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Die Erfindung betrifft ein Heizelement für eine elektronische Zigarette mit einer ersten Widerstandsstruktur. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Elektronische Zigarette mit einer Regel-/Auswerteeinheit, einem erfindungsgemäßen Heizelement und einem Tabakstick. Abschließend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen von zumindest einer physikalischen Eigenschaft eines Tabakaerosols während eines Rauchvorgangs unter Nutzung einer erfindungsgemäßen elektronischen Zigarette, sowie ein Verfahren zum Erfassen von zumindest einem Gesundheitsparameter eines Benutzers während eines Rauchvorgangs unter Nutzung einer erfindungsgemäßen elektronischen Zigarette.
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Tabak Heat-not-Burn(HnB)-Produkte sind eine Unterart elektronischer Zigaretten und stellen eine Alternative zu herkömmlichen Zigaretten dar. Sie verwenden Heizelemente, welche in einer Heizkammer angebracht sind, um den Tabak zu erhitzen, anstatt ihn zu verbrennen. Das Ergebnis des Erhitzens ist ein Nikotin-enthaltendes Aerosol, welches von dem Benutzer eingeatmet wird. HnB-Produkte unterscheiden sich von anderen Arten der elektronischen Zigarette darin, dass echter Tabak erhitzt wird, anstatt einer Nikotin-enthaltenden Flüssigkeit. Hierfür wird ein Tabakstick in eine Heizkammer des HnB-Produktes eingeführt, welcher typischerweise von dem Heizelement durchstochen wird und anschließend von dem Heizelement oder von den Wänden der Heizkammer erwärmt wird.
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Alle kommerziell auf dem Markt erhältlichen HnB-Produkte (bspw. „IQOS“ von PMI, „LilPlus“ von KT&G, „Glo“ von BAT, „IUOC 2“ von SYT, „Monk“ von CT, etc.) verwenden elektronisch gesteuerte Heizelemente, basierend auf resistivem (Joule-)Heizen. Abgesehen von dem reinen Erhitzen dienen die Heizelemente keinem weiteren Zweck. Eine Ausnahme bietet die „LilPlus“ von KT&G, welche zusätzlich einen Temperatursensor vorsieht.
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Sowohl für den Benutzer eines HnB-Produktes, als auch für den Hersteller des HnB-Produktes, existieren eine Vielzahl weiterer relevanter Parameter bezüglich der Funktion des Produkts und bezüglich Gesundheitsaspekten. Diese Parameter umfassen, neben weiteren, beispielsweise eine Überwachung des Zuges (Puffs) des Benutzers (Volumen, Dauer, Frequenz, etc.) oder Eigenschaften des Aerosols (Feuchtigkeit, Dichte, Temperatur, Durchflussgeschwindigkeit, etc.). Keines der heutzutage erhältlichen Produkte erlaubt es, solche Parameter zu messen.
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Ein Beispiel für ein geeignetes Heizelement ist in der
WO 2015/189388 A1 offenbart.
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Die Messung solcher Parameter wird durch eine zusätzliche Sensorik ermöglicht, welche in das Gehäuse des HnB-Produktes eingebaut wird. Der Stand der Technik umfasst eine Vielzahl von Patentveröffentlichungen, in welchem eine zusätzliche Sensorik in einem solchen HnB-Produkt, bzw. einer elektronischen Zigarette, verbaut wird. Beispielweise beschreibt die
US 10,051,891 B2 eine elektronische Zigarette mit einem kapazitiven Sensor zur Bedienung der elektronischen Zigarette. Verschiedene Druckschriften umfassen elektronische Zigaretten mit weiteren Sensoren, um einen Winkel mittels Hall-Sensor (
US 10,258,086 B2 ), ein Maß der Feuchtigkeit
(
US 10,172,392 B2 ) oder eine Lippentemperatur (
US 10,405,582 B2 ) zu erfassen. Die Druckschriften
JP 2006 505 281 A ,
CN 107624040A und
JP 2011 527 415 A offenbaren weitere Beispiele für elektronische Zigaretten mit zusätzlicher Sensorik. Allen diesen Beispielen ist gemein, dass die zusätzliche Sensorik zusätzlich zu dem Heizelement in dem Gehäuse oder in der Heizkammer angeordnet ist. Die zusätzliche Sensorik muss zu den Rahmenbedingungen des Gerätes passen (bspw. in puncto Form/Größe, Funktion, Energieverbrauch, etc.) und benötigt gegebenenfalls zusätzliche Elektronik, um die weiteren Parameter auszulesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erfassung weiterer, für eine elektronische Zigarette, relevanter Parameter zu ermöglichen, ohne die Form/Dimensionen und die physikalischen Eigenschaften des Heizelements und der Heizkammer verändern zu müssen.
