用于液體蒸發的基于微流體的設備和方法與流程

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年10月20日提交的美國臨時申請序列號62/066320和于2014年11月18日提交的序列號62/081476的優先權，這些申請其全部內容通過引用并入本文。

本說明書涉及用于蒸發液體的設備和方法，特別涉及提供良好受控蒸汽空間分布、具有受控和精確的蒸汽量、具有良好受控蒸發溫度分布并具有高熱力學效率的蒸發器。

背景技術：

諸如電子香煙、加濕器和其他個人以及醫療蒸發器和香味蒸發器之類的蒸發器正變得越來越普遍。許多這樣的蒸發器依賴于多年來已經普遍流行的技術。這樣的蒸發器可以受益于新的設計方法和現代制造能力。

技術實現要素：

在一些實施例中，可以使用批量制造技術來微制造設備，以將裝置制造成裝置與裝置之間幾乎相同。微制造允許以單元與單元之間的高度重現和低單元成本方式大量制造裝置。

在一些實施例中，可以提供一種蒸發設備，其可以放置在周圍環境內以將液體蒸發到周圍環境中，包括：至少一個液體源；可以形成在結構中的至少一個蒸發端口，其側向尺寸從10μm到300μm，并且其可以與液體源和周圍環境流體連通；以及至少一個加熱元件，其可以與至少一個蒸發端口熱連通。

在一些實施例中，液體源與周圍環境之間的流體連通可以在設備的整個深度中發生，以便流體貫通該結構的深度進行輸送。

在一些實施例中，該結構可以包括薄型結構區域，其厚度從1μm到100μm變化，并且在一些實施例中從10μm至100μm變化。

在一些實施例中，可以在圍繞加熱元件的結構上形成保護層。

在一些實施例中，保護層可以包括沉積玻璃。

在一些實施例中，可以在結構上形成表面涂層，但其可以被遮掩以阻止形成在蒸發端口的壁上。

在一些實施例中，表面涂層可包括含氟聚合物。

在一些實施例中，表面涂層可以包括氮化硅。

在一些實施例中，珠粒或顆粒芯吸結構中至少之一可以位于至少該結構的液體源區域之一中或端口內。

在一些實施例中，珠粒或顆粒中至少之一可以具有10μm至300μm的尺寸或至多1mm的尺寸。

在一些實施例中，珠粒或顆粒中至少之一可以包括親水表面。

在一些實施例中，珠粒或顆粒中至少之一可以包括疏水表面。

在一些實施例中，珠粒或顆粒中至少之一可以被燒結。

在一些實施例中，珠粒或顆粒中至少之一由玻璃構成。

在一些實施例中，加熱元件可以是薄膜電阻加熱元件。

在一些實施例中，可以改變電阻加熱元件的電阻以提供受控熱分布。

在一些實施例中，電阻加熱元件可以并聯和串聯組合地電連接。

在一些實施例中，可以提供一種用于將液體蒸發到周圍環境中的方法，包括：將液體從液體源引導到蒸發端口，其中蒸發端口可以具有從10μm到300μm變化的側向尺寸；利用位于蒸發端口附近的至少一個加熱元件向蒸發端口中的液體施加熱量；并且將已蒸發液體從蒸發端口釋放到周圍環境中。

在一些實施例中，在操作期間，液體可以從液體源連續流動到蒸發端口，可以從液相變成蒸汽，并且蒸汽可以從蒸發端口連續流動到周圍環境中。

在一些實施例中，流體可以貫通結構的深度從液體源流動到周圍環境中。

在一些實施例中，薄型結構區域可以基本上將熱能限制到至少一個加熱元件和至少一個蒸發端口附近。

在一些實施例中，薄型結構區域可以減少可能在至少一個加熱元件和至少一個蒸發端口附近發生的熱誘導應力。

附圖說明

參考下面結合附圖的詳細描述來描述本文提供的實施例的各個方面和優點。在整個附圖中，附圖標記可以被重新使用來指示所參考元件之間的對應關系。提供附圖來說明本文所述的示例性實施例，并不打算限制本公開的范圍。

