微流体分配设备、微流体盒和喷雾器
技术领域
本公开涉及微流体分配设备、微流体盒和喷雾器。
背景技术
众所周知，为了治疗目的和用于生产非医疗设备(诸如所谓的电子香烟)而需要精确控制可吸入物质的输送，这导致开发出易于使用的小型化输送设备。
已知类型的可吸入物质的分配设备通常包括：包含具有待在溶液中输送的物质的流体的罐；以及至少一个输送腔室，设置有喷射器喷嘴并且由罐供应。容纳在由控制设备驱动的腔室中的致动器引起受控量的流体的排出。
目前，特别是在电子烟中，主要使用电阻式或电感式致动器。
在电阻致动器中，电阻电极放置在腔室内并且围绕海绵状圆柱体 (也称为“芯”)接触缠绕，该圆柱体通常由玻璃纤维制成。电流横穿的电极加热待输送流体直至沸点，并且气泡的形成导致相应体积的待输送流体的排出。输送的控制通常基于流量计，该流量计检测流出腔室的流体的流速。这种输送设备受到某些限制。首先，电极直接与待输送流体接触，这可能导致不希望的和潜在有害物质的释放。而且，腔室中存在的整个流体体积达到沸点，并且因此达到相当高的温度。这种情况可能引发流体中的反应，从而改变待输送物质。如果待输送物质是药物，则反应可能使活性成分无效。相反，如果该设备输送烟雾的替代品，则感官特性可能降低。在最糟糕的情况下，由于高温引起的反应可能产生有害物质，这些物质被吸入而损害使用者。已知设备的另一限制是控制所输送的可吸入物质的剂量的精度很低。
在感应式致动器中，线圈以一定距离缠绕在芯上。电流穿过的线圈保持相对较冷，但是生成加热海绵体和液体的磁场，直到它引起后者的排出。这种类型的致动器不存在与物质从线圈(其不与液体接触) 的释放和过度加热相关的问题，但是成本很高并且不适于集成在一次性盒中(这是优选的)。
实用新型内容
本公开的至少一个实施例是一种用于输送可吸入物质的微流体分配设备，其能够克服或至少减轻上述限制中的至少一些限制。
根据一个方面，提供了一种微流体分配设备，用于输送可吸入物质，包括：外壳；驱动电路，容纳在所述外壳中；微流体盒，容纳在所述外壳中并且具有罐和喷雾器，所述罐被配置为包含液体，所述喷雾器被配置为由所述驱动设备控制，所述喷雾器包括：基底；多个腔室，形成在所述基底上并且流体耦合到所述罐以用于接纳所述液体；多个加热器，分别形成在所述基底上与所述腔室相对应的位置中，其中所述加热器被热耦合到相应腔室，所述加热器被配置为由所述驱动设备控制；绝缘层，将所述加热器与所述相应腔室分离；以及多个喷嘴，分别将所述腔室流体连接到所述喷雾器外部的环境，其中所述腔室由壁横向界定，并且所述壁的表面的部分延伸穿过所述喷嘴中的至少一些喷嘴的基部区域。
在一个实施例中，所述喷雾器包括在所述基底上的腔室层，所述腔室被设置在所述腔室层中。
在一个实施例中，微流体分配设备包括在所述腔室层上的喷嘴板，所述喷嘴穿过所述喷嘴板设置。
在一个实施例中，所述腔室由所述绝缘层界定，并且在与所述基底相对的一侧由所述喷嘴板界定。
在一个实施例中，所述基底由半导体材料制成，并且所述腔室层由聚合材料制成。
在一个实施例中，所述喷雾器包括：微流体通道；以及供应通道，流体耦合到所述罐，并且其中所述腔室分别通过所述微流体通道分别流体耦合到所述供应通道。
在一个实施例中，所述腔室沿着所述供应通道的边缘对准并且均匀分布。
在一个实施例中，所述供应通道是圆形的并且是同心的并且限定环形框架区域，所述环形框架区域包括所述基底的相应部分、所述绝缘层的相应部分和所述腔室层的相应部分并且也是同心的。
