CN210353141U - 一种mems电子烟雾化器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MEMS电子烟雾化器，包括雾化芯片和电压控制器；所述雾化芯片包括壳体；所述壳体内构造有加热腔,加热腔开设有进油孔，进油孔的输出端连通加热腔，输入端与给油装置连通；所述壳体的底壁下表面固定有加热组件、温度传感器、电源接点、传感器接点；所述温度传感器的输出端通过传感器接点与电压控制器的输入端连接，所述电压控制器的输出端通过电源接点与加热组件的输入端连接。与现有技术相比，本实用新型的雾化芯片在不增加工艺复杂度的前提下集成了温度传感器，且温度传感器与加热丝在同一平面上，能实时精准的检测到烟油的雾化温度，使得烟油雾化的均匀性更好。

Description

一种MEMS电子烟雾化器

技术领域

本实用新型涉及电子烟技术领域，具体来说是一种MEMS电子烟雾化器。

背景技术

电子烟雾化器是电子烟的核心部件，烟油在这个地方被进行加热，变成雾状气溶胶通过烟嘴被抽烟者吸入，从而达到模拟吸烟的过程，获得与抽卷烟类似的体验。现有的商用的雾化芯主要有两种：第一种是最常见的用环绕的金属加热丝或加热片与棉花结合，棉花与液体烟油直接接触，当加热丝通电时，吸附到棉花上的烟油高温雾化；第二种通过多孔陶瓷和发热导线组合成一个陶瓷发热体，直接浸入到烟油中，通电后陶瓷发热而烟油雾化。

以上两种主流的雾化器都有着共同的缺陷：雾化效率不可控，都属于被动给油的方式，雾化的效果决定于棉花或多孔陶瓷吸附的烟油量，吸附的烟油量不同，或者吸附的烟油不均匀分布，雾化器在加热雾化烟油时，会严重影响到雾化器内部的温度分布，而雾化的温度决定了最终产生的气体的种类和浓度，导致雾化的均匀性很差，抽吸的口感差。近年来，有基于MEMS技术的雾化芯片，如专利(CN108354228A)提出的一种集成Pt薄膜电阻温度传感器的 MEMS电子烟发热芯片，通过在雾化芯片加热单元的表面集成一个Pt电阻温度传感器来测量发热芯片的温度，配合外部温度控制器实现发热芯片的控制，使烟液均匀雾化。但是，其加热单元为一大块较厚的多孔硅，Pt温度传感器制作在多孔结构的最上面，所测的温度实际上是多孔硅最表面的温度，这很难代表实际的烟油温度，首先，对于这样一个立体的加热单元，从内部到表面本身就有一定的温度梯度，如果再考虑到与空气的对流和热传导，这个温度梯度会加大，使得测得的表面温度与实际烟油加热温度相差较大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种MEMS电子烟雾化器，实现精确测量当前温度，提高温控精度。

本实用新型通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种MEMS电子烟雾化器，包括雾化芯片和电压控制器；所述雾化芯片包括壳体；所述壳体内构造有加热腔,加热腔开设有进油孔，进油孔的输出端连通加热腔，输入端与给油装置连通；所述壳体的底壁下表面固定有加热组件、温度传感器、电源接点、传感器接点；所述温度传感器的输出端通过传感器接点与电压控制器的输入端连接，所述电压控制器的输出端通过电源接点与加热组件的输入端连接；所述电压控制器与电源电性连接

本实用新型的雾化芯片在不增加工艺复杂度的前提下集成了温度传感器，能实时精准的检测到烟油的雾化温度，使得烟油雾化的均匀性更好。

优选的，所述加热组件包括n根相同材料的金属丝，n为大于1的整数，n根金属丝相互独立的涡形盘绕在加热腔底壁下表面，大致形成多个同心圆或同心矩形框，其中m根金属丝为所述温度传感器，且温度传感器与加热丝的同心圆或同心矩形框在同一平面内交错布置；1≤m＜n；n-m根金属丝作为加热丝。

