CN107921457B 具有增大的声波能量利用率的声波微流体设备（皇家墨尔本理工大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(65)同一申请的已公布的文献号(30)优先权数据(85)PCT国际申请进入国家阶段日(86)PCT国际申请的申请数据(87)PCT国际申请的公布数据(73)专利权人皇家墨尔本理工大学地址澳大利亚维多利亚(74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司11227专利代理师杨华审查员许文柏具有增大的声波能量利用率的声波微流体设备向电声换能器供应电磁波能量的电源；以及能够移动至衬底的物质的源，其中，所述电声换能器21.一种使用声波能量操纵物质的设备，所述设备包括：衬底上的电声换能器；用于向所述电声换能器供应电磁波能量的电源；以及能够移动至所述衬底的物质的源；其中，所述电声换能器和所述衬底被配置成生成被用来将所述物质从所述源移动至所述衬底并且操纵所述衬底上的所述物质的声波能量；其中，所述设备被配置成使得所述衬底具有与所述表面波成分的波长近似相等的厚度。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述表面波成分包括沿着所述衬底的第一表面、所述衬底的相对的第二表面或它们的组合传播的表面声波。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述体波成分包括在所述第一表面与所述第二表面之间传播的体声波。4.根据权利要求3所述的设备，其中，在所述第一表面与所述第二表面之间的所述传播通过在所述第一表面与所述第二表面之间通过所述衬底的内反射来进行。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声波能量还包括在所述电声换能器中传播的驻波成分。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述物质的所述源被布置在所述衬底的表面、所述衬底的侧边缘、所述衬底的端边缘或它们的组合之上、之中或与之相邻。7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电源、所述衬底和所述源被集成在通用串行总线保持器中。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置成使所述物质以等于或大于1ml/min的速率雾化或成雾状。9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置成使所述物质雾化或成雾状以产10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述物质包括单晶压电衬底。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述物质包括选自于包括下列的组：药物、可溶剂和它们的组合的功能剂或治疗剂。12.根据权利要求1所述的设备，其中，对所述物质的操纵包括雾化、成雾状、移动、输们的组合。13.一种用于肺部药物递送的吸入器或喷雾器，包括根据权利要求1所述的设备。3具有增大的声波能量利用率的声波微流体设备技术领域[0001]本发明涉及具有增大的声波能量利用率的声波微流体设备。背景技术[0002]声波微流体设备例如表面声波(SAW)雾状或雾化设备已经被提出用于肺部药物递送和各种其它微流体应用。SAW微流体设备包括压电衬底上的叉指式(interdigital)换能地选择衬底作为旋转Y切割的铌酸锂以抑制体波在衬底内的传播，使得仅纯SAW用于雾化。样低的雾化率不足以用于在肺部药物递送中的有效患者加药。仅增大RF功率电平和/或液体供应率以实现足够用于有效患者加药的增大的雾化率是不实际的。[0004]增大RF功率电平导致衬底和/或设备的部件上的增大的热负荷，并且导致需要大且笨重的电源。此外，增大RF功率电平还会增大由于复杂的分子或细胞的变性对所递送的药物造成附带损害的可能性。最后，增大液体供应率导致淹没设备并且完全地停止雾化。