CN1440358A - 输送用于沉积的带电粉末的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种再循环颗粒进给设备(10)，包括：一环形导管(11)，其适合于悬浮颗粒的气体的循环；一沉积站(17)，其包括设在导管上的开口，在该开口中安装一静电吸盘，该吸盘(9)具有沉积表面，和用于使气体和颗粒通过导管(11)保持循环的一推进装置(12)，其中该装置(12)适合于以一速率保持循环，该速率使有效量的颗粒在沉积站(17)处的电引力影响范围内沉积。

Description

输送用于沉积的带电粉末的装置

本申请要求的申请日是2000年07月11日美国临时申请60/217260的权益。

本发明涉及对粉末颗粒进行输送或使之带静电的装置，特别是用于电引力沉积装置中的装置。

本发明人或与发明人一起工作的同事，已经描述了几种技术或装置，它们可有效地用于把测定量的颗粒应用于一基底上。例如，这样的沉积可以把可控量的药物沉积到基底的预定立体区域上。这些技术代表性地把带电颗粒或微粒沉积到安装在一装置上的基底上，该装置被称为静电吸盘，其提供吸引颗粒或微粒的电场。典型地，颗粒或微粒是带电的，通过颗粒或微粒的极化产生引力。该静电吸盘具有极化的电极板，以产生引力。具有不同电位的临近电极被用来塑造引力场，或导引颗粒或微粒离开所不希望的区域。这种静电吸盘的剖面图表示在图7中。一旦被吸引到预定区域，微粒或颗粒就在导体附近产生一象力，该象力对用于保持微粒或颗粒的力有很大贡献。其它保持力包括电荷和电荷再分布引起的力，敛聚力和范德瓦尔斯力。

作为改进电引力沉积的手段，或为在适当场合下使用提供进一步的选择，希望进一步改进向基底输送颗粒、和使颗粒带电的方法和装置。为此目的，本发明在这里提供新的方法和装置。

发明概述

本发明提供一种再循环颗粒进给设备，包括：一导管(优选地是环形)，其尺寸适合于带悬浮颗粒气体的循环；一沉积站，包括一通向导管的开口，该开口中安装一静电吸盘，该吸盘具有通向导管内部的沉积表面；和一推进装置，用于保持流体和颗粒通过导管循环，其中，该推进装置用于以一定的速率保持流体和颗粒循环，以在沉积站在电引力作用范围内沉积有效量的颗粒。

另外，本发明提供一种往复颗粒进给设备，其包括：一沉积腔；一沉积站，其包括开在沉积腔上的开口，在该开口中安装一静电吸盘，该静电吸盘具有通向导管内部的沉积表面，沉积腔的尺寸适于在沉积站在电引力作用范围内沉积有效量的悬浮在其中的颗粒；和至少一个活塞装置，其包括有活塞和连接到沉积腔的膨胀腔，该活塞装置用于在沉积腔中保持颗粒的悬浮。

再者，本发明提供一种进给颗粒的设备，包括：一具有中心线的圆柱形沉积腔；和一沉积站，其包括开到沉积腔上的开口，开口中安装有一静电吸盘，该吸盘具有通向导管内部的沉积表面，该沉积腔的尺寸适于在沉积站在电引力作用范围内沉积悬浮在其中的有效量的颗粒；其中该中心线与开口对中并垂直。

附图概述

图1A和1B表示两个示例性的再循环颗粒进给设备，图1C和1D表示图1A中的设备的不同视图。

图2A和2B表示示例性往复颗粒进给设备的不同视图。

图3A和3C表示其它的往复颗粒进给设备。

图4表示圆筒形颗粒进给设备。

图5表示示例性的颗粒带电装置。

图6A和6B表示另外的往复颗粒进给设备。

图7表示示例性的静电吸盘。

图8A和8B分别表示具有多个沉积开口的沉积腔的立体图和剖视图。

图9A和9B表示再循环颗粒进给设备结合有多个沉积开口。

发明的详细描述

图1A表示一个示例性的再循环颗粒进给设备10，其具有导管11，推进马达12和推进叶片13(设置的风扇当然能够用其它推进装置代替，如涡轮或合适的阀活塞装置)。颗粒通过一装载装置进入导管11，该装载装置包括流化床14，螺旋给料器及其马达装置15，和气闸16。该气闸包括，例如，以类似于旋转门方式工作的旋转风扇。被推进的颗粒通过导管进入沉积腔17，其上设有沉积开口18。带电板19连接到一电位源，通过感应带电使颗粒带电。转向叶片22的运转将颗粒导向沉积开口18。沉积开口18能够通过操作可移动一个门的螺线管/致动器23(见图1D)关闭。图1C表示沉积开口18的俯视图，为表示前后关系，其带有静电吸盘的沉积电极51(注意，静电吸盘的基本作用是把带电颗粒吸引到吸盘或吸盘上层叠的基底。吸盘不必以电方式提供基底的粘着)。

