附電場，將顆粒從小珠收集區(qū)排放到指定位置；[d]在步驟[c]之前將小珠輸送器卡盤對準(zhǔn)指定位置；[e]采用一種包括屏蔽電極的小珠輸送器卡盤，屏蔽電極位于小珠電極和小珠接觸面之間；經(jīng)過修整和構(gòu)造的屏蔽電極使小珠受到小珠電極的作用；[f]將屏蔽電極接地；[g]在排放顆粒的過程中對屏蔽電極施加與步驟[a]的第一電壓極性相反的第二電壓。


圖1表示可以用本發(fā)明來控制的一個小珠輸送器卡盤的局部截面圖，圖中表示了一個元素或小珠收集區(qū)的結(jié)構(gòu)；圖2表示圖1的小珠輸送器卡盤的局部截面圖，表示對小珠電極施加吸附偏置電壓，并且用符號表示產(chǎn)生的電荷；圖3表示圖2的局部截面圖，有一個高電阻率襯底接觸或是夾住小珠輸送器卡盤使其能夠接收淀積的顆粒，并且用符號表示產(chǎn)生的電荷；圖4表示圖3的局部截面圖，有一個低電阻率襯底接觸或是夾住小珠輸送器卡盤使其能夠接收淀積的顆粒，并且用符號表示產(chǎn)生的電荷；圖5表示圖1-4所示的小珠輸送器卡盤從浮動墊片電極和屏蔽電極的平面上看去的一個輔助平面圖；圖6表示一個等效電路，它可以反映圖3和4的小珠輸送器卡盤的電氣特性；圖7表示三個笛卡兒曲線波形，代表對小珠輸送器卡盤施加和產(chǎn)生的電壓對時間的函數(shù)，此處采用了低電阻率襯底和準(zhǔn)靜態(tài)偏置；圖8表示三個笛卡兒曲線波形，代表對小珠輸送器卡盤施加和產(chǎn)生的電壓對時間的函數(shù)，此處采用了低電阻率襯底和AC波形偏置；圖9表示一個笛卡兒曲線波形，代表在小珠輸送器卡盤的小珠收集區(qū)產(chǎn)生的電壓對時間的函數(shù)，此處采用了低電阻率襯底和AC波形偏置；圖10表示一種可能的等效電路圖，可以為圖1-4所示的小珠輸送器卡盤的至少一個小珠收集區(qū)提供AC偏置的電荷并且檢測淀積情況；圖11表示另一種可能的等效電路圖，可以為圖1-4所示的小珠輸送器卡盤的至少一個小珠收集區(qū)提供AC偏置的電荷并且檢測淀積情況；圖12表示小珠輸送器卡盤的小珠電極與襯底是如何接觸并且在一個介質(zhì)支撐體上突出的，圖中所示的屏蔽電極被裝在介質(zhì)支撐體內(nèi)部。
定義本文中采用了以下的定義
“AC”(交流電流)是代表任何可能是周期性翻轉(zhuǎn)方向的電流；或者是任何改變極性的電壓。AC波形是指這種交流電流的任何一部分或是分量，例如是由重復(fù)的單一極性脈沖(參見下文的脈沖)構(gòu)成的整流的方波波形，有或是沒有附帶的DC分量。
“聲學(xué)”可以是空氣中的聲波，但是廣義地說可以包括任何變化的特性，無論在顆粒分配器或顆粒操縱室內(nèi)使用何種彈性媒介?？赡艿膹椥悦浇榘ǜ稍锏牡蚱渌麣怏w；水；油；(丙二醇)；制冷劑；例如帶有Freon商標(biāo)的任何化合物(包含碳和芴元素的脂肪質(zhì)有機(jī)化合物和諸如氯和氫等等其他鹵素)；沙；等等。可以改變的特性包括壓力，粒子或分子位移，或者是密度。更普遍地說，這是由一個揚(yáng)聲器(參見以下定義)在彈性媒介中形成的縱向壓縮波形實現(xiàn)的，但是也可以由彈性媒介的噴射或流動來產(chǎn)生。
“小珠接觸面”包括顆粒處理卡盤上轟擊，接觸可以接近的或是暴露于小珠的所有表面，無論這種接近是物理上的激勵還是阻礙。然而，在具體說到小珠收集區(qū)(參見以下定義)時，為了便于描述它在顆粒處理卡盤內(nèi)的位移，可以認(rèn)為小珠收集區(qū)和剩下的小珠接觸面是分離的。小珠接觸面可以用來保持或容納下述的一個襯底。
“小珠收集區(qū)”應(yīng)該包括小珠接觸面的表面，在這一區(qū)域由小珠電極產(chǎn)生吸附和保持顆粒的顆粒吸附電場。小珠收集區(qū)可以是孔，穴，或是小珠接觸面上或是別處的凹陷區(qū)域。
“小珠電極”是指用來吸附和保持諸如小珠，物體或粒子等物件的任何電極。它可以包括一個孔或穴，穿過它可以看見顆?；蛭矬w。在一個實施例中，隨著施加給它的電壓的下降，小珠電極可以有選擇地允許排放或釋放所保持的顆?；蛐≈?。
“導(dǎo)體”和“電極”應(yīng)該包括連續(xù)或不連續(xù)的一組能夠傳導(dǎo)電流的表面。
“DC”(直流電流)是指僅僅在一個方向上流動的任何準(zhǔn)靜態(tài)電流或是單一不變極性的任何施加的電壓。
“介質(zhì)”是指任何介電材料，例如是可以用最小的功率輸入在其中維持一個電場的電絕緣體；按照這樣的定義，它還可以泛指實心的金屬，例如是對用射頻施加的電壓具有介質(zhì)的性質(zhì)。這種介質(zhì)材料不一定是實心的(例如可以是空心)，并且可以用基礎(chǔ)或不同成分的介質(zhì)元件或不同材料制成。
“電位計”是指任何電壓測量裝置。
“電子驅(qū)動器”代表能夠提供適當(dāng)?shù)腁C波形電壓的任何電源，用來操縱本文所述的性質(zhì)輸送器卡盤。短語“通過編程來提供AC波形電壓”不一定依賴于計算機(jī)控制(盡管本發(fā)明包括了計算機(jī)控制)，因為其他電氣部件結(jié)構(gòu)也能夠提供AC波形。
“浮動電極”代表在電氣上與大地隔離的任何電極或是其他電極，并且用電容耦合到一或多個小珠電極，用于將小珠吸附在一或多個小珠收集區(qū)上。
“顆粒”在本申請中是指分子或粒子的集合，平均直徑至少有3nm，最合適的直徑是500nm或800nm，例如在制藥的應(yīng)用中最好是100nm到5mm，例如是100nm到500μm，最好是100nm到5mm，例如100nm到500μm。顆粒例如是一種粉末的微粒。術(shù)語“顆粒”包含了“小珠”，它是指能夠處理的微粒，物體，藥片或受體等等任何物件。這其中包括聚合物和反應(yīng)聚合體構(gòu)成的粉末，球體或小珠，例如是在固相合成的Merrifield型中使用的苯乙烯基聚合物。例如，用于呼吸道藥物的干燥粉末可以是1到10微米的范圍，最好是4-8微米。
“脈沖”是指施加的恒定或接近恒定的電壓的快速變化。這種變化相對于襯底上的電荷衰減或電荷泄漏應(yīng)該在很短的時間內(nèi)完成。整形的脈沖或脈沖串類似于尖峰信號或是AC波形的一部分。
“下降”是指施加給小珠電極的電壓的下降，以便于排放顆粒，這其中包括降低和反轉(zhuǎn)施加電壓的極性，例如是從+500V到-500V或是相反的變化。
“屏蔽電極”是指在小珠接觸面上或是附近用來(至少是部分)屏蔽帶電顆粒的電極，防止帶電顆粒受到從小珠收集區(qū)發(fā)出的吸附電場的影響，和/或限定和修整(縮小)局部吸附電場，促使僅僅在預(yù)計的小珠收集區(qū)保持顆粒。
“揚(yáng)聲器”可以是任何揚(yáng)聲器，變換器，機(jī)器或裝置，例如是能夠通過壓力調(diào)制提供聲音能量的壓電器件；廣義地說，它可以是任何能夠改變在顆粒分配器或顆粒操縱室內(nèi)部使用的彈性媒介的性質(zhì)的任何裝置。
“襯底”是指能夠用小珠輸送器卡盤接收或容納小珠的任何實體。它例如可以包括藥物劑量形式，可以用來吸附和保持顆粒形式的有效成分。襯底可以用各種材料，例如是動物可以安全食用的“食用襯底”，因為它是可以新陳代謝的，或者是通過動物的系統(tǒng)而不會造成任何嚴(yán)重問題，或者是通常認(rèn)為是不能食用的東西，例如不銹鋼?？梢詫⒁r底夾持或是放置在小珠輸送器卡盤的小珠接觸面上，用來在每個小珠收集區(qū)附近或是上面接收粉末形式的顆粒。
