用于电子吸入器的蒸发设备及制造蒸发设备的方法与流程

1.本发明涉及一种用于电子吸入器的蒸发设备，具有蒸发器以及电阻加热元件，所述蒸发器具有导热衬底，其中多个连续通道从衬底的入口侧通过衬底延伸到衬底的出口侧。本发明还涉及一种用于制造这种蒸发设备的方法。


背景技术：

2.电子香烟通常使用电阻加热器来加热用液体浸湿的芯材料。在此，液体既在芯材料的内表面处又直接在加热器表面上蒸发，其中粗略计算表明大部分蒸汽在芯材料中产生。
3.在芯螺旋系统中，由于至芯材料的连接局部变化以及局部和时间上变化的液体润湿性，加热丝可能具有温度差异很大的区域。特别是所谓的热点效应，即自强化的局部过热，是一个问题，特别是因为污染物形成随着温度升高而剧烈增加。
4.已知使用网格状布置的加热丝（所谓的网）来代替螺旋线。这基本上具有两个优点。首先，与芯材料的接触是平坦的并且因此更加明确，其次，通过交叉线的额外热传导减少了热点的形成和/或发展。然而，在实际应用中，网格线由金属制成，从而微量的这种金属可能溶解在蒸汽中。
5.另一种方案在于，将金属加热器施加到多孔陶瓷上作为芯材料。这种方案的缺点是，虽然加热器和陶瓷之间的接触面非常明确，但也非常小。因此，为了将足够的热量传递给陶瓷，在加热器处需要高的过热温度。这种过高温度又导致污染物形成的增加。如果想避免这种情况，这只能以牺牲热惯性为代价，并且会直接和不利地影响蒸汽行为。
6.根据wo 2018/083007 a1的体积加热器使用明显更大而重的硅板而不是网格。在该板中对孔进行了结构化，以用于逸出蒸汽。该厚板确保温度差异极度迅速地得到均衡，从而不可能产生热点。此外，接触面非常平坦并且仅由小孔中断，从而热接触明显优于网格状布置情况下的热接触。
7.与体积加热器的这些优点相对的缺点基本上是成本问题。加热器的电阻必须极其精确且可重复地调整。由于整个硅芯片充当加热电阻，因此必须通过精确的掺杂剂浓度来调整晶片材料的比电阻。这是一项会导致高昂材料成本的技术挑战。此外，晶片材料的线性温度系数相对较低。然而，对电阻增加进行评估以测量加热器温度。因此测量灵敏度低。因此，具有更高电阻系数的材料会是有利的，以便实现更高的测量灵敏度。


技术实现要素：

8.本发明的任务是开发一种制造起来比上述体积加热器更为有利而又不会失去其优点的加热器。
9.本发明利用独立权利要求的特征解决了该任务。根据本发明，电阻加热元件布置在衬底的一侧，由导电率比衬底材料高的材料组成，并且具有与衬底的通道连通的通道开口。根据本发明的蒸发设备的特征在于加热元件和衬底的功能分离。在此，所述衬底具有热
分布体或热分布板的功能。这种功能划分的优势在于，加热元件和衬底的材料和尺寸可以分别特定于对应的功能（电阻加热或热分布）地选择和适配。
10.优选地，所述电阻加热元件布置在所述衬底的出口侧。布置在入口侧也是可能的。在这种情况下，例如可以通过焊接或烧结来电接触所述电阻加热元件。
11.优选地，所述加热元件的温度系数大于所述衬底的温度系数。该优点在用于通过测量加热元件的电阻来确定加热元件的温度的测量电路中特别显著，因为所述测量电路的测量灵敏度显著提高。因此利用所讨论的特征，提高了必要时存在的温度测量电路的测量灵敏度。
12.有利地为加热元件设置具有合适的导电性、合适的温度系数和合适的耐腐蚀性的材料。金、镍和/或铂是特别合适的。
13.所述衬底有利地由硅构成或包含硅，特别是将硅作为主要成分。硅作为衬底材料的优势在于可以使用微系统技术方法对硅进行加工，特别是可以使用成熟的技术将通道引入衬底中，这促进了蒸发设备的大批量制造。
14.优选地，所述衬底的厚度大于所述加热元件的厚度，这有助于总体上降低成本。这是因为通常由比衬底更昂贵的材料构成的加热元件可以具有相对较小的厚度，而不会因此损害加热功能。所述加热元件的厚度有利地小于1μm。所述加热元件的厚度有利地是所述衬底的厚度的至多十分之一。
