MEMS空腔式雾化芯及其制备方法与流程

烟草加工设备的制造及烟草加工技术mems空腔式雾化芯及其制备方法技术领域1.本发明特别涉及一种mems空腔式雾化芯及其制备方法，属于雾化器技术领域。背景技术：2.雾化技术是通过一定方式将液体变成小液滴的过程。目前雾化的方式主要高压气体雾化、超声波雾化、微波加热雾化、电阻加热雾化等。作为雾化技术的“心脏”，雾化芯决定着雾化效果。3.目前常用的雾化芯结构如图1所示，其是在多孔陶瓷上，通过印刷工艺形成加热电阻，多孔陶瓷中细小的微孔，是陶瓷雾化芯实现稳定导液和锁液功能的关键。由于表面张力和毛细作用，液体可以均匀地渗入到雾化芯中，并吸附在雾化芯表面。4.尽管多孔陶瓷雾化芯相对于其他雾化方式，在加热过程中，它的温度会上升得更快，温度均匀性更好，但由于电阻浆料通过丝网印刷工艺进行制备，后续还有经过高温烧结等工艺，一方面高温烧结会造成电阻浆料的收缩，从而导致电阻的离散性；另一方面，由于多孔陶瓷衬底是微孔结构，在印刷过程中，电阻浆料会渗入孔隙中，从而引起断线、断路等缺陷。而以合金膜片作为加热结构的雾化芯，在在其加热工作状态下，会因为热膨胀系数差异方面的问题，从而会导致合金膜片和多孔陶瓷之间产生空隙，进而影响雾化效果。技术实现要素：5.本发明的主要目的在于提供一种mems空腔式雾化芯及其制备方法，从而克服现有技术中的不足。6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：7.本发明实施例提供了一种mems空腔式雾化芯，包括：8.雾化芯主体，所述雾化芯主体的内部具有一雾化腔，所述雾化芯主体的表面设置有与所述雾化腔连通的气孔和导油孔；9.加热结构，设置在所述雾化腔内，所述加热结构用于对所述雾化腔内的流体介质进行加热，以使所述流体介质受热雾化。10.本发明实施例还提供了所述的mems空腔式雾化芯的制备方法，包括：11.制作第一部分的步骤：12.提供第一基底，在所述第一基底的第二面加工形成收容槽，并在所述第一基底的第二面制作形成第一绝缘层；13.在所述第一基底的第一面加工形成沿厚度方向贯穿所述第一基底和第一绝缘层的通孔，在所述通孔内填充导电材料而形成导电通道；14.在所述第一基底的第一面加工形成气孔，且使所述气孔与所述收容槽相连通；15.在位于收容槽内的第一绝缘层表面加工形成图形化的加热薄膜，以及，在所述第二面制作电连接线，并使所述电连接线与所述导电通道、加热薄膜电连接，其中，所述第一面和第二面背对设置；16.制作第二部分的步骤：17.提供第二基底，在所述第二基底的第三面制作形成第二绝缘层，以及，形成沿厚度方向贯穿所述第二基底和第二绝缘层的导油孔；18.将所述第一部分与第二部分叠层设置并使第一部分与第二部分结合为一体，从而在所述第一绝缘层和第二绝缘层之间形成一雾化腔，且使所述导油孔与所述雾化腔相连通。19.与现有技术相比，本发明的优点包括：20.1)本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯，可靠性更高，温度的一致性更好，还可以精准控制渗油的速率和体量，既不会使加热薄膜与经导油孔输入雾化腔的烟油直接接触，又可以使加热薄膜对烟油的加热路径足够短，加快烟油蒸发速度，达到良好的平衡状态；21.2)本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯，可以使导油孔内始终有烟油连续通过，防止烟油在导油孔内积聚而堵塞导油孔，使雾化腔内始终保有一定量的烟油，防止雾化腔内缺少烟油而可能导致的腔内温度过高等问题；22.3)本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯的制备方法，结合半导体工艺，可以实现批量化、低成本的制造，避免陶瓷工艺烧结时带来的污染。附图说明23.图1是现有技术中的一种多孔陶瓷雾化芯样品；24.