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TW201416140A - 可撓式超音波致動裝置 - Google Patents

可撓式超音波致動裝置 Download PDF

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TW201416140A
TW201416140A TW101140281A TW101140281A TW201416140A TW 201416140 A TW201416140 A TW 201416140A TW 101140281 A TW101140281 A TW 101140281A TW 101140281 A TW101140281 A TW 101140281A TW 201416140 A TW201416140 A TW 201416140A
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TW
Taiwan
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electrode layer
layer
flexible ultrasonic
film structure
ultrasonic actuator
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TW101140281A
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English (en)
Inventor
Wen-Ching Ko
Che-Yuan Sun
Chang-Yi Chen
Original Assignee
Ind Tech Res Inst
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    • A61M37/00—Other apparatus for introducing media into the body; Percutany, i.e. introducing medicines into the body by diffusion through the skin
    • A61M37/0092—Other apparatus for introducing media into the body; Percutany, i.e. introducing medicines into the body by diffusion through the skin using ultrasonic, sonic or infrasonic vibrations, e.g. phonophoresis
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Abstract

一種可撓式超音波致動裝置。可撓式超音波致動裝置包括一固定元件、一壓電薄膜結構及一驅動單元。壓電薄膜結構之至少二端固定於固定元件。壓電薄膜結構包括至少二曲率。驅動單元用以驅動壓電薄膜結構震動，以產生一超音波。

