李雙雙，劉洪英，皮喜田，2，任春輝

(1.重慶大學 生物工程學院，重慶400030;2.重慶大學 新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400030)

0 引 言

遙控釋藥膠囊(remote controlled capsule，RCC)［1，2］是近年來獲取胃腸道藥物吸收特征的重要新技術之一，基于遙控釋藥膠囊的胃腸道局部藥物吸收研究對新藥開發(fā)和藥物傳輸技術具有重要的指導意義。目前，應用于臨床的遙控釋藥膠囊無法完成主動完全釋藥，造成藥物吸收數據有偏差。因此，隨著微推進技術的迅猛發(fā)展［3，4］，本文提出將微推進器應用于遙控釋藥膠囊的設計思路，實現(xiàn)遙控釋藥膠囊主動完全釋藥。由于膠囊的體積有限，容納電源的空間非常小，故要求微推進器具有高效率的電熱轉換效率，一般要求功耗在100 mW 以內，而功耗的高低主要取決于點火電路的設計。目前所研制的點火電路，系統(tǒng)功耗高達166 mW［5，6］，主要原因是點火電路工作時有效中心區(qū)域的溫度分布不均勻，使得推進劑的燃燒不充分，熱量的散失較大，造成遙控釋藥膠囊釋藥不完全，功耗過大。

鑒此，本文提出了將應用于微氣體傳感器中的膜式結構［7，8］用于微點火電路，并通過 ANSYS 有限元仿真軟件對微點火電路的溫度分布進行模擬分析，為點火電路的結構設計提供理論指導。

1 微點火電路的結構設計

微點火電路的組成包括:電路層、點火電阻、導線及焊盤。設計時需重點考慮點火電阻器熱量的散失。減少點火電阻器熱量散失主要有兩方面:一是通過降低電路層的導熱性，二是通過減少點火電阻器與電路層的直接接觸?；谝陨峡紤]，本文選擇廣泛應用于微氣體傳感器中的膜式結構，點火電路的結構示意圖如圖1 所示。倒杯狀的結構設計，減少了點火電阻器與電路層的直接接觸，從而降低了熱量的散失。同時，電路層選用 SiO2－Si－SiO2相間的方式，因SiO2的導熱性差，點火電阻器與其接觸時熱量不易散失，能夠保證推進劑充分燃燒，提高了熱量的利用率，降低了功耗。點火電阻器選用金屬Cr，Cr 的耐熱性強，且儲量豐富，價格便宜。此外，為了進一步減少熱能損耗，發(fā)熱單元與電路的連接采用硅鋁鍵合絲連接。圖2 為微點火電路的正面俯視圖，中間部分為微點火電阻器，為點火電路提供熱量，使其達到一定的溫度能夠引爆推進劑，從而產生氣體推動膠囊釋藥，兩邊的2 個矩形為2 個管腳，用來同外圍電路連接。

圖2 微點火電阻器的正面俯視圖Fig 2 Top view of micro-ignition resistance

2 不同點火電阻器線寬和間距對點火電路的影響

點火電阻器是點火電路中最重要也是制造工藝最復雜的部分，點火電路能否正常工作主要取決于點火電阻器。不同的點火電阻器線寬和間距產生的溫度場分布不相同。點火電路溫度場分布的理想狀態(tài)是中間高溫部分均勻分布，有利于推進劑的充分燃燒，一般情況下，推進劑燃燒釋放氣體從而推動膠囊內部藥物釋放所需要的溫度為300 ～400 ℃;外圍部分保持低溫狀態(tài)，是系統(tǒng)達到低功耗的必要條件。因此，本文對點火電阻器的線寬、間距進行了不同的設定，具體參數如表1 所示。分別對其產生的溫度分布進行了模擬和分析，其中，點火電阻器的生熱率設為2.27 ×1011W/m3，空氣的對流換熱系數為10 W/(m2·℃)，空氣溫度為37 ℃。模擬和分析結果如圖3 所示。