[0005]在这个背景下，存在对于具有输入RF功率和输出声波能量的增大的利用率以提供增强的微流体操纵性能的声波微流体设备的需要。发明内容[0007]衬底上的电声换能器；[0008]用于向电声换能器供应电磁波能量的电源；以及[0010]其中，电声换能器和衬底被配置成生成被用来将物质从源移动至衬底并且操纵衬底上的物质的声波能量。[0011]声波能量可以包括沿着衬底的第一表面、衬底的相对的第二表面或它们的组合传[0012]衬底可以具有与声波能量的波长可比较的厚度。是通过在第一表面与第二表面之间通过衬底的内反射来沿着第一表面和第二表面传播的的组合可以用来将物质从源移动至衬底并且操纵衬底上的物质。[0014]声波能量可以包括SAW和电声换能器中的驻声波的组合，其中，SAW被用来将物质从源沿着衬底移动至电声换能器上作为薄液膜，并且其中，电声换能器中的驻声波被用来使薄液膜雾化或成雾状。[0015]物质的源可以被布置在衬底的表面、衬底的侧边缘、衬底的端边缘或它们的组合[0016]电声换能器可以包括被布置在衬底的第一表面、衬底的第二表面或它们的组合上4的一个或更多个叉指式换能器。[0017]衬底可以包括单晶压电衬底，例如旋转Y切割的铌酸锂或钽酸锂。[0018]电源、衬底和源可以集成在通用串行总线(USB)保持器中。[0019]电源可以包括电池。[0020]物质可以是包括液体、固体、气体或它们的组合或混合物的可移动的物质。物质可[0021]物质可以以等于或大于1ml/min的速率被雾化或成雾状。[0023]使用混合声波能量将物质从其源移动至衬底；以及[0024]使用混合声波能量操纵衬底的至少一个表面上的物质；[0025]其中，混合声波能量包括沿着衬底的至少一个表面传播的表面声波、以及在衬底的至少一个表面与衬底的至少一个其它表面之间内反射的体声波。[0026]本发明还提供了一种包括上述设备的用于肺部药物递送的吸入器或喷雾器。[0027]本发明还提供了一种包括上述设备的用于眼部药物递送的眼睛佩戴物。[0028]本发明还提供了一种包括上述设备的电子烟。[0029]本发明还提供了一种包括上述设备的气味生成器。[0030]本发明还提供了一种方法，包括使用上述设备来对物质执行微流体操作，其中，微[0031]本发明还提供了一种方法，包括使用上述设备来使可溶物质雾化或成雾状以产生[0032]本发明还提供了一种方法，包括使用上述设备来对具有1nm至1mm的直径的颗粒或粉末内的用于治疗目的的药物分子进行包衣或封装。[0033]本发明还提供了一种方法，包括使用上述设备来通过从液体中分离盐、晶体或杂质来对液体进行净化或脱盐。[0034]本发明还提供了一种方法，包括使用上述设备来将材料从三维(3D)体形式剥离为二维(2D)剥离形式。[0035]所述材料可以包括石墨烯、氮化硼(BN)、过渡金属硫化物(TMD)、过渡金属氧化物[0036]所述材料的3D体形式可以包括处于液体的材料或嵌入材料。[0037]所述材料的2D剥离形式可以包括片材、量子点(QD)、薄片、层、膜或它们的组合或多体或结构。[0038]所述材料的2D剥离形式可以具有1nm与2000nm之间的横向尺寸。附图说明[0039]现在参照附图仅以示例的方式来描述本发明的实施方式，在附图中：[0040]图1是根据本发明的一个实施方式的声波微流体设备的示意图；[0041]图2是设备的可替选实施方式的示意图；5[0042]图3是设备的另一可替选实施方式的透视图；[0043]图4至图6是图3的设备的照片；[0044]图7(a)至图7(c)是激光多普勒振动测量(LDV)图像和被配置成生成纯SAW的设备的示意图；[0045]图8(a)和图8(b)是LDV图像和被配置成分别生成纯SRBW和纯SAW的设备的示意图；[0046]图9(a)至设备的示意图；[0047]图10(a)至图10(c)是LDV图像、滴尺寸和体积的曲线图以及当被配置成生成纯SAW时设备的示意图；[0048]图11(a)至图11(c)是LDV图像、滴尺寸和体积的曲线图以及当被配置成生成SAW和[0050]图14是包括设备的用于眼部药物递送的眼睛佩戴物的示意图；[0051]图15是图2的设备的照片；[0052]图16是被配置成将3D体材料剥离为2D剥离材料的设备的示意图；[0053]图17是由设备形成的2DQD的透射电子显微镜(TEM)图像；以及[0054]图18是2DQD的薄膜的原子力显微镜(AFM)图像。