EP4429494A1 - Verdampfervorrichtung, Kartusche und Inhalator sowie Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung - Google Patents

Verdampfervorrichtung, Kartusche und Inhalator sowie Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung

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Publication number
EP4429494A1
EP4429494A1 EP22813991.1A EP22813991A EP4429494A1 EP 4429494 A1 EP4429494 A1 EP 4429494A1 EP 22813991 A EP22813991 A EP 22813991A EP 4429494 A1 EP4429494 A1 EP 4429494A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
evaporator
layer
weight
inhaler
evaporator device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22813991.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Jaklin
Lasse CORNILS
Niklas ROMMING
Svenja KÄTHNER
Frank GOLDSCHMIDTBÖING
Uwe Pelz
Muhannad Ghanam
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koerber Technologies GmbH
Original Assignee
Koerber Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koerber Technologies GmbH filed Critical Koerber Technologies GmbH
Publication of EP4429494A1 publication Critical patent/EP4429494A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/40—Constructional details, e.g. connection of cartridges and battery parts
    • A24F40/46—Shape or structure of electric heating means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/10—Devices using liquid inhalable precursors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/40—Constructional details, e.g. connection of cartridges and battery parts
    • A24F40/42—Cartridges or containers for inhalable precursors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/70—Manufacture
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M15/00—Inhalators
    • A61M15/0001—Details of inhalators; Constructional features thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details
    • H05B3/03—Electrodes

Definitions

  • Evaporator device cartridge and inhaler and method for producing an evaporator device
  • the present invention relates to an evaporator device for an inhaler according to the preamble of claims 1, 9 and 13 and a method for producing an evaporator device. Furthermore, the invention relates to a cartridge according to the preamble of claim 21 and an inhaler according to the preamble of claim 22.
  • a resistance heater for evaporating liquids, which heats up when an electrical heating voltage is applied.
  • the liquid stored in a tank is fed to the resistance heater via a wick structure so that it can be vaporized at or near the heated resistance heater.
  • An electric cigarette with a resistance heater is known from EP 2 316 286 A1, which comprises electrically conductive areas which in turn are applied to a non-conductive substrate.
  • the resistance heater is connected to an electrical voltage source by means of a connecting piece in the conductive area.
  • WO 2014/037794 A2 discloses an electric cigarette product comprising one or more microheaters.
  • the micro heater has an electrically conductive layer sandwiched between a base layer and a protective layer.
  • the micro heater is connected to a voltage source by means of connection points of the electrically conductive layer that are not covered by the protective layer.
  • US 5,573,692 also discloses a heater for an electronic cigarette product.
  • a lower heating layer made of platinum is provided on a substrate and heats up when subjected to an electrical heating voltage.
  • a connecting pin made of copper is connected to the heating layer via a contact layer made of platinum.
  • contact pads are required for the electrical contacting of resistive silicon heaters as vaporizers in an electronic cigarette or in a medical inhaler. Requirements are placed on these contact pads that do not occur in conventional applications of silicon components. These requirements result from the operating conditions of an inhaler, which are characterized by the following aspects. Firstly, the high operating temperatures of up to 300°C and the large temperature fluctuations should be mentioned. In conventional solutions from the field of microelectronics, diffusion processes occur in this temperature range, which de- grade and thus unacceptably shorten the service life of the contacts.
  • liquid to be vaporized should also be mentioned, which can lead to failure of the contact pads, in particular if a typical liquid to be vaporized for an electric cigarette wets the contact pad.
  • liquids typically include, in addition to water, polyethylene glycol, glycerin, nicotine and flavorings.
  • gold instead of aluminum is also disadvantageous for electrically contacting silicon.
  • gold does not dissolve the oxide on the silicon surface, so the oxide must be removed wet-chemically shortly before the gold is applied.
  • a pure gold contact also leads to the problem that at the interface between gold and silicon, silicon atoms are permanently released from the crystal compound and then diffuse through the gold - and this is increased at elevated temperatures. These silicon atoms oxidize on the surface of the gold contact pad and form a glassy layer.
  • Gold contacts are not used commercially due to the instability of the gold-silicon interface and the oxide-related adhesion problems of gold on silicon. Furthermore, the vitreous layer that forms on the gold contact pads prevents the connection to an electrical line by means of silver sintering.
  • So-called adhesive metals or alloys such as titanium, chromium or tungsten-titanium are suitable for creating a largely stable limit surface to form silicon.
  • the object of the invention is to provide an evaporator device comprising an evaporator made of doped silicon with improved system reliability properties and to specify a correspondingly improved cartridge, a correspondingly improved inhaler and a corresponding method for producing a vaporizer device.
  • an electrical line is to be understood as meaning any conductive material that is suitable for applying an electrical heating voltage to an evaporator, ie for establishing an electrical connection to a voltage source.
  • a layer comprising a level of a particular element, material or alloy is understood to mean any detectable level up to a theoretical level of 100%.
  • the object is achieved by an evaporator device for an inhaler, preferably for an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising an evaporator for evaporating liquid supplied to the evaporator in the form of an electrical resistance heating element made of doped silicon, and at least one the electrical line connected to the evaporator, wherein the at least one electrical line is electrically connected to the evaporator via a layer sequence, the layer sequence comprising the following layers, which follow one another starting from the evaporator: a contact layer comprising an aluminum component, which is in contact with the evaporator stands; a diffusion barrier comprising a titanium portion; an adhesion layer comprising a nickel or titanium content; and a connection layer, for example comprising a silver or gold portion, via which the layer sequence is electrically connected to the at least one line.
  • the invention is based on the finding that the evaporator can be connected to the at least one electrical line in a particularly efficient and stable manner via the proposed layer sequence.
  • the aluminum of the contact layer ensures efficient contact between the layer sequence and the silicon evaporator.
  • the titanium content of the diffusion barrier prevents the aluminum from diffusing in the direction of the surface, which increases the longevity of the evaporator device.
  • the diffusion barrier separates the silicon-metal transition region from a metal-metal layer that is formed when the electrical line is connected; it can neither be manufactured nor unwanted or function-critical reactions occur between these two areas during operation.
  • connection layer forms a protective layer for the underlying layers of the layer sequence, so that the contact pad formed by the proposed layer sequence is protected from corrosion. Furthermore, the connection layer ensures that the layers underneath do not adversely affect or contaminate the evaporated liquid.
  • the proposed layer structure allows a service life of at least 500 heating cycles up to a temperature of 300° C. over a heating period of 3 seconds each time.
  • the boundary layer to the silicon has proven to be stable. This also applies when contact pads in the form of the proposed layer sequence are immersed in a liquid to be evaporated, for example in the liquid for an electronic cigarette.
  • the evaporator device has excellent system reliability characteristics. Furthermore, it has been shown that an ohmic contact between the layer sequence and the evaporator made of silicon can be produced by the layer sequence, so that an efficient electrical connection of the evaporator to a voltage source is made possible.
  • connection layer is preferably a layer of noble metal, for example silver or gold.
  • connection layer it is also possible for the connection layer to be formed from a base metal if the connection layer electrically connected to the line is encapsulated from the environment by encapsulation.
  • the evaporator is preferably formed from p-doped silicon.
  • That surface of the contact layer which is covered neither by the evaporator nor by the diffusion barrier is preferably covered by a passivation layer.
  • the surface of the contact layer covered by the passivation layer is preferably a side surface.
  • the passivation layer includes a proportion of silicon dioxide, a proportion of silicon nitride or a proportion of silicon carbide.
  • the passivation layer preferably comprises at least 80% by weight silicon dioxide, at least 80% by weight silicon nitride or at least 80% by weight silicon carbide. It has been shown that these material concentrations are particularly well suited to passivating the contact layer. More preferably, the proportion of silicon dioxide, silicon nitride or silicon carbide is at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight.
  • the passivation layer is overlapped by at least one further layer, for example by the connection layer.
  • the connection layer or another layer preferably overlaps the passivation layer by at least 1 pm, so that the contact area between the passivation layer and the connection layer or the other layer is reliably hermetically sealed. If the passivation layer is overlapped by the connection layer, an encapsulation of the contact layer, the adhesive layer and the diffusion layer on the evaporator can be achieved by the connection layer together with the passivation layer.
  • the contact layer comprises at least 80% by weight aluminum or at least 80% by weight aluminium-silicon-copper. More preferably, the proportion of aluminum or aluminum-silicon-copper is at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight.
  • the contact layer preferably has a layer thickness of between 0.5 ⁇ m and 3.5 ⁇ m, more preferably between 1.5 ⁇ m and 3.0 ⁇ m, particularly preferably 2.5 ⁇ m. This design of the contact layer has proven to be advantageous for connecting the layer sequence to the evaporator with high electrical conductivity at the same time.
  • Aluminum-silicon-copper as a contact layer offers the advantage that it is less susceptible to diffusion processes.
  • the diffusion barrier comprises at least 80% by weight titanium or at least 80% by weight titanium nitride. More preferably, the proportion of titanium or titanium nitride is at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight. More preferably, the diffusion barrier has a layer thickness between 25 nm and 100 nm, more preferably between 40 nm and 60 nm, particularly preferably 50 nm. It has been shown that a diffusion barrier configured in this way provides effective protection against the diffusion of aluminum atoms from the Contact layer allows at the same time high electrical conductivity. By using titanium or titanium nitride as a diffusion barrier, diffusion of the aluminum from the contact layer in the direction of the surface can be prevented even at higher temperatures.
  • the adhesion layer comprises at least 80% by weight nickel, at least 80% by weight nickel vanadium, or at least 80% by weight titanium nitride. More preferably, the proportion of nickel, nickel-vanadium or titanium nitride is at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight.
  • the nickel-based adhesive layer preferably has a layer thickness between 50 nm and 150 nm, preferably between 80 nm and 120 nm, particularly preferably 100 nm.
  • the silver content or the gold content in the connection layer is preferably at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, particularly preferably 95% by weight.
