基于MEMS的医用雾化微喷研究

　　0　引言

　　微流量系统是MEMS技术的一个重要的研究领域。利用MEMS技术的微型化和批量制作优势,微流体器件已经取得一些重要的成果[1,2]。雾化吸入疗法(inhalation drug therapy,IDT)作为一种重要的非注射(non-invasive)给药途径,具有药物能直接进入靶器官、起效快、用量少、毒副作用小等特点,因此被越来越广泛地采用。与其他雾化方法相比,基于MEMS技术的微喷所产生的液滴颗粒较小,并且液滴直径分布集中。

　　目前医用喷雾器主要采用氟利昂作为抛射剂,虽然蒙特利尔议定书中宣布禁用氟利昂,但考虑到无合适替代物,因此依然允许使用氟利昂作为医用抛射剂。而压电微喷以其不需使用任何抛射剂的特点,成为氟利昂式喷雾器的一个潜在的替代方法。

　　本文介绍了一种用于雾化吸入治疗的压电驱动阵列微喷。该雾化微喷采用压电陶瓷作为致动器,在工作中不产生热效应,对药液中的蛋白质等大分子物质不会产生破坏作用。

　　1　微喷的设计

　　图1是微喷的结构简图。它由两片硅片键合而成,两片硅片之间是闭合的药液腔,药液从进液口进入腔体。在振动膜上粘有双层压电片,作为微喷的致动器。为了减小微喷管道长度以减少压力损失,在另一片硅片上刻蚀有一定数量的凹槽结构,在凹槽的底部有上千个用电感耦合等离子(induitive coupled plasma,ICP)刻蚀的微喷孔,直径在5~20μm之间。在压电陶瓷上施加一定频率的正弦信号,引起薄膜振动,液体腔内产生压力波并在腔体内传播,当喷孔内液体获得的动能足够克服液体的表面张力时,液滴就会从喷孔内喷出。

　　2　压力波的仿真

　　微喷工作在谐振频率,在该谐振频率处,振动薄膜有最大的振幅。结构振型和压力波振型虽然有一定的对应关系,但在分布和相位上还是有所不同的,最终决定喷射效果的是液体腔内压力波的分布,因此对压力波的分析是微喷结构设计的基础。以往的研究[3,4]仅仅考虑系统的结构振型,认为结构振幅越大,液滴喷射效果越好,而没有考虑整个系统的固-液-声的耦合作用。本文使用有限元方法建立了微喷工作的固-液-声耦合模型,并分析了液体腔内的压力波驻波模态。

　　在微喷工作中虽然存在非轴对称振型,但显然不是微喷工作的理想振型。由于微喷结构复杂,为了简化计算量,本文只研究微喷的轴对称振型,因此将微喷简化为二维轴对称模型进行计算。

　　由于喷孔直径很小,而腔体直径较大,为10mm,进液口和喷孔的总面积小于液体腔面积的1%,因此可以忽略进液口和喷孔对压力波的影响,并且在计算中假设液体腔膜均为两端固支。图2所示为微喷的二维等效模型。在进行有限元仿真时,液体腔边界层使用了固-液耦合的单元。图2　微喷二维等效模型假设液体是不可压缩和无粘的,声—机—电耦合的动力学结构方程、声压力波方程和压电方程可分别表示如下[5]: