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微雾化 器机构设计与模拟

1.微雾化器机构设计:
传统利 用超音波晶体的雾化方式以超音波高频震盪(1,600,000次/秒=1.6MHz) 在液面 上形成空蚀现象,藉由空 蚀发生时气泡的爆裂,衝击出微小液滴,粒径可达5~10μm,再由风扇将雾气吹出。然而此 方式有耗电量大、局部瞬间高温会影 响药物 的本质与超音波晶体在长时间使用后会有些许药物残留并焦化於晶体表面,容易造 成交互污染等问题。由Strayer理论推导以钻有小孔(约75μm) 的喷孔 片与压电材料固定,利用压 电材料產生震动,将超音 波传递至喷孔片,使得喷 孔处之液体受到雷利波(Rayleigh wave,又称表面波) 的作用,将液柱截断成小液滴。其中喷 孔片受到越快速的震动时,可使得 雾化现象越容易发生,而且震 动速度与液体的黏滞系数、表面张力、密度相关。
 
而随著 微机电相关技术的日益成熟,以微电铸(Micro-electroforming)可达成 微小喷孔之製作(约3μm以下)。以爱普生 (Epson)為例,利用压 电式致动器挤压墨水通过微细喷孔(约30μm),可得到直径约30μm的墨滴大小。由於其 特点在於墨滴控制,所以其喷墨量仅需 0.15cc/min,对於吸 入式给药需大量喷雾的情况甚难满足。而且因 採用压力式推挤机制,在需要 更微小的墨滴时,其推挤 方式会遇到压力过大而无法推动 的瓶颈。故本所 提出以电铸缩孔製程方式製作的微细喷孔片,并透过 微压电致动器将其发出的表面波传递至喷孔处,利用表 面波与喷孔片的相互作用造成雾化的效 果,再藉由 省能机构设计降低雾化时所需之驱动能量与致动频率以获得均匀雾化粒径,其作动如图一所示。

本所微 雾化器的特色為药水腔体与喷 雾头採分离式设计、旋转组装,藉由模 组化的设计来降低成本及减低操作障碍。模组原型如图二所示,包含下列元件:(1)可拆换 之药水腔体方便更换不同种类之 药水,避免药水之交互作用;(2)旋转式组装,方便使 用者自行更换并可以射出成形大量生產符合将来量產之要求;(3)可拆换 之喷雾头含微压电致动器,方便 雾化元 件的清洗与更换。
 
2.雾化模拟分析
雾化机 制的模拟验証是利用微系统领域中常用到的商用计算流体力学软体(CFD-RC)来进行相关分析,经由三维模式 来模拟 微雾化器各种流场反应现象,例如:整体的速度分佈、压力场、以及液 滴断裂的行為等,藉此瞭 解整个液滴喷出过程的情形。而工作 流体的部分则暂时以纯水 来取代药液,其密度ρ為1020kg/m3,动力黏滞系数μ為1.28cP,以及表面张力系数γ為0.043347 N/m。从图三 可清楚地看到整个液滴喷出后的变化情形,随著时 间增加液滴会逐渐形成一个头部浑圆而尾端细长之形状,当t=20μs时,液滴的顶端明显分离 出一颗浑圆的主液滴,且在主 液滴的后方亦会伴随卫星液滴的產生,此模拟 结果和一些视流观测到的卫星液滴现象相符合。
 
3.喷孔片的製作
微电铸 技术是将金属电铸到由光蚀刻製程所定义之结构内,在电铸 完成后只需将光阻结构去除,就可得到微小的电铸,依据 模拟结果得知,其喷孔 片需求為厚度约30μm、孔径為3μm。藉由本 所已建立之核心技术,利用电铸缩孔製程,已完成孔径為3μm、间距為80μm的喷孔 片,如图四SEM照片所示。 

雾化粒径量测
在粒径量测方面,使用的量测仪器為RT-Sizer粒径分析仪备,其主要元件包括光学、侦测器、数据收 集以及分析软体四部分,量测原理為利用发 光二极 体所產生的红色雷射光当作光源,经光束 放大器将雷射光束扩大成直径9mm的平行光后,穿过雾 化流场中的液滴產生绕射现象,再经由 接收器的傅利叶透镜 (Fourier Lens) 收集后通过光检测器。接著,侦测到 的光讯号经由固态晶体转换成电子讯号,再经讯号放大后,透过类比数位转换器(A/D Converter)转换成数位讯号,传送至 个人电脑来进行相关的粒径分析。此外,除了平 均粒径大小之外,雾化颗 粒粒径的分佈范围亦是判断雾化品质优劣的 重要参数之一,此可藉 由定义喷雾粒度比SR=Dv90/Dv10来作為 判断喷雾粒径分佈范围之标準,其中Dv10与Dv90分别為 累积体积佔全部颗粒体积 10%与90%时所对 应的颗粒粒径大小。一般来说,SR值越大 表示雾化颗粒的体积分佈范围越广,即同时 存在著相当数量的较大与较小的雾化颗粒,这将会降低 雾化器 所欲提供的喷雾治疗效果。所以,雾化器 的设计应尽量朝向降低SR值的目标,才能使 雾化颗粒达到相当程度的均一性,以提高 喷雾治疗之效果。
 
图五与 图六分别為目前商用的雾化器產品与本所设计之微雾化器(厚30μm、孔径3 μm的阵列式微雾化头)的喷雾 颗粒体积分佈柱状图。图五為 传统超音波雾化器操作频率為1.7MHz的高频震盪,其所產生的平均粒径(Sauter Mean Diameter,简称SMD值)约為5~7 μm左右,因其操 作频率过高而有相当耗电的缺点,而本所 设计之微雾化器,驱动频率约為150kHz,且无需风扇带动,相对省电许多。此外在 比较图五与图六 之SR值可发现,机械所 设计之微雾化器的SR=2.72 远小於 目前商用的雾化器的SR=10.65,此即表 示本所採用的雾化机制比目前超音波震荡的雾化方式在雾化粒径更具有一致性的优势。 
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