CN108511600A - 一种声致雾化芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种声致雾化芯片的制备方法，包括以下步骤：①在压电基底(1)片上镀覆一层金属薄膜(5)；②旋涂一层正性光刻胶(6)；③对准掩模板(7)并曝光处理；④除去正性光刻胶；⑤进行物理性刻蚀；⑥将叉指换能器(2)与压电基底(1)电连接，并在外侧增设信号接口(3)，即得到所述的声致雾化芯片。本发明的声致雾化芯片具有安全健康隐患小、感官品质一致性好、气溶胶产生连续稳定且其粒径小而均匀、可雾化高粘度烟油等优点。

Description

一种声致雾化芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及电子烟技术领域，具体地涉及一种声致雾化芯片的制备方法。

背景技术

近年来，随着全球控烟力度的不断加强以及消费者健康意识的逐步提高，电子烟作为一类非燃烧、低危害的卷烟替代品，变得越来越受追捧，国内外市场也呈现出越来越火爆的迹象。

雾化芯是电子烟的核心部件，作用是将烟液雾化成气溶胶并供用户抽吸，以达到生理和心理满足感，其性能的优劣直接影响到用户的抽吸体验和安全健康状况。现有电子烟的雾化芯，绝大多数以电热式金属发热丝或电热式陶瓷发热片为主，少部分采用超声波振动片。电热式金属发热丝由镍铬合金、不锈钢合金、镍200合金或钛合金绕制而成。发热丝通电即可加热，热响应速度快、热转换效率高，然而该类型雾化芯却普遍存在如下问题：电子烟连续抽吸时，发热丝持续升温可高达500℃以上，具有潜在安全风险的同时，烟液在高温情况下，会热解释放醛类等有害成分；发热丝与烟液直接接触，当雾化不充分时，烟液容易在发热丝上烧结粘附，发出焦糊味影响抽吸口感，或产生积碳引起发热丝阻值发生变化，进而使感官品质出现波动；发热丝被烟液长期浸泡后，重金属容易溶出，并转移至气溶胶。电热式陶瓷发热片通过在氧化铝、氧化锆或氮化硅陶瓷生坯上印刷金属电阻浆料发热电路，并经高温烘烧而得，其与金属发热丝相比，发热面积大、耐高温性能好，但由于陶瓷在发热电路热传导作用下间接发热，发热速度慢，且部分热能会损失，导致雾化功耗高，通常为5W以上。超声波振动片利用超声波高频振荡原理使烟液雾化，主要包括单层金属双层陶瓷片夹心式和单层金属单片陶瓷片两种，激励频率一般为2KHz～3MHz，其相比于电热式发热丝或陶瓷发热片，发热量小、无安全隐患，但受限于超声波以声源为中心呈球面向四周扩散、定向性差、能量不易集中的特点，使得振动片雾化速率慢、雾化效率低、不能连续稳定地产生粒径分布均匀的气溶胶且不适用于雾化高粘度烟液。因此，现有电子烟雾化芯技术还有待改进与发展。

声表面波是一种沿弹性介质表面上传播的机械波，能量主要集中在介质表面，且随深度呈指数衰减。声表面波于1885年由英国物理学家Rayleigh在研究中率先发现。早期的声表面波技术主要聚焦在通信领域中的滤波与信号处理应用。近几年，随着声表面波技术的迅速发展，其应用领域不断延伸，包括液滴驱动、微混合、微流体雾化、微粒收集、传感检测和生物细胞接种。在众多的应用中，声表面波微流体雾化凭借驱动功率小、激励频率高、能量定向集中等优点，为肺部给药、喷雾保湿、农药喷洒、工业喷涂等领域开辟了新的思路，也为电子烟雾化芯技术突破提供了新的契机。

