Способ изготовления микрофлюидных устройств из пластинчатого композитного полуфабриката

Номер патента: 8075

Опубликовано: 27.02.2007

Авторы: Шпитц Михаэль, Райнекке Хольгер

Есть еще 4 страницы.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Способ изготовления множества микрофлюидных устройств, прежде всего сопловых устройств, из пластинчатого композитного полуфабриката, который состоит из двух неподвижно соединенных между собой в двух направлениях и имеющих, в основном, плоские поверхности пластин, на поверхности по меньшей мере одной из которых, соединенной с обращенной к ней поверхностью другой пластины, выполнено множество повторяющихся систем канавок, размеры которых предпочтительно лежат в микрометровом диапазоне и которые образуют проточные каналы, и который подвергают механической обработке вдоль проходящих между системами канавок линий, при которой композитный полуфабрикат разделяют на индивидуальные или объединенные в группы микрофлюидные устройства, отличающийся тем, что системы канавок в пластинчатом композитном полуфабрикате выполняют таким образом, что они непрерывно соединяются друг с другом по меньшей мере в одном направлении по линиям, проходящим от одного края пластинчатого композитного полуфабриката до другого его, противоположного края, до механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката имеющиеся в нем канавки, по меньшей мере, частично заполняют заполнителем таким образом, чтобы их открытые наружу до и/или после механической обработки отверстия и участки были заполнены заполнителем, который выбирают таким образом, чтобы он оставался в канавках как во время самой механической обработки, так и при воздействии на него используемых при механической обработке вспомогательных веществ, и после механической обработки заполнитель удаляют из канавок микрофлюидных устройств.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют заполнитель, который не смешивается с используемой при механической обработке смазочно-охлаждающей жидкостью и/или не растворяется такой смазочно-охлаждающей жидкостью и предпочтительно не растворим в воде.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что канавки заполняют заполнителем в жидком виде.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что используют заполнитель, который в процессе механической обработки находится в твердом агрегатном состоянии, прежде всего при нормальной температуре, преобладающей при механической обработке.

5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что канавки заполняют заполнителем при температуре, существенно превышающей нормальную температуру.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что нормальная температура лежит в пределах от примерно 2 до примерно 120шС.

7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что канавки заполняют заполнителем при температуре в интервале от примерно 5 до примерно 280шС.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют одно- и многоатомные спирты, жирные кислоты, насыщенные и ненасыщенные эфиры жирных кислот или смеси этих веществ.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что до заполнения канавок заполнителем композитный полуфабрикат подвергают вакуумированию и канавки заполняют заполнителем в вакууме при остаточном давлении менее примерно 250 мбар.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что после заполнения канавок заполнителем давление в окружающем пластинчатый композитный полуфабрикат пространстве вновь повышают до нормального давления, при котором предпочтительно происходит затвердевание первоначально жидкого заполнителя.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что заполнитель удаляют из канавок путем его нагрева до повышенной температуры.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что заполнитель удаляют из канавок путем его растворения в растворителе и при необходимости выдувания смеси заполнителя с растворителем.

13. Способ по п.12 и, в частности, по п.8, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют спирт или простой эфир.

14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что заполнитель не удаляют из канавок до окончания очистки микрофлюидных устройств после механической обработки.

15. Способ по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что при механической обработке вдоль линий в композитном полуфабрикате выполняют желобки, которые прорезают насквозь одну из пластин, прежде всего пластину с системой канавок, и не проходят насквозь через другую пластину.

16. Распылитель (11) текучей среды (12), содержащий сопловое устройство (1) для распыления текучей среды (12), отличающийся тем, что сопловое устройство (1) изготовлено способом по любому из предыдущих пунктов.

17. Распылитель по п.16, отличающийся тем, что распыление текучей среды происходит исключительно механически, в частности без пропеллента, предпочтительно под действием развиваемого пружиной усилия.

18. Распылитель по п.16 или 17, отличающийся тем, что он имеет емкость (13), которая предпочтительно выполнена сменной и в которой содержится текучая среда (12), предпочтительно жидкость.

19. Распылитель по п.18, отличающийся тем, что емкость (13), предпочтительно, выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по типу поршня для создания необходимого для распыления текучей среды давления.

20. Распылитель по любому из пп.16-19, отличающийся тем, что он выполнен в виде ингалятора, предназначенного прежде всего для аэрозольной ингаляции лекарственных препаратов.

Рисунок 1

 

