CN115500556A - 具有声子点阵微结构的雾化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有声子点阵微结构的雾化装置，包括压电基底、设置在压电基底表面的叉指换能器和声子点阵微结构，声子点阵微结构设于叉指换能器发出的声表面波传播方向的正前方，声子点阵微结构包括若干点阵式排列的点阵微单元和连通各点阵微单元的点阵微通道，点阵微单元沿着声表面波传播方向进行纵向与横向均匀排列，点阵微单元设为凹进压电基底表面的凹坑或凸出表面的凸台，点阵微通道和点阵微单元均由多孔材料构成用于渗透、输送和存储雾化液，声表面波传播到声子点阵微结构时在点阵微单元产生谐振，点阵微单元的表面形成液膜并进一步雾化。其有益效果是，声表面波可在点阵微单元上形成谐振，使得声表面波能量更高效地耦合到雾化液中。

Description

具有声子点阵微结构的雾化装置

技术领域

本发明涉及雾化液的雾化装置技术领域，更具体的说，本发明涉及一种具有声子点阵微结构的雾化装置。

背景技术

雾化设备可将其内部储存的雾化液雾化成为气溶胶即气雾、蒸汽、或烟雾供使用者吸入。现有的雾化设备一般包括相互连接的电源组件和雾化装置，其中电源组件内设有给雾化装置供应电源的电池或电源适配器和控制电路。雾化设备的应用包括电子烟、药液雾化器、加湿器等等，雾化液包括电子烟烟液、药液、草本植物精华液、其它物质溶解液等。

目前，电子烟的应用方面，市场主流的电子烟雾化装置，绝大多数以电热式雾化为主，少数采用超声波式雾化。电热式雾化基于热传导原理，通过气流传感器、机械按键或触控按键触发电子烟工作，导通电路给发热丝或发热片(由镍铬合金、不锈钢合金、镍200合金或钛合金绕制而成)供电，加热烟液雾化形成气溶胶供用户吸入。虽然电热式雾化导热速率快、雾化效率高，但材料本身和结构设计等方面仍然存在许多不足，主要表现如下：(1)容易干烧或碳化而产生异味，严重影响抽吸品质和感官体验；(2)连续抽吸过程中，发热组件持续升温可高达500-600℃，存在潜在安全风险；(3)烟液与发热组件长期接触，重金属浸出并转移至气溶胶，以及高温热解会释放醛类等有害成分，带来健康隐患。

此外，超声波雾化式电子烟利用换能器的高频震荡引起雾化片高频谐振，进而产生超声波定向压强，使烟液表面隆起，在隆起的液面周围发生空化作用，使烟液雾化产生气溶胶。与电热式雾化电子烟相比，超声波雾化发热量小，有害物质释放量低，干烧或碳化现象不明显，但超声波是一种体声波，能量在传播过程中不可控的向四周扩散，使得烟液雾化所需功耗高、速率低、效率低，难以稳定地产生粒径分布均匀的气溶胶，且较难雾化高粘度的烟液。

鉴于目前常见雾化设备存在的诸多问题，因此探索新型雾化装置在电子烟或烟液雾化器中的应用具有十分重要的意义。

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)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。20世纪60年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，大量人造压电材料的出现才为SAW技术的发展提供了必要的物质和技术基础。1965年，美国的White和Voltmer发明了能在压电基底材料表面激励SAW的金属叉指换能器(Inter-digital Tranducer，IDT)。

声表面波在雾化技术领域的应用，SAW雾化凭借驱动功率小、激励频率高、能量定向集中、发热量小等特点在雾化技术领域具有十分广阔的应用前景。但现有技术的提升发展和存在的缺点主要体现在以下方面：

第一，叉指换能器的设计和改进，如中国公开号为CN111165886A、名称为一种可变频声表面波电子烟的专利申请文件，公开了一种扇形结构的单向结构SPUDT，利用孔径方向上IDT周期变化来实现该区域内产生不同的声表面波，从而实现不同雾化粒径的控制，并且能使得声表面波从一个方向激发，减少双向损耗。但是这种方案的最多改善3dB的双向损耗，对雾化效率提升有限制。

