DE102019132109A1

DE102019132109A1 - Verfahren zum Herstellen von Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen als Verdampfereinheit zum Einsatz in einer Verdampferkartusche, Verdampfereinheit, Verdampferkartusche mit einer solchen Verdampfereinheit sowie Inhalator mit einer solchen Verdampferkartusche

Info

Publication number: DE102019132109A1
Application number: DE102019132109.3A
Authority: DE
Inventors: Niklas Romming; Lasse Cornils; Marc Kessler; Christian Hanneken
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: DE102019132109B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen (25) als Verdampfereinheit (20) zum Einsatz in einer Verdampferkartusche (14), das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: a) Bereitstellen eines mindestens teilweise aus Silizium bestehenden Wafers, b) Erzeugen einer vorbestimmten Lochstruktur im Wafer durch Ausbilden von eine erste Oberfläche mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche verbindenden Mikrokanälen, c) ganzflächiges Auftragen mindestens einer Schicht eines Granulats auf eine der beiden Oberflächen des Wafers, d) Einbringen einer Wärmemenge in die Schicht aus Granulat zum Verbinden des Granulats zu einer offenporigen Dochtschicht einerseits und zum Verbinden der offenporigen Dochtschicht mit der Oberfläche des Wafers andererseits, e) Trennen einstückiger Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen (25) aus dem in den Schritten a) bis d) behandelten Wafer. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren hergestellte Verdampfereinheit sowie eine Verdampferkartusche und einen Inhalator mit einer solchen Verdampfereinheit

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen als Verdampfereinheit zum Einsatz in einer Verdampferkartusche.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren hergestellte Verdampfereinheit zum Einsatz in einer Verdampferkartusche.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verdampferkartusche als Bestandteil eines Inhalators, umfassend mindestens einen Vorratstank zum Aufnehmen und Bevorraten einer Flüssigkeit und mindestens einen Hohlkörper mit einem durchgängigen Luftströmungskanal, wobei der Vorratstank mindestens eine Zugangsöffnung zum Luftströmungskanal aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung eine sich über die gesamte Zugangsöffnung erstreckende Verdampfereinheit angeordnet ist, die ein dem Vorratstank zugewandtes Dochtorgan und ein dem Luftströmungskanal zugewandtes Heizorgan aufweist, wobei die Verdampfereinheit flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass Flüssigkeit mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank durch die Verdampfereinheit in Richtung des Luftströmungskanals förderbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Inhalator, ausgebildet und eingerichtet zum Inhalieren von mit Wirkstoffen angereichertem Dampf, umfassend einen mindestens eine elektronische Steuereinheit und eine Energiequelle umfassenden Kartuschenträger sowie eine Verdampferkartusche.
Verdampfereinheiten sind ein wesentlicher Bestandteil in Verdampferkartuschen und Inhalatoren und kommen in der Genussmittelindustrie, hier insbesondere im Zusammenhang mit einer elektronischen Zigarette, der so genannten E-Zigarette, sowie im medizinischen Bereich zum Einsatz, um fluide Genussmittel und/oder fluide medizinische Produkte in Dampfform und/oder als Aerosole inhalieren zu können. Beim Konsumieren saugt üblicherweise eine Person an einem Mundstück des Inhalators, wodurch in dem Luftströmungskanal ein Saugdruck entsteht, der einen Luftstrom durch den Luftströmungskanal erzeugt. Der Luftstrom kann aber auch maschinell z.B. durch eine Pumpe erzeugt werden. In dem Luftströmungskanal wird dem Luftstrom eine von der Verdampfereinheit erzeugte und bereitgestellte verdampfte Flüssigkeit zugegeben, um der konsumierenden Person ein Aerosol oder ein Aerosol-Dampf-Gemisch zu verabreichen. Die Flüssigkeit ist an der oder in der Verdampferkartusche bevorratet. Als Flüssigkeit kommen unterschiedliche Mischungen mit verschiedenen Bestandteilen gleicher oder unterschiedlicher Dampfdichten zum Einsatz. Eine typische Mischung für den Einsatz in einer E-Zigarette weist z.B. Bestandteile von Glycerin und Propylenglycol auf, ggf. angereichert um Nikotin und/oder nahezu beliebige Geschmacksstoffe. Für den Einsatz im medizinischen oder therapeutischen Bereich, z.B. zur Inhalation von Asthma-Präparaten, kann die Mischung entsprechend medizinische Bestandteile und Wirkstoffe aufweisen.
Die einzelnen Bestandteile der Verdampferkartusche, nämlich der Vorratstank, der Hohlkörper und die Verdampfereinheit, können in einem gemeinsamen Bauteil zusammengefasst sein, wobei dieses Bauteil dann ein Einwegartikel ist, der für eine endliche Anzahl von Inhalationszügen durch eine konsumierende Person ausgelegt ist und zusammen mit einem Kartuschenträger als wiederverwendbarem Mehrwegartikel, der mindestens eine elektronische Steuereinheit und eine Energiequelle umfasst, einen Inhalator bildet. Die Verdampferkartusche kann jedoch auch erst durch das Zusammenfügen mehrerer Bauteile gebildet sein, wobei einzelne Bauteile, nämlich insbesondere der Hohlkörper und die Verdampfereinheit, in dem Kartuschenträger als Mehrwegartikel angeordnet sind, und der Vorratstank als separates Bauteil den Einwegartikel bildet. Letztlich lässt sich der Inhalator durch Austausch des Einwegartikels, der üblicherweise die Flüssigkeit beinhaltet, variabel einsetzen.
Entsprechend sind der Einwegartikel und der Mehrwegartikel lösbar miteinander verbunden. Der Kartuschenträger als Mehrwegartikel umfasst üblicherweise mindestens eine elektronische Steuereinheit und eine Energiequelle. Die Energiequelle kann z.B. eine elektrochemische Einwegbatterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, z.B. ein Li-lonen-Akku sein, mittels dem das Heizorgan über elektrische Kontakte der Verdampfereinheit, also Kontaktierungsflächen an oder auf dem Heizorgan, mit Energie versorgt wird. Die elektronische und/oder elektrische Steuereinheit dient zum Steuern der Verdampfereinheit innerhalb der Verdampferkartusche. Der Kartuschenträger kann aber auch Bestandteile der Verdampferkartusche umfassen. Der Einwegartikel kann als Ansteckteil an den Mehrwegartikel ansteckbar oder als Einsetzteil in den Mehrwegartikel einsetzbar ausgebildet sein. Anstelle einer Steckverbindung sind auch Schraubverbindungen, Schnappverbindungen oder andere Schnellverbindungen einsetzbar. Mit der Verbindung von Einwegartikel und Mehrwegartikel wird eine mechanische und/oder elektrische Kopplung zur Bildung eines funktionsbereiten Inhalators hergestellt.
