微型喷嘴的制作方法

1.本发明涉及一种用于微型喷嘴的插入件、包括这种插入件的微型喷嘴以及制造该插入件和微型喷嘴的方法。


背景技术：

2.用于雾化流体(通常是液体)的机械系统对于将药物成分输送到肺、鼻子、眼睛、皮肤或嘴是非常有效的。由这种系统产生的气雾剂通常是单分散的并且比由通常的泵喷洒产生的气雾剂更可控。这样，输送可以以快速吸收为目标，同时最小化不期望的影响，例如在液滴输送的开始和结束时不受控制的液滴分布。
3.这种气雾剂依赖于在非常高的压力下迫使液体通过微制造的流控芯片，该微制造的流控芯片包括用于将流体从喷嘴的入口连通到出口的微流控通道。这种芯片通常由硅层或玻璃层制成，这些硅层或玻璃层被蚀刻，然后结合在一起以覆盖感兴趣的流控通道。为了规模经济，这些芯片通常通过生产包括许多芯片的阵列的“晶圆”来制造。为了将晶圆转换成单个芯片，晶圆被“切片”，这通常是经由切割锯的多次经过来实现的。这种芯片的制造过程决定了芯片通常采用立方体的形式。
4.在这些微流控喷嘴系统中的一个关键挑战是，这种立方体芯片导致在通常采用圆柱形或圆锥形形状要素的气雾剂系统中安全地密封芯片非常困难。此外，这种由易碎材料层制成的芯片在经受气雾剂系统的操作所需的极高压力时容易分层。虽然希望芯片在使用中不被损坏或分层，但是不损害高的操作压力是至关重要的。因此，需要一种喷嘴装置，其可靠地提供高压、高速气雾剂的输送，同时确保流控芯片在喷嘴使用中经受的高压下的结构完整性。


技术实现要素：

5.根据一个方面，提供了一种用于微型喷嘴的插入件，该插入件包括：微制造的流控芯片，其具有入口、出口和连接入口与出口的一个或更多个微流控通道；包覆模制的外壳，其包覆模制在流控芯片周围以便基本上包封流控芯片，并且包括与芯片的入口流体连通的入口和与芯片的出口流体连通的出口。
6.包覆模制的外壳(有时在本文中称为“包覆模制件”或“外壳”)提供了特别有用的功能，即提供壳体以将流控芯片紧密地密封在插入件内。实际上，包覆模制的外壳将大致立方体的芯片部件转变成更易于密封和集成到液压系统中的形式。此外，包覆模制件还可以为插入件内的芯片提供保护层，以便保护易碎的部件，所述部件例如可以由玻璃和/或硅制成。本发明的插入件还具有另一个优点，即通过包覆模制的外壳进行密封的容易性允许在组装过程中更早地进行功能检查，从而增加生产的一致性并提高可行产品的产量。包覆模制的外壳具有显著的优点，即它能够有效地将芯片的形式转变成更容易地安装在喷嘴系统中的形式，同时由于包覆模制过程产生的紧密密封，在芯片的界面周围维持特别坚固和紧密的密封。
7.包覆模制的外壳可以进一步包括机构，比如一个或更多个凹槽、凹陷和/或凸缘，以允许包覆模制件本身充当微型喷嘴的其他部件的壳体。例如，包覆模制件可以包括子壳体，该子壳体允许包覆模制件本身充当圆柱形多孔过滤器的壳体，使得过滤器通过包覆模制件本身被保持并密封在喷嘴系统内。
8.典型地，包覆模制的外壳可以包括用于将插入件安装和保持在微型喷嘴的壳体内的保持器。保持器可以布置成将插入件安装和保持在微型喷嘴内，使得在使用中外壳的入口侧处的压力与外壳的出口侧处的压力隔离。因此，保持器可以执行双重功能，即提供用于将插入件附接到微型喷嘴的壳体的器件，以及在壳体内提供隔离，以便将入口侧的压力与出口侧的压力隔离。在一些示例中，可以采用两个或更多个单独的保持器部件来执行这些功能中的每一个。
9.保持器可以采用一个或更多个附接和/或保持器件。