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Die Aufgabe wird durch ein Heizelement für eine elektronische Zigarette mit einer ersten Widerstandsstruktur gelöst, welche erste Widerstandsstruktur in einem ersten definierten Flächenbereich auf einer Oberfläche einer ersten Seite eines, insbesondere länglichen, Trägersubstrats mit einem ersten Längsendbereich und einem zweiten Längsendbereich angeordnet ist, und mit einer zweiten Widerstandsstruktur, welche zweite Widerstandsstruktur in einem zweiten definierten Flächenbereich auf der Oberfläche der ersten Seite des Trägersubstrats angeordnet ist, oder welche zweite Widerstandsstruktur in einem ersten definierten Flächenbereich auf einer Oberfläche einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist,
wobei der ersten Widerstandsstruktur elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an eine erste Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet sind,
wobei der zweiten Widerstandsstruktur elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an die erste oder eine zweite Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet sind,
wobei die erste Widerstandsstruktur derart ausgestaltet ist, dass bei Anlegen einer Spannung eine erste Heiztemperatur erzeugt wird,
wobei die zweite Widerstandsstruktur derart ausgestaltet ist, dass diese eine physikalischen Messgröße der Umgebung der zweiten Widerstandsstruktur erfasst, wobei die Anschlusskontakte an dem ersten Längsendbereich angeordnet sind, und wobei das Trägersubstrat am zweiten Längsendbereich derart ausgestaltet ist, dass das Heizelement in einen Tabakstick einführbar ist.
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Die Aufgabe wird somit dadurch gelöst, dass eine oder mehrere zusätzliche Widerstandsstrukturen, die als Heizelement und/oder als Temperatursensor dienen können, auf der ersten oder der zweiten Seite des Heizelements aufgebracht werden. Da die weiteren Widerstandsstrukturen direkt auf das Heizelement aufgebracht werden, sind keine Änderungen der Formen und der Dimensionen des Heizelements und der Heizkammer erforderlich. Während des Gebrauchs befinden sich die weiteren Widerstandsstrukturen daher direkt in dem Tabakstick und sind direkt mit dem erzeugten Tabakaerosol in Kontakt.
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Gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Heizstruktur ist vorgesehen, dass die zweite Widerstandsstruktur in dem zweiten definierten Flächenbereich auf der Oberfläche der ersten Seite des Trägersubstrats angeordnet ist,
wobei eine dritte Widerstandsstruktur in einem ersten definierten Flächenbereich auf einer Oberfläche einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist,
wobei der dritten Widerstandsstruktur elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an die erste Regel-/Auswerteeinheit oder die zweite Regel-/Auswerteeinheit oder eine dritte Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet sind, und
wobei die dritte Widerstandsstruktur derart ausgestaltet ist, dass diese eine physikalische Messgröße der Umgebung der dritten Widerstandsstruktur erfasst.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass eine vierte Widerstandsstruktur in zweiten definierten Flächenbereich auf einer Oberfläche einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist,
wobei der vierten Widerstandsstruktur auf der zweiten Seite des Trägersubstrats elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an die erste Regel-/Auswerteeinheit oder die zweite Regel-/Auswerteeinheit oder die dritte oder eine vierte Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet sind, und
wobei die vierte Widerstandsstruktur derart ausgestaltet ist, dass bei Anlegen einer Spannung eine zweite Heiztemperatur erzeugt wird. Die zweite Heiztemperatur dient beispielsweise dem Einbringen von Heizpulsen in die Umgebung (bspw. für eine thermische Strömungsmessung) und unterscheidet sich hierbei von der ersten Heiztemperatur.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass die der vierten Widerstandsstruktur zugeordnete Regel-/Auswerteeinheit ausgestaltet ist, die vierte Widerstandsstruktur derart mit einer Spannung zu belegen, insbesondere periodisch, dass die dritte Widerstandsstruktur und die vierte Widerstandsstruktur einen thermischen Strömungssensor zum Erfassen einer Strömungsgeschwindigkeit eines in der Umgebung der dritten und der vierten Widerstandsstruktur befindlichen fluiden Messmediums bilden. Der so gebildete thermische Strömungssensor kann in den bekannten Anregungsarten, beispielsweise CTA („Constant Temperature Anemometry“, CPA („Constant Power Anemometry“), 3-Omega-Methode, oder in einem gepulsten Anregungsmodus, betrieben werden.