第二，导油装置改进，如中国公开号为CN111838769A，名称为一种电子烟雾化装置以及电子烟的专利申请文件，公开了一种弧形的IDT，有利于将声表面波的能量更集中到雾化区域，并且将加热电阻丝缠绕在多孔陶瓷上提高雾化烟液的温度，有助于提高雾化效果。但其通过加热片或者加热丝的方式，需要通过加入立体的额外加热结构，不兼容平面工艺，增加了额外的功耗，不利于小型化和低成本。

现有声表面波技术在雾化区域方面，只有一个整体的雾化区域，声表面波在该区域作用时只产生一个雾化液膜，导致雾化效率低。

现有声表面波技术在导液材料方面，一般直接通过移液器或者吸液多孔块体材料，导致出液量大，不易控制，同时导致液膜厚度相对于波长太大，雾化不良，降低了雾化效率。

另外，声表面波雾化需要在叉指换能器IDT上加载较大功率，由于电极的电阻效应造成压电晶片的温度骤然升高，由于压电晶体的各向异性特点，很容易造成裂片的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足而提供一种具有声子点阵微结构的雾化装置。

本发明的技术方案是这样实现的：一种具有声子点阵微结构的雾化装置，包括压电基底、设置在压电基底表面的叉指换能器和声子点阵微结构，所述声子点阵微结构设于所述叉指换能器发出的声表面波传播方向的正前方，所述声子点阵微结构包括若干点阵式排列的点阵微单元和连通各所述点阵微单元的点阵微通道，所述点阵微单元沿着所述声表面波传播方向进行纵向与横向均匀排列，所述点阵微单元设为凹进所述压电基底表面的凹坑或凸出表面的凸台，所述点阵微通道和点阵微单元均由多孔材料构成用于渗透、输送和存储雾化液，所述声表面波传播到所述声子点阵微结构时在所述点阵微单元产生谐振，所述点阵微单元的表面形成液膜并进一步雾化。

优选地，所述点阵微单元在相邻的横向列上错位均匀设置，且相邻的横向列之间的距离设为所述声表面波半波长的整数倍。

优选地，所述点阵微通道设于相邻间的所述点阵微单元的斜对角连线上。

优选地，所述点阵微单元凹坑的深度或凸台的高度设为2微米～200微米。

优选地，所述点阵微单元设为方块，所述方块的边长设为所述声表面波波长的0.1～0.4倍。

优选地，所述多孔材料的孔隙率设为50％～70％。

优选地，还包括存储雾化液的储液仓和导液件，所述导液件连通所述储液仓和声子点阵微结构，并将储液仓内存储的雾化液导流至所述声子点阵微结构。

优选地，所述导液件包括连通设置的进液口、若干导流微通道和若干供液口，每一导流微通道分别连通一供液口，所述供液口分别与所述声子点阵微结构边上的点阵微单元匹配连接。

优选地，所述供液口的宽度与所述点阵微单元的宽度相当，高度设为60微米～200微米。

优选地，所述压电基底由压电单晶结构构成，或由压电薄膜和基底组成的复合结构构成。

优选地，所述压电基底的厚度设为0.35毫米～1毫米。

优选地，所述叉指换能器设为常规双向叉指换能器，或设为单向单相换能器，或设为在常规双向叉指换能器的一侧加入反射栅构成的换能器。

优选地，所述叉指换能器上加载的交流电压的频率设定为3MH_Z～100MH_Z。

优选地，所述叉指换能器的电极指宽为15微米～80微米，长度为1毫米～50毫米，厚度为80纳米～2微米。

本发明具有声子点阵微结构的雾化装置的有益效果是：

该雾化装置设有声子点阵微结构，当声表面波到达声子点阵微结构时，在该结构内部由于多次同相反射干涉加强形成谐振，并将谐振的能量集中于点阵微单元上，使得声表面波能量更高效地耦合到待雾化的液体中去；

声子点阵微结构设置有众多的点阵微单元，每个点阵单元都能产生液膜雾化区，比传统的只有一个雾化液膜进行雾化的方式，明显提升了有效雾化面积，非常有利于雾化效率提升；

该雾化装置采用了多孔材料的微结构，相比于传统的直接通过移液器或者吸油多孔块体材料，其点阵微单元尺寸小，每个单元和波长尺寸同量级，形成液膜厚度也小，有利于雾化速率的提升；