在一个实施例中，所述基底包括：第一框架区域和第二框架区域；第一外部供应开口和第二外部供应开口，所述第一外部供应将所述第一框架区域和所述第二框架区域彼此分离，所述第二外部供应区域将所述第二框架区域与所述基底的外部部分分离；最内供应通道居中地布置在所述第一框架区域内；第一桥，将所述第一框架区域和所述第二框架区域彼此连接；以及第二桥，将所述第二框架区域连接到所述基底的所述外部部分。
在一个实施例中，所述喷嘴被配置为响应于所述驱动电路对所述加热器的激活而释放具有小于5μm的直径的液滴。
在一个实施例中，所述加热器由选自以下组的材料制成：多晶硅、 Al、Pt、TiN、TiAlN、TaSiN、TiW。
在一个实施例中，所述微流体盒具有封闭所述罐的盖，并且其中所述喷雾器连结到所述盖的外表面并且经由设置在所述盖中的通道流体耦合到所述罐。
在一个实施例中，所述外壳包括释放接口管和壳体，所述壳体限定内部腔室，所述内部腔室以可移除的方式接纳所述微流体盒并且通过所述释放接口管与所述环境连通。
在一个实施例中，所述壳体包括与所述内部腔室流体连通的入口孔，并且其中所述入口孔和所述接口管被布置为使得通过所述接口管的抽吸将空气通过所述入口孔吸入所述内部腔室中，使所述空气通过所述内部腔室，并且然后通过所述接口管释放。
在一个实施例中，所述喷雾器是所述微流体盒的多个喷雾器中的一个喷雾器，并且所述罐是所述微流体盒的多个罐中的一个罐，所述罐被彼此分离并且被配置为包含具有待输送的相应不同物质的相应液体，所述罐分别与所述喷雾器流体耦合。
根据一个方面，提供了一种流体盒，包括：罐，被配置为包含液体；以及喷雾器，包括：基底；多个腔室，形成在所述基底上并且流体耦合到所述罐以用于接纳所述液体；多个加热器，分别形成在所述基底上与所述腔室相对应的位置中，其中所述加热器被热耦合到相应腔室，所述加热器被配置为由所述驱动设备控制；绝缘层，将所述加热器与所述相应腔室分离；以及多个喷嘴，分别将所述腔室流体连接到所述喷雾器外部的环境，其中所述腔室由壁横向界定，并且所述壁的表面的部分延伸穿过所述喷嘴中的至少一些喷嘴的基部区域。
在一个实施例中，所述喷雾器包括：微流体通道；以及供应通道，流体耦合到所述罐，并且其中所述腔室分别通过所述微流体通道分别流体耦合到所述供应通道。
在一个实施例中，所述供应通道是圆形的并且是同心的并且限定环形框架区域，所述环形框架区域包括所述基底的相应部分、所述绝缘层的相应部分和所述腔室层的相应部分并且也是同心的。
在一个实施例中，所述喷雾器是所述微流体盒的多个喷雾器中的一个喷雾器，并且所述罐是所述微流体盒的多个罐中的一个罐，所述罐彼此分离并且被配置为包含具有待输送的相应不同物质的相应液体，所述罐分别与所述喷雾器流体耦合。
根据一个方面，提供了一种喷雾器，包括：基底；多个腔室，形成在所述基底上并且被配置为接纳液体；多个加热器，分别形成在所述基底上与所述腔室相对应的位置中，其中所述加热器被热耦合到相应腔室，所述加热器被配置为由所述驱动设备控制；绝缘层，将所述加热器与所述相应腔室分离；以及多个喷嘴，分别将所述腔室流体连接到所述喷雾器外部的环境，其中所述腔室由壁横向界定，并且所述壁的表面的部分延伸穿过所述喷嘴中的至少一些喷嘴的基部区域。
在一个实施例中，所述喷雾器包括：微流体通道；以及供应通道，流体耦合到所述罐，并且其中所述腔室分别通过所述微流体通道分别被流体耦合到所述供应通道。