  • the connection layer preferably has a layer thickness of between 125 nm and 375 nm, more preferably between 200 nm and 300 nm, particularly preferably 250 nm.
  • Such a connection layer with a noble metal can protect the underlying layers from corrosive influences.
  • the protective layer made of precious metal can protect the user from negative influences of the underlying layers.
  • connection layer made of silver or of the silver alloy offers the advantage that it can be contacted particularly well by means of silver sintering; a connection to the electrical line is possible with particularly good electrical and mechanical properties because the connection layer and the sintering paste material are identical and therefore fewer imperfections and lower mechanical or thermal stresses occur.
  • the silver layer formed by the silver sintering can be understood as part of the electrical line.
  • an evaporator device for an inhaler preferably for an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising an evaporator for evaporating liquid supplied to the evaporator in the form of an electrical resistance heating element made of doped silicon, and at least one the electrical line connected to the evaporator, wherein the at least one line is electrically connected to the evaporator via a layer sequence, wherein the layer sequence, starting from the evaporator, comprises the following layers: a contact layer comprising a proportion of gold, which is in contact with the evaporator; and a diffusion barrier comprising a proportion of platinum.
  • the diffusion barrier with the proportion of platinum offers the advantage that it forms a stable boundary layer to the underlying contact layer comprising the proportion of gold forms. A high level of corrosion resistance can thus also be achieved when the layer sequence is in direct contact with a liquid to be evaporated from an electric cigarette. Furthermore, the diffusion barrier separates the silicon-metal transition region from a metal-metal layer that is formed when the electrical line is connected; this means that undesirable reactions between these two areas cannot occur either during manufacture or during operation.
  • the electrical line can be connected directly to the diffusion barrier, for example by silver sintering on the platinum diffusion barrier.
  • a simple connection of the layer sequence to the electrical line can take place through the silver sintering.
  • the silver layer formed by the silver sintering can be understood as part of the electrical line.
  • the proposed layer structure allows a service life of at least 500 heating cycles up to a temperature of 300°C over a heating period of 3 seconds each.
  • the boundary layer to the silicon has proven to be reliable. This also applies when contact pads in the form of the layer sequence are immersed in a liquid to be evaporated, for example in the liquid for an electronic cigarette.
  • the evaporator device has excellent system reliability characteristics. Furthermore, it has been shown that an ohmic contact between the layer sequence and the evaporator made of silicon can be produced by the layer sequence, so that an efficient electrical connection of the evaporator to a voltage source is made possible. Furthermore, the proposed layer sequence can be applied to the evaporator with little outlay in terms of production technology, so that the production costs can be reduced.
  • the contact layer preferably has a gold content of at least 80% by weight and/or the diffusion barrier has a platinum content of at least 80% by weight. More preferably, the proportion of gold in the contact layer and/or the proportion of platinum in the diffusion barrier is at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight. This is advantageous because the platinum can easily be deposited on the gold contact layer.
  • the layer sequence has a connection layer comprising a silver or gold component, the connection layer being arranged on the diffusion barrier, the layer sequence being electrically connected to the line via the connection layer.
  • the proportion of silver or gold in the connection layer is preferably at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight.
  • the additional connection layer can simplify the connection of the electrical line by means of silver sintering, because silver sintering on materials comprising a proportion of gold or silver is possible with less manufacturing complexity.
  • connection layer As an alternative to the connection layer with a gold or silver content, it is basically also possible for the connection layer to be formed from a base metal if the connection layer electrically connected to the line is formed by a connection layer Encapsulation is encapsulated from the environment.
  • the contact layer preferably has a layer thickness of between 25 nm and 100 nm, more preferably between 40 nm and 60 nm, particularly preferably 50 nm.
  • the diffusion barrier preferably has a layer thickness of between 50 nm and 150 nm, more preferably between 80 nm and 120 nm , particularly preferably 100 nm.
  • the connection layer preferably has a layer thickness between 125 nm and 400 nm, more preferably between 200 nm and 300 nm, particularly preferably 250 nm .
  • an evaporator device for an inhaler preferably for an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising an evaporator for evaporating liquid supplied to the evaporator in the form of an electrical resistance heating element made of doped silicon, and at least one the electrical line connected to the evaporator, the at least one line being electrically connected to the evaporator via a layer sequence, the layer sequence comprising the following layers starting from the evaporator: an adhesive layer, for example comprising a titanium content; and a connection layer comprising a proportion of gold, silver or platinum, via which the layer sequence is electrically connected to the line; wherein the evaporator has a locally higher dopant concentration directly adjacent to the adhesion layer than in the remaining part of the evaporator.
  • the region of high dopant concentration can be achieved, for example, by diffusion from a boron trichloride source. Alternatively, however, doping with other dopants or doping sources
  • a high charge carrier concentration is formed on the evaporator near the surface, so that contact with conventional bonding metals, for example with titanium, chromium or tungsten-titanium, is made possible.
  • the region of high dopant concentration preferably extends over the entire area of the upper side of the evaporator or over the entire surface of the evaporator.
  • the evaporator is preferably formed from p-doped silicon.
  • the dopant concentration is preferably at least 3*10 19 1/cm 3 , for example at least 5*10 19 1/cm 3 .
  • the region of higher dopant concentration protrudes between 20 nm and 1000 nm deep, for example between 50 nm and 500 nm deep, in particular 200 nm deep, into the evaporator.
  • a sufficiently good contacting can be achieved by such a configuration of the region of high dopant concentration without the heating properties of the rest of the evaporator, which usually has a layer thickness of approximately 300 ⁇ m, being impaired.
  • the adhesive layer has a titanium content of at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight.
  • a diffusion barrier which includes a proportion of platinum, is preferably arranged between the adhesion layer and the connection layer.
  • the diffusion barrier can prevent the diffusion of silicon atoms into the environment, as a result of which the service life of the evaporator device can be increased. Furthermore, the diffusion barrier separates the silicon-metal transition region from a metal-metal layer that is formed when the electrical line is connected; this means that undesirable reactions between these two areas cannot occur either during manufacture or during operation.
  • the diffusion barrier has a platinum content of at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight and particularly preferably at least 95% by weight. It has been shown that in particular the adhesive layers with a proportion of titanium in combination with the diffusion barrier comprising a proportion of platinum is advantageous because this enables the layer sequence to be built up stably over a large number of heating cycles.
  • connection layer preferably comprises a silver, gold or platinum content of at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight.
  • a connection layer allows the line to be electrically connected by means of silver sintering, that is to say with little outlay in terms of production technology.
  • the layers of the layer sequence preferably follow one another directly. There are therefore no intermediate layers, so that the layers of the layer sequence can interact ideally.
  • a first layer sequence can be connected to a positive pole of a voltage source via a first electrical line and a second layer sequence can be connected to a negative pole of the voltage source via a second electrical line.
  • the object is achieved by a method for producing an evaporator device according to the first, second or third aspect of this application, wherein in a first method step a) the layers of the layer sequence are deposited on the evaporator; and in a subsequent second method step b) the layer sequence is tempered to a temperature between 400° C. and 600° C., for example between 450° C. and 550° C., over a predefined period of time. Furthermore, for example, the temperature in method step b) is about 500°C. Process step b) allows the internal stresses in the layer sequence to be relieved, which can arise after process step a).
  • the object is achieved by a cartridge for an inhaler, preferably for an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising a liquid tank for storing a liquid to be evaporated, the cartridge having an evaporator device according to the first, second or third aspect included in this application.
  • a cartridge for an inhaler preferably for an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising a liquid tank for storing a liquid to be evaporated
  • the cartridge having an evaporator device according to the first, second or third aspect included in this application.
  • the object is achieved by an inhaler, in particular in the form of an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising a flow channel, a liquid tank for storing liquid to be vaporized, and a voltage source, the inhaler having an evaporator device according to a first , Second or third aspect of this application, wherein the at least one electrical line of the evaporator device is connected to the voltage source, so that the evaporator can be subjected to an electrical heating voltage.
  • an inhaler in particular in the form of an electronic cigarette product or a medical inhaler, comprising a flow channel, a liquid tank for storing liquid to be vaporized, and a voltage source
  • the inhaler having an evaporator device according to a first , Second or third aspect of this application, wherein the at least one electrical line of the evaporator device is connected to the voltage source, so that the evaporator can be subjected to an electrical heating voltage.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an evaporator
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an evaporator
  • FIG. 3 shows a third embodiment of an evaporator
  • Figure 4 shows an inhaler
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a method for producing an evaporator according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows an evaporator device 100 according to a first embodiment, comprising an evaporator 101 which is connected to two electrical lines 102a, 102b via two layer sequences 103.
  • the electrical lines 102a, 102b are in turn connected to a voltage source 110.
  • the line 102a is connected to the negative pole and the line 102b is connected to the positive pole of the voltage source 110.
  • the voltage source 110 can be, for example, an energy store in the form of a battery or an accumulator.
  • the evaporator 101 is a resistance heater made of p-doped silicon, so that it heats up when a heating voltage is applied.
  • the layer sequence 103 comprises a contact layer 104 made of aluminum-silicon-copper with a layer thickness of 2.5 ⁇ m.
  • the layer thickness can also be between 0.5 ⁇ m and 3.5 ⁇ m, for example. It can be seen that the contact layer 104 merges into the evaporator 101 in a transition region 111, ie a sharp separation of the evaporator 101 from the contact layer 104 is not possible. The adjacent surface of the evaporator 101 is therefore used as a basis for determining the layer thickness.
  • the contact layer 104 can also be formed from pure aluminum, i.e. with a degree of purity of more than 99% by weight.
  • a diffusion barrier 105 made of titanium with a layer thickness of 50 nm is applied to the contact layer 104 .
  • the layer thickness can also be between 25 and 100 nm, for example.
  • the diffusion barrier 105 can also be formed by titanium nitride.
