传感装置与电子烟的制作方法

2021-01-07 14:01:18|

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本申请涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及传感装置与电子烟。

背景技术：

电子烟是一种模仿卷烟的电子产品，有着与卷烟一样的外观、烟雾、味道和感觉。它是通过雾化等手段，将尼古丁等变成蒸汽后，让用户吸食的一种产品。其中，电子烟传感器作为电子烟关键零部件，其作用在于检测用户吸烟动作。

目前，市场上比较流行的电子烟传感器的感测方式有两种：电容式咪头感测和双压力传感器感测。电容式咪头是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，通常采用驻极体麦克风来实现声电转换。用户吸烟时，驻极体麦克风的膜片和金属背板间的电容发生变化，从而来响应人的吸气动作。但是，驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十皮法。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接使用，所以在咪头内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。传统的驻极体咪头只能实现开关作用，且对温度和机械振动敏感、抗干扰能力弱、使用寿命短。

另一种双压力传感器电子烟，是采用两颗绝压压力芯片，一颗用来检测大气压力，一颗用来检测吸气通道气压。结合参考大气压，进而判断吸气通道内的压力变换量，由此触发响应的动作。采用两个气压传感器会导致电子设备的成本提高；且两个气压传感器占用了较大影响产品的小型化设计；再者两个气压传感器相互依赖性强，损坏其中任意一颗都会导致整个产品失效，使得电子设备的失效风险较大。

因此，希望提出一种结构简单、可靠性高、使用寿命长的传感装置以提高产品的性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种改进的传感装置与电子烟，通过振动膜与背板形成可变电容，并通过电容值的变化获得气流通道内的气体流速，从而简化了传感装置的结构，并提高了可靠性。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种传感装置，包括：用于检测气流通道的内部气流，所述传感装置包括微机电结构，所述微机电结构包括：振动膜；以及背板，与所述振动膜相对设置以形成电容，所述背板具有至少一个通孔，所述背板与所述振动膜之间具有间隙，其中，所述振动膜的第一表面与所述气流通道的内部连通，所述振动膜的第二表面经由所述间隙与外部大气连通，所述振动膜阻隔所述气流通道的内部与所述间隙连通，所述振动膜在所述第一表面与所述第二表面的气压差的作用下发生形变，所述电容的容值变化至少表征所述气流通道内的气体流速。

可选地，还包括：芯片结构，与所述微机电结构电连接；以及封装结构，包括封装外壳与基板，用于形成第一容置腔，所述微机电结构与所述芯片结构位于所述第一容置腔内，并固定在所述基板上，其中，所述封装结构具有第一气孔与第二气孔，所述第一气孔分别与所述振动膜的第一表面和所述气流通道内部连通，所述第二气孔分别与所述间隙和所述外部大气连通。

可选地，还包括指示灯，固定在所述基板上并与所述基板电连接，其中，所述指示灯在所述电容的容值达到预设值的情况下提供指示光。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电子烟，包括传感装置和烟杆，所述传感装置用于检测气流通道的内部气流，所述传感装置包括微机电结构，所述烟杆具有所述气流通道，所述微机电结构包括：振动膜；以及背板，与所述振动膜相对设置以形成电容，所述背板具有至少一个通孔，所述背板与所述振动膜之间具有间隙，其中，所述振动膜的第一表面与所述气流通道的内部连通，所述振动膜的第二表面经由所述间隙与外部大气连通，所述振动膜阻隔所述气流通道的内部与所述间隙连通，所述振动膜在所述第一表面与所述第二表面的气压差的作用下发生形变，所述电容的容值变化至少表征所述气流通道内的气体流速。

可选地，所述传感装置还包括：芯片结构，与所述微机电结构电连接；以及封装结构，包括封装外壳与基板，用于形成第一容置腔，所述微机电结构与所述芯片结构位于所述第一容置腔内，并固定在所述基板上，其中，所述封装结构具有第一气孔与第二气孔，所述第一气孔分别与所述振动膜的第一表面和所述气流通道内部连通，所述第二气孔分别与所述间隙和所述外部大气连通。

可选地，所述烟杆还具有第二容置腔，所述传感装置位于所述第二容置腔中。

可选地，所述烟杆包括：吸气管，所述吸气管的内部作为所述气流通道；以及隔离件，位于所述吸气管外，与所述吸气管的管壁合围构成所述第二容置腔。

可选地，所述吸气管的管壁具有第一开口，所述隔离件具有第二开口，所述第一开口连通所述吸气管的内部与所述振动膜的第一表面，所述第二开口连通所述外部大气与所述间隙。

可选地，所述基板位于所述隔离件上，所述封装外壳扣接在所述基板上，所述振动膜相对于所述背板更远离所述基板，所述第一气孔贯穿所述封装外壳并连通所述第一开口，所述第二气孔贯穿所述基板并连通所述第二开口。