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Es kann hierbei vorgesehen sein, die Strömungsmessung in den Zeitpunkten vorzunehmen, in welchen die erste Widerstandsstruktur keine Heiztemperatur erzeugt. Hierfür kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, das Heizelement in einem gepulsten Modus zu betreiben, in welchem sich das Erzeugen der Heiztemperatur mittels der ersten Widerstandsstruktur und das Messen der Strömungsgeschwindigkeit periodisch in kurzen Zeitintervallen abwechseln.
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Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Heizstruktur ist vorgesehen, dass die zweite Widerstandsstruktur in dem ersten definierten Flächenbereich auf der Oberfläche der zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist, und wobei eine dritte Widerstandsstruktur in einem zweiten definierten Flächenbereich auf der Oberfläche der zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist,
wobei der dritten Widerstandsstruktur elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an die erste Regel-/Auswerteeinheit oder die zweite Regel-/Auswerteeinheit oder eine dritte Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet sind, und
wobei die dritte Widerstandsstruktur derart ausgestaltet ist, dass diese eine physikalischen Messgröße der Umgebung der dritten Widerstandsstruktur erfasst.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass eine Passivierungsschicht auf der jeweiligen Oberfläche der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des Trägersubstrats aufgebracht ist, wobei die entsprechenden Widerstandsstrukturen auf der jeweiligen ersten Passivierungsschicht aufgebracht sind. Die erste Passivierungsschicht ist mittels eines Dickschicht- oder eine Dünnschichtverfahrens aufgebracht. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Passivierungsschicht um eine Glasschicht, welche typischerweise durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht worden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass die Widerstandsstrukturen einer Seite des Trägersubstrats in einem gemeinsamen Herstellungsverfahrensschritt mittels eines Dickschicht- oder Dünnschichtverfahrens auf die erste Passivierungsschicht aufgebracht sind. Gebräuchliche Dickschichtverfahren sind beispielsweise Druckverfahren wie Siebdruck. Gebräuchliche Dünnschichtverfahren sind beispielsweise PVD-Verfahren wie Sputtern oder Aufdampfen oder CVD-Verfahren. Auch additive Verfahren können verwendet werden, beispielsweise 3D-Druck, Tintenstrahldruck, etc.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass die Widerstandsstrukturen einer Seite des Trägersubstrats in getrennten Herstellungsverfahrensschritten mittels eines Dickschicht- oder Dünnschichtverfahrens auf die erste Passivierungsschicht aufgebracht sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass eine zweite Passivierungsschicht vorgesehen ist, welche derart auf der jeweiligen Oberfläche der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des Trägersubstrats aufgebracht ist, so dass die entsprechenden Widerstandsstrukturen von der jeweiligen zweiten Passivierungsschicht bedeckt sind. Bei der zweiten Passivierungsschicht handelt es sich insbesondere um eine Glasschicht, welche durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht worden ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich die unterschiedlichen Widerstandsstrukturen auf verschiedenen Höhen befinden. So kann zumindest eine der Widerstandsstrukturen direkt auf dem Trägersubstrat aufgebracht sein, wenn dieses elektrisch isoliert ist. Eine weitere Widerstandsstruktur kann auf der ersten Passivierungsschicht aufgebracht sein, eine weitere Widerstandsstruktur wiederum auf der zweiten Passivierungsschicht. Es können auch weitere Lagen von Passivierungsschichten vorgesehen sein, auf denen einzelne oder mehrere Widerstandsstrukturen entweder aufgebracht sind, oder von diesen bedeckt werden. Die Anzahl der Lagen und die Anordnung der Widerstandsstrukturen ist für den Fachmann je nach Anwendung frei wählbar. Ein Anordnen der Widerstandsstrukturen auf verschiedenen Lagen von Passivierungsschichten resultiert in einer guten thermischen Entkopplung der Widerstandsstrukturen untereinander bei guter thermischer Kopplung zu der Umgebung, bzw. zu dem strömenden Tabakaerosol, bzw. der Atemluft des Benutzers.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass die Widerstandsstrukturen PTC-Widerstandsstrukturen sind und jeweils zumindest ein Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, insbesondere Platin, oder eine Kombination von Materialien mit positiven Temperaturkoeffizienten umfassen. Es können auch weitere metallische Materialien mit einem geeigneten PTC verwendet werden. Alternativ können auch weitere elektrisch leitfähige Verfahren wie leitfähige Polymere, Halbleiter, Carbon, etc. verwendet werden.