圖1示出了說明性實施例的設備的透視圖。

圖2a和2b示出了說明性實施例的分解圖和剖視圖。

圖3a和3b示出了說明性實施例的概況視圖和透視圖。

圖4a、4b和4c示出了描繪說明性實施例的部件的設備的概況視圖。

圖5示出了描繪說明性實施例的一些主要部件的設備的俯視圖。

圖6a和6b示出了包含18個蒸發簇的說明性實施例的示例性微流體蒸發芯片的示意圖。

圖7a和7b示出了用于說明性實施例的裝置制造的微制造工藝流程的示例。

圖8示出了描繪說明性實施例的方法的流程圖。

圖9示出了描繪說明性實施例的主要部件的設備的概況視圖。

圖10示出了描繪說明性實施例的主要部件的設備的概況視圖。

圖11a和圖11b示出了描繪說明性實施例的主要部件的設備的剖視圖。

圖12描繪了具有可選塊狀加熱器或冷卻器的說明性實施例。

圖13描繪了具有在結構下方示出的可選塊狀加熱器或冷卻器的說明性實施例。

圖14a、14b、14c和14d描繪了設備的各種說明性實施例。

具體實施方式

總體來說，本公開的各個方面涉及使用用于結構和加熱元件的精細規模微制造技術生產的蒸發器。微制造可以包括在諸如玻璃、金屬、塑料和結晶材料(諸如硅和硅衍生物)之類的材料上的圖案化、蝕刻、沉積、注入和相關工藝。加熱元件可以包括由電氣部件制造的電子電路，這些電氣部件包括電阻器、電容器、晶體管、邏輯元件等，它們也可以制造在專用電路上和/或由任何組合形式的分立部件構成。

本文所述的一個或多個實施例可以提供良好受控加熱，從而最小化液體變得過熱的影響，進而最小化產生不期望的和/或有害的化學反應產物的不期望的化學反應。

本文所述的一個或多個實施例可以提供以高度受控方式制造的蒸發裝置，從而減少單元與單元之間的顯著差異，進而減少性能差異。

本文所述的一個或多個實施例可以提供熱力學效率高、體積小的蒸發器。

這里公開的微流體蒸發器可以用于為大量應用范圍提供低揮發性液體的有效蒸發，包括香味分布、醫療蒸發、已蒸發藥物輸送、化學蒸餾、化學反應控制、芳族化合物、蠟、香味蠟、空氣滅菌、戲劇煙霧、霧化機、芳香療法、精油、個人蒸發器、化學蒸汽或浮質檢測器校準設備、吸煙物品和電子香煙。

蒸發裝置是用于從液體中產生蒸汽或浮質的一般類別裝置。蒸發器具有許多應用，包括但不限于：香味分配、醫療蒸發、已蒸發藥物輸送、化學蒸餾、化學反應控制、芳族化合物、蠟、香味蠟、空氣滅菌、戲劇煙霧、霧化機、芳香療法、精油、個人蒸發器、吸煙物品和電子香煙等。

本公開描述了使用現代微制造技術(包括光刻、沉積和蝕刻技術)微制造蒸發裝置的實施例。這樣的技術可以有利地應用于蒸發器設計。例如，一個實施例可以具有微米級精密部件。在其他實施例中，所公開的設備和方法可以與注入成型塑料兼容。在一個實施例中，蒸發設備和方法可以在單元與單元之間具有相似的幾何形狀。此外，一個實施例可以高生產量低成本地進行生產。

當前的應用公開了可以提供期望的性能改進的實施例。例如，在一個實施例中，部件的微米級精度允許精確計量已蒸發材料和精確受控溫度，這可以消除產生不期望的化學反應產物的過熱區域。在另外一些實施例中，該設備可以被設計成最小化對基底、周圍環境或插入器的寄生熱傳遞。在一些實施例中，該設備可以制造非常小型、平坦和高度便攜。微米級特征可以改進設備和方法的熱力學效率，并且可以具有最小的能量需求。在再另一個實施例中，蒸發端口可以以受控方式單獨尋址和激活，以便可以建立基于蒸發端口陣列內的時間和個體位置的特定化學品的化學反應前沿或精確釋放。