图2是本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯的结构示意图；25.图3是本发明实施例提供的加热电阻的结构示意图；26.图4是本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯的制备流程示意图；27.图5a-图5c是本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯的制备流程结构示意图；28.附图标记说明：第一基底-110、第一绝缘层-120、气孔-130、收容槽-140、通孔-150、第二基底-210、第二绝缘层-220、导油孔-230、雾化腔-300、加热结构-400、导电通道-500、引出电极-600、金属连线-700、电连接线-800。具体实施方式29.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。30.本发明实施例提供了一种能够工艺简单、性能好、精度高的雾化芯，适用在电子烟、加湿器、蒸脸器、造雾机、医疗雾化器等应用领域。31.目前通用的陶瓷雾化芯结构，都是液体直接接触在加热电极上，一方面会在加热过程中电阻上的温度过热，从而使液体雾化和周围陶瓷上的雾化效果差异较大；另一方面，印刷在陶瓷上的电阻面积有限，其温度场不均匀，从而也影响雾化效果；32.为了克服目前厚膜印刷和合金膜片制备的多孔陶瓷的雾化芯的缺点，本发明提出在硅基衬底上，利用半导体工艺中的沉积技术，实现金属薄膜在硅基表面上的图形化，形成稳定的加热电阻结构；另一方面通过干法和湿法刻蚀，形成精度较高的储油槽，还可以形成精准的导油孔，可以控制雾化过程中液体渗透的速率，并且通过两加热部件和渗油部分的键合，实现非接触式的加热效果。33.本发明实施例提供了一种mems空腔式雾化芯，所述mems空腔式雾化芯以单晶硅为主要基材，主要分为上下两部分，上层为加热结构，以金属薄膜材料为加热部分；下层为支撑结构，且在中间形成阵列式微孔。34.本发明实施例提供了一种mems空腔式雾化芯，包括：35.雾化芯主体，所述雾化芯主体的内部具有一雾化腔，所述雾化芯主体的表面设置有与所述雾化腔连通的气孔和导油孔；36.加热结构，设置在所述雾化腔内，且沿所述导油孔的轴向方向位于所述导油孔上方，所述加热结构用于对所述雾化腔内的流体介质进行加热，以使所述流体介质受热雾化。37.在一具体实施方式中，所述加热结构与所述气孔设置在所述雾化腔的同一侧，所述加热结构朝向所述导油孔；其中，所述气孔环绕所述加热结构设置。38.在一具体实施方式中，多个所述导油孔呈阵列分布。39.在一具体实施方式中，所述雾化芯主体包括第一基底和第二基底，40.所述第一基底具有背对设置的第一面和第二面，所述气孔设置在所述第一面且沿厚度方向贯穿所述第一基底，所述加热结构设置在所述第二面；41.所述第二基底具有第三面，所述导油孔设置在所述第三面并沿厚度方向贯穿所述第二基底，所述第一基底和第二基底固定结合，从而在所述第二面和第三面之间围合形成所述的雾化腔。42.在一具体实施方式中，所述雾化腔具有变径结构，所述雾化腔的内径沿从第二基底指向第一基底的方向逐渐减小，并且所有气孔的径向面积之和小于所有导油孔的径向面积之和，从而可以使导油孔内始终有烟油连续通过，防止烟油在导油孔内积聚而堵塞导油孔，以及，使雾化腔内始终保有一定量的烟油，防止雾化腔内缺少烟油而可能导致的腔内温度过高等问题。43.在一具体实施方式中，所述雾化腔与的顶面设置在所述第二面上，底面设置在所述第三面上，并且，所述雾化腔的底面面积大于顶面面积，其中，所述雾化腔的底面面积s＝2(πr2*n1+πr2*n2)，其中，r为气孔的半径，n1为气孔的数量，r为导油孔的半径，n2为导油孔的数量。44.在一具体实施方式中，所述雾化腔的顶面面积为所述底面面积的一半以上。45.