CN217644617U - 一种低成本mems雾化芯 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低成本MEMS雾化芯，包含衬底、设置在衬底背面的二氧化硅薄膜层、分别设置在二氧化硅薄膜层底部的加热电阻丝、用于覆盖加热电阻丝的保护层氮化硅、设置在衬底正面中部的空腔、设置在衬底正面并覆盖空腔表面的烟油吸附层；所述保护层氮化硅的底部分别设置有与加热电阻丝两端连接的金属电极；本实用新型通过在加热电阻丝和烟油吸附层之间设置衬底，并通在衬底正面设置空腔，能增大了烟油吸附层的表面积，提高烟油吸附效率，且低成本MEMS雾化芯的制备采用半导体工艺和MEMS工艺，具有批量化和一致性好的特点，并且不需要PCB板等结构，因而具有低成本的优点。

Description

一种低成本MEMS雾化芯

技术领域

本实用新型涉及雾化芯领域，特指一种低成本MEMS雾化芯。

背景技术

雾化芯作为液体雾化产品的核心部件，对液体进行加热，使其变为雾状气溶胶形态散发出来，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。

现有液体加热雾化芯主要有以下两种类型：包棉雾化芯和多孔陶瓷雾化芯。其中包棉雾化芯中金属发热丝和棉芯直接接触，在高温下，发热丝中的金属成分以及棉芯材料的碎屑可能会被雾化形成的气溶胶携带而被使用者吸入，造成潜在的健康危害。同时，棉芯与金属发热丝非均匀接触，受热不均匀，以及高温碳化也会引起发热丝电阻变化，进而引起发热丝温度变化，使得雾化均匀性、稳定性、一致性较差。而多孔陶瓷雾化芯由多孔陶瓷和发热电极两部分构成。多孔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，由陶瓷微孔散发。由于微米级蜂窝孔的存在，其雾化出的气溶胶更加细腻。并且通过调整微孔的大小、孔隙率，可以控制陶瓷芯的锁液、储液能力，还可以调节雾化气溶胶的干湿度。

如吴任金于2021年6月发布的“改进电子烟多孔陶瓷雾化芯制作工艺的研究”，其中记载了多孔陶瓷、在多孔陶瓷的底部印刷出导热层、再在导热层上刷出两个电极位置、在两个电极之间印刷发热电阻、在两个电极和发热电阻上印刷保护层；虽然在多孔陶瓷和发热组件之间增加了导热层，能提高热传导效率；但存在以下问题：

1、由于多孔结构的存在，陶瓷芯锁液能力降低，容易漏液。目前通常通过降低孔隙率，减小多孔数量，提高锁液能力，但是同时降低了其吸液、储液能力；

2、陶瓷烧结工艺，不可避免会引入有害物质，危害使用者健康；

3、陶瓷烧结工艺繁琐，大大增加了生产成本。

实用新型内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种低成本MEMS雾化芯。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种低成本MEMS雾化芯，包含衬底、设置在衬底背面的二氧化硅薄膜层、分别设置在二氧化硅薄膜层底部的第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝、用于覆盖第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝的保护层氮化硅、设置在衬底正面中部的空腔、设置在衬底正面并覆盖空腔表面的烟油吸附层；

所述第一金属电极和第二金属电极分别与加热电阻丝的两端连接；

所述保护层氮化硅底部分别设置有与第一金属电极和第二金属电极连接的第三金属电极和第四金属电极。

优选的，所述加热电阻丝呈S型、U型或圆型，位于二氧化硅薄膜层的正下方。

优选的，所述加热电阻丝的材料为PT、AL、CU中的一种金属。

优选的，所述第三金属电极和第四金属电极分别设置在保护层氮化硅底部的两侧。

优选的，所述衬底由硅片材料制成。

优选的，所述烟油吸附材料通过喷涂、涂覆或沉积方式覆盖在衬底正面和空腔表面。

优选的，所述烟油吸附材料为石墨烯、PDMS、Fe₂O₃/EPDM新型吸油材料中的一种。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型通过在加热电阻丝和烟油吸附层之间设置衬底，并通在衬底正面设置空腔，能增大了烟油吸附层的表面积，提高烟油吸附效率，从而在相同的烟油雾化温度目标下，降低了该MEMS雾化芯的功耗；

2、本实用新型由于烟油吸附材料具有高吸油特性，烟油从烟油吸附材料的两端向其中间渗透，引起整个烟油吸附材料均吸附了一定量的电子烟烟油；

3、本实用新型通过采用石墨烯、PDMS(聚合二甲基硅氧烷)或Fe2O3/EPDM等新型的烟油吸附材料制备烟油吸附层，可使得在加热烟油吸附层时使其吸附的烟油雾化过程中，不会产生带有有害的金属粉末状颗粒的烟油雾化烟的混合体；

4、本实用新型所述的低成本MEMS雾化芯的制备采用半导体工艺和MEMS工艺，具有批量化和一致性好的特点；此外，所采用的工艺不包含键合工艺和TSV工艺，并且不需要PCB板等结构，因而具有低成本的优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

附图1为本实用新型去除烟油吸附层的俯视图；

附图2为图1中A-A处剖视图；

附图3为本实用新型步骤2中对应的结构图；

附图4为本实用新型步骤3中对应的结构图；

附图5为本实用新型步骤4中对应的结构图；

附图6为本实用新型步骤5中对应的结构图；

附图7为本实用新型步骤7中对应的结构图；

附图8为本实用新型步骤8中对应的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

附图1-2为本实用新型所述的低成本MEMS雾化芯，包含衬底(1)、二氧化硅薄膜层(2)、加热电阻丝(3)、第一金属电极(4-1)、第二金属电极(4-2)、第三金属电极(4-3)、第四金属电极(4-4)、保护层氮化硅(5)和烟油吸附层(6)。