  • the connection layer 107 can be reliably connected to the other layers of the layer sequence 103 by means of an adhesive layer 106 applied to the diffusion barrier 105 .
  • the adhesion layer 106 is made of nickel and has a layer thickness of 100 nm. In principle, the layer thickness can also be between 50 nm and 150 nm, for example. As an alternative to pure nickel, the adhesion layer 106 can also be formed by nickel-vanadium, for example.
  • connection layer 107 is formed from silver and has a layer thickness of 250 nm.
  • the connection layer 107 can also be formed by a silver alloy.
  • an electrical contact with the line 102b can be made by silver sintering.
  • the layer produced by silver sintering is to be regarded as part of the line 102b.
  • a layer thickness of the connection layer between 125 nm and 375 nm is also possible.
  • the maximum layer thickness is used to determine the layer thickness. This applies to all embodiments.
  • the contact layer 104 is covered by a passivation layer 109 on an otherwise uncovered surface 108, here a side surface.
  • This passivation layer 109 does not necessarily have to extend over the entire surface of the evaporator 101, but can form in any case on the surface of the evaporator 101- pass over the oxide layer 112.
  • the contact layer 104, the diffusion barrier 105 and the adhesive layer 106 are encapsulated by the passivation layer 109 and the connection layer 107, ie hermetically sealed from the environment, so that the layers encapsulated therein are protected from corrosive influences.
  • the passivation layer 109 is formed from silicon dioxide.
  • the passivation layer 109 can also be formed by silicon nitride or silicon carbide, for example. It can also be seen that the passivation layer 109 is overlapped by the connection layer 107 by at least 1 ⁇ m. A hermetic seal of the inner layers from the environment can be achieved in a particularly reliable manner by an overlapping region 113 that is created in this way. In this way, protection against corrosive influences can be achieved and at the same time release of potentially harmful substances can be prevented.
  • a contact layer 104 made of aluminum or aluminum-silicon-copper
  • a diffusion barrier 105 made of titanium
  • an adhesion layer 106 made of titanium nitride
  • a connection layer 107 made of gold.
  • FIG. 2 shows an evaporator device 200 according to a second embodiment, comprising an evaporator 201 which is connected to an electrical line 202a, 202b via two layer sequences 203.
  • the electrical lines 202a, 202b are in turn connected to a voltage source 210.
  • the line 202a connected to the negative pole and line 202b to the positive pole of the voltage source 210.
  • the voltage source 210 can be, for example, an energy store in the form of a battery or an accumulator.
  • the evaporator 201 is a resistance heater made of p-doped silicon, so that it heats up when a heating voltage is applied.
  • the layer sequence 203 comprises a contact layer 204, a diffusion barrier 205 and a connection layer 207.
  • the contact layer 204 made of gold has a layer thickness of 50 nm. In principle, however, layer thicknesses between 25 nm and 100 nm are possible. It can be seen that the contact layer 204 transitions into the evaporator 201 in a transition region 211, ie a sharp separation of the evaporator 201 from the contact layer 204 is not possible. The adjacent surface of the evaporator 101 is therefore used as a basis for determining the layer thickness. Adjacent to the contact layer 204, a natural oxide layer 212 forms on the surface of the evaporator 201, which covers a surface 208 of the contact layer 204 that is otherwise exposed and not covered by the diffusion barrier 205. The contact layer 204 is followed by a diffusion barrier 205 made of platinum with a layer thickness of 100 nm. In principle, however, layer thicknesses of between 50 nm and 150 nm, for example, are also possible.
  • connection layer 207 made of gold with a layer thickness of 250 nm.
  • the connection layer 207 can also have a layer thickness of between 125 nm and 400 nm, for example.
  • connection layer 207 can also be formed by silver as an alternative to gold.
  • An electrical connection to the electrical line 202b can be made via the connection layer 207 by silver sintering.
  • the layer formed by silver sintering on the connection layer 207 can be regarded as part of the line 202b.
  • the connection layer 207 is dispensed with.
  • the electrical line 203b is then connected via the diffusion barrier 205 made of platinum.
  • the evaporator 201 can be connected to the voltage source 210 via the layer sequence 203 and the electrical lines 202a and 202b.
  • the evaporator 201 can be subjected to an electrical heating voltage, so that it heats up for evaporating a liquid. Since the layer sequence 203 only comprises layers of noble metals, it can be assumed that it is harmless to the human organism.
  • Figure 3 shows a third embodiment of an evaporator device 300 comprising an evaporator 301, which has two layers follow 303 is connected to electrical lines 302a, 302b.
  • the electrical lines 302a, 302b are in turn connected to a voltage source 310.
  • the line 302a is connected to the negative pole and the line 302b is connected to the positive pole of the voltage source 310.
  • the voltage source 310 can be, for example, an energy store in the form of a battery or an accumulator.
  • the evaporator 301 is a resistance heater made of p-doped silicon, so that it heats up when a heating voltage is applied.
  • the area of higher dopant concentration 304 is followed by an adhesion layer 305 made of titanium, followed by a diffusion barrier 306 made of platinum.
  • the adhesive layer 305 can also be formed from other materials.
  • the diffusion barrier 306 it is fundamentally also conceivable for the diffusion barrier 306 to be omitted entirely.
  • FIG. 4 shows an inhaler 500 comprising a flow channel 501 and a cartridge 400 in the form of an evaporator-tank unit.
  • the cartridge 400 comprises an evaporator device 100, 200 or 300 according to the first embodiment (see FIG. 1), according to the second embodiment (see FIG. 2) or the third embodiment (see FIG. 3).
  • the cartridge 400 includes a liquid tank 401 filled with a liquid to be evaporated.
  • a liquid to be evaporated During operation of the evaporator device 100, 200 or 300, i.e. when the evaporator fers 101, 201 or 301 with a heating voltage, the liquid to be evaporated is heated up to the boiling point and thus delivered to the flow channel 501 in the vapor state.
  • a voltage source 503 is also shown as a component of the inhaler 500, via which the evaporator device 100, 200 or 300 can be supplied with electrical energy.
  • FIG. 5 schematically shows a method 600 for producing the evaporator device 100 according to the first exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • a first method step a the layers of the layer sequence 103 are deposited on the evaporator 101, i.e. the contact layer 104, the diffusion barrier 105, the adhesive layer 106 and the connection layer 107 can adversely affect the service life of the layer sequence 103 . Therefore, in a second method step b), the layer sequence 103 is tempered to a temperature between 400° C. and 600° C., preferably between 450° C. and 550° C., over a predefined period of time. This heating allows the internal stresses to be almost completely eliminated, so that delamination of individual or multiple layers can be prevented.
  • the method 600 can also be used for the evaporator device according to the second embodiment (cf. FIG. 2) or the third embodiment (cf. FIG. 3).

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Abstract

Verdampfervorrichtung (100) für einen Inhalator (500), vor- zugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend - einen Verdampfer (101) zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie - wenigstens eine an den Verdampfer (101) angeschlossene elektrische Leitung (102a, 102b), wobei - die wenigstens eine elektrische Leitung (102a, 102b) über eine Schichtfolge (103) an den Verdampfer (101) elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schichtfolge (103) die folgenden Schichten umfasst, die ausgehend von dem Verdampfer (101) aufeinander folgen: - eine Kontaktschicht (104) umfassend einen Aluminiumanteil, die mit dem Verdampfer (101) in Kontakt steht, - eine Diffusionsbarriere (105) umfassend einen Titananteil, - eine Haftschicht (106) umfassend einen Nickel- oder Titananteil, sowie - eine Anschlussschicht (107), beispielsweise umfassend einen Silber- oder Goldanteil, über die die Schichtfolge (103) an die wenigstens eine Leitung (102a, 102b) elektrisch angeschlossen ist.

Description

Verdampfervorrichtung, Kartusche und Inhalator sowie Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung für einen Inhalator gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 , 9 und 13 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Kartusche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 21 sowie einen Inhalator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 22.
Es ist allgemein bekannt, zur Verdampfung von Liquiden einen Widerstandsheizer zu verwenden, der sich bei Anliegen einer elektrischen Heizspannung erhitzt. Üblicherweise wird das in einem Tank gespeicherte Liquid über eine Dochtstruktur dem Widerstandsheizer zugeführt, so dass es an dem erhitzten Widerstandsheizer oder in der Nähe des Widerstandsheizers verdampft werden kann.
Insbesondere die elektrische Anbindung des Widerstandsheizers an eine elektrische Spannungsquelle ist für den zuverlässigen Betrieb eines Inhalator von entscheidender Bedeutung.
Aus der EP 2 316 286 A1 ist eine elektrische Zigarette mit einem Widerstandsheizer bekannt, der elektrisch leitende Bereiche umfasst, die wiederum auf einem nichtleitenden Substrat aufgebracht sind. Die Anbindung des Widerstandsheizers an eine elektrische Spannungsquelle erfolgt mittels eines Anschlussstückes des leitenden Bereichs. Weiterhin ist aus der WO 2014/037794 A2 ein elektrisches Zigarettenprodukt umfassend einen oder mehrere Mikroheizer bekannt. Der Mikroheizer weist eine elektrisch leitfähige Schicht auf, die zwischen einer Grundschicht und einer Schutzschicht eingebettet ist. Die Anbindung des Mikroheizers an eine Spannungsquelle erfolgt mittels Anschlussstellen der elektrisch leitfähigen Schicht, die nicht von der Schutzschicht bedeckt sind.
Die US 5,573,692 offenbart ebenfalls einen Heizer für ein elektrisches Zigarettenprodukt. Auf einem Substrat ist eine untere Heizschicht aus Platin vorgesehen, die sich bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Heizspannung erwärmt. Hierzu ist ein Anschlussstift aus Kupfer über eine Kontaktschicht aus Platin an der Heizschicht angeschlossen.
