一种快速响应MEMS雾化芯的制作方法

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一种快速响应mems雾化芯
技术领域
1.本实用新型涉及雾化芯领域，特指一种快速响应mems雾化芯。

背景技术：

2.雾化芯作为液体雾化产品的核心部件，对液体进行加热，使其变为雾状气溶胶形态散发出来，雾化元件加热雾化液体时要做到快速、均匀、一致、细腻且尽量减少有害物质产生。
3.现有液体加热雾化芯主要有以下两种类型：包棉雾化芯和多孔陶瓷雾化芯。其中包棉雾化芯中金属发热丝和棉芯直接接触，在高温下，发热丝中的金属成分以及棉芯材料的碎屑可能会被雾化形成的气溶胶携带而被使用者吸入，造成潜在的健康危害。同时，棉芯与金属发热丝非均匀接触，受热不均匀，以及高温碳化也会引起发热丝电阻变化，进而引起发热丝温度变化，使得雾化均匀性、稳定性、一致性较差。而多孔陶瓷雾化芯由多孔陶瓷和发热电极两部分构成。多孔陶瓷经过高温烧结制成碗状结构，发热膜设计成特定形状附着在陶瓷表面，在工作过程中，发热膜通过均匀发热，把液体加热形成雾气，由陶瓷微孔散发。由于微米级蜂窝孔的存在，其雾化出的气溶胶更加细腻。并且通过调整微孔的大小、孔隙率，可以控制陶瓷芯的锁液、储液能力，还可以调节雾化气溶胶的干湿度。
4.如吴任金于2021年6月发布的“改进电子烟多孔陶瓷雾化芯制作工艺的研究”，其中记载了多孔陶瓷、在多孔陶瓷的底部印刷出导热层、再在导热层上刷出两个电极位置、在两个电极之间印刷发热电阻、在两个电极和发热电阻上印刷保护层；虽然在多孔陶瓷和发热组件之间增加了导热层，能提高热传导效率；但存在以下问题：
5.1、由于多孔结构的存在，陶瓷芯锁液能力降低，容易漏液。目前通常通过降低孔隙率，减小多孔数量，提高锁液能力，但是同时降低了其吸液、储液能力；
6.2、陶瓷烧结工艺，不可避免会引入有害物质，危害使用者健康；
7.3、发热电阻下方仅设置有保护层，热量容易向下进行传导，导致热损耗较高，降低了加热电阻丝的升温速度，从而缩短了mems雾化芯的烟油雾化的响应时间。