具体实施方式[0055]图1和图2示出了根据本发明的实施方式的声波微流体设备10。设备10通常可以包括衬底14上的电声换能器12以及用于向电声换能器12供应电磁波能量例如RF功率的电源(未示出)。设备10还可以包括能够移动至衬底14的物质的源16。物质可以包括能够通过声波能量从源16移动至衬底14的形式的物料或材料。物质可以包括液体、固体、气体或它们的[0056]电声换能器12可以包括被布置在衬底14的第一表面18、衬底14的相对的第二表面20或它们的组合上的大量的IDT电极。还可以使用其它等效的或可替选的电声换能器。衬底14可以是单晶压电衬底，例如旋转Y切割的铌酸锂(LN)或钽酸锂。例如，衬底14可以包括128°旋转Y轴、X轴传播铌酸锂晶体切割(128YXLN)。还可以使用其它等效的或可替选的压电衬底。[0057]虽然未示出，衬底14的一端可以在提供RF功率的两个或更多个接触探头之间机械地固定和支承。此外，衬底14的一个支承端可以经由第一表面18上的与IDT指状电极12相对的一个或更多个弹簧和/或固定装置而安装，以创建与衬底14的最小接触面积以使通过电声换能器12施加至衬底14的振动能量的阻尼最小化。因此，衬底14可以以与音叉类似的方式从衬底14的一个弹性支承端处的机械固定装置突出，使得衬底14能够在衬底14的相对自由端处实现最大的声振动。[0058]物质的源16可以经由衬底14的侧边缘22、衬底14的端边缘24或它们的组合布置在衬底14的第一表面18和/或第二表面20之上、之中或者以接触或非接触关系与之紧邻。参照图1,在一个实施方式中，源16可以包括液体物质的容器26和被布置成与衬底14的侧边缘22和/或端边缘24接触的芯28.参照图2,在另一实施方式中，源16可以包括被布置成直接接触6衬底14的端边缘24的仅容器26。还可以使用其它等效的或可替选的物质源布置。[0059]电声换能器12和衬底14可以被配置成生成声波能量，该声波能量不仅用于将液体物质从源16移动(例如吸出、抽出和/或稀薄)至衬底14上作为薄液膜，而且用于使薄液膜雾化或成雾状。例如，在设备10的一个实施方式中，声波能量可以表现为沿着衬底14的第一表面18、衬底14的第二表面20、或衬底14的第一表面18和第是说，SAW可以沿着第一表面18、绕着端边缘24并且沿着衬底14的第二表面20传播。虽然并非意在受任何特定理论的限制，但是可以认为SAW可以相对于在衬底14的第一表面18和第二表面20中的每个表面上的电声换能器12沿正反两个方向传播。可以认为，在第一表面18和/或第二表面20上沿相反方向行进的SAW可以至少部分地担负吸出、抽出和稀薄来自容器26和/或芯28的液体物质。[0060]沿着第二表面20行进的声波能量的使用与仅使用第一表面18的常规的SAW微流体设备相反。可用的声波能量的该表现和利用率可以通过配置衬底14使得衬底14具有与SAW的波长可比较(例如，近似相等)的厚度来实现。换句话说，设备10可以被配置成满足关系SAW波长可以至少部分地基于电声换能器12的配置例如IDT电极的间距来确定。可以选择大量的IDT指条(例如，等于或大于大约40至60个指条)的质量负荷和大约10MHz至20MHz之间效的或可替选的配置。[0061]此外，通过将衬底14的厚度配置成与声波能量的波长可比较，在设备10的另一实施方式中，声波能量可以表现为通过在第一表面18与第二表面20之间通过衬底14的内反射来沿着第一表面18和第二表面20传播的SRBW。再次但是可以认为，SRBW也可以相对于衬底14的第一表面18和第二表面20中的每个表面上的电声换能器12沿正反两个方向传播。可以认为，在第一表面18和/或第二表面20上沿相反方向行进的SRBW可以至少部分地担负吸出、抽出和稀薄来自容器26和/或芯28的液体物质。然后，可以使用SAW和SRBW的组合不仅将液体物质从液体供给16吸出至衬底14上作为薄液膜，而且可以使薄液膜雾化。例如，在图1示出的实施方式中，可以使用沿着衬底14的第一表面18和第二表面20二者行进的SAW和SRBW的组合不仅将液体物质从源16吸出至衬底14的第一表面18上作为薄液膜，而且可以在衬底14的第一表面18上使薄液膜雾化或成雾状。