Nachteilig an diesen Lösungen ist jedoch, dass diese insbesondere für die Verwendung mit einem Siliziumverdampfer als Widerstandsheizer nicht die gewünschten Eigenschaften erfüllen, insbesondere hinsichtlich der geforderten Lebensdauer und Ausfallsicherheit.
Bei der elektrischen Kontaktierung von resistiven Siliziumheizern als Verdampfer in einer elektrischen Zigarette oder in einem medizinischen Inhalator sind metallische Kontakte, sogenannte Kontaktpads, erforderlich. An diese Kontaktpads werden Anforderungen gestellt, die in üblichen Anwendungen von Siliziumbauteilen nicht auftreten. Diese Anforderungen ergeben sich aus den Betriebsbedingungen eines Inhalators, die durch folgende Aspekte geprägt sind. Erstens sind die hohen Betriebstemperaturen von bis zu 300°C sowie die großen Temperaturschwankungen zu nennen. Bei üblichen Lösungen aus dem Bereich der Mikroelektronik treten in diesem Temperaturbereich Diffusionsvorgänge auf, welche den Kontaktaufbau de- gradieren und so die Lebensdauer der Kontakte inakzeptabel verkürzen. Zweitens ist auch die Benetzung des Kontaktpads mit zu verdampfender Flüssigkeit zu nennen, die zu einem Versagen der Kontaktpads führen kann, insbesondere wenn ein typisches, zu verdampfendes Liquid für eine elektrische Zigarette das Kontaktpad benetzt. Solche Liquide umfassen typischerweise neben Wasser auch Polyethylenglykol, Glycerin, Nikotin und Aromen.
Einige Metalle, insbesondere das üblicherweise zum elektrischen Kontaktieren von Silizium verwendete Aluminium, korrodieren beim Kontakt mit solchen Liquiden, was zum Versagen üblicher Kontaktpads führen kann.
Auch die Verwendung von Gold anstelle von Aluminium ist zum elektrischen Kontaktieren von Silizium nachteilig. Gold löst das Oxid an der Silizium-Oberfläche allerdings nicht auf, so dass das Oxid zeitnah vor dem Aufbringen des Goldes nasschemisch entfernt werden muss. Ein reiner Goldkontakt führt weiterhin zu dem Problem, dass an der Grenzfläche zwischen Gold und Silizium permanent - und bei erhöhter Temperatur verstärkt - Siliziumatome aus dem Kristallverbund gelöst werden und anschließend durch das Gold diffundieren. An der Oberfläche des Kontaktpads aus Gold oxidieren diese Siliziumatome und bilden eine glasartige Schicht. Aufgrund der Instabilität der Gold-Silizium-Grenzfläche und der oxidbedingten Haftungsprobleme von Gold auf Silizium werden Goldkontakte kommerziell nicht genutzt. Ferner verhindert die sich bildende glasartige Schicht an den Kontaktpads aus Gold die Anbindung an eine elektrische Leitung mittels Silbersintern.
Sogenannte Haftmetalle oder Legierungen wie Titan, Chrom, oder Wolframtitan sind dazu geeignet, eine weitestgehend stabile Grenz- fläche zu Silizium zu bilden. Allerdings geschieht dies unter Ausbildung eines sogenannten Schottkykontakts, der jedoch nur für eine Stromrichtung gut leitend ist und daher für die Kontaktierung eines Widerstandsheizers ungeeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verdampfervorrichtung umfassend einen Verdampfer aus dotiertem Silizium mit verbesserten Systemzuverlässigkeitseigenschaften bereitzustellen sowie eine entsprechend verbesserte Kartusche, einen entsprechend verbesserten Inhalator sowie ein korrespondierendes Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der dazugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Es seien zunächst einige im Rahmen dieser Anmeldung verwendete Begriffe erläutert.
Unter einer elektrischen Leitung ist im Sinne dieser Anmeldung jedes leitfähige Material zu verstehen, das dazu geeignet ist, einen Verdampfer mit einer elektrischen Heizspannung zu beaufschlagen, also eine elektrische Verbindung zu einer Spannungsquelle herzustellen.
Unter einer Schicht, die einen Anteil an einem bestimmten Element, Material oder einer Legierung umfasst, ist ein beliebiger nachweisbarer Anteil bis hin zu einem theoretischen Anteil von 100 % zu verstehen. Gemäß einem ersten Aspekt der Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verdampfervorrichtung für einen Inhalator, vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend einen Verdampfer zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie wenigstens eine an den Verdampfer angeschlossene elektrische Leitung, wobei die wenigstens eine elektrische Leitung über eine Schichtfolge an den Verdampfer elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schichtfolge die folgenden Schichten umfasst, die ausgehend von dem Verdampfer aufeinander folgen: eine Kontaktschicht umfassend einen Aluminiumanteil, die mit dem Verdampfer in Kontakt steht; eine Diffusionsbarriere umfassend einen Titananteil; eine Haftschicht umfassend einen Nickel- oder Titananteil; sowie eine Anschlussschicht, beispielsweise umfassend einen Silber- oder Goldanteil, über die die Schichtfolge an die wenigstens eine Leitung elektrisch angeschlossen ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das Anschließen des Verdampfers an die wenigstens eine elektrische Leitung besonders effizient und stabil über die vorgeschlagene Schichtfolge erfolgen kann.
Durch das Aluminium der Kontaktschicht wird ein effizienter Kontakt der Schichtfolge zum Verdampfer aus Silizium hergestellt. Der Titananteil der Diffusionsbarriere verhindert eine Diffusion des Aluminiums in Richtung der Oberfläche, wodurch die Langlebigkeit der Verdampfervorrichtung gesteigert wird. Ferner wird durch die Diffusionsbarriere der Silizium-Metall-Übergangsbereich von einer Metall-Metallschicht, die beim Anschließen an die elektrische Leitung entsteht, getrennt; es können so weder bei der Herstellung noch während des Betriebs ungewünschte bzw. funktionskritische Reaktionen zwischen diesen beiden Bereichen auftreten.
Es hat sich gezeigt, dass die Haftschicht mit einem Nickel- oder Titananteil eine zuverlässige Anbindung der Anschlussschicht ermöglicht. Die Anschlussschicht bildet eine Schutzschicht für die darunter liegenden Schichten der Schichtfolge, so dass das durch die vorgeschlagene Schichtfolge gebildete Kontaktpad vor Korrosion geschützt wird. Weiterhin bewirkt die Anschlussschicht, dass die darunter liegenden Schichten das verdampfte Liquid nicht negativ beeinträchtigen bzw. kontaminieren.
Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass der vorgeschlagene Schichtaufbau eine Lebensdauer von mindestens 500 Erhitzungszyklen bis zu einer Temperatur von 300 °C über eine Heizdauer von jeweils 3 Sekunden erlaubt. Insbesondere die Grenzschicht zum Silizium hat sich als stabil erwiesen. Dies gilt auch dann, wenn Kontaktpads in Form der vorgeschlagenen Schichtfolge in eine zu verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise in das Liquid für eine elektrische Zigarette, eingetaucht werden. Somit weist die Verdampfervorrichtung hervorragende Systemzuverlässigkeitseigenschaften auf. Ferner hat sich gezeigt, dass durch die Schichtfolge ein ohmscher Kontakt zwischen der Schichtfolge und dem Verdampfer aus Silizium hergestellt werden kann, so dass eine effiziente elektrische Anbindung des Verdampfers an eine Spannungsquelle ermöglicht wird.
Weiter lässt sich die vorgeschlagene Schichtfolge mit geringem fertigungstechnischem Aufwand auf dem Verdampfer auftragen, so dass die Herstellungskosten reduziert werden können. Vorzugsweise handelt es sich bei der Anschlussschicht um eine Schicht aus Edelmetall, beispielsweise Silber oder Gold. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Anschlussschicht aus einem unedlen Metall gebildet ist, wenn die an die Leitung elektrisch angeschlossene Anschlussschicht durch eine Verkapselung von der Umgebung abgekapselt ist.
Vorzugsweise ist der Verdampfer aus p-dotiertem Silizium gebildet.
Bevorzugt ist diejenige Oberfläche der Kontaktschicht, die weder durch den Verdampfer noch durch die Diffusionsbarriere bedeckt ist, durch eine Passivierungsschicht bedeckt. Vorzugsweise handelt es sich bei der durch die Passivierungsschicht bedeckte Oberfläche der Kontaktschicht um eine Seitenfläche. Auf diese Weise kann die für Korrosion besonders anfällige Kontaktschicht vor korrosiven Einflüssen geschützt werden. Beispielsweise umfasst die Passivierungsschicht einen Anteil an Siliziumdioxid, einen Anteil an Siliziumnitrid oder einen Anteil an Siliziumcarbid.
Vorzugsweise umfasst die Passivierungsschicht wenigstens 80 Gew.-% Siliziumdioxid, wenigstens 80 Gew.-% Siliziumnitrid oder wenigstens 80 Gew.-% Siliziumcarbid. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialkonzentrationen besonderes gut zur Passivierung der Kontaktschicht geeignet sind. Weiter vorzugsweise beträgt der Anteil von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%.
Es ist weiter bevorzugt, wenn die Passivierungsschicht von wenigstens einer weiteren Schicht, beispielsweise von der Anschlussschicht, überlappt wird. Vorzugsweise überlappt die Anschlussschicht oder eine andere Schicht die Passivierungsschicht um we- nigstens 1 pm, so dass die Kontaktfläche zwischen Passivierungsschicht und Anschlussschicht oder der anderen Schicht zuverlässig hermetisch abgedichtet ist. Wenn die Passivierungsschicht durch die Anschlussschicht überlappt ist, kann durch die Anschlussschicht gemeinsam mit der Passivierungsschicht eine Kapselung der Kontaktschicht, der Haftschicht und der Diffusionsschicht auf dem Verdampfer erreicht werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Kontaktschicht wenigstens 80 Gew.-% Aluminium oder wenigstens 80 Gew.-% Aluminium-Silizium-Kupfer umfasst. Weiter vorzugsweise beträgt der Anteil von Aluminium oder Aluminium-Silizium-Kupfer wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%. Bevorzugt weist die Kontaktschicht eine Schichtdicke zwischen 0,5 pm und 3,5 pm auf, weiter vorzugsweise zwischen 1 ,5 pm und 3,0 pm, insbesondere vorzugsweise von 2,5 pm. Diese Ausbildung der Kontaktschicht hat sich als vorteilhaft zur Anbindung der Schichtfolge an den Verdampfer bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit erwiesen. Aluminium- Silizium-Kupfer als Kontaktschicht bietet den Vorteil, dass es wenig anfällig für Diffusionsvorgänge ist.