图1B表示另一个示例性再循环颗粒进给设备30，其具有导管31，推进马达32和推进叶片33。颗粒通过装载装置进入导管31，该装载装置包括料斗34，螺旋送料装置35，和气闸36。被推进的颗粒经过导管进入沉积腔37，沉积腔设有沉积开口38。充电板39或充电板41被连接到电位源，通过感应带电使颗粒带电。

应该认识到，图1示例的颗粒带电元件可由其它装置代替。例如，导管可进一步包括一喷射研磨机(jet mill)，使颗粒流经过研磨的气旋部分。向研磨机施加电势，经过研磨机的颗粒流在研磨机和颗粒之间产生电荷转换效应接触。颗粒通过位于气旋中心的出口(例如，出口垂直于气旋内的环形气流)流出研磨机。

流体和颗粒的流动是通过注入的气体保持的，流体通道(如导管11)必须连接一气体出口。正如本领域所公知的，该出口用于气体的排出和大量颗粒返回再循环颗粒进给设备。这样返回的颗粒可经过过滤，静电沉淀，输送气体的再压缩，等等。为安全起见，颗粒应从排出气体除去，例如通过静电沉淀，使用气旋分离器，或过滤。保持流体和颗粒随注入的气体流动的方法之一是使用文氏管，流路中的气体和悬浮颗粒被吸入其中同时外部气体被注入其中。颗粒随外部气体的喷射而进入导管。

当再循环颗粒的进给是在没有气体喷射的情况下进行时，这样的方法使颗粒直接再循环，简化了避免用于去除颗粒的除去技术。与松散颗粒流经过洗涤***的情况相比，有气体注入的再循环颗粒进给提供了基本的再循环优点。

通过导管的气体流速应加以选择，以使颗粒充分地悬浮，以便可以在沉积站沉积，并适宜于减少颗粒在导管内的驻存。该流速随颗粒的大小和密度而变化。

响应于流经导管的颗粒流动量或沉积过程中消耗的颗粒量的反馈数据，颗粒被送进导管。可在一个，两个或多个位置获得传感数据，例如在沉积开口前和后。示例性的传感器是光学传感器。进入导管内的光学窗口或多个光学窗口(或使用镜子使光返回光学窗口的镜子)可设置在高紊流区域，如文氏管的出口或与紊流产生元件(见下面)结合的区域。紊流有助于窗口或镜子不附着颗粒。类似地，通过在测点压缩来增加气体流速，有助于保持窗口或镜子的足够清洁。

使颗粒悬浮于其中的气体可以是空气或净化气体，如氮或氩。控制湿度有助于达到或保持所希望的电荷和颗粒大小的分布。

图2，特别是图2A，说明往复颗粒进给设备70，其具有第一活塞71，第一活塞杆73，第一活塞致动器75，连接到沉积腔79的的第一膨胀腔77，第二活塞杆74，第二活塞致动器76，和同样连接到沉积腔79的第二膨胀腔78。在膨胀腔和沉积腔之间流动的颗粒通过带电板82充电。与沉积腔79相连的是沉积开口81。颗粒通过一装载装置被送入颗粒进给装置70，该转载装置包括料斗83，螺旋给料装置84，和气闸85。应该认识到，其它粉末输送装置可被替代，包括把已带电颗粒送入往复颗粒进给设备70的装置。

图3A到3C示例性地表示另一往复颗粒进给设备110，120和130。共有的特征包括沉积开口113，123和133，颗粒进给装置112，122和132，和活塞111，121和131。往复颗粒进给设备110使用具有保持夹115的碟形排气膜板114。往复颗粒进给设备120使用旋转膜板124。往复颗粒进给设备130使用弹簧膜板134。