Текст

Смотреть все

008075 Настоящее изобретение относится к способу изготовления различных микрофлюидных устройств,прежде всего сопловых устройств, из пластинчатого композитного полуфабриката с канавками, размеры которых лежат в микрометровом диапазоне. Такой способ изготовления микрофлюидных устройств известен (патент US 5547094), и его признаки представлены в ограничительной части п.1 формулы изобретения. Настоящее изобретение относится также к распылителю с сопловым устройством подобного типа. Сопловые устройства (распылительные головки) рассматриваемого типа используются для распыления на очень мелкие капельки различных жидкостей, которые под высоким давлением нагнетаются через сопловое отверстие с небольшим поперечным сечением. Такие сопловые устройства помимо прочего широко используют в медицине, например, для генерирования аэрозолей в целях ингаляции. К сопловому устройству такого типа предъявляются очень жесткие требования касательно размеров капелек,поскольку, например, при ингаляции диаметр большей части капелек распыляемой жидкости для беспрепятственного их проникновения в легкие должен быть меньше 6 мкм. Обычно к способным проникать в дыхательные пути капелькам или частицам относят только те из них, диаметр которых не превышает 10 мкм. Упомянутый выше патент US 5547094 относится исключительно к сопловым устройствам блочного типа для применения в указанных выше целях и способам изготовления большого количества высококачественных сопловых устройств блочного типа. Описанный в этом патенте способ позволяет также интегрировать в сопловое устройство фильтр или даже многоступенчатый фильтр. Описание к патенту US 5547094 в полном объеме включено в настоящее описание в качестве ссылки. Все стадии технологического процесса, описанные в этом патенте, а также все материалы и все используемые для изготовления сопловых устройств инструменты и приспособления можно использовать и при осуществлении предлагаемого в настоящем изобретении способа. Другую информацию о таких микрофлюидных сопловых устройствах можно найти в WO 94/07607 А 1 и WO 99/16530 А 1. При изготовлении сопловых устройств известным способом сначала изготавливают пластинчатый композитный полуфабрикат, состоящий из двух пластин с, по существу, плоскими поверхностями, которые прочно соединяют между собой в двух направлениях. При необходимости такой пластинчатый композитный полуфабрикат можно изготавливать и из большего количества пластин. Очень важно подчеркнуть, что сопловые устройства в таком пластинчатом композитном полуфабрикате получают за счет выполнения множества повторяющихся систем канавок, каждая из которых (систем) соответствует одному сопловому устройству, в, по существу, плоской поверхности одной из пластин, которую соединяют с, по существу, плоской поверхностью другой пластины. В принципе, такие канавки можно выполнять на обеих обращенных друг к другу поверхностях двух соединяемых между собой в последующем пластин. Согласно уровню техники пластинчатый композитный полуфабрикат наиболее предпочтительно изготавливать из соединяемых между собой кремниевой пластины и стеклянной пластины, однако, возможны и другие варианты. Канавки в конечном итоге образуют в сопловых устройствах проточные каналы, размеры которых предпочтительно лежат в микрометровом диапазоне. В известных в настоящее время сопловых устройствах глубина канавок, образующих проточные микроканалы, лежит в пределах от 2 до 40 мкм, предпочтительно от 5 до 7 мкм, а поперечное сечение сопловых отверстий колеблется от примерно 25 до примерно 500 мкм 2. Отдельные сопловые устройства из состоящего из их множества пластинчатого композитного полуфабриката изготавливают его разделением на отдельные части путем механической обработки вдоль линий, которые проходят между двумя соседними системами канавок. В результате этой операции получают объединенные до этого в блоки отдельные сопловые устройства небольших размеров (небольшой площади). Согласно уровню техники механическая обработка пластинчатого композитного полуфабриката для его разделения на отдельные сопловые устройства состоит в его распиливании вращающейся с высокой скоростью дисковой пилой, предпочтительно с алмазной режущей кромкой. В другом варианте для разделения крупноразмерного пластинчатого композитного полуфабриката на отдельные сопловые устройства его можно также прорезать и затем отламывать от него отдельные сопловые устройства. Обе эти операции механической обработки можно также комбинировать между собой, а именно: на первой стадии пластинчатый композитный полуфабрикат можно сначала прорезать пилой, а затем на второй стадии окончательно отламывать от него отдельные сопловые устройства или отделять их лазерным лучом. При изготовлении пластинчатого композитного полуфабриката образующие его пластины можно соединять друг с другом, в частности, соединением, стимулируемым электрическим полем, а также иными способами, включая склеивание, ультразвуковую сварку и т.д. При изготовлении этим известным способом сопловых устройств из пластинчатого композитного полуфабриката с канавками, размеры которых лежат в микрометровом диапазоне, возникает определенная проблема, связанная с загрязнением канавок в процессе механической обработки, в частности резки пилой. Обычно при механической обработке используют смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ), в частности, на водной основе. Такая СОЖ, особенно при наличии в ней отходов механической обработки(мелкой стружки), в некоторых случаях забивает канавки, очистить которые практически становится уже невозможным. Следствием этого является высокий процент брака. При этом необходимо учитывать и то-1 008075 обстоятельство, что первоначально в пластинчатый композитный полуфабрикат объединено несколько сотен отдельных сопловых устройств, которые затем отделяют от него по расположенным в виде сетки разделительным линиям. Очевидно, что изготовление каждого такого соплового устройства по отдельности, по существу, невозможно и абсолютно нецелесообразно. Указанная выше проблема характерна не только для изготовления из одного пластинчатого композитного полуфабриката множества сопловых устройств блочного типа, к которым относится рассмотренный выше уровень техники, но и в целом для изготовления из пластинчатого композитного полуфабриката множества микрофлюидных устройств с соответствующими канавками. Такая же проблема возникает не только при изготовлении сопловых устройств, но и при изготовлении других, непосредственно не выполняющих функцию сопла микрофлюидных устройств, например фильтрационных