“時間常數(shù)”是指一種物理量(例如是襯底上的電荷數(shù)量)上升到(1-1/e)或是接近其最終穩(wěn)態(tài)值的63％或是下降到或是接近其最終穩(wěn)態(tài)值的37％所需的時間，物理量按照e^-Kt隨著時間t而變化。
關(guān)于電極的排列方式，本發(fā)明有時將其描述成“環(huán)繞”和“圍繞”，例如用一個屏蔽電極10圍繞一個浮動墊片電極F。對于處在小珠輸送器卡盤的不同層次上的電極，導(dǎo)體或介質(zhì)，“環(huán)繞”和“圍繞”的意思是指電極或具體結(jié)構(gòu)在小珠接觸面上突出的各個點(diǎn)到小珠接觸面上最近的點(diǎn)的區(qū)域。
還需要注意的一點(diǎn)是，盡管本文中通篇使用了靜電和準(zhǔn)靜電的說法，其意思并不限制電荷在本發(fā)明所使用的電極和導(dǎo)體上的時間變化。在使用所述的小珠輸送器卡盤時，為了根據(jù)需要施加和去除電荷，電流可以流動，特別是在使用暫態(tài)技術(shù)時可以使用AC波形，脈沖或其他動態(tài)施加的電壓。盡管可以用術(shù)語電來代替術(shù)語“靜電”，按照習(xí)慣還是有區(qū)別的，以便區(qū)分用電或是靜電力吸附小珠，施加電壓的頻率是比較低的，如下文所述不會達(dá)到射頻和微波頻段。電壓是指電位或是施加的電壓。
參見圖1，它表示可以用本發(fā)明來控制的一個小珠輸送器卡盤的局部截面圖，圖中表示了一個元素或小珠收集區(qū)的結(jié)構(gòu)。圖中的小珠輸送器卡盤僅僅是為了便于說明而表示的示意圖。它是各種形式的小珠輸送器卡盤當(dāng)中的一種，其他結(jié)構(gòu)的卡盤也可以用來實現(xiàn)本發(fā)明。
在圖的頂部，小珠輸送器卡盤包括一個用來提供顆粒吸附電場的平面小珠電極9。小珠電極9的底面上粘貼有一個平面第一介電層D1。在一個平行的平面上用任何現(xiàn)有技術(shù)的方法將第一介電層D1的面粘貼在小珠電極9上，例如層疊；粉末淀積；或是薄膜淀積，例如磁電管濺射或電子束蒸發(fā)?？梢允褂玫慕橘|(zhì)包括通用的材料諸如Corning Pyrex 7740玻璃(Corning Inc,Corning,NY)；或者是聚酰亞胺樹脂；典型的厚度是10-20密耳。用同樣的方式在第一介電層D1的另一面上粘貼一個平面屏蔽電極10，它包括一個用來容納浮動墊片電極F的孔，屏蔽電極10與浮動墊片電極F同在一個平面并且圍繞浮動墊片電極F。
參見圖5，表示小珠輸送器卡盤從浮動墊片電極和屏蔽電極的平面上看去的一個輔助平面圖。如圖所示，浮動墊片電極F可以是圓形的，也是被粘貼在第一介電層D1的另一面上。浮動墊片電極F與屏蔽電極10在電路上絕緣。這可以通過一個空氣間隙來實現(xiàn)，如圖所示，也可以在間隙中使用一個絕緣體，進(jìn)一步電隔離屏蔽電極10和浮動墊片電極F。從卡盤結(jié)構(gòu)的底部看，在平面屏蔽電極10和浮動墊片電極F再粘貼一個可選的平面第二介電層D2。第二介電層D2防止可能產(chǎn)生火花，離子放電和擊穿的空氣進(jìn)入，為屏蔽電極10和浮動墊片電極F提供電絕緣。還可以保證使用者安全，將操作人員與高壓隔離。
圖中所示的第二介電層D2的外部暴露面構(gòu)成一個能夠接受轟擊的小珠接觸面BCS，接觸或暴露于顆粒分配器或容器(未示出)內(nèi)部的小珠。
圖12表示本發(fā)明所采用的小珠輸送器卡盤(“靜電卡盤”)的一個收集區(qū)CZ的特征。屏蔽電極10(按照具體的偏置也被稱為“接地電極”)被層疊在介質(zhì)D內(nèi)部，這種介質(zhì)例如可以由Kapton(聚酰亞胺薄膜，Dupont de Nemours,Wilmington,DE)(Kapton可以用作柔性印刷電路的襯底材料，并且可以用堿性溶液蝕刻，穿孔和激光鉆孔，并且可以用來形成多層聚酰亞胺薄膜層疊)。突出在表面上的顆粒吸附電極或小珠電極BE吸附平面襯底(例如有1密耳厚)并且可以從形成電接觸的另一側(cè)突出。靜電卡盤d的寬度例如是0.01英寸。這樣的靜電卡盤比較柔軟。在圖中，平面襯底以相對緊密配合的方式卷曲包裹在突出的顆粒吸附電極BE外面。
為了吸附和保持小珠，在顆粒分配器或容器(未示出)內(nèi)部的質(zhì)量為m電荷為q的顆粒上產(chǎn)生的總電動力Felec必須等于或是大于全部的重力FgravFelec=Eq ≥ Fgrav=mg(5)如果對小珠電極9施加一個電壓，就能產(chǎn)生指向小珠接觸面BCS的顆粒吸附電場Ea。這一吸附電場Ea，可以將小珠吸附和保持在小珠收集區(qū)BCZ上，如圖所示，它位于小珠接觸面BCS上，浮動墊片電極F沿著其平面軸突出。
盡管如圖中所示在第二介電層D2的暴露部位上形成的小珠收集區(qū)BCZ是平坦的，它也可以有凹陷，斜面，碗狀，或是具有便于吸附，保持和排放顆粒的任何其他形狀，特別是在需要有顆粒尺寸選擇性時。
在圖中表示電場Ea的方式與標(biāo)準(zhǔn)的慣例相反，粗略地表示了負(fù)測試電荷上的力的方向。這是因為，在實際的例子中，施加的電壓和顆粒電荷是符合慣例的，帶負(fù)電的小珠受到吸引，并且在一定條件下排放。然而，在操縱帶正電的小珠時，只需要將如下文所述施加的電壓反向。
如圖所示，小珠電極9沒有暴露給小珠接觸面BCS或小珠收集區(qū)BCZ。然而，對小珠電極9施加的電壓產(chǎn)生的電場可以穿透第一介電層D1(然后又穿過第二介電層D2)，關(guān)于凈電場在介質(zhì)中按照各向異性的介電常數(shù)ε隨著電的極性而減小的問題可以參見ClassicalElectrodynamics(經(jīng)典電動力學(xué))2nd Ed.,John David Jackson,(C)1975,John Wiley & Sons,New York。
可以相對于屏蔽電極10或相對于顆粒分配器或容器中的另一個表面對小珠電極9施加一個電壓，將小珠吸附在小珠收集區(qū)BCZ。小珠電極9可以用來為一或多個小珠收集區(qū)提供吸附電場?？梢詫ζ帘坞姌O10施加另一個電壓，但是它應(yīng)該保持在地電位(零電壓)，或者是相對于所操縱的小珠的一個排斥電位。
為了用視覺證實小珠收集區(qū)BCZ上俘獲的顆粒，可以提供一個穿透任意一個小珠電極9，第一介電層D1，浮動墊片電極F以及第二介電層D2的孔(未示出)。通過這個孔可以用可視或光學(xué)監(jiān)視器來檢驗顆粒是否被保持。這樣就能使用公知的傳感器自動檢驗留在小珠收集區(qū)上的顆粒，用透射光的百分?jǐn)?shù)來確定孔的不透明性。例如，可以將透過這個孔的光用光學(xué)映射到一個陣列檢測器上，例如是電荷耦合器件(CCD)，強(qiáng)化CCD陣列，聚焦面陣列或是光電二極管陣列。陣列檢測器例如可以是CCD(例如是DALSA,Inc公司(Easton CT),DavidSarnoff Research Center公司(Princeton NJ)或PrincetonInstruments公司(Treton NJ)生產(chǎn)的；強(qiáng)化CCD陣列(例如是Princeton Instruments,Hamamtsu Corp.(Bridgewater,NJ)或Photometrics Ltd.(Tucson,AR)等公司生產(chǎn)的；聚焦面陣列(例如是Scientific Imaging Technologies,Inc.(Beaverton,OR),Eastman Kodak Co.,Inc.(Rochester NY)等公司或David SarnoffResearch Center中心生產(chǎn)的)；或是光電二極管陣列(例如是Reticon Corp.(SunnyvaleCA),Sensors Unlimited,Inc.(Princeton NJ)或Hamamatsu生產(chǎn)的)；或光檢測器陣列(例如是FLIR Systems Inc.(Portland OR),Loral Corp.(New York NY)或Hughes Electronic Corp.(Los Angeles CA)等公司生產(chǎn)的)。