图4表示一颗粒进给设备150，其具有带输出喷嘴152的颗粒装载装置151，沉积腔156具有圆柱壁153，环形沉积开口154，和颗粒回路155。A-B中心线是圆柱和沉积开口的中心线。所示示例性尺寸的单位是英寸。该颗粒进给装置在颗粒流动特性方面提供更大的均匀性，并允许层流设计。气体和颗粒的流动可以是层流或紊流，或具有组合特性。在沉积腔内可包括内部挡板或导流器，以便把粉末流导向沉积开口，在该开口处设置有沉积基底或静电吸盘。

另两个往复颗粒进给设备在图6A和图6B中示出。往复颗粒进给设备180由第一活塞181A和第二活塞181B驱动，其根据互补的容积平衡冲程模式工作。颗粒进给装置182将颗粒喷入该设备中，其中活塞冲程驱动颗粒经过带电板185(如果存在的话)并流向沉积开口183。往复颗粒进给设备190由第一活塞190A和第二活塞190B驱动，根据互补的容积平衡冲程模式工作。活塞分别压靠第一膜板197A和第二膜板197B运动。活塞由电机198驱动，并往复操作第一传动装置199A和第二传动装置199B。颗粒进给装置192向设备注入颗粒，其中活塞冲程驱动颗粒经过带电板195(如果存在的话)并流向沉积开口193。输送叶片向沉积开口193引导颗粒。

图5表示用于颗粒摩擦带电(通过与导管表面发生碰撞)或感应带电(通过颗粒从导管表面收集电荷)的颗粒带电导管部分170。紊流产生元件171(即蝴蝶结状或静态混合元件)***颗粒带电导管中。该紊流产生元件171产生涡流，该涡流使较多的颗粒接触带电表面或到达带电表面附近。带电表面可包括紊流产生元件171的表面。通过本发明的这方面可获得一个优点是，颗粒的q/m比率具有较好的均匀性和具有较高的电荷水平。除摩擦带电和感应带电以外，也可使用其它的带电方法，包括电晕带电，热离子或场发射带电。“电晕带电”为本领域所熟知，例如可参见J.A.Cross著的Electrostatics：Principles，Problems and Applications，IOP出版有限公司，46-49页。例如也可参见Branch等人的美国专利6246852，其中描述了电晕带电颗粒的格栅电极。

合适的摩擦带电材料包括聚乙烯，聚碳酸酯，不锈钢，以及摩擦带电系列中的其它材料，通常其边界材料是聚四氟乙烯和尼龙。对于通常的摩擦带电系列表，见Adam Hilger and Bristol在1987年出版的J.A.Cross的“Electrostatics principles，Problems and Applications”第30页。这种材料可根据其带电效率、带电成具有所希望的极性和要带电的特殊颗粒加以选择。在某些情况下，对导电颗粒，使用本发明的过量感应接触会减少颗粒的最终电荷(通常但并不总是不希望的)。电荷的减少导致电荷从导电颗粒泄出。对感应带电，带电表面通常是连接到电位源的导体。

静态混合器可由***导管的任何紊流发生器代替，例如金属丝网。***位置是导管的连接点，例如由机械安装装置连接的连接点，例如由众多供应公司提供的Swaglok牌导管安装装置。

图7示出共面吸盘9的横截面，其中沉积电极4通过电介质5(最好是空气)与屏蔽电极3隔开，这些特征位于基材2中。沉积电极4最好由300号不锈钢制成。沉积电极4包含一连接电路板1的销孔6。基材2由电介质制成，如Noryl(商标)聚合物(GE塑料，Pittsfield，MA)。Noryl工程塑料是改进的聚苯醚或聚苯醚和聚亚苯基树脂。这些树脂的改进包括与第二种树脂(如聚苯乙烯或聚苯乙烯/丁二烯)混合。通过改变混合比率和其它添加剂，可制造不同级别的产品。如果不加以改进，这些聚合物的特点是主分子链是常规的紧密间隔环结构(苯基群)。这些特点和分子内部强引力导致聚合物过硬和缺乏流动性。屏蔽电极3由导电材料制成(如300系列不锈钢)，该导电材料例如使用粘合剂或双面橡胶基粘接带与基材2粘结。作为电介质5优选实施例的环形间隙可通过在构成屏蔽电极3的导体层上钻一系列孔形成。沉积电极4，例如可压合到或粘结到基材上。该组件最好经过研磨以产生平的共面表面，例如公差在0.0002英寸范围内。电介质5是大气(静电吸盘在大气中工作)，电极包括大气的电介质分隔部分最好已经足够，以在使用中使与电介质15对准静电吸盘的上平面的在沉积之间完全放电。这样的电介质分隔量是“基本”的分隔量。