技术实现要素：

8.本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种快速响应mems雾化芯。
9.为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种快速响应mems雾化芯，包含第一衬底、设置在第一衬底顶部的第二衬底、设置在第一衬底和第二衬底之间的密封空腔、两个分别贯穿第一衬底和第二衬底且位于密封空腔两侧的金属过孔、分别沉积在第一衬底和第二衬底顶部以及两个金属过孔内的二氧化硅薄膜、填充在两个金属过孔内且被二氧化硅薄膜包裹的金属、分别设置在第二衬底顶部二氧化硅薄膜上的第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝、用于覆盖第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝的保护层氮化硅、覆盖在保护层氮化硅上的烟油吸附材料、设置在第二衬底底部且分别与两个金属下端连接的第三金属电极和第四金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极分别与加热电阻丝的
两端连接，且同时通过两个金属分别与第三金属电极和第四金属电极连接。
10.优选的，所述密封空腔内部为真空，没有空气等其它气体，其厚度一般为5-500μm，从而消除热对流。
11.优选的，所述第一衬底的厚度设置为1-100μm，以提高该区域的热阻，进而降低热传导，提高加热电阻丝的温度。
12.优选的，所述加热电阻丝呈s型、u型或圆型，位于二氧化硅薄膜层的中部。
13.优选的，所述加热电阻丝的材料为pt、al、cu中的一种金属。
14.优选的，所述烟油吸附材料通过喷涂、涂覆或沉积方式覆盖在保护层氮化硅上。
15.优选的，所述烟油吸附材料为石墨烯、pdms、fe2o3/epdm新型吸油材料中的一种。
16.由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
17.1、本实用新型通过在第一衬底和第二衬底之间设置密封空腔，可提高加热电阻丝的温度，进而提高电压转化热能的效率，从而在相同的烟油雾化温度目标下，降低了mems雾化芯的功耗；
18.2、本实用新型通过将密封空腔设置为真空环境，可去除加热电阻丝的温度经第一衬底与密封空腔之间形成的热对流，降低了热损耗，提高了加热电阻丝的升温速度，从而在相同的烟油雾化温度目标下，提高了mems雾化芯的烟油雾化的响应时间；
19.3、本实用新型由于烟油吸附材料具有高吸油特性，烟油从烟油吸附材料的两端向其中间渗透，引起整个烟油吸附材料均吸附了一定量的电子烟烟油；
20.4、本实用新型通过采用石墨烯、pdms(聚合二甲基硅氧烷)或fe2o3/epdm等新型的烟油吸附材料，可使得在加热烟油吸附材料，以及雾化其吸附的烟油的过程中，不会产生带有有害金属粉末状颗粒，使用更加安全；
21.5、本实用新型所述的快速响应mems雾化芯采用半导体工艺和mems工艺，并与半导体工艺和mems工艺兼容，因而具有低成本、批量化、一致性好等优点。
附图说明
22.下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
23.附图1为本实用新型去除烟油吸附层和保护层氮化硅后的俯视图；
24.附图2为图1中a-a处剖视图；
25.附图3为本实用新型步骤2中对应的结构图；
26.附图4为本实用新型步骤4中对应的结构图；
27.附图5为本实用新型步骤6中对应的结构图；
28.附图6为本实用新型步骤9中对应的结构图；
29.附图7为本实用新型步骤14中对应的结构图；
30.附图8为本实用新型步骤15中对应的结构图；
31.附图9为本实用新型步骤18中对应的结构图；
32.附图10为本实用新型步骤24中对应的结构图。
具体实施方式
33.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
34.附图1-2为本实用新型所述的快速响应mems雾化芯，包含第一衬底(1-1)、第二衬底(1-2)、第一二氧化硅薄膜(2-1)、第二二氧化硅薄膜(2-2)、第一金属电极(3-1)、第二金属电极(3-2)、第三金属电极(3-3)、第四金属电极(3-4)、加热电阻丝(4)、保护层氮化硅(5)和烟油吸附层(6)。其中：
35.所述第一衬底(1-1)位于mems雾化芯的下半部分，在第一衬底(1-1)的中央刻蚀了一个空腔，在空腔周围沉积了第一二氧化硅薄膜(2-1)，同时在第一衬底(1-1)的两端设置两个金属过孔；在第一衬底(1-1)的背面设有第三金属电极(3-3)和第四金属电极(3-4)；
36.所述第二衬底(1-2)位于在第一二氧化硅薄膜(2-1)的上方，在其两端设置两个金属过孔，并且这两个金属过孔与第一衬底(1-1)的两端的两个金属过孔对齐放置；