发明内容

本发明的目的在于改善或解决现有电子烟雾化芯存在的技术缺陷，基于声表面波衍射雾化效应及其技术优势，制备一种安全健康隐患小、抽吸口感佳、感官品质一致性好、低耗高效、气溶胶产生连续稳定且其粒径小而均匀、可雾化高粘度烟液的声致雾化芯片，具体技术方案如下：

一种声致雾化芯片的制备方法，包括以下步骤：

①在压电基底1片表面镀覆一层金属薄膜5；所述压电基底1为片状，所述压电基底1为压电单晶片、压电陶瓷片、压电聚合物片或压电复合物片中的一种；所述金属薄膜5为金、银、铜或铝薄膜中的一种；

②在步骤①处理后的压电基底片上均匀旋涂一层正性光刻胶6，并将涂胶后的压电基底放置于80～90℃条件下烘焙3～5分钟；

③将预置有所述叉指换能器图样的掩膜板7覆盖在步骤②处理后的压电基底上，采用波长为200～450nm的紫外光的照射所述掩膜板7进行曝光处理；

④除去步骤③处理后受光照射部分的正性光刻胶，然后置于130～200℃条件下烘焙25～30分钟；

⑤对步骤④处理后的压电基底进行物理性刻蚀，然后清洗除去未被光照射部分的正性光刻胶61，即得到所述的所述叉指换能器2；所得到的叉指换能器2为双手手指交叉状的条，条与条之间有间隔；

⑥将步骤⑤的叉指换能器2与压电基底1电连接，并在所述压电基底1外侧增设信号接口3，即得到所述的声致雾化芯片。

优选地，所述压电基底1为Y切X 128.68°方向的铌酸锂，其厚度为250nm～600nm。

优选地，所述叉指换能器2相互交叉的条的对数为25～30对；所述条与条之间相互平行交叉重叠长度为0.5～3mm。

优选地，所述叉指换能器2中所述条的宽度为a，相邻两根条的之间的间隔为b，a和b满足如下公式：f＝v_s/2(a+b)，其中v_s为声表面波在压电基底表面上的传播速度，f为激励频率；f满足其中γ为烟油表面张力，ρ为烟油密度，d为所要求的烟油液滴雾化形成气溶胶的粒径。

优选地，步骤①之前还包括将压电基底1依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，并用氮气进行风干步骤，以确保压电基底的表面洁净。

本发明的有益效果是：

(1)与电热式金属发热丝相比，本发明制备的声致雾化芯片通过声能而非热能实现烟油雾化，发热量小，芯片热量累积不足以使烟油发生热解并产生醛类等有害成分，安全系数高、健康隐患小。另外，叉指换能器激发的声表面波沿压电基底表面传播衍射进入烟油并使其雾化，烟油不与金属条直接接触，属于非接触雾化，减少了烟油在金属条上烧结粘附的可能，确保具有较佳的抽吸口感和稳定的感官品质，且不存在重金属浸出的风险。

(2)与电热式陶瓷发热片相比，本发明制备的声致雾化芯片通过信号接口施以高频交流电信号后，叉指换能器即可产生高能量密度的声表面波，能量转换效率高，且驱动功率通常为0.5～3W，雾化功耗低。

(3)与超声波振动片相比，声表面波的能量定向集中特性，使得本发明制备的声致雾化芯片雾化效率高、能连续稳定地产生粒径分布均匀的气溶胶，且对于高粘度烟油雾化效果好；并且声表面波具有超高频(10MHz～500MHz)激励特性，使得芯片产生的气溶胶粒径更小，口感更加香醇细腻。

(4)本发明制备的声致雾化芯片体积小、重量轻、性能可靠。

(5)本发明的制备方法采用微机械加工工艺制备，制备工艺简单，成品率高、一致性好，适于大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明制备的声致雾化芯片的结构示意图；