在接地或偏置到與被操縱的顆粒相同的極性時，屏蔽電極10可以阻礙顆粒被吸附和保持在小珠接觸面BCS上除了預(yù)期的小珠收集區(qū)BCZ之外的任何位置。然而，屏蔽電極10可以用任何非導(dǎo)電材料例如絕緣體或介質(zhì)構(gòu)成。
可以用空氣或環(huán)境氣體或是真空代替介電層D1和D2作為介質(zhì)或絕緣體。在這種情況下，可以用絕緣的機(jī)械支架或其他緊固件將小珠電極9保持在同一平面上，但是偏離屏蔽電極10和浮動墊片電極F。這樣就能將任何一個小珠電極9，浮動墊片電極F和屏蔽電極10直接暴露給小珠接觸面。
盡管圖1所示的小珠輸送器卡盤僅僅是一個例子，用來形成它的導(dǎo)電層和電極的裝配技術(shù)是可以改變的，可以采用能夠滿足最新的電和機(jī)械需求的任何公知技術(shù)。為了形成電極9,F和10幾乎可以采用任何金屬，可以用熱或是電磁淀積的金屬例如氧化銦錫，黃銅，鉑，銅或是黃金單獨(dú)形成任意的厚度，但最好是1000埃到10微米(100,000埃)。介電層D1和D2也是一樣-可以使用能夠與圍繞的電極相容的任何金屬，并且具有足夠的介電強(qiáng)度來承受預(yù)期要施加的電壓，包括陶瓷材料；二氧化硅；鋁；聚酰亞胺樹脂和片以及其他適當(dāng)?shù)木酆衔?；金屬氧化物例如氧化鋁和氧化鈦；以及鈣和鎂的鈦酸鹽。介電層D1和D2的厚度范圍例如是10埃到1000微米。必要時可以用公知的粘合劑或是淀積技術(shù)將各個層裝配到一起。
不僅限于理論，以下的說明有助于理解本發(fā)明的小珠輸送器(靜電)卡盤的功能。本文所述的小珠輸送器卡盤的功能和AC電驅(qū)動方式下的功能并不影響對本發(fā)明的準(zhǔn)確理解。
參見圖2，它表示圖1的小珠輸送器卡盤的局部截面圖。然而，此處為小珠電極9施加一個吸附偏置電壓，而屏蔽電極10接地(零電壓)。圖中用符號表示了產(chǎn)生的電荷。用導(dǎo)線，導(dǎo)體，電纜或是總線(未示出)對小珠電極9施加一個正電壓，用來吸附和保持帶負(fù)電的小珠。在圖中用整行的加號代表小珠電極9上的正電壓的正值凈電荷。這種正電荷產(chǎn)生一個電場，它穿透空間從紙面上向下指向第一介電層D1(省略了電場線)。在正電場穿過第一介電層D1時，介電層D1的極性造成電荷遷移，在每單位體積上形成一個感應(yīng)的電偶極矩。每單位體積上的這種感應(yīng)的電偶極矩與出現(xiàn)在第一介電層D1的兩個平面上每單位面積感應(yīng)的表面電荷是均等帶電的。這種極性抵消了一部分但不是全部由施加給小珠電極9的電壓產(chǎn)生的電場，并且這種極性在第一介電層D1的平面上被表示成一行一半是負(fù)一半是正的表面電荷。這樣就形成了一系列電偶極矩-正和負(fù)電荷相隔一定距離-圖中為了便于說明而將第一介電層D1內(nèi)部的電場削減了一半。為了便于說明，這相當(dāng)于第一介電層D1的介電常數(shù)ε=2。
然而，屏蔽電極10產(chǎn)生的電場的作用是受電容器的定律支配的(參見Physics(物理學(xué)),3rd Edition,by David Halliday andRobert Resnick,John Wiley & Sons,NY,(C)1978)。小珠電極9和屏蔽電極10以及它們之間的介電層D1構(gòu)成了一個電容器。因此，屏蔽電極10相應(yīng)地產(chǎn)生的全是負(fù)電荷，用一整行負(fù)號來表示。結(jié)果，屏蔽電極10就不會向小珠接觸面BCS發(fā)射電場，也就是電場基本上為零，忽略次要的邊緣效應(yīng)。從這一點(diǎn)來看，屏蔽電極10的作用是一種Faraday屏蔽，防止任何電場穿透它到達(dá)小珠接觸面。
然而，在浮動墊片電極F附近的狀況就不同了。沒有接地和初步放電的浮動墊片電極F只能重新排列它的電荷，不能象小珠電極9和屏蔽電極10那樣維持凈電荷。另外，作為一個導(dǎo)體，浮動墊片電極F中的電荷可以自由運(yùn)動，不限于極化過程中呈現(xiàn)的簡單電荷遷移。但是，和上述屏蔽電極10一樣，浮動墊片電極F也和小珠電極9構(gòu)成一個電容器，將第一介電層D1當(dāng)作它們的相互介質(zhì)。這樣，電極F中的電荷就會在內(nèi)部沿著其平面軸移動，并且浮動墊片電極F的平面和第一介電層D1共同顯示出一整套負(fù)電荷。但是，因為浮動墊片電極F上的凈電荷必須為零-它是電絕緣的-在浮動墊片電極F和第二介電層D2的共同平面上就會形成一整套正電荷。
在圖的下面，在第二介電層D2和浮動墊片電極F共同的面上，介質(zhì)D2得到的凈電荷是一整行正電荷，和上述第一介電層D1一樣得到一個由一整行正電荷構(gòu)成的電場。通過消除電荷可以驗證這一點(diǎn)。其結(jié)果是在第二介電層D2中再次極化，與第一介電層D1的上述方式類似。
在小珠收集區(qū)BCZ附近，由此產(chǎn)生的電場加至一整行不平衡的凈電荷(NET CHARGE)。從理論上來說，這種凈電荷可以在小珠收集區(qū)BCZ上吸附帶負(fù)電的小珠和粉末，并且用吸附電場Ea代表這一吸附電場。一旦有足夠的帶負(fù)電的顆粒材料著陸并且保持在小珠收集區(qū)BCZ上，有效的凈或是不平衡電荷就會變?yōu)榱?，淀積就會停止，除非靜電映象力(參見上文)能夠克服附近的小珠。
參見圖3，它表示圖2的一個局部截面圖，給第二介電層D2加上一個高電阻率襯底(用SUBSTRATE表示)，它接觸或是夾住小珠輸送器卡盤使其能夠接收淀積的顆粒，例如是在制備藥物定量形式的過程中。同樣用符號表示產(chǎn)生的電荷。對于重復(fù)的成分，其電性能和電荷的排列和圖2所示相同，但是增加了一個高電阻率(p=10^15Ω-cm)的襯底(SUBSTRATE)，牢固地接觸到圖2中第二介電層D2上的小珠接觸面BCS。在這種情況下，原來用于吸附顆粒的不平衡的凈電荷(NETCHARGE)就會受到襯底的介電性質(zhì)的影響。這樣就會再次發(fā)生極化(用符號表示的結(jié)果是介電材料的介電常數(shù)ε=2)，介電層D1和D2產(chǎn)生一半電荷。