圖1示出了用于說明性實施例的蒸發單元的示意圖。該單元包括用于蒸發的微流體裝置(未示出)，該微流體裝置包含在通常稱為插入器主體204的塑料外殼內。插入器主體204可以通過螺栓200與插入器保持環202配合。電氣互連件206可以用于輸送電能。蒸汽102可以從該設備發出。

圖2a和圖2b示出了實施例的分解圖。插入器主體204和插入器保持環202與蒸發結構100連通。蒸發結構100可以由微流體芯片構成。蒸汽區域208與結構100連通并允許蒸汽從微流體裝置結構100發出。電氣互連件206與微流體裝置結構100電連通。

在一個實施例中，插入器主體204由注入成型塑料構成并且被設計成便于組裝。在其它實施例中，插入器主體204可以是3d打印的、機加工的，并且可以由大量選擇的塑料、金屬、玻璃纖維、復合材料、陶瓷或其它結構材料制造。

電氣互連件206允許該裝置連接電子控制單元(未示出)。在一個實施例中，電氣互連件可以由導電帶、扁平線、引線結合物、凸塊結合物、焊接或其它連接工藝形成。

在一個說明性實施例中，塑料外殼的整體尺寸可以標稱為4mm×6mm×12mm。在其它實施例中，塑料外殼的尺寸可以在小于0.1mm至大于100mm的范圍內，并且可以包含一個或多個微流體裝置。

圖3示出了描繪實施例的各種部件的設備的剖視圖。圖3a是側視圖，而圖3b被略微傾斜以示出頂面。周圍環境116處于結構100上方。蒸發端口110形成在該結構中并且與液體源112和周圍環境116流體連通。液體源112是該結構中與液體儲存器(未示出)和該設備的蒸發器端口區域流體連通的區域。加熱元件108與蒸發端口110熱連通并且位于結構區域114上，而在一些實施例中，該結構區域114可以是該結構的變薄區域。加熱元件108與電極引線106電連通。蒸發簇104是包含與一個或多個蒸發端口110非常接近的蒸發端口110的集合的區域。在一些實施例中，液體源112可以是蠟或其它固相材料，其由于加熱而以液相存在于蒸發端口110附近。

在當前的上下文中，熱連通是指容易地將熱能通過熱傳導而從設備的一個區域傳遞到設備的另一個區域的能力。在一些實施例中，當這些區域之間的距離顯著小于設備中的其他尺寸或者連接兩個區域的材料的導熱率等于或大于該設備的其他區域中的材料的導熱率時，在該兩個區域之間發生熱連通。在一些實施例中，加熱元件108可以與蒸發端口110熱連通，因為兩個部件之間的橫向距離可以在5μm到100μm之間。在一些實施例中，加熱元件108和蒸發端口110之間的距離可以在0.5μm-1mm的范圍內。該距離可以顯著小于設備的其它尺寸。在說明性實施例中，結構100的深度可以在10μm至1000μm之間，并且結構100的側向尺寸可以在1mm至100mm之間或甚至更大的范圍內。

圖3a示出了薄型結構區域114標稱為40μm厚的說明性實施例。在一些實施例中，薄型結構區域114可以在1μm至100μm的范圍內。在其他實施例中，薄型結構區域114的厚度可以從1μm至1000μm變化。

圖4示出了說明性實施例的概況視圖。周圍環境116處在結構100上方。蒸發端口110形成在結構100中并且與液體源112區域和周圍環境116流體連通。加熱元件108緊鄰蒸發端口110。在說明性實施例中，加熱元件108可以位于蒸發端口110的5-100μm(或0.5μm至1mm)內。在說明性實施例中，加熱元件108位于0.5-1000μm內。彎月形界面118限定了蒸汽和液體界面。薄型結構區域114可以形成在結構100中。可以在來自液體源112的液體和薄型結構區域114之間形成接觸區域140。