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Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die zweite, dritte oder vierte Widerstandsstruktur zumindest ein NTC-Material oder -Materialkombination umfasst. In diesem Fall ist die Widerstandsstruktur jedoch nur zum Erfassen einer Temperatur ausgestaltet und nicht zum Heizen verwendbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizelements ist vorgesehen, dass sich die Materialien der einzelnen PTC-Widerstandsstrukturen unterscheiden.
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Des Weiteren wird die Aufgabe durch eine elektronische Zigarette mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, einem erfindungsgemäßen Heizelement und einem Tabakstick gelöst.
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Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erfassen von zumindest einer physikalischen Eigenschaft eines Tabakaerosols während eines Rauchvorgangs unter Nutzung einer erfindungsgemäßen elektronischen Zigarette nach Anspruch 12 gelöst, wobei der Rauchvorgang das Erhitzen des Tabaksticks mittels der ersten Widerstandsstruktur umfasst, sodass das Tabakaerosol erzeugt wird, wobei die physikalische Eigenschaft von zumindest einer der weiteren Widerstandsstrukturen erfasst wird, und wobei als physikalische Eigenschaft eine Temperatur des Tabakaerosols, ein Maß des Wärmeverlusts des Tabakaerosols und/oder eine Wärmeleitfähigkeit des Tabakaerosols erfasst wird. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die weiteren Widerstandsstrukturen dieselbe physikalische Eigenschaft redundant oder diversitär messen, dass jede der weiteren Widerstandsstrukturen eine separate physikalische Eigenschaft misst, oder dass zwei oder mehrere der weiteren Widerstandsstrukturen in Kombination eine physikalische Eigenschaft messen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass anhand der zumindest einen erfassten physikalischen Eigenschaft zumindest einer der folgenden Parameter bezüglich der elektronischen Zigarette bestimmt wird:
- - Eine Gaszusammensetzung, bzw. -konzentration des Tabakaerosol;
- - Ein Maß der Strömungsgeschwindigkeit des Tabakaersols;
- - Eine Zugdauer des Benutzers;
- - Eine Zugfrequenz des Benutzers;
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Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erfassen von zumindest einem Gesundheitsparameter eines Benutzers vor, während oder nach einem Rauchvorgang unter Nutzung einer erfindungsgemäßen elektronischen Zigarette gelöst, durch Ausatmen des Benutzers in die E-Zigarette, wobei während des Ausatmens eine zumindest eine physikalische Eigenschaft der Atemluft des Benutzers erfasst wird, wobei die physikalische Eigenschaft von zumindest einer der weiteren Widerstandsstrukturen erfasst wird, und wobei als physikalische Eigenschaft eine Temperatur der Atemluft, ein Maß des Wärmeverlusts der Atemluft und/oder eine Wärmeleitfähigkeit der Atemluft erfasst wird. Hierbei wird der Tabakstick vorteilhafterweise vor dem Ausatemvorgang aus der elektronischen Zigarette entfernt, um weniger Widerstand zu erhalten und um die reine Ausatemluft analysieren zu können. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die weiteren Widerstandsstrukturen dieselbe physikalische Eigenschaft redundant oder diversitär messen, dass jede der weiteren Widerstandsstrukturen eine separate physikalische Eigenschaft misst, oder dass zwei oder mehrere der weiteren Widerstandsstrukturen in Kombination eine physikalische Eigenschaft messen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass anhand der zumindest einen erfassten physikalischen Eigenschaft zumindest einer der folgenden Gesundheitsparameter des Benutzers bestimmt wird:
- - Ein Maß des Lungenvolumens des Benutzers;
- - Eine Zusammensetzung, bzw. Konzentration der Atemluft;
- - Eine Detektion vorbestimmter Substanzen in der Atemluft, bspw. Krebszellenmarker.