优选的，多根所述加热丝分别通过多组电源接点与电源独立电性连接。

优选的，所述金属丝为铂丝。

优选的，所述电压控制器包括分压电路、滤波电路、模数转换器、控制器、线性稳压器；所述温度传感器的输出端与分压电路的输入端连接，分压电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与线性稳压器的输入端连接，线性稳压器的输出端分别与加热丝和温度传感器的输入端连接。

优选的，所述壳体包括底座和盖板；所述底座包括第一硅衬底，在所述第一硅衬底的下表面沉积支撑膜，上表面刻蚀有一个第一微型腔；所述第一微型腔的底壁为所述支撑膜；所述加热组件固定在支撑膜的下表面，加热组件外覆有绝缘层；绝缘层外设置有引出加热组件、温度传感器的所述电源接点、传感器接点；所述盖板包括第二硅衬底；在所述第二硅衬底的上表面沉积有过滤膜，第二硅衬底的下表面刻蚀有与第一微型腔位置相对应的第二微型腔；所述第二微型腔的顶壁为所述过滤膜；所述第二硅衬底与第一硅衬底固定后，第一微型腔与第二微型腔形成所述加热腔；所述烟雾通道刻蚀在过滤膜上。

优选的，或所述盖板为半导体板状结构，与第一硅衬底上表面键合固定后，第一微型腔和第二微型腔形成所述加热腔，所述盖板与加热腔对应的位置构造有所述烟雾通道。

优选的，所述烟雾通道为在加热腔顶壁开设的多孔结构。

优选的，所述进油孔开设在第一硅衬底或板状结构的盖板上或第二硅衬底上。

优选的，所述给油装置为微油泵。

本实用新型的优点在于：

本实用新型的雾化芯片在不增加工艺复杂度的前提下集成了温度传感器，能实时精准的检测到烟油的雾化温度，使得烟油雾化的均匀性更好；

本实用新型采用将温度传感器与加热丝在同一平面上，且同心交错布置，可保证反馈的温度信息误差最小，提高调节精度；

本实用新型采取了多组金属加热丝，可以根据用户的喜好和需求选择不同的雾化模式，通过给不同数量的加热丝供电来改变雾化的强度，雾化强度可控可调性更好；

本实用新型提供的电压控制器，可根据温度传感器传回的实时温度对电压进行实时调节，弥补因环境等因素造成的加热温度变化而影响雾化效果；实现烟油雾化温度的精确控制以解决现有技术中雾化器温控的问题，以实现烟油的均匀雾化，提高电子烟的口感。

本实用新型的雾化芯片在对烟油进行加热雾化时，加热的核心部位为支撑膜，热量可以集中并很好地存储在膜内，加热速率快，热量的利用率高，功耗低；

本实用新型采用微油泵主动给油，实现油量可控；

本实用新型的雾化芯片结构简单，制作流程简单，依赖于MEMS工艺，易于批量制造降低成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的雾化芯片整体结构示意图；

图2为图1中底座结构示意图；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为图1中盖板结构示意图；

图5为图4的俯视图结构示意图；

图6为图4的仰视结构示意图；

图7为本实用新型实施例1中方案一中一根金属丝的结构示意图；

图8为本实用新型实施例1中方案一中三根金属丝的结构示意图；

图9为本实用新型实施例1中方案二的结构示意图；

图10为本实用新型实施例1中电压控制器的电路结构图；

图11为本实用新型实施例2中雾化芯片整体结构示意图。

具体实施方式

为使对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1、图2、图3所示，一种MEMS电子烟雾化器，包括：雾化芯片和电压控制器。雾化芯片包括底座1、盖板2、微油泵5。底座1为雾化芯片的加热部分，由第一硅衬底11，支撑膜12构成；第一硅衬底11的上表面有凹形的一个第一微型腔31；支撑膜12固定在第一硅衬底11的下表面，支撑膜12的下表面上有金属丝盘绕而成的加热盘4；加热盘4上有覆一层绝缘隔离膜13，绝缘隔离膜13外设置有金属丝4的引出焊盘。本实施例中金属丝采用铂丝。