Eine die Nutzung (z.B. als E-Zigarette oder als medizinischer Inhalator) bestimmende Komponente ist der Vorratstank als Bestandteil der Verdampferkartusche. Diese beinhaltet in der Regel den Vorratstank mit einer von der Person gewählten, gewünschten und/oder benötigten Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeitsgemisch (im Folgenden auch allgemein als Fluid bezeichnet) sowie den den Strömungskanal bildenden Hohlkörper und die Verdampfereinheit. Das Fluid ist in dem Vorratstank der Verdampferkartusche bevorratet. Mittels der flüssigkeitspermeablen Verdampfereinheit wird das Fluid aus dem Vorratstank aufgrund zumindest initial kapillarer Förderung durch das Dochtorgan und das Heizorgan geleitet. Die von einer Energiequelle erzeugte elektrische Spannung, die an dem Heizorgan angelegt wird, führt zu einem Stromfluss im Heizorgan. Aufgrund des Heizwiderstandes, vorzugsweise des Ohm'schen Widerstands des Heizorgans, führt der Stromfluss zu einer Erhitzung des Heizorgans und letztlich zu einer Verdampfung des in der Verdampfereinheit befindlichen Fluids. Der auf diese Weise erzeugte Dampf und/oder Aerosol entweicht aus der Verdampfereinheit in Richtung des Luftströmungskanals und wird als Dampfzugabe der Luftströmung beigemischt. Das Fluid hat damit einen vorgegebenen Weg mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung, nämlich als Fluid durch das Dochtorgan an das und durch das Heizorgan und gasförmig aus dem Heizorgan in den Luftströmungskanal. In dem Luftströmungskanal wird das verdampfte Fluid durch den Luftstrom mitgerissen, wobei sich Dampf/Nebel und/oder Aerosol bildet, wenn der Luftströmungskanal mit einem Druck/Unterdruck beaufschlagt wird, indem z.B. eine konsumierende Person an dem Luftströmungskanal saugt oder eine Pumpe einen Luftstrom durch den Luftströmungskanal fördert.
Damit das Fluid aus dem Vorratstank nicht direkt in den Luftströmungskanal fließt, deckt die Verdampfereinheit den Zugang vom Vorratstank zum Luftströmungskanal vollständig ab. Vollständig abgedeckt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Flüssigkeit zwingend durch die Verdampfereinheit geführt ist, so dass das Fluid nicht direkt vom Vorratstank in den Luftströmungskanal gelangen kann, sondern den „Umweg“ über das Dochtorgan und das Heizorgan nehmen muss. Das Dochtorgan dient zum einen zum Zwischenspeichern von Fluid, um insbesondere bei nahezu entleertem Vorratstank, bei ungünstiger Handhabung vom Konsumenten und/oder einer Orientierung des Vorratstanks im Raum, bei der der Vorratstank das Dochtorgan nicht mit Flüssigkeit versorgt, noch ausreichend Fluid für wenige Züge am Inhalator zur Verfügung zu stellen. Das Dochtorgan dient zum anderen insbesondere zum Transport des Fluids vom Vorratstank in Richtung des Heizorgans und wirkt gleichzeitig als eine Art Rückschlagschutz, um den Rücklauf von Fluid und/oder Gas bzw. Dampf in Richtung des Vorratstanks zu unterbinden sowie eine Anreicherung einzelner Bestandteile des Fluids bei höheren Temperaturen zu verhindern.
Die Verdampfereinheiten sind aus dem Heizorgan und dem Dochtorgan gebildet. Es sind Dochtorgane bekannt, die aus mehreren miteinander verwobenen/verdrillten Fäden/Fasern z.B. aus Baumwolle oder aus Glasfasern gebildet sind. Die Flüssigkeitskopplung zwischen dem Faserdocht und dem durch eine Glühwendel gebildeten Heizorgan ist unzureichend. Des Weiteren sind bei der Herstellung solcher Dochtorgan-Heizorgan- Anordnungen als Verdampfereinheit mehrere Komponenten vorzuhalten und handzuhaben. In anderen bekannten Herstellungsverfahren kommen als Heizorgan flächige und flache MEMS-Bauteile (Micro-Electro-Mechanical-System-Bauteil) zum Einsatz. Diese werden vorproduziert und für die spätere Herstellung der Verdampfereinheit bereitgestellt. Als Dochtorgan werden starre Keramikblöcke hergestellt und für die spätere Herstellung der Verdampfereinheit bereitgestellt. Entsprechend sind auch hierfür die Herstellung solcher Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen als Verdampfereinheit mehrere Komponenten vorzuhalten und handzuhaben. Bei der Herstellung/Montage der Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen wird zuerst das Heizorgan in die Verdampferkartusche oder Teile davon eingesetzt. Anschließend wird in einem separaten Schritt das Dochtorgan auf das Heizorgan positioniert und üblicherweise mechanisch befestigt. Dadurch, dass das Dochtorgan aufgrund seiner offenporigen Struktur eine mittlere Oberflächenrauigkeit aufweist, die um mehrere Größenordnungen größer ist als die mittlere Oberflächenrauigkeit des Heizorgans, entstehen im flächigen Kontaktbereich große und undefinierte Hohlräume, die wiederum zu einer unzureichenden Flüssigkeitskopplung zwischen der porösen Struktur des Dochtorgans als Flüssigkeitstransportmittel und den Mikrokanälen des Heizorgans führen. Der Effekt der unerwünschten Hohlräume im Kontaktbereich von Dochtorgan und Heizorgan wird noch dadurch verstärkt, dass das als separate Komponente montierte Dochtorgan beim Herstellungsprozess eine nicht planparallele Ausrichtung zum Heizorgan einnehmen kann. Zusammenfassend führt dies im Ergebnis zu einer unzureichenden Flüssigkeitskopplung zwischen Dochtorgan und Heizorgan und damit zu einer unzureichenden Flüssigkeitsversorgung des Heizorgans.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Verdampfereinheit vorzuschlagen, das zum einen eine verbesserte Flüssigkeitskopplung zwischen dem Dochtorgan und dem Heizorgan bereitstellt, und zum anderen eine einfach zu montierende Verdampfereinheit zur Verfügung stellt. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, die entsprechende Verdampfereinheit sowie eine Verdampferkartusche mit einer solchen Verdampfereinheit vorzuschlagen. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, einen entsprechenden Inhalator mit einer solchen Verdampferkartusche zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes Verfahren dadurch gelöst, dass es die folgenden Schritte aufweist:

a) Bereitstellen eines mindestens teilweise aus einem Halbleiter, vorzugsweise Silizium, bestehenden Wafers,
b) Erzeugen einer vorbestimmten Lochstruktur im Wafer durch Ausbilden von eine erste Oberfläche mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche verbindenden Mikrokanälen,
c) mindestens teilflächiges Auftragen mindestens einer Schicht eines Granulats auf eine der beiden Oberflächen des Wafers,
d) Einbringen einer Wärmemenge in die Schicht aus Granulat zum Verbinden des Granulats zu einer offenporigen Dochtschicht einerseits und zum Verbinden der offenporigen Dochtschicht mit der Oberfläche des Wafers andererseits,
e) Trennen einstückiger Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen aus dem in den Schritten a) bis d) behandelten Wafer.

Die Aufzählung der Schritte a) bis e) bedeutet nicht zwangsläufig die Reihenfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Insbesondere mit Bezug auf die Schritte b) bis d) sind unterschiedliche Schrittfolgen möglich. Hierzu weiter unten im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung. Der Wafer, der auch als Substrat bezeichnet wird, kann aus reinem Silizium (mit den üblichen Verunreinigungen) bestehen, kann im Wesentlichen aus Silizium bestehen, und kann besonders bevorzugt ein p- oder n-dotiertes Silizium aufweisendes Substrat sein. Hierzu weiter unten im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung.
