CN109480334B - 一种电子烟供液装置及供液方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子烟供液装置，包括：压电基底(1)、绝缘膜(2)、第一叉指换能器(31)和第二叉指换能器(32)、储液室(4)、流道(5)和出液口(7)。本发明还公开了使用电子烟供液装置的供液方法。本发明的电子烟供液装置体积小且烟液供给速率稳定均匀且速率可控。

Description

一种电子烟供液装置及供液方法

技术领域

本发明涉及电子烟技术领域，特别涉及一种电子烟供液装置和供液方法。

背景技术

电子烟作为一种新兴发展的可替代传统卷烟的产品，市场前景十分可观。但是为了达到小巧便携、烟雾量大和更好口感等方面的要求，其本身还有很多问题需要解决，其中很重要的就是电子烟雾化及烟液供给问题。虽然近年来电子烟雾化技术取得了令人瞩目的进步，但是如何在一个狭小的空间内给电子烟雾化供给合适的烟液量依然是个挑战，其本质上可以归结为微泵设计问题。

现有的压电、电磁微泵等供液装置大都是大型的外置设备，体积庞大而且控制系统复杂，所以应用场景非常有限。为了达到便于携带的目的，电子烟一般体积很小，因此现有微泵供液装置并不适于在体积很小的电子烟中使用。此外，传统的电子烟依靠棉芯的毛细作用来提供雾化时的烟液需求，往往存在烟液供给不均匀或不足引起棉芯碳化的问题，进而会产生CO等有害物质，危害性较大。依靠棉芯的毛细作用实现被动导液，速率不可控、不稳定，当导液速率小于雾化速率时，容易导致雾化不充分，进而影响抽吸口感，甚至会产生醛类等有害成分，存在健康隐患；当导液速率大于雾化速率时，未雾化的烟油容易污染装置，不仅引起抽吸者不适，而且缩短电子烟的寿命。

为解决上述问题提出本发明。

发明内容

本发明公开了一种电子烟供液装置，适于体积小便于携带的目的电子烟，且烟液供给速率稳定均匀且速率可控，保证雾化效果。

本发明的技术方案如下：

本发明第一方面公开了一种电子烟供液装置，包括：压电基底1、覆盖在压电基底1上的绝缘膜2、第一叉指换能器31和第二叉指换能器32、储液室4、流道5和出液口7；

所述储液室4上设置进液口6，所述流道5一端与所述储液室4连通且密封，另一端为出液口7；

所述第一叉指换能器31和第二叉指换能器32贴合设置在压电基底1表面且在压电基底1和绝缘膜2之间；所述储液室4、流道5和出液口7设置在所述绝缘膜2外上面的；

所述第一叉指换能器31位于储液室4和流道5反方向外侧且与储液室4不接触，所述第二叉指换能器32位于储液室4与出液口7之间的流道5下方。

优选地，所述第一叉指换能器31、储液室4、第二叉指换能器32、流道5和出液口7在同一直线上。

优选地，所述绝缘膜2的厚度为200nm-400nm；所述流道5的宽度为所述第一叉指换能器31和第二叉指换能器32声表面波波长的5-11倍，深度为声表面波波长的2-5倍；所述出液口7的宽度为1mm-10mm，高度为0.1mm-1.0mm。

优选地，所述第一叉指换能器31和第二叉指换能器32所使用的输入信号为同一频率，且其频率范围为100MHz-400MHz；且第一叉指换能器31功率不小于第二叉指换能器32的功率。

优选地，所述第一叉指换能器31和第二叉指换能器32为两层金属薄膜溅镀而成的栅极电极，第一层金属薄膜的材料为钛或铬，厚度为30nm-100nm，第二层金属薄膜的材料为铝或金，厚度为100nm-300nm。

优选地，所述压电基底1为石英、镀有氧化锌薄膜的硅片、压电陶瓷、铌酸锂或钽酸锂中的一种或几种，其厚度为0.3mm-1.5mm，温度系数为-100×10^-7/℃～-30×10^-6/℃，机电耦合系数为3.5％-8.5％，声表面波在压电基底1上的传播速度为3950m/s-4005m/s；更优选地，所述压电基底1为Y切X128.68°方向的材质，厚度为0.5mm、1mm或1.5mm，机电耦合系数为5.5％，温度系数为-72×10^-6/℃，声表面波在压电基底1上的传播速度为3985m/s。

