电子雾化装置及其雾化器和雾化芯

技术领域

本发明涉及雾化领域，尤其涉及一种电子雾化装置及其雾化器和雾化芯。

背景技术

目前电子雾化装置技术领域中的主流雾化技术一种是采用电加热式，其采用多孔陶瓷或者多孔棉等多孔介质结合电阻丝/膜等发热部件进行加热雾化。

电加热式雾化技术由于加热温度较高，一方面雾化液在电阻丝/膜等发热部件表面易裂解、变性或干烧积碳，一方面会破坏不同雾化液所特有的香精香料体系甚至产生焦味，从而影响口感；另一方面易产生醛、酮、一氧化碳等有害物质，存在安全隐患。电加热式雾化技术的高温还可能使多孔陶瓷或者多孔棉等多孔介质材料中毒性较大的重金属/致癌物挥发出来，并且雾化液与电阻丝/膜等发热部件的直接接触可能溶出重金属，这些物质的剂量虽然很少，但是对人体健康具有很大的威胁。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的至少一个缺陷，提供一种口感还原度高，所需功率更低，电能利用率高的电子雾化装置及其雾化器和雾化芯。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种雾化芯，所述雾化芯包括压电基底、设置在所述压电基底表面的叉指换能器以及在所述叉指换能器间形成的雾化区域。

优选地，所述叉指换能器包括导电层，所述导电层包括汇流电极和叉指电极；

所述汇流电极包括第一汇流电极和第二汇流电极，所述第一汇流电极和所述第二汇流电极对称设置在所述压电基底的同一表面上；

所述叉指电极包括第一叉指电极和第二叉指电极；所述第一汇流电极上设有多个所述第一叉指电极，所述第一叉指电极自所述第一汇流电极向所述第二汇流电极延伸；所述第二汇流电极上设有多个所述第二叉指电极，所述第二叉指电极自所述第二汇流电极向所述第一汇流电极延伸；所述第一叉指电极和所述第二叉指电极交替间隔设置。

优选地，所述导电层包括导电材料，所述导电材料包括金、银、铝、铬、钛、不锈钢和石墨中的任意一种。

优选地，所述导电层的厚度范围为10nm至3000nm。

优选地，所述叉指换能器的叉指宽度a＝v

优选地，所述叉指换能器的叉指电极的对数N取值范围为10对至60对。

优选地，所述叉指换能器的声孔径W取值范围为0.1mm至40mm。

优选地，所述雾化芯表面设有用于防止叉指换能器在雾化过程中脱落的保护层。

优选地，所述保护层的材料包括二氧化硅。

优选地，所述保护层的厚度范围为20nm至2μm。

优选地，所述叉指换能器设置数量为一个，以产生行波声表面波。

优选地，所述叉指换能器设置数量为两个，两个所述叉指换能器对称分布于所述压电基底同一表面的两侧，以产生驻波声表面波。

优选地，所述压电基底的厚度h与声波波长λ的比值范围为0.5≤h/λ≤2。

优选地，所述压电基底的厚度范围为0.1mm至2mm。

优选地，所述压电基底的表面积范围为1mm

优选地，所述压电基底的材料包括压电单晶材料、压电多晶材料、压电聚合物及压电薄膜中的任意一种。

优选地，所述压电单晶材料包括铌酸锂、钽酸锂及石英中的任意一种。

优选地，所述压电基底的形状为圆形、多边形或除所述圆形及所述多边形外的不规则形状。

优选地，所述多边形具体为三角形、长方形、正方形、菱形、梯形、十字形、缺角矩形及八边形中的任意一种。

优选地，所述不规则形状具体为泪滴形、弦形、新月形、爆炸形、八角形、云形、闪电形及心形中的任意一种。

本发明还构造了一种雾化器，包括雾化壳体、雾化座以及上述的雾化芯；所述雾化壳体设置在所述雾化座上，所述雾化壳体内设有用于存储雾化液的储液腔以及与外界连通的气流通道，所述储液腔连通有供液通道；所述雾化芯设置在所述雾化壳体内，且与所述供液通道相连通。

优选地，所述储液腔内的雾化液通过滴液方式向所述雾化芯供液。

优选地，所述储液腔内的雾化液通过引流方式向所述雾化芯供液。

本发明还构造了一种电子雾化装置，包括电源组件及上述的雾化器，所述电源组件与所述雾化器连接并给所述雾化器供电。

实施本发明具有以下有益效果：本发明通过低温雾化液体，口感还原度高，安全性高，电能利用率高；相比于现有的声表面波雾化器，同雾化量下所需功率更低；气溶胶粒径小且均匀。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的雾化芯的结构示意图；