15.取决于加热元件的导电率和期望的加热电阻，所述加热元件可以例如在一个实施方式中被结构化为曲折形，或者在另一个实施方式中被设计为整面的。此外，也可以通过加热元件的层厚来调整电阻。
16.优选地，芯元件布置在所述衬底的背离所述加热元件的一侧上。这导致特别优选地将功能划分为三部分：蒸发设备的加热（加热元件）-热分布（衬底）-毛细液体输送（芯元件）。芯材料可以有利地由玻璃纤维绒、多孔陶瓷、金属泡沫、开孔材料或其他合适的毛细输送材料组成。
17.优选地，可以在所述衬底的面向所述加热元件的表面上布置电绝缘层，以改善绝缘层特别是与导电衬底的功能分离。所述绝缘层优选由所述衬底的钝化形成，从而可以取消将绝缘层费事地施加到衬底上。
18.优选地，可以在所述加热元件和所述衬底或所述绝缘层之间设置粘合层，特别是金属粘合层，以改善所述加热元件在所述衬底上的粘附。
19.优选地，在所述加热元件的表面上设置例如由氧化硅、碳化硅和/或氮化硅制成的绝缘体，以产生无金属的表面。
20.该任务同样通过用于制造根据本发明的蒸发设备的方法来解决，其中所述加热元件根据本发明通过气相喷镀、溅射或丝网印刷施加到所述衬底上。所述衬底的通道可以有利地借助于成熟的微系统技术，特别是光刻和干法蚀刻来制造。本发明不限于加热元件的无尘室制造。
附图说明
21.下面参照附图基于优选实施方式来解释本发明。在此图1示出了电子吸入器的示意图；
图2示出了根据本发明的蒸发设备的层结构的横截面图；以及图3示出了具有根据本发明的蒸发设备的加热元件的出口侧的俯视图。
具体实施方式
22.吸入器10（这里为电子香烟产品）包括壳体11，在壳体11中在香烟产品10的嘴端部32处的至少一个进气口31和出气口24之间设置有空气通道30。香烟产品10的嘴端部32在此表示消费者为了吸气而抽吸的端部，由此向香烟产品10施加负压并在空气通道30中产生气流34。
23.吸入器10有利地由基部16和消耗单元17组成，消耗单元17包括蒸发设备20和储液器18并且特别是以可更换的药筒的形式构造。通过入口31吸入的空气在空气通道30中被引导至蒸发设备20、穿过蒸发设备20或沿着蒸发设备20引导。蒸发设备20与或可与其中储存至少一种液体50的储液器18连接。蒸发设备20蒸发从储液器18输送给蒸发设备20的液体50并且在出口侧65将蒸发的液体作为气溶胶/蒸汽输送到空气流34中。储液器18的有利体积在0.1ml和5ml之间的范围内，优选地在0.5ml和3ml之间的范围内，更优选地在0.7ml和2ml或1.5ml之间的范围内。
24.电子烟10还包括电储能器14和电子控制设备15。储能器14通常布置在基部16中并且特别可以是电化学一次性电池或可再充电电化学蓄电池，例如锂离子电池。在图1所示的示例中，储能器14布置在吸入器10的背离嘴端部32的部分中。消耗单元17有利地布置在储能器14和嘴端部32之间。电子控制设备15包括在基部16（如图1中所示）和/或在消耗单元17中的至少一个数字数据处理装置，特别是微处理器和/或微控制器。
25.在壳体11中有利地布置传感器，例如压力传感器或压力或流量开关，其中控制设备15可以基于由所述传感器输出的传感器信号确定消费者抽吸香烟产品10的嘴端部32以便吸入。在这种情况下，控制设备15操控蒸发设备20，以将来自储液器18的液体50作为气溶胶/蒸汽输送到气流34中。
26.储存在储液器18中的待计量液体50例如是包括以下组分中的一种或多种的混合物：1,2-丙二醇、甘油、水、至少一种芳香剂（风味剂）、可选的活性物质（例如尼古丁）。