Das Auftragen des Granulats gemäß Merkmal c) kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Hierzu weiter unten im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung. Das Auftragen des Granulats kann auf Teilflächen der Oberfläche erfolgen. Das teilflächige Auftragen des Granulats kann z.B. mit Hilfe einer Maske mittels Abschattung oder durch andere geeignete Schritte erfolgen. Die Oberfläche kann aber auch vollständig und vollflächig mit Granulat versehen werden. Als Granulat eignen sich alle organischen und anorganischen Stoffe und Materialien, die in granularer, körniger, pulverförmiger Form vorliegen und üblicherweise bei der Herstellung von Dochtorganen eingesetzt werden. Besonders bevorzugte Materialien sind Glas und Keramik. Hierzu weiter unten im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung. Entsprechendes gilt hinsichtlich des Einbringens der Wärmemenge zum Verbinden der Dochtstruktur einerseits und zum Verbinden der Dochtstruktur mit dem Heizorgan andererseits. Das Einbringen der Wärmemenge kann auf unterschiedliche Weise und zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Herstellungsverfahrens erfolgen. Hierzu weiter unten im Zusammenhang mit bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung. Beim Trennen in Schritt e) wird aus einem nach den Schritten a) bis d) behandelten Wafer eine Vielzahl von Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen gewonnen, wobei jede Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung einstückig ausgebildet und als Verdampfereinheit funktionsfähig ist, in der Form, dass das Dochtorgan bereits während des Herstellungsprozesses der Verdampfereinheit fest mit dem Heizorgan verbunden ist.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren legt sich das Granulat beim Auftragen derart eng an die Oberfläche des das Heizorgan bildenden Wafers an, dass sich nur minimale Hohlräume zwischen der Oberfläche des Wafers als Heizorgan und der Unterseite der das Dochtorgan bildenden Schicht aus Granulat bilden. Die mittleren Rauigkeiten der Oberflächen von Dochtorgan und Heizorgan liegen vorzugsweise in derselben Größenordnung. Die Größe der Hohlräume wird dabei im Wesentlichen durch die Größe der das Granulat darstellenden Körner definiert und ist entsprechend kontrollierbar und einfach steuerbar. Die minimalen Hohlräume im Kontaktbereich bleiben bei der Behandlung des Granulats mit Wärme erhalten, wodurch eine optimale Kontaktfläche zwischen dem Heizorgan und dem Dochtorgan entsteht, mit der Folge, dass die Flüssigkeitskopplung zwischen Dochtorgan und Heizorgan signifikant verbessert ist.
Vorteilhafterweise wird im Schritt a) ein p- oder n-dotiertes Silizium aufweisender Wafer bereitgestellt. Durch diese bevorzugte Ausbildung bildet der Wafer, und damit jede einzelne aus dem Wafer gewonnene Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung, ohne weitere Verfahrensschritte eine Heizfläche, da das Substrat selbst leitfähig ist und einen Heizwiderstand bildet.
Vorteilhafterweise weist das Verfahren den weiteren Schritt f) auf, nämlich Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials auf vorbestimmte Bereiche einer ersten Oberfläche des Wafers zur Bildung elektrischer Kontaktierungsflächen. Das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials auf vorbestimmte Bereiche gemäß Merkmal f) ist dahingehend zu verstehen, dass das elektrische Material z.B. mittels einer (mechanischen und/oder chemischen) Schablone oder dergleichen auf die Oberfläche aufgebracht wird. Vorbestimmt ist ein Bereich z.B. durch die Anzahl und die Größe der im Schritt e) aus dem nach den Schritten a) bis d) behandelten Wafer zu gewinnenden Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen, derart, dass z.B. jede einzelne mit dem Verfahren hergestellte Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung zwei Kontaktierungsflächen, so genannte Kontaktpads, aufweist. Entsprechendes gilt hinsichtlich der vorbestimmten Lochstruktur grundsätzlich auch für das Merkmal b).
Die derart hergestellte Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung bildet die Verdampfereinheit, wobei der in den Schritten a), b) und f) bearbeitete Halbleiter das dünne, flächige Heizorgan mit den elektrischen Anschlüssen bildet, in dem die Mikrokanäle, die vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche verlaufen, eine erste und eine zweite Oberfläche miteinander verbinden. Das wärmebehandelte Granulat bildet das Dochtorgan, das fest und einstückig mit dem Heizorgan verbunden ist. Zusammen bilden das Heizorgan und das Dochtorgan die einstückige Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung. Durch die Einteiligkeit der Verdampfereinheit ist eine teilereduzierte und damit logistisch vereinfachte Herstellung/Montage der Verdampfereinheiten und insbesondere der Verdampferkartuschen und damit auch der Inhalatoren gewährleistet.
Dadurch, dass das Substrat materialbedingt selbst die Heizfläche bildet, wird durch das Bilden der Kontaktierungsflächen gemäß Schritt f) zwangsläufig eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktierungsflächen und der Heizfläche hergestellt.
Eine alternative Weiterbildung des Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass, für den Fall, dass im Schritt a) ein im Wesentlichen aus Silizium bestehender Wafer bereitgestellt wird, zusätzlich zum Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Kontaktierungsflächen elektrisch leitfähiges Material mindestens auf vorbestimmte Bereiche der ersten Oberfläche des Wafers zur Bildung von Heizflächen aufgebracht wird, derart, dass die Kontaktierungsflächen mit den Heizflächen in elektrischem Kontakt stehen. Das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung von Heizflächen kann z.B. flächig, linienförmig oder netzförmig erfolgen. Entscheidend bei der Bildung insbesondere linienförmiger Heizflächen ist, dass sie auf vorbestimmte Bereiche aufgebracht werden. Vorbestimmt ist ein Bereich z.B. durch die Anzahl und die Größe der im Schritt e) aus dem nach den Schritten a) bis d) behandelten Wafer zu gewinnenden Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen, derart, dass z.B. jede einzelne mit dem Verfahren hergestellte Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung eine Heizfläche aufweist, die mit den gemäß Schritt f) aufgebrachten Kontaktierungsflächen elektrisch verbunden ist.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Kontaktierungsflächen und das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Heizflächen wahlweise nacheinander in separaten Schritten oder zeitgleich in einem Schritt. Es besteht also die Möglichkeit, dass zunächst die Kontaktierungsflächen erzeugt werden, und in einem nachfolgenden Schritt die Heizflächen erzeugt werden. Eine umgekehrte Schrittfolge ist ebenfalls möglich. In anderen Ausführungsformen können sowohl die Kontaktierungsflächen als auch die Heizflächen in einem gemeinsamen Schritt auf das Substrat aufgebracht werden. Die Kontaktierungsflächen und die Heizflächen können auch teilweise nebeneinander oder vollständig übereinanderliegen. Entscheidend ist, dass die Kontaktierungsflächen und die Heizflächen derart auf dem Substrat verteilt aufgebracht werden, dass für jede einzelne aus dem in den Schritten a) bis d) und f) behandelten Wafer und im Schritt e) gewonnene Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung eine elektrische Verbindung zwischen Kontaktierungsflächen und Heizflächen besteht.