该雾化装置采用了导流微通道，导流微通道的出口端与声子点阵微结构的点阵微单元匹配连接，能有效地实现待雾化液体均匀地供应至声子点阵微结构的各个位置，提高雾化效率。

本发明的雾化装置，属于声表面波在雾化技术领域的应用，具有驱动功率小、激励频率高、能量定向集中、发热量小、雾化液的有效物质不容易被破坏、有害物质的释放量势必会比电热式雾化低得多的优点，还因其能量集中且转化效率高，能产生粒径均匀性好的气溶胶，可雾化高粘度的雾化液，以及因其高频特性使得产生的气溶胶粒径更小、口感更细腻、更容易被人体吸收，且可以使雾化设备的尺寸更小，结构更紧凑可以便携化。

附图说明

图1为本发明具有声子点阵微结构的雾化装置的俯视图；

图2为本发明具有声子点阵微结构的雾化装置的立体视图；

图3为本发明具有声子点阵微结构的雾化装置的立体分解结构图；

图4为本发明具有声子点阵微结构的雾化装置的导液件的立体视图；

图5为常规双向叉指换能器示意图；

图6为单向单相换能器示意图；

图7为常规双向叉指换能器的一侧加入反射栅的换能器。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明具有声子点阵微结构的雾化装置，采用声表面波雾化的原理和声子点阵微结构，雾化时具有发热量小、雾化液的有效物质不容易被破坏、有害物质的释放量小、以及产生的气溶胶粒径更小、口感更细腻的优点，可更好地应用于电子烟、药液雾化器。

实施例

如图1～图4所示，本发明具有声子点阵微结构的雾化装置，由压电基底1、以及相邻设置在压电基底1的表面的叉指换能器2、声子点阵微结构3，以及导液件4、储液仓(图中未示)组成。其中图2中的虚线箭头方向A为声表面波的传播方向，图4为展示导液件4的底面的立体视图。

其中，声子点阵微结构3设于叉指换能器2发出的声表面波传播方向A的正前方，声子点阵微结构3包括若干点阵式排列的点阵微单元31和连通点阵微单元的点阵微通道32，点阵微单元31沿着声表面波传播方向A进行纵向与横向均匀排列，点阵微单元31为微结构，点阵微单元31设为凹进压电基底表面的凹坑或凸出其表面的凸台，点阵微单元31之间连通设有渗透或输送雾化液的点阵微通道32，点阵微通道32与点阵微单元31均由多孔材料构成以便渗透、输送和存储雾化液。点阵微通道32为微细通道，雾化液在多孔的点阵微通道32内利用毛细力渗透、传输。点阵微通道32可设于相邻间的点阵微单元31的斜对角连线上，这样的结构可以更快速均匀地将雾化液渗透传送到点阵微单元。声表面波传播到声子点阵微结构3时在各个点阵微单元31上产生谐振，各个点阵微单元31的表面形成液膜并进一步雾化。

点阵微单元31具体可以是声子晶体结构排列，点阵微单元31在相邻的横向列上错位均匀设置，例如后一横向列上的点阵微单元31在横向位置上设于前一横向列上的两个点阵微单元31的中间。相邻的横向列的中心点之间的距离X设为声表面波半波长的整数倍。这种结构可使得声表面波在各个点阵微单元31上由于多次同相反射干涉加强形成谐振。

本发明的声子点阵微结构3设置有众多的点阵微单元31，每个点阵单元31都能产生液膜雾化区，比传统的只有一个整体的雾化液膜进行雾化的方式，明显提升了有效雾化面积，非常有利于雾化效率提升。同时，本发明的雾化装置采用了多孔材料的微结构，相比于传统的直接通过移液器或者吸油多孔块体材料，其点阵微单元尺寸小，每个单元和波长尺寸同量级，形成液膜厚度也小，有利于雾化速率的提升。

叉指换能器(IDT)2设置在压电基底1的表面，位于声子点阵微结构3的一侧，其产生的声表面波(SAW)可作用在声子点阵微结构3区域。叉指换能器(IDT)2通电工作时产生声表面波(SAW)并传播到声子点阵微结构3，在声表面波(SAW)的作用下，雾化液在点阵微单元31的表面积聚形成液膜，液膜在声表面波的高频振动下进一步雾化。