在一个实施例中，所述基底包括：第一框架区域和第二框架区域；第一外部供应开口和第二外部供应开口，所述第一外部供应将所述第一框架区域和所述第二框架区域彼此分离，所述第二外部供应区域将所述第二框架区域与所述基底的外部部分分离；最内供应通道被居中地布置在所述第一框架区域内；第一桥，将所述第一框架区域和所述第二框架区域彼此连接；以及第二桥，将所述第二框架区域连接到所述基底的所述外部部分。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在将仅通过非限制性示例并且参考附图来描述其一些实施例，在附图中：
图1是根据本公开的一个实施例的可吸入物质的微流体分配设备的透视图；
图2是沿着图1的平面II-II截取的图1的微流体输送设备的透视图；
图3是在图1的微流体输送设备中使用的微流体盒的透视图；
图4A是沿着图3的平面IV-IV截取的图3的微流体盒的侧视图；
图4B是根据本公开的不同实施例的微流体盒的侧视图；
图5是图3的微流体盒的组件的透视图；
图6是图5的组件的分解透视图；
图7是图5的组件的一部分的放大透视图，其中为清楚起见而移除了部件；
图8是图5的组件的放大细节的俯视图；
图9是沿着图8的IX-IX平面剖开的图8的细节的透视图；
图10是根据本公开的不同实施例的可以在微流体输送设备中使用的微流体盒的组件的细节的透视图；
图11是根据本公开的另一实施例的可以在微流体输送设备中使用的微流体盒的组件的细节的透视图；
图12是根据本公开的另一实施例的可以在微流体输送设备中使用的微流体盒的组件的细节的透视图；
图13A至13E示出了图5的组件的操作；
图14是根据本公开的另一实施例的可以在微流体输送设备中使用的微流体盒的组件的透视剖视图；
图15是图14的组件的放大细节的俯视图；以及
图16是根据本公开的另一实施例的微流体输送设备的示意性横向剖视图。
具体实施方式
参考图1和2，标号1总体上表示用于输送可吸入物质的微流体分配设备，在所示实施例中，该设备是电子烟。微流体输送设备1包括外壳2，外壳2中容纳有驱动设备3、电池4和一次性微流体盒5。
更详细地，外壳2包括由聚合物和/或金属材料制成的细长管状本体6，并且包括控制壳体7和盒壳体8。在一个实施例中，控制壳体7 限定基本上轴向的盲腔7A，盲腔7A在壳体2的第一端2a处开口并且可以例如用适当地设计的盖(未示出)封闭。驱动设备3可以焊接在支撑件10(例如，PCB(印刷电路板))上，支撑件10可以与电池4一起插入控制壳体7中的腔室7A中。
盒壳体8包围腔室8A，腔室8A设置在控制壳体7与壳体2的第二端2b之间并且通过舱口11可访问以用于盒5的插入和移除。盒壳体8中的腔室8A通过入口孔13和接口管14与外部连通以用于释放可吸入物质。更确切地说，入口孔13和接口管14被布置为使得通过接口管14的抽吸将通过入口孔13将空气吸入腔室8A中，使空气通过腔室8A，并且然后通过接口管14释放。
电连接线15嵌入外壳2中并且在腔室7A与腔室8A之间延伸以用于将驱动设备3和位于腔室8A中的微流体盒5电耦合。
图3和图4A示出了微流体盒5的示例，微流体盒5包括包含液体L的罐17和由驱动设备3控制的多个喷雾器18，其中液体L包括待输送物质。喷雾器18结合到微流体盒5的盖5a的外表面，该外表面例如由PCB限定并且设置有通道5b以用于将喷雾器18流体耦合到罐17。在图3和4A的示例中，特别地，微流体盒5包括以十字形方式布置的五个喷雾器18。然而，喷雾器18的数目和布置可以根据设计偏好而变化。在一个实施例中，甚至可以仅存在一个喷雾器18。
在图4B涉及的一个备选实施例中，微流体盒5包括多个罐，例如三个罐17a至17c，这些多个罐彼此分离并且包含具有相应不同的待输送物质的相应液体La-Lc。每个罐17a至17c与不同于其他罐的喷雾器18或成组的喷雾器18的相应的喷雾器18或成组喷雾器18流体耦合。以这种方式，可以以相应的受控剂量同时输送多种物质。可以根据项目偏好选择罐的数目和尺寸以及待输送物质的类型和数目。