盖板2，如图4、图5、图6所示，由第二硅衬底21，过滤膜22构成；第二硅衬底21 的下表面构造有凹形第二微型腔32，上表面沉积有过滤膜22；第二微型腔32与第一微型腔31的个数和位置相对应。底座1上表面和盖板2下表面粘合在一起，形成完整的雾化器芯片，如图1所示。凹形第一微型腔31和第二微型腔32形成烟油的加热腔。过滤膜22与加热腔对应的位置开设多孔结构，形成烟雾通道23。进油孔24可开设在第一硅衬底11上，也可以开设在第二硅衬底21上，本实施例开设在第二硅衬底21上。进油孔24的输出端与加热腔3连通，输入端与微油泵5连通，微油泵5与电源连接，实现主动给油的目的。

Pt金属丝4可以是两组及其以上的任意多组；

方案一：奇数2N+1，N正整数组金属丝，以三组金属丝为例，如图7所示，首先以旋涡形绕线一组金属丝41，在金属丝中心的两侧形成了两个咬合对称的空白区域51和52，如图8所示；从金属丝41中央空白的两端51和52分别沿着各自的路径旋涡形绕两组金属丝42和43；在金属丝42和金属丝43中间又分别多了一组分立的咬合对称的空白旋涡形区域53以及54。

对于2N+3，N为正整数组金属丝，只需要在2N+1，N为正整数组金属丝新产生的两个空白旋涡形区域如53和54按上述方法增加绕线即可。

方案二：偶数2N,N为正整数组金属丝多于一组，去掉奇数组正中间的一组金属丝，保留相互对称的加金属组即可；以两组金属丝为例，在方案一的三组金属丝的前提下，去除掉中间的一组金属丝41，留下两组金属丝42和43如图9所示；选取其中的任意一组作为温度传感器，其它的作为加热丝。

对于2N+2，N为正整数组金属丝，只需要如上述方法在2N+3，N为正整数组金属丝的基础上去除掉最中心一组即可。

对于多组M组，M为大于1的正整数金属丝，可选取其中的的m为正整数且m小于M组

Pt金属丝作为温度传感器，剩下的M-m组作为加热丝；M-m组加热丝共有

组不同的工作模式可调，每种工作模式代表不同的雾化强度；以三组金属丝为例，如图2-4所示，选取金属丝41作为温度传感器，金属丝42、43作为加热丝，则上述M等于3，m等于 1，共有

种不同的工作模式：加热丝42单独工作，加热丝43单独工作，加热丝42 和43同时工作；再加热电压不变的情况下，三种工作模式产生的加热温度不同，所实现的雾化强度不同。金属丝41作为温度传感器对供电电压进行反馈调控，使雾化的温度更为稳定，雾化效果更加稳定。

对于多组加热丝的方案，每组加热丝独立供电。如在电子烟的烟杆上设置多级加热开关，一级对应一组加热丝供电，二级对应两组加热丝供电，依次类推。该控制开关为常规结构，在此不再详述。

在支撑膜12的下表面还设置有电源接点和传感器接点，供加热丝和温度传感器引出。

具体的反馈调控通过电压控制器实现，具体为：如图10所示，电压控制器包括分压电路、滤波电路、模数转换器、控制器、线性稳压器；温度传感器的输出端与分压电路的输入端连接，分压电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接，单片机MCU的输出端与线性稳压器的输入端连接，线性稳压器的输出端分别与加热丝和温度传感器的输入端连接。其中模数转换器为的型号为ADS1115。

电压控制器的工作原理：加热丝的加热功率由线性稳压器LDO输出的电压控制，线性稳压器LDO输出电压受一个单片机MCU控制。当系统开始工作时，单片机控制线性稳压器LDO 输出一个电压，加热丝开始加热，随后温度传感器对加热丝温度进行检测，通过R1的分压电路将温度传感器的电阻变化转变为一个模拟电压变化，通过R2和C1组成的一个滤波电路，对模拟电压进行整流滤波，整流之后的电压输入到一个模拟信号转数字信号芯片ADS1115，输出一个数字信号，通过一个IIC总线传输到单片机上。单片机将这个数字信号与预定值比较，若该值符合预定要求，则不改变加热电压；若该值小于预定值，说明加热温度未达到要求，则单片机会控制线性稳压器LDO增大加热电压，提高加热温度；若该值大于预定值，说明加热温度过高，则单片机会控制线性稳压器LDO减小加热电压，降低加热温度，通过不断系统调节，保证加热丝工作在合适的温度。