10.例如，保持器可以包括简单的凸缘，该凸缘被布置成与喷嘴壳体中的互补的凸缘或凹槽接合，以便为壳体内的插入件提供安装器件。在这样的示例中，插入件的凸缘可以倚靠和/或保持抵靠壳体的凸缘或凹槽，使得插入件保持在壳体内，并且使得存在隔离插入件的两侧上的压力的气密连接。相反，保持器可以包括凹槽，该凹槽能够与壳体中的互补的凹槽或凸缘接合以提供如上所述的功能。保持器可以包括一个或更多个突起，该一个或更多个突起被布置成以与上述凸缘类似的方式接合壳体上的互补构件。例如，保持器可以包括卡口附件，其中保持器的一个或更多个突起可以被布置成插到壳体中的一个或更多个对应的凹槽或通道中，并通过将每个突起引导到每个凹槽或通道中的位置来固定。在其他示例中，保持器可以包括十字销附件，其被布置成提供与喷嘴的壳体的十字销接头。
11.在一些示例中，保持器可以包括可焊接接头，用于在插入件和喷嘴的壳体之间提供焊接接头。保持器可以布置成在插入件和壳体之间提供超声波焊接、激光焊接、旋转焊接或化学焊接中的一种或更多种。
12.在一些示例中，保持器被布置成粘附地安装到喷嘴的壳体上。例如，保持器可以被布置成提供粘结接头，其通过合适的化学粘合剂固接到壳体上。
13.保持器可以包括其他器件，例如螺纹接头。例如，保持器可以包括螺纹表面，该螺纹表面被布置成与喷嘴的壳体上的互补的螺纹表面接合。然后，可以通过使用螺纹接头将插入件拧到适当的位置并保持在那里。这种螺纹接头可以在插入件和壳体之间提供牢固的紧固，而不需要额外的粘合剂或焊接。然而，如果需要，螺纹接头可以通过粘合剂或焊接进一步加固。此外，螺纹接头还可以进一步提供插入件的入口侧和出口侧之间的压力隔离的增加的安全性。
14.一个或更多个保持器可以包括用于提供附加的密封构件的器件。例如，包覆模制的外壳上的一个或更多个保持器可以布置成容纳o形环，以改善喷嘴系统的外壳的壳体之间的密封。这种保持器可以包括凹槽或凸台，o形环可以容纳在该凹槽或凸台内或抵靠该凹槽或凸台。
15.包覆模制的外壳可以包括一个或更多个窗口。窗口可以包括开口，通过该开口可以暴露保持在外壳内的芯片的一部分。替代地或组合地，窗口可以包括材料厚度减小的区域，使得保持在外壳内的芯片不直接暴露，但是比外壳的其他区域经受更多的外部条件(例如压力)。这种区域可以与外壳的其余部分一体成型，或者可以由附接到外壳的单独的部件
提供。例如，另外地，窗口可以包括覆盖包覆模制的外壳上的暴露区域的薄膜。一个或更多个窗口可以实现多种功能，其中一些功能将在下面描述。
16.包覆模制的外壳可以包括一个或更多个压力传递窗口。压力传递窗口可以被布置成在使用中将包覆模制的外壳的入口侧处的压力传递到包含在包覆模制的外壳内的流控芯片的一个或更多个区域。通常，流控芯片可以包括一个或更多个侧壁，并且一个或更多个压力传递窗口可以被布置成将包覆模制的外壳的入口侧处的压力传递到芯片的一个或更多个侧壁。
17.压力传递窗口可以允许流控芯片的侧壁在使用中暴露于系统液压。如上所述，用于此目的的流控芯片通常可以包括多个层，所述多个层在使用中经常可以被分层。通过压力传递窗口施加的系统液压可以有效地将芯片的层夹紧在一起，以便保持芯片的结构完整性并防止分层。通过简单地将芯片的区域暴露于喷嘴的液压，压力传递窗口提供了一种简单、被动的解决方案，其中芯片能够被成片地夹紧，而不需要额外的力或主动部件。因此，液压负载可以从外部和内部施加到芯片，从而子组件的压力额定值不受微流控芯片的结合强度的限制。
18.包覆模制的外壳可以包括一个或更多个定位窗口。定位窗口可以允许部件的位置被包覆模制的外壳包封，同时外壳包覆模制在那些部件周围。例如，当外壳包覆模制在芯片周围时，芯片定位窗口可以允许芯片被定位。在示例制造过程中，芯片可以由芯片定位器保持，同时包覆模制的外壳包覆模制在芯片周围。芯片定位窗口允许芯片定位器将芯片保持在适当的位置，以保持芯片的位置，同时在芯片周围形成包覆模制的外壳。定位窗口(例如芯片定位窗口)可以位于包覆模制的外壳的入口侧、出口侧或侧面上。虽然定位窗口通常可以是定位器可以通过其直接定位芯片的开口，但是在一些示例中，定位窗口可以包括厚度或磁化率减小的区域，使得芯片可以通过间接手段(比如磁场)来定位。