Optional können die Schritte f) und b) sowie das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Heizfläche in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Anders ausgedrückt kann zunächst die Lochstruktur erzeugt werden, um anschließend die Kontaktierungsflächen aufzubringen. Bevorzugt ist jedoch, dass erst die Kontaktierungsflächen auf das Substrat aufgebracht werden, um anschließend die Lochstruktur zu erzeugen. Sind zusätzlich Heizflächen aufzubringen, kann dies ebenfalls optional vor oder nach dem Erzeugen der Lochstruktur und vor oder nach dem Aufbringen der Kontaktierungsflächen bzw. gleichzeitig zu diesem erfolgen.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Schritte c) und d) nacheinander ausgeführt werden.
In einer ersten Ausführungsform wird das Granulat zunächst flächig zur Bildung einer gleichmäßigen, unbehandelten Granulatschicht auf eine der beiden Oberflächen aufgetragen, und diese Granulatschicht wird anschließend zur Bildung der offenporigen Dochtschicht einer Plasmabehandlung unterzogen. Bei dieser Ausführungsform wird das Granulat kalt, also z.B. bei Umgebungstemperatur, aufgetragen und verteilt, so dass auf der Oberfläche des Substrats eine gleichmäßige Granulatschicht gebildet wird. Anschließend wird die Wärmemenge durch eine vorzugsweise thermisch gerichtete Plasmaflamme oder dergleichen in die Granulatschicht eingebracht, wodurch sich zum einen aus dem körnigen Granulat eine offenporige Dochtschicht bildet, und sich zum anderen diese Dochtschicht mit dem Substrat verbindet. Als Plasma sind unterschiedliche Gase einsetzbar, vorzugsweise wird als Plasmagas Ar (Argon), He (Helium), H₂ (molekularer Wasserstoff) und N₂ (Stickstoff) oder dergleichen verwendet.
In einer zweiten Ausführungsform wird das aufzutragende Granulat vor dem Einbringen der Wärmemenge mit einem Bindemittel benetzt, wobei das derart benetzte und im Schritt c) aufgetragene Granulat anschließend im Schritt d) einer Temperbehandlung unterzogen wird, mit der die Wärmemenge in die Granulatschicht eingebracht wird. Das Benetzen des Granulats mit einem Bindemittel kann vor oder beim Auftragen des Granulats erfolgen. Das Granulat mit dem Bindemittel wird vorzugsweise bei Raumtemperatur aufgetragen. Anschließend wird das derart behandelte Substrat und insbesondere die aufgetragene Granulatschicht getempert, also z.B. thermisch ungerichtet erwärmt/gebacken, wodurch das Bindemittel quasi ausgebacken wird. Durch die zuvor beschriebene Schrittfolge bildet sich zum einen eine offenporige Dochtschicht, und zum anderen wird die gebildete Dochtschicht mit dem Heizorgan verbunden.
In einer alternativen Weiterbildung werden die Schritte c) und d) zeitgleich ausgeführt.
Vorzugsweise wird das Granulat dazu plasmabehandelt gleichmäßig zur Bildung der offenporigen Dochtschicht auf eine der beiden Oberflächen aufgetragen. Dieser auch als Plasmaspritzen oder thermisches Spritzen bezeichnete Vorgang zeichnet sich dadurch aus, dass das Granulat in einem Plasmaapplikator bereits zu einer erwärmten, offenporigen Masse verarbeitet wird, die dann gleichmäßig auf das Substrat aufgetragen, nämlich vorzugsweise gespritzt wird, wo sich die Masse mit dem Substrat verbindet.
Wie erwähnt, kann das Granulat teilflächig oder vollflächig auf eine der beiden Oberflächen des Wafers aufgetragen werden. Insbesondere ist es möglich, dass das Granulat und/oder die bereits plasmabehandelte Masse auf die Oberfläche aufgetragen wird, auf der sich auch die Kontaktierungsflächen und/oder die Heizflächen befinden. Vorzugsweise erfolgt das Auftragen der mindestens einen Schicht aus Granulat ausschließlich auf der zweiten, der ersten Oberfläche mit den Kontaktierungsflächen gegenüberliegenden Oberfläche des Wafers. Dazu kann der vorbehandelte bzw. bereits teilweise prozessierte Wafer z.B. gewendet werden.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Verfahrens wird der Wafer mindestens auf der Oberfläche, auf die das Granulat aufgetragen wird, mindestens zum oder beim Auftragen des Granulats beheizt. Durch diesen Prozessschritt kann das Verbinden des dann mindestens oberflächlich erwärmten Heizorgans und dem noch erwärmten/heißen Granulat optimiert werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens können die Schritte c) und d) mindestens einmal wiederholt werden, bevor im Schritt e) Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen vereinzelt werden. Vorzugsweise wird nach dem Verfestigen der ersten Dochtschicht eine weitere Schicht aus Granulat auf die erste Dochtschicht aufgetragen. Das Auftragen der zweiten und jeder weiteren Schicht kann in entsprechender Weise zum Auftragen der ersten Dochtschicht erfolgen. Dieses Vorgehen kann mehrfach wiederholt werden, und zwar mit Granulaten gleicher Materialien und/oder unterschiedlicher Materialien.
Ganz besonders bevorzugt können die Schritte c) und d) mit Granulaten unterschiedlicher Körnung und/oder unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit wiederholt werden. Dadurch lässt sich zum einen ein Porengradient zwischen dem Kontaktbereich von Heizorgan und Dochtorgan und weiter entfernt liegenden Bereich erzeugen. Zum anderen kann die Wärmeleitfähigkeit des Dochtorgans individuell angepasst werden. Beispielsweise kann im Kontaktbereich von Heizorgan und Dochtorgan eine hohe Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden, was zu einer effektiven Vergrößerung der Verdampferoberfläche führt, während in einem weiter entfernt liegenden Bereich eine geringe Wärmeleitfähigkeit erzeugt wird, wodurch die thermische Verlustleistung reduziert wird.
Es ist auch denkbar, dass das Dochtorgan eine erste Granulatschicht und eine zweite Granulatschicht aufweist. Die erste Granulatschicht ist näher am Heizorgan angeordnet als die zweite Granulatschicht und weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die zweite Granulatschicht auf. Dadurch kann das Dochtorgan und/oder der umgebende Bereich mit Liquid thermisch entkoppelt werden, wodurch die Energieeffizienz der Verdampfung, insbesondere der Verdampfung in und/oder an dem Heizorgan, verbessert werden. Die zweite Granulatschicht kann in diesem Fall beispielsweise ein preisgünstigeres, schneller verarbeitbares, massentauglicheres Granulat sein. Die erste und zweite Granulatschicht können als Schichtaufbau oder durch einen Gradienten zwischen den beiden Granulatschichten realisiert sein.
Alternativ oder kumulativ kann die Wärmeleitfähigkeit der ersten Granulatschicht so ausgewählt werden, dass die in das Dochtorgan durch Wärmeleitung transportierte Wärme die Viskosität des Liquids in der ersten Granulatschicht bzw. dem Dochtorgan vorteilhaft beeinflusst, z.B. herabsetzt und damit dünnflüssiger werden lässt. Dadurch kann eine verbesserte Liquidnachförderung zum Heizorgan und/oder -Ankopplung des Liquidtanks an das Heizorgan über das Dochtorgan gewährleistet werden.