可选地，所述传感装置还包括指示灯，与所述基板电连接，所述指示灯与所述微机电结构位于所述基板的不同侧，其中，所述指示灯在所述电容的容值达到预设值的情况下经由所述隔离件上的透光区提供相应的指示光。

可选地，所述基板位于所述吸气管的管壁上，所述封装外壳扣接在所述基板上，所述振动膜相对于所述背板更靠近所述基板，所述第一气孔贯穿所述基板并连通所述第一开口，所述第二气孔贯穿所述封装外壳并连通所述第二开口。

可选地，所述吸气管的管壁还具有第三开口，所述第三开口连通所述吸气管的内部与所述第二容置腔。

可选地，所述传感装置还包括指示灯，与所述基板电连接，所述指示灯与所述微机电结构位于所述基板的相同侧，其中，所述指示灯在所述电容的容值达到预设值的情况下经由所述隔离件上的透光区提供相应的指示光。

可选地，所述指示灯位于所述第一容置腔内，所述封装外壳为透明封装外壳。

可选地，其中，所述封装外壳的材料包括金属，所述芯片结构与所述封装外壳通过所述基板电连接。

可选地，还包括控制模块与雾化器，所述控制模块分别与所述传感装置和所述雾化器电连接，用于根据所述电容的容值变化控制所述雾化器的功率。

本发明实施例提供的传感装置包括微机电结构，其背板和振动膜相对设置以形成电容，气流通道内的气压作用于振动膜的一侧，外部大气的气压经过背板的气孔与间隙作用于振动膜的另一侧，在振动膜两侧存在气压差的情况下，振动膜发生形变，电容的容值变化至少表征气流通道内的气体流速。

本发明实施例仅仅需要通过可变电容的容值变化就可以表征气流通道内的气体流速，该可变电容是由一个结构简单的微机电结构实现的，相比于现有技术中的两个压力传感器，不仅降低了成本，有利于产品的小型化，而且不会存在因为两个气压传感器相互依赖性强导致的产品失效问题。

在本发明实施例中，利用振动膜阻隔气流通道的内部与间隙之间的连通，意味着连通气流通道的振动膜上没有通孔等结构，进而防止了因气流通道内的污染物进入到间隙中造成背板与振动膜粘黏、短路的问题。

在本发明实施例中，指示灯的开启与关闭可以让用户知道可变电容的容值是否已经达到预设值。

在本发明实施例中，利用吸气管的内部作为气流通道，并通过隔离件与吸气管的管壁合围构成用于放置传感装置的第二容置腔，不仅利用了吸气管的管壁节省了隔离件的材料，而且将气流通道与第二容置腔相邻设置，减少了气流通道与振动膜第一表面之间的气流路径。

在本发明实施例中，通过将封装外壳的材料设置为金属，并将封装外壳与基板电连接，增加了芯片结构的散热效率，从而提升传感装置应用于电子烟时的性能。

因此，本发明提供的传感装置与电子烟可以大大提高产品的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

图1示出了本发明第一实施例的电子烟的结构示意图。

图2a至图2c示出了图1中传感装置的结构示意图。

图3示出了图2a至图2c中微机电结构的示意图。

图4示出了图1中烟杆的结构示意图。

图5示出了本发明第二实施例的电子烟的结构示意图。

图6a与图6b示出了图5中传感装置的结构示意图。

图7示出了图6a与图6b中微机电结构的示意图。

图8示出了图5中烟杆的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”等表述方式。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出了本发明第一实施例的电子烟的结构示意图，图2a至图2c示出了图1中传感装置的结构示意图，图3示出了图2a至图2c中微机电结构的示意图，图4示出了图1中烟杆的结构示意图。

如图1所示，本发明第一实施例的电子烟包括：传感装置100、烟杆200、雾化器(未示出)以及控制装置(未示出)。其中，传感装置100用于检测电子烟的气流通道的内部气流，控制装置分别与雾化器和传感装置100电连接，用于根据传感装置100的检测结果控制所述雾化器的功率。

如图2a所示，在一些具体的实施例中，传感装置100包括：微机电结构110、芯片结构120以及封装结构130。微机电结构110通过绑定线与芯片结构120电连接，芯片结构120可以对来自微机电结构110上的电信号进行滤波、放大等处理。封装结构130包括基板131与封装外壳132，基板131与封装外壳132固定连接以形成第一容置腔1303，微机电结构110与芯片结构120位于第一容置腔1303内，并固定在基板上131上。