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Somit wird mittels der elektronischen Zigarette eine Spirometrie, eine Kapnometrie und/oder Früherkennung von Krankheiten durchgeführt. Beispielsweise befinden sich spezifische Substanzen in der Atemluft, wenn bestimmte Krebsarten vorliegen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
- 1: ein Ausführungsbeispiel des Heizelements.
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In 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelements gezeigt. 1a) zeigt hierbei eine Draufsicht auf die erste und die zweite Seite des Heizelements 1. 1b) zeigt eine Draufsicht auf eine Längsseite des Heizelements 1. 1c) schließlich zeigt einen (nicht maßstabsgetreuen) Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch das Heizelement 1.
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Das Heizelement 1 besteht in seiner grundlegenden Struktur aus einem insbesondere planarem Trägersubstrat 150, welches insbesondere länglich oder ähnlich geoetrisch ausgestaltet ist und welches aus einem metallischen Material, einem keramischen Material oder einem Halbleitermaterial besteht, welches bevorzugt in einem Dickenbereich von 200 µm bis 500 µm liegt.
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Im Folgenden werden die Materialien und Dimensionen des Heizelements beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass auch anderweitige Dimensionierungen und Materialien für eine fachlich qualifizierte Person auffindbar sind.
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Im vorliegenden Fall wird ein Zirkonoxid-Trägersubstrat mit einer Dicke von 380 µm verwendet. Das Trägersubstrat 150 ist in einem zweiten Endbereich 190 pfeilförmig verjüngt, so dass dieses in einen Tabackstick einführbar ist, bzw. dass der Tabakstick auf das Heizelement 1 steckbar ist. Die Länge des Heizelements beträgt ca. 19 mm, die Breite ca. 5 mm. Alternativ können weitere Geometrien am zweiten Längsendbereich 190 vorgesehen sein, damit das Heizelement 1 in den Tabakstick einführbar ausgestaltet ist, bspw. zacken-, zinnen, sägeblatt- oder zahnstocherförmig.
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Auf Vorder- und Rückseite des Trägersubstrats 150, fortan als erste Seite und zweite Seite bezeichnet, ist jeweils eine erste Passivierungsschicht 160 mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht. Bei dieser handelt es sich um eine Glasschicht mit einer Dicke vom 20 µm. Auf der ersten Seite des Trägersubstrats 1 sind auf der ersten Passivierungsschicht 160 mittels eines Dickschichtverfahrens eine erste Widerstandsstruktur 110 mit einer Dicke von 10 µm aufgebracht. Die erste Widerstandsstruktur 110 besteht aus Platin und besitzt einen Widerstandswert von 0,8 Ohm.
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Des Weiteren sind auf der ersten Passivierungsschicht 160 auf der ersten Seite eine zweite Widerstandsstruktur 120 und auf der zweiten Seite eine dritte Widerstandsstruktur 130 und eine vierte Widerstandsstruktur 140 mittels einer oder mehrerer Dünnschichtverfahren (bspw. PVD und Lithografie) aufgebracht. Diese Widerstandsstrukturen 120, 130, 140 weisen lediglich eine Dicke von wenigen Nanometern auf und bestehen insbesondere aus zueinander verschiedenen Materialien, beispielsweise Metalle, leitfähige Polymere, Halbleiter, Carbon, etc.