[0062]在设备10的又一实施方式中，电声换能器12和衬底14可以被配置成生成可以表现为电声换能器12中或上的驻声波的声波能量。可以使用SAW将液体物质从源16沿着衬底14吸出并且吸出至电声换能器12上作为薄液膜。然后，可以使用驻声波以使薄液膜在电声换能器12上直接雾化。例如，在图2示出的实施方式中，可以使用沿着衬底14的第一表面18行进的SAW将液体物质从源16沿着第一表面18吸出并且吸出至电声换能器12上作为薄液膜。然后，可以使用电声换能器12中或上的驻声波以使薄液膜直接雾化或成雾状。由于IDT12上的声波能量是最强的，因此就微流体操纵来说此处的效率是最高的。换句话说，通过将液膜从容器26吸出、流出和稀薄至IDT12在IDT12上直接雾化可以导致非常高且有效的雾化率，例如等于或大于1ml/min。图15示出了在设备10的该实施方式的IDT12上直接地生成的强气雾喷射或液体流。[0063]参照图3和图4,在设备10的一个实施方式中，电源、衬底14和源16可以集成在USB7保持器30上。例如，用于上面所述的衬底14的一个支承端的弹性支承件和耦接器可以集成在USB保持器30的体中。此外，用于电声换能器12的电源可以集成在USB保持器30中或经由[0064]此外，液体物质的源16可以集成在USB保持器30上。例如，源16还可以包括被布置在USB保持器30下方以将容器26流体地连接至芯28的源体31。容器26可以布置在USB保持器30的后部处，并且芯28可以在源体31上布置成与衬底14的自由端边缘24相邻。芯28可以在第一表面18与第二表面20之间流体地接触衬底14的下侧边缘22。[0065]如上所述，电声换能器12和衬底14可以被共同地配置成使得设备10生成SAW和SRBW的组合，可以共同地使用SAW和SRBW的组合以将液体物质从源16移动或吸出至衬底14的第一表面18和第二表面20中的每个表面上作为薄液膜，并且使第一表面18和第二表面20中的每个表面上的薄液膜雾化或成雾状以生成液体的气雾滴的两个相反的向外定向的喷射、流或雾。图5和图6示出了通过设备10的该实施方式生成的一对气雾喷射。[0066]可以使用上面所述的设备10的实施方式以大于100μl/min例如等于或大于1ml/min的雾化率使液体物质雾化或成雾状。液体物质可以包括选自于药物、可溶物质、聚合物、合的功能剂或治疗剂。其它等效的或可替选的功能剂或治疗剂例如生物物质、药用物质、芳等可以被混合、溶解、分散或悬浮在液体中。设备10还可以用来使可溶物质雾化或成雾状以的颗粒或粉末内的用于治疗目的的药物分子进行包衣或封装。设备10还可以用于其它等效化(micronisation)应用。例如，设备10可以被配置成对物质执行声波微流体操作，声波微使用设备10来执行。[0067]设备10可以用电池电力以紧凑的尺寸以低的成本以低的形状因数来实现使得该设备适合于并入多种其它设备、系统和装置中。例如，设备10可以并入用于肺部药物递送的吸入器或喷雾器中或者被配置成吸入器或喷雾器。设备10还可以并入电子烟中以使包含尼古丁和/或香味的液体雾化。设备10还可以被配置成气味生成器并且被并入游戏控制器中。可替选地，设备10可以并入用于眼部药物递送的眼睛佩戴物36例如护目镜或眼镜中，如图14所示。用于设备10的电源38可以设置在眼睛佩戴物36的臂中。眼睛佩戴物36可以用于包括药品的气雾、颗粒和粉末以及封装药品的聚合物颗粒的递送，用于治疗眼部情况。还可以使用设备10的其它等效的或可替选的应用。[0068]上面描述的设备10还可以用来通过从液体中分离盐、晶体、颗粒、杂质或它们的组合来对液体进行净化或脱盐。例如，通过设备10对盐溶液的雾化可以导致包括相同溶液的气雾滴的生成，气雾滴的蒸发导致析出的盐晶体的形成。由于它们的质量，盐晶体沉淀物可以惯性地与水蒸汽分离，该水蒸气在凝结后导致净化水的回收。然后，将设备10扩展(或增加数目)为包括并行的许多设备10的平台可以导致用于大规模脱盐的节能方法。可替选地，可以使用单个或数个设备10的小型化平台作为电池操作的便携式水净化系统，该系统在第8三世界设定中是潜在有用的。[0069]在其它实施方式中，设备10可以用来将材料从3D体形式剥离为2D剥离形式。