优选地，所述储液室4和流道的材料为聚二甲基硅氧烷。

优选地，还包括：射频信号发生装置8，其为射频电源，其频率范围为100MHz-200MHz，功率范围为0.1W-1.5W。

优选地，还包括：设置于所述压电基底1外侧的两组馈电端口9，其用于连接所述射频信号发生装置8，其中一组馈电端口9通过导线10与第一叉指换能器31相连，另一组馈电端口9通过导线10与第二叉指换能器32相连。

本发明第二方面公开了一种电子烟供液方法，采用上述的电子烟供液装置，包括如下步骤：启动第二叉指换能器，在射频信号驱动下在压电基底的上表面产生行波模式声表面波，阻止储液室中的烟液向出液口流动，然后从所述进液口向储液室中注入烟液；注入烟液完成后启动第一叉指换能器，在射频信号驱动下在压电基底的上表面产生行波模式声表面波，推动储液室中的烟液向出液口方向流动，调节第一叉指换能器和第二叉指换能器的输出功率，使得储液室中的烟液向出液口方向匀速流动，抽吸者可以进行抽吸；

使第一叉指换能器停止工作，第二叉指换能器继续工作，仍在工作的第二叉指换能器推动第二叉指换能器与储液室之间流道中的烟液流向储液室；第二叉指换能器与出液口之间流道中的烟液流出并雾化完全后，停止第二叉指换能器工作，抽吸结束。

本发明的有益效果：

1、本发明的电子烟供液装置采用芯片式设计，体积小且功耗低效率高，适于体积小便于携带的目的电子烟。通过绝缘膜隔离叉指换能器和供液烟液，保证供液安全，减少电路的短路风险，具有较高的安全系数，可靠性高。

2、本发明的电子烟供液装置利用压电基底上的第一叉指换能器实现对储液室中烟液的主动泵送，并通过第二叉指换能器控制烟液的流动方向和流动速度，从而保证电子烟供液过程中导液速率的可控性和稳定性，且可以根据需要调节叉指换能器的功率实现供液量控制，保证烟液的精确供给，使烟液雾化效果更佳，提高了雾化品质。

3、本发明的电子烟供液装置通过叉指换能器产生的行波模式声表面波驱动烟液，所需要的驱动功率小，具有很小的发热量，即便长时间工作，热量也不会累积，从而降低了高温热解的可能性，无CO、醛类等有害成分产生。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中电子烟供液装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中叉指换能器的结构示意图。

附图标记说明：

1、压电基底；2、绝缘膜；31、第一叉指换能器；32、第二叉指换能器；4、储液室；5、流道；6、进液口；7、出液口；8、射频信号发生装置；9、馈电端口；10、导线；11、叉指电极；12、汇流条。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例：

为了解决现有技术中存在的烟液供给不可控、不稳定，造成有害物质增加、影响口感和品质等问题，本发明实施例提供一种烟液泵送装置和方法，通过声表面波(SurfaceAcoustic Wave，SAW)实现非接触的烟液主动泵送，泵送量可以控制和调节，能够实现稳定、可控的烟液供给，减少有害物质，提高品质，获得更好地口感。

本发明实施例提供一种电子烟供液装置，其结构如图1所示，包括：压电基底1、绝缘膜2、设置在压电基底1和绝缘膜2之间的第一叉指换能器31和第二叉指换能器32、设置在绝缘膜2外上面的储液室4和流道5；

储液室4上设置进液口6，流道5一端与所述储液室4连通且密封，另一端为出液口7；

第一叉指换能器31和第二叉指换能器32贴合设置在压电基底1表面且在压电基底1和绝缘膜2之间；储液室4、流道5和出液口7设置在所述绝缘膜2外上面的；

所述第一叉指换能器31位于储液室4和流道5反方向外侧且与储液室4不接触，所述第二叉指换能器32位于储液室4与出液口7之间的流道5下方。

第一叉指换能器31和第二叉指换能器32在射频信号驱动下产生行波模式声表面波，推动储液室4中的烟液向流道5、出液口7方向流动或使其停留在储液室4中。

第一叉指换能器31、第二叉指换能器32设置于压电基底与绝缘膜2之间，绝缘膜2覆盖在压电基底1表面。具体的，第一叉指换能器31、第二叉指换能器32通过微加工工艺将具有手指交叉形状的金属薄膜溅射在经表面抛光处理后的压电基底1上方。