19.上面已经描述了两种主要类型的窗口。在一些示例插入件中，窗口可以提供压力传递窗口和芯片定位窗口的功能。例如，插入件的入口侧上的芯片定位窗口可以被具体地布置成暴露芯片的一部分，以便向芯片提供支撑压力。以这种方式，芯片定位窗口可以布置成在使用中将包覆模制的外壳的入口侧处的压力传递到流控芯片。
20.根据另一个方面，提供了一种微型喷嘴，包括：阴壳体，其包围喷嘴室并具有喷嘴出口；根据如上所述的第一方面的插入件，其定位在喷嘴室内，使得插入件的出口侧与喷嘴出口相邻；阳壳体，其被布置成将流体从流体源引导到插入件的入口侧，该阳壳体具有被布置成接合插入件的凸缘的脊，以便将插入件密封在阴壳体内的适当位置。
21.通过使用能够将流控芯片牢固且紧密地密封在喷嘴内的插入件，可以提供具有增加的高压输出的喷嘴，该喷嘴使用起来可靠且安全，并且降低了流控芯片损坏或分层的风险。
22.根据另一方面，提供了一种制造根据上述方面的插入件和喷嘴的方法。
23.特别地，提供了一种制造微型喷嘴的方法，包括以下步骤：提供具有入口和出口的流控芯片；在流控芯片周围注射成型包覆模制的外壳，以便基本上包封芯片，使芯片的入口和出口暴露出来；允许包覆模制件在芯片周围收缩，以便在芯片周围提供紧密密封的外壳，并将包覆模制的外壳安装在喷嘴系统的壳体中。
附图说明
24.现在将参照附图通过示例的方式描述示例插入件和喷嘴，其中：
25.图1示意性地示出了一个示例性构造中的示例性喷嘴，其包括示例性插入件。
26.图2示意性地示出了一个示例性构造中的示例性包覆模制的外壳。
27.图3示意性地示出了一个示例性构造中的示例性喷嘴，其包括示例性插入件。
28.图4示意性地示出了一个示例性构造中的示例性包覆模制的外壳。
29.图5示意性地示出了一个示例性构造中的示例性喷嘴，其包括示例性插入件。
30.图6示意性地示出了一个示例性构造中的示例性包覆模制的外壳。
31.图7示意性地示出了示例性构造中的喷嘴的示例性阳壳体。
具体实施方式
32.示例性喷嘴10的一部分在图1中以组装结构总体上示出。示例性喷嘴10包括容纳插入件的壳体组件。
33.该插入件包括由包覆模制的外壳2包封的微流控芯片1。在这个示例中，微流控芯片1是具有微流控通道的微制造芯片。芯片1包括入口侧3和出口侧4。通常，芯片1包括芯片入口，该芯片入口由芯片1的入口侧3上的一个或更多个开口构成，被布置成允许将流体从入口侧3吸入到芯片中。在出口侧4，芯片1包括芯片出口，该芯片出口通常由单个开口构成，以允许将流体从芯片输出到出口侧4。虽然图1的示例性芯片包括具有单个开口的芯片出口，但是在其他示例中，芯片出口可以由多个开口构成。芯片1内部具有流控通道，其将流体从芯片入口引导或导向到芯片出口。
34.图1所示示例的微流控芯片1大致是立方体并且在横向和纵向上都具有矩形横截面。除非另有说明，术语“纵向”应理解为意味着使用时流体通过插入件和喷嘴的预期的运动方向。在图1所示的示例中，这种纵向轴线平行于连接芯片的入口侧3和出口侧4的直线延伸。
35.芯片1被包封在包覆模制的外壳2中。在制造过程中，芯片1用刚性聚合物外部外壳包覆模制。这可以例如通过使用合适的模具或铸件在芯片上注射模制聚合物来实现。芯片1可以通过芯片定位窗口5保持在包覆模制的外壳2内的适当位置，这将在下面更详细地描述。在注射模制过程的冷却阶段期间，允许聚合物包覆模制件收缩，这导致包覆模制的外壳压制到芯片上，从而以紧密密封基本上包封芯片1。因此，芯片1界面被包覆模制的外壳2包围并紧密地密封。因此，流控芯片1呈现由包覆模制的外壳2的形状决定的外部形状要素。包覆模制过程在流控芯片1的外部界面周围提供了良好的密封。通过使用进一步的处理工艺，例如化学结合(chemical bonding)，可以进一步改善密封。在这种工艺中，在包覆模制之前，立方体芯片的四个侧面涂有结合剂。然后，当芯片1被插入和包覆模制时，可以在芯片1和包覆模制的外壳2之间实现真正的化学结合，这提供了比仅依靠聚合物收缩更坚固的密封。
