CN113460946A - 一种双衬底气化芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双衬底气化芯片，包括：基础衬底和硅衬底，基础衬底上设置有自顶面向内凹陷形成的空腔，待气化液体设置在空腔内，空腔的底面上设置有液态源通道，基础衬底的顶面上设置有接触电极板，硅衬底底部设置有加热电极板，加热电极板通过键合金属层与接触电极板电连接，硅衬底上设置有第一气化通道结构，第一气化通道结构包括阵列排布的若干个第一气化通道单元，第一气化通道单元连通至空腔。本发明还公开了一种双衬底气化芯片的制造方法。本发明相较于现有技术，将陶瓷衬底或玻璃衬底与硅衬底组合形成双衬底结构，气化芯片上气化孔的孔径均匀，将气化芯片的加热区域和外围固定结构进行热隔离，降低热导，提升电加热气化效率。
Description
技术领域
本发明属于液体加热气化芯片领域，尤其涉及一种双衬底气化芯片及其制造方法。
背景技术
将药液或香味液体微粒化(也称为雾化)的装置已经可以广泛应用在民用、工业和医学领域。现有技术中液体雾化多基于陶瓷雾化器，其由陶瓷和发热电极两部分构成。陶瓷经过高温烧结制成碗状结构，发热膜设计成特定形状附着在陶瓷表面，在工作过程中，发热膜通过均匀发热，把液体加热形成雾气，由陶瓷蜂窝孔散发。现有技术中还有基于单片的硅(Si)材料的气化芯片，由于硅(Si)的热导率非常高，造成热量扩散过多，降低了电加热气化效率，同时容易引起待气化液体的变性。
现有的基于陶瓷材料的气化芯片，由于采用多孔陶瓷烧结技术制备，无法制备出孔径一致的结构，造成液体雾化不均匀、局部过热及碳化堵塞。此外，现有的硅衬底气化芯片采用单一的硅(Si)衬底结构，受限于机械强度，必须采用较厚的硅衬底。但在硅(Si)材料的深孔蚀过程中，深宽比(刻蚀直径与刻蚀深度的比例)大于10容易导致反应等离子体难以到达反应材料底部，造成黑硅、刻蚀生成物难以去除等一系列问题，或者实际形成的尺寸超出设计容差，无法实现10-30微米小尺寸的气化微孔阵列。因此，现有基于单一衬底材料(陶瓷、硅材料)的气化芯片都具有自身的缺陷，无法满足气化需求。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种双衬底气化芯片及其制造方法，陶瓷衬底或玻璃衬底与硅衬底组合形成双衬底结构，气化芯片上气化孔的孔径均匀且直径可以小至5-10微米，将气化芯片的加热区域和外围固定结构进行热隔离，降低热导，提升电加热气化效率。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种双衬底气化芯片，包括：基础衬底和硅衬底，基础衬底上设置有自顶面向内凹陷形成的空腔，待气化液体设置在空腔内，空腔的底面上设置有液态源通道，基础衬底的顶面上设置有接触电极板，硅衬底底部设置有加热电极板，加热电极板通过键合金属层与接触电极板电连接，硅衬底上设置有第一气化通道结构，第一气化通道结构包括阵列排布的若干个第一气化通道单元，第一气化通道单元连通至空腔。
作为上述技术方案的进一步描述：
基础衬底包括陶瓷衬底和玻璃衬底。
作为上述技术方案的进一步描述：
空腔的截面呈矩形结构或上宽下窄的梯形结构。
作为上述技术方案的进一步描述：
硅衬底的厚度为10-300微米。
作为上述技术方案的进一步描述：
第一气化通道单元为条形孔道或喇叭形孔道。
作为上述技术方案的进一步描述：
加热电极板为环形结构，第一气化通道结构设置在加热电极板内侧的硅衬底上。
作为上述技术方案的进一步描述：
加热电极板一相对侧的硅衬底上设置由第二气化通道结构，第二气化通道结构包括沿直线排布的若干个梳齿形气化通道单元和若干个条形气化通道单元。
作为上述技术方案的进一步描述：
梳齿形气化通道单元和条形气化通道单元间隔布置。
另一方面，本发明还提供了一种双衬底气化芯片的制造方法，包括以下步骤：
1)采用湿法腐蚀方式在基础衬底1表面加工凹陷的空腔11，在空腔11的底面上采用等离子刻蚀方式或湿法刻蚀方式加工液态源通道12；
2)采用蒸镀方式在基础衬底1表面生长10-1000nm Ti/Au材料，采用金属剥离工艺去除多余金属材料，形成接触电极板13；
3)选用电阻率0.001-10000Ω·cm，厚度350-600微米的硅衬底2，在硅衬底2表面生长10-1000nm Ti/Au材料；
4)对硅衬底2表面生长的金属层进行光刻，将裸露的金属蚀刻干净，形成加热电极板3；
5)将空腔11的接触电极板13与硅衬底2的加热电极板3进行金金键合；
6)减薄抛光硅衬底2的厚度；