第一叉指换能器31激发的行波模式声表面波将储液室4内存放的烟液主动泵送至流道5中。第二叉指换能器32激发的行波模式声表面波将分别向流道5的两端传播，将阻止储液室4内的烟液流入流道，并将储液室4内的烟液泵送至出液口7。通过控制第一叉指换能器31和第一叉指换能器32的工作状态，实现控制烟液停留在储液室4中还是向流道5中流动，直至从出液口7流出。

第一叉指换能器31、第二叉指换能器32、储液室4和流道5的中心线在同一直线上；第一叉指换能器31、第二叉指换能器32、储液室4、流道5与压电基底1的表面垂直紧密贴合。

压电基底1是一种具有压电效应的压电材料，压电基底1的材质为下列至少一种：石英、镀有氧化锌薄膜的硅片、压电陶瓷、铌酸锂和钽酸锂。压电基底1的厚度为0.3mm-1.5mm，温度系数为-100×10^-7/℃～-30×10^-6/℃，机电耦合系数为3.5％～8.5％，声表面波在压电基底1上的传播速度为3950m/s～4005m/s。

压电基底1较常用的厚度尺寸有1.5mm、1mm和0.5mm，较常用的较常用的机电耦合系数有4.5％、5.0％、6.0％、7.0％、7.5％等，较常用的温度系数有-72×10^-7/℃、-36×10^-7/℃、-36×10^-6/℃、-72×10^-6/℃等，较常用的传播速度有3960m/s、3975m/s、3985m/s、4000m/s等。

本实施例，压电基底1选取的Y切X128.68°方向的铌酸锂，厚度为1mm，机电耦合系数为5.5％，温度系数为-72×10^-6/℃，声表面波在压电基底上的传播速度为3985m/s。

本实施例绝缘膜2的材料为二氧化硅，绝缘膜的厚度为250nm。绝缘膜2完全覆盖整个压电基底1表面，覆盖第一叉指换能器31、第二叉指换能器32表面。绝缘膜2有两方面的作用：一方面流道5内的烟液泵送过程受到的摩擦阻力最小；另一方面是保护叉指换能器避免接触到管道内烟液引起短路。

第一叉指换能器31和第二叉指换能器32包括两层金属薄膜溅镀而成的栅极电极，第一层金属薄膜的材料为钛，厚度为50nm，第二层金属薄膜的材料为铝，厚度为200nm。

第一叉指换能器31和第二叉指换能器32的共振频率范围是100MHz-400MHz。本实施例第一叉指换能器31和第二叉指换能器32所使用的输入信号为同一频率为100MHz。

储液室4上方开设有进液口6，流道5开设有出液口7，进液口7可以是在储液室4上方开设的小孔，出液口7为狭窄细缝，细缝的宽度为5mm，高度为0.5mm。

储液室4和流道5可以是独立的结构，然后贴合在压电基底1上，也可以和压电基底1是一体结构的。本实施例中，储液室4具有密封性的烟液储存空间，流道5具有密封性的烟液通道，储液室4和流道5贴合安装在压电基底表面上且密封性连接，形成密封性的烟液通道。

储液室4和流道5的材料为聚二甲基硅氧烷。

对于流道的宽度可以依据叉指换能器的频率或者声表面波的波长来进行设计，以获取更好的导流效果。通过大量实验和研究，在进行流道设计时，较好的设计尺寸是：流道5的宽度为声表面波波长5-11倍，流道5的深度为声表面波波长的2-5倍。本实施例中，对应于叉指换能器频率为100MHz，声表面波波速采用4000m/s的情况时，流道5的宽度为280μm，深度为80μm时可以获得比较好的导流效果。

上述装置还包括：至少一个射频信号发生装置8，用于向第一叉指换能器31和第二叉指换能器32加载射频信号。

射频信号发生装置8为射频电源，或射频信号发生装置8包括高频信号源和与高频信号源连接的功率放大器。高频信号源的频率范围为100MHz-200MHz，功率范围为0.1W-1.5W。

射频信号发生装置8向第一叉指换能器31传递信号，激发行波模式声表面波，将储液室4内存放的烟液主动泵送至流道5中。射频信号发生装置8向第二叉指换能器32传递信号，激发行波模式声表面波将分别向流道5的两端传播，将阻止储液室4内的烟液流入流道，并将储液室4内的烟液泵送至出液口7。当射频信号发生装置8停止向第一叉指换能器31传递信号时，仅仅向第二叉指换能器32传递信号，第二叉指换能器32产生的朝向储液室4传播的声表面波将会阻止储液室4内烟液继续向流道5内流动，第二叉指换能器32产生的朝向出液口7传播的声表面波将会驱动流道内的烟液全部通过出液口7流出。