在一具体实施方式中，所述加热结构与第三面之间的垂直距离为导油孔直径的2-5倍，当采用这个距离范围，既不会使加热薄膜与经导油孔输入雾化腔的烟油直接接触，又可以使加热薄膜对烟油的加热路径足够短，加快烟油蒸发速度，达到良好的平衡状态。46.在一具体实施方式中，所述第二面还设置有收容槽，所述收容槽的内径沿从第二基底指向第一基底的方向逐渐减小，所述收容槽与所述第三面围合形成所述的雾化腔，所述收容槽的槽底面为所述雾化腔的顶面，所述第三面与收容槽于第三面上的正投影区域重合的部分形成所述雾化腔的底面，所述加热结构设置在所述收容槽的槽底面。47.在一具体实施方式中，所述加热结构包括图形化的加热薄膜，所述加热薄膜的材质包括ni、cr、au、pt、mo、w中的任意一种金属或两种以上金属形成的合金，但不限于此。48.在一具体实施方式中，所述加热薄膜的厚度为100nm-500um。49.在一具体实施方式中，所述加热结构设置在第一绝缘层上，所述第一绝缘层设置在所述第一基底的第二面上，并且，所述气孔的一端自所述第一绝缘层的选定区域露出。50.在一具体实施方式中，所述第二基底的第三面上还设置有第二绝缘层，并且，所述导油孔的一端自所述第二绝缘的选定区域露出。51.在一具体实施方式中，所述第一绝缘层和第二绝缘层均包括氧化硅层。52.在一具体实施方式中，所述第一绝缘层和第二绝缘层的厚度为100-5000nm。53.在一具体实施方式中，所述第一基底和第二基底的材质均包括单晶硅、多晶硅、多孔硅中的任意一种。54.在一具体实施方式中，所述雾化芯主体的表面还设置有引出电极，所述引出电极与所述加热结构电连接。55.在一具体实施方式中，所述引出电极设置在所述第一面，并且，所述第一基底内设置有导电通道，所述第二面设置有电连接线，所述导电通道与所述引出电极、电连接线电连接，所述电连接线与所述加热结构电连接。56.本发明实施例还提供了所述的mems空腔式雾化芯的制备方法，包括：57.制作第一部分的步骤：58.提供第一基底，在所述第一基底的第二面加工形成收容槽，并在所述第一基底的第二面制作形成第一绝缘层；59.在所述第一基底的第一面加工形成沿厚度方向贯穿所述第一基底和第一绝缘层的通孔，在所述通孔内填充导电材料而形成导电通道；60.在所述第一基底的第一面加工形成气孔，且使所述气孔与所述收容槽相连通；61.在位于收容槽内的第一绝缘层表面加工形成图形化的加热薄膜，以及，在所述第二面制作电连接线，并使所述电连接线与所述导电通道、加热薄膜电连接，其中，所述第一面和第二面背对设置；62.制作第二部分的步骤：63.提供第二基底，在所述第二基底的第三面制作形成第二绝缘层，以及，形成沿厚度方向贯穿所述第二基底和第二绝缘层的导油孔；64.将所述第一部分与第二部分叠层设置并使第一部分与第二部分结合为一体，从而在所述第一绝缘层和第二绝缘层之间形成一雾化腔，且使所述导油孔与所述雾化腔相连通。65.在一具体实施方式中，所述的制备方法还包括：在所述第一面制作形成引出电极，且使所述引出电极与所述导电通道电连接。66.在一具体实施方式中，所述通孔位于所述第一面的第一区域，所述收容槽位于所述第二面的第二区域，其中，所述第一区域与第二区域的正投影区域无重合区域。67.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的刻蚀、氧化、沉积、键合等工艺以及相关的设备等均可以是本领域技术人员已知的，在此不对其具体的工艺参数进行限定和说明。68.请参阅图2，一种mems空腔式雾化芯，主要包括两个部分，第一部分是包含加热薄膜的结构，第二部分具有多孔的渗油结构(即导油孔)，该两部分通过键合工艺结合在一起，形成非接触式的加热效果。69.在本实施例中，所述第一部分包括第一基底110以及加热结构400，所述第一基底110具有背对设置的第一面和第二面，所述第一基底110的第一面还设置有引出电极600和气孔130，所述引出电极600与所述加热结构400电连接，所述气孔130沿厚度方向贯穿所述第一基底110；所述第二部分包括第二基底210，所述第二基底210具有沿厚度方向贯穿所述第二基底210的导油孔230，所述第一部分和第二部分固定结合为一体，且在所述第一基底110和第二基底210之间围合形成一雾化腔300，所述加热结构400位于所述雾化腔300内，所述气孔130和导油孔230均与所述雾化腔300连通。