图2是本发明的叉指换能器的结构示意图；

图3是本发明的混合声波产生原理图；

图4是本发明的混合声波雾化液体原理图；

图5是本发明一个实施例的雾化器的剖视图；

图6是本发明另一个实施例的雾化器的剖视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1所示，为本发明的一个实施例中的雾化芯，该雾化芯2包括压电基底21、设置在压电基底21表面的叉指换能器22以及在叉指换能器22间形成的雾化区域23，其中，雾化区域23指叉指重叠的区域。

进一步地，再如图2所示，叉指换能器22包括导电层，导电层包括汇流电极221和叉指电极222；汇流电极221包括第一汇流电极2211和第二汇流电极2212，第一汇流电极2211和第二汇流电极2212对称设置在压电基底21的同一表面上；叉指电极222包括第一叉指电极2221和第二叉指电极2222；第一汇流电极2211上设有多个第一叉指电极2221，第一叉指电极2221自第一汇流电极2211向第二汇流电极2212延伸；第二汇流电极2212上设有多个第二叉指电极2222，第二叉指电极2222自第二汇流电极2212向第一汇流电极2211延伸；第一叉指电极2221和第二叉指电极2222交替间隔设置。

叉指换能器22的主要作用是激励混合声波，实现电信号和机械振动之间的相互转换，其结构参数会直接影响混合声波器件的性能。叉指换能器22可采用微纳制造技术通过匀胶、光刻、显影、镀膜、剥离等加工工艺，在压电材料基底表面制作出两组相互交错、周期分布的金属齿条(叉指电极)，状如相互交叉手指的一系列金属电极，每根指条与相对应的汇流条总线相连。叉指换能器22的设计参数主要包含：导电电极层材料、叉指宽度a和叉指间距b、叉指对数N、孔径W等。

进一步地，叉指换能器22的导电层可包括任何合适的导电材料，合适导电材料包含但不限于金、银、铝、铬、钛、不锈钢和石墨等。

进一步地，导电层的厚度包含但不限于10nm～3000nm。优选的是20nm/80nm厚的铬/金电极或300nm厚的铝电极。

进一步地，叉指宽度a和叉指间距b是重要的器件设计参数，决定了所激发混合声波的频率。具体的，叉指换能器22的叉指宽度可以为a＝v

声波是由叉指换能器22中每一对叉指电极受电信号激励产生的声波叠加产生的，每一对叉指电极可看作独立的波源，所以叉指换能器22激发声波的振幅与叉指电极的对数N成正比，N越大声波振幅越大。并且叉指对数N越大，叉指换能器22频率响应的第一对零值点之间的间隔越小，即频率响应带宽越窄。然而在实际实验中，叉指换能器22的频率响应带宽太窄，不利于声波的激发。此外，叉指电极对数过多会使声波器件的尺寸过大，增大了器件的制作难度与成本。因此，要在声波强度、频率响应带宽和器件尺寸中取一个平衡点。经综合考虑，进一步地，叉指换能器22中叉指电极对数N取10～60对，如图2所示，一个第一叉指电极2221和一个第二叉指电极2222算记为一对叉指电极。

叉指换能器22的声孔径对声波的衍射有一定影响，用无量纲的量X用来表示声孔径W对声波的影响：X＝4λx/W

进一步地，为了防止叉指换能器22在雾化过程中脱落，在压电基底21表面加工叉指换能器22后，再混合声波雾化芯2片上镀一层保护层。雾化芯2表面设有用于防止叉指换能器22在雾化过程中脱落的保护层，保护层的材料包括二氧化硅，保护层的厚度包含但不限于20nm～2μm。

进一步地，叉指换能器22设置数量为一个，以产生行波声表面波。或者，叉指换能器22设置数量为两个，两个叉指换能器22对称分布于压电基底21同一表面的两侧，以产生驻波声表面波。

叉指换能器22上施加的交流电信号是随时间变化，电流方向发生变化的信号，包含但不限于正弦波、方波、锯齿波以及它们的射频信号。

在叉指换能器22的汇流条上施加交流电信号时，叉指电极之间的压电材料会在逆压电效应的作用下，即将交变电信号转化为机械振动的过程，将电信号转换为交替伸缩的机械振动，这种机械振动会在指条长度(即声孔径)范围内沿着压电基底21的表面传播，形成声表面波101。

