CN113662250A - 一种mems硅基雾化芯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS硅基雾化芯，其包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底上设置有若干雾化孔，所述雾化孔贯穿所述第一衬底，所述第一衬底的一侧设置有横向微流道储液舱，若干所述雾化孔均与所述横向微流道储液舱相连通，所述第一衬底的另一侧设置有金属电极，所述金属电极上连接有电阻丝；所述第二衬底连接在所述第一衬底上，所述第二衬底上设置与若干通孔，所述通孔贯穿所述第二衬底的上下表面，所述通孔连通所述横向微流道储液舱，所述通孔与所述雾化孔错位布置。本发明还公开了一种MEMS硅基雾化芯制造方法。本发明可以解决陶瓷雾化芯多孔孔径不一致，导致加热不均匀、局部过热干烧碳化的问题。
Description
技术领域
本发明属于液体加热雾化芯技术领域，尤其涉及一种MEMS硅基雾化芯及其制造方法。
背景技术
发热雾化元件作为液体汽化装置的核心部件，对液体进行加热，将其变为雾状气溶胶而被抽吸者吸入。为确保抽吸者获得良好的口感，要求雾化元件加热雾化液体时要做到快速、均匀、一致、细腻且尽量减少有害物质产生。
现有陶瓷雾化芯，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，容易造成液体雾化不均匀、局部过热及碳化堵塞。并且由于陶瓷导热性能差，造成雾化速度慢，也进一步加剧雾化不均匀。
现有硅基雾化芯，加工孔径一致且热导性能好，克服了陶瓷芯的一些缺点，但是由此也带来了一些问题。采用单一的硅衬底结构，受限于机械强度，必须使用较厚的硅衬底，厚度通常大于300μm。由于工艺能力限制，使其很难实现高深宽比的通孔结构。孔直径或边长通常大于30μm，雾化不细腻且锁液性能差。由于这种结构的雾化芯热导性好，因此不能和液舱的直接接触，否则可能会引起炸舱，另外再加之其储液锁液性能差，所以需要附属隔液、储液、锁液材料。其它改进的硅基雾化芯方案也并没有很好的发挥硅基方案的优势并改善其劣势。如专利号CN 108158040 A，采用多孔硅技术可以改善锁油、储油性能，但是又会因其无法制备出孔径一致的结构，容易造成液体雾化不均匀、局部过热及碳化堵塞。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决陶瓷雾化芯多孔孔径不一致，导致加热不均匀、局部过热干烧碳化的问题，而提供的一种MEMS硅基雾化芯及其制造方法。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种MEMS硅基雾化芯，其包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底上设置有若干雾化孔，所述雾化孔贯穿所述第一衬底，所述第一衬底的一侧设置有横向微流道储液舱，若干所述雾化孔均与所述横向微流道储液舱相连通，所述第一衬底的另一侧设置有金属电极，所述金属电极上连接有电阻丝；所述第二衬底连接在所述第一衬底上，所述第二衬底上设置与若干通孔，所述通孔贯穿所述第二衬底的上下表面，所述通孔连通所述横向微流道储液舱，所述通孔与所述雾化孔错位布置板。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述金属电极的材料为Ti/Au、Ti/Pt、Ti/TiN/Au、Ti/TiN/Pt、Ta/Au、Ta/Pt、Ta/TaN/Au或Ta/TaN/Pt中的一种。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第一衬底的材料为硅片。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述第二衬底的材料为低导热性的玻璃片、石英片或陶瓷片。
另一方面，本发明还提供了一种MEMS硅基雾化芯制造方法，其包括以下步骤：
1)准备第二衬底，第二衬底为玻璃片、石英片、陶瓷片等低导热性差的材料；
2)采用激光打孔、喷砂打孔、腐蚀工艺或干法蚀刻中的一种在第二衬底上打出贯穿所述第二衬底的通孔；