在一些實施例中，薄型結構區域114可以鄰近蒸發端口110和加熱元件108，其可以最小化對塊狀結構100的寄生熱傳遞。在一些實施例中，分離蒸發端口中的液體和周圍環境的彎月形界面118可以具有能夠在液體源112和周圍環境116之間產生壓力差的曲率。在一些實施例中，在薄型結構區域114和包含在蒸發端口110和液體源112中的液體之間存在顯著的接觸表面積140。

圖4a描繪了可選塊狀加熱器或冷卻器120可以被定位成與液體源區域112熱連通以控制液體源112的體溫的說明性實施例。

圖4b描繪了其中用結構結合物122將結構100結合到薄型結構區域114的說明性實施例。

圖4c示出了描繪另一說明性實施例的各種部件的設備的概況視圖。周圍環境116處在結構上方。蒸發端口110形成在結構100中并且與液體源112和周圍環境116流體連通。加熱元件108與蒸發端口110熱連通并且位于薄型結構區域114上。在一個實施例中，顆粒或珠粒130形成芯吸結構，其位于液體源區域112的全部或部分中并且也可選地位于蒸發端口110中，并且至少在與蒸發端口110相鄰的區域中。在一個實施例中，顆粒或珠粒130可以是親水的。在一個實施例中，顆粒或珠粒130可以是疏水性的，或者可以是親水/疏水組合。在一個實施例中，親水性顆粒或珠粒130可以由玻璃或其它材料形成。在一個實施例中，顆粒或珠130可可選地燒結132或通過某種其它方式結合在一起。在一個實施例中，顆粒或珠粒形成小型間隙區域138，其增強珠粒或顆粒130的親水或疏水表面性能的效果。在一個實施例中，顆粒或珠粒130的尺寸可以在10納米至10毫米的范圍內。在一個實施例中，顆粒或珠粒的尺寸可以在1微米至1毫米的范圍內。在一個實施例中，顆粒或珠粒130的尺寸范圍可以為10微米至300微米的范圍內。

圖5示出了描繪實施例的一些主要部件的設備的俯視圖。蒸發端口110形成在結構100中并且與液體源區112和周圍環境116流體連通。加熱元件與蒸發端口110熱連通并且位于薄型結構區域114上。在一個實施例中，加熱元件108是薄膜電阻加熱元件。在一個實施例中，薄膜加熱元件被配置成三個并聯電路，其進一步形成圍繞每個蒸發端口的并聯電路。

圖5示出了這樣一個示例性實施例的詳細視圖，其中單個蒸發簇104具有大約900μm的側向尺寸，并且包含側向尺寸為60μm-150μm的七個蒸發端口110和與蒸發端口110熱連通的加熱元件108，使得由加熱元件108產生的熱量被輸送到與流體112和接觸區域140接觸的蒸發端口110的區域中。在說明性實施例中，蒸發端口的側向尺寸可以在10μm至300μm的范圍內，而在其它實施例中，蒸發端口的側向尺寸可以在1μm至1000μm的范圍內。在說明性實施例中，蒸發簇的側向尺寸可以在10μm至100mm的范圍內。在說明性實施例中，蒸發簇的側向尺寸可以在100μm至10mm的范圍內。

加熱元件108的寬度可以可選地配置為具有變化的寬度和厚度，或改變材料以產生期望的焦耳加熱分布。在一些實施例中，可以選擇期望的加熱分布以提供工作流體的均勻蒸發，同時避免來自不期望的熱點的過度加熱。在一些實施例中，可將0.01至500瓦的熱量輸送到流體112中以產生蒸汽102。在其它實施例中，可將1至50瓦特的熱量輸送到流體112中以產生蒸汽102。