Es ist bevorzugt, wenn die Diffusionsbarriere wenigstens 80 Gew.-% Titan oder wenigstens 80 Gew.-% Titannitrid umfasst. Weiter vorzugsweise beträgt der Anteil von Titan oder Titannitrid wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%. Weiter bevorzugt weist die Diffusionsbarriere eine Schichtdicke zwischen 25 nm und 100 nm auf, weiter vorzugsweise zwischen 40 nm und 60 nm, insbesondere vorzugsweise von 50 nm. Es hat sich gezeigt, dass eine derart ausgestaltete Diffusionsbarriere, einen wirksamen Schutz vor Diffusion der Aluminiumatome aus der Kontaktschicht bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit ermöglicht. Durch die Verwendung von Titan oder Titannitrid als Diffusionsbarriere kann auch bei höheren Temperaturen eine Diffusion des Aluminiums aus der Kontaktschicht in Richtung der Oberfläche verhindert werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Haftschicht wenigstens 80 Gew.-% Nickel, wenigstens 80 Gew.-% Nickel-Vanadium, oder wenigstens 80 Gew.-% Titannitrid umfasst. Weiter vorzugsweise beträgt der Anteil an Nickel, Nickel-Vanadium oder Titannitrid wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%. Vorzugsweise weist die nickelbasierte Haftschicht eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 150 nm auf, vorzugsweise zwischen 80 nm und 120 nm, insbesondere vorzugsweise 100 nm. Es hat sich gezeigt, dass eine derart ausgebildete Haftschicht, eine besonders gute Haftwirkung bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit ermöglicht.
Vorzugsweise beträgt der Silberanteil oder der Goldanteil in der Anschlussschicht wenigstens 80 Gew.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise 95 Gew.-%. Bevorzugt weist die Anschlussschicht eine Schichtdicke zwischen 125 nm und 375 nm auf, weiter vorzugsweise zwischen 200 nm und 300 nm, insbesondere vorzugsweise 250 nm. Durch solche eine Anschlussschicht mit einem Edelmetall können die darunterliegenden Schichten vor korrosiven Einflüssen geschützt werden. Ferner kann der Nutzer durch die Schutzschicht aus Edelmetall vor negativen Einflüssen der darunterliegenden Schichten geschützt werden. Weiterhin bietet die Anschlussschicht aus Silber oder aus der Silberlegierung den Vorteil, dass sie mittels Silbersintern besonders gut kontaktierbar ist; eine Anbindung an die elektrische Leitung ist so mit besonders guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften möglich, weil die Anschlussschicht und das Sinterpastenmaterial identisch sind und dadurch weniger Störstellen und geringere mechanische bzw. thermische Spannungen auftreten. Die durch das Silbersintern gebildete Silberschicht kann dabei als Bestandteil der elektrischen Leitung verstanden werden.
Weiter hat sich gezeigt, dass insbesondere die Kombination von Nickel-Vanadium als Haftschicht und Silber als Anschlussschicht hohe mechanische Schwerwerte aufzeigt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verdampfervorrichtung für einen Inhalator, vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend einen Verdampfer zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie wenigstens eine an den Verdampfer angeschlossene elektrische Leitung, wobei die wenigstens eine Leitung über eine Schichtfolge an den Verdampfer elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schichtfolge ausgehend von dem Verdampfer die folgenden Schichten umfasst: eine Kontaktschicht umfassend einen Goldanteil, die mit dem Verdampfer in Kontakt steht; sowie eine Diffusionsbarriere umfassend einen Platinanteil.
Durch den Goldanteil der Kontaktschicht kann eine ausreichend hohe Haftkraft zu dem Verdampfer aus Silizium, vorzugsweise aus p- dotiertem Silizium, hergestellt werden. Durch die darüber angeordnete Diffusionsbarriere mit dem Platinanteil können die an der Grenzfläche zwischen Gold und Silizium gelösten Siliziumatome nicht nach außen durchdringen. Ferner bietet die Diffusionsbarriere mit dem Platinanteil den Vorteil, dass sie eine stabile Grenzschicht zu der darunterliegenden Kontaktschicht umfassend den Goldanteil bildet. Somit kann eine hohe Korrosionsbeständigkeit auch dann erreicht werden, wenn die Schichtfolge in direktem Kontakt mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit einer elektrischen Zigarette steht. Ferner wird durch die Diffusionsbarriere der Silizium-Metall- Übergangsbereich von einer Metall-Metallschicht, die beim Anschließen an die elektrische Leitung entsteht, getrennt; es können so weder bei der Herstellung noch beim Betrieb ungewünschte Reaktionen zwischen diesen beiden Bereichen auftreten.
Der Anschluss der elektrischen Leitung kann grundsätzlich direkt an der Diffusionsbarriere erfolgen, beispielsweise durch Silbersintern auf der Diffusionsbarriere aus Platin. Somit kann durch das Silbersintern eine einfache Anbindung der Schichtfolge an die elektrische Leitung erfolgen. Die durch das Silbersintern gebildete Silberschicht kann dabei als Bestandteil der elektrischen Leitung verstanden werden.
Der vorgeschlagene Schichtaufbau erlaubt eine Lebensdauer von mindestens 500 Erhitzungszyklen bis zu einer Temperatur von 300°C über eine Heizdauer von jeweils 3 Sekunden. Insbesondere die Grenzschicht zum Silizium hat sich als zuverlässig erwiesen. Dies gilt auch dann, wenn Kontaktpads in Form der Schichtfolge in eine zu verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise in das Liquid für eine elektrische Zigarette, eingetaucht werden. Somit weist die Verdampfervorrichtung hervorragende Systemzuverlässigkeitseigenschaften auf. Ferner hat sich gezeigt, dass durch die Schichtfolge ein ohmscher Kontakt zwischen der Schichtfolge und dem Verdampfer aus Silizium hergestellt werden kann, so dass eine effiziente elektrische Anbindung des Verdampfers an eine Spannungsquelle ermöglicht wird. Weiter lässt sich die vorgeschlagene Schichtfolge mit geringem fertigungstechnischem Aufwand auf dem Verdampfer auftragen, so dass die Herstellungskosten reduziert werden können.
Vorzugsweise umfasst die Kontaktschicht einen Goldanteil von wenigstens 80 Gew.-% und/oder die Diffusionsbarriere einen Platinanteil von wenigstens 80 Gew.-%. Weiter vorzugsweise beträgt der Goldanteil in der Kontaktschicht und/oder der Platinanteil in der Diffusionsbarriere wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%. Dies ist vorteilhaft, weil das Platin auf einfache Weise auf der Kontaktschicht aus Gold abgeschieden werden kann.
Es ist bevorzugt, wenn die Schichtfolge eine Anschlussschicht umfassend einen Silber- oder Goldanteil aufweist, wobei die Anschlussschicht auf der Diffusionsbarriere angeordnet ist, wobei die Schichtfolge über die Anschlussschicht an die Leitung elektrisch angeschlossen ist. Vorzugsweise beträgt der Silber- oder Goldanteil in der Anschlussschicht wenigstens 80 Gew.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%. Durch die zusätzliche Anschlussschicht kann der Anschluss der elektrischen Leitung mittels Silbersintern vereinfacht werden, weil Silbersintern auf Materialien umfassend einen Goldoder Silberanteil mit geringerem fertigungstechnischem Aufwand möglich ist.
Als Alternative zu der Anschlussschicht mit einem Gold- oder Silberanteil ist es grundsätzlich auch möglich, dass die Anschlussschicht aus einem unedlen Metall gebildet ist, wenn die an die Leitung elektrisch angeschlossene Anschlussschicht durch eine Ver- Kapselung von der Umgebung abgekapselt ist.
Vorzugsweise weist die Kontaktschicht eine Schichtdicke zwischen 25 nm und 100 nm auf, weiter vorzugsweise zwischen 40 nm und 60 nm, insbesondere vorzugsweise 50 nm. Vorzugsweise weist die Diffusionsbarriere eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 150 nm auf, weiter vorzugsweise zwischen 80 nm und 120 nm, insbesondere vorzugsweise 100 nm. Vorzugsweise weist die Anschlussschicht eine Schichtdicke zwischen 125 nm und 400 nm auf, weiter vorzugsweise zwischen 200 nm und 300 nm, insbesondere vorzugsweise 250 nm. Diese Schichtdicken haben sich als vorteilhaft für eine gute elektrische Kontaktierung bei gleichzeitig hoher Korrosionsbeständigkeit erwiesen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verdampfervorrichtung für einen Inhalator, vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend einen Verdampfer zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie wenigstens eine an den Verdampfer angeschlossene elektrische Leitung, wobei die wenigstens eine Leitung über eine Schichtfolge an den Verdampfer elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schichtfolge ausgehend von dem Verdampfer die folgenden Schichten umfasst: eine Haftschicht, beispielsweise umfassend einen Titananteil; und eine Anschlussschicht umfassend einen Gold-, Silber oder Platinanteil, über die die Schichtfolge an die Leitung elektrisch angeschlossen ist; wobei der Verdampfer unmittelbar angrenzend zu der Haftschicht lokal einen Bereich höherer Dotierstoffkonzentration aufweist als im übrigen Teil des Verdampfers. Der Bereich hoher Dotierstoffkonzentration kann beispielsweise durch Diffusion aus einer Bortrichlorid-Quelle erfolgen. Alternativ ist aber auch eine Dotierung mit anderen Dotierstoffen bzw. Dotierquellen möglich.