3)准备第一衬底，所述第一衬底的材料为硅片；
4)采用干法蚀刻或湿法腐蚀在所述第一衬底上蚀刻横向微流道储液舱；
5)采用阳极键合工艺、玻璃浆料粘结工艺、金属共晶或扩散键合技术中的一种将第一衬底和第二衬底粘在一起；
6)使用化学机械减薄或湿法腐蚀减薄工艺将第一衬底减薄；
7)在第一衬底的表面沉积金属电极以及金属电阻丝，并通过干法蚀刻或湿法腐蚀工艺做出特定图形；
8)在第一衬底表面蚀刻出雾化孔。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤4)中使用的腐蚀液为TMAH或KOH溶液中的一种。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤7)中金属电极的材料为Ti/Au、Ti/Pt、Ti/TiN/Au、Ti/TiN/Pt、Ta/Au、Ta/Pt、Ta/TaN/Au或Ta/TaN/Pt中的一种。
上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、避免使用工艺一致性差的多孔结构，采用工艺一致性高的雾化孔蚀刻工艺，从而使雾化均匀性更高、雾化一致性好、降低局部过热及干烧的现象。
2、雾化速度快，采用热传导效率高的硅基材料，对比陶瓷材料，其雾化速度更快、效率更高。
3、避免硅基雾化芯炸腔现象。通过后接热导率低的第二衬底片以及微流体储液舱结构，避免高温加热的硅衬底和储液腔中的液体直接大面积接触，从而避免炸液炸腔现象。
4、采用微流体储液舱，雾化孔，以及雾化孔和第二衬底上的通孔错位排布的结构组合，可以对液体流通产生阻力，有效提升了锁油性能。
5、相比多孔陶瓷以及多孔硅或普通硅基雾化孔工艺，本方案可轻易实现几微米孔径大小的雾化孔，雾化效果更加细腻。
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MEMS硅基雾化芯的结构示意图。
图2为一种MEMS硅基雾化芯制造方法的流程图。
图3为一种MEMS硅基雾化芯中液体流动示意图。
图例说明：
1、第一衬底；2、第二衬底；3、雾化孔；4、横向微流道储液舱；5、金属电极；6、通孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种MEMS硅基雾化芯，包括第一衬底1和第二衬底2，所述第一衬底1上设置有若干雾化孔3，所述雾化孔3贯穿所述第一衬底1，所述第一衬底1的一侧设置有横向微流道储液舱4，若干所述雾化孔3均与所述横向微流道储液舱4相连通，所述第一衬底1的另一侧设置有金属电极5，所述金属电极5上连接有电阻丝；所述第二衬底2连接在所述第一衬底1上，所述第二衬底2上设置与若干通孔6，所述通孔6贯穿所述第二衬底2的上下表面，所述通孔6连通所述横向微流道储液舱4，所述通孔6与所述雾化孔3错位布置。
具体的，所述雾化孔3的孔径可以做到几微米，具体的可以为2μm；横向微流道储液舱4的高度可以做到几个微米，具体的可以是1微米；通孔6的直径孔径可以是几十或几百微米，具体的为80μm。
所述金属电极5的材料为Ti/Au、Ti/Pt、Ti/TiN/Au、Ti/TiN/Pt、Ta/Au、Ta/Pt、Ta/TaN/Au或Ta/TaN/Pt中的一种。金属电极使用的材料使对人体无害的金属材料，具体的为Ti/Au。
所述第一衬底1的材料为硅片。
所述第二衬底2的材料为低导热性的玻璃片、石英片或陶瓷片。具体的，第二衬底2的材料为陶瓷片。
一种MEMS硅基雾化芯制造方法，其包括以下步骤：
1)使用陶瓷片作为第二衬底的制作材料；
2)采用激光打孔工艺在第二衬底上打出贯穿所述第二衬底的通孔，所述通孔的直径为80μm；
3)准备第一衬底，所述第一衬底的材料为硅片；
4)采用干法蚀刻在所述第一衬底上蚀刻横向微流道储液舱，所述横向微流道储液舱的高度为1μm；
5)采用金属共晶技术将第一衬底和第二衬底粘在一起；
6)使用化学机械减薄工艺将第一衬底减薄至10μm；
7)在第一衬底的表面沉积金属电极以及金属电阻丝，并通过干法蚀刻或湿法腐蚀工艺做出特定图形；
8)在第一衬底表面蚀刻出雾化孔。
所述步骤4)中使用的腐蚀液为TMAH或KOH溶液中的一种。可以根据使用的工艺及材料选择相应的腐蚀液。