對于高電阻率襯底來說，作為時間函數(shù)的電荷保持力或多或少是穩(wěn)定的，也就是說，RC時間常數(shù)甚至可以達(dá)到數(shù)小時，有充足的時間完成顆粒淀積工作。同樣，如此產(chǎn)生的電場，包括襯底(SUBSTRATE)，形成不平衡或是凈電荷(NET CHARGE)，即在襯底的暴露部位上產(chǎn)生一整行正電荷。襯底表面上的這種凈或不平衡電荷產(chǎn)生一個新的小珠收集區(qū)BCZ。小珠收集區(qū)BCZ上的凈電荷能夠吸引帶負(fù)電的顆粒例如是粉末。這樣產(chǎn)生的電場也用吸附電場Ea來表示。一旦有足夠的帶負(fù)電的顆粒材料著陸并且保持在襯底表面的小珠收集區(qū)BCZ上，有效的凈或是不平衡電荷及其在小珠收集區(qū)BCZ上產(chǎn)生的電場或是電壓就會變?yōu)榱?，淀積就會停止。
圖4表示圖3所示的元件復(fù)制的另一個局部截面圖，但是SUBSTRATE是一個接觸或夾住小珠輸送器卡盤的低電阻率襯底(例如ρ=10^10Ω-cm)，有時候常數(shù)可以達(dá)到數(shù)倍。
低電阻率襯底(SUBSTRATE)不再是一種介質(zhì)。它的電阻率足夠低，上述的RC時間常數(shù)是毫秒量級的。在經(jīng)過幾倍時間常數(shù)之后-通常這一時間不夠吸附或淀積顆粒-襯底內(nèi)部流動的電荷會泄漏或是抵銷不平衡或凈電荷(NET CHARGE)，如圖3所示。在圖3的襯底中，帶負(fù)電的載體不會簡單地遷移，而是穿過襯底宏觀地運(yùn)動。襯底中的這些負(fù)電荷會抵銷原來會在表面上產(chǎn)生的凈電荷，如圖3所示。濕氣和空氣塵埃在這一過程中有助于驅(qū)散在襯底上感應(yīng)的電荷。電荷的這種雜散環(huán)境擴(kuò)散能夠使襯底不需要變成或在很長時間內(nèi)保持正電荷。如果在襯底表面的小珠收集區(qū)BCZ上沒有凈或是不平衡電荷，就不會有使顆粒移動或加速的電位或是電壓。如圖所示，顆粒吸附電場Ea變?yōu)榱恪?br> 這一點(diǎn)可以通過計算和抵銷圖中用符號表示的電荷看出來。為了清楚而沒有表示可能停留在襯底邊緣上的一些補(bǔ)償?shù)恼姾伞?br> 圖6表示一個等效電路，它可以反映圖3和4的小珠輸送器卡盤的電氣特性。圖中僅僅表示了電容和電阻的主要影響和作用。從一個圖中未示出的電源施加在小珠電極9上的電壓或偏置用Bias(V9)表示。Bias(V9)施加在用Pad F表示的第一介電層D1到浮動墊片電極F構(gòu)成的電容CF兩端。Pad F隨之又受到雜散電容CF-stray的影響，與屏蔽電極10以及可能的環(huán)境空氣或卡盤內(nèi)部的流體構(gòu)成一個等效電容，這取決于卡盤的結(jié)構(gòu)。
浮動墊片電極F接著耦合到另一個電荷傳遞元件-襯底的暴露表面上的小珠收集區(qū)BCZ(用暴露的襯底頂上的BCZ表示)。其有效的元件包括電阻。浮動墊片電極F和小珠收集區(qū)BCZ以第二介電層D2作為介質(zhì)構(gòu)成一個電容器，其等效電容用CS表示。浮動墊片電極F與小珠收集區(qū)BCZ之間的耦合還具有一個相應(yīng)的電阻RS，主要是襯底本身的電阻，可以使電荷遷移到暴露的襯底表面上。
最后，暴露襯底上的小珠收集區(qū)BCZ通過屏蔽電極10，襯底、濕氣以及其他局部環(huán)境因素被電容耦合到大地。這一等效電容用CS-stray表示。CS-stray的值是由第二介電層D2，襯底以及諸如灰塵和濕氣等等局部環(huán)境因素的電容來決定的。小珠收集區(qū)BCZ與大地之間的耦合還有一個有關(guān)的電阻RS-stray，主要是襯底本身和第二介電層D2的電阻。
參見圖7，它表示三個笛卡兒曲線波形，代表對小珠輸送器卡盤施加和產(chǎn)生的電壓對時間的函數(shù)，此處采用了低電阻率襯底(象圖4一樣)和傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)偏置。用V9代表的電壓對時間的波形代表施加到小珠電極9上的電壓。如圖所示，在大約40mS之后接通電壓，并且維持在一定的電平，用來感應(yīng)吸附和保持顆粒。
用VBCZ代表的電壓對時間的波形代表出現(xiàn)在襯底的暴露部位的小珠收集區(qū)BCZ上的電壓或電位也就是顆粒吸附電壓。在這種情況下在襯底表面的小珠收集區(qū)BCZ上所保持的電荷量，也就是沒有分配和泄漏掉的電荷量決定了電壓Vbcz，例如圖3底部所示。這種不平衡電荷有助于確定在浮動電平電極F上產(chǎn)生的電壓，其波形用符號Vpad F表示。
在這些電壓曲線中沒有反映出顆?；蚍勰┑矸e。如果對小珠電極9施加偏置電壓，使V9變成穩(wěn)定的高態(tài)值，Vpad F和Vbcz都會通電到高態(tài)值，在小珠收集區(qū)BCZ和浮動電平電極F上出現(xiàn)完全不平衡的電荷。電壓Vpad F和Vbcz都具有RC時間常數(shù)衰減特性。這是因為襯底中的電荷載體會響應(yīng)小珠電極9施加的電場而流動。低電阻率襯底中的電荷重組會使襯底表面的小珠收集區(qū)BCZ上的不平衡電荷發(fā)生泄漏。在一個特性時間常數(shù)之后，電壓Vpad F和Vbcz都下降到其最終穩(wěn)態(tài)值的大約(1/e)或37％左右。這就意味著僅有最初電荷的37％還留在襯底表面的小珠收集區(qū)BCZ上。剩下的電荷通常是在數(shù)毫秒之內(nèi)實際上變?yōu)榱?，小珠輸送器卡盤停止工作。
圖8表示三個笛卡兒曲線波形，象圖7一樣代表對小珠輸送器卡盤施加和產(chǎn)生的電壓但是在小珠電極9上用AC波形偏置解決了用低電阻率襯底吸附小珠的問題。如圖所示，小珠電極9偏置電壓V9包括一種有限時間例如40mS的單極性脈沖。用Pulse代表的這一脈沖接近一種方波，其峰值例如可以達(dá)到正2000伏，用來吸附帶負(fù)電的小珠。在脈沖處于高態(tài)值期間，Vpad F和Vbcz和圖7中以往的波形一樣-小珠收集區(qū)BCZ和浮動墊片電極F上的電荷快速積聚到最大值，然后馬上開始泄漏，如上所述。
然而，如圖所示，在小珠收集區(qū)BCZ上的電荷都泄漏完之后，Pulse偏置V9就會回到零。Vpad F和Vbcz和就會迅速下降，并且可能有一定程度的超調(diào)并且改變極性，因為反極性的泄漏電荷仍然靠近小珠收集區(qū)BCZ并且還沒有回到它們先前的位置。經(jīng)過一定時間-這一暫態(tài)間隙是由有關(guān)的時間常數(shù)確定的-錯誤的泄漏電荷載體就消散了，而偏置脈沖V9又占據(jù)了支配位置。這些周期性波形提供的暫態(tài)脈沖即使是在電荷穿過襯底泄漏時也能夠吸附顆粒。可以用公知的電源產(chǎn)生這些單極性周期脈沖，包括采用升壓變壓器的電源，這樣就能用簡單廉價并且電壓很低的電源產(chǎn)生kV級范圍的AC偏置波形。這是因為實際流入卡盤的高壓電流可以低到毫微安培的范圍。
借助于帶電小珠上的靜電映象力的作用，這種技術(shù)可以用于ρ=10^10Ω-cm甚至更低的低電阻率襯底。然而，為了得到小珠的響應(yīng)，單極性脈沖周期的頻率必須足夠低。由小珠電極9上的AC偏置提供的吸附電場Ea必須有足夠長的暫態(tài)使小珠在一定時間內(nèi)受到吸附力，并且通過克服慣性和其他小珠的碰撞促進(jìn)加速。如果周期性波形V9的頻率過高，施加的電壓就會具有準(zhǔn)靜態(tài)偏置的特征，而時間上平均的泄漏電流對小珠收集區(qū)上的凈電荷的泄漏作用會變得更大。