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)是指一种由压电材料基底表面的叉指换能器(Interdigital Transducer，IDT)激励产生的，并沿着特定方向传播的机械波。SAW的穿透深度为λ

当压电基底21厚度h与声波波长λ的比值大于1时，即h/λ＞1，产生声表面波101，只在有叉指换能器22的基底表面传播；

当h/λ＜1时，产生兰姆波102，是体波的一种，会在整个基底厚度中传播；

当h/λ≈1时，产生混合声波，其特点是不仅包含在基底表面传播的声表面波101，还包含在整个基底厚度中传播的兰姆波102，形成混合声波。

混合声波产生原理如图3所示，在该实施例中，压电基底材料可为铌酸锂，且h≈λ。相比于纯声表面波101，混合声波在驱动微流体时可达到更大的效率增益。由于压电基底厚度h约等于声波波长λ，在压电基底上表面传播的声表面波101透过压电基底形成漏波，在下表面传播并反射，与上表面的声表面波101重组，然后再经过泄漏、反射、重组，多次叠加形成与纯声表面波101、纯兰姆波102相比能量增强的混合声波。

进一步地，压电基底21的厚度h与声波波长λ的比值范围为0.5≤h/λ≤2。

进一步地，压电基底21包括受到压力作用时会在两端面间出现电压的压电晶体材料。压电基底21的材料包括压电单晶材料、压电多晶材料、压电聚合物及压电薄膜等，压电基底21可由上述其中一种压电材料制成；其中压电单晶材料包括铌酸锂、钽酸锂、石英等；多晶压电材料包括压电陶瓷(PZT)、铌酸钠钾等，压电聚合物包括聚偏氟乙烯(PVDF)等；压电薄膜包括氧化锌薄膜(ZnO)、氮化铝薄膜(AlN)等；以上压电材料均可用于制作压电基底21。

当压电基底21厚度h与声波波长λ的比值约为1时，基底中才会产生由声表面波101和体波组成的混合声波。由h≈λ＝c/f可知，混合声波芯片基底厚度与频率成反比。其中c为压电基底21中声波传播速度，单位为m/s；h为压电基底21的厚度，单位为mm。进一步地，压电基底21的厚度h包含但不限于0.1mm～2mm。

进一步地，压电基底21的形状包含但不限于长方形、正方形、圆形、三角形、多边形以及其它不规则形状。优选面积包含但不限于1～500mm

可理解地，雾化芯2上的液体雾化区域23需处于声孔径范围之内，可以在叉指换能器22上，也可以在裸露的压电基底21上。

混合声波雾化原理如图4所示，压电基底21表面传播的混合设备在其传播路径上遇到液体时，由于声波在基底和液滴中的传播速度不同，导致其中一部分声波沿着基底-液体界面继续传播，而另一部分声表面波101以瑞利角θ

图5及图6是本发明的一个实施例中的雾化器，该雾化器包括雾化壳体1、雾化座3以及上述雾化芯2；雾化壳体1设置在雾化座3上，雾化壳体1内设有用于存储雾化液的储液腔11以及与外界连通的气流通道16，储液腔11连通有供液通道13；雾化芯2设置在雾化壳体1内，且与供液通道13相连通。具体的，雾化液可以为烟油、美容液、药液等。

如图5所示，在本实施例中，雾化芯2上的雾化液的供液方式为滴液式，沿出液孔12竖直向下延伸设置有导流板，以形成供液通道13，雾化液经供液通道13进入到雾化芯上进行雾化。