装置还包括设置于压电基底1外侧上的两组馈电端口9，用于连接射频信号发生装置8；其中，一组馈电端口9通过导线10与第一叉指换能器31相连，另一组馈电端口9通过导线10与第二叉指换能器32相连。馈电端口9是叉指换能器与射频信号发生装置8连接端口，通过该端口可以实现射频信号发生装置8的灵活连接，在不使用时可以随时断开连接。

馈电端口9设置于绝缘膜2表面，第一叉指换能器31与第二叉指换能器32使用不同的馈电端口9，在第一叉指换能器31和第二叉指换能器32的汇流条12上方开设有0.8mm的正方形天窗用来焊接导线10。如图2所示的叉指换能器的一种结构示例，叉指电极11交错分布，每一侧的叉指电极由一个汇流条连通，汇流条是金属薄膜的电极条，可以把电信号汇集到电极上。

导线的材料为金属材料，为了使损耗最低，较好的是使用金这种材料，其他材料也可以使用，例如铜、铝铁合金、镍铁合金等其他导电材料均可。本实施例使用金线。

使用上述的电子烟供液装置的供液方法，步骤包括：启动第二叉指换能器，在射频信号驱动下在压电基底的上表面产生行波模式声表面波，阻止储液室中的烟液向出液口流动，然后从所述进液口向储液室中注入烟液；注入烟液完成后启动第一叉指换能器，在射频信号驱动下在压电基底的上表面产生行波模式声表面波，推动储液室中的烟液向出液口方向流动，调节第一叉指换能器和第二叉指换能器的输出功率，使得储液室中的烟液向出液口方向匀速流动，抽吸者可以进行抽吸。具体为，先开启射频信号发生装置8施以一股交流电信号激励第二叉指换能器32，第二叉指换能器把输入的电信号通过逆压电效应发生电极间的共振，第二叉指换能器32会向储液室4传输一列声表面波，可以有效防止储液室4向流道5中流入烟液。通过进液孔6将烟液注入到储液室4内，直至烟液的液面高度与储液室5内的凹槽口水平。在标准大气压下，此时由于声表面波的作用和烟液的表面张力和流道5内壁的黏滞力，因此烟液不会自流。开启射频信号发生装置8施以第二股交流电信号激励第一叉指换能器31，调节射频信号发生装置8的增益，使得第一叉指换能器31的输出功率和第二叉指换能器32的输出功率相同，此时储液室4与流道5的接口处的烟液受到的声流力达到平衡，烟液不会流出。逐渐加大第一叉指换能器31的输出功率，减小第二叉指换能器的输出功率32，直至烟液缓缓从储液室4流入到流道5中。继续增加第一叉指换能器31的输出功率，此时流道5与储液室4的接口处形成压力差，开始的平衡压力场被打破，通过控制第一叉指换能器31和第二叉指换能器32的功率可以精确控制出液口烟液的流速，从而实现导液速率的精确控制，以确保烟液的持续稳定雾化。

当准备停止抽吸时，使第一叉指换能器停止工作，第二叉指换能器继续工作，仍在工作的第二叉指换能器推动第二叉指换能器与储液室之间流道中的烟液流向储液室；第二叉指换能器与出液口之间流道中的烟液流出并雾化完全后，停止第二叉指换能器工作，抽吸结束。具体为关闭第一叉指换能器31输入信号，第二叉指换能器32继续工作，使得储液室4和流道5的接口处形成反向压力差，使得烟液无法从该接口处流出。同时，流道5内剩余的烟液经出液口7流出并雾化完全后，停止第二叉指换能器工作，抽吸结束。

本发明实施例的上述装置和方法，将声表面波技术的独特优势与电子烟的功能和特点进行有机结合起来，并基于声表面波的声流耦合效应和瑞利波的传播机理，提供一种非接触式SAW电子烟供液装置，有效克服棉芯自吸烟液不足所造成的快速发热导致的碳化和不完全雾化所生成的不健康物质的风险，这种非接触式SAW电子烟供液装置高效低耗、高度集成，体积小便携性好，合理解决现有电子烟供液的主动泵送问题，并且在供液精度上更加精准，导油速率最小可以控制到一微升每小时，拥有的超长寿命也极大的减少了成本，安全系数高。