70.请参阅图3，在本实施例中，所述加热结构400为图形化的加热薄膜，所述加热薄膜的性形状可以是波浪形或螺旋形等，所述加热薄膜的材质可以是ni、cr、au、pt、mo、w中的任意一种金属或两种以上金属形成的合金，所述加热薄膜的厚度为100nm-500um。71.在本实施例中，在所述导油孔230的轴向方向上，至少部分所述导油孔230与所述加热结构400相对应，可以理解为，至少所述加热结构的局部位于至少部分导油孔230的延伸方向上，且所述加热结构与导油孔230之间具有间隙。72.在本实施例中，所述气孔130可以设置有一个或多个，所述气孔130的孔径为10-1000μm，所述导油孔230设置有多个，多个所述导油孔230呈阵列分布，所述导油孔230的孔径为10-500μm。73.在本实施例中，所述雾化腔300具有变径结构，其内径沿从第二基底210指向第一基底110的方向逐渐减小，并且所有气孔130的径向面积之和小于所有导油孔230的径向面积之和，从而可以使导油孔230内始终有烟油连续通过，防止烟油在导油孔230内积聚而堵塞导油孔，以及，使雾化腔300内始终保有一定量的烟油，防止雾化腔内缺少烟油而可能导致的腔内温度过高等问题。74.在本实施例中，所述雾化腔300的顶面设置在所述第二面上，底面设置在所述第三面上，并且，所述雾化腔300的底面面积大于顶面面积，其中，所述雾化腔300的底面面积s＝2(πr2*n1+πr2*n2)，其中，r为气孔130的半径，nl为气孔130的数量，r为导油孔230的半径，n2为导油孔230的数量，所述雾化腔300的顶面面积为所述底面面积的一半以上。75.在本实施例中，所述加热结构400与第三面之间的垂直距离为导油孔230直径的2-5倍，当采用这个距离范围，既不会使加热薄膜与经导油孔230输入雾化腔300的烟油直接接触，又可以使加热薄膜对烟油的加热路径足够短，加快烟油蒸发速度，达到良好的平衡状态。76.在本实施例中，所述第一基底110的第二面还设置有收容槽140，所述收容槽140的内径沿从第二基底指向第一基底的方向逐渐减小，所述第二基底210的第三面与所述收容槽140围合形成所述的雾化腔300，所述收容槽140的槽底面为所述雾化腔300的顶面，所述第三面与收容槽140于第三面上的正投影区域重合的部分形成所述雾化腔300的底面，所述加热结构400设置在所述收容槽140的槽底面。77.本实施例中，所述第一基底110的第二面(包含收容槽140的表面)还设置有第一绝缘层120，所述第二基底210的第三面还设置有第二绝缘层220，所述加热结构400设置在所述第一绝缘层120的表面，需要说明的是，所述第一绝缘层120并没有覆盖第一基底上的气孔，所述第二绝缘层也不会覆盖第二基底上的导油孔。78.在本实施例中，所述第一绝缘层120和第一绝缘层120均可以是氧化硅层，所述第一绝缘层120和第一绝缘层120的厚度为100-5000nm，所述第一绝缘层120可以是通过对第一基底110进行氧化处理后获得的，也可以是通过其他外延方式或转移的方式制作获得，相应地，所述第二绝缘层220可以是通过对第二基底210进行氧化处理后获得的，也可以是通过其他外延方式或转移的方式制作获得。79.在本实施例中，所述第一基底110的第一面还设置有引出电极600，所述第一基底110内设置有导电通道500，所述雾化腔300的腔壁上还设置有电连接线800，所述导电通道500与所述电连接线800、引出电极600电连接，所述电连接线800还与所述加热薄膜电连接。80.在本实施例中，所述导电通道500可以主要是由设置在所述第一基底110内的通孔150以及填充在所述通孔150的导电材料形成，所述通孔150的孔径以及导电材料的材质等可以根据具体的需求进行调整，在此不做具体的限定。