устройств и распределительных устройств. При изготовлении микрофлюидных устройств, в целом, в пластинчатом композитном полуфабрикате предпочтительно механическим путем выполняют прорези вдоль линий, которые проходят между двумя соседними системами канавок и не обязательно совпадают с разделительными линиями, в результате чего пластинчатый композитный полуфабрикат оказывается разделен на еще не окончательно отделенные от него отдельные или объединенные в группы микрофлюидные устройства или же оказывается разделен на фактически отделенные от него, но остающиеся в сгруппированном виде микрофлюидные устройства. Для решения указанной выше проблемы в настоящем изобретении предлагается новый способ изготовления микрофлюидных устройств, в частности сопловых устройств, основные отличительные особенности которого представлены в п.1 формулы изобретения. Согласно изобретению при осуществлении предлагаемого в нем способа выполненные в пластинчатом композитном полуфабрикате канавки до его механической обработки заполняют заполнителем, который остается в канавках до окончания механической обработки. Тем самым заполнитель эффективно защищает канавки от попадания в них стружки и/или СОЖ при механической обработке. Заполнитель остается в канавках до полного окончания механической обработки. Предлагаемая в изобретении защита канавок от возможного загрязнения существенно снижает процент брака при изготовлении микрофлюидных устройств. Канавки заполняют заполнителем либо полностью, либо только частично таким образом, чтобы, по меньшей мере, открытые участки канавок, обращенные наружу или подвергаемые механической обработке, были заполнены заполнителем, препятствующим попаданию в канавки стружки, СОЖ или аналогичных загрязнений во время механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката. Для эффективной защиты канавок от попадания в них загрязнений не имеет значения, заполнены ли заполнителем внутренние или средние части канавок, поскольку на время механической обработки вполне достаточно закрыть или заблокировать заполнителем все открытые наружу участки канавок или места их наружного соединения. Другие отличительные особенности и предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа отражены в зависимых пунктах формулы изобретения. В настоящем изобретении предлагается также распылитель, заявленный в п.16 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении распылителя приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано на фиг. 1 - вид в аксонометрии предлагаемого в настоящем изобретении микрофлюидного устройства,на фиг. 2 а - вид в плане нижней части показанного на фиг. 1 микрофлюидного устройства с системой канавок,на фиг. 2 б - вид в разрезе показанного на фиг. 1 микрофлюидного устройства с изображением его слоистой (композитной) структуры,на фиг. 2 в - вид в разрезе выполненного по другому варианту микрофлюидного устройства с изображением его слоистой структуры и местоположения канавок,на фиг. 3 - вид в плане фрагмента пластинчатого композитного полуфабриката со множеством изготавливаемых из него микрофлюидных устройств, одно из которых показано на фиг. 1,на фиг. 4 - схематичный вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении распылителя в не взведенном состоянии (с разжатой пружиной) с изготовленным предлагаемым в изобретении способом сопловым устройством и на фиг. 5 - схематичный, повернутый на 90 по отношению к показанному фиг. 4 вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении распылителя во взведенном состоянии (со сжатой пружиной). На фиг. 1 показано микрофлюидное устройство 1, в данном случае сопловое устройство, состоящее из двух частей: нижней пластинчатой части 2 и расположенной над ней верхней, также пластинчатой части 3, которая неподвижно соединяется с нижней частью. В предпочтительном варианте нижнюю часть 2 изготавливают из кремния. Однако для изготовления нижней части микрофлюидного устройства-2 008075 можно согласно упомянутому выше уровню техники использовать и другие различные материалы. Верхнюю часть 3 в предпочтительном варианте изготавливают из стекла, вместо которого согласно уровню техники можно использовать и другие материалы, например кремний, нитрид кремния или германий. Отдельное, показанное на фиг. 1 сопловое устройство 1 имеет размеры 22,51,5 мм. Такое сопловое устройство изготавливают в чистом производственном помещении, чистота которого должна соответствовать определенному классу. На фиг. 1 микрофлюидное устройство 1, выполненное по первому варианту, показано в поэлементном изображении с поднятой верхней частью 3. Нижняя часть 2 этого устройства отдельно показана в виде плане на фиг. 2 а. На фиг. 2 б микрофлюидное устройство 1 показано в разрезе в собранном или готовом виде. На фиг. 3 в виде в плане показан пластинчатый композитный полуфабрикат, из которого изготавливают множество микрофлюидных устройств 1 с системой канавок 4. На фиг. 2 в в разрезе, аналогичном изображенному на фиг. 2 б разрезу, показано микрофлюидное устройство 1, выполненное по другому варианту. Слоистая (композитная) структура микрофлюидного устройства 1, показанная на фиг. 2 б и 2 в, соответствует слоистой структуре всего пластинчатого композитного полуфабриката (см. фиг. 3), из которого предлагаемым в изобретении способом изготовлено такое микрофлюидное устройство. Композитный полуфабрикат состоит из двух неподвижно соединенных между собой в двух направлениях пластин, которые после разделения пластинчатого полуфабриката на отдельные микрофлюидные устройства 1 или необязательно на их группы образуют пластинчатые верхнюю и нижнюю части 2 и 3 микрофлюидного устройства. Пластины, из которых состоит композитный материал, имеют, по существу, плоские поверхности со множеством повторяющихся систем образующих проточные каналы канавок 4, выполненных на одной из поверхностей по меньшей мере одной из пластин, которой она соединяется с соответствующей поверхностью другой пластины. Каждая система канавок образует сопловое отверстие или сопло 5 (фиг. 1) или переходит в него (фиг. 2 б и 2 в). На фиг. 3 показаны системы канавок отдельных микрофлюидных устройств 1, которые еще объединены в единый пластинчатый композитный полуфабрикат. Сопло 5 и канавки 4 могут иметь самое разнообразное исполнение, некоторые варианты которого уже были рассмотрены выше при описании уровня техники, к которому относится патент US 5547094, в котором описаны также и разные способы их изготовления, в частности, фотолитография и травление. Касательно фильтров, интегрируемых в такие микрофлюидные устройства, можно