Vorteilhafterweise wird mit den Schritten c) und d) zunächst Granulat mit einer ersten, feinen Körnung in direktem Kontaktbereich zum Wafer aufgebracht, und nachfolgend wird in der Wiederholung der Schritte c) und d) ein Granulat mit einer zweiten Körnung auf die bereits vorhandene Schicht aufgebracht, wobei die zweite Körnung hinsichtlich der Korngröße von der ersten Körnung abweicht. Dadurch können im direkten Kontaktbereich unerwünschte Hohlräume reduziert werden. Es können auch mehrere Schichten mit einer ersten Körnung und anschließend mehrere Schichten mit einer zweiten Körnung oder weitere Schichten mit Körnungen anderer Größenordnung oder auch Mischungen unterschiedlicher Körnungen nacheinander aufgetragen werden.
Vorzugsweise wird in Schritt b) die Lochstruktur durch trocken-chemisches Ätzen oder nass-chemisches Ätzen oder Laserbohren erzeugt. Andere übliche Verfahren zum Erzeugen einer Lochstruktur, also das Ausbilden von durchgängigen Mikrokanälen im Substrat, sind ebenfalls anwendbar.
Vorzugsweise wird das Trennen in Schritt e) durch Sägen oder Laserschneiden ausgeführt. Andere übliche Verfahren zum Trennen, beispielsweise das Erzeugen von Sollbruchstellen mit anschließendem Brechen, sind ebenfalls anwendbar.
Besonders bevorzugt werden als Granulat Glasgranulat und/oder Keramikgranulat und/oder Mischungen daraus aufgetragen. Diese Granulate eigenen sich in besonderer Weise zum Herstellen des Dochtorgans sowie zur Anbindung/Verbindung des Dochtorgans an das Heizorgan.
Vorzugsweise weist das Verfahren den weiteren Schritt auf: Aufrauen wenigstens eines Teils einer der Oberflächen des Wafers. Die aufgeraute Oberfläche ist dabei die Oberfläche des Wafers, auf die das Granulat aufgebracht wird und an der das Granulat haftet bzw. mit der sich das Granulat verbindet/verschmilzt. Das Aufrauen kann dabei beispielsweise mit in der Halbleiterindustrie bekannten Verfahren zum Aufrauen von Oberflächen durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Aufrauen durch Trockenätzverfahren, wie bspw. reaktives lonenätzen (RIE), oder nasschemische Ätzverfahren durchgeführt werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Oberfläche des Wafers mechanisch behandelt wird, z.B. durch Schleifverfahren mit geeigneten Schleifmitteln. Das Aufrauen kann alternativ oder zusätzlich auch eine Oberflächenaktivierung umfassen. Beispielhafte Verfahren für die Oberflächenaktivierung sind eine Behandlung der Oberfläche mit Plasma oder das Entfernen von Oxidschichten mit in der Halbleiterindustrie bekannten Verfahren, z.B. nasschemischen, mechanischen oder Sputter-Verfahren. Mithilfe des Aufrauens kann die Haftung zwischen dem auf den Wafer aufgebrachten Granulat und der Waferoberfläche verbessert werden. Es können auch einseitig polierte Wafer eingesetzt werden, wobei die polierte Seite in Richtung des Luftströmungskanals weist.
Die gegenüberliegende Seite weist eine herstellungsbedingte Rauigkeit auf, so dass auf zusätzliches Aufrauen verzichtet werden kann.
Die Aufgabe wird auch durch eine Verdampfereinheit gelöst, die mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 hergestellt ist. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren beschrieben, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Passagen verwiesen wird. Das Produkt des Herstellungsverfahrens, nämlich die einstückige Verdampfereinheit, weist eine optimierte Flüssigkeitskopplung zwischen Dochtorgan und Heizorgan auf und lässt sich besonders einfach und günstig handhaben, insbesondere montieren.
Die Aufgabe wird auch durch eine Verdampferkartusche der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Verdampfereinheit gemäß Anspruch 21 ausgebildet und eingerichtet ist. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren und der Verdampfereinheit beschrieben, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Passagen verwiesen wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Verdampferkartusche ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Trägerelement umfasst, das zum einen einen Durchgangskanal zur Bildung des Luftströmungskanals oder Teilen davon und zum anderen eine Ausnehmung zur Aufnahme der Verdampfereinheit aufweist, wobei das Trägerelement und die einstückige Verdampfereinheit eine bauliche Einheit bilden. Mit dieser Ausbildung kann eine so genannte Inside-Einheit besonders einfach vorgefertigt werden, indem die einstückige Verdampfereinheit vorzugsweise automatisiert in einem Schritt in das Trägerelement eingesetzt werden kann, das derart bestückt wiederum besonders einfach z.B. in einen Adapter der Verdampferkartusche eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird auch durch einen Inhalator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Verdampferkartusche nach Anspruch 22 oder 23 ausgebildet und eingerichtet ist. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren, der Verdampfereinheit sowie der Verdampferkartusche beschrieben, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Passagen verwiesen wird.
Weitere zweckmäßige und/oder vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen zum Verfahren, zur Verdampfereinheit, zur Verdampferkartusche und zum Inhalator ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Inhalators mit Kartuschenträger und Verdampferkartusche einschließlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigter Verdampfereinheit im Teilschnitt.

Der in der Zeichnung dargestellte Inhalator dient zum Inhalieren von mit Wirkstoffen, z.B. Nikotin, angereichertem Dampf und/oder Aerosolen aus Flüssigkeiten, und ist entsprechend im Zusammenhang mit einer E-Zigarette beschrieben. Der Inhalator ist in gleicher Weise zum Inhalieren von mit medizinischen Wirkstoffen angereichertem Dampf und/oder Aerosolen aus pharmazeutischen und/oder nahrungsergänzenden Produkten einsetzbar.
Der Inhalator 10 ist zum Inhalieren von mit Wirkstoffen angereichertem Dampf ausgebildet und eingerichtet und umfasst einen mindestens eine elektronische Steuereinheit 11 und eine Energiequelle 12 umfassenden Kartuschenträger 13 sowie eine Verdampferkartusche 14. Die Verdampferkartusche 14 selbst umfasst mindestens einen Vorratstank 15 zum Aufnehmen und Bevorraten einer Flüssigkeit 16 und mindestens einen Hohlkörper 17 mit einem durchgängigen Luftströmungskanal 18, wobei der Vorratstank 15 mindestens eine Zugangsöffnung 19 zum Luftströmungskanal 18 aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung 19 eine sich über die gesamte Zugangsöffnung 19 erstreckende Verdampfereinheit 20 angeordnet ist, die ein dem Vorratstank 15 zugewandtes Dochtorgan 21 und ein dem Luftströmungskanal 18 zugewandtes Heizorgan 22 aufweist, wobei die Verdampfereinheit 20 flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass Flüssigkeit 16 mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank 15 durch die Verdampfereinheit 20 in Richtung des Luftströmungskanals 18 förderbar ist.
Die Verdampferkartusche 14 ist zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit dem Kartuschenträger 13 ausgebildet und eingerichtet, wobei elektrische Kontakte 23 von der Verdampferkartusche 14 zur elektrischen Kontaktierung mit der Energiequelle 12 zum Kartuschenträger 13 führen (siehe 1). Der Inhalator 10 kann z.B. durch eine inhalierende Person aktiviert werden, beispielsweise als E-Zigarette, indem die Person an einem Mundstück 24 saugt, oder z.B. durch eine Pumpe aktiviert werden, z.B. als medizinisches Instrument für den Fall, dass die Person selbst nicht mehr oder nicht ausreichend saugen kann.