27.蒸发设备20包括至少一个蒸发器60，蒸发器60具有至少一个电阻加热元件21（参见图2）和用于将液体50从储液器18输送给蒸发器60的芯元件12。由于欧姆电阻，电流流过导电的加热元件21以对加热元件21进行加热并因此蒸发与加热元件21接触的液体。通过这种方式产生的蒸汽/气溶胶至出口侧65从蒸发器60逸出并与气流34混合，参见图1。蒸发温度根据待蒸发的液体优选地在100
°
c和450
°
c之间的范围中，更优选地在150
°
c和350
°
c之间的范围中，还更优选地在190
°
c和290
°
c之间的范围中。
28.消耗单元17和/或基部16有利地包括用于存储与消耗单元17有关的信息或参数的非易失性数据存储器35。数据存储器35可以是电子控制设备15的一部分。在所述数据存储器中有利地存储关于存储在储液器18中的液体成分的信息、关于过程曲线（特别是功率控制/温度控制）的信息；用于状态监视或系统检查（例如密封性检查）的数据；与复制防护和防伪有关的数据、用于唯一标识消耗单元17的id、序列号、制造日期和/或有效期和/或抽吸次数（消费者吸入的次数）或使用时间。所述数据存储器有利地与控制设备15电连接或可以电连接。
29.根据本发明的蒸发设备20的优选实施方式在图2和图3中示出。蒸发器60包括导电的、特别是金属的电阻加热元件21和导热衬底25，它们有利地形成层系统。衬底25有利地是块状体并且具有从衬底25的入口侧61连续延伸到衬底25的出口侧64的多个通道26，以实现从入口侧61到出口侧64的液体传输。蒸发器60处于衬底25和加热元件21之间的可选层22、23（这些将在后面解释）适宜地具有对应的通孔。
30.衬底25有利地由高导热率的材料制成。衬底25特别有利地由硅制成，或者硅形成衬底25的主要成分。作为衬底材料的硅具有可以使用微系统技术方法处理以及特别是可以将通道26引入衬底25中的优点。除了单晶硅之外，还可以使用更为有利的多晶硅。可以使用掺杂的、优选轻掺杂的或未掺杂的硅。
31.衬底25优选地基于mems技术制造，特别是由硅制造，因此有利地是微机电系统。衬底25可以有利地由一个晶片的部分块制成。衬底25的厚度以及因此通道26的长度有利地对应于常规晶片的厚度并且优选地为至多1000μm，更优选地至多750μm，甚至更优选地至多500μm。衬底25的厚度以及因此通道26的长度优选为至少100μm，更优选至少200μm，甚至更优选至少300μm。
32.电阻加热元件21有利地以加热层的形式布置在衬底25的出口侧64处并且在出口侧64处完全或至少在通道26的出口的区域中覆盖衬底25。电阻加热元件21是金属的并且有利地由高导电性、高温度系数和/或高耐腐蚀性的材料制成。该材料优选地包括金、镍和/或铂，包括它们的合金。金、镍或铂有利地是电阻加热元件21的材料的主要成分。在一个特别有利的实施方式中，电阻加热元件21由金制成。电阻加热元件21具有与衬底25的通道26连通（即以导液方式连接）的通道开口27，使得液体可以从蒸发器60的入口侧61流向出口侧65。
33.电阻加热元件21具有在50nm和500nm之间的范围内的典型厚度并且有利地通过气相喷镀、溅射或金属丝网印刷施加到衬底25上。具有约300nm铂的衬底25的涂层形式的加热元件21将会例如适用于在3mm
×
2mm的加热器面积的情况下实现约1
ω
的电阻。电阻加热元件21的厚度有利地至多是衬底25的厚度的十分之一，更有利地是至多一百分之一。
34.取决于加热元件21的导电率和期望的加热电阻，有利的可能是将加热元件21构造成曲折形状，如图2和图3中所示。在另一个实施方式中，加热元件21可以设计成整面的（除了通道开口27之外）。