图2(a)-2(e)为本发明的声致雾化芯片的制备方法流程图；

附图标记说明：1.压电基底，2.叉指换能器，3.信号接口，4.烟油液滴，5.金属薄膜，6.正性光刻胶，61.未被光照射部分的正性光刻胶，7.掩模板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例的制备的声致雾化芯片的结构示意图如图1所示，其包括：压电基底1，为片状；叉指换能器2，为双手手指交叉状的多对条，布置在所述压电基底1的表面；所述条与条之间有间隔；信号接口3，布置在所述压电基底1的外侧。所述叉指换能器设置于所述压电基底表面，用于产生声表面波以实现烟油雾化；所述信号接口设置于所述压电基底外侧，用于加载高频交流电信号；所述叉指换能器通过所述信号接口与外部高频信号源电连接。

优选地，所述叉指换能器2相互交叉的条的对数为25～30对，所述叉指换能器2的条与条之间相互平行交叉重叠的长度为0.5～3mm，所述叉指换能器2为金属构成的条，所述金属构成的条为金条、银条、铜条或铝条中的一种。

优选地，所述压电基底1为压电单晶片、压电陶瓷片、压电聚合物片或压电复合物片中的一种。所述压电单晶片可以是石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋或铌酸钾片等；所述压电陶瓷片可以是钛酸钡基、铌酸盐系、含铋层状结构片或含铋钙钛矿型的无铅陶瓷片等；所述压电聚合物片可以是聚偏氟乙烯或偏氟乙烯-氟氯乙烯共聚物片等；所述压电复合物片可以是1-3型复合材料片或金属-陶瓷复合材料片等。优选压电基底为Y切X128.68°方向的铌酸锂，其厚度为250nm～600nm。

优选地，所述叉指换能器2中所述条的宽度为a，相邻两根条之间的间隔为b，a和b满足如下公式：f＝v_s/2(a+b)，其中v_s为声表面波在压电基底表面上的传播速度，f为激励频率；f满足其中γ为烟油表面张力，ρ为烟油密度，d为所要求的烟油液滴雾化形成气溶胶的粒径。

优选地，所述压电基底1上有烟油液滴4，所述烟油液滴4与所述叉指换能器2不接触，所述烟油液滴4的位置满足所述叉指换能器2产生的声表面波的能量衍射进入烟油液滴4的角度为θ_R＝arcsin(v_l/v_s)，其中v_l为声表面波在烟油中的传播速度，v_s为声表面波在压电基底表面上的传播速度。

对本发明的声致雾化芯片的工作过程描述如下：将烟油液滴4分散于叉指换能器2一侧的压电基底1上，烟油液滴4与叉指换能器2不接触。然后，启动外部高频信号源，通过信号接口3加载高频交流电信号并传递给叉指换能器2。所述叉指换能器2利用压电基底1自身的逆压电效应，将电信号转变为声信号，形成沿压电基底1表面传播的声表面波。当声表面波与置于压电基底1上的烟油液滴4相接触时，声表面波携带的能量会以漏声表面波的形式以特定角度θ_R衍射进入烟油液滴4，并使其自由表面产生强烈扰动，θ_R＝arcsin(v_l/v_s)，其中v_l为声音在烟油中的传播速度，v_s为声表面波在压电基底表面上的传播速度。当烟油液滴4自身的表面张力不足以保持其几何形态的稳定时，即可生成气溶胶波以供用户享用。所述声致雾化芯片产生的气溶胶粒径d满足其中γ为烟油表面张力，ρ为烟油密度，f为激励频率，f＝v_s/2(a+b)，a为叉指换能器2中所述条的宽度，b为叉指换能器2相邻两根条之间的间隔，v_s为声表面波在压电基底表面上的传播速度。

根据烟油液滴产生的气溶胶粒径d要求，提前对叉指换能器2中所述条的宽度a和相邻两根条之间的间隔b进行设计，并选择合适频率的声表面波以及密度和表面张力适当的烟油就能获得所要求的气溶胶粒径。