偏置波形及其工作頻率的范圍是很大的，而在實驗基礎(chǔ)上的調(diào)節(jié)可以提供優(yōu)化的頻率值。例如，頻率為4赫茲的一組單極周期性方波脈沖和持續(xù)時間大約為40mS的峰值電壓值就可以滿足要求。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)充電到10mC/g的顆粒粉末可以響應(yīng)高達(dá)100赫茲頻率的周期性脈沖。這種技術(shù)還能夠滿足小珠輸送器卡盤在相對比較高的濕度例如50-60％濕度的環(huán)境下工作。在低電阻率襯底上獲得的有效成分劑量淀積范圍是300-800微克(例如是在4mm直徑的收集區(qū)上)，而更大量的淀積以前是很難的。
即使是在RC時間常數(shù)為分或小時級的高電阻率襯底上，AC波形偏置也有助于減輕殘余表面電荷的作用，這樣就能減輕并且有助于消散在小珠接觸面上吸引小珠的凈電荷。
參見圖9，利用圖8的單極性方波的例子可以解釋采用有效的AC偏置周期性電壓或波形的必要性。圖9給出了另一種笛卡兒曲線波形，它代表小珠收集區(qū)BCZ上的電壓對時間的函數(shù)，比前面的附圖有所夸張。圖中表示了由圖8的脈沖波形在襯底上產(chǎn)生的顆粒吸附電壓VBCZ，唯一的區(qū)別是提供給小珠電極9的方波脈沖(V9)頻率更高，暫態(tài)間隔更小。
從圖中的A點(diǎn)開始，襯底表面上的電壓VBCZ響應(yīng)提供給小珠電極9的單極性方波脈沖(V9)快速上升。和以前一樣，泄漏過程會不利地抵消襯底表面上的電荷，并且電壓VBCZ具有RC衰減特性。這種衰減用符號Decay表示。在下一個階段，施加的方波電壓V9下降到零，開始一個用符號Recovery表示的恢復(fù)階段。在恢復(fù)階段中，電壓V9是零或者是在它的峰值以下的某一個低值。在本例中，V9在恢復(fù)階段的初期下降到零，VBCZ隨之變?yōu)榱?。因為在反方向上的電荷泄漏尚未完全達(dá)到恢復(fù)平衡，VBCZ會暫時超調(diào)并且變?yōu)樨?fù)值，如圖中的B和C點(diǎn)之間所示。
只要VBCZ為正，例如點(diǎn)A和B之間所示，就能吸附顆粒。VBCZ的這一部分電壓波形用attractive表示。當(dāng)VBCZ在恢復(fù)階段暫時改變極性時，如點(diǎn)B和C之間所示，襯底或小珠接觸面上的小珠收集區(qū)BCZ就會排斥(通常是略微排斥)正確帶電的小珠；這一階段用符號repulsive表示。
可以讓V9的AC波形偏置脈沖靠近，從而使VBCZ的電壓波形靠得更緊，縮短VBCZ等于零或是接近零的時間。這樣就能改善小珠收集區(qū)BCZ上的電壓的時間平均特性。
對小珠電極9施加的AC偏置波形V9的范圍很廣。施加的AC偏置可以包括AC和DC成分的混合，并且可以混合方波，正弦波，鋸齒波和其他波形及其混合波形。例如可以為圖中的波形增加一個例如200伏的固定DC電壓，提高脈沖波形。
為V9選擇的AC偏置電壓圖形應(yīng)該能在這種波形的單一重復(fù)周期或者是不定期的波形中使小珠收集區(qū)BCZ上的時間平均值或累積電壓最大，需要這一段時間來吸附顆粒。可以通過選擇V9的波形來實現(xiàn)，使A和B點(diǎn)之間的VBCZ相對于時間的絕對值的積分達(dá)到最大∫AB|VBCZ|dt---(6)]]>式中的A和B是圖9中A和B點(diǎn)上的時間值。
按照同樣的方式，如果給定的AC偏置V9波形在恢復(fù)階段產(chǎn)生明顯的排斥作用，就可以選擇或改變V9波形，使VBCZ在B和C點(diǎn)之間相對于時間的積分最小，也就是使∫BC|VBCZ|dt---(7)]]>最小，式中的B和C是圖9中B和C點(diǎn)上的時間值。為了用特別有效的時間平均值VBCZ為需要克服碰撞和其他阻礙的小珠提供最大動力，可以選擇AC偏置V9波形，將VBCZ提升到最高正電壓，例如是使其A點(diǎn)到B點(diǎn)時間段上的平方值最大，也就是∫AB(VBCZ)^2dt---(8)]]>的最大值，它會著重加強(qiáng)VBCZ的暫態(tài)的高值，在靠近峰值或最大值處加重VBCZ的平均值。
可以事先為一種給定的卡盤對V9波形進(jìn)行功能性優(yōu)化，即使是沒有多少實驗的指導(dǎo)，根據(jù)對圖6的等效電路中的電阻和電容CF,CF-stray,CS,Rs,CS-stray和RS-stray的實驗測量值就可以實現(xiàn)。如果對圖中的電路或是適合這種小珠輸送器卡盤的其他等效電路采用已知的公式，就可以用計算機(jī)或是其他數(shù)字技術(shù)計算出由任何建議的V9波形激起的電壓VBCZ。
無論如何，AC波形偏置或電壓V9是這樣選擇的，在小珠收集區(qū)上產(chǎn)生的顆粒吸附電壓VBCZ的時間平均值在平均的意義上大于在施加一個相等的時間平均的DC電壓V9-DC時所能獲得的值-這一電壓V9-DC是對應(yīng)著小珠電極9上的AC波形電壓V9經(jīng)過整流和平滑獲得的。如果采用由AC波形電壓V9獲得的VBCZ，可以用VBCZ-DC來代表用時間平均的DC電壓V9-DC獲得的顆粒吸附電壓。也就是*用AC偏置電壓V9產(chǎn)生VBCZ，*用DC等值偏置V9-DC產(chǎn)生VBCZ-DC。
可以通過對AC波形偏置V9取時間平均值計算出時間平均的DC電壓V9-DC，取V9除以時間t相對于時間的積分V9-DC=∫ABV9/tdt---(9)]]>例如，如果對V9采用由占空度為50％的1000伏峰值且其他時間為零構(gòu)成的方波，相等的時間平均的DC電壓V9-DC就等于500伏。用1000伏AC波形峰值的平均值產(chǎn)生的顆粒吸附電壓VBCZ比對小珠電極9施加普通的500伏DC所獲得的電壓要高。
這就意味著VBCZ在從點(diǎn)A到點(diǎn)B的吸附階段的絕對值除以時間t之后的積分要比在小珠電極9上用等值的時間平均的DC電壓V9-DC所獲得的VBCZ-DC的積分值高，或者是∫AB|VBCZ|/tdt>∫AB|VBCZ-DC|/tdt---(10)]]>時間t只能選擇正值。
即使為小珠電極9選擇的V9波形具有明顯的排斥現(xiàn)象，仍然可以吸附顆粒，因為VBCZ波形中的吸附周期的作用超過了排斥周期。這主要是因為小珠在接近卡盤時會產(chǎn)生靜電映象力，與實際的VBCZ無關(guān)。
在小珠輸送器卡盤附近，帶電顆粒與卡盤的導(dǎo)電表面有一個距離d，由映象電荷產(chǎn)生的靜電映象力Fimage隨著顆?？拷ūP而變得比上述的力Felec更加明顯。對于一個顆粒上給定的電荷q來說，在距離d上的靜電映象力按照適用于靜止點(diǎn)電荷的Coulomb定律可計算如下Fimage=q24πϵ0d2(πbead3/6)ρ·g---(11)]]>在公式中，ε0是真空介電常數(shù)；(πd^3/6)是顆粒體積；ρ是單位為kg/m3的顆粒質(zhì)量密度，而g是重力加速度。靜電映象力的單位是g。它在短距離內(nèi)會變成有效的力，但是仍然需要有顆粒吸附電場Ea將帶電的小珠帶到其影響范圍之內(nèi)。