36.包覆模制的外壳2可以采取任何所需的形状或形式，以适应喷嘴10的尺寸需求。然而，外壳2包覆模制在芯片1周围以确保芯片入口和芯片出口不被完全堵塞。在该示例中，外壳2已经在芯片1周围包覆模制，从而使芯片入口和芯片出口完全暴露。换句话说，包覆模制的外壳2包括与芯片入口流体连通的入口开口和与芯片出口流体连通的出口开口。
37.通常，包覆模制的外壳2具有与喷嘴的壳体组件的内部形状和尺寸互补的形状，以便提供紧密配合。包覆模制的外壳2有效地将微制造的芯片1的立方体形式转变成在喷嘴系统10内的高压下更容易且更有效地密封的形式。特别地，包覆模制的外壳2通常具有与喷嘴壳体组件(也称为“壳体”)的内部形式和尺寸相对应或相匹配的形式。在该示例中，喷嘴壳体组件是圆柱形的，并且包覆模制的外壳2是圆柱形的。包覆模制的外壳2的圆柱形形状允许将流控芯片1容易地集成到通常具有圆柱形壳体组件的喷嘴系统10中。在其他示例中，包覆模制的外壳2可以具有圆锥形形状，并且可以被布置成装配在壳体组件的锥形内壁内。
38.喷嘴的壳体组件具有容纳喷嘴系统10的部件的作用。插入件经由包覆模制的外壳2安装并保持在喷嘴壳体组件内的适当位置。只要实现壳体部件的功能，壳体组件可以采取多种形式，但是图1的示例喷嘴系统10有利地采用包括阳壳体11和阴壳体12的壳体组件。当组装时，阳壳体11至少部分地插入阴壳体12的内部容积中。
39.在该示例中，插入件(即由包覆模制的外壳2包封的芯片1)安装在阴壳体12内并且至少部分地位于阳壳体11内。如图1可以看见的，插入件在插入件的入口端3处邻接阳壳体11的表面，并且还在插入件的出口端4处邻接阴壳体12的内表面。实际上，插入件被“夹置”在喷嘴系统的阳壳体11和阴壳体12之间。
40.包覆模制的外壳2包括保持器，以提供用于将插入件牢固地安装在喷嘴系统10的壳体组件内的器件。在图1所示的示例中，保持器是允许插入件抵靠壳体组件并紧密地保持在壳体组件内的凸缘。特别地，在所示的示例性喷嘴中，凸缘邻接阳壳体12。o形环18设置在凸缘和阳壳体11之间，以便提供紧密的密封。o形圈18还提供了一定的减震作用，从而提高了喷嘴10的安全性和结构完整性。虽然本文的大多数示例被描述为具有聚合物包覆模制的外壳2，但是在一些示例中，刚性的聚合物外壳2被弹性的外壳代替。弹性包覆模制件可以包括外部特征，该外部特征复制或替换例如由o形环提供的外部特征，从而减少零件数量。
41.在图2中可以更详细地看到的示例性包覆模制的外壳2包括子壳体7。子壳体7与包覆模制的外壳2的其余部分一体成型并且被布置成容纳或包封喷嘴系统10的功能部件。在该示例中，子壳体7包封多孔过滤器8。多孔过滤器8布置在芯片1的上游，以便在流体进入流控芯片1之前过滤流体。在其他示例中，子壳体7和部件(比如多孔过滤器8)可以位于芯片1的下游。在该示例中，子壳体7是基本上圆柱形的突出部，其与包覆模制的外壳2的其余部分成一体，并且多孔过滤器是圆柱形多孔过滤器8。在其他示例中，子壳体可以采取其他形式并且也可以是在组装期间附接到包覆模制的外壳2的单独部件。
42.包覆模制的外壳2的示例包括窗口。特别地，外壳2包括在外壳2的出口侧4上的芯片定位窗口5。如上所述，在制造期间，外壳2包覆模制在芯片1周围，并且芯片1可以通过芯片定位窗口5保持和维持在外壳2内的期望位置。在这个示例中，芯片定位窗口5位于包覆模制的外壳2的出口端4处，尽管在一些例子中，芯片定位窗口5可以设置在芯片1周围的其他位置，例如在侧壁或在入口端3处。
43.除了提供在制造和包覆模制期间芯片1可以通过其保持的开口，芯片定位窗口5还可以提供进一步的实用功能，例如将环境压力或系统压力传递到芯片1。系统压力传递的功能将在下面参照修改的示例性喷嘴系统更详细地描述。