7)在硅衬底2上刻蚀气化通道，并进行化学清洗，去除多余光刻胶。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤5)中，接触电极板和加热电极板通过Au-Au键合工艺电连接，或采用Au-Sn焊料、Sn-Ag-Cu焊料焊接实现电连接。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，基础衬底的空腔通过液态源通道连通待气化液体存储空间，硅衬底的尺寸小于基础衬底的尺寸，芯片露出基础衬底上的接触电极板，接触电极板和外部装置接触供电，硅衬底的加热电极板与空腔中的需气化液体直接接触，提升电加热气化效率及增加单位时间的气化量。
2、本发明中，陶瓷或玻璃材质的基础衬底可以作为支撑结构，以便降低作为加热功能层硅衬底的厚度，降低硅衬底上气化通道的刻蚀深宽比，实现10-30微米小尺寸的气化微孔阵列的制备。
3、本发明中，陶瓷衬底和玻璃衬底的导热性差，与作为加热功能层的硅衬底组成双衬底结构，增加气化芯片与芯片外面支撑安装结构之间的热阻，提升气化芯片加热区与非气化存储液体间的热隔离，同时提升电加热气化的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为一种双衬底气化芯片的结构示意图。
图2为一种双衬底气化芯片中硅衬底的结构示意图。
图例说明：
1、基础衬底；11、空腔；12、液态源通道；13、接触电极板；2、硅衬底；21、第一气化通道单元；22、梳齿形气化通道单元；23、条形气化通道单元；3、加热电极板；4、键合金属层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供了一种双衬底气化芯片，包括：基础衬底1和硅衬底2，基础衬底1上设置有自顶面向内凹陷形成的空腔11，待气化液体设置在空腔11内，空腔11的底面上设置有液态源通道12，基础衬底1的顶面上设置有接触电极板13，硅衬底2底部设置有加热电极板3，加热电极板3通过键合金属层4与接触电极板13电连接，硅衬底2上设置有第一气化通道结构，第一气化通道结构包括阵列排布的若干个第一气化通道单元21，第一气化通道单元21连通至空腔11。
基础衬底1包括陶瓷衬底和玻璃衬底。陶瓷衬底和玻璃衬底的导热性差，与作为加热功能层的硅衬底组成双衬底结构，增加气化芯片与芯片外面支撑安装结构之间的热阻，提升气化芯片加热区与非气化存储液体间的热隔离，同时提升电加热气化的效率。
空腔11的截面呈上宽下窄的梯形结构，保证基础衬底1的结构强度。
硅衬底2的厚度为10-300微米，现有单一硅(Si)衬底结构的的气化芯片上硅材料厚度为350-600微米，基础衬底的设置使得双衬底气化芯片的硅材料只需10-300微米，大大提高气化通道的刻蚀质量。
加热电极板3为环形结构，第一气化通道结构设置在加热电极板3内侧的硅衬底2上。第一气化通道单元21为条形孔道或喇叭形孔道(硅衬底2底部一端窄、相对的另一端宽)，提高气化效率。
加热电极板3一相对侧的硅衬底2上设置由第二气化通道结构，第二气化通道结构包括沿直线排布的若干个梳齿形气化通道单元22和若干个条形气化通道单元23。梳齿形气化通道单元22和条形气化通道单元23作为液体的气化通道，提高气化效率。同时梳齿形气化通道单元22可以有效减少传热面积，使得加热电极板产生的热量更少的传递到硅衬底外部。
梳齿形气化通道单元22和条形气化通道单元23间隔布置，梳齿形气化通道单元22的数量过多会导致硅衬底的强度降低，和条形气化通道单元23间隔布置可以保证硅衬底的强度。
另一方面，本发明还提供了一种双衬底气化芯片的制造方法，包括以下步骤：
1)采用湿法腐蚀方式在基础衬底1表面加工凹陷的空腔11，在空腔11的底面上采用等离子刻蚀方式加工液态源通道12；
2)采用蒸镀方式在基础衬底1表面生长10-1000nm Ti/Au材料，采用金属剥离工艺(Lift off方式)去除多余金属材料形成接触电极板13；
3)选用电阻率0.001-10000Ω·cm，厚度350-600微米的硅衬底2，在硅衬底2表面生长10-1000nm Ti/Au材料；
4)对硅衬底2表面生长的金属层进行光刻，将裸露的金属蚀刻(用等离子体或者化学腐蚀液方式)干净，形成加热电极板3；
5)将空腔11的接触电极板13与硅衬底2的加热电极板3进行金金键合(Au-Au键合工艺)；
6)减薄抛光硅衬底2的厚度至40微米；
7)在硅衬底2上刻蚀气化通道，并进行化学清洗，去除多余光刻胶。
在步骤5)中，接触电极板13和加热电极板3通过Au-Au键合工艺电连接，或采用Au-Sn焊料、Sn-Ag-Cu焊料焊接实现电连接。接触电极板13和加热电极板3的连接方式可以灵活选择，降低加工难度。