сослаться на публикацию WO 99/16530 А 1, которая также включена в настоящее описание в качестве ссылки. Индивидуальные микрофлюидные сопловые устройства 1 блочного типа, подобные устройству, показанному в аксонометрии на фиг. 1, отделяют от пластинчатого композитного полуфабриката, показанного на фиг. 3, путем его механической обработки вдоль линий 6, проходящих между каждыми двумя соседними системами канавок 4 и изображенных на фиг. 3 прерывистыми линиями. На фиг. 3 показана сетка из линий 6, которые пересекаются под прямым углом друг к другу и проходят вокруг каждого отдельного микрофлюидного устройства 1. Для точного разделения пластинчатого композитного полуфабриката на отдельные микрофлюидные устройства 1 с одновременным образованием сопла 5 или открытых противоположных концов канавок 4 либо открытого входного отверстия соответствующего фильтра используют вращающуюся с высокой скоростью (часто превышающей 20000 об./мин) дисковую пилу с алмазной режущей кромкой, которой пластинчатый композитный полуфабрикат режут на отдельные части строго вдоль линий 6, а точнее говоря, вдоль линий, проходящих между каждыми двумя соседними линиями 6. Очевидно, что физически на поверхности пластинчатого композитного полуфабриката нет никаких линий 6 или других видимых отметок. Линии 6 являются воображаемыми и условно обозначают траекторию, вдоль которой при механической обработке по пластинчатому композитному полуфабрикату требуется перемещать режущий инструмент, в частности пилу. Перемещение режущего инструмента вдоль подобной траектории обеспечивается роботизированными системами с соответствующим программным обеспечением. Как уже было отмечено выше, разделение пластинчатого композитного полуфабриката на отдельные микрофлюидные устройства можно выполнять в несколько стадий, по меньшей мере одна из которых представляет собой стадию механической обработки, образующаяся при которой стружка и/или используемые при которой вспомогательные вещества могут привести к описанному выше загрязнению канавок. Выполненное по первому варианту сопло 5 показано в аксонометрии на фиг. 1, в виде в плане на фиг. 2 а и в разрезе на фиг. 2 б. В этом варианте сопло 5 выполнено в виде двойного сопла, образованного двумя микроканалами, выходящие из которых две струи жидкости направлены навстречу друг другу и поэтому ударяют друг в друга на некотором расстоянии от выходного отверстия сопла 5 и взаимно дробятся на капельки. В результате такого соударения струй на выходе из сопла образуются мелкие капельки жидкости с требуемым распределением по размерам. На фиг. 2 б и 2 в в разрезе показана структура пластинчатого композитного полуфабриката, способ изготовления из которого микрофлюидных устройств составляет объект настоящего изобретения. Такой пластинчатый композитный полуфабрикат можно использовать для изготовления из него множества-3 008075 микрофлюидных устройств 1, которые не обязательно должны быть сопловыми. Во втором варианте, показанном на фиг. 2 в, сопло 5 образовано микроканалом 5', который проходит в верхней, изготовленной предпочтительно из стекла части 3 микрофлюидного устройства перпендикулярно ее основной плоскости и на своем нижнем, обращенном к нижней части 2 микрофлюидного устройства конце переходит в выполненную на ее верхней поверхности канавку 4. Такое микрофлюидное устройство 1 в отличие от первого, рассмотренного выше варианта можно использовать не для бокового, а для ортогонального, если смотреть снаружи, распыления жидкости. Микрофлюидное устройство 1 с системой канавок 4 изготавливают путем механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката, при которой его прорезают вдоль линий 6, которые проходят между каждыми двумя соседними системами канавок 4, и в результате которой пластинчатый композитный полуфабрикат оказывается разделен на еще не окончательно отделенные от него отдельные или объединенные в группы микрофлюидные устройства 1 или же оказывается разделен на полностью отделенные от него группы микрофлюидных устройств, каждая из которых состоит лишь из разделенных, но еще не отделенных от нее окончательно микрофлюидных устройств. Для этой цели, как детально показано на фиг. 2 в, в пластинчатом композитном полуфабрикате путем его механической обработки вдоль линий 6 выполняют желобки 6' (между каждыми двумя линиями 6). Эти желобки прорезают насквозь только одну из пластин, которой в показанном на фиг. 2 в варианте является нижняя пластина 2, т.е. пластина 2 с системой канавок 4, и не проходят насквозь через другую пластину, которой в показанном на чертеже примере является верхняя пластина 3, а образуют в ней закрытый в основании канал. Основная идея настоящего изобретения состоит в том, что независимо от того, в каком месте и каким образом в пластинчатом композитном полуфабрикате выполнены системы канавок 4, их на время механической обработки необходимо надежно защищать от возможного попадания в них загрязнений. В приведенном ниже подробном описании предлагаемого в изобретении способа рассмотрен вариант изготовления микрофлюидного устройства с выполненной в пластинчатом композитном полуфабрикате системой канавок 4 для бокового распыления жидкости. Необходимо подчеркнуть, что предлагаемый в изобретении способ в полной мере относится и к изготовлению показанного на фиг. 2 в микрофлюидного устройства с системой канавок для ортогонального распыления жидкости. Предлагаемый в изобретении способ является частью всего технологического процесса изготовления микрофлюидных устройств 1 описанного выше типа. При этом предлагаемый в изобретении способ предполагает наличие уже изготовленного пластинчатого композитного полуфабриката со множеством микрофлюидных устройств 1 и отличается от известного способа прежде всего выполнением в пластинчатом композитном полуфабрикате систем канавок 4, которые (системы) последовательно, от одного края пластинчатого композитного полуфабриката до другого его противоположного края примыкают одна к другой по меньшей мере в одном, параллельном линиям 6 направлении. Подобное расположение систем канавок показано на фиг. 3, где изображен небольшой фрагмент пластинчатого композитного полуфабриката, который, как очевидно, фактически имеет гораздо большие размеры. В показанном на этом чертеже примере системы канавок 4 последовательно примыкают одна к другой по всей длине пластинчатого композитного полуфабриката от его верхнего края до нижнего края. Между выходной стороной сопла 5 одной из систем канавок 4 и входной стороной расположенной выше системы канавок 4 между линиями 6 по всей ширине