CN108158040B - 一种均匀发热的mems电子烟芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子烟技术领域，具体公开了一种均匀发热的MEMS电子烟芯片，包括第一衬底(1‑1)，和第二衬底(1‑2)，所述第一衬底(1‑1)的正面与所述第二衬底(1‑2)的背面粘合在一起。本发明还公开了所述均匀发热的MEMS电子烟芯片的制备方法。本发明的均匀发热的MEMS电子烟芯片解决了现有技术中发热元件受热不均以及直接与烟液接触所致的感官不佳和吸入安全风险等问题。
Description
技术领域
本发明属于电子烟技术领域，特别涉及一种用于电子烟的均匀发热的MEMS电子烟芯片及其制造方法。
背景技术
电子烟发热元件作为电子烟的核心部件，对烟液进行加热，将其变为雾状气溶胶而被电子烟抽吸者吸入。现有电子烟加热元件主要有四种类型：第一种最常用的是金属发热丝，发热丝直接与电源正负极相连，通电后，通过热传递的方式对烟液加热，发热丝和导液材料与烟液直接接触，在高温下，发热丝中的金属成分和/或导液材料高温脱落的碎屑(或粉尘)可能会被烟液溶出，抽吸过程中被烟液雾化形成的气溶胶携带而被吸入，造成潜在的健康危害；同时，加热过程中由于发热丝本身受热不均、烟液与发热丝非均匀接触和烟液高温碳化沉积在发热丝上等原因会引起发热丝电阻的变化，进而引起发热丝温度的变化，使得逐口雾化气溶胶成分差异较大，从而影响感官的一致性和稳定性。第二种常见的发热元件是陶瓷发热体，通常利用两层陶瓷和一组发热导线组成杯状发热体，或者将发热丝嵌入多孔陶瓷导油件中，通电后陶瓷表面发热而雾化烟液，优点是陶瓷本身不带电，安全可靠，减少了金属成分的吸入，但是陶瓷的导热系数较低，发热件体积一般都比较大，发热速度慢，发热均匀性受发热导线形状、分布等的影响。第三种发热元件是膜状发热体，由发热膜，导电电极和导电焊点组成，采用喷涂、印刷、丝印等厚膜制造工艺，经过烘干、烧结后将厚膜电发热体与电热材料制成一体，优点是成本低、使用寿命长、稳定性好，但是使用温度较低，使用范围受到限制，发热的均匀性同样受发热电极形状、分布等的影响。第四种是基于微机电系统(MEMS)的发热器，如专利(ZL201380056565.5)报道了一种MEMS发热器，将导电材料印刷或蚀刻在支撑层上，优点是装置小型化和集成化，但如果发热器采用的导电层、支撑层和保护层材料热膨胀系数差异较大，各部件紧密结合产生的机械应力和热应力可能导致器件在瞬时高温下发生脱落或分离；特别是为了避免烟液直接与导电层接触，需要制作保护层来阻隔烟液和导电层，这就降低了热能的利用效率。上述发热元件的缺陷包括发热不均、发热温度发生变化、发热温度低、电热材料与烟液直接接触、器件使用可靠性差等，特别是烟液均在发热元件表面受热雾化，发热元件表面性质(如形状、导电材料图形、厚度、烟液浸润性、表面光滑度等)对烟液分布的均匀性和分布速率有重要影响，从而影响烟液雾化量、雾化速率、雾化温度和温度均匀性，给用户体验、抽吸感官和健康造成负面影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种区别于已有专利技术的MEMS(微机电系统)电子烟发热芯片及其制造方法，以解决现有技术中发热元件受热不均以及直接与烟液接触所致的感官不佳和吸入安全风险等问题。MEMS是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器、微机械光学器件以及微系统等。MEMS加工工艺是在传统微电子加工工艺(也称集成电路IC工艺)基础上发展起来的，后又发展了一些制作微机械的独特技术，这些独特技术和常规集成电路工艺相结合实现了MEMS，这些技术统称为微机械加工技术。
本发明第一方面提供了一种均匀发热的MEMS电子烟芯片，包括：
第一衬底(1-1)，呈片状，其正面有凹型的微腔体(2)；所述微腔体(2)的中心位置有贯穿所述第一衬底(1-1)的微通孔(3)；