37.所述第一衬底(1-1)和第二衬底(1-2)通过硅-氧化硅键合工艺键合在一起，从而在半导体结构的内部形成一个密封空腔(100)；所述第一衬底(1-1)的厚度设置为1-100μm，以提高该区域的热阻，进而降低热传导，提高加热电阻丝(4)的温度；所述密封空腔(100)，内部为真空，没有空气等其它气体，其厚度一般为5-500μm，从而消除热对流；
38.所述第二二氧化硅薄膜(2-2)均匀沉积在第二衬底(1-2)的表面，并要求覆盖第一衬底(1-1)和第二衬底(1-2)的两端金属过孔；
39.所述第一金属电极(3-1)和第二金属电极(3-2)位于所述第二衬底(1-2)两侧，并通过金属过孔中填充的金属与第一衬底(1-1)的第三金属电极(3-3)和第四金属电极(3-4)实现电连接；
40.所述加热电阻丝(4)位于所述mems雾化芯的中间，呈s型、u型或圆型等形状，并且加热电阻丝(4)的两端分别与第一金属电极(3-1)和第二金属电极(3-2)形成电互连，其作用为将电能转化为热能；加热电阻的材料可以为pt、al和cu等金属；
41.所述保护层氮化硅(5)覆盖在加热电阻丝(4)、第一金属电极(3-1)和第二金属电极(3-2)之上；
42.所述烟油吸附层(6)通过喷涂、涂覆或沉积等方式覆盖在保护层氮化硅(5)上，其材料可以为石墨烯、pdms(聚合二甲基硅氧烷)、fe2o3/epdm新型吸油材料等；电子烟中烟油与烟油吸附材料的两端相接触，由于烟油吸附材料具有高吸油特性，烟油从烟油吸附材料的两端向其中间渗透，使得整个的烟油吸附材料均吸附了一定量的电子烟烟油；
43.工作原理：在第一衬底(1-1)的第三金属电极(3-3)和第四金属电极(3-4)上施加直流电压之后，该极性相反的电信号经金属过孔传输至第二衬底(1-2)的第一金属电极(3-1)第二金属电极(3-2)，再由第一金属电极(3-1)和第二金属电极(3-2)传输到加热电阻丝(4)，使其两端形成电势差，进而使得加热电阻丝(4)发热，实现电压-热的转换过程，从而使得加热电阻丝(4)产生热量，提高其温度；由于保护层氮化硅(5)很薄，所产生的热量绝大部分经保护层氮化硅(5)传热至保护层氮化硅(5)上面的烟油吸附层(6)，进而使得烟油吸附层(6)中吸附的烟油加热，从而实现电子烟烟油的雾化。
44.本实用新型还公开了一种快速响应mems雾化芯的制备方法，包括以下制备步骤：
45.步骤1、准备第一衬底：选取硅片；
46.步骤2、如图3所示，在硅表面运用热氧化工艺形成一层二氧化硅薄膜；
47.步骤3、光刻：涂覆光刻胶；
48.步骤4、如图4所示，曝光，显影，去除将要刻蚀空腔和金属过孔处的光刻胶；
49.步骤5、刻蚀二氧化硅；
50.步骤6、如图5所示，刻蚀硅：在形成空腔处刻蚀掉厚度为5-500μm的衬底；
51.步骤7、去除多余光刻胶；
52.步骤8、准备第二衬底：选取硅片；
53.步骤9、键合：如图6所示，运用硅-氧化硅键合工艺，将第一衬底与第二衬底进行键合，形成真空密封空腔；
54.步骤10、减薄处理：通过采用粒度为800#的砂轮对第二衬底进行边缘倒角；
55.步骤11、采用粒度为600#的砂轮对第二衬底进行多次磨削；
56.步骤12、采用混合酸(v()：v(硝酸)：v(水)＝1：6：3)对第二衬底进行常温化学腐蚀；
57.步骤13、采用碱性二氧化硅胶体抛光液对第二衬底磨削面进行抛光，其中二氧化硅粒径约为0.04μm，抛光液ph值控制在10.5左右；
58.步骤14、如图7所示，形成金属过孔：运用drie工艺刻蚀硅衬底，形成两个金属过孔；
59.步骤15、如图8所示，在衬底表面运用热氧化或沉积工艺形成一层二氧化硅薄膜，并要求二氧化硅层覆盖金属过孔；
60.步骤16、磁控溅射：在二氧化硅薄膜表面溅射黏附层铬，种子层铜；
61.步骤17、电镀铜：旋涂光刻胶，曝光，显影，去除金属过孔的孔口和加热电阻丝处的光刻胶；
62.步骤18、如图9所示，在种子层上电镀铜直至将孔的入口处填满形成第一金属电极和第二金属电极，同时形成加热电阻丝；
63.步骤19、去除光刻胶：用丙酮去掉表面掩膜用的光刻胶；
64.步骤20、去除多余种子层：刻蚀二氧化硅薄膜表面的种子层金属；
65.步骤21、重新在电镀层旋涂光刻胶；
66.步骤22、金属填充：以孔口处的电镀铜为种子层再次电镀，直至通孔完全填充，并于衬底底面引出第三金属电极和第四金属电极；
67.步骤23、去除光刻胶；
68.步骤24、沉积氮化硅：如图10所示，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长保护层氮化硅；
69.步骤25、沉积石墨烯层：如图2所示，使用加热辅助喷涂法沉积一层导热氧化石墨烯；
70.步骤26、将氧化石墨烯浸入氢碘酸溶液进行还原反应；
71.步骤27、用乙醇洗涤数次；
72.步骤28、得到还原的氧化石墨烯层
73.以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