用结合电绝缘屏蔽电极描述的技术，能够对这样的静电吸盘加以简单的改进，所述屏蔽电极能够被分别连接到控制电子装置上，该控制电子装置提供上述的传感电路。尺寸A例如是0.01英寸；尺寸B例如是0.157英寸；尺寸C例如是0.236英寸；尺寸D即两单元(Pixel)间的间距，例如是0.3543英寸。例如，静电吸盘可在施加在沉积电极上的～700或～1400V电压下工作。

另一实施例提供更高的生产量。如图8A所示，沉积开口218(例如如图所示的沉积开口218A-218L)围绕环形的或椭圆形的或多面的(如所示的)的沉积腔217设置。沉积腔217最好为垂直指向(即沿重力矢量)。颗粒通过在箭头所示的其中一个方向的总体流动或通过喷嘴(未示出)被引入。合适的喷嘴包括用来在所有的沉积开口导引颗粒的喷嘴，或于用于在沉积开口的一部分导引粉末的各位置间旋转的喷嘴。正如所示，沉积开口可有数层，或只有一层。在沉积腔271是环形或椭圆形的情况下，静电吸盘用合适的配件安装在沉积开口处，或者，静电吸盘可适当倒圆，以与圆形开口或该开口的圆形配件匹配。图8B表示剖面图。尽管未示出，该沉积腔可安装顶壁(即图8A中向上箭头所指之处)，因而在其上可安装一个或多个沉积开口。

图9A和9B表示本发明的其它上述特征可用于该实施例。于是，沉积开口318A和318B位于再循环颗粒进给设备300中，具有粉末源314，一提供粉末流313的装置，一转向叶片322。转向叶片322可以是实心或空心元件，具有合适的形状以把粉末导向沉积开口，并通过拉杆，如拉杆324，定位于导管311中。图9B表示再循环颗粒进给设备400，其具有沉积开口418的另外位置，和可选择的其它特征，其标号与图9A中的相应，其中标号增加了100。也可使用其它粉末进给设备，如以上描述的或这里引用的专利或专利申请中的其它装置。

术语表

下列定义有助于理解本文频繁使用的术语。

“吸盘的沉积表面”是指设计用于在选定表面或安装在沉积表面上的相应基底表面上产生电引力沉积的表面。

“电引力沉积”指用电力把带电颗粒吸引或沉积到表面上的方法。

活塞装置的“膨胀腔”指这样的腔，其由于活塞的向外或向内冲程而膨胀或收缩，通常呈圆筒形。

“颗粒”对于本发明是指分子的集合体，通常颗粒的平均直径至少约3nm，例如平均直径至少约500nm或800nm，优选的是约100nm到约5mm，例如约100nm到约500μm。颗粒例如是微化粉末颗粒，或称为“微珠(bead)”的聚合结构。微珠可有覆层，具有被吸纳的分子，捕获的分子，或者以其它方式承载其它物质。

“沉积站处的电引力影响范围”是这样的范围，即在该范围内设置在沉积站，且可选择地与沉积站处的辅助电动聚焦屏或电极连接的静电吸盘影响颗粒流向选定的沉积地点(通常位于静电吸盘的基底上)。