пластинчатого композитного полуфабриката проходит поперечный канал, который соединяет вышележащую систему канавок 4 с соплом 5 нижележащей системы канавок 4. При изготовлении микрофлюидных устройств предлагаемым в изобретении способом выполненные в пластинчатом композитном полуфабрикате канавки 4 до его механической обработки заполняют заполнителем. Заполнение канавок заполнителем не вызывает никаких проблем, поскольку, как было отмечено выше, все системы канавок 4 в пластинчатом композитном полуфабрикате соединены между собой. Однако заполнитель необходимо выбирать с учетом того, что он должен оставаться в канавках 4 в течение всего процесса механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката и не должен вымываться из них возможно используемыми при механической обработке вспомогательными жидкостями или веществами. Как уже говорилось выше при описании сущности настоящего изобретения,заполнение канавок 4 соответствующим образом подобранным заполнителем позволяет защитить их от попадания в них загрязнений в процессе механической обработки. По окончании механической обработки заполнитель вновь удаляют из канавок 4. Полученные в результате механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката микрофлюидные устройства имеют чистые и сохранившие свою форму канавки и вполне пригодны для дальнейшей обработки. Канавки можно заполнять заполнителем не только снизу вверх (или в продольном направлении), но и через поперечный канал или иной аналогичный проход, проходящий по всей ширине пластинчатого композитного полуфабриката слева направо (в плоскости чертежа по фиг. 3). При определенной ширине поперечных каналов для защиты канавок от загрязнения заполнять заполнителем можно только сами каналы и входные и выходные отверстия канавок 4. Такое частичное заполнение канавок 4 заметно облегчает процесс удаления заполнителя из всей системы канавок после механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката.-4 008075 В результате выполнения описанных выше технологических стадий в пластинчатом композитном полуфабрикате получают показанные на фиг. 2 в желобки 6', которые являются продолжением канавок 4 с нижней стороны нижнего листа 2 и которые тем самым в конечном итоге обеспечивают доступ к выполненному в верхней пластине каналу 5' соплу. Очевидно, что микрофлюидные устройства 1 подобного типа можно использовать в качестве устройства с большим количеством расположенных в ряд сопел или в качестве многоканального микрофлюидного устройства для более интенсивного микроструйного распыления жидкостей. В результате выполнения описанных выше технологических стадий получают микрофлюидное устройство 1, которое может представлять собой, в частности, отдельный блок или небольшую пластину с показанной на фиг. 1 и 2 композитной структурой. В первом варианте сопло 5 такого микрофлюидного устройства образовано двумя показанными на фиг. 2 б в несколько увеличенном масштабе выходными отверстиями, которые заполнены заполнителем, обозначенным на чертеже позицией 7. Необходимо отметить, что предлагаемый в изобретении способ предпочтительно осуществлять в чистом помещении, чистота которого должна соответствовать определенному классу. Для изготовления микрофлюидных устройств предлагаемым в изобретении способом важное значение имеет правильный выбор заполнителя. В этом отношении следует учитывать, что размеры канавок 4, лежащие в микрометровом диапазоне, требуют применения специальной техники их заполнения заполнителем. Связано это с тем, что в отличие от имеющих сравнительно большие, макроскопические размеры сопловых устройств в данном случае необходимо особо учитывать капиллярные эффекты, а также поверхностное натяжение и вязкость заполнителя. Более того, в данном случае неприменима и технология вымораживания воды, известная по ее применению в процессах изготовления макроскопических устройств. Первым важным качеством, которым должен обладать заполнитель, является его несмешиваемость с любой используемой при механической обработке СОЖ или нерастворимость ею. В крайнем случае заполнитель должен обладать лишь минимально возможной смешиваемостью с СОЖ или растворимостью ею во избежание его растворения смазочно-охлаждающей жидкостью и вымывания из канавок 4 при механической обработке. Так, например, при распиловке пластинчатого композитного полуфабриката обычно используют СОЖ на водной основе. Очевидно, что в этом случае заполнитель должен быть не растворим или очень плохо растворим в воде. На практике было установлено, что с учетом малых, лежащих в микрометровом диапазоне размеров канавок 4 для их заполнения предпочтительно выбирать заполнитель, который можно использовать в жидком виде. Однако в одном из наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения для заполнения канавок предлагается использовать заполнитель, который в процессе механической обработки находится в твердом агрегатном состоянии. Находящийся в таком агрегатном состоянии заполнитель эффективно и надежно защищает канавки 4 от возможного загрязнения. Перевести заполнитель в твердое агрегатное состояние можно путем испарения возможно используемого летучего растворителя или химическим путем. Более предпочтительно, однако, использовать в качестве заполнителя вещество, которое переходит из одного агрегатного состояния в другое при соответствующем изменении температуры. В этом случае при нормальной (комнатной) температуре, при которой происходит процесс механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката, такой заполнитель гарантированно будет находиться в канавках 4 в твердом агрегатном состоянии, но при температуре заполнения им канавок и его удаления из канавок, которая существенно превышает нормальную температуру, будет легко переходить в жидкое агрегатное состояние. Очевидно, что обе эти температуры, т.