所述衬底(1)位于MEMS雾化芯的上半部分，在衬底(1)光滑的下表面上生长了一层二氧化硅薄膜层(2)；同时在衬底(1)的粗糙面刻蚀了一个空腔(100)，空腔(100)的表面覆盖了所述烟油吸附层(6)；

所述二氧化硅薄膜层(2)位于衬底(1)的下方，在其下表面设有加热电阻丝(3)和第一金属电极(4-1)和第二金属电极(4-2)；

所述加热电阻丝(3)位于二氧化硅薄膜层(2)的正下方，呈S型、U型或圆型等形状，并且加热电阻丝(3)的两端分别与第一金属电极(4-1)和第二金属电极(4-2)形成电互连，其作用为将电能转化为热能；加热电阻的材料可以为Pt、Al和Cu等金属；

所述第一金属电极(4-1)和第二金属电极(4-2)位于MEMS雾化芯的两侧，并通过过孔中填充的金属与保护层氮化硅(5)下表面的第三金属电极(4-3)和第四金属电极(4-4)实现电连接；

所述保护层氮化硅(5)覆盖于加热电阻丝(3)、第一金属电极(4-1)和第二金属电极(4-2)之下，在其两端设置了两个通孔；通孔下表面引出第三金属电极(4-3)和第四金属电极(4-4)；

所述烟油吸附层(6)通过喷涂、涂覆或沉积等方式覆盖在空腔(100)上，其材料可以为石墨烯、PDMS(聚合二甲基硅氧烷)、Fe2O3/EPDM新型吸油材料等；电子烟中烟油与烟油吸附材料的两端相接触，由于烟油吸附材料具有高吸油特性，烟油从烟油吸附材料的两端向其中间渗透，使得整个的烟油吸附材料均吸附了一定量的电子烟烟油；

工作原理：在保护层氮化硅(5)下方的第三金属电极(4-3)和第四金属电极(4-4)上施加直流电压之后，该极性相反的电信号经金属过孔传输至保护层氮化硅(5)上方的第一金属电极(4-1)第二金属电极(4-2)，再由第一金属电极(4-1)和第二金属电极(4-2)传输到加热电阻丝(3)，使其两端形成电势差，进而使得加热电阻丝(3)发热，实现电压-热的转换过程，从而使得加热电阻丝(3)产生热量，提高其温度；由于空腔(100)下方的衬底(1)和二氧化硅层薄膜层(2)很薄，所产生的热量绝大部分经衬底(1)和二氧化硅层薄膜层(2)传输至空腔上面的烟油吸附层(6)，进而使得烟油吸附层(6)中吸附的烟油加热，从而实现电子烟烟油的雾化。

本实用新型所述的低成本MEMS雾化芯的制备方法，包含以下制备步骤：

步骤1、准备硅片；

步骤2、沉积二氧化硅：如图3所示，在硅片的光滑表面运用热氧化工艺生成二氧化硅薄膜层；

步骤3、溅射Pt：如图4所示，图形化处理得到加热电阻丝、第一金属电极和第二金属电极；

步骤4、沉积氮化硅：如图5所示，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长保护层氮化硅；

步骤5、光刻并刻蚀氮化硅：如图6所示，在第一金属电极和第二金属电极上方形成两个金属通孔；

步骤6、去除多余光刻胶；

步骤7、溅射Pt：如图7所示，图形化处理得到第三金属电极和第四金属电极，要求所述金属过孔被Pt填充；

步骤8、刻蚀空腔：如图8所示，运用DRIE工艺刻蚀硅粗糙面，形成空腔结构；

步骤9、沉积石墨烯层：使用加热辅助喷涂法沉积一层导热氧化石墨烯；

步骤10、将氧化石墨烯浸入氢碘酸溶液进行还原反应；

步骤11、用乙醇洗涤数次；

步骤12、得到还原的氧化石墨烯层，如图2所示。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低成本MEMS雾化芯，其特征在于：包含衬底、设置在衬底背面的二氧化硅薄膜层、分别设置在二氧化硅薄膜层底部的第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝、用于覆盖第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝的保护层氮化硅、设置在衬底正面中部的空腔、设置在衬底正面并覆盖空腔表面的烟油吸附层；

所述第一金属电极和第二金属电极分别与加热电阻丝的两端连接；

所述保护层氮化硅底部分别设置有与第一金属电极和第二金属电极连接的第三金属电极和第四金属电极。

2.根据权利要求1所述的低成本MEMS雾化芯，其特征在于：所述加热电阻丝呈S型、U型或圆型，位于二氧化硅薄膜层的正下方。

3.根据权利要求2所述的低成本MEMS雾化芯，其特征在于：所述加热电阻丝的材料为PT、AL、CU中的一种金属。

4.根据权利要求3所述的低成本MEMS雾化芯，其特征在于：所述第三金属电极和第四金属电极分别设置在保护层氮化硅底部的两侧。

5.根据权利要求4所述的低成本MEMS雾化芯，其特征在于：所述衬底由硅片材料制成。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的低成本MEMS雾化芯，其特征在于：所述烟油吸附层通过喷涂、涂覆或沉积方式覆盖在衬底正面和空腔表面。

7.根据权利要求6所述的低成本MEMS雾化芯，其特征在于：所述烟油吸附层为石墨烯、PDMS、Fe₂O3/EPDM新型吸油材料中的一种。

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