CN117255439A - 一种发热体及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种发热体，包括：致密基材，所述基材上开设若干穿孔；附着于所述基材上的铂镀膜。本发明还提供一种发热体的制造方法，其特征在于，包括采用溅射镀膜，或热蒸发等物理气相沉积工艺在致密基材上形成铂镀膜的步骤。本发明的发热体及发热体制造方法，采用溅镀工艺将铂作为基材的镀膜材料，通过大幅度降低铂镀膜的厚度，实现对其发热性能的优化，并获得了抗干烧、制造成本低、生产效率高等优势。根据优选的实施例，还能提高铂镀膜附着力、抗氧化性、高润湿性能。
Description
本发明涉及电子雾化领域，尤其一种电子雾化器的发热体加工方法，以及使用该方法加工的发热体。
背景技术
本发明中的雾化指将液体雾化成气溶胶，达到可供使用者通过口、鼻吸入的状态。雾化在医疗雾化，娱乐雾化以及电子烟等产品中有广泛的应用。
发热体是电子雾化装置的核心部件，一种主流的发热体实现方式是在基材上镀膜制成。镀膜的材料、厚度和尺寸，直接影响了镀膜的电阻和导热、导电性能。
现有技术中，基材上的镀膜材料有镍铬、钛锆、316L不锈钢、钛、钽、金、银、铂等金属及其合金，利用了这些材料较好的导电和导热性能。另外，基于加工工艺和材料特性的限制，现有技术的镀膜厚度在1～200微米。这个厚度，对于金、银、铂等导电性能很强的材料来说，通常电阻较小，加热功率有所欠缺，不得不通过提高电池功率等方式弥补，导致能耗更高，又不安全，并且由于现有材料对厚度的要求也极大的限制了量产的镀膜生产时长阻碍加工成本的进一步降低。
因此改进镀膜工艺，制造出更薄的，抗氧化且易于实现温度监控和控制的镀膜，有利于提高加热性能、安全性。此外，选取导热性能更好的材料，对精确监测温度，从而精确实现温控有重要意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发热体，包括：致密基材，所述基材上开设若干穿孔；附着于所述基材上的铂镀膜。
优选地，上述发热体中，所述致密基材包括玻璃或致密陶瓷。
优选地，上述发热体中，所述铂镀膜的厚度为110～600纳米。
优选地，上述发热体中，所述铂镀膜的面积为2～18平方毫米。
优选地，上述发热体中，所述铂镀膜的厚度为150～350nm。
优选地，上述发热体中，所述基材与所述铂镀膜之间还包括结合层，所述结合层附着于所述基材上；所述铂镀膜附着于所述结合层上；所述结合层包括钛，或钽，或铂，或钛氧化物，或铂氧化物。
优选地，上述发热体中，所述的铂镀膜上还包括功能层。
优选地，上述发热体中，所述结合层厚度为1-100纳米。
优选地，上述发热体中，所述功能层材料包括金，或金银合金。
优选地，上述发热体中，所述保护层的厚度为10-100纳米。
优选地，上述发热体中，还包括温控系统，所述温控系统包括：电阻检测电路和温控电路；所述电阻检测电路用于通过所述铂镀膜检测所述发热体的电阻，并将所述电阻信息反馈给所述温控电路；所述温控电路记录所述发热体的基准电阻，结合所述电阻信息计算所述发热体的温度，并对所述发热体温度进行控制。
本发明还提供一种发热体的制造方法，其特征在于，包括采用溅射镀膜，或蒸镀镀膜工艺在致密基材上形成铂镀膜的步骤。
优选地，上述发热体制造方法中，所述溅射镀膜工艺包括直流磁控溅射，或直流脉冲磁控溅射，或高能脉冲磁控溅射，或射频磁控溅射方式。
优选地，上述发热体制造方法中，所述采用溅射镀膜工艺在致密基材上形成铂镀膜的步骤之前，还包括在所述基材表面沉积结合层的步骤，所述铂镀膜沉积在所述结合层上；所述结合层的沉积方式包括：在惰性气体和氧气氛围中采用物理气相沉积工艺沉积的钛及其氧化物的混合物薄膜或钽及其氧化物的混合物薄膜，或铂及其氧化物的混合物薄膜。
优选地，上述发热体制造方法中，将铂镀膜沉积在结合层上的步骤包括：在结合层上溅镀铂膜的步骤，其中所述溅镀包括直流磁控溅射、直流脉冲磁控溅射、高能脉冲磁控溅射、射频磁控溅射；以及对基材进行退火处理的步骤。
优选地，上述发热体制造方法中，对所述基材进行退火处理的步骤中，温度为400～1300℃。
优选地，上述发热体制造方法中，对所述基材进行退火处理的步骤中，退火时间为20～200分钟。