对于方案一、二中，第一硅衬底11、21为晶向<100>，厚度400-600微米的高阻单晶硅，高阻单晶硅的电阻率大于10Ω·cm，支撑膜12为氧化硅/氮化硅的单层膜或复合膜；支撑膜 12、过滤膜22的厚度为2-5微米；过滤膜22为氧化硅/氮化硅的单层膜或复合膜；过滤膜 22的厚度为1-2微米；支撑膜12正面有金属加热丝；金属加热丝的厚度为200-400纳米；金属加热丝的材料为铂/钛Pt/Ti、金/钛Au/Ti、铂/铬Pt/Cr、金/铬Au/Cr中的一种或几种；隔离膜14为氧化硅/氮化硅的单层膜或复合膜；隔离膜13的厚度为300-500纳米；多孔结构烟雾通道23的孔径为为100-1000纳米。

本实施例还提供了一种MEMS电子烟雾化器的制备方法，包括以下步骤：

雾化芯片底座(1)的制备：

(a)在第一硅衬底(片状)下表面上通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)沉积氧化硅/氮化硅的单层或复合膜，即支撑膜12，总厚度为2-5微米；

(b)在支撑膜12的下表面进行光刻，然后采用磁控溅射镀膜或者电子束蒸发镀膜沉积200-400纳米的金属，去胶剥离之后形成金属加热丝；

(c)在金属加热丝上通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积 (LPCVD)沉积氧化硅/氮化硅的单层或复合膜，即绝缘层，总厚度为300-500纳米；

(d)在第一硅衬底上表面进行光刻，然后通过硅的各向异性腐蚀液(KOH溶液或TMAH 溶液)释放出封闭薄膜并形成凹形第一微型腔，即为雾化芯片底座(1)；

雾化芯片多孔盖板(2)的制备：

(e)在第二硅衬底(片状)上表面上通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)沉积氧化硅/氮化硅的单层或复合膜，即过滤膜22，总厚度为1-2微米；

(f)在过滤膜22的上表面进行光刻，然后采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出微孔阵列，孔径为100-1000纳米；

(g)在第二硅衬底下表面进行光刻，然后通过硅的各向异性腐蚀液释(KOH溶液或TMAH溶液)放出封闭多孔薄膜并形成凹形第二微型腔，即为雾化芯片多孔盖板(2)；

本实用新型的一种MEMS电子烟雾化器的制备：

(h)将上述雾化芯片底座的上表面与雾化器多孔盖板的下表面紧密接触，通过键合工艺粘合在一起；

(i)采用划片机将步骤(h)得到的圆片进行划片，得到单个的芯片；

(j)对步骤(i)得到的单个芯片进行钻孔，即得到所述的可恒温加热的MEMS雾化芯片。

本实施例的一种MEMS电子烟雾化器使用方法为：

烟油通过雾化芯片多孔盖板上的微通孔24注入到容纳腔3中。根据吸烟者的喜好和需要，设置好雾化效率模式，雾化芯片底座上的金属加热丝组将根据设置好的模式进行工作，对烟油进行加热，形成相应的雾化气溶胶，孔径小于雾化器多孔盖板上多孔阵列的气溶胶从雾化器中散发出来而被吸烟者吸入。在进行雾化的同时，温度传感器将实时监控烟油的电压，外部的温度反馈控制系统将根据实时的温度微调加热丝的输入电压，达到稳定的雾化效果。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，如图11所示，将过滤膜22直接制作在雾化芯片底座1的背面，进油孔24制作在雾化芯片底座1的第一硅衬底11上。

制作方法为：

(k)在第一硅衬底下表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)沉积氧化硅/氮化硅的单层或复合膜，即支撑膜12，总厚度为2-5微米；

(l)在支撑膜12的下表面进行光刻，然后采用磁控溅射镀膜或者电子束蒸发镀膜沉积200-400纳米的金属，去胶剥离之后形成金属加热丝；

(m)在金属加热丝上通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积 (LPCVD)沉积氧化硅/氮化硅的单层或复合膜，即绝缘层，总厚度为300-500纳米；