第二衬底(1-2)，呈片状，其背面有垂直于其背面的微流道阵列(4)，正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构(5)，所述微流道阵列(4)与多孔结构(5)连通；所述第二衬底(1-2)正面边缘有金属引线焊盘(6)；
所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面粘合在一起。
优选地，所述微腔体的深度为1毫米至5毫米；所述微通孔(3)的直径为500微米至1毫米。
优选地，所述第二衬底(1-2)的正面有金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为200～500nm。
优选地，所述金属薄膜的材料为Ti/Pt/Au、TiW/Au、Al、Cr或Pt/Au中的一种或几种。
优选地，所述微流道阵列(4)的微流道的直径为10微米至500微米，所述微流道的深度为所述第二衬底(1-2)高度的1/2～3/4。
优选地，所述多孔结构(5)的孔径为100纳米至1000纳米。
优选地，所述第一衬底为玻璃或高阻单晶硅制成，所述高阻单晶硅的电阻率大于10Ω·cm。
优选地，所述第二衬底为低阻单晶硅制成，所述低阻单晶硅的电阻率小于0.01Ω·cm。
本发明第二方面公开了所述的均匀发热的MEMS电子烟芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一衬底(1-1)的制备：
(1)在玻璃片或电阻率大于10Ω·cm的高阻单晶硅片的正面光刻形成微腔体图形，然后采用腐蚀溶液腐蚀出微腔体；
(2)对步骤(1)的玻璃片或高阻单晶硅片背面进行光刻，然后采用腐蚀溶液腐蚀出贯穿所述的玻璃片或高阻单晶硅片的微通孔，所述微通孔的直径为1毫米至5毫米；即得到所述的第一衬底(1-1)；
第二衬底(1-2)的制备：
(a)在电阻率小于0.01Ω·cm的低电阻率的硅片的背面光刻形成微流道阵列图形；
(b)采用深反应离子刻蚀工艺对步骤(a)的低电阻率硅片的背面进行刻蚀，形成微流道阵列，所述微流道的深度为所述低电阻率硅片高度的1/2～3/4，所述微流道的直径为10微米至500微米；
(c)采用低压化学气相沉积工艺对步骤(b)所述的低电阻率硅片的正面沉积一层氮化硅；
(d)对步骤(c)所述的低电阻率硅片的正面进行光刻，采用反应离子刻蚀工艺去除中部裸露的氮化硅层；
(e)采用电化学腐蚀工艺对步骤(d)所得到的低电阻率硅片的正面腐蚀出孔径为100纳米至1000纳米的多孔结构，使多孔结构与背面的微流道阵列连通；
(f)采用反应离子刻蚀工艺去除步骤(e)所述的低电阻率硅片的正面的氮化硅，然后溅射金属薄膜，采用光刻和湿法腐蚀工艺制作金属焊盘；即得到所述第二衬底(1-2)；
均匀发热的MEMS电子烟芯片的制备:
(甲)将所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面紧密接触，通过健合工艺粘合在一起；
(乙)采用划片机将步骤(甲)得到的芯片进行划片，即得到所述的均匀发热的MEMS电子烟芯片。
优选地，步骤(1)或(2)所述的腐蚀液，其中玻璃片的腐蚀液为氢氟酸溶液，高阻单晶硅片的腐蚀液为氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液之一。
优选地，步骤(f)所溅射的金属薄膜材料为Ti/Pt/Au、TiW/Au、Al、Cr或Pt/Au中的一种或几种。
本发明的有益结果：
(1)与专利ZL201380056565.5相比，本发明未采用常规的在衬底或支撑层上制作导电层或电热膜、通过电极发热而产生热传递进而加热芯片的方式，而是直接采用低电阻率的单晶硅本体作为发热体，因此，芯片发热非常均匀。由于不用制作电极，也避免了因电极形状和制作工艺可能造成的温度分布不均、烟液分散效果差和长期稳定性不佳的问题。
(2)本发明的芯片无需专门制作金属导电层、电热膜或发热电极，烟液在发热芯片内部雾化，不同于常见的表面雾化。该雾化方式的优势包括：热量的利用效率更高；烟液不存在与金属导电层、电热膜或发热电极接触的情况，避免了烟液在加热雾化过程中，因上述部件与烟液直接接触造成的电阻变化以致温度变化所引起的感官品质变化，同时也避免了常见的电子烟局部温度过高和碳化糊芯等问题，大大降低了安全风险；烟液雾化不受芯片材料表面性质的影响，雾化均匀。