е. нормальная температура и температура заполнения канавок заполнителем, существенно зависят от его свойств. При этом, кроме того, необходимо учитывать и свойства материала пластин, которые при изготовлении пластинчатого композитного полуфабриката неподвижно соединяют между собой по двум направлениям. В целом же за нормальную температуру можно принять интервал температур от примерно 2 до примерно 120 С, а за температуру заполнения канавок заполнителем можно принять интервал температур от примерно 5 до примерно 280 С. Обычно для возможности проведения процесса механической обработки при сравнительно низких температурах используемый заполнитель должен обладать низкой вязкостью и/или высокой летучестью. Однако кроме такого заполнителя можно использовать и заполнитель с более высокой вязкостью, что,как очевидно, увеличивает продолжительность технологического процесса и/или требует соответствующего увеличения рабочих температур. Указанным выше общим требованиям, предъявляемым к заполнителю, отвечают, например, одно- и многоатомные спирты, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, эфиры жирных кислот и смеси этих веществ. К многоатомным спиртам относятся также полиалкиленгликоли, в частности полиэтиленгликоли. Особый интерес для применения при осуществлении предлагаемого в изобретении способа представляют, как было установлено, одно- и многоатомные спирты, содержащие от 10 до 30 С-атомов,предпочтительно от 12 до 24 С-атомов, наиболее предпочтительно от 16 до 20 С-атомов. Подобные химикаты имеют наиболее подходящую для их применения при осуществлении предлагаемого в изобретении способа температуру плавления, например, около 60 С, а также имеют приемлемую температуру-5 008075 кипения, например, около 210 С. Преимущество таких химикатов состоит также в том, что они не растворимы в воде, но растворимы в спирте и простом эфире и поэтому наиболее пригодны для применения при осуществлении предлагаемого в изобретении способа. Выбор того или иного заполнителя в каждом конкретном случае определяется наличием подобных химикатов на рынке. При наличии более широкого спектра свойств у того или иного химиката следует выбирать наиболее дешевый из имеющихся в продаже химический продукт. Альтернативно рассмотренному выше выбору химического продукта на основе его свойств или способности изменять свое агрегатное состояние в зависимости от температуры либо в дополнение к нему можно также использовать заполнители, обладающие иными свойствами. К таким заполнителям относятся, например, жидкости (электрореологические жидкости), которые способны изменять свою консистенцию при приложении к ним электрического напряжения. Такие жидкости равным образом можно использовать в качестве заполнителей при изготовлении микрофлюидных устройств предлагаемым в изобретении способом. Очевидно, что микрометровые размеры канавок 4 в пластинчатом композитном полуфабрикате создают определенную проблему при их заполнении соответствующим заполнителем. Решение этой проблемы требует использования специальных методов заполнения. Согласно предпочтительному варианту,который на практике зарекомендовал себя как наиболее эффективный, пластинчатый композитный полуфабрикат до заполнения канавок 4 заполнителем подвергают вакуумированию и лишь затем канавки заполняют заполнителем в вакууме при остаточном давлении, составляющем, в частности, менее примерно 250 мбар. Подобная технология позволяет избежать скопления пузырьков газа в канавках 4. После заполнения канавок 4 заполнителем в вакууме давление в пространстве, в котором находится пластинчатый композитный полуфабрикат, целесообразно вновь повышать до нормального, чтобы при нем происходило затвердевание заполнителя, который исходно находится в жидком виде. На практике весь пластинчатый композитный полуфабрикат помещают в рабочее пространство, которое затем вакуумируют до необходимого остаточного давления. Затем пластинчатый композитный полуфабрикат в этом рабочем пространстве постепенно погружают в наклонном положении в ванну с жидким заполнителем до полного погружения в него. При этом пластинчатый композитный полуфабрикат погружают в жидкий заполнитель в направлении линии непрерывного соединения систем канавок 4 между собой, уровень жидкого наполнителя внутри которых тем самым медленно повышается от одного края полуфабриката к другому его противоположному краю до тех пор, пока в конечном итоге весь пластинчатый композитный полуфабрикат, т.е. все расположенные в нем системы канавок, до конца не заполнится жидким заполнителем. После этого давление в рабочем пространстве вновь повышают до нормального. При этом заполнитель, который все еще сохраняет жидкую консистенцию, может под действием собственного поверхностного натяжения оставаться в канавках 4 в пластинчатом композитном полуфабрикате, который для этого целиком поворачивают в горизонтальное положение. При последующем снижении температуры находящийся в канавках 4 заполнитель постепенно затвердевает в них. После этого пластинчатый композитный полуфабрикат с затвердевшим в канавках заполнителем распиливают вращающейся с высокой скоростью пилой с алмазной режущей кромкой на отдельные части по линиям 6 или прорезают в нем желобки 6', показанные на фиг. 2 в. Затем из канавок 4 удаляют заполнитель. В аналогичных микрофлюидных устройствах их канавки 4 можно заполнять заполнителем и под избыточным давлением. Изготовление микрофлюидных устройств предлагаемым в изобретении способом требует разработки не только технологии введения в канавки 4 заполнителя, предпочтительно в виде жидкости, до механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката, но и особой технологии удаления из канавок 4 находящегося в них заполнителя после механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката. В этом отношении удалять заполнитель из канавок 4 отделенных от пластинчатого композитного полуфабриката сопловых устройств 1 рекомендуется путем повышения температуры заполнителя. При увеличении температуры находящийся в канавках 4 заполнитель может, например, испаряться из них. В дополнение к повышению температуры процесс испарения заполнителя можно интенсифицировать и ускорить за счет снижения окружающего давления до достаточного низкого уровня. В другом варианте удалять заполнитель из канавок 4 отдельных сопловых устройств 1 можно также путем его растворения соответствующим растворителем и при необходимости путем выдувания из канавок образующейся в них смеси заполнителя с растворителем. Оба этих метода можно также комбинировать между собой. Для растворения заполнителя, примеры которого, в том числе и наиболее предпочтительные, подробно рассмотрены выше, рекомендуется использовать спирт или простой эфир. Предпочтительно при этом использовать низкомолекулярные спирты или простые эфиры, такие как метанол, этанол, пропанол,изопропанол и/или диэтиловый эфир. Подобный подход позволяет полностью удалять из канавок 4 весь оставшийся в них заполнитель и существенно снизить процент брака при изготовлении микрофлюидных устройств.