工作原理：采用陶瓷衬底或玻璃衬底作为基础衬底，与作为加热功能层的硅衬底组成双衬底结构。基础衬底的空腔通过液态源通道连通待气化液体存储空间，硅衬底的尺寸小于基础衬底的尺寸，露出基础衬底上的接触电极板，接触电极板和外部装置接触供电，硅衬底的加热电极板与空腔中的需气化液体直接接触，提升电加热气化效率及增加单位时间的气化量。陶瓷或玻璃材质的基础衬底作为支撑结构，降低作为加热功能层硅衬底的厚度，降低硅衬底上气化通道的刻蚀深宽比，实现10-30微米小尺寸的气化微孔阵列的制备。陶瓷衬底和玻璃衬底的导热性差，增加气化芯片与芯片外面支撑安装结构之间的热阻，提升气化芯片加热区与非气化存储液体间的热隔离，降低对待气化液体存储空间内液体的热影响，同时提升电加热气化的效率。此外，双衬底气化芯片中陶瓷衬底只需加工直径较大的液态源通道，加工难度降低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双衬底气化芯片，其特征在于，包括：基础衬底(1)和硅衬底(2)，所述基础衬底(1)上设置有自顶面向内凹陷形成的空腔(11)，待气化液体设置在所述空腔(11)内，所述空腔(11)的底面上设置有液态源通道(12)，所述基础衬底(1)的顶面上设置有接触电极板(13)，所述硅衬底(2)底部设置有加热电极板(3)，所述加热电极板(3)通过键合金属层(4)与所述接触电极板(13)电连接，所述硅衬底(2)上设置有第一气化通道结构，所述第一气化通道结构包括阵列排布的若干个第一气化通道单元(21)，所述第一气化通道单元(21)连通至所述空腔(11)。
2.根据权利要求1所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述基础衬底(1)包括陶瓷衬底和玻璃衬底。
3.根据权利要求1所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述空腔(11)的截面呈矩形结构或上宽下窄的梯形结构。
4.根据权利要求1所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述硅衬底(2)的厚度为10-300微米。
5.根据权利要求1所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述第一气化通道单元(21)为条形孔道或喇叭形孔道。
6.根据权利要求5所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述加热电极板(3)为环形结构，所述第一气化通道结构设置在所述加热电极板(3)内侧的所述硅衬底(2)上。
7.根据权利要求6所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述加热电极板(3)一相对侧的所述硅衬底(2)上设置由第二气化通道结构，所述第二气化通道结构包括沿直线排布的若干个梳齿形气化通道单元(22)和若干个条形气化通道单元(23)。
8.根据权利要求7所述的一种双衬底气化芯片，其特征在于，所述梳齿形气化通道单元(22)和所述条形气化通道单元(23)间隔布置。
9.一种双衬底气化芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用湿法腐蚀方式在基础衬底(1)表面加工凹陷的空腔(11)，在所述空腔(11)的底面上采用等离子刻蚀方式或湿法刻蚀方式加工液态源通道(12)；
2)采用蒸镀方式在所述基础衬底(1)表面生长10-1000nm Ti/Au材料，采用金属剥离工艺去除多余金属材料，形成接触电极板(13)；
3)选用电阻率0.001-10000Ω·cm，厚度350-600微米的硅衬底(2)，在所述硅衬底(2)表面生长10-1000nm Ti/Au材料；
4)对所述硅衬底(2)表面生长的金属层进行光刻，将裸露的金属蚀刻干净，形成加热电极板(3)；
5)将所述空腔(11)的接触电极板(13)与所述硅衬底(2)的加热电极板(3)进行金金键合；
6)减薄抛光所述硅衬底(2)的厚度；
7)在所述硅衬底(2)上刻蚀气化通道，并进行化学清洗，去除多余光刻胶。
10.根据权利要求9所述的一种双衬底气化芯片的制造方法，其特征在于，在所述步骤5)中，所述接触电极板(13)和所述加热电极板(3)通过Au-Au键合工艺电连接，或采用Au-Sn焊料、Sn-Ag-Cu焊料焊接实现电连接。
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