(n)在第一硅衬底上表面进行光刻，然后通过硅的各向异性腐蚀液(KOH溶液或TMAH 溶液)释放出封闭薄膜并形成凹形第一微型腔；

(o)在第二硅衬底上表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)沉积氧化硅/氮化硅的单层或复合膜，即过滤膜22，总厚度为1-2微米；

(p)在过滤膜22的上表面进行光刻，然后采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出微孔阵列，孔径为100-1000纳米；

(q)将上述步骤(n)所得第一硅衬底的上表面与步骤(p)所得第二硅衬底的下表面紧密接触，通过键合工艺粘合在一起；

(r)采用划片机将步骤(q)得到的圆片进行划片，得到单个的芯片；

(s)对步骤(r)得到的单个芯片进行钻孔，即得到所述的可恒温加热的MEMS雾化器；

当然，步骤j、t的通孔也可通过g步骤的湿法刻蚀形成；步骤a、k的支撑膜为氧化硅/氮化硅的单层或复合膜；步骤e、o的过滤膜为氧化硅/氮化硅的单层或复合膜；步骤c、 m的隔离膜为氧化硅/氮化硅的单层或复合膜；步骤d、l金属为铂/钛Pt/Ti、铂/铬Pt/Cr 中的一种或几种；步骤d、g、n的腐蚀液为氢氧化钾溶液(KOH溶液)或四甲基氢氧化铵溶液(TMAH溶液)。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：包括雾化芯片和电压控制器；所述雾化芯片包括壳体；所述壳体内构造有加热腔,加热腔开设有进油孔，进油孔的输出端连通加热腔，输入端与给油装置连通；所述壳体的底壁下表面固定有加热组件、温度传感器、电源接点、传感器接点；所述温度传感器的输出端通过传感器接点与电压控制器的输入端连接，所述电压控制器的输出端通过电源接点与加热组件的输入端连接；所述电压控制器与电源电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述加热组件包括n根相同材料的金属丝，n为大于1的整数，n根金属丝相互独立的涡形盘绕在加热腔底壁下表面，大致形成多个同心圆或同心矩形框，其中m根金属丝为所述温度传感器，且温度传感器与加热丝的同心圆或同心矩形框在同一平面内交错布置；1≤m＜n；n-m根金属丝作为加热丝。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：多根所述加热丝分别通过多组电源接点与电源独立电性连接。

4.根据权利要求2所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述金属丝为铂丝。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述电压控制器包括分压电路、滤波电路、模数转换器、控制器、线性稳压器；所述温度传感器的输出端与分压电路的输入端连接，分压电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端与线性稳压器的输入端连接，线性稳压器的输出端分别与加热丝和温度传感器的输入端连接。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述壳体包括底座和盖板；所述底座包括第一硅衬底，在所述第一硅衬底的下表面沉积支撑膜，上表面刻蚀有一个第一微型腔；所述第一微型腔的底壁为所述支撑膜；所述加热组件固定在支撑膜的下表面，加热组件外覆有绝缘层；绝缘层外设置有引出加热组件、温度传感器的所述电源接点、传感器接点；所述盖板包括第二硅衬底；在所述第二硅衬底的上表面沉积有过滤膜，第二硅衬底的下表面刻蚀有与第一微型腔位置相对应的第二微型腔；所述第二微型腔的顶壁为所述过滤膜；所述第二硅衬底与第一硅衬底固定后，第一微型腔与第二微型腔形成所述加热腔；烟雾通道刻蚀在过滤膜上。

7.根据权利要求6所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：或所述盖板为半导体板状结构，与第一硅衬底上表面键合固定后，第一微型腔和第二微型腔形成所述加热腔，所述盖板与加热腔对应的位置构造有所述烟雾通道。

8.根据权利要求7所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述烟雾通道为在加热腔顶壁开设的多孔结构。

9.根据权利要求7所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述进油孔开设在第一硅衬底或板状结构的盖板上或第二硅衬底上。

10.根据权利要求1至9任一所述的一种MEMS电子烟雾化器，其特征在于：所述给油装置为微油泵。

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