Durch die lokal hohe Dotierstoffkonzentration bildet sich an dem Verdampfer nahe der Oberfläche eine hohe Ladungsträgerkonzentration, so dass eine Kontaktierung mit üblichen Haftmetallen, beispielsweise mit Titan, Chrom oder Wolframtitan, ermöglicht wird.
Vorzugsweise erstreckt sich der Bereich hoher Dotierstoffkonzentration über die gesamte Fläche der Oberseite des Verdampfers bzw. über die gesamte Oberfläche des Verdampfers.
Vorzugsweise ist der Verdampfer aus p-dotiertem Silizium gebildet.
In dem Bereich höherer Dotierstoffkonzentration beträgt die Dotierstoffkonzentration vorzugsweise wenigstens 3*1019 1/cm3, beispielsweise wenigstens 5*1019 1/cm3. Vorzugsweise ragt der Bereich höherer Dotierstoffkonzentration zwischen 20 nm und 1000 nm tief, beispielsweise zwischen 50 nm und 500 nm tief, insbesondere 200 nm tief, in den Verdampfer hinein. Durch eine derartige Ausgestaltung des Bereichs hoher Dotierstoffkonzentration kann eine ausreichend gute Kontaktierung erreicht werden, ohne dass dabei die Heizeigenschaften des übrigen Verdampfers, der üblicherweise eine Schichtdicke von ca. 300 pm aufweist, beeinträchtigt wird. Der Bereich hoher Dotierstoffkonzentration ist aufgrund der geringen Eindringtiefe in den Verdampfer ebenfalls schichtartig, so dass er als Bestandteil der Schichtfolge angesehen werden kann. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Haftschicht einen Titananteil von wenigstens 80 Gew.-% umfasst, weiter vorzugsweise von wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise von wenigstens 95 Gew.-%.
Bevorzugt ist zwischen der Haftschicht und der Anschlussschicht eine Diffusionsbarriere angeordnet, die einen Platinanteil umfasst. Durch die Diffusionsbarriere kann die Diffusion von Siliziumatomen in die Umgebung verhindert werden, wodurch die Lebensdauer der Verdampfervorrichtung gesteigert werden kann. Ferner wird durch die Diffusionsbarriere der Silizium-Metall-Übergangsbereich von einer Metall-Metallschicht, die beim Anschließen an die elektrische Leitung entsteht, getrennt; es können so weder bei der Herstellung noch beim Betrieb ungewünschte Reaktionen zwischen diesen beiden Bereichen auftreten. Dabei umfasst die Diffusionsbarriere einen Platinanteil von wenigsten 80 Gew.-%, weiter vorzugsweise von wenigstens 90 Gew.-% und insbesondere vorzugsweise von wenigstens 95 Gew.-%. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Haftschichten mit einem Titananteil in Kombination mit der Diffusionsbarriere umfassend einen Platinanteil vorteilhaft ist, weil damit ein über eine Vielzahl an Erhitzungszyklen stabiler Aufbau der Schichtfolge ermöglicht wird.
Bevorzugt umfasst die Anschlussschicht einen Silber-, Gold- oder Platinanteil von wenigstens 80 Gew.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere vorzugsweise wenigstens 95 Gew.-%. Eine derartige Anschlussschicht erlaubt das elektrische Anbinden der Leitung mittels Silbersintern, also mit geringem fertigungstechnischem Aufwand. Für die Verdampfervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten und dritten Aspekt dieser Anmeldung gilt, dass vorzugsweise die Schichten der Schichtfolge unmittelbar aufeinander folgen. Es sind also keine Zwischenschichten vorhanden, so dass die Schichten der Schichtenfolge ideal Zusammenwirken können.
Für die Verdampfervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten und dritten Aspekt dieser Anmeldung gilt weiterhin, dass vorzugsweise wenigstens zwei der Schichtfolgen vorgesehen sind, wobei diese an der Oberfläche des Verdampfers lokal beabstandet voneinander angeordnet sind. Jede Schichtfolge ist dann mit einer elektrischen Leitung verbunden. Sofern genau zwei Schichtfolgen auf dem Verdampfer aufgebracht sind, kann eine erste Schichtfolge über eine erste elektrische Leitung an einem Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen werden und eine zweite Schichtfolge kann über eine zweite elektrische Leitung mit einem Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Aspekt dieser Anmeldung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt a) die Schichten der Schichtfolge auf dem Verdampfer abgeschieden werden; und in einem darauffolgenden zweiten Verfahrensschritt b) eine Temperierung der Schichtfolge auf eine Temperatur zwischen 400°C bis 600°C, beispielsweise zwischen 450°C und 550°C, über eine vordefinierte Zeitspanne erfolgt. Weiter beispielsweise beträgt die Temperatur im Verfahrensschritt b) ca. 500°C. Durch den Verfahrensschritt b) können die inneren Spannungen der Schichtfolge abgebaut werden, die sich nach dem Verfahrensschritt a) einstellen können. Würde man diese inneren Spannungen in der Schichtfolge nicht beseiti- gen, käme es insbesondere durch die zyklische thermische Belastung im Betrieb der Verdampfervorrichtung zu Delaminationseffekten bzw. zur Bildung feiner Risse. Durch das Temperieren im Verfahrensschritt b) können diese Effekte verhindert werden und so die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden.
Gemäß einem fünften Aspekt der Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch eine Kartusche für einen Inhalator, vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend einen Flüssigkeitstank zum Speichern einer zu verdampfenden Flüssigkeit, wobei die Kartusche eine Verdampfervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Aspekt dieser Anmeldung umfasst. Bezüglich der mit der Kartusche verbundenen technischen Wirkungen und Vorteile wird auf die vorangehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der Verdampfervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Aspekt dieser Anmeldung verwiesen.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch einen Inhalator, insbesondere in Form eines elektronisches Zigarettenprodukt oder eines medizinischen Inhalators, umfassend einen Strömungskanal, einen Flüssigkeitstank zum Speichern von zu verdampfender Flüssigkeit, sowie eine Spannungsquelle, wobei der Inhalator eine Verdampfervorrichtung gemäß einem ersten, zweiten oder dritten Aspekt dieser Anmeldung umfasst, wobei die wenigstens eine elektrische Leitung der Verdampfervorrichtung an die Spannungsquelle angeschlossen ist, so dass der Verdampfer mit einer elektrischen Heizspannung beaufschlagbar ist. Bezüglich der mit dem Inhalator verbundenen technischen Wirkungen und Vorteile wird auf die vorangehenden Ausführungen im Zu- sammenhang mit der Verdampfervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten oder dritten Aspekt der Anmeldung verwiesen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Verdampfers;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Verdampfers;
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Verdampfers;
Fig. 4 einen Inhalator; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verdampfers gemäß der ersten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt eine Verdampfervorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform umfassend einen Verdampfer 101 , der über zwei Schichtfolgen 103 an zwei elektrische Leitung 102a, 102b angeschlossen ist. Die elektrischen Leitungen 102a, 102b sind wiederum an einer Spannungsquelle 110 angeschlossen. Dabei ist die Leitung 102a an dem Minus-Pol und die Leitung 102b an dem Plus-Pol der Spannungsquelle 110 angeschlossen. Bei der Spannungsquelle 110 kann es sich beispielsweise um einen Energiespeicher in Form einer Batterie oder eines Akkus handeln. Bei dem Verdampfer 101 handelt es sich um einen Widerstandsheizer aus p-dotiertem Silizium, so dass sich dieser bei Anliegen einer Heizspannung erhitzt.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend nur der Aufbau einer der beiden Schichtfolgen 103 erläutert. Die beiden dargestellten Schichtfolgen 103 weisen jedoch einen identischen Aufbau auf. Die Erläuterung der Schichtfolge 103 erfolgt nachfolgend anhand der in Figur 1 - unten - gezeigten vergrößerten Darstellung der linken Schichtfolge 103.
Die Schichtfolge 103 umfasst ausgehend von dem Verdampfer 101 eine Kontaktschicht 104 aus Aluminium-Silizium-Kupfer mit einer Schichtdicke von 2,5 pm. Grundsätzlich kann die Schichtdicke aber beispielsweise auch zwischen 0,5 pm und 3,5 pm betragen. Es ist zu erkennen, dass die Kontaktschicht 104 in einem Übergangsbereich 111 in den Verdampfer 101 übergeht, also keine scharfe Trennung des Verdampfers 101 von der Kontaktschicht 104 möglich ist. Zur Ermittlung der Schichtdicke wird daher von der benachbarten Oberfläche des Verdampfers 101 ausgegangen. Alternativ kann die Kontaktschicht 104 auch aus reinem Aluminium gebildet sein, d.h. mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99 Gewichtsprozent.
Auf der Kontaktschicht 104 ist eine Diffusionsbarriere 105 aus Titan mit einer Schichtdicke von 50 nm aufgebracht. Grundsätzlich kann die Schichtdicke beispielsweise auch zwischen 25 und 100 nm betragen. Als Alternative zu Titan kann die Diffusionsbarriere 105 auch durch Titannitrid gebildet sein. Mittels einer auf der Diffusionsbarriere 105 aufgebrachten Haftschicht 106 kann die Anschlussschicht 107 zuverlässig an die übrigen Schichten der Schichtfolge 103 angebunden werden.
Die Haftschicht 106 ist aus Nickel gebildet und weist eine Schichtdicke von 100 nm auf. Grundsätzlich kann die Schichtdicke beispielsweise auch zwischen 50 nm und 150 nm betragen. Als Alternative zu reinem Nickel kann die Haftschicht 106 beispielsweise auch durch Nickel-Vanadium gebildet sein.