表1 四種點火電阻器的設計參數Tab 1 Design parameters of four kinds of ignition resistors

圖3 不同點火電阻器線寬、間距下溫度場分布曲線圖Fig 3 Temperature field distribution curve of the different ignition resistors wire width and distance

圖3 為4 種不同點火電阻器從中點到邊緣的溫度分布曲線圖。當點火電阻器的線寬為40 μm、間距為20 μm 時，點火電路中心溫度最高，但中心有效區(qū)域的溫度分布不均勻性明顯;當點火電阻器的線寬為30 μm、間距為15 μm 時，點火電路中心溫度有所下降，同時中心有效區(qū)域的溫度分布的不均勻有所減小;當點火電阻器的線寬、間距分別減小到20，10 μm 時，點火電路中心溫度接近400 ℃，且中心有效區(qū)域的溫度分布比較均勻;但當點火電阻器的線寬、間距分別減小到10，5 μm 時，點火電路的中心溫度低于300℃，不利于推進劑的點燃。綜合以上分析，當點火電阻的線寬為20 μm、間距為10 μm 時，點火電路中心有效區(qū)域的溫度分布比較均勻，沒有較大的起伏，且點火電路的溫度高于300 ℃，滿足推進劑燃燒的條件，相對于其他3 種更有利于推進劑的充分燃燒，且功耗最低。

為進一步研究點火電阻器間距對點火電路的影響，在確定點火電阻器線寬為20 μm 的前提下，改變點火電阻器間距，分別為10，20，30 μm，以點火電阻器的中心為基點，右邊距離其80 μm 以內的溫度分布進行模擬，模擬和分析結果如圖4 所示。可看出3 種不同間距的點火電阻器最高溫度均達到300 ℃，但點火電阻器的間距為10 μm 時，在有效中心區(qū)域內溫度分布比較均勻，要明顯好于其他2 種間距的點火電阻器，更有利于推進劑的燃燒，并且當間距為10 μm時，點火電路所能達到的最高溫度也高于其他2 種。

3 ANSYS 仿真與溫度分布

本文采用ANSYS 12.1 進行仿真。根據設計的模型特點選擇三維實體單元SOLID 90 作為仿真計算單元;定義材料屬性與有限元模型的建立，其中，點火電阻器的線寬為20 μm，點火電阻器隙為10 μm;對模型進行網格劃分和施加載荷，設定空氣對流換熱系數為10 W(m2·℃)空氣溫度為37 ℃，點火電阻的生熱率為2.27 ×1011W/m3;通過求解得到點火電路的溫度云圖分布。圖5 為微點火電路0.05 s 時的溫度分布云圖。

圖4 點火電阻器間距和點火電路的關系Fig 4 Relation of distance between ignition resistors and ignition circuit

圖5 微點火電路溫度場分布Fig 5 Temperature field distribution in micro-ignition circuit

通過上圖可知，整個微點火電路的最高溫度為375 ℃，主要集中在點火電阻器處，底座部分的溫度最低，大約為37 ℃。由仿真結果可知，高溫主要集中在中間部分，從而可使產生的熱能集中用于對推進劑的加熱，有效提高了加熱效率;在橋面和橋底部分，溫差最大，減小了點火電阻器和底座之間熱量的傳遞，20 mW 的點火功率達到了低功耗的要求。

4 結 論

本文采用氣體傳感器中的膜式結構對遙控釋藥膠囊中的微點火電路進行了優(yōu)化設計，建立了微點火電路的模型，并通過多組對比實驗分析，確定了點火電阻器的線寬為20 μm，間距為 10 μm 時中心區(qū)域的溫度分布最為均勻，功耗最低。最終通過ANSYS 仿真分析，可知該結構在20 mW功率下，最高溫度可達375 ℃，滿足推進劑的燃燒條件，大大降低了微點火電路的功耗，為提高遙控釋藥膠囊的整體性能奠定了基礎。

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