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Die erste und die zweite Widerstandsstruktur 110, 120 sind über separate Leiterbahnen aus Gold mit separaten Anschlusskontakten 111, 121 verbunden. Die dritte und die vierte Widerstandsstruktur 130, 140 sind über separate Leiterbahnen aus Gold mit separaten Anschlusskontakten 131, 141 verbunden. Die Anschlusskontakte 111, 121, 131, 141 sind in dem ersten Längsendbereich 180 des Trägersubstrats 150 angeordnet, dienen zum Anschluss an eine Regel-/Auswerteeinheit und bestehen aus einer Gold-Platin-Palladium-Legierung. Varianten können vorsehen, dass die Anschlusskontakte 111, 121, 131, 141 gemeinsam auf der ersten Seite des Trägersubstrats 150, gemeinsam auf der zweiten Seite des Trägersubstrats 150 oder verteilt auf der ersten/zweiten Seite des Trägersubstrats 150 angeordnet sind. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass es mehrere Regel-/Auswerteeinheiten gibt, die sich zwei oder mehr der Widerstandsstrukturen 110, 120, 130, 140 teilen, oder dass jeder der Widerstandsstrukturen 110, 120, 130, 140 eine separate Regel-/Auswerteeinheit zugeordnet ist.
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Das Trägersubstrat 150 kann auch mit einer Kavität ausgestaltet sein, über welchem sich eine Membran erstreckt, auf welchem die Widerstandsstrukturen 110, 120, 130, 140 aufgebracht sind. Hierdurch wird die Sensitivität erhöht.
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In einer speziellen Ausgestaltung ist ein Teil der Anschlusskontakte 111, 121, 131, 141 am ersten Längsendbereich 180 und ein Teil und ein Teil der Anschlusskontakte 111, 121, 131, 141 am zweiten Längsendbereich 190 angeordnet. Die Mitte des Substrats ist dabei auf einer Querseite zur Aufnahme des Tabaksticks ausgestaltet.
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Die zweite Widerstandsstruktur 120 ist derart ausgestaltet, dass diese einen Widerstandswert von 1000 Ohm aufweist. Die dritte Widerstandsstruktur 130 ist derart ausgestaltet, dass diese einen Widerstandswert von 50 Ohm aufweist. Die vierte Widerstandsstruktur 140 ist derart ausgestaltet, dass diese einen Widerstandswert von 1000 Ohm aufweist. Dies sind typische Widerstandswerte, die für die Strömungsmessung mittels eines CTA-Verfahrens verwendet werden.
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Zum Schutz aller Widerstandsstrukturen 110, 120, 130, 140, ist auf der ersten Seite und auf der zweiten Seite eine zweite Passivierungsschicht 170 mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht, welche in puncto Material und Dicke insbesondere der ersten Passivierungsschicht 160 entspricht und die Widerstandsstrukturen 110, 120, 130, 140 bedeckt, jedoch die Anschlusskontakte 111, 121, 131, 141 freilässt.
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Das Heizelement 1 ist dazu ausgestaltet, in eine elektronische Zigarette eingebaut zu werden. Hierfür wird es in die Heizkammer der elektronischen Zigarette eingebaut, wobei die elektronische Zigarette eine Regel-/Auswerteeinheit umfasst, welche mit den entsprechenden Anschlusskontakten 111, 121, 131, 141 verbunden wird. Während der Benutzung wird ein Tabakstick in die elektronische Zigarette eingeführt und auf das Heizelement 1 aufgesteckt. Die Regel-/Auswerteeinheit führt der ersten Widerstandsstruktur 110 eine dedizierte elektrische Spannung, bzw. einen elektrischen Strom zu, sodass der Tabakstick auf ca. 350 °C erhitzt wird und ein Tabakaerosol erzeugt.