Die Anschlussschicht 107 ist aus Silber gebildet und weist eine Schichtdicke von 250 nm auf. Grundsätzlich kann die Anschlussschicht 107 auch durch eine Silberlegierung gebildet sein. Durch die Anschlussschicht 107 umfassend einen Silberanteil kann eine elektrische Kontaktierung mit der Leitung 102b durch Silbersintern erfolgen. Die durch Silbersintern hergestellte Schicht ist dabei als Bestandteil der Leitung 102b anzusehen. Grundsätzlich ist beispielsweise auch eine Schichtdicke der Anschlussschicht zwischen 125 nm und 375 nm möglich.
Sofern die jeweiligen Schichten der Schichtfolge 103 keine konstante Schichtdicke aufweisen, wird zur Bestimmung der Schichtdicke von der maximalen Schichtdicke ausgegangen. Dies gilt für alle Ausführungsformen.
Ferner ist aus Figur 1 ersichtlich, dass die Kontaktschicht 104 an einer ansonsten freiliegenden Oberfläche 108, hier eine Seitenfläche, von einer Passivierungsschicht 109 überdeckt wird. Diese Passivierungsschicht 109 muss sich nicht zwangsläufig über die gesamte Oberfläche des Verdampfers 101 erstrecken, sondern kann in eine sich ohnehin an der Oberfläche des Verdampfers 101 bilden- den Oxidschicht 112 übergehen. Durch die Passivierungsschicht 109 und die Anschlussschicht 107 wird die Kontaktschicht 104, die Diffusionsbarriere 105 sowie die Haftschicht 106 gekapselt, also hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet, sodass die darin gekapselten Schichten vor korrosiven Einflüssen geschützt sind. Die Passivierungsschicht 109 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aus Siliziumdioxid gebildet. Alternativ kann die Passivierungsschicht 109 beispielsweise auch durch Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid gebildet sein. Ferner ist erkennbar, dass die Passivierungsschicht 109 durch die Anschlussschicht 107 wenigstens 1 pm überlappt wird. Durch einen so entstehenden Überlappungsbereich 113 kann besonders zuverlässig eine hermetische Abdichtung der innen liegenden Schichten gegenüber der Umgebung erzielt werden. Somit kann ein Schutz vor korrosiven Einflüssen erreicht werden und gleichzeitig eine Abgabe von potentiell schädlichen Stoffen verhindert werden.
Mittels der vorgeschlagenen Schichtfolge 103 kann eine zuverlässige und auch elektrisch gut leitfähige Anbindung des Verdampfers 101 mittels elektrischer Leitungen 102a und 102b an die Spannungsquelle 110 erfolgen.
Der gleiche Effekt kann auch erreicht werden mit einer Kontaktschicht 104 aus Aluminium oder Aluminium-Silizium-Kupfer, einer Diffusionsbarriere 105 aus Titan, einer Haftschicht 106 aus Titannitrid und einer Anschlussschicht 107 aus Gold.
Figur 2 zeigt eine Verdampfervorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform umfassend einen Verdampfer 201 , der über zwei Schichtfolgen 203 an eine elektrische Leitung 202a, 202b angeschlossen ist. Die elektrischen Leitungen 202a, 202b sind wiederum an eine Spannungsquelle 210 angeschlossen. Dabei ist die Leitung 202a an dem Minus-Pol und die Leitung 202b an dem Plus-Pol der Spannungsquelle 210 angeschlossen. Bei der Spannungsquelle 210 kann es sich beispielsweise um einen Energiespeicher in Form einer Batterie oder eines Akkus handeln.
Bei dem Verdampfer 201 handelt es sich um einen Widerstandsheizer aus p-dotiertem Silizium, so dass sich dieser bei Anliegen einer Heizspannung erhitzt.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend nur der Aufbau einer der beiden Schichtfolgen 203 erläutert. Die beiden dargestellten Schichtfolgen 203 weisen jedoch einen identischen Aufbau auf. Die Erläuterung der Schichtfolge 203 erfolgt nachfolgend anhand der in Figur 2 - unten - gezeigten vergrößerten Darstellung der linken Schichtfolge 203.
Die Schichtfolge 203 umfasst ausgehend von dem Verdampfer 201 eine Kontaktschicht 204, eine Diffusionsbarriere 205 sowie eine Anschlussschicht 207.
Die Kontaktschicht 204 aus Gold weist eine Schichtdicke von 50 nm auf. Grundsätzlich sind aber Schichtdicken zwischen 25 nm und 100 nm möglich. Es ist zu erkennen, dass die Kontaktschicht 204 in einem Übergangsbereich 211 in den Verdampfer 201 übergeht, also keine scharfe Trennung des Verdampfers 201 von der Kontaktschicht 204 möglich ist. Zur Ermittlung der Schichtdicke wird daher von der benachbarten Oberfläche des Verdampfers 101 ausgegangen. Angrenzend an die Kontaktschicht 204 bildet sich an der Oberfläche des Verdampfers 201 eine natürliche Oxidschicht 212, die eine sonst freiliegende und nicht von der Diffusionsbarriere 205 bedeckten Oberfläche 208 der Kontaktschicht 204 überdeckt. Auf die Kontaktschicht 204 folgt eine Diffusionsbarriere 205 aus Platin mit einer Schichtdicke von 100 nm. Grundsätzlich sind aber auch Schichtdicken von beispielsweise zwischen 50 nm und 150 nm möglich.
Auf die Diffusionsbarriere 205 folgt eine Anschlussschicht 207 aus Gold mit einer Schichtdicke von 250 nm. Grundsätzlich kann die Anschlussschicht 207 aber beispielsweise auch eine Schichtdicke zwischen 125 nm und 400 nm aufweisen. Ferner kann die Anschlussschicht 207 als Alternative zu Gold auch durch Silber gebildet sein. Über die Anschlussschicht 207 kann durch Silbersintern ein elektrischer Anschluss an die elektrische Leitung 202b vorgenommen werden. Die durch Silbersintern auf der Anschlussschicht 207 gebildete Schicht kann dabei als Bestandteil der Leitung 202b angesehen werden. Ferner ist auch eine Variante denkbar, bei der auf die Anschlussschicht 207 verzichtet wird. Der Anschluss der elektrischen Leitung 203b erfolgt dann über die Diffusionsbarriere 205 aus Platin.
Auf diese Weise kann eine zuverlässige elektrische Kontaktierung des Verdampfers 201 erfolgen, so dass dieser über die Schichtfolge 203 und die elektrischen Leitungen 202a und 202b mit der Spannungsquelle 210 verbunden werden kann. So kann der Verdampfer 201 mit einer elektrischen Heizspannung beaufschlagt werden, so dass dieser sich zur Verdampfung eines Liquids erwärmt. Da die Schichtfolge 203 lediglich Schichten aus Edelmetallen umfasst, kann von einer Unbedenklichkeit für den menschlichen Organismus ausgegangen werden.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Verdampfervorrichtung 300 umfassend einen Verdampfer 301 , der über zwei Schicht- folgen 303 an elektrische Leitungen 302a, 302b angeschlossen ist. Die elektrischen Leitungen 302a, 302b sind wiederum an eine Spannungsquelle 310 angeschlossen. Dabei ist die Leitung 302a an dem Minus-Pol und die Leitung 302b an dem Plus-Pol der Spannungsquelle 310 angeschlossen. Bei der Spannungsquelle 310 kann es sich beispielsweise um einen Energiespeicher in Form einer Batterie oder eines Akkus handeln.
Bei dem Verdampfer 301 handelt es sich um einen Widerstandsheizer aus p-dotiertem Silizium, so dass sich dieser bei Anliegen einer Heizspannung erhitzt.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend nur der Aufbau einer der beiden Schichtfolgen 303 erläutert. Die beiden dargestellten Schichtfolgen 303 weisen jedoch einen identischen Aufbau auf. Die Erläuterung der Schichtfolge 303 erfolgt nachfolgend anhand der in Figur 3 rechts angeordneten Schichtfolge 303.
Der Verdampfer 301 umfasst lokal einen Bereich höherer Dotierstoffkonzentration 304, d.h. die Dotierstoffkonzentration ist in diesem Bereich höherer als im Übrigen Bereich des Verdampfers 301. Damit kann durch lokale Dotierung des Verdampfers 301 eine erste Schicht der Schichtfolge 303 geschaffen werden. Die lokale Dotierung kann beispielsweise durch Diffusion aus einer Bortrichloridquelle erzeugt werden. Der Bereich höherer Dotierstoffkonzentration 304 ragt in diesem Fall etwa 200 nm in den Verdampfer 301 hinein. Der Verdampfer 301 selbst weist in diesem Fall eine Schichtdicke von etwa 300 pm auf. Der Bereich höherer Dotierstoffkonzentration 304 weist eine Dotierstoffkonzentration von mehr als 5*1019 1/cm3 auf. Auf den Bereich höherer Dotierstoffkonzentration 304 folgt eine Haftschicht 305 aus Titan gefolgt von einer Diffusionsbarriere 306 aus Platin. Grundsätzlich kann die Haftschicht 305 aber auch aus anderen Materialien gebildet sein. Ferner ist es grundsätzlich auch denkbar, dass die Diffusionsbarriere 306 vollständig entfällt.
An der Oberfläche des Verdampfers 301 bildet sich angrenzend zu der Haftschicht 305 eine natürliche Oxidschicht 312.
Auf die Diffusionsbarriere 306 folgt eine Anschlussschicht 307, die in diesem Ausführungsbeispiel aus Gold gebildet ist, wobei grundsätzlich auch eine Anschlussschicht 307 aus Silber oder Platin denkbar ist.
Diese Schichtfolge 303 erlaubt eine zuverlässige elektrische Kontaktierung des Verdampfers 301. Über die Schichtfolge 303 und die elektrischen Leitungen 302a und 302b ist der Verdampfer 301 mit der Spannungsquelle 310 verbunden. So kann der Verdampfer 301 mit einer elektrischen Heizspannung beaufschlagt werden, so dass dieser sich zur Verdampfung eines Liquids erwärmt.