Die Verdampferkartusche 14 kann als Einwegartikel eine bauliche Einheit sein, die die Komponenten Vorratstank 15, Hohlkörper 17 und Verdampfereinheit 20 beinhaltet. Die Verdampferkartusche 14 kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei sich Komponenten der Verdampferkartusche 14 auf den Einwegartikel und den Mehrwegartikel verteilen, derart, dass z.B. der Vorratstank 15 ein Einwegartikel ist, der erst beim Zusammenführen mit einem Kartuschenträger 13, der ein Mehrwegartikel sein kann und neben der elektronischen Steuereinheit 11 und der Energiequelle 12 auch Bestandteile der Verdampferkartusche 14, wie z.B. den Hohlkörper 17 und die Verdampfereinheit 20, umfassen kann, zur baulichen Einheit der Verdampferkartusche 14 führt. Die Verdampferkartusche 14 definiert sich entsprechend über ihre Komponenten, nämlich Vorratstank 15, Hohlkörper 17 mit Luftströmungskanal 18, und Verdampfereinheit 20, und nicht über die konstruktive/bauliche Zuordnung der Komponenten zum Mehrwegartikel bzw. Einwegartikel.
Der Verdampfereinheit 20 kommt für den Transport der Flüssigkeit aus dem Vorratstank 15 zum Heizorgan 22 mittels des Dochtorgans 21 sowie für das Verdampfen der Flüssigkeit 16 mittels des Heizorgans 22 eine zentrale Bedeutung bei.
Die Verdampfereinheit 20 wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte hergestellt:

a) Bereitstellen eines mindestens teilweise aus einem Halbleiter, vorzugsweise Silizium, bestehenden Wafers,
b) Erzeugen einer vorbestimmten Lochstruktur im Wafer durch Ausbilden von eine erste Oberfläche mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche verbindenden Mikrokanälen,
c) mindestens teilflächiges Auftragen mindestens einer Schicht eines Granulats auf eine der beiden Oberflächen des Wafers,
d) Einbringen einer Wärmemenge in die Schicht aus Granulat zum Verbinden des Granulats zu einer offenporigen Dochtschicht einerseits und zum Verbinden der offenporigen Dochtschicht mit der Oberfläche des Wafers andererseits,
e) Trennen einstückiger Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen 25 aus dem in den Schritten a) bis d) behandelten Wafer.

Mit diesem Verfahren sind eine einstückige Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen 25 geschaffen, die insbesondere im Kontaktbereich zwischen Dochtorgan 21 und Heizorgan 22 über eine optimierte Flüssigkeitskopplung verfügen und als einstückige Einzelteile besonders einfach zu montieren sind.
Die im Folgenden beschriebenen Merkmale und Weiterbildungen stellen für sich betrachtet oder in Kombination miteinander bevorzugte Weiterbildungen des Verfahrens dar. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Verfahrensschritte, die in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung zusammengefasst oder in einer gemeinsamen Ausführungsform beschrieben sind, auch funktional eigenständig das weiter oben beschriebene Verfahren weiterbilden können.
Bevorzugt wird im Schritt a) ein p- oder n-dotiertes Silizium aufweisender Wafer bereitgestellt. Vorzugsweise wird in einem Schritt f) ein elektrisch leitfähiges Material auf vorbestimmte Bereiche einer ersten Oberfläche des Wafers zur Bildung elektrischer Kontaktierungsflächen aufgetragen, insbesondere nach dem Schritt a) und vor dem Schritt b). In anderen Varianten wird, für den Fall, dass im Schritt a) ein aus reinem Silizium oder im Wesentlichen aus Silizium bestehender Wafer bereitgestellt wird, zusätzlich zum Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Kontaktierungsflächen elektrisch leitfähiges Material mindestens auf vorbestimmte Bereiche der ersten Oberfläche des Wafers zur Bildung von Heizflächen aufgebracht, derart, dass die Kontaktierungsflächen mit den Heizflächen in elektrischem Kontakt stehen. Jede einzelne aus dem Wafer gewonnene Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung 25 weist auf einer Oberfläche zwei Kontaktierungsflächen und mindestens eine Heizfläche auf. Die Kontaktierungsflächen bilden die elektrischen Anschlüsse für die elektrischen Kontakte 23, um die oder jede Heizfläche mittels der Energiequelle zu erwärmen bzw. aufzuheizen.
Das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Kontaktierungsflächen und das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Heizflächen erfolgt wahlweise nacheinander in separaten Schritten oder zeitgleich in einem Schritt. Zur Bildung der Heizflächen kann z.B. eine Metallschicht flächig oder linienförmig auf eine Oberfläche gebracht werden. Als Material für die Metallschicht kommen unterschiedliche elektrisch leitfähige Stoffe zum Einsatz, wie z.B. Gold, Platin, Nickel oder z.B. eine aus Kupfer, Nickel und Mangan gebildete Legierung. Diese oder andere Metalle und Metalllegierungen können auch für die Kontaktierungsflächen verwendet werden. Das Aufbringen der Kontaktierungsflächen und der Heizflächen selbst wird mit üblichen Beschichtungsverfahren ausgeführt.
Das Erzeugen der vorbestimmten Lochstruktur erfolgt ebenfalls mit üblichen Verfahren, beispielsweise mit dem Trockenätzverfahren. Optional kann zunächst die Lochstruktur im noch unbehandelten Wafer erzeugt werden, indem Mikrokanäle gebildet werden, die sich vorzugsweise senkrecht von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken, um anschließend die Kontaktierungsflächen und ggf. die Heizflächen aufzubringen. Bevorzugt wird die Oberfläche des Wafers aber zunächst mit der Metallschicht für die Kontaktierungsflächen und ggf. für die Heizflächen aufgebracht, bevor dann die Lochstruktur geschaffen wird. Entsprechend können die Schritte f) und b) sowie das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Heizfläche in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
Das Auftragen des Granulats und das Einbringen einer Wärmemenge in das Granulat gemäß den Schritten c) und d) kann nacheinander ausgeführt werden. In diesem Fall wird das Granulat zunächst flächig, z.B. im Rakelverfahren oder einem vergleichbaren Verfahren, zur Bildung einer gleichmäßigen, unbehandelten Granulatschicht auf eine der beiden Oberflächen aufgetragen. Dabei kann die Oberfläche teilflächig oder vollflächig mit einer Granulatschicht versehen werden. Die Granulatschicht wird anschließend zur Bildung der offenporigen Dochtschicht einer Plasmabehandlung unterzogen. Die Plasmabehandlung ist ein thermisches Verfahren, bei dem die aufgetragene und gleichmäßig verteilte Granulatschicht mit einem vorzugsweise gerichteten Plasmastrahl beaufschlagt wird, wodurch eine Wärmemenge in die Granulatschicht eingebracht wird. Die Temperatur ist dabei in Abhängigkeit des Granulatmaterials so gewählt, dass das Granulat nur oberflächlich anschmilzt, so dass sich Körner des Granulats zum einen miteinander verbinden und sich zum anderen mit der Oberfläche des Wafers verbinden. Bei der so genannten Plasmarisierung des Granulats bildet sich aus dem Granulat eine offenporige Dochtschicht, die fest mit dem das Heizorgan 22 bildenden Wafer verbunden ist.