(3)本发明所用单晶硅材料具有极高的化学稳定性(因为表面会形成二氧化硅氧化层)，能耐烟液腐蚀；芯片各部分的热膨胀系数比较接近，在瞬时高温受热和低温冷却过程中不会发生因热膨胀系数不匹配而导致的发热电极脱落、氧化等问题。
(4)本发明采用微流道和多孔硅对烟液进行分散，极大提高了发热体与烟液之间的接触面积，提高了加热的均匀性，避免了现有雾化元件普遍存在的因发热不均导致的局部过热、过冷和干烧等现象，雾化效率有极大提高。
(5)本发明的单晶硅材料厚度较大(几百微米至几毫米)，在高温下，其表面会形成几十至几百纳米厚的二氧化硅层，对芯片形成有效保护，且对芯片电阻影响极小，因此，芯片的可靠性极大提高。
(6)与专利ZL201380056565.5相比，本发明的单晶硅多孔结构的功能不仅仅作为烟雾喷孔，而且还有对烟液分散加热的作用，通过将多孔结构直接制作在发热体上，集成度更高。
(7)本发明采用标准MEMS工艺技术实现发热芯片的加工，易于实现批量化制造，与现有的电子烟发热丝和丝网印刷发热陶瓷相比，一致性更好、体积更小。
附图说明
图1第一衬底和第二衬底粘合侧面剖视图
图2第一衬底侧面剖视图
图3第二衬底侧面剖视图
图4第二衬底正面俯视图
图5第二衬底背面俯视图
附图标记为：1：均匀发热的MEMS电子烟芯片；1-1：第一衬底；1-2：第二衬底；2：微腔体；3：微通孔；4：微流道阵列；5：多孔结构；6：金属引线焊盘。
具体实施方式
本发明的一种均匀发热的MEMS电子烟芯片，包括第一衬底(1-1)，呈圆片状，其正面有凹型的微腔体(2)，所述微腔体的深度为1毫米至5毫米；所述微腔体(2)的中心位置有贯穿所述第一衬底(1-1)的微通孔(3)，所述微通孔(3)的直径为500微米至1毫米；第二衬底(1-2)，呈圆片状，其背面有垂直于其背面的微流道阵列(4)，正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构(5)，所述微流道阵列(4)与多孔结构(5)连通；所述第二衬底(1-2)正面边缘制作有金属引线焊盘(6)。所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面粘合在一起。
均匀发热的MEMS电子烟芯片制备方法为：
第一衬底(1-1)的制备：
(1)在电阻率为20Ω·cm的高阻单晶硅圆片的正面光刻形成微腔体图形，然后采用氢氧化钾溶液腐蚀溶液腐蚀出微腔体；(2)对步骤(1)的高阻单晶硅圆片背面光刻，然后采用氢氧化钾溶液腐蚀溶液腐蚀出贯穿所述高阻单晶硅圆片的微通孔，所述微通孔的直径为1毫米，即为所述的第一衬底(1-1)；
第二衬底(1-2)的制备：
(a)在电阻率为0.02Ω·cm的低电阻率硅圆片第一背面光刻形成微流道阵列图形；(b)采用深反应离子刻蚀工艺对步骤(a)的低电阻率硅圆片进行刻蚀，形成微流道阵列，所述微流道的深度为所述低电阻率硅圆片高度的1/2，所述微流道的直径为100微米；(c)采用低压化学气相沉积工艺对步骤(b)所述的低电阻率硅圆片的正面沉积一层氮化硅；(d)对步骤(c)所述的低电阻率硅圆片的正面进行光刻，采用反应离子刻蚀工艺去除中部裸露的氮化硅层；(e)采用电化学腐蚀工艺对步骤(d)所得到的低电阻率硅圆片的正面腐蚀出孔径为500纳米，使多孔结构与背面微流道阵列连通；(f)采用反应离子刻蚀工艺去除步骤(e)所述的低电阻率硅圆片的正面的氮化硅，然后溅射材料为Ti/Pt/Au的金属薄膜，采用光刻和湿法腐蚀工艺制作金属焊盘，即为所述第二衬底(1-2)；
本发明的均匀发热的MEMS电子烟芯片的制备:
(甲)将所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面紧密接触，通过健合工艺粘合在一起；(乙)采用划片机将步骤(甲)得到的芯片进行划片，即得到所述的均匀发热的MEMS电子烟芯片。
本发明的均匀发热的MEMS电子烟芯片的使用方法为：