这里描述的本发明可与申请人或申请人同事所描述的数个装置和方法结合使用。例如，Sun等人的“使用区域匹配电极的静电感应吸盘”申请，系列号是09/417736，申请日是1999年10月14日，和Sun等人的“处理和使流体粉末带电的装置”申请，系列号是09/417820，申请日是1999年10月14日，其可与本发明结合使用。可与本发明的不同方面结合使用的其它装置或方法，例如有，Sun提出的使用输送器吸盘的方法，声微珠(acoustic bead)分配器和其它粉末处理装置，“在基底上定位多个物体的吸盘和方法”，美国专利号5788814，授权日是1998年8月4日；Sun等人的“静电吸盘及其颗粒沉积设备”，美国专利5858099，授权日是1999年1月12日；Pletcher等人的“在基底预定区域上静电沉积药物粉末的设备”，美国专利号5714007，授权日是1998年2月3日(亦见美国专利6007630，授权日是1999年12月28日)；Sun等人的“用静电吸盘制造药物的方法”，美国专利号5846595，授权日是1998年12月8日；Sun等人的“声学分配器”，美国专利号5753302，授权日是1998年5月19日；Sun的“使用排斥场引导的微珠输送器吸盘”，美国专利号6098368，授权日是2000年8月1日；Sun的“有微珠大小选择器的微珠处理吸盘”，美国专利号5988432，授权日是1999年11月23日；Sun的“用于微珠处理吸盘的聚焦传音微珠充电器/分配器”，美国专利号6168666，授权日是2001年1月2日；Sun等人的“用于微珠处理吸盘的AC波形偏压”，美国专利号6149774，授权日是2000年11月21日；Sun等人的“夹持平面基底的设备”，系列号是09/095321，申请日是1998年6月10日；Poliniak等人的“干燥粉末沉积设备”，美国专利号6063194，授权日是2000年5月16日；和“药物产品及其制造方法”，系列号是09/095616，申请日是1998年6月10日。其它的粉末处理装置，包括锥形云室，在Omara等人的“包括流扩散器的物品”中有描述，系列号是09/438801，申请日是1999年11月12日。

所有出版物和参考文献，包括但不局限于本说明书指出的专利和专利申请，已在这里整体引用，就象每件出版物或参考文献被专门地和单独地通过引用将其全文包括进来一样。本申请声明优先权的任何专利申请在这里也被以上述出版物和参考文献的方式通过引用整体地包括进来。

本发明已通过优选实施例进行重点描述，优选实施例装置和方法的很多改变对本领域普通技术人员是显而易见的，除在这里特别描述外，本发明还可以其它实施。因此，本发明的所有改进包括在后面权利要求书所限定的构思和范围内。

Claims (10)

1、一种再循环颗粒进给设备，包括：

(a)一导管，其尺寸适合于带悬浮颗粒气体的循环；

(b)一沉积站，其包括至少一个设在导管上的开口，在该开口中安装一静电吸盘，该吸盘的沉积表面通向该导管的内部；和

(c)一推进装置，其用于保持流体和颗粒通过该导管循环，

其中，所述推进装置适合于以一速率保持流体和颗粒的循环，该速率使在沉积站处的电引力影响范围内有效量的颗粒被沉积。

2、根据权利要求1的再循环颗粒进给设备，还包括一个或多个叶片，其定位并配置成把颗粒导向沉积站。

3、根据权利要求1的再循环颗粒进给设备，其特征在于，推进装置包括一文氏管，导管中的气体和悬浮颗粒被吸入其中且外部气体被注入其中。

4、根据权利要求3的再循环颗粒进给设备，其特征在于，置换颗粒随外部气体的注入而进入导管。

5、根据权利要求1的再循环颗粒进给设备，还包括：

(d)一气闸，颗粒通过其进入导管。

6、根据权利要求1的再循环颗粒进给设备，其特征在于，沉积站包括两个或多个所述开口。

7、一种再循环颗粒进给设备，包括：

(1)一沉积腔；

(2)一沉积站，其包括设在沉积腔上的开口，在该开口中安装一静电吸盘，该吸盘的沉积表面通向导管的内部，该沉积腔的尺寸适合于将悬浮在其中的有效量颗粒在沉积站处的电引力影响范围内沉积；和

(3)至少一个活塞装置，其包括一活塞和连接到沉积腔的膨胀腔，该活塞装置用于保持颗粒在沉积腔中悬浮。

8、根据权利要求7的再循环颗粒进给设备，包括：

(4)两个或多个活塞装置，其中每个活塞装置被配置成使得其向内冲程通过其它活塞装置的多个活塞的往复冲程而偏移。

9、根据权利要求7的再循环颗粒进给设备，还包括：

(5)一个或多个膨胀装置，其被配置成当活塞装置的向内活塞冲程使连接到沉积腔的封闭体积压缩时使该封闭体积膨胀。

10、一种颗粒进给设备，包括：

(a)具有一中心线的一圆柱形沉积腔；和

(b)一沉积站，其包括设在沉积腔上的一个开口，在该开口中安装一静电吸盘，该吸盘的沉积表面通向导管的内部，沉积腔的尺寸适合于将悬浮在其中的有效量的颗粒在沉积站处的电引力影响范围内沉积；

其中，该中心线以该开口为中心并与之垂直。

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