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Beim Einatmen 2 passiert das Aerosol die weiteren Widerstandsstrukturen 120, 130, 140. Die Regel-/Auswerteeinheit steuert die Widerstandsstrukturen 120, 130, 140 derart an, dass diese weitere Parameter bezüglich des Tabakaerosols erfassen. Beispielsweise erfasst die zweite Widerstandsstruktur 120 die Temperatur des strömenden Tabakaerosols.
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Die dritte Widerstandsstruktur 130 wird als Heizer betrieben, während die vierte Widerstandsstruktur 140 eine Temperatur erfasst. Die Regel-/Auswerteeinheit betreibt die dritte und die vierte Widerstandsstruktur 130, 140 derart, dass sich zwischen diesen eine definierte Temperaturdifferenz ausbildet, bspw. ΔT = 30 °C. Die Menge an elektrischer Energie, welche von der Regel-/Auswerteeinheit zur Erhaltung dieser Temperaturdifferenz aufgewendet werden muss, ist direkt proportional zu dem Massenfluss des Tabakaerosols in der Heizkammer (Massenflussbestimmung mittels „Constant Temperature Anemometry“ (CTA)). Aus dem Massenfluss lässt sich direkt das Volumen an Tabakaersol das von dem Benutzer eingeatmet wird (Zugvolumen), bzw. die Zugdauer, sowie daraus die Menge an erzeugtem Nikotin, berechnen.
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Werden die dritte und die vierte Widerstandsstruktur 130, 140 von der Regel-/Auswerteeinheit in einem gepulsten Anregungsmodus betrieben, so kann aus den von der vierten Widerstandsstruktur 140 detektierten Temperaturwerten eine Gaszusammensetzung, bzw. -konzentration des Tabakaerosols berechnet werden, bspw. durch Amplitudenverschiebung oder Veränderung des Temperaturanstiegs, bzw. -abstiegs im Vergleich zu den Heizpulsen der dritten Widerstandsstruktur. Es kann darüber hinaus auch eine 3-Omega-Messmethode zum Bestimmen der Gaszusammensetzung, bzw. -konzentration des Tabakaerosols durchgeführt werden.
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Auf ähnliche Art und Weise kann die Atemluft des Benutzers analysiert werden, wenn er in die elektronische Zigarette ausatmet 3. Hierfür wird vorteilhafterweise zuerst der Tabakstick entnommen. Hierbei können bestimmte Gesundheitsparameter des Benutzers detektiert werden, bspw. das Lungenvolumen (mittels CTA) oder die Zusammensetzung der Atemluft (mittels gepulstem Anregungsmodus, bzw. 3-Omega-Messmethode) oder spezifische Stoffe in der Luft, bspw. Krebsmarker. Auch beim Einatmen lässt sich aus der Zugdauer auf das Lungenvolumen, bzw. die Lungenfunktion, des Benutzers rückschließen.
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Es versteht sich von selbst, dass auch anderweitige Gesundheitsparameter oder Parameter bezüglich des Tabakaerosols bestimmbar sind, sowohl gleichzeitig oder sequentiell.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizelement
- 110
- erste Widerstandsstruktur
- 111
- Anschlusskontakte der ersten Widerstandsstruktur
- 120
- zweite Widerstandsstruktur
- 121
- Anschlusskontakte der zweiten Widerstandsstruktur
- 130
- dritte Widerstandsstruktur
- 131
- Anschlusskontakte der dritten Widerstandsstruktur
- 140
- vierte Widerstandsstruktur
- 141
- Anschlusskontakte der vierten Widerstandsstruktur
- 150
- Trägersubstrat
- 160
- erste Passivierungsschicht
- 170
- zweite Passivierungsschicht
- 180
- erster Längsendbereich
- 190
- zweiter Längsendbereich
- 2
- Einatmen eines Benutzers
- 3
- Einatmen eines Benutzers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/189388 A1 [0005]
- US 10051891 B2 [0006]
- US 10258086 B2 [0006]
- US 10172392 B2 [0006]
- US 10405582 B2 [0006]
- JP 2006505281 A [0006]
- CN 107624040 A [0006]
- JP 2011527415 A [0006]