可以同時采用其他技術(shù)來提高小珠輸送器卡盤的效率，包括使用傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器用聲學(xué)手段提供周期性的空氣或流體。這樣的揚(yáng)聲器(未示出)可以和顆粒分配器或顆粒操縱室的某一部分連通，能夠?qū)ο侣涞男≈槭┘勇晫W(xué)能量，用靜電映象力將其保持在分配器的表面上，或是在向一個指定的目標(biāo)排放顆粒的過程中用卡盤本身的靜電映象力保持下落的小珠。
對小珠電極9采用AC偏置波形還可以在淀積檢測過程中解決另一個問題。在淀積檢測過程中嚴(yán)密監(jiān)視一或多個小珠收集區(qū)上的顆粒累積情況，從而調(diào)節(jié)顆粒淀積程序，以期達(dá)到精確的劑量?？梢杂靡环N裝在與檢測器有關(guān)的小珠收集區(qū)上的“裝在板上的”電荷檢測器來測量累積的電荷，它和通過實驗數(shù)據(jù)采集到的實際的帶電顆粒淀積具有對應(yīng)的關(guān)系。例如在干法粉末淀積過程中，監(jiān)視往往是一種困難的工作，特別是對于一毫克以下的劑量。
困難在于沒有有效的測量手段-新式的固體器件盡管價格昂貴但能夠精確地測量到數(shù)百個電子的電荷產(chǎn)生的電壓所具有的噪聲電平量級。各種實際和環(huán)境因素對電荷檢測靈敏度的不利影響可以達(dá)到兩三個數(shù)量級。對于準(zhǔn)靜態(tài)DC偏置的小珠輸送器卡盤來說，檢測板上的電荷特別困難。如果讓電壓超過某一個門限電壓，由聚丙烯薄膜襯底上的淀積獲得的具有不同電壓的數(shù)據(jù)可以線性地表示淀積的劑量與偏置電壓的關(guān)系。對于具體的輸送器卡盤來說，代表門限電壓的數(shù)據(jù)至少是大約100-200伏DC。
參見圖10，它表示一種可能的等效電路圖，可以為圖1-4所示的小珠輸送器卡盤的至少一個小珠收集區(qū)提供AC偏置的電荷并且檢測淀積情況。有一或多個小珠收集區(qū)BCZ被專用于檢測，或者是作為通用但被重點(diǎn)監(jiān)視。隨著帶電的小珠被淀積到小珠收集區(qū)上，測量所說吸附電壓VBCZ的下降，就能夠測量出淀積的電荷，只要知道淀積顆粒(例如小珠或粉末)的平均電荷/質(zhì)量比q/m，就能夠測量出累積的顆粒淀積質(zhì)量?？梢灾苯油ㄟ^一個電荷收集器電極測量VBCZ，但是往往是通過一個耦合電容器來測量電壓，例如是上述的浮動墊片電極F，其波形如圖8所示。由上述的浮動墊片電極F構(gòu)成的耦合電容器可以為小珠接觸面上的小珠收集區(qū)BCZ的電壓提供高保真的復(fù)制品，在圖8中用VBCZ和Vpad F表示。無論是否采用電荷收集器還是電荷耦合電容器，在權(quán)利要求書中都將其稱為電荷檢測電極。在圖10的等效電路中，電荷收集器/耦合電容器都用電路連接到一個獨(dú)立的檢測電容器。在檢測電容器上產(chǎn)生的電壓可以作為電壓VBCZ的指示器，并且可以用一個電位計直接測量檢測電容器上的電壓，例如是圖中表示的Keithley電位計，型號為614,6512,617,642,6512或6517A。耦合電容器可以是電容耦合到小珠接觸面上的一個小珠收集區(qū)的任何一種電極。
有一個問題是DC偏置會造成檢測電容器上的電壓讀數(shù)的穩(wěn)定漂移。這種漂移有多種原因，主要是由于檢測電容器中的介電材料的自然泄漏，并且因為襯底或累積在卡盤上的顆粒成分的電荷泄漏。諸如爆破噪聲，Johnson(1/f)白噪聲，熱噪聲，電流噪聲，摩擦靜電噪聲，壓電噪聲，放大器噪聲和電磁感應(yīng)噪聲等噪聲因素也會引起漂移?？蓞⒁奣he Art of Electronic(電子學(xué))，Paul Horowiz著，WinfieldHill,2nd Edition,Cambridge University Press,1989 ISBN0521370957，這篇文章的全文可供本文參考。
如果這種漂移和實際收集在小珠收集區(qū)上的電荷相比很大，作為劑量或淀積測量工具的電荷檢測器的精度就不夠了。然而，如果采用本發(fā)明的AC偏置波形，產(chǎn)生的漂移很小，與上述用于避免消散在小珠收集區(qū)上的電荷“漂移”的方式類似，這樣就能精確地測量收集的電荷。在圖中表示了一個AC偏置電源，它可以和上述的通過小珠電極9直接施加的AC偏置電壓一樣。這樣，如果將其有選擇地直接連接到檢測電容器，就能電氣耦合到浮動墊片電極F或耦合到小珠收集區(qū)本身。
例如，如果選擇的檢測電容器是0.1μF，粉末的q/m是10μC/g，電荷收集器/耦合電容器上的信號變化是100mV，對應(yīng)著淀積在小珠收集區(qū)上的1mg粉末。假如線性相關(guān)系數(shù)是3，檢測器上的1mg粉末就相當(dāng)于3mg的實際淀積劑量，對99μg實際劑量檢測到的電壓變化是3.3mV?？紤]到5％的誤差容限，對應(yīng)的背景不可預(yù)計的噪聲分布不能超過160μV。這是通過精密的屏蔽和接地技術(shù)來實現(xiàn)的。為了保證一致的相關(guān)性，電荷收集器和卡盤結(jié)構(gòu)最好是一個整體。
實際上，為避免電荷在襯底中消散而對V9采用AC偏置波形所帶來的益處同樣也能夠用來大大減少電荷檢測電路的漂移。
圖11表示另一種可能的等效電路圖，能夠提供AC偏置并且檢測淀積情況。這種結(jié)構(gòu)可以通過將AC偏置電源與電位計，檢測電容器或是電荷收集器/耦合電容器隔離而進(jìn)一步降低噪聲，所有這些元件對噪聲的靈敏度都有很高的要求。如圖所示，AC偏置電源被連接到變壓器T的原邊。這樣，僅有由V9產(chǎn)生的周期性磁場(而不是V9本身)才能進(jìn)入圖中右側(cè)的敏感元件。變壓器T的副邊跨接在一個負(fù)載穩(wěn)定電阻R上，其偏置極BP連接到電荷收集器/耦合電容器，而另外一極也就是檢測電容器極CP連接到檢測電容器。為了進(jìn)一步降低噪聲，檢測電容器連接到地。然后可以用電位計測量檢測電容器相對于地的電壓變化，如圖所示。這兩個接地點(diǎn)可以組合起來進(jìn)一步降低電磁噪聲。如上文所述，變壓器T可以是一種升壓變壓器，這樣就能用廉價的手段為小珠電極9提供復(fù)合的AC偏置波形。例如，升壓比可以是50。這種結(jié)構(gòu)能夠大大減少漂移并且更加精確地檢測累積的電荷，而以前100微微安培以下的耦合電流就會造成漂移和噪聲問題。
必要時可以采用隔離變壓器，T用一個Faraday殼將原邊和副邊繞組隔開。這樣就能防止原邊和副邊之間的耦合，由原邊繞組構(gòu)成一個電容器板，而副邊繞組作為另一個電容器板。
由于改善了信號與漂移的比例，能夠明顯地減少檢測的電荷量。可以用1000pF的電容器代替以前采用的0.1μF值的檢測電容器。另外，圖10和11所示的AC偏置電源可以和卡盤上的AC波形偏置V9隔離，通過專用的線路，電極或總線等等直接為電荷收集器/耦合電容器提供獨(dú)立的AC偏置。為了保證電荷收集器/耦合電容器的狀態(tài)與實際淀積情況的一致的相關(guān)性，這一獨(dú)立的AC偏置的頻率和V9保持一致或失調(diào)。
總而言之，這種技術(shù)能夠采用電壓峰值比以往更高的V9偏置。以8000分子量的聚乙烯乙二醇作為襯底，采用2kV的偏置峰值電壓。還要記住一個重要問題，那就是可以采用任何類型的小珠輸送器卡盤，包括那些偏置電極直接暴露于小珠接觸面的卡盤(例如圖12所示)。