在本实施例中，封装结构130具有第一气孔1301和第二气孔1302，第一气孔1301穿过封装外壳132，第二气孔1302穿过基板131，并与微机电结构110的位置对应。基板131包括第一基板131a与第二基板131b，封装外壳132扣接在第一基板131a上形成第一容置腔1303，第一基板131a焊接在第二基板131b上。微机电结构100与芯片结构200通过固晶胶水固定在第一基板131a上。在一些优选的实施例中，第一基板131a具有rcl电路，可以对芯片结构200的输入和/或输出信号进行滤波，从而提升传感器的灵敏度。

传感装置100还包括位于第二基板131b上的输入端子151、输出端子152以及接地端子153，其中，输入端子151、输出端子152以及接地端子153均为一次性焊线，可焊接至控制模块的电路中。传感装置100还包括指示灯140，与传感装置100位于基板130的不同侧，固定在第二基板131b上并与第二基板131b电连接。

如图2b所示，在另一些具体的实施例中，封装外壳132为金属外壳，第一基板131a表面具有覆铜区域160，封装外壳132和芯片结构200通过银浆或锡膏粘接至覆铜区域160，使得芯片结构200的衬底与金属外壳电连接，从而可以增加芯片结构200的散热效率，从而提升传感装置100应用于电子烟时的性能。

如图2c所示，在另一些具体的实施例中，芯片结构120是封装体，既已经完成封装步骤的芯片，例如采用flip-chip封装。芯片结构120通过焊接凸块121(solderbump)与第一基板131a电连接。封装体的芯片结构120耐受功率大，且尺寸小，从而增加了传感装置性能，并减小了整体尺寸。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对芯片结构120的封装形式进行其他设置，例如采用smt表面贴装封装，双列直插封装等等。

如图3所示，微机电结构110包括振动膜111与背板112，振动膜111与背板112相对设置以形成电容。其中，背板112具有至少一个通孔103，背板112与振动膜111之间具有间隙104。振动膜111具有相对的第一表面10和第二表面20。在本实施例中，振动膜111上没有任何通孔结构。

微机电结构110还包括衬底101与支撑结构105。衬底101具有腔体102，背板112位于衬底101上，腔体102与间隙104经通孔103连通。支撑结构105位于振动膜111与背板112之间。在传感装置100中，衬底101围绕基板131上的第二气孔1302，腔体102与第二气孔1302连通。

如图4所示，烟杆200具有气流通道210与第二容置腔220。在一些具体的实施例中，烟杆200包括吸气管21与隔离件22，吸气管21的内部作为气流通道210，隔离件22位于吸气管21外，与吸气管21的管壁合围构成第二容置腔220，例如将图2a至图2c所示的任一传感装置100置于第二容置腔220中，并将基板130固定在隔离件21上。吸气管21的管壁具有第一开口201，隔离件22具有第二开口202，第一开口201与第一气孔1301的位置对应，振动膜111的第一表面经第一气孔1301和第一开口201与气流通道的内部连通。第二开口202与第二气孔1302的位置对应，振动膜111的第二表面经由间隙104、通孔103、腔体102、第二气孔1302以及第二开口202与外部大气连通，由于振动膜111无任何通孔结构，阻隔了气流通道210的内部与间隙104连通。吸气管21的管壁还具有第三开口203、隔离件22还具有第四开口204以及第五开口205，吸气管的进气口211与出气口212通过气流通道210连通，第三开口203连通气流通道210内部与第二容置腔220内部，第四开口204作为透光区与指示灯140的位置对应，以将指示灯140暴露在烟杆外部，指示灯140在可变电容的容值达到预设值的情况下经由隔离件22上的透光区提供相应的指示光。第五开口205与输入端子151、输出端子152以及接地端子153的位置对应，以将输入端子151、输出端子152以及接地端子153暴露在烟杆外部。

如图1至图4所示，在使用者进行吸烟动作的情况下，指示灯140打开，气流通道210内部有气体流过，其中，图1中的箭头方向表示气体的流向。振动膜111在第一表面11与第二表面12的气压差的作用下发生形变，使得振动膜111与背板112之间的距离d变大，导致振动膜111与背板112构成的电容变小。在预定范围内，气流通道210内的气体流速越快，振动膜111与背板112之间的距离d越大，控制模块可以根据电容的容值变化控制雾化器的功率。

图5示出了本发明第二实施例的电子烟的结构示意图，图6a与图6b示出了图5中传感装置的结构示意图，图7示出了图6a与图6b中微机电结构的示意图，图8示出了图5中烟杆的结构示意图。