芯片支架14水平设置在储液腔11下方，可将雾化芯2放置在芯片支架14上，用于对雾化芯2起支撑作用，故雾化芯2水平设置在储液腔11下方，芯片支架14安装在雾化壳体1的底壁内侧，其一端固定在雾化壳体1左右其中一侧内壁面上，另一端与相对一侧的内壁面留有间隙，以便设置进气通道15。该雾化器还包括雾化座3和吸嘴4，雾化座3用于承载雾化组件2，雾化座3与雾化壳体1底部相连，雾化壳体1底部开设有开口，雾化座3侧壁上开设有进气孔31，以让外界空气进入。该开口与进气孔31之间连通，形成进气通道15。吸嘴4设置在雾化壳体1顶端，且穿出于雾化壳体1顶壁，用于输出气溶胶以供用户吸食；进气孔31连通至雾化壳体1内的进气通道15，进气通道15连通气流通道16至雾化壳体1顶端的吸嘴4。储液腔11位于雾化壳体1内，储液腔11与雾化壳体1壁面之间留有导通的气流通道16，该气流通道16与进气通道15相连通，经雾化芯2雾化后得到的气溶胶，气流通道16连通至设置在雾化壳体1顶端的吸嘴4，当使用者吸食时，气溶胶在压差的作用下在气流通道16中流通至吸嘴4进入使用者口中。雾化壳体1底壁连接有可导电的弹簧垫片32，用于实现雾化器与电源组件之间电连接；具体的，弹簧垫片32设置在雾化座3内，弹簧垫片32第一端与雾化壳体1底壁连接，弹簧垫片32第二端与电源组件连接，以实现电源组件对雾化器进行供电。

进一步地，如图6所示，在另一些实施例中，雾化芯2上的雾化液的供液方式可以为引流式。

芯片支架14竖直设置在雾化壳体1内，且与雾化壳体1侧壁相平行，固定在与储液腔11位置相对一侧内壁面上，芯片支架14固定在该内壁面上，用于相对限制雾化芯2的位置，雾化芯2可安装在芯片支架14上，由于受该实施例中的雾化芯2安装限制，需要设置导油件将储液腔11内的雾化液引流至雾化芯2内进行雾化，因此，雾化组件2还包括多孔导油块17，储液腔11下方设有隔板，隔板延伸设置至多孔导油块17处，以形成供液通道13，多孔导油块17设置在供液通道13与雾化芯2之间，具体的，该多孔导油块17设置在供液通道13与雾化芯2之间，通过毛细力作用将供液通道13内的雾化液导向至雾化芯2中，以实现精准供液。具体的，该多孔导油块17可以为棉芯、纤维、纸条、陶瓷、多孔玻璃等导油材质中的任意一种。

雾化壳体1底部可与雾化座3连接，雾化壳体1底部开设有开口，雾化座3上开设有进气孔31，以让外界空气进入；该开口与进气孔31之间连通，形成进气通道15。储液腔11位于雾化壳体1内，储液腔11与雾化壳体1壁面之间留有导通的气流通道16，该气流通道16与进气通道15相连通，经雾化芯2雾化后得到的气溶胶，气流通道16连通至设置在雾化器顶端的吸嘴4，吸嘴4穿出于雾化壳体1，用于输出气溶胶以供用户吸食，当用户吸食时，气溶胶在压差的作用下在气流通道16中流通至吸嘴4进入用户口中。雾化器连接有可导电的弹簧垫片32，用于实现雾化器与电源组件之间电连接；具体的，弹簧垫片32设置在雾化座3下方，弹簧垫片32第一端与雾化座3连接，弹簧垫片32第二端与电源组件连接，以实现电源组件对雾化器进行供电。

可理解地，雾化芯2上的雾化液的供液方式不仅限于上述的滴液式和引流式，还可以采用其它可实现的供液方式。

本发明还提供一种电子雾化装置，包括电源组件及上述雾化器，电源组件与雾化器连接并给雾化器供电。

进一步地，雾化座3上设有可导电的弹簧垫片32，雾化器的雾化组件2通过弹簧垫片32与电源组件电连接。具体的，弹簧垫片32设置在雾化座3下方，弹簧垫片32第一端与雾化座3连接，弹簧垫片32第二端与电源组件连接，以实现电源组件对雾化器进行供电。

雾化液在混合声波即机械振动作用下雾化，完成了从大体积液体变成小液滴的物理变化过程，并且液体与金属电极层没有直接接触，这些克服了多孔陶瓷或者多孔棉条件下因必须采用高温方式雾化而导致的烟油热裂解变质的弊端，更不会发生烧焦、积碳和重金属挥发等现象，本发明能够保持不同雾化液所特有的香精香料体系，最终使吸入者感受到与原始液体相对应的特有的口感，口感还原度更高。此外，在相同的雾化量要求下，混合声波所需功率更低，克服了现有电热式和SAW雾化技术电能利用率低的问题。本发明通过低温雾化液体，口感还原度高，安全性高，电能利用率高；相比于现有的声表面波雾化器，同雾化量下该混合声波雾化器所需功率更低；气溶胶粒径小且均匀。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。