Description

可撓式超音波致動裝置
本案是有關於一種超音波致動裝置，且特別是有關於一種可撓式超音波致動裝置。
超音波的研究和發展，與介質中超聲的產生和接收的研究密切相關。1883年首次製成超音發射器，此後又出現了各種形式的氣哨、汽笛和液哨等機械型超音發生器(又稱換能器)。由於這類換能器成本低，所以經過不斷改進，至今還仍廣泛地用於對流體介質的超音處理技術中。
20世紀初，電子學的發展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應製成各種機電換能器。1917年，法國物理學家朗之萬用天然壓電石英製成了夾心式超音換能器-藍杰文震盪子，並用來探查海底的潛艇。隨著軍事和民生工業中超音應用的不斷發展，又出現更大超音功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型換能器等多種超音換能器。
近年來，低頻(20kHz~100kHz)超音波被發現較早期高頻(0.7MHz以上)超音波有更高的經皮藥物傳遞效率(通透率permeability大1000倍)，近年來被哈佛、賓州州立大學和麻省理工等研發單位熱烈研究進行中。另外，根據美國FDA的說明，超音波對人體的危害被建議需控制在聲強720mW/cm2，因此有效的利用低頻超音波可以在低的聲強下引發空穴效應的特點，開發一種低功率，輕量化的 藥物導入系統，對於未來藥物導入醫療行為上，是一種創新的研發重點。
本案係有關於一種可撓式超音波致動裝置。
根據本案之第一方面，提出一種可撓式超音波致動裝置。可撓式超音波致動裝置包括一固定元件、一壓電薄膜結構及一驅動單元。壓電薄膜結構之至少二端固定於固定元件。壓電薄膜結構包括至少二曲率。驅動單元用以驅動壓電薄膜結構震動，以產生一超音波。
為了對本案之上述及其他方面更瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第一實施例
請參照第1圖，其繪示第一實施例之可撓式超音波致動裝置1000之示意圖。可撓式超音波致動裝置1000包括一固定元件1100、一壓電薄膜結構1200及一驅動單元1300。固定元件1100用以固定各種元件，例如是一承載板或一框架。壓電薄膜結構1200用以產生一超音波，例如是由一、兩層或兩層以上壓電層所組成。壓電薄膜結構1200之至少二端固定於固定元件1100，未被固定之部份則可震動而產生超音波。驅動單元1300用以提供一驅動訊號，例如是一交流電源。驅動單元1300用以驅動壓電 薄膜結構1200震動，以產生超音波。
本實施例之壓電薄膜結構1200具有至少二曲率。舉例來說，壓電薄膜結構1200具有一第一彎曲段1241、一第二彎曲段1242及一第三彎曲段1243。第二彎曲段1242設置於第一彎曲段1241及第三彎曲段1243之間。第一彎曲段1241、第二彎曲段1242及第三彎曲段1243之曲率可以完全相同，也可不完全相同。
就第一彎曲段1241、第二彎曲段1242及第三彎曲段1243之關係而言，本實施例之第一彎曲段1241對稱於第三彎曲段1243。第一彎曲段1241之曲率與第三彎曲段1243之曲率可以實質上相同。使得壓電薄膜結構1200可以平均且穩定地上下震動。
在本實施例中，第一彎曲段1241及第三彎曲段1243之曲率可以大於第二彎曲段1242之曲率。或者，第一彎曲段1241及第三彎曲段1243之曲率可以小於第二彎曲段1242之曲率。透過第一彎曲段1241、第二彎曲段1242及第三彎曲段1243之曲率的調整，可以控制壓電薄膜結構1200所能產生之超音波的頻率。本實施例透過適當地設計，使得壓電薄膜結構1200能夠產生20~200千赫兹(KHz)之低頻超音波。
此外，就第一彎曲段1241、第二彎曲段1242及第三彎曲段1243之彎曲方向而言，第一彎曲段1241與第三彎曲段1243之曲率中心1241a、1243a位於壓電薄膜結構1200之一側(例如是上側)，第二彎曲段1242之曲率中心1242a位於壓電薄膜結構1200之另一側(例如是下側)。
就壓電薄膜結構1200之細部結構而言，壓電薄膜結構1200之厚度t係為10~500微米(um)，壓電薄膜結構1200之高度h係為0.5~5公釐，壓電薄膜結構1200之寬度W係為2~10公釐。壓電薄膜結構1200包括一第一電極層1211、一第一壓電層1221、一第二電極層1212、一接著層1230、一第三電極層1213、一第二壓電層1222及一第四電極層1214。第一壓電層1221與第二壓電層1222之材質係為聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)或其複合材料。
第一壓電層1221設置於第一電極層1211及第二電極層1212之間。第一電極層1211及第二電極層1212用以驅動第一壓電層1221。當第一壓電層1221受到電場變化時，因電場作用時電偶極矩會被拉長，第一壓電層1221為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為逆壓電效應。
接著層1230用以接著第三電極層1213與第二電極層1212。第二壓電層1222設置於第三電極層1213及第四電極層1214之間。同樣地，第三電極層1213及第四電極層1214用以驅動第二壓電層1222。第二壓電層1222也會透過逆壓電效應產生機械形變。
第一電極層1211、第一壓電層1221、第二電極層1212、接著層1230、第三電極層1213、第二壓電層1222及第四電極層1214依序緊密堆疊。當壓電薄膜結構1200被驅動時，第一電極層1211、第一壓電層1221、第二電極層1212、接著層1230、第三電極層1213、第二壓電層 1222及第四電極層1214一起產生機械形變而彎曲。
在本實施例中，第一壓電層1221與第二壓電層1222之極化方向一致。驅動單元1300係為一交流電源。驅動單元1300具有一第一電極1310及一第二電極1320(第一電極1310及第二電極1320隨時間在正極、負極交互變化)。第一電極層1211及第三電極層1213電性連接至第一電極1310，第二電極層1212及第四電極層1214電性連接至第二電極1320。
透過上述連接關係，第一壓電層1221及第二壓電層1222在被驅動時，可以朝向同一方向位移，以順利使壓電薄膜結構1200產生超音波。
第二實施例
請參照第2圖，其繪示第二實施例之可撓式超音波致動裝置2000之示意圖。本實施例之可撓式超音波致動裝置2000與第一實施例之可撓式超音波致動裝置1000不同之處在於第一壓電層2221及第二壓電層2222之極化方向以及壓電薄膜結構2200與驅動單元2300之連接關係，其餘相同之處，不再重複敘述。
如第2圖所示，第一壓電層2221與第二壓電層2222之極化方向相反。第一電極層2211及第四電極層2214電性連接至第一電極2310，第二電極層2212及第三電極層2213電性連接至第二電極2320。透過上述連接關係，第一壓電層2221及第二壓電層2222在被驅動時，可以朝向同一方向位移，以順利使壓電薄膜結構1200產生超音波。
第三實施例
請參照第3圖，其繪示第三實施例之可撓式超音波致動裝置3000之示意圖。本實施例之可撓式超音波致動裝置3000與第一實施例之可撓式超音波致動裝置不同之處在於第一彎曲段3241、第二彎曲段3242及第三彎曲段3243之數量，其餘相同之處不再重複敘述。
如第3圖所示，壓電薄膜結構3200具有數個第一彎曲段3241、第二彎曲段3242、第三彎曲段3243之數量係為複數個。此些第一彎曲段3241、此些第二彎曲段3242及此些第三彎曲段3243係陣列式排列。
在本實施例中，所有的第一彎曲段3241之曲率可以相同，所有的第二彎曲段3242之曲率可以相同，所有的第三彎曲段3243之曲率可以相同。如此一來，壓電薄膜結構3200被驅動時，可以整面釋放出一致的超音波。
由於壓電薄膜結構3200係由連續性的第一彎曲段3241、第二彎曲段3242、第三彎曲段3243所組成，所以壓電薄膜結構3200可以隨意彎曲。因此可撓式超音波致動裝置3000可以貼附於人體皮膚，幫助藥物導入皮膚。
第四實施例
請參照第4圖，其繪示第四實施例之可撓式超音波致動裝置4000之示意圖。本實施例之可撓式超音波致動裝置4000與第一實施例之可撓式超音波致動裝置1000不同之處在於可撓式超音波致動裝置4000更包括一防水薄膜4400，其餘相同之處不再重複敘述。
防水薄膜4400可以包覆壓電薄膜結構4200，以避免漏電、受潮、污染等問題。如此一來，更可提高產品的可靠度。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1000、2000、3000、4000‧‧‧可撓式超音波致動裝置
1100‧‧‧固定元件
1200、2200、3200、4200‧‧‧壓電薄膜結構
1211、2211‧‧‧第一電極層
1212、2212‧‧‧第二電極層
1213、2213‧‧‧第三電極層
1214、2214‧‧‧第四電極層
1221、2221‧‧‧第一壓電層
1222、2222‧‧‧第二壓電層
1230‧‧‧接著層
1241、3241‧‧‧第一彎曲段
1241a、1242a、1243a‧‧‧曲率中心
1242、3242‧‧‧第二彎曲段
1243、3243‧‧‧第三彎曲段
1300、2300‧‧‧驅動單元
1310、2310‧‧‧第一電極
1320、2320‧‧‧第二電極
4400‧‧‧防水層
h‧‧‧高度
t‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
第1圖繪示第一實施例之可撓式超音波致動裝置之示意圖。
第2圖繪示第二實施例之可撓式超音波致動裝置之示意圖。
第3圖繪示第三實施例之可撓式超音波致動裝置之示意圖。
第4圖繪示第四實施例之可撓式超音波致動裝置之示意圖。
1000‧‧‧可撓式超音波致動裝置
1100‧‧‧固定元件
1200‧‧‧壓電薄膜結構
1211‧‧‧第一電極層
1212‧‧‧第二電極層
1213‧‧‧第三電極層
1214‧‧‧第四電極層
1221‧‧‧第一壓電層
1222‧‧‧第二壓電層
1230‧‧‧接著層
1241‧‧‧第一彎曲段
1241a、1242a、1243a‧‧‧曲率中心
1242‧‧‧第二彎曲段
1243‧‧‧第三彎曲段
1300‧‧‧驅動單元
1310‧‧‧第一電極
1320‧‧‧第二電極
h‧‧‧高度
t‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度