所述步骤7)中金属电极的材料为Ti/Au、Ti/Pt、Ti/TiN/Au、Ti/TiN/Pt、Ta/Au、Ta/Pt、Ta/TaN/Au或Ta/TaN/Pt中的一种。具体的为Ti/Au。
工作原理：使用微纳加工工艺，加工出大小形状一致性高的雾化孔，加热雾化均匀且加热速度快。采用双衬底结构，第一衬底是硅衬底，热导率高，做有金属电极和加热电阻、雾化孔以及横向微流道储液舱。由于有第二衬底的支撑，第一衬底可以做到极薄的厚度，具体的为10μm，可以实现2μm孔径的雾化孔。第二衬底选用导热性能差的陶瓷片材料。第二衬底上做有通孔，孔径可以在几十或几百微米，具体的为80μm，储液舱的液体通过第二衬底的通孔流入横向微流道储液舱，经过第一衬底的加热通过雾化孔进行雾化。第二衬底的通孔和第一衬底的雾化孔不直接对应，且第一衬底的雾化孔径非常小以及第一衬底的横向微流道储液舱高度足够小(可以做到几个微米甚至1微米)，几种结构的组合对液体流通产生阻力，具有良好的锁液效果。第一衬底不直接和储液舱的液体接触，避免了炸舱现象。
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 (7)
1.一种MEMS硅基雾化芯，其特征在于，包括第一衬底(1)和第二衬底(2)，所述第一衬底(1)上设置有若干雾化孔(3)，所述雾化孔(3)贯穿所述第一衬底(1)，所述第一衬底(1)的一侧设置有横向微流道储液舱(4)，若干所述雾化孔(3)均与所述横向微流道储液舱(4)相连通，所述第一衬底(1)的另一侧设置有金属电极(5)，所述金属电极(5)上连接有电阻丝；所述第二衬底(2)连接在所述第一衬底(1)上，所述第二衬底(2)上设置与若干通孔(6)，所述通孔(6)贯穿所述第二衬底(2)的上下表面，所述通孔(6)连通所述横向微流道储液舱(4)，所述通孔(6)与所述雾化孔(3)错位布置。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS硅基雾化芯，其特征在于，所述金属电极(5)的材料为Ti/Au、Ti/Pt、Ti/TiN/Au、Ti/TiN/Pt、Ta/Au、Ta/Pt、Ta/TaN/Au或Ta/TaN/Pt中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS硅基雾化芯，其特征在于，所述第一衬底(1)的材料为硅片。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS硅基雾化芯，其特征在于，所述第二衬底(2)的材料为低导热性的玻璃片、石英片或陶瓷片。
5.一种MEMS硅基雾化芯制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备第二衬底，第二衬底为玻璃片、石英片、陶瓷片等低导热性差的材料；
2)采用激光打孔、喷砂打孔、腐蚀工艺或干法蚀刻中的一种在第二衬底上打出贯穿所述第二衬底的通孔；
3)准备第一衬底，所述第一衬底的材料为硅片；
4)采用干法蚀刻或湿法腐蚀在所述第一衬底上蚀刻横向微流道储液舱；
5)采用阳极键合工艺、玻璃浆料粘结工艺、金属共晶或扩散键合技术中的一种将第一衬底和第二衬底粘在一起；
6)使用化学机械减薄或湿法腐蚀减薄工艺将第一衬底减薄；
7)在第一衬底的表面沉积金属电极以及金属电阻丝，并通过干法蚀刻或湿法腐蚀工艺做出特定图形；
8)在第一衬底表面蚀刻出雾化孔。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS硅基雾化芯制造方法，其特征在于，所述步骤4)中使用的腐蚀液为TMAH或KOH溶液中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种MEMS硅基雾化芯制造方法，其特征在于，所述步骤7)中金属电极的材料为Ti/Au、Ti/Pt、Ti/TiN/Au、Ti/TiN/Pt、Ta/Au、Ta/Pt、Ta/TaN/Au或Ta/TaN/Pt中的一种。
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