-6 008075 Для защиты канавок 4 от возможного последующего загрязнения рекомендуется также оставлять в них заполнитель вплоть до окончания процесса очистки микрофлюидных устройств, полученных из пластинчатого композитного полуфабриката при его механической обработке, включая операцию его разделения на отдельные части. На фиг. 4 и 5 в невзведенном (фиг. 4) и взведенном (фиг. 5) состоянии схематично показан предлагаемый в изобретении распылитель 11 с выполненным по первому или второму варианту микрофлюидным устройством или сопловым устройством (распылительной головкой) 1, предназначенным для распыления текучей среды 12, в частности, высокоэффективного лекарственного или иного аналогичного состава. Предлагаемый в изобретении распылитель 11 выполнен, в частности, в виде портативного ингалятора и предпочтительно не требует для его работы пропеллента. При распылении текучей среды 12, предпочтительно жидкости, в частности, лекарственного состава, образуется аэрозоль, вдыхаемый не показанным на чертежах пациентом или вводимый в его организм путем ингаляции. Обычно ингаляцию проводят по меньшей мере один раз в день, предпочтительно несколько раз в день, обычно через определенные интервалы времени. В распылителе 11 находится соответствующая емкость 13, предпочтительно сменная, заполненная распыляемой текучей средой 12 и образующая для нее расходную емкость. Запас находящейся в емкости 13 текучей среды достаточен для ее многократных применений, в частности, в течение заданного периода времени, например одного месяца, или, по меньшей мере, рассчитан на 50, предпочтительно на 100 разовых доз или распылений. Емкость 13 выполнена в виде, в основном, цилиндрического патрона или баллончика, который после открытия распылителя 11 можно вставить в него снизу и который при необходимости можно заменить на новый. Емкость 13 предпочтительно должна иметь устойчивую или жесткую конструкцию и, в частности, при нахождении текучей среды 12 в мягком пакете 14, помещенном внутрь емкости 13. Распылитель 11 содержит генератор 15 давления, предназначенный для создания избыточного давления, необходимого для перемещения и распыления текучей среды 12 в дозированном количестве, которое при необходимости можно регулировать. Генератор 15 давления имеет держатель 16 емкости 13,соответствующую, показанную на чертежах лишь частично приводную пружину 17 с освобождаемым вручную стопорным элементом 18, подающую трубку 19 с обратным клапаном 20 и напорную камеру 21,расположенную на уровне мундштука 23, охватывающего предлагаемое в изобретении сопловое устройство 1. При взведении приводной пружины 17 путем ее сжатия в осевом направлении держатель 16 вместе с емкостью 13 и подающей трубкой 19 перемещается вниз в плоскости чертежей, что сопровождается всасыванием текучей среды 12 из емкости 13 через обратный клапан 20 в напорную камеру 21 генератора 15 давления. Поскольку сопловое устройство 1 имеет очень маленькое проходное сечение и, по существу, соответствует капилляру, оно создает достаточно высокий эффект дросселирования, надежно препятствующий втягиванию воздуха в напорную камеру при всасывании в нее текучей среды даже в отсутствие обратного клапана. При последующем выключении стопорного элемента 18 и освобождении и распрямлении сжатой приводной пружины 17 она, а точнее, развиваемое ею усилие, создает приложенное к находящейся в напорной камере 21 текучей среде 12 давление, под действием которого подающая трубка 19 начинает перемещаться обратно вверх, а текучая среда выпрыскивается через сопловое устройство 1, распыляясь в виде капелек, размеры которых лежат в микро- или нанометровом диапазоне, предпочтительно составляют около 5 мкм, и которые способны проникать в легкие и образует туман или струю аэрозоля 24, показанную на фиг. 4. Таким путем предпочтительно обеспечивается чисто механическое перемещение и распыление текучей среды 12 и, в частности, без всякого применения пропеллента или электричества. Во время ингаляции пациент, который не показан на чертежах, вдыхает аэрозоль 24 вместе с воздухом, который дополнительно может всасываться в мундштук 23 через по меньшей мере одно предусмотренное в нем воздуховпускное отверстие 25. Корпус распылителя 11 состоит из верхней корпусной детали 26 и поворачиваемой относительно нее и вставленной в нее внутренней корпусной детали 27, к которой съемно, предпочтительно фиксирующим элементом 29, крепится поворачиваемая вручную нижняя корпусная деталь 28. Эту нижнюю корпусную деталь 28 можно отсоединить от распылителя 11 для помещения в него и/или замены в нем емкости 13. При повороте вручную нижней корпусной детали 28 вместе с ней относительно верхней корпусной детали 26 поворачивается внутренняя корпусная деталь 27, что сопровождается сжатием или взведением приводной пружины не показанным на чертеже приводным механизмом, который воздействует при этом на держатель 16. При сжатии пружины емкость 13 опускается в осевом направлении в крайнее нижнее положение, соответствующее взведенной пружине и показанное на фиг. 5. В процессе распыления текучей среды, находящейся в емкости 13, последняя перемещается приводной пружиной 17 обратно вверх в свое исходное положение. Иными словами, емкость 13, которая при сжатии пружины опускается, а при распылении поднимается, совершает в корпусе распылителя возвратно-поступательные перемещения по типу поршня.-7 008075 Нижняя корпусная деталь 28 предпочтительно имеет форму колпачка, который охватывает нижний свободный конец емкости 13. При сжатии приводной пружины 17 нижний конец емкости (глубже) утапливается в нижнюю корпусную деталь 28 или в направлении ее дна до упора своим дном 31 в расположенную внутри нижней корпусной детали 28 и сжимающуюся в осевом направлении пружину 30 и в охватываемый ею пробойник 32, который при первом контакте с емкостью 13 прокалывает в ней или в расположенной со стороны ее дна пробке отверстие, которое для выравнивания давления в емкости соединяет ее с атмосферой. Распылитель 11 содержит также счетчик 33, который фиксирует количество циклов приведения распылителя 11 в действие предпочтительно путем измерения количества поворотов внутренней корпусной детали 27 относительно верхней корпусной детали 26. В показанном на чертежах варианте счетчик 33 работает исключительно как механическое устройство. Таким образом, в настоящем изобретении предлагается распылитель 11 для ингаляционных целей,который генерирует практически неподвижный аэрозольный туман или аэрозольный туман с очень небольшой скоростью на выходе распылителя, при которой капельки аэрозольного тумана становятся практически неподвижными на расстоянии несколько сантиметров от сопла. Для ингаляции такого аэрозоля 24 необходим дополнительный поток воздуха. В заключение необходимо отметить, что в настоящее описание в качестве ссылки в полном объеме включено содержание публикаций WO 91/14468 А 1 и WO 97/12687 А 1. В этих публикациях описан распылитель с создаваемым пружиной действующим на жидкость давлением от 5 до 60 МПа, предпочтительно от 10 до 50 МПа, и объемом вытесняемой за один ход поршня жидкости от 10 до 50 мл, предпочтительно от 10 до 20 мл, наиболее предпочтительно около 15 мл, при размерах капелек распыленной жидкости до 20 мкм, предпочтительно от 3 до 10 мкм. Описанный в этих публикациях распылитель предпочтительно имеет форму цилиндра длиной от примерно 9 до примерно 15 см и диаметром (шириной) от примерно 2 до примерно 5 см, а выходящая из его сопла струя аэрозоля имеет расширение от 20 до 160, предпочтительно от 80 до 100. Такие же параметры, в частности указанные выше как предпочтительные, имеет и предлагаемый в настоящем изобретении распылитель 11. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления множества микрофлюидных устройств, прежде всего сопловых устройств,из пластинчатого композитного полуфабриката, который состоит из двух неподвижно соединенных между собой в двух направлениях и имеющих, в основном, плоские поверхности пластин, на поверхности по меньшей мере одной из которых, соединенной с обращенной к ней поверхностью другой пластины,выполнено множество повторяющихся систем канавок, размеры которых предпочтительно лежат в микрометровом диапазоне и которые образуют проточные каналы, и который подвергают механической обработке вдоль проходящих между системами канавок линий, при которой композитный полуфабрикат разделяют на индивидуальные или объединенные в группы микрофлюидные устройства, отличающийся тем, что системы канавок в пластинчатом композитном полуфабрикате выполняют таким образом, что они непрерывно соединяются друг с другом по меньшей мере в одном направлении по линиям, проходящим от одного края пластинчатого композитного полуфабриката до другого его, противоположного края, до механической обработки пластинчатого композитного полуфабриката имеющиеся в нем канавки, по меньшей мере, частично заполняют заполнителем таким образом, чтобы их открытые наружу до и/или после механической обработки отверстия и участки были заполнены заполнителем, который выбирают таким образом, чтобы он оставался в канавках как во время самой механической обработки, так и при воздействии на него используемых при механической обработке вспомогательных веществ, и после механической обработки заполнитель удаляют из канавок микрофлюидных устройств. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют заполнитель, который не смешивается с используемой при механической обработке смазочно-охлаждающей жидкостью и/или не растворяется такой смазочно-охлаждающей жидкостью и предпочтительно не растворим в воде. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что канавки заполняют заполнителем в жидком виде. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что используют заполнитель, который в процессе механической обработки находится в твердом агрегатном состоянии, прежде всего при нормальной температуре, преобладающей при механической обработке. 5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что канавки заполняют заполнителем при температуре,существенно превышающей нормальную температуру. 6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что нормальная температура лежит в пределах от примерно 2 до примерно 120 С. 7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что канавки заполняют заполнителем при температуре в интервале от примерно 5 до примерно 280 С. 8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве заполнителя используют одно- и многоатомные спирты, жирные кислоты, насыщенные и ненасыщенные эфиры жирных кислот или смеси этих веществ.-8 008075 9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что до заполнения канавок заполнителем композитный полуфабрикат подвергают вакуумированию и канавки заполняют заполнителем в вакууме при остаточном давлении менее примерно 250 мбар. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что после заполнения канавок заполнителем давление в окружающем пластинчатый композитный полуфабрикат пространстве вновь повышают до нормального давления, при котором предпочтительно происходит затвердевание первоначально жидкого заполнителя. 11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что заполнитель удаляют из канавок путем его нагрева до повышенной температуры. 12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что заполнитель удаляют из канавок путем его растворения в растворителе и при необходимости выдувания смеси заполнителя с растворителем. 13. Способ по п.12 и, в частности, по п.8, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют спирт или простой эфир. 14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что заполнитель не удаляют из канавок до окончания очистки микрофлюидных устройств после механической обработки. 15. Способ по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что при механической обработке вдоль линий в композитном полуфабрикате выполняют желобки, которые прорезают насквозь одну из пластин, прежде всего пластину с системой канавок, и не проходят насквозь через другую пластину. 16. Распылитель (11) текучей среды (12), содержащий сопловое устройство (1) для распыления текучей среды (12), отличающийся тем, что сопловое устройство (1) изготовлено способом по любому из предыдущих пунктов. 17. Распылитель по п.16, отличающийся тем, что распыление текучей среды происходит исключительно механически, в частности без пропеллента, предпочтительно под действием развиваемого пружиной усилия. 18. Распылитель по п.16 или 17, отличающийся тем, что он имеет емкость (13), которая предпочтительно выполнена сменной и в которой содержится текучая среда (12), предпочтительно жидкость. 19. Распылитель по п.18, отличающийся тем, что емкость (13), предпочтительно, выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по типу поршня для создания необходимого для распыления текучей среды давления. 20. Распылитель по любому из пп.16-19, отличающийся тем, что он выполнен в виде ингалятора,предназначенного прежде всего для аэрозольной ингаляции лекарственных препаратов.

МПК / Метки

МПК: B05B 1/14, B05B 1/08

Метки: изготовления, микрофлюидных, способ, полуфабриката, пластинчатого, композитного, устройств

Код ссылки

<a href="https://eas.patents.su/12-8075-sposob-izgotovleniya-mikroflyuidnyh-ustrojjstv-iz-plastinchatogo-kompozitnogo-polufabrikata.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способ изготовления микрофлюидных устройств из пластинчатого композитного полуфабриката</a>

Похожие патенты