Figur 4 zeigt einen Inhalator 500 umfassend einen Strömungskanal 501 und eine Kartusche 400 in Form einer Verdampfer-Tank-Einheit. Die Kartusche 400 umfasst eine Verdampfervorrichtung 100, 200 oder 300 gemäß der ersten Ausführungsform (vgl. Figur 1), gemäß der zweiten Ausführungsform (vgl. Figur 2) oder der dritten Ausführungsform (vgl. Figur 3).
Die Kartusche 400 umfasst einen Flüssigkeitstank 401 befüllt mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit. Bei Betrieb der Verdampfervorrichtung 100, 200 oder 300, also bei Beaufschlagung des Verdamp- fers 101 , 201 oder 301 mit einer Heizspannung wird die zu verdampfende Flüssigkeit bis zum Siedepunkt erhitzt und damit im dampfförmigen Zustand an den Strömungskanal 501 abgegeben. Ferner ist eine Spannungsquelle 503 als Bestandteil des Inhalators 500 dargestellt, über die die Verdampfervorrichtung 100, 200 oder 300 elektrischer Energie versorgbar ist.
Figur 5 zeigt schematisch ein Verfahren 600 zur Herstellung der Verdampfervorrichtung 100 gemäß dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel. In einem ersten Verfahrensschritt a) werden die Schichten der Schichtfolge 103 auf dem Verdampfer 101 abgeschieden, also die Kontaktschicht 104, die Diffusionsbarriere 105, die Haftschicht 106 sowie die Anschlussschicht 107. Nach dem bilden dieser Schichtfolge 103 kann es zu internen mechanischen Spannungen kommen, die die Lebensdauer der Schichtfolge 103 negativ beeinträchtigen können. Daher erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt b) eine Temperierung der Schichtfolge 103 auf eine Temperatur zwischen 400°C bis 600°C, vorzugsweise zwischen 450°C und 550°C, über eine vordefinierte Zeitspanne. Durch diese Erhitzung können die internen Spannungen nahezu vollständig beseitigt werden, sodass die Delamination einzelner oder mehrere Schichten verhindert werden kann. Grundsätzlich kann das Verfahren 600 jedoch auch für die Verdampfervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform (vgl. Figur 2) oder der dritten Ausführungsform (vgl. Figur 3) angewendet werden.

Claims

27
Ansprüche:
1. Verdampfervorrichtung (100) für einen Inhalator (500), vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend
- einen Verdampfer (101) zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie
- wenigstens eine an den Verdampfer (101) angeschlossene elektrische Leitung (102a, 102b), dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine elektrische Leitung (102a, 102b) über eine Schichtfolge (103) an den Verdampfer (101) elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schichtfolge (103) die folgenden Schichten umfasst, die ausgehend von dem Verdampfer (101) aufeinander folgen:
- eine Kontaktschicht (104) umfassend einen Aluminiumanteil, die mit dem Verdampfer (101) in Kontakt steht,
- eine Diffusionsbarriere (105) umfassend einen Titananteil,
- eine Haftschicht (106) umfassend einen Nickel- oder Titananteil, sowie
- eine Anschlussschicht (107), beispielsweise umfassend einen Silber- oder Goldanteil, über die die Schichtfolge (103) an die wenigstens eine Leitung (102a, 102b) elektrisch angeschlossen ist.
2. Verdampfervorrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- diejenige Oberfläche (108) der Kontaktaktschicht (104), die weder durch den Verdampfer (101) noch durch die Diffusionsbarriere (105) bedeckt ist, durch eine Passivierungsschicht (109), beispielsweise aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Si- liziumcarbid, bedeckt. Verdampfervorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Passivierungsschicht (109) wenigstens 80 Gew.-% Siliziumdioxid, wenigstens 80 Gew.-% Siliziumnitrid oder wenigstens 80 Gew.-% Siliziumcarbid umfasst. Verdampfervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Passivierungsschicht (109) von wenigstens einer weiteren Schicht, beispielsweise von der Anschlussschicht (107), überlappt wird. Verdampfervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kontaktschicht (104) wenigstens 80 Gew.-% Aluminium oder wenigstens 80 Gew.-% Aluminium-Silizium-Kupfer umfasst. Verdampfervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Diffusionsbarriere (105) wenigstens 80 Gew.-% Titan oder wenigstens 80 Gew.-% Titannitrid umfasst. Verdampfervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Haftschicht (106) wenigstens 80 Gew.-% Nickel, wenigstens 80 Gew.-% Nickel-Vanadium oder wenigstens 80 Gew.-% Titannitrid umfasst.
8. Verdampfervorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschicht (107) einen Silber- oder Goldanteil von wenigstens 80 Gew.-% umfasst.
9. Verdampfervorrichtung (200) für einen Inhalator (500), vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend
- einen Verdampfer (201) zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie
- wenigstens eine an den Verdampfer (201) angeschlossene elektrische Leitung (202a, 202b), dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine Leitung (202a, 202b) über eine Schichtfolge (203) an den Verdampfer (201) elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schichtfolge (203) ausgehend von dem Verdampfer (201) die folgenden Schichten umfasst:
- eine Kontaktschicht (204) umfassend einen Goldanteil, die mit dem Verdampfer (201) in Kontakt steht, sowie
- eine Diffusionsbarriere (205) umfassend einen Platinanteil.
10. Verdampfervorrichtung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (204) einen Goldanteil von wenigstens 80 Gew.-% und/oder die Diffusionsbarriere (205) einen Platinanteil von wenigstens 80 Gew.-% umfasst.
11. Verdampfervorrichtung (200) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schichtfolge (203) eine Anschlussschicht (207) umfassend einen Silber- oder Goldanteil aufweist, wobei
- die Anschlussschicht (207) auf der Diffusionsbarriere (205) angeordnet ist, wobei
- die Schichtfolge (203) über die Anschlussschicht (207) an die Leitung (202a, 202b) elektrisch angeschlossen ist. Verdampfervorrichtung (200) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Anschlussschicht (207) einen Silber- oder Goldanteil von wenigstens 80 Gew.-% umfasst. Verdampfervorrichtung (300) für einen Inhalator (500), vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend
- einen Verdampfer (301) zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit in Form eines elektrischen Widerstandsheizelements aus dotiertem Silizium, sowie
- wenigstens eine an den Verdampfer (301) angeschlossene elektrische Leitung (302a, 302b), dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine Leitung (302a, 302b) über eine Schichtfolge (303) an den Verdampfer (301) elektrisch angeschlossen ist, wobei
- die Schichtfolge (303) ausgehend von dem Verdampfer (301) die folgenden Schichten umfasst:
- eine Haftschicht (305), beispielsweise umfassend einen Titananteil, und
- eine Anschlussschicht (307) umfassend einen Gold-, Silberoder Platinanteil, über die die Schichtfolge (303) an die Leitung (302a, 302b) elektrisch angeschlossen ist, wobei 31
- der Verdampfer (301) unmittelbar angrenzend zu der Haftschicht (305) lokal einen Bereich höherer Dotierstoffkonzentration (304) aufweist als im übrigen Teil des Verdampfers (301).
14. Verdampfervorrichtung (300) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
- in dem Bereich höherer Dotierstoffkonzentration (304) die Dotierstoffkonzentration wenigstens 3*1019 1/cm3, beispielsweise wenigstens 5*1019 1/cm3, beträgt.
15. Verdampfervorrichtung (300) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Bereich höherer Dotierstoffkonzentration (304) zwischen 20 nm und 1000 nm tief, beispielsweise zwischen 50 nm und 500 nm tief, in den Verdampfer (301) hineinragt.
16. Verdampfervorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 13 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (305) einen Titananteil von wenigstens 80 Gew.-% umfasst.
17. Verdampfervorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 13 bis
16, dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen der Haftschicht (305) und der Anschlussschicht (307) eine Diffusionsbarriere (306), die einen Platinanteil umfasst, angeordnet ist.
18. Verdampfervorrichtung (300) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Diffusionsbarriere (306) einen Platinanteil von wenigsten 80 Gew.-% umfasst. 32 Verdampfervorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Anschlussschicht (307) einen Silber-, Gold- oder Platinanteil von wenigstens 80 Gew.-% umfasst. Verfahren (600) zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
- in einem ersten Verfahrensschritt a) die Schichten der Schichtfolge (103, 203, 303) auf dem Verdampfer (101 , 201 , 301) abgeschieden werden, und
- in einem darauffolgenden zweiten Verfahrensschritt b) eine Temperierung der Schichtfolge (103, 203, 303) auf eine Temperatur zwischen 400°C bis 600°C, beispielsweise zwischen 450°C und 550°C, über eine vordefinierte Zeitspanne erfolgt. Kartusche (400) für einen Inhalator (500), vorzugsweise für ein elektronisches Zigarettenprodukt oder einen medizinischen Inhalator, umfassend einen Flüssigkeitstank (401) zum Speichern einer zu verdampfenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kartusche (400) eine Verdampfervorrichtung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 umfasst. Inhalator (500), insbesondere in Form eines elektronisches Zigarettenprodukt oder eines medizinischen Inhalators, umfassend
- einen Strömungskanal (501),
- einen Flüssigkeitstank (401) zum Speichern von zu verdampfender Flüssigkeit, sowie
- eine Spannungsquelle (503), dadurch gekennzeichnet, dass 33
- der Inhalator (500) eine Verdampfervorrichtung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 umfasst, wobei
- die wenigstens eine elektrische Leitung (102a, 102b, 202a, 202b, 302a, 302b) der Verdampfervorrichtung (100, 200, 300) an die Spannungsquelle (503) angeschlossen ist, so dass der Verdampfer (101 , 201 , 301) mit einer elektrischen Heizspannung beaufschlagbar ist.
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