优选地，上述发热体制造方法中，还包括在所述铂镀膜外附着功能层的步骤，其中所述功能层材料包括金或金银合金。
优选地，上述发热体制造方法中，所述金或金银合金功能层的厚度为10-100纳米。
本发明的发热体及发热体制造方法，采用溅镀或蒸镀工艺将铂作为基材的镀膜材料，通过大幅度降低铂镀膜的厚度，实现对其发热性能的优化，并获得了抗干烧、制造成本低、生产效率高等优势。根据优选的实施例，还能提高铂镀膜附着力、抗氧化性、高润湿性能。
附图说明
图1所示为本发明一种优选实施方式的截面图；
图2所示为本发明优选实施方式中温控系统的逻辑框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。如无特别说明，文中用到的“上”、“下”、“左”、“右”等表示方位的词，均以附图的观察者的视角为参考。
首先参考图1，本发明的发热体1，包括致密基材11，基材11上开设若干穿孔14，基材1上沉积有铂镀层12。现有技术中，基材上的镀膜因加工方法所限，厚度是微米数量级，通常在1～200微米。这个厚度的纯铂作为发热体镀膜材料，电阻过小，导致发热性能差，无法满足雾化发热量和发热效率的需求。但正如背景技术部分介绍，影响镀膜电阻的因素除了材料本身的导电性外，还有镀膜的厚度和尺寸。
本发明的发热体，基材11选料为包括玻璃或者致密陶瓷，不同于现有技术中的多孔陶瓷材料，单晶，玻璃或者致密陶瓷的表面更为光滑，有利于形成更薄、更均匀的镀膜。镀膜的工艺使用物理气相沉积工艺，包括磁控溅射镀膜和蒸镀镀膜，将铂镀膜12厚度控制在110～600纳米之间，结合发热体1的尺寸，铂膜12的长度范围2～6毫米、宽度1～3毫米，能使铂镀膜12的电阻控制在1～3欧姆，其发热性能可以满足雾化发热量和发热效率的需求。优选厚度取值是150～350纳米范围，这样其电阻值能控制在约2欧姆，下表给出了270纳米厚度、10平方毫米铂镀膜的干烧实验数据：
从上表可以看出，铂镀膜在干烧实验前后的电阻值非常稳定。通过对180nm，200nm，250nm，300nm几种其它厚度的铂镀膜进行实验，也得到了相同的结论。
除优异的抗干烧性能外，由于膜厚度的减少，不仅降低了成本、提高了制造效率，更重要的是对于电池的容量需求降低，每次抽吸的能耗也可控制到最优。此外，镀膜的厚度越小，薄膜应力越少、在反复的加热-冷却过程中薄膜对基材的附着就越稳定。
为提高铂镀膜与基材的附着力，优选地在基材表面先设置结合层13，并对结合层进行处理之后，再镀铂膜，所述结合层的加工方式包括：在惰性气体+O2气氛中采用物理气相沉积工艺沉积的Ti+TiOx混合物薄膜或Ta+TaOx混合物薄膜或Pt+PtOx混合物薄膜。
将铂镀膜沉积在结合层上的步骤包括：
步骤S1：采用直流磁控溅射、直流脉冲磁控溅射、高能脉冲磁控溅射(HiPIMS)、射频磁控溅射等金属薄膜的溅射镀膜方式，在结合层上溅镀铂膜。
步骤S2：对基材进行退火处理。退火处理能大量去除结合层以独立形式存在的氧或以氧化物形式存在的氧，经过退火处理后，结合层厚度减小到几纳米。本例中使用氧化铂作为结合层氧化物的优势在于，避免了使用其它氧化物失氧后生成的钛、钽对铂镀膜产生不良影响。
采用磁控溅射法制备且未经退火处理的铂薄膜，薄膜中铂晶粒较小，且薄膜中容易存在较大应力和较多缺陷。退火可以改善薄膜的结晶状态，促进晶粒的长大，从而可以降低薄膜的电阻，提高铂薄膜的性能。
退火处理的温度为400～1300℃，本例优选为500度、时间控制在20～200分钟。退火对铂薄膜晶体结构的影响随其厚度而变化。
为改善铂镀膜表面的润湿性能，本实施例更优选地，在铂镀膜上再附着一层金或金银合金层作为功能层，优选厚度为10～100纳米。
考虑到铂本身电阻值与温度关系TCR表现为良好的线性，因此本发明采用铂镀膜的另一个优势在于，实现温控的系统，不需要专门的测温用热敏电阻，只需要将温度检测电路直接连接发热体，通过监测铂镀膜的电阻变化就能实现精确的测温。温控系统的逻辑框图如图2所示，包括电阻检测电路，以及温控电路。电阻检测电路检测发热体的电阻，并将该电阻信息反馈给温控电路。温控电路记录了发热体的基准电阻，结合电阻检测电路反馈的电阻信息以及发热体的TCR，可以计算发热体的温度，进而通过发热控制实现对发热体的温度控制。