本发明实施例的装置和方法具有如下有益效果：

1、声表面波通过产生行波模式声表面波非接触就可以驱动烟液，驱动功率一般为0.1W-1.5W，具有很小的发热量，即便长时间工作，热量也不会累积，从而降低了高温热解的可能性。因此，声表面波驱动的安全性好，功耗小。

2、整个装置完全芯片化，高度集成在一块芯片表面，这大大缩小了产品的体积，为整个电子烟产品节省了大量空间，其次流道底部设置的第二叉指换能器可以控制整个烟液供给的开关，免去设计复杂的微阀。

3、集成有储液室和细缝出液口，基于声表面波的声流耦合效应，利用第一叉指换能器产生的行波模式声表面波提供的驱动力可以实现主动泵送，并通过结合驱动的功率来精确控制烟液的导液速率，确保烟液的持续稳定泵送和充分的雾化，避免了干烧现象发生。同时精确的烟液量供给，也提升了烟液的雾化效率从而提升了抽吸的品质和口感。

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 (8)

1.一种电子烟供液装置，其特征在于，包括：压电基底(1)、覆盖在压电基底(1)上的绝缘膜(2)、第一叉指换能器(31)和第二叉指换能器(32)、储液室(4)、流道(5)和出液口(7)；

所述储液室(4)上设置进液口(6)，所述流道(5)一端与所述储液室(4)连通且密封，另一端为出液口(7)；

所述第一叉指换能器(31)和第二叉指换能器(32)贴合设置在压电基底(1)表面且在压电基底(1)和绝缘膜(2)之间；所述储液室(4)、流道(5)和出液口(7)设置在所述绝缘膜(2)的外上面；

所述第一叉指换能器(31)位于储液室(4)和流道(5)反方向外侧且与储液室(4)不接触，所述第二叉指换能器(32)位于储液室(4)与出液口(7)之间的流道(5)下方；

所述装置还包括：射频信号发生装置(8)，其为射频电源，其频率范围为100MHz-200MHz，功率范围为0.1W-1.5W；

所述装置还包括：设置于所述压电基底(1)外侧的两组馈电端口(9)，其用于连接所述射频信号发生装置(8)，其中一组馈电端口(9)通过导线(10)与第一叉指换能器(31)相连，另一组馈电端口(9)通过导线(10)与第二叉指换能器(32)相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一叉指换能器(31)、储液室(4)、第二叉指换能器(32)、流道(5)和出液口(7)在同一直线上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘膜(2)的厚度为200nm-400nm；所述流道(5)的宽度为所述第一叉指换能器(31)和第二叉指换能器(32)声表面波波长的5-11倍，深度为声表面波波长的2-5倍；所述出液口(7)的宽度为1mm-10mm，高度为0.1mm-1.0mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一叉指换能器(31)和第二叉指换能器(32)所使用的输入信号为同一频率，且其频率范围为100MHz-400MHz。

5.根据权利要求1-4任一所述的装置，其特征在于，所述第一叉指换能器(31)和第二叉指换能器(32)为两层金属薄膜溅镀而成的栅极电极，第一层金属薄膜的材料为钛或铬，厚度为30nm-100nm，第二层金属薄膜的材料为铝或金，厚度为100nm-300nm。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电基底(1)为石英、镀有氧化锌薄膜的硅片、压电陶瓷、铌酸锂或钽酸锂中的一种或几种，其厚度为0.3mm-1.5mm，温度系数为-100×10^-7/℃～-30×10^-6/℃，机电耦合系数为3.5％-8.5％，声表面波在压电基底(1)上的传播速度为3950m/s-4005m/s。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述储液室(4)和流道的材料为聚二甲基硅氧烷。

8.一种电子烟供液方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的电子烟供液装置，包括如下步骤：启动第二叉指换能器，在射频信号驱动下在压电基底的上表面产生行波模式声表面波，阻止储液室中的烟液向出液口流动，然后从所述进液口向储液室中注入烟液；注入烟液完成后启动第一叉指换能器，在射频信号驱动下在压电基底的上表面产生行波模式声表面波，推动储液室中的烟液向出液口方向流动，调节第一叉指换能器和第二叉指换能器的输出功率，使得储液室中的烟液向出液口方向匀速流动，抽吸者可以进行抽吸；

使第一叉指换能器停止工作，第二叉指换能器继续工作，仍在工作的第二叉指换能器推动第二叉指换能器与储液室之间流道中的烟液流向储液室；第二叉指换能器与出液口之间流道中的烟液流出并雾化完全后，停止第二叉指换能器工作，抽吸结束。