81.在本实施例中，所述第一基底110和第二基底210的材质均可以是单晶硅、多晶硅、多孔硅中的任意一种。82.请参阅图4和图5a、图5b、图5c，一种mems空腔式雾化芯的制备方法，可以包括：制备包含加热结构的第一部分的步骤、制备具有多孔的渗油结构(即导油孔)的第二部分的步骤以及将第一部分、第二部分结合为一体的步骤。83.1)制作包含加热结构的第一部分的步骤具体包括：84.1.1)提供硅基底作为第一基底，采用湿法工艺对第一基底110进行清洗；85.1.2)采用光刻、刻蚀等工艺，在第一基底110的第二面上刻蚀出深度为200um左右的收容槽140，且使所述收容槽140的内径或横向上的宽度或面积沿远离第二面的方向逐渐减小；86.1.3)采用热氧化工艺对刻蚀后的第二面进行氧化处理，以将所述第一基底110靠近第二面的表层部分氧化形成氧化硅层以作为第一绝缘层120，且控制所述第一绝缘层的厚度为2000nm；87.1.4)采用光刻、深硅刻蚀等方式在所述第一基底110的第一面制作形成多个形成直径为100um的阵列式通孔150，所述通孔150设置在所述收容槽140的一侧或者所述通孔140环绕所述收容槽140分布；88.1.5)通过溅射、电镀等工艺，在所述通孔150内填充导电材料而形成导电通道500；89.1.6)采用光刻、沉积等工艺，在所述收容槽140底部的第一绝缘层120上制作形成多个电阻为1.5欧姆的加热薄膜电阻作为加热结构400，所形成的加热结构满足θ＝l/(λs)，式中：λ是导热系数，l是材料长度，s是传热面积，材料对热流传导的阻碍能力，与传导路径长度成正比，与通过的截面积成反比，与材料的导热系数成反比，通过此公式，可以优化加热结构，从而形成良好的温度一致性；90.1.7)采用光刻、刻蚀等工艺，在第一基底110的第一面刻蚀形成直径为50um的气孔130，且使所述气孔130与所述收容槽相导通；91.2)制备具有多孔的渗油结构(即导油孔)的第二部分的步骤具体包括：92.2.1)提供硅基底作为第二基底210，采用湿法工艺对第二基底进行清洗；93.2.2)采用热氧化工艺对第二基底210的第三面进行氧化处理，以将所述第二基底210靠近第三面的表层部分氧化形成氧化硅层来作为第二绝缘层220，且控制所述第二绝缘层的厚度为2000nm；94.2.3)对所述第二绝缘层220进行图形化，并采用刻蚀工艺，在所述第二基底210内加工形成多个直径为100um的阵列式导油孔230，所述导油孔230沿厚度方向贯穿所述第二基底210和第二绝缘层220；当然，也可以先加工形成导油孔230，再氧化形成所述第二绝缘层220；95.3)使第一绝缘层第二绝缘层相互贴合，采用直接键合工艺，将第一部分和第二部分键合成一起；之后采用点焊等方式，在所述第一基底110的第一面上制作引出电极600，并在引出电极600上制作金属连线700，所述金属连线700可以是镍金属丝等。96.本发明实施例提供的mems空腔式雾化芯，可靠性更高，温度的一致性控制的更好，可以精准控制电阻的范围；而且还可以精准控制渗油的速率和数量，结合半导体工艺，可以实现批量化、低成本的制造，避免陶瓷工艺烧结时带来的污染。97.本发明实施例提供的一种mems空腔式雾化芯，通过高精度的半导体工艺进行加工，可以实现加热结构的精准控制，电阻精度可以控制在0.1欧姆以内，通过空腔式的结构，可以实现整体温度场的精确控制，从而实现烟油的均匀雾化；而且精准的微纳米级别的导油孔的加工，可以实现渗油的速率和数量精准控制；另外，半导体工艺的批量化制备优势，可以降低成本，并可以避免陶瓷烧结时的空气污染。98.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。









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