44.另一个示例喷嘴10的一部分在图3中以组装结构示出。示例性喷嘴系统10包括容纳插入件的壳体组件，并且与上面参照图1描述的示例性喷嘴共享许多共同的特征。
45.但是，在该示例中，包覆模制的外壳2进一步包括压力传递窗口6。压力传递窗口6设置在包覆模制的外壳2的入口侧3上，使得在使用中，芯片1的外壁暴露于喷嘴10内部的系统液压。特别地，芯片1的外部横向侧壁暴露于系统液压。这种液压有效地将微制造的芯片1的多个层夹持在一起，从而维持将芯片1保持在一起的结合。图4示出了根据该示例的包覆模制的外壳2和芯片1的详细视图。
46.在该示例中，每个压力传递窗口6包括开口，芯片1的至少一部分通过该开口暴露于插入件的入口侧3。换句话说，芯片1的暴露部分在入口侧3处与喷嘴壳体的内部容积流体连通。除了开口之外，压力传递窗口6可以包括用于将芯片1的暴露部从芯片的一侧传递到芯片的另一侧的开放通道。在其他示例中，每个压力传递窗口6可以包括包覆模制的外壳2中的厚度减小的单个区域或薄膜，从而提供用于传递压力的器件，而不是通过开口完全暴露芯片1。在一些示例中，可以采用组合方法，其中压力传递窗口6包括部分地暴露芯片的元件，例如网状开口。
47.在使用中，插入件的入口侧通过工作流体加压到高压。当流体通过芯片1的流控通道时，芯片1的内部体积和表面经受高压。通常，这种压力可能会损坏芯片1或使其分层。然而，通过具有压力传递窗口6，高压也被施加到芯片1的外表面，从而迫使芯片1保持完整。如上所述，流控芯片通常由两层或“两个半部”制成，它们在制造时被按压在一起。压力传递窗口6可以设置在相对的半部处，以便在使用中向芯片1提供液压，从而将两个半部或两层夹紧在一起。该原理可以用于具有任意层数的芯片，其中压力传递窗口被设置成提供压力以将芯片的所有层夹紧在一起。
48.在一些示例中，定位窗口(例如上述芯片定位窗口5)也可以提供传递压力的附加功能。芯片定位窗口5可以例如定位在芯片1的入口侧3处，使得芯片定位窗口5的开口也将芯片1暴露于系统液压，其方式与针对压力传递窗口6描述的方式相同。
49.图5示出了采用这种方法的示例性喷嘴系统10。从入口侧看，更详细地示出了包覆模制的外壳2。
50.从图6中可以看出，在这个示例中，包覆模制的外壳2在芯片1的入口侧包括两个压力传递窗口6和两个芯片定位窗口5。这里，当包覆模制外壳2时用于定位芯片的窗口5也可以提供将系统压力传递到流控芯片1的侧壁的功能。
51.图5中示出的示例还示出了喷嘴的其它特征可以如何变化。在该变型中，外壳2的保持器是壳体2的内部容积内的内部凸缘或沉孔，并且外壳被布置成在其容积内接收阳壳体11的一部分。o形环密封件18现在容纳在沉孔中位于外壳2和阳壳体11之间。此外，在该示例中，阳壳体11(而不是包覆模制的外壳2)现在具有保持多孔过滤器8的子壳体。在一些示例中，外壳2和阳壳体11都可以包括子壳体。
52.为了使自由空间的体积最小化(这可能导致气穴的形成)，阳壳体11包括突起11a，该突起填充包覆模制的外壳2内的其它的空的空间。图7中更详细地示出了阳壳体11上的突起11a。突起11a被布置成在形状和尺寸上与包覆模制的外壳2的内部和/或外部形状互补。可以在图5中看到，当组装时，突起11a与包覆模制的外壳2接合以提供紧密的密封配合，从而将插入件保持就位，并确保芯片1的入口侧和出口侧上的压力隔离。除了减少气穴的形成，突起11a还提供了增加结构刚性和改善喷嘴系统10内插入件的紧密密封的进一步功能。
53.从上面可以理解，本发明通过设置一种用于喷嘴系统的创新的插入件，使得能够
提供一种紧凑、可靠、结构坚固并且从喷嘴出口输送高压、高速流体喷射的喷嘴装置，在该喷嘴系统中，外壳包覆模制在流控芯片周围，然后该流控芯片紧密地密封在喷嘴内。