技术特征：

1.一种快速响应mems雾化芯，其特征在于：包含第一衬底、设置在第一衬底顶部的第二衬底、设置在第一衬底和第二衬底之间的密封空腔、两个分别贯穿第一衬底和第二衬底且位于密封空腔两侧的金属过孔、分别沉积在第一衬底和第二衬底顶部以及两个金属过孔内的二氧化硅薄膜、填充在两个金属过孔内且被二氧化硅薄膜包裹的金属、分别设置在第二衬底顶部二氧化硅薄膜上的第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝、用于覆盖第一金属电极、第二金属电极和加热电阻丝的保护层氮化硅、覆盖在保护层氮化硅上的烟油吸附材料、设置在第二衬底底部且分别与两个金属下端连接的第三金属电极和第四金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极分别与加热电阻丝的两端连接，且同时通过两个金属分别与第三金属电极和第四金属电极连接。2.根据权利要求1所述的快速响应mems雾化芯，其特征在于：所述密封空腔内部为真空，其厚度一般为5-500μm。3.根据权利要求2所述的快速响应mems雾化芯，其特征在于：所述第一衬底的厚度设置为1-100μm。4.根据权利要求1-3任意一项所述的快速响应mems雾化芯，其特征在于：所述加热电阻丝呈s型、u型或圆型，位于二氧化硅薄膜层的中部。5.根据权利要求4所述的快速响应mems雾化芯，其特征在于：所述加热电阻丝的材料为pt、al、cu中的一种金属。6.根据权利要求5所述的快速响应mems雾化芯，其特征在于：所述烟油吸附材料通过喷涂、涂覆或沉积方式覆盖在保护层氮化硅上。7.根据权利要求6所述的快速响应mems雾化芯，其特征在于：所述烟油吸附材料为石墨烯、pdms、fe2o3/epdm新型吸油材料中的一种。

技术总结

本实用新型涉及一种快速响应MEMS雾化芯，包含第一衬底、设置在第一衬底顶部的第二衬底、设置在第一衬底和第二衬底之间的密封空腔、分别沉积在第一衬底和第二衬底顶部的二氧化硅薄膜、设置在第二衬底顶部二氧化硅薄膜上的加热电阻丝、用于覆盖加热电阻丝的保护层氮化硅、覆盖在保护层氮化硅上的烟油吸附材料、设置在第二衬底底部且分别与加热电阻丝连接的金属电极；本实用新型通过在第一衬底和第二衬底之间设置密封空腔，可减少热量向下的热传导，降低了热损耗，提高了加热电阻丝的升温速度，从而在相同的烟油雾化温度目标下，提高了MEMS雾化芯的烟油雾化的响应时间。MEMS雾化芯的烟油雾化的响应时间。MEMS雾化芯的烟油雾化的响应时间。