如图5所示，本发明第一实施例的电子烟包括：传感装置300、烟杆400、雾化器(未示出)以及控制装置(未示出)。其中，传感装置300用于检测电子烟的气流通道的内部气流，控制装置分别与雾化器和传感装置300电连接，用于根据传感装置300的检测结果控制所述雾化器的功率。

如图6a所示，在一些具体的实施例中，传感装置300包括：微机电结构310、芯片结构320以及封装结构330。微机电结构300通过绑定线与芯片结构320电连接，芯片结构320可以对来自微机电结构310上的电信号进行滤波、放大等处理。封装结构330包括基板331与封装外壳332，基板331与封装外壳332固定连接以形成第一容置腔3303，微机电结构310与芯片结构320位于第一容置腔3303内，并固定在基板上331上。

在本实施例中，封装结构330具有第一气孔3301和第二气孔3302，第一气孔3301穿过基板331，并与微机电结构310的位置对应，第二气孔3302穿过封装外壳332。基板331包括第一基板331a与第二基板331b，封装外壳332扣接在第一基板331a上形成第一容置腔3303，第一基板331a焊接在第二基板331b上。微机电结构300与芯片结构400通过固晶胶水固定在第一基板331a上，在一些其他实施例中，还可以采用如图2b与图2c的方式对芯片结构400和封装外壳332进行固定。在一些优选的实施例中，第一基板331a具有rcl电路，可以对芯片结构400的输入和/或输出信号进行滤波，从而提升传感器的灵敏度。

传感装置300还包括位于第二基板331b上的输入端子351、输出端子352以及接地端子354，其中，输入端子351、输出端子352以及接地端子354均为一次性焊线，可焊接至控制模块的电路中。传感装置300还包括指示灯340，与传感装置300共同位于基板330的一侧，固定在第二基板331b上并与第二基板331b电连接，其中，指示灯340位于第一容置腔3303的外侧。

如图6b所示，在另一些具体的实施例中，封装外壳332采用透明材料制成，例如为塑料。指示灯340位于第一容置腔3303的内部。

如图7所示，微机电结构310包括振动膜311与背板312，振动膜311与背板312相对设置以形成电容。其中，背板312具有至少一个通孔303，背板312与振动膜311之间具有间隙304。振动膜311具有相对的第一表面31和第二表面32。在本实施例中，振动膜311上没有任何通孔结构。

微机电结构310还包括衬底301与支撑结构305。衬底301具有腔体302，振动膜311位于衬底301上被衬底301支撑固定，腔体302与间隙304被振动膜311隔开。支撑结构305位于振动膜311与背板312之间。在传感装置300中，衬底301围绕基板331上的第一气孔3301，腔体302与第一气孔3301连通。

如图8所示，烟杆400具有气流通道410与第二容置腔420。在一些具体的实施例中，烟杆400包括吸气管41与隔离件42，吸气管41的内部作为气流通道410，隔离件42位于吸气管41外，与吸气管41的管壁合围构成第二容置腔420，例如将图6a与图6b所示的任一传感装置300置于第二容置腔420中，并将基板330固定在吸气管41的管壁上。吸气管41的管壁具有第一开口401，隔离件42具有第二开口402，第一开口401与第一气孔3301的位置对应，振动膜311的第一表面31经第一气孔3301和第一开口401与气流通道的内部连通。第二开口402与第二气孔3302的位置对应，振动膜311的第二表面32经由间隙304、通孔303、腔体302、第二气孔3302以及第二开口402与外部大气连通，由于振动膜311无任何通孔结构，阻隔了气流通道410的内部与间隙304连通。隔离件42还具有第四开口404，吸气管41还具有第五开口405，吸气管的进气口411与出气口412通过气流通道410连通，第四开口404作为透光区与指示灯340的位置对应，以使指示灯340的光线可以穿出烟杆外部，指示灯340在可变电容的容值达到预设值的情况下经由隔离件42上的透光区提供相应的指示光。第五开口405与输入端子351、输出端子352以及接地端子354的位置对应，以将输入端子351、输出端子352以及接地端子354暴露在气流通道410内部。

如图5至图8所示，在使用者进行吸烟动作的情况下，指示灯340打开，气流通道410内部有气体流过，其中，图1中的箭头方向表示气体的流向。振动膜311在第一表面31与第二表面32的气压差的作用下发生形变，使得振动膜311与背板312之间的距离d变大，导致振动膜311与背板312构成的电容变小。在预定范围内，气流通道410内的气体流速越快，振动膜311与背板312之间的距离d越大，控制模块可以根据电容的容值变化控制雾化器的功率。

本发明实施例提供的传感装置可用于电子烟或其他需要检测气流通道内与外部大气压差的情景。

在本发明实施例中，指示灯的开启与关闭可以让用户知道可变电容的容值是否已经达到预设值。

在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

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