以上是对本发明制备的声致雾化芯片的介绍，下面将结合附图2对声致雾化芯片的制备方法作出说明。

图2的(a)-(e)是本发明声致雾化芯片制备方法的工序流程图，具体包括如下步骤：

①采用热蒸发法或化学气相沉积法在压电基底1片表面镀覆一层金属薄膜5；所述压电基底1为片状，本实施例压电基底1选择Y切X 128.68°方向的铌酸锂压电单晶片，其厚度为400nm；金属薄膜5为铜薄膜；

②利用旋转涂胶法在步骤①处理后的压电基底片上均匀旋涂一层正性光刻胶6，并将涂胶后的压电基底放置于80℃条件下烘焙5分钟；

③将预置有所述叉指换能器图样的掩膜板7覆盖在步骤②处理后的压电基底上，采用波长为400nm的紫外光照射所述掩膜板7进行曝光处理；

④采用正胶显影液除去步骤③处理后受光照射部分的正性光刻胶，然后置于200℃条件下烘焙30分钟；

⑤在12000Pa的真空度下用氩等离子体对步骤④处理后的压电基底进行物理性刻蚀，然后用丙酮超声清洗除去未被光照射部分的正性光刻胶61，即得到所述的所述叉指换能器2；所得到的叉指换能器2为双手手指交叉状的多对条，条与条之间有间隔；

⑥将步骤⑤的叉指换能器2与压电基底1电连接，并在所述压电基底1外侧增设信号接口3，即得到所述的声致雾化芯片，如图1所示。

优选地，步骤①之前还包括将压电基底1依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，并用氮气进行风干步骤，以确保所述压电基底的表面洁净。

本实施例的叉指换能器2相互交叉的条对数选28对；条与条之间相互交叉重叠长度为2mm；设定a＝b＝50μm；f＝20MHz；v_s＝3992m/s；v_l＝1680m/s；ρ＝1.12g/m³；γ＝46.3mN/m，则可以得到气溶胶的粒径d＝20nm。

以上所述仅为本发明的优先实施例，并非用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，凡根据本发明揭露的技术方案或技术特征所作的任何修改、等同替换和改进等，皆应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种声致雾化芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①在压电基底(1)表面镀覆一层金属薄膜(5)；所述压电基底(1)为片状，所述压电基底(1)为压电单晶片、压电陶瓷片、压电聚合物片或压电复合物片中的一种；所述金属薄膜(5)为金、银、铜或铝薄膜中的一种；

②在步骤①处理后的压电基底片上均匀旋涂一层正性光刻胶(6)，并将涂胶后的压电基底放置于80～90℃条件下烘焙3～5分钟；

③将预置有所述叉指换能器图样的掩膜板(7)覆盖在步骤②处理后的压电基底上，采用波长为200～450nm的紫外光照射所述掩膜板(7)进行曝光处理；

④除去步骤③处理后受光照射部分的正性光刻胶，然后置于130～200℃条件下烘焙25～30分钟；

⑤对步骤④处理后的压电基底进行物理性刻蚀，然后除去未被光照射部分的正性光刻胶(61)，即得到所述的所述叉指换能器(2)；所得到的叉指换能器(2)为双手手指交叉状的条，条与条之间有间隔；

⑥将步骤⑤的叉指换能器(2)与压电基底(1)电连接，并在所述压电基底(1)外侧增设信号接口(3)，即得到所述的声致雾化芯片。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压电基底(1)为Y切X 128.68°方向的铌酸锂，其厚度为250nm～600nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述叉指换能器(2)相互交叉的条的对数为25～30对；所述条与条之间相互平行交叉重叠长度为0.5～3mm。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述叉指换能器(2)中所述条的宽度为a，相邻两根条的之间的间隔为b，a和b满足如下公式：f＝v_s/2(a+b)，其中v_s为声表面波在压电基底表面上的传播速度，f为激励频率；f满足其中γ为烟油表面张力，ρ为烟油密度，d为所要求的烟油液滴雾化形成气溶胶的粒径。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤①之前还包括将压电基底(1)依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，并用氮气进行风干步骤。