實際上，可以將帶電顆粒引入顆粒分配器或容器(未示出)。例如為了吸附和保持帶負(fù)電的顆粒，可以對顆粒容器中的一個導(dǎo)電表面和/或摩擦充電篩施加負(fù)的偏置，并且對小珠電極9施加正的偏置，同時用一個接地屏蔽電極10或是負(fù)偏置的屏蔽電極10將顆粒引向其在小珠收集區(qū)BCZ上的目的地。這樣就能按照極性和電荷/質(zhì)量比來篩選顆粒，促使具有一定的電荷/質(zhì)量比和正確極性的顆粒落在它們的小珠收集區(qū)上。
有效的顆粒成分在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，它們往往都是聚合物，例如二乙烯基苯共聚物；聚苯乙烯；聚乙烯乙二醇；或者是聚乙烯乙二醇嫁接聚苯乙烯，例如是PerSeptive Biosystems ofFramingham,MA公司提供的品牌PEG-PS；或者是由Rapp Polymer GmbHof Germany公司提供的交連聚乙烯乙二醇樹脂。顆?？梢允歉稍锏?，或者是具有吸收的水成溶液，或者是一種精細(xì)的粉末，例如是微米級粉末。顆粒也可以是干燥的涂料或是螢光粒子，或者是任何其它可以帶電的粉末，例如是摩擦充電或感應(yīng)充電。本發(fā)明特別適合用來以一種可以控制的方式在襯底上淀積藥物，用來構(gòu)成藥物輸送載體。本文所述的于法淀積技術(shù)可以盡量減少配方中的賦形劑，便于質(zhì)量控制并且減少材料之間的不良反應(yīng)。
顆粒在施加到小珠輸送器卡盤上之前可以充電，例如采用等離子體充電或是按照公知的現(xiàn)有技術(shù)采用摩擦充電(摩擦或接觸充電)?？梢杂糜谀Σ脸潆姷牟牧习ň鬯姆蚁?“TEFLON”)和氯三氟乙烯的聚合物，氯化丙烯，氯乙烯，氯化醚，4-chlorostyrene,4-chloro-4-methoxy-styrene，砜類，表氯醇，苯乙烯，乙烯，碳酸鹽，乙烯醋酸乙酯烯，異丁烯酸甲酯，醋酸乙烯酯，丁烯丁醛，2-vinylpyridine styrene和乙烯基氧化物。例如可參見“Triboelectrification of Polymers(聚合物摩擦電)”inK.C.Frisch and A.Patsis,Electrical Properties of Polymers聚合物的電性能(Technomic Publications,Westport,CT)，這篇文章的全文可供本文參考。例如，帶負(fù)電的聚四氟乙烯和聚乙烯等等材料會在顆?；蛭矬w上產(chǎn)生正電荷。而帶正電的尼龍和其他材料會在顆?；蛭矬w上產(chǎn)生負(fù)電荷。在使用機(jī)械振動對聚合物小珠摩擦充電時，最好是讓用來為小珠充電的摩擦充電材料的數(shù)量或質(zhì)量與小珠的數(shù)量或質(zhì)量成這樣的比例，讓它們各自的總表面面積大致相等。
在使用小珠輸送器卡盤的場合可以采用各種操作方式。為了拾取和保持顆粒，對一個暴露或沒有暴露給小珠接觸面的小珠電極施加電的偏置，以便吸附顆粒，而顆粒分配器或容器的另一個導(dǎo)電表面可以反向偏置?？梢圆捎萌我鈹?shù)量的小珠電極9，并且可以用公知的裝置單獨(dú)或獨(dú)立連接，以便于在二維方向上獨(dú)立地選擇尋址。
通過小珠輸送器卡盤的整體移動將吸附和保持在小珠輸送器卡盤上的顆粒適當(dāng)?shù)剌斔偷揭粋€襯底，微滴度板或是其他目標(biāo)上，或者是讓靶子襯底或板靠近卡盤。然后采用使所有施加的電壓反向或是設(shè)置為零的控制方式釋放或排放小珠。例如，為了釋放顆粒，只需要將小珠電極9短路或接地(0伏)，或是施加反向電壓。如果使用屏蔽電極10，在排放顆粒的過程中可以利用偏置來排斥顆粒，可以用聲學(xué)釋放機(jī)械或方法協(xié)助顆粒的排放和放置。
在使用本發(fā)明的小珠輸送器卡盤時，溫度應(yīng)該在-50℃到200℃之間，最佳溫度是22℃到60℃之間。相對濕度可以是0-100％，只要不會發(fā)生濃縮；最佳的相對濕度是30％。
小珠電極9可以包括任意數(shù)量可以在二維方向x和y上獨(dú)立尋址的象素或元件，各自具有獨(dú)立控制的小珠收集區(qū)。為了便于按照公知的現(xiàn)有電子技術(shù)尋址，可以采用任意數(shù)量的公知裝置和結(jié)構(gòu)。這樣就能按照上文所述的方法簡化組合的合成或是分析。在使用小珠輸送器卡盤時，可以將卡盤的小珠接觸面暴露于顆粒；為卡盤的每個x-y尋址的象素或獨(dú)立的空間元件選擇施加上述的AC波形電壓，將顆粒選擇吸附和保持在每個小珠收集區(qū)上；然后根據(jù)需要有選擇地反轉(zhuǎn)或降低和每個小珠收集區(qū)有關(guān)的電壓，將顆粒釋放到對準(zhǔn)小珠輸送器卡盤的指定目標(biāo)上。
也可以用卡盤吸附顆粒，特別是總尺寸很大的大直徑顆粒或物體，例如直徑為3mm，并且具有低電阻率，可以看見被藥物有效成分覆蓋的襯底。這種顆粒包括橢圓形的水溶薄膜，例如是hydroxypropylmethyl cellulose樹脂。參見1995年6月6日遞交的美國專利申請?zhí)朥S08/471,889“Methods and Apparatus for ElectronicallyDepositing a Medicament Powder Upon Predefined Regions of aSubstracte,”及其后續(xù)申請1996年6月6日遞交的08/659,501,其全文可供本文參考。
這樣，使用低電阻率襯底的靜電卡盤就能大規(guī)模連續(xù)地制造，例如是采用藥片的食用襯底的薄片，或是一種空氣過濾襯底的薄片。例如可以使用hydroxypropyl methyl cellulose，例如PolymerInc.(Rockville CT)生產(chǎn)的Edisol M Film M-900或EM 1100。顆粒直徑的尺寸范圍從一微米到1000微米以上。
顯而易見，按照上述指導(dǎo)還可以對本發(fā)明作出各種各樣的修改和變更。因而需要指出，在附帶的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)本發(fā)明，而并非僅限于上述的具體實施例。
本文中所引用的包括但是不僅限于專利和專利申請的所有出版物和參考資料的全文都可供參考，就好象每件出版物或參考資料的全文都是專門和單獨(dú)地包括了本文所參考的內(nèi)容。本申請要求了優(yōu)先權(quán)的任何一項專利申請也是以上述出版物和參考資料的形式供本申請全文參考。
盡管本發(fā)明是重點(diǎn)依照最佳實施例來描述的，還可以采用各種優(yōu)化的設(shè)備和方法，這對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的，也可以用本文所述之外的其他方式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括納入權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的原理和范圍之內(nèi)的所有變更形式。
權(quán)利要求