具体地，雾化装置工作时，通过在叉指换能器(IDT)2输入交流电信号，利用压电基底1的逆压电效应，在IDT的压电基底部分激励起声表面波(SAW)并传播出去，经过声子点阵微结构时，在每个点阵微单元31的多孔材料中的雾化液吸出并产生一层半月板形状的液膜，SAW携带的能量会以漏声表面波的模式以特定角度衍射进入液膜并产生形变，从而对液膜的自由表面产生强烈扰动，当液膜表面自身的表面张力不足以保持其几何形态的稳定时，雾化便开始发生。声子点阵微结构3的优点在于，当声表面波到达声子点阵微结构3，在该结构内部由于多次同相反射干涉加强形成谐振，并将谐振的能量集中于点阵微单元31上，使得声表面波波能量更高效地耦合到待雾化液体中去，使雾化速度更快、雾化效率提高。

导液件4放置于压电基底1的一侧，导液件4连通储液仓和声子点阵微结构3，导液件4设有进液口41、供液口42，其中进液口41连通储液仓，供液口42与声子点阵微结构3连接并供液。导液件4内设有若干导流微通道40，每一导流微通道进口端与进液口41连通，出口端分别设一供液口42，供液口42分别与声子点阵微结构3的边上的点阵微单元31匹配连通。本发明的雾化装置采用了导流微通道40的结构，导流微通道的出口端与声子点阵微结构的点阵微单元匹配连接，可以精确供油控制，能有效地实现待雾化液体均匀地供应至声子点阵微结构的各个位置，提高雾化效率。

声子点阵微结构3的周期与IDT的半周期呈整数倍。声子点阵微结构3中，点阵微单元31横向相邻之间的间隔距离X设为声表面波的半波长的整数倍。点阵微单元设为方块，方块的边长设为声表面波波长的0.1～0.4倍。点阵微单元的深度或高度设为2微米～200微米。点阵微单元的多孔材料的孔隙率设为50％～70％。供液口42的宽度与点阵微单元31的宽度相当，高度设为60微米～200微米。声子点阵微结构3的上述设置，能够让声表面波传播到该区域内后，利用声子晶体的特征在点阵微单元31上产生声表面波的谐振。

本实施例中，压电基底1的厚度为0.35～1毫米，压电基底1由压电单晶结构构成，压电单晶材料具体采用氧化黑化的铌酸锂。相比较传统的未处理铌酸锂基片(透明)，氧化黑化的铌酸锂基片，其机电耦合系数略微低一点，但是由于其能有效解决传统铌酸锂基片在雾化应用中由于加载功率过大，因为热释电效应导致的裂片问题。

在其它实施例中，压电基底1也可由压电薄膜和基底组成的复合结构构成，压电薄膜材料可以是氧化锌ZnO、或氮化铝AlN等，基底材料可以是硅、或蓝宝石等。

本实施例中，压电基底1上的点阵微结构的多孔材料，可通过磁控溅射或者旋涂方式在压电基底1上进行制备。

本发明的雾化装置中，叉指换能器上加载的交流电压的频率设定为3MH_Z～100MH_Z。叉指换能器(IDT)，其电极层的材料包括Al、Pt、Ti、Au、Mo或者W。叉指换能器的电极指宽可设为15微米～80微米，长度设为1毫米～50毫米，厚度设为80纳米～2微米。这种结构尺寸的设计，有利于提高叉指换能器的工作效率。

如图5所示，本实施例中，叉指换能器2为常规双向叉指换能器，该叉指换能器2产生的声表面波向左右两侧发出，如图5中箭头方向所示。

如图6所示，在其它实施例中，叉指换能器2可以是单向单相换能器，该叉指换能器2产生的声表面波向一侧发出，如图6中箭头方向所示。该叉指换能器2利用激励中心与反射中心不对称，抑制反方向上声表面波，可增强正向传播的声表面波。

如图7所示，在其它实施例中，可采用常规双向叉指换能器2的一侧加入反射栅20的换能器，该叉指换能器可将反向传播的声表面波反射回另一侧，与正向传播的声表面波合为一个方向，如图7中箭头方向所示。