In anderen Varianten wird das aufzutragende Granulat vor dem Einbringen der Wärmemenge mit einem Bindemittel benetzt, und das derart benetzte und im Schritt c) aufgetragene Granulat wird anschließend im Schritt d) einer Temperbehandlung unterzogen, mit der die Wärmemenge in die Granulatschicht eingebracht wird. Das mit Bindemitteln benetzte bzw. durchmischte Granulat wird dazu bei Raum-/Umgebungstemperatur als Masse auf die Oberfläche des Wafers aufgetragen und verteilt, so dass eine Granulatschicht entsteht. Anschließend wird die Granulatschicht getempert, so dass sich eine miteinander verbundene, offenporige Dochtschicht ergibt, die fest mit dem das Heizorgan 22 bildenden Wafer verbunden ist.
Vorzugsweise werden die Schritte c) und d) zeitgleich ausgeführt. Dazu wird das Granulat plasmabehandelt gleichmäßig zur Bildung der offenporigen Dochtschicht auf eine der beiden Oberflächen aufgetragen. Dieser Vorgang wird auch als thermisches Spritzen bezeichnet. Besonders bevorzugt kommt das Plasmaspritzen zum Einsatz. Als Beispiel wird das atmosphärische Plasmaspritzen genannt. Dabei brennt zwischen einer stabförmig, zentrisch angeordneten Wolframkathode und einer ringförmigen wassergekühlten Kupferanode ein eingeschnürter Lichtbogen mit hoher Energiedichte. Dieser Lichtbogen gibt einen Großteil seiner Wärmeenergie an das Gas ab, welches ionisiert (Ar, He) oder bei zweiatomigen Gasen (H₂, N₂) zunächst dissoziiert und dann ionisiert wird. Bei der Rekombination wird die aufgenommene Wärmeenergie wieder abgegeben, und ein elektrisch neutraler Plasmastrahl verlässt den Plasmaapplikator (Anode) mit hoher Geschwindigkeit. Der pulverförmige bzw. granulare Beschichtungswerkstoff, also das Granulat, wird mit Hilfe eines Trägergases innerhalb oder außerhalb des Plasmaapplikators in die Plasmaflamme geblasen, angeschmolzen und auf die vorzugsweise vorbehandelte Oberfläche des Wafers gespritzt.
Die oder jede Granulatschicht kann z.B. auf die Oberfläche des Wafers aufgetragen werden, auf der sich auch die Kontaktierungsflächen und ggf. die Heizflächen befinden. Vorzugsweise erfolgt das Auftragen der mindestens einen Schicht aus Granulat ausschließlich auf der zweiten, der ersten Oberfläche mit den Kontaktierungsflächen gegenüberliegenden Oberfläche des Wafers. Unabhängig davon, auf welche Seite/Oberfläche des Wafers die oder jede Granulatschicht aufgetragen wird, kann der Wafer insgesamt, zumindest jedoch die Oberfläche, auf die das Granulat aufgetragen werden soll, vorgeheizt werden. Dazu kann der Wafer zum oder auch erst beim Auftragen des Granulats beheizt werden.
Die endgültige Dochtschicht zur Bildung des Dochtorgans 21 kann in einem Schritt erzeugt werden, indem eine Granulatschicht aufgetragen und wärmebehandelt wird. Vorzugsweise ist das Dochtorgan 21 jedoch mehrschichtig aufgebaut. Dazu werden die Schritte c) und d) vorzugsweise mindestens einmal wiederholt, bevor im Schritt e) Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen 25 vereinzelt werden. Besonders bevorzugt werden die Schritte c) und d) jedoch mehrfach wiederholt. Eine weitere Granulatschicht ist bevorzugt erst dann aufzutragen, wenn die zuvor aufgetragene Granulatschicht nach der Wärmebehandlung fest ist. Die Dicke der jeweiligen Granulatschichten, also die Materialstärke der jeweiligen Dochtschicht, kann von Schicht zu Schicht gleich sein oder von Schicht zu Schicht variieren.
Vorzugsweise werden die Schritte c) und d) mit Granulaten unterschiedlicher Körnung und/oder unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit wiederholt. Vorzugsweise wird mit den Schritten c) und d) zunächst Granulat mit einer ersten, feinen Körnung in direktem Kontaktbereich zum Wafer aufgebracht, und nachfolgend wird in der Wiederholung der Schritte c) und d) ein Granulat mit einer zweiten Körnung auf die bereits vorhandene Schicht aufgebracht, wobei die zweite Körnung hinsichtlich der Korngröße von der ersten Körnung abweicht. Beispielsweise können drei Schichten aus Granulat gleicher Körnung aufgetragen werden. Nach dem Verfestigen der jeweiligen Schicht können dann drei weitere Schichten mit einer gröberen Körnung aufgetragen und verfestigt werden. Abschließend können dann noch drei weitere Schichten mit einer noch gröberen Körnung aufgetragen und wärmebehandelt werden. Es lässt sich quasi ein beliebiger Schichtaufbau mit beliebiger Schichtfolge realisieren, so dass ein Porengradient erzeugt werden kann und insbesondere auch eine gezielte Wärmeleitfähigkeit des Dochtorgans 21 erreicht werden kann. Rein beispielhaft kann eine aus einer oder mehreren Schichten gebildete Dochtschicht aus Granulat erzeugt werden, das Al₂O₃ oder ein Glas, z.B. Quarzglas oder jedes andere Glas, aufweist. Es ist auch möglich, dass nur eine erste Schicht ein Glas, z.B. Quarzglas, aufweist und wenigstens eine zweite Schicht ein anderes Material aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite aus einer oder mehreren Schichten gebildete Dochtschicht aus Granulat erzeugt werden, das ZrO₂ aufweist. Eine dritte aus einer oder mehreren Schichten gebildete Dochtschicht kann aus Glas bestehen bzw. Glas aufweisen. Alle drei Dochtschichten zusammen bilden das Dochtorgan 21, das fest mit dem Heizorgan 22 verbunden ist.
Wie erwähnt, kann die Lochstruktur in Schritt b) durch trocken-chemisches Ätzen oder nass-chemisches Ätzen oder Laserbohren erzeugt werden. Anstelle des chemischen Trockenätzens kann auch ein physikalisches Trockenätzen oder ein physikalischchemisches Trockenätzen durchgeführt werden. Vergleichbar zum Trockenätzen können auch übliche Nassätzverfahren durchgeführt werden.
Wie vorstehend bereits beschrieben, kann das Trennen in Schritt e) durch Sägen oder Laserschneiden ausgeführt werden. Andere übliche Trenn-, Schneid-, Brech- oder Teilverfahren sind aber ebenfalls möglich. Am Beispiel eines 8-Zoll-Wafers kann man z.B. 4200 Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen 25, also Verdampfereinheiten 20 gewinnen, die jeweils einstückig weiterverarbeitbar sind.
Zum Bilden des Dochtorgans 21 gemäß Schritt c) kommen als Granulat vorzugsweise Glasgranulat und/oder Keramikgranulat und/oder Mischungen daraus zum Einsatz. Bevorzugt wird ein Granulat aus Quarzglas aufgetragen. Selbstverständlich sind andere Granulate und Granulatmischungen einsetzbar.