根据本发明的发热体，采用铂作为基材镀膜，通过大幅减少镀膜厚度的方式，不仅克服了现有技术中铂发热效率低的问题，而且能够发挥铂导热性能好、TCR特征优异等优势，使得本发明的发热体有更好的抗干烧能力以及雾化过程中的温度控制，从而最大限度地保障雾化器稳定工作并大大降低有毒有害气体的产生。根据优选的加工方式获得的发热体，还具有镀膜附着力好、抗氧化性好、高润湿性、温控系统简单的优势，因而具有很高的产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (19)
1.一种发热体，其特征在于，包括：
致密基材，所述基材上开设若干穿孔；
附着于所述基材上的铂镀膜。
2.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于，所述致密基材包括玻璃或致密陶瓷。
3.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于，所述铂镀膜的厚度为110～600纳米。
4.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于，所述铂镀膜的面积为2～18平方毫米。
5.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于，所述铂镀膜的厚度为150～350nm。
6.根据权利要求1所述的雾化芯，其特征在于，所述基材与所述铂镀膜之间还包括结合层，所述结合层附着于所述基材上；所述铂镀膜附着于所述结合层上；所述结合层包括钛和钛氧化物的混合物，或钽和钽氧化物的混合物，或铂和铂氧化物的混合物。
7.根据权利要求1或6所述的发热体，其特征在于，所述的铂镀膜上还包括功能层。
8.根据权利要求6所述的发热体，其特征在于，所述结合层厚度为1-100纳米。
9.根据权利要求7所述的发热体，其特征在于，所述功能层材料包括金，或金银合金。
10.根据权利要求7所述的发热体，其特征在于，所述保护层的厚度为10-100纳米。
11.一种发热体的制造方法，其特征在于，包括采用溅射镀膜，或蒸镀镀膜工艺在致密基材上形成铂镀膜的步骤。
12.根据权利要求11所述的发热体制造方法，其特征在于，所述溅射镀膜工艺包括直流磁控溅射，或直流脉冲磁控溅射，或高能脉冲磁控溅射，或射频磁控溅射方式。
13.根据权利要求11所述的发热体制造方法，其特征在于，所述采用溅射镀膜工艺在致密基材上形成铂镀膜的步骤之前，还包括在所述基材表面沉积结合层的步骤，所述铂镀膜沉积在所述结合层上；所述结合层的沉积方式包括：在惰性气体和氧气氛围中采用物理气相沉积工艺沉积的钛及其氧化物的混合物薄膜或钽及其氧化物的混合物薄膜，或铂及其氧化物的混合物薄膜。
14.根据权利要求13所述的发热体制造方法，其特征在于，将铂镀膜沉积在结合层上的步骤包括：在结合层上溅镀铂膜的步骤，其中所述溅镀包括直流磁控溅射、直流脉冲磁控溅射、高能脉冲磁控溅射、射频磁控溅射；以及对基材进行退火处理的步骤。
15.根据权利要求14所述的发热体制造方法，其特征在于，对所述基材进行退火处理的步骤中，温度为400～1300℃。
16.根据权利要求14所述的发热体制造方法，其特征在于，对所述基材进行退火处理的步骤中，退火时间为20～200分钟。
17.根据权利要求11或13所述的发热体制造方法，其特征在于，还包括在所述铂镀膜外附着功能层的步骤，其中所述功能层材料包括金或金银合金。
18.根据权利要求17所述的发热体制造方法，其特征在于，所述金或金银合金功能层的厚度为10-100纳米。
19.根据权利要求1所述的发热体，其特征在于，还包括温控系统，所述温控系统包括：
电阻检测电路和温控电路；
所述电阻检测电路用于通过所述铂镀膜检测所述发热体的电阻，并将所述电阻信息反馈给所述温控电路；
所述温控电路记录所述发热体的基准电阻，结合所述电阻信息计算所述发热体的温度，并对所述发热体温度进行控制。
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