Claims (19)

  1. 一種可撓式超音波致動裝置，包括：一固定元件；一壓電薄膜結構，該壓電薄膜結構之至少二端固定於該固定元件，該壓電薄膜結構包括至少二曲率；以及一驅動單元，用以驅動該壓電薄膜結構震動，以產生一超音波。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該壓電薄膜結構包括：一第一電極層；一第一壓電層；一第二電極層，該第一壓電層設置於該第一電極層及該第二電極層之間；一接著層；一第三電極層，該接著層用以接著該第三電極層與該第二電極層；一第二壓電層；以及一第四電極層，該第二壓電層設置於該第三電極層及該第四電極層之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一壓電層與該第二壓電層之極化方向一致。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該驅動單元係為一交流電源，該驅動單元具有一第一電極及一第二電極，該第一電極層及該第四電極層 電性連接至該第一電極，該第二電極層及該第三電極層電性連接至該第二電極。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一壓電層與該第二壓電層之極化方向相反。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該驅動單元係為一交流電源，該驅動單元具有一第一電極及一第二電極，該第一電極層及該第三電極層電性連接至該第一電極，該第二電極層及該第四電極層電性連接至該第二電極。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一壓電層與該第二壓電層之材質係為聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)或其複合材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式超音波致動裝置，更包括：一防水薄膜，包覆該壓電薄膜結構。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該壓電薄膜結構具有至少一第一彎曲段、至少一第二彎曲段及至少一第三彎曲段，該第二彎曲段設置於該第一彎曲段及該第三彎曲段之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一彎曲段對稱於該第三彎曲段。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一彎曲段之曲率與該第三彎曲段之曲率 實質上相同。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一彎曲段之曲率大於該第二彎曲段之曲率。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一彎曲段之曲率小於該第二彎曲段之曲率。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該第一彎曲段與該第三彎曲段之曲率中心位於該壓電薄膜結構之一側，該第二彎曲段之曲率中心位於該壓電薄膜結構之另一側。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該至少一第一彎曲段之數量係為複數個、該至少一第二彎曲段之數量係為複數個，該至少一第三彎曲段之數量係為複數個。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該些第一彎曲段、該些第二彎曲段及該些第三彎曲段係陣列式排列。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該壓電薄膜結構之厚度係為10~500微米(um)。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該壓電薄膜結構之高度係為0.5~5公釐。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式超音波致動裝置，其中該壓電薄膜結構之寬度係為2~10公釐。
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