材料或可替选的材料。材料的3D体聚集形式可以包括处于液体的材料或嵌入(intercalating)材料。材料的2D剥离形式可以包括片材、QD、薄片、层、膜或它们的组合或多体(pluralities)或结构。材料的2D剥离形式可以具有例如1nm与2000nm之间的横向尺寸。[0070]在这些实施方式中，可以使用HYDRA设备10来提供独特的高通量的快速剥离方法以在水中使用由HYDRA设备10产生的高频声波或在存在预剥离步骤时使用嵌入材料产生例如但是不限于TMO、TMD的大的片材和QD以及其它许多2D材料。如图16所示，使用HYDRA设备10对体溶液的雾化可以导致产生单层或数层的薄片的3D体材料内的夹层键的剪切。在示出的实施方式中，3D体材料溶液33可以经由导管26借助于纸芯28沿着HYDRA设备10的衬底14的中线来馈送。在雾化期间产生的高频声波可以导致3D体材料33在飞行中的剪切以形成2D设备10可以提供通过以下方式产生大面积覆盖的能力：在产生适于但不限于场效应晶体管(FET)、存储设备、光电探测器、太阳能电池、用于析氢反应(HER)的电催化剂和锂离子电池的应用目的可调谐膜图案和厚度的衬底上将2D材料连续地雾化。[0071]在过去的几年中，对2D材料的研究已经成为纳米科学的最蓬勃的领域之一。虽然该领域最初由对石墨烯的研究所主导，但是后来该领域被拓展为包含广泛的2D材料，2D材它材料。这些材料是非常多样化的并且已经被用在从能源到电子学到催化领域的广泛的应[0072]为了从它们的3D体材料制备大量的2D纳米片，先前提出的纳米片生产方法包括机该方法普遍地用于本质的片材生产和基础研究。然而，由于该方法在控制片材尺寸和层数上的低产量和缺点，因此该方法不适于大规模的实际应用。[0073]在LPE方法中，通常在适当的溶剂或表面活性剂的溶液中通过声波降解法或剪切混合将通常呈粉末形式的层状晶体剥离。在离心除去任何未剥离的粉末之后，该方法给出包括大量高品质纳米片的分散体。化学剥离与机械剥离相比可以极大地增加产量，然而，在该过程期间的声波降解法将引起2D晶格结构的缺陷并且将薄片尺寸减小至几千纳米，从而限制了2D纳米片在大规模集成电路和电子设备的领域中的应用。[0074]最近，具有大面积均匀性的2DTMD的可控制备已经存在大的挑战。化学气相沉积(CVD)方法由于其能够在晶片级合成2DTMD已经吸引了广泛的关注，该方法显示出对于像大规模集成电子设备的实际应用的巨大潜力。该方法不仅可以制备具有某种厚度的连续的单层膜，而且重点在于将极大地避免在逐层传递过程期间引入的界面污染的直接生长层状发明的设备10的实施方式向常规的CVD、LPE和机械剥离方法提供了有用的可替选方法。[0075]现在将关于下述示例仅以例示的方式来更详细地描述本发明。该示例意在用于例示本发明，而不应解释为限制贯穿本说明书的描述的公开内容的一般性。9[0077]参照图7(a)至图7(c),可以通过使用标准的光刻技术在128YXLN衬底14(RoditiLtd,英国伦敦)上图案化mm孔径40对指状10nmCr/250nmAlIDT12来制造声波微流体设从确认衬底14的两侧都存在SAW的图7(a)和图7(b)的LDV扫描图像(LDV;UHF-120;Polytec一般的体声波或与通过衬底14的厚度的广泛的其它假体波模式共同地结合仅作为一般的体声波一或许是自1950年代以来长期存在的观点的结果：这样的波是非期望的并且应抑[0081]纯SRBW的存在可以从LDV扫描以及图8(b)的上行所示的反向滴平移行为得到证[0083]图11(c)示出了被配置成在衬底14的两个面上利用SAW和SRBW的组合以获得有效的微流体操纵即通过要求λsAw~1的设备10。与图9(a)至图9(c)和10(a)至图10(c)分别示出的由纯SRBW或纯SAW驱动的微流体操纵或雾化相比，图11(a)和图11(b)示出了在微流体操纵或雾化性能方面存在显著地增强(例如，雾化率的数量级的增大)当两种现象被组合时，这在下文中可以被称为HYbriD谐振声学(HYDRA)。另一方面，如由激光衍射(Spraytec,MalvernInstruments,英国Malvern)所确定的，生成的气雾的尺寸分布指示平均气体动力于它们不能跟随吸入的气流轨迹在呼吸系统的高度