1．使用AC波形偏置將顆粒吸附在一個小珠接觸面上的小珠收集區(qū)上的一種小珠輸送器卡盤，小珠接觸面可以處在小珠輸送器卡盤上或者是層疊在小珠輸送器卡盤上的一個襯底上，并且用來保持以及從小珠收集區(qū)上排放顆粒，其特征是包括一個小珠電極，用于為小珠收集區(qū)選擇產(chǎn)生一個顆粒吸附電場，小珠電極的形狀和結(jié)構(gòu)是這樣的，施加給它的AC波形電壓會影響到顆粒，并且用小珠電極選擇引導(dǎo)顆粒保持在小珠收集區(qū)上；以及用來提供AC波形電壓的一個編程的電子驅(qū)動器。
2．按照權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤，其特征是進(jìn)一步包括一個屏蔽電極，其形狀和結(jié)構(gòu)能夠使來自小珠電極的電場穿透小珠收集區(qū)。
3．按照權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤，其特征是進(jìn)一步包括一個與小珠電極電容耦合的浮動墊片電極，它響應(yīng)施加給小珠電極的電壓在浮動墊片電極中重新排列電荷，產(chǎn)生顆粒吸附電場。
4．按照權(quán)利要求3的小珠輸送器卡盤，其特征是進(jìn)一步包括一個屏蔽電極，其位置和結(jié)構(gòu)圍住浮動墊片電極，但是與其保持電絕緣。
5．按照權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤，其特征是進(jìn)一步包括一個電荷收集器電極，用來監(jiān)視小珠接觸面的小珠收集區(qū)上累積的電荷。
6．按照權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤，其特征是進(jìn)一步包括位于小珠電極和小珠接觸面之間的一個耦合電容器，耦合電容器電容耦合到小珠接觸面上的小珠收集區(qū)。
7．按照權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤，其特征是，在施加反復(fù)的吸附電壓時，在小珠收集區(qū)靠近一種電荷具有RC衰減的材料時，用一個AC波形電壓[V9]在小珠接觸面的小珠收集區(qū)上提供反復(fù)的顆粒吸附電壓。
8．按照權(quán)利要求7的小珠輸送器卡盤，其特征是進(jìn)一步構(gòu)造AC波形電壓，每當(dāng)顆粒吸附電壓起作用時，小珠收集區(qū)上的時間平均的顆粒吸附電壓的平均值比施加一個對應(yīng)著AC波形電壓的等效時間平均DC電壓[V9-DC]時獲得的第二顆粒吸附電壓[VBCZ-DC]要高。
9．按照權(quán)利要求8的小珠輸送器卡盤，其特征是AC波形電壓[V9]是這樣選擇的，使小珠接觸面的小珠收集區(qū)上的顆粒吸附電壓VBCZ最大，使AC波形上A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的VBCZ相對于時間的絕對值的積分∫AB|VBCZ|dt]]>達(dá)到最大，這一積分值大于用權(quán)利要求8的第二AC波形電壓獲得的值。
10．供具有電荷檢測電極的小珠輸送器卡盤使用的一種累積電荷檢測電路，用來監(jiān)視小珠接觸面的小珠收集區(qū)上累積的電荷，其特征是包括一個AC偏置電源；一個用電路連接在電荷收集電極和AC偏置電源之間的檢測電容器；用電路連接在AC偏置電源和耦合電容器之間的一個電位計，用來測量檢測電容器的電壓。
11．按照權(quán)利要求10的累積電荷檢測電路，其特征是包括一個具有原邊繞組和副邊繞組的變壓器，原邊和副邊繞組各自具有第一和第二極；用電路連接到變壓器副邊繞組的第一極[BP]上的電荷收集電極；連接在地和變壓器副邊繞組的第二極[CP]之間的檢測電容器；用電路連接在變壓器副邊繞組的第二極[CP]和地之間的一個電位計；跨接在變壓器原邊繞組的第一和第二極之間的一個AC偏置電源。
12．用權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤輸送顆粒的一種方法包括以下步驟[a]對權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤的小珠電極施加AC波形電壓，產(chǎn)生一個顆粒吸附電場；并且[b]將顆粒吸附和保持在小珠收集區(qū)上。
13．按照權(quán)利要求12的方法，其特征是進(jìn)一步包括[c]降低對小珠電極施加的第一電壓，從而充分降低顆粒吸附電場，將顆粒從小珠收集區(qū)排放到指定位置。
14．按照權(quán)利要求13的方法，其特征是進(jìn)一步包括[d1]在步驟[c1]之前將小珠輸送器卡盤對準(zhǔn)指定位置。
15．按照權(quán)利要求12的方法，其特征是進(jìn)一步包括[c2]為具有電荷檢測電極的小珠輸送器卡盤提供一種累積電荷檢測電路，用來監(jiān)視小珠接觸面的小珠收集區(qū)上累積的電荷，它包括(1)一個AC偏置電源；(2)一個用電路連接在電荷收集電極和AC偏置電源之間的檢測電容器；(3)用電路連接在AC偏置電源和耦合電容器之間的一個電位計，用來測量檢測電容器的電壓；[d2]當(dāng)電荷檢測電路指示出小珠收集區(qū)上已經(jīng)累積了足夠的顆粒時停止施加AC波形電壓，或者是在有多個小珠收集區(qū)和兩個以上電荷檢測電路的情況下調(diào)節(jié)AC波形電壓，從而調(diào)節(jié)累積在各個小珠收集區(qū)上的顆粒。
16．用權(quán)利要求1的小珠輸送器卡盤輸送顆粒的一種方法包括[1]對小珠輸送器卡盤的小珠電極施加電壓，產(chǎn)生將顆粒吸附到小珠收集區(qū)上的顆粒吸附電場，小珠收集區(qū)可以處在小珠輸送器卡盤上，或是處在層疊在小珠輸送器卡盤上的一個襯底上；以及[2]在小珠收集區(qū)上吸附和保持顆粒；[3]為具有電荷檢測電極的小珠輸送器卡盤提供一種累積電荷檢測電路，用來監(jiān)視小珠接觸面的小珠收集區(qū)上累積的電荷，它包括(a)一個AC偏置電源；(b)一個用電路連接在電荷收集電極和AC偏置電源之間的檢測電容器；以及(c)用電路連接在AC偏置電源和耦合電容器之間的一個電位計，用來測量檢測電容器的電壓；[4]當(dāng)電荷檢測電路指示出小珠收集區(qū)上已經(jīng)累積了足夠的顆粒時停止所述電壓，或者是在有多個小珠收集區(qū)和兩個以上電荷檢測電路的情況下調(diào)節(jié)電壓，從而調(diào)節(jié)累積在各個小珠收集區(qū)上的顆粒。
全文摘要
小珠輸送器卡盤的AC波形偏置及其專用于低電阻襯底和小珠的累積電荷檢測電路,如果采用傳統(tǒng)的DC準(zhǔn)靜態(tài)偏置電壓,卡盤的小珠吸附電壓就會經(jīng)歷急劇的RC衰減并且使小珠輸送器卡盤停止工作。本發(fā)明提供了一種選擇AC波形的方法,包括在小珠接觸面的小珠收集區(qū)中使小珠吸附電壓的時間平均值達(dá)到最大。
文檔編號B01J19/08GK1312734SQ99809528
公開日2001年9月12日 申請日期1999年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月10日
發(fā)明者H·C·孫, D·S·羅薩蒂, E·S·波利尼爾克, B·辛格, N·V·德賽 申請人:德爾西斯藥品公司