Erfindungsgemäß ist die Verdampfereinheit 20 zum Einsatz in einer Verdampferkartusche 14 mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, also wie vorstehend ausführlich beschrieben, hergestellt. Diese einstückigen Verdampfereinheiten 20 können dann weiterverarbeitet und insbesondere in Verdampferkartuschen 14 oder Teile davon eingesetzt werden, vorzugsweise automatisiert. Erfindungsgemäße Verdampferkartuschen 14 weisen entsprechend eine Verdampfereinheit 20 auf, die gemäß Anspruch 21, also wie vorstehend ausführlich beschrieben, ausgebildet und eingerichtet ist. Bevorzugt umfasst die Verdampferkartusche 14 ein Trägerelement 26, das zum einen einen Durchgangskanal 27 zur Bildung des Luftströmungskanals 18 oder Teilen davon und zum anderen eine Ausnehmung 28 zur Aufnahme der Verdampfereinheit 20 aufweist, wobei das Trägerelement 25 und die einstückige Verdampfereinheit 20 eine bauliche Einheit bilden. Der erfindungsgemäße Inhalator 10, der zum Inhalieren von mit Wirkstoffen angereichertem Dampf ausgebildet und eingerichtet, umfasst eine Verdampferkartusche 14 nach Anspruch 22 oder 23, also wie vorstehend ausführlich beschrieben. Die Verdampfereinheit 20/Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung 25 ist als Einzelteil jedoch auch in jeden anderen Inhalator 10 oder andere Einrichtungen zum Verdampfen einsetzbar.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen (25) als Verdampfereinheit (20) zum Einsatz in einer Verdampferkartusche (14), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines mindestens teilweise aus einem Halbleiter, vorzugsweise Silizium, bestehenden Wafers, b) Erzeugen einer vorbestimmten Lochstruktur im Wafer durch Ausbilden von eine erste Oberfläche mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche verbindenden Mikrokanälen, c) mindestens teilflächiges Auftragen mindestens einer Schicht eines Granulats auf eine der beiden Oberflächen des Wafers, d) Einbringen einer Wärmemenge in die Schicht aus Granulat zum Verbinden des Granulats zu einer offenporigen Dochtschicht einerseits und zum Verbinden der offenporigen Dochtschicht mit der Oberfläche des Wafers andererseits, e) Trennen einstückiger Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen (25) aus dem in den Schritten a) bis d) behandelten Wafer.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein p- oder n-dotiertes Silizium aufweisender Wafer bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den weiteren Schritt f) aufweist: Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials auf vorbestimmte Bereiche einer ersten Oberfläche des Wafers zur Bildung elektrischer Kontaktierungsflächen
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, für den Fall, dass im Schritt a) ein im Wesentlichen aus Silizium bestehender Wafer bereitgestellt wird, zusätzlich zum Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Kontaktierungsflächen elektrisch leitfähiges Material mindestens auf vorbestimmte Bereiche der ersten Oberfläche des Wafers zur Bildung von Heizflächen aufgebracht wird, derart, dass die Kontaktierungsflächen mit den Heizflächen in elektrischem Kontakt stehen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Kontaktierungsflächen und das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Heizflächen wahlweise nacheinander in separaten Schritten oder zeitgleich in einem Schritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte f) und b) sowie das Aufbringen des elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung der Heizfläche in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) nacheinander ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat zunächst flächig zur Bildung einer gleichmäßigen, unbehandelten Granulatschicht auf eine der beiden Oberflächen aufgetragen wird, und diese Granulatschicht anschließend zur Bildung der offenporigen Dochtschicht einer Plasmabehandlung unterzogen wird, mit der die Wärmemenge in die Granulatschicht eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzutragende Granulat vor dem Einbringen der Wärmemenge mit einem Bindemittel benetzt wird, und dass das derart benetzte und im Schritt c) aufgetragene Granulat anschließend im Schritt d) einer Temperbehandlung unterzogen wird, mit der die Wärmemenge in die Granulatschicht eingebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) zeitgleich ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat plasmabehandelt gleichmäßig zur Bildung der offenporigen Dochtschicht auf eine der beiden Oberflächen aufgetragen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen der mindestens einen Schicht aus Granulat ausschließlich auf der zweiten, der ersten Oberfläche mit den Kontaktierungsflächen gegenüberliegenden Oberfläche des Wafers erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer mindestens auf der Oberfläche, auf die das Granulat aufgetragen wird, mindestens zum oder beim Auftragen des Granulats beheizt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) mindestens einmal wiederholt werden, bevor im Schritt e) Dochtorgan-Heizorgan-Anordnungen (25) vereinzelt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) mit Granulaten unterschiedlicher Körnung und/oder unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Schritten c) und d) zunächst Granulat mit einer ersten, feinen Körnung in direktem Kontaktbereich zum Wafer aufgebracht wird, und nachfolgend in der Wiederholung der Schritte c) und d) ein Granulat mit einer zweiten Körnung auf die bereits vorhandene Schicht aufgebracht wird, wobei die zweite Körnung hinsichtlich der Korngröße von der ersten Körnung abweicht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Lochstruktur durch trocken-chemisches Ätzen oder nass-chemisches Ätzen oder Laserbohren erzeugt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen in Schritt e) durch Sägen oder Laserschneiden ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Granulat Glasgranulat und/oder Keramikgranulat und/oder Mischungen daraus aufgetragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt aufweist: Aufrauen wenigstens eines Teils einer der Oberflächen des Wafers.
Verdampfereinheit (20) zum Einsatz in einer Verdampferkartusche (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit (20) mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 hergestellt ist.
Verdampferkartusche (14) als Bestandteil eines Inhalators (10), umfassend mindestens einen Vorratstank (15) zum Aufnehmen und Bevorraten einer Flüssigkeit (16) und mindestens einen Hohlkörper (17) mit einem durchgängigen Luftströmungskanal (18), wobei der Vorratstank (15) mindestens eine Zugangsöffnung (19) zum Luftströmungskanal (18) aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung (19) eine sich über die gesamte Zugangsöffnung (19) erstreckende Verdampfereinheit (20) angeordnet ist, die ein dem Vorratstank (15) zugewandtes Dochtorgan (21) und ein dem Luftströmungskanal (18) zugewandtes Heizorgan (22) aufweist, wobei die Verdampfereinheit (20) flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass Flüssigkeit (16) mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank (15) durch die Verdampfereinheit (20) in Richtung des Luftströmungskanals (18) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit (20) gemäß Anspruch 21 ausgebildet und eingerichtet ist.
Verdampferkartusche (14) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Trägerelement (25) umfasst, das zum einen einen Durchgangskanal (26) zur Bildung des Luftströmungskanals (20) oder Teilen davon und zum anderen eine Ausnehmung (27) zur Aufnahme der Verdampfereinheit (20) aufweist, wobei das Trägerelement (25) und die einstückige Verdampfereinheit (20) eine bauliche Einheit bilden.
Inhalator (10), ausgebildet und eingerichtet zum Inhalieren von mit Wirkstoffen angereichertem Dampf, umfassend einen mindestens eine elektronische Steuereinheit (11) und eine Energiequelle (12) umfassenden Kartuschenträger (13) sowie eine Verdampferkartusche (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferkartusche (20) nach Anspruch 22 oder 23 ausgebildet und eingerichtet ist.