图5和图6更详细地示出了喷雾器18中的一个喷雾器。应当理解，其他喷雾器18具有与所示喷雾器相同的结构。然而，在其他实施例中，喷雾器可以在一些细节方面不同，诸如喷射喷嘴的数目和分布(在下文中更深入地描述)。
从图6的分解图可以更全面地理解，喷雾器18包括由绝缘层21 覆盖的基底20、在绝缘层21之上延伸的腔室层23、以及接合到腔室层23的喷嘴板25。基底20、绝缘层21和腔室层23可以分别例如由半导体材料、氧化硅或氮化硅和诸如干膜等聚合材料制成。喷嘴板25可以由与形成腔室层23的材料相同的材料制成或者由半导体材料制成。
通过基底20、绝缘层21和腔室层23提供流体耦合到罐17的供应通道26。在一个实施例中，供应通道26是圆形的并且是同心的并且限定包括基底20的相应部分、绝缘层21的相应部分和腔室层23 的相应部分的环形框架区域27，环形框架区域27也是同心的。在图 5和图6所示的实施例中，特别地，两个外部供应通道26限定两个框架区域27并且将它们与基底20的其余部分分离。最内供应通道26 布置在中央。桥28将框架区域27彼此连接并且将最外面的框架区域 27连接到基底20。
然而，应当理解，供应通道(以及因此与开口相邻的基底部分) 的形状和数目可以根据设计偏好自由地限定。作为非限制性示例，供应通道可以具有大致多边形或者直线形状并且彼此平行。
腔室30在腔室层23中沿着供应通道26形成，如图7所示。在所示的实施例中，腔室30沿着供应通道26的内边缘和外边缘对准并且均匀分布。此外，腔室30通过相应的微流体通道31流体耦合到供应通道26，并且由绝缘层21界定，并且在与基底20相对的一侧由喷嘴板25界定。
图8和图9更详细地示出了腔室30中的一个腔室。在所示的非限制性示例中，所有腔室30具有相同的形状、结构和尺寸。
腔室30具有带有近似矩形的基部的平行六面体形状，并且由壁 30a横向界定，壁30a限定腔室30自身的侧表面。
腔室30设置有喷嘴32，喷嘴32形成在喷嘴板25中与腔室30的相应角相对应的位置，使得壁30a的表面的部分延伸穿过喷嘴32的基部区域。因此，从腔室30对喷嘴32的访问被部分地阻塞，并且通道的部分是喷嘴32的基部区域的一部分。在所示的示例中，特别地，通道的部分的面积大约是喷嘴32的基部区域的四分之一。在替代实施例(未示出)中，腔室和喷嘴都设置在腔室层中。更确切地说，腔室形成在腔室层的面向基底的第一面上并且占据腔室层自身的一部分厚度。喷嘴在相应腔室和腔室层的与第一面相对的第二面之间延伸腔室层厚度的剩余部分。
腔室30的形状和喷嘴32的布置不被认为是绑定的，而是可以根据设计偏好来提供。图10至图12中示出了腔室30和喷嘴32的任何情况下的非限制性的备选示例(矩形腔室30在顶点具有壁龛30b，并且喷嘴32与壁龛30b部分重叠，图10；腔室30是星形的，其中喷嘴32的位置与星形的点相对应，图11；三角形腔室30，其中喷嘴32 位于顶点处，图12)。
加热器33(图8)设置在绝缘层21内与腔室30相对应的位置，并且形成致动器。加热器33可以(作为非限制性示例)由多晶硅、Al、Pt、TiN、TiAlN、TaSiN、TiW制成。厚度使得能够与腔室30 热耦合的绝缘层21的一部分涂覆加热器33的面向腔室30的面。因此，加热器33与腔室30分离，并且在加热器33与腔室30中存在的液体之间没有直接接触。在一个实施例(未示出)中，加热器可涂覆有与形成绝缘层21的材料不同的绝缘和化学惰性材料的薄层，以便在任何情况下都可以获取与腔室30的热耦合以及与容纳在腔室30中的液体L的分离。加热器33由驱动设备3控制，加热器33通过电连接线15连接到驱动设备3(图1和2)，图8中仅示意性地示出。加热器33可以具有大约40×40μm2的面积并且生成例如3.5μJ的能量，并且能够在2μs内达到最大温度450℃。