35.电阻加热元件21的电导率比衬底25的电导率高，有利地是至少10倍，更有利地是至少100倍，甚至更有利地是至少1000倍。例如，金（加热器21）的比电导率（在0
°
c时）为48.8ms/m，而硅（衬底25）的比电导率（在0
°
c时）小于0.01ms/m。因此，衬底25的电阻是电阻加热元件21的电阻的至少10（或100或1000）倍。
36.为了实现电阻加热元件21的无金属表面，例如可以用二氧化硅层对电阻加热元件21进行钝化。
37.在衬底25的入口侧61处，有利地布置了芯元件12，芯元件12可以借助于毛细力将液体从储液器18输送到蒸发器60，并且在蒸发的情况下可以跟踪该液体。芯元件12有利地以接触方式连接到蒸发器60或衬底25的入口侧61并且有利地完全或至少在通道26的入口开口区域中覆盖蒸发器60或衬底25的入口侧61。作为芯材料特别有利地使用玻璃纤维绒，但是多孔陶瓷、金属泡沫等也可以用作芯元件25的材料。
38.为了蒸发蒸发器60中的液体，将加热电压uh施加到电阻加热元件21。为此，在加热元件21处设置电接触部28，所述电接触部经由电线路29与加热电压源uh连接，参见图3。由于电阻加热元件21的高电导率，加热电压uh导致电阻加热元件21的快速和有效的加热，其中为此所需的电加热能量来自储能器14。由于加热元件21与衬底25之间的平坦接触而产生的加热热量快速传递到衬底25中。由于衬底25良好的导热性，加热热量可以在衬底中快速分布。结果，包括衬底25在内的整个蒸发器60可以蒸发液体，从而蒸发器60具有优异的、可再现的效率和非常高的蒸发率。
39.根据以上所述，蒸发设备20的特征在于与加热元件21、衬底25以及有利地芯元件12的功能分离（这里分为三部分）。衬底25在此具有热分布体或热分布板的功能。这种功能划分的优点是组件21、25的材料和尺寸可以分别特定于对应的功能（电阻加热或热分布）加以选择和适配。
40.蒸发设备20可以有利地具有测量电路19，用于通过测量加热元件21的电阻来确定加热元件21的温度。加热元件21的温度系数有利地比衬底25的温度系数大，特别是衬底25的温度系数的至少两倍，更有利地是至少三倍。这导致测量电路19的测量灵敏度显著增加。例如，金（加热元件21）的温度系数（在0
°
c时）为0.0037/k，硅的温度系数可依据温度范围和掺杂而具有非常不同的因数，并且在一些实施方式中大约为0.001/k。
41.加热元件21可以经由例如由ti或ti合金制成的金属粘合层22连接到衬底。如果可以在没有粘合层22的情况下实现加热元件21的充分粘合，则可以取消粘合层22。
42.如果衬底25是导电的，则可以在衬底25和加热元件21（必要时是粘合层22）之间设置电绝缘层23。绝缘层23可以有利地是衬底25上的钝化层。例如在硅衬底25更高掺杂的情况下，由氧化硅和/或氮化硅制成的钝化层23将会是有利的，优选地具有在50nm和500nm之间的范围内的厚度。
43.如果衬底25不导电或仅具有非常低的导电率，则可以取消电绝缘层23。例如在硅衬底25低掺杂或未掺杂的情况下，硅的电导率与加热元件21的电导率相比可以忽略不计，从而不需要电绝缘层23。
44.衬底25的通道26的平均直径优选地在5μm和200μm之间的范围内，更优选地在30μm和150μm之间的范围内，甚至更优选地在50μm和100μm之间的范围内。由于这些尺寸，有利地产生了毛细效应，使得在入口侧61处渗入通道26中的液体通过通道26上升，直到通道26用液体填充为止。通道26的数量优选地在4和1000之间的范围内。通道26有利地以阵列的形式布置。该阵列可以构造为具有s列和z行的矩阵的形式，其中s有利地在2和50之间的范围内并且更有利地在3和30之间的范围内，和/或z有利地在2和50之间的范围内并且更有利地在3和30之间的范围内。