压电驱动微喷雾化器的研制及实验研究

　　1　引言

　　雾化吸入治疗方法是一种非常重要的非注射给药途径,药物可直接进入靶器官,起效快,药物毒、副作用小,并且雾化给药时与给药部位无直接的机械摩擦,免除注射给病人带来的躯体痛苦,因此雾化给药方法越来越被医院和家庭广泛地应用。

　　传统的定量定压式气雾器产生的雾粒直径一般比较大,且雾粒直径分布较分散,不利于肺部吸入给药。基于压电驱动喷墨打印机工作的基本原理,利用MEMS技术,我们研制了一种新型雾化吸入治疗装置压电驱动式雾化给药用微喷雾化器。这种微喷雾化器结构简单,由电信号驱动,易于操作;微喷雾化器雾化性状优良,它能产生直径和速度分布集中且比较适合于雾化吸入治疗的雾化粒子。

　　2　微喷雾化器的基本原理

　　微喷雾化器由压电换能器和喷孔面两部分组成[1,2],如图1所示,其中压电换能器由圆形压电陶瓷片和单晶硅材料的弹性腔膜粘接构成,喷孔面由单晶硅片上刻蚀的若干直径大小一致的微喷孔阵列构成。压电换能器在特定频率的电信号驱动下,在其谐振点上产生弯曲振动将电能转换成机械能,振动形成的压力波将液体腔中液体从微喷孔阵列处挤出形成雾化液滴从而达到雾化给药的目的。微喷雾化器的驱动包括频率产生器、放大电路和超声匹配电路。

　　雾粒特性如雾粒的直径和速度是微喷雾化器的重要参数,也是影响雾化吸入治疗效果的重要因素。对于雾化吸入治疗,一般要求雾粒直径大小为1~12μm,尤其是直径为1~5μm的雾粒吸收效果最好,还要求直径分布集中,速度大小适中。雾粒直径与众多因素有关,如液体的表面张力、液体的粘度等液体特性。假设雾化液滴从微喷孔喷出时的初速度为u,雾化液滴的直径为d,根据雾粒形成过程可得,雾化液滴的直径d可表示为:

式中:η为修正因子,与液体的表面张力和粘度等液体特性有关;D为喷孔的直径;f为压力脉冲频率[3]。由上式可知,阵列微型喷的雾化液滴直径主要取决于微喷孔直径大小。雾粒特性与微喷孔直径和工作条件等多种因素有关,一般来说,微喷孔直径越大,雾粒直径和速度越大;压电换能器驱动电压越大,谐振频率越低,雾粒直径和速度越大。

　　3　微喷雾化器的制作

　　根据雾化给药部位是口腔、鼻腔、咽喉还是肺部的不同,雾化器微喷孔的直径一般在3~30μm之间。这些微喷孔采用硅微细加工技术加工制作,工艺流程如下:

　　(1)热氧化双面生长SiO2, LPCVD双面淀积Si3N4;

　　(2)上表面光刻,RIE刻蚀Si3N4和SiO2;

　　(3)KOH溶液各向异性腐蚀单晶硅上表面;

　　(4)下表面光刻,RIE刻蚀Si3N4和SiO2;