喷雾器18的操作在图13A至图13E中示意性地示出。液体L从罐17到达腔室30，穿过供应通道26和微流体通道31。加热器33由驱动设备3启动几微秒，直到达到例如450℃的编程温度。以这种方式，厚度为几微米的液体L层被快速加热，而存在于腔室30中的其余液体L的温度由于热传导的延迟而没有明显变化。邻近加热器 33的液体层L中的压力增加到高水平，例如大约5个大气压，以形成蒸气泡35(图13B)，蒸气泡35在几微秒之后消失，例如10-15μs。如此生成的压力推动液体18的液滴D通过喷嘴32，如图13C至图 13D所示，并且然后存在于腔室30中的液体L返回到初始状态(图 13E)。
选择喷嘴32的形状和通道截面的面积(其通过喷嘴32和腔室30 的壁30a的部分重叠确定)，使得所释放的液滴具有期望直径。有利地，使用相对于腔室的壁交错的喷嘴能够减小腔室与喷嘴之间的通道部分的面积，并且可以获取具有与大约0.0045pl的体积相对应的非常小的直径的液滴，小至1μm，而不必采用亚光刻处理技术。
可以从半导体制造技术的精确度中获益的喷雾器18的结构能够非常精确地控制雾化液体的量，并且换言之，能够控制释放的待吸入物质的剂量。此外，在不显著加热腔室30中存在的全部液体L的情况下进行释放。如上所述，事实上，足以使相当薄的液体层L达到很高温度以产生气泡并且因此释放液滴。除了通过与加热器33的直接接触防止液体污染之外，喷雾器18还防止过度加热引起可能改变液体L中存在的物质的反应。
可以选择腔室30的数目和布置以及每个腔室30的喷嘴32的数目和布置以便产生均匀的液滴云，这对于有利于吸入液体L中存在的物质是合乎需要的。这通过由半导体制造技术提供的设计自由来实现。
特别地，在微流体输送设备1中，液滴云的均匀性有利于与通过入口孔13吸入并且通过接口管14释放的空气混合。
图14和图15示出了喷嘴32的布置的一个备选示例。在这种情况下，每个腔室30设置有五个喷嘴32，喷嘴钟的一个喷嘴对准加热器33的中央。
根据另一实施例(图16所示)，微流体输送设备100、特别是用于药物的吸入器包括外壳102，外壳102中容纳有驱动设备103、电池104和一次性微流体盒105。驱动设备103和电池104位于控制壳体107中，而微流体盒105位于盒壳体108中。微流体盒105可以根据先前已经描述的示例来制造并且容纳液体L'，液体L'中以受控浓度溶解有至少一种活性成分。
控制按钮109使得能够启动驱动设备103并且引起受控量的液体 L'的释放并且因此引起相同受控剂量的有效成分的释放。释放通过集成在壳体102中的接口管114来获取。在所示的示例中，没有设置空气入口孔，并且在不与空气流预先混合的情况下执行该量的液体L' 的释放。
最后，很清楚的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文所述的微流体分配设备进行修改和变化。
可以组合上述各种实施例以提供其他实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求享有权利的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