烟液从第一衬底背面的微通孔(烟液入口)导入微腔体中并快速分散进入第二衬底的微流道阵列及多孔中。第二衬底的接线焊盘上焊接上导线并与电子烟电源的正负极相连，对芯片进行加热，温度升高，发热芯片中的烟液蒸发雾化，形成的气溶胶经第二衬底多孔通道从衬底正面喷出而被抽吸者吸入。
Claims (4)
1.一种均匀发热的MEMS电子烟芯片，其特征在于，包括：
第一衬底(1-1)，呈片状，其正面有凹型的微腔体(2)；所述微腔体(2)的中心位置有贯穿所述第一衬底(1-1)的微通孔(3)；所述微腔体的深度为1毫米至5毫米；所述微通孔(3)的直径为500微米至1毫米；所述第一衬底为高阻单晶硅制成，所述高阻单晶硅的电阻率大于10Ω·cm；
第二衬底(1-2)，呈片状，其背面有垂直于其背面的微流道阵列(4)，正面中心区域设有垂直于其正面的多孔结构(5)，所述微流道阵列(4)与多孔结构(5)连通；所述第二衬底(1-2)正面边缘有金属引线焊盘(6)；所述第二衬底(1-2)的正面有金属薄膜，所述金属薄膜的厚度为200～500nm；所述金属薄膜的材料为Ti/Pt/Au、TiW/Au、Al、Cr或Pt/Au中的一种或几种；所述微流道阵列(4)的微流道的直径为10微米至500微米，所述微流道的深度为所述第二衬底(1-2)高度的1/2～3/4；所述多孔结构(5)的孔径为100纳米至1000纳米；所述第二衬底为低阻单晶硅制成，所述低阻单晶硅的电阻率小于0.01成·cm；
所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面粘合在一起。
2.一种根据权利要求1所述的均匀发热的MEMS电子烟芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一衬底(1-1)的制备：
(1)在玻璃片或电阻率大于10率·cm的高阻单晶硅片的正面光刻形成微腔体图形，然后采用腐蚀溶液腐蚀出微腔体；
(2)对步骤(1)的玻璃片或高阻单晶硅片背面进行光刻，然后采用腐蚀溶液腐蚀出贯穿所述的玻璃片或高阻单晶硅片的微通孔，所述微通孔的直径为1毫米至5毫米；即得到所述的第一衬底(1-1)；
第二衬底(1-2)的制备：
(a)在电阻率小于0.01Ω·cm的低电阻率的硅片的背面光刻形成微流道阵列图形；
(b)采用深反应离子刻蚀工艺对步骤(a)的低电阻率硅片的背面进行刻蚀，形成微流道阵列，所述微流道的深度为所述低电阻率硅片高度的1/2～3/4，所述微流道的直径为10微米至500微米；
(c)采用低压化学气相沉积工艺对步骤(b)所述的低电阻率硅片的正面沉积一层氮化硅；
(d)对步骤(c)所述的低电阻率硅片的正面进行光刻，采用反应离子刻蚀工艺去除中部裸露的氮化硅层；
(e)采用电化学腐蚀工艺对步骤(d)所得到的低电阻率硅片的正面腐蚀出孔径为100纳米至1000纳米的多孔结构，使多孔结构与背面的微流道阵列连通；
(f)采用反应离子刻蚀工艺去除步骤(e)所述的低电阻率硅片的正面的氮化硅，然后溅射金属薄膜，采用光刻和湿法腐蚀工艺制作金属焊盘；即得到所述第二衬底(1-2)；
均匀发热的MEMS电子烟芯片的制备:
(甲)将所述第一衬底(1-1)的正面与所述第二衬底(1-2)的背面紧密接触，通过健合工艺粘合在一起；
(乙)采用划片机将步骤(甲)得到的芯片进行划片，即得到所述的均匀发热的MEMS电子烟芯片。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)或(2)所述的腐蚀液，其中玻璃片的腐蚀液为氢氟酸溶液，高阻单晶硅片的腐蚀液为氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液之一。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(f)所溅射的金属薄膜材料为Ti/Pt/Au、TiW/Au、Al、Cr或Pt/Au中的一种或几种。
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