本发明的雾化装置的工作原理是，声子点阵微结构由多孔结构材料构成，该结构连通储液仓，烟液或者待雾化液体通过导液件由储液仓进入点阵微结构，并通过点阵微通道的毛细力作用渗透、传导到每个点阵微单元中，导液速率主要由多孔材料的孔隙率决定。声子点阵微结构及点阵微单元的尺寸可根据换能器的周期和激励频率决定，点阵的高度尺寸可以根据雾化速率的需要调整。在换能器上加载交流电压时，由于压电基底的逆压电效应，会激励起来声表面波并向声子点阵微结构方向传播。当声表面波到达声子点阵微结构时，由于声致微流效应，会在将点阵微单元中的待雾化液体拖拽出来，在其表面形成一种液膜。同时，由于叉指换能器激励的声表面波与置于点阵微单元上的液膜相接触时，声表面波携带的能量会以漏声表面波的模式以特定角度衍射进入液体并产生形变，从而对液体的自由表面产生强烈扰动，当液体表面自身的表面张力不足以保持其几何形态的稳定时，雾化便开始发生。

本发明的雾化装置，属于声表面波在雾化技术领域的应用，具有驱动功率小、激励频率高、能量定向集中、发热量小、雾化液的有效物质不容易被破坏、有害物质的释放量势必会比电热式雾化低得多的优点，还因其能量集中且转化效率高，能产生粒径均匀性好的气溶胶，可雾化高粘度的雾化液，以及因其高频特性使得产生的气溶胶粒径更小、口感更细腻、更容易被人体吸收，且可以使雾化设备的尺寸更小，结构更紧凑可以便携化。

以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制。在本发明的技术思想范畴内，可以出现各种变形及修改，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明所保护的范围。

Claims (14)

1.一种具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：包括压电基底、设置在压电基底表面的叉指换能器和声子点阵微结构，所述声子点阵微结构设于所述叉指换能器发出的声表面波传播方向的正前方，所述声子点阵微结构包括若干点阵式排列的点阵微单元和连通各所述点阵微单元的点阵微通道，所述点阵微单元沿着所述声表面波传播方向进行纵向与横向均匀排列，所述点阵微单元设为凹进所述压电基底表面的凹坑或凸出表面的凸台，所述点阵微通道和点阵微单元均由多孔材料构成用于渗透、输送和存储雾化液，所述声表面波传播到所述声子点阵微结构时在所述点阵微单元产生谐振，所述点阵微单元的表面形成液膜并进一步雾化。

2.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述点阵微单元在相邻的横向列上错位均匀设置，且相邻的横向列之间的距离设为所述声表面波半波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述点阵微通道设于相邻间的所述点阵微单元的斜对角连线上。

4.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述点阵微单元凹坑的深度或凸台的高度设为2微米～200微米。

5.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述点阵微单元设为方块，所述方块的边长设为所述声表面波波长的0.1～0.4倍。

6.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述多孔材料的孔隙率设为50％～70％。

7.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：还包括存储雾化液的储液仓和导液件，所述导液件连通所述储液仓和声子点阵微结构，并将储液仓内存储的雾化液导流至所述声子点阵微结构。

8.根据权利要求7所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述导液件包括连通设置的进液口、若干导流微通道和若干供液口，每一导流微通道分别连通一供液口，所述供液口分别与所述声子点阵微结构边上的点阵微单元匹配连接。

9.根据权利要求8所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述供液口的宽度与所述点阵微单元的宽度相当，高度设为60微米～200微米。

10.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述压电基底由压电单晶结构构成，或由压电薄膜和基底组成的复合结构构成。

11.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述压电基底的厚度设为0.35毫米～1毫米。

12.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述叉指换能器设为常规双向叉指换能器，或设为单向单相换能器，或设为在常规双向叉指换能器的一侧加入反射栅构成的换能器。

13.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述叉指换能器上加载的交流电压的频率设定为3MH_Z～100MH_Z。

14.根据权利要求1所述的具有声子点阵微结构的雾化装置，其特征在于：所述叉指换能器的电极指宽为15微米～80微米，长度为1毫米～50毫米，厚度为80纳米～2微米。

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