在一些說明性實施例中，并聯連接的電阻加熱元件的層級(如圖5所示)可具有某些優點。例如，金屬的電阻可以隨著溫度的升高而增加。因此，如果并聯電路的一個元件具有比該并聯電路的另一個元件更高的溫度，則該元件可以具有更高的電阻并且迫使更多電流通過該低溫度元件，從而增加由較低溫度元件產生的焦耳加熱。在一些實施例中，并聯連接的電阻加熱元件可以有助于熱調節，這有助于減輕局部熱熱點。

圖6a和6b示出了單個微流體蒸發裝置結構100的概況。在說明性實施例中，單個裝置結構100包含十八個蒸發簇104，而每個簇104包含七個蒸發端口110，因此對于該示例性實施例來說，總共有18×7＝126個蒸發端口110。在圖6a所示的一個示例實施例中，兩個蒸發簇104通過與九個并聯電路串聯的電極引線106連接。在圖6b所示的另一示例實施例中，三個蒸發簇104通過與九個并聯電路串聯的電極引線106連接。

在其他示例性實施例中，簇可以以各種串聯和/或并聯配置、可單獨尋址或其他電氣布線方案連接。在示例性實施例中，微流體裝置結構100的側向尺寸為4mm×10mm，而厚度為0.3mm。在一個示例性實施例中，微流體芯片由玻璃制造，但對于其它實施例，其可以由塑料、硅、鈦、金屬、陶瓷、pdms、聚合物、玻璃纖維、復合材料或其它材料制造。

可以用q＝v²/r來描述來自電阻元件的焦耳加熱，其中q是焦耳加熱功率，v是電阻元件兩端的電壓降，而r是元件的電阻。隨著溫度升高，金屬的電阻增加。如果電壓降恒定，則焦耳加熱量隨著溫度升高而降低。因此，在一個實施例中，具有并聯電路可能是有利的。如果并聯電路的一個分支具有比該電路的另一個分支更高的溫度，那么具有較高溫度的分支將具有較高的電阻，因此將產生較少的焦耳加熱。在具有并聯電阻加熱器的實施例中，電路的各個分支可以具有自調節性能，那可以有助于調節焦耳加熱，其與使用非并聯電路配置可能發生的非均勻性相比，可以有助于保持更加均勻的溫度。

在一些實施例中，并聯電阻加熱器可以被配置為在每個分支中具有不同的電阻。在一些實施例中，可以通過使用不同材料、不同深度、不同長度和/或不同寬度來修改加熱元件的電阻。在一些實施例中，并聯電阻加熱器的各個分支可以具有不同的電阻，這些不同的電阻可以被優化來產生期望的和良好受控溫度分布。在一些實施例中，均勻溫度分布可能是可期望的。在一些實施例中，非均勻溫度分布可能是可期望的。

在一些實施例中，可以明智地選擇并聯電阻加熱元件108的分級組合以提供期望的加熱分布和自調節加熱元件。

圖7a示出了用于實施例的裝置制造的微制造工藝流程的示例，其由使用單個結構的五個處理步驟構成。在說明性實施例中，結構100可以由schott(d263t-eco、af32-eco或mempax)的300μm厚的玻璃基底制造。玻璃基底可以由各種材料形成，并且厚度范圍為1μm至10毫米。可以對光致抗蝕劑進行圖案化，并且可以為電極引線和加熱元件沉積金屬(例如，鈦和鉑)(步驟1-加熱器金屬沉積700)。在光致抗蝕劑和金屬剝離之后，可以在基底的兩側上沉積硬掩模膜(例如，鉻/金、鋁或非晶硅)(步驟2-硬掩模沉積701)。在背面，可以對光致抗蝕劑進行圖案化，并且硬掩模可以被蝕刻(濕或干)，隨后玻璃被可選地濕蝕刻到基底厚度的大約一半(步驟3-背面硬掩模和玻璃蝕刻702)。在前方，可以將蒸發端口110圖案化為與加熱器元件108緊密相鄰(其可以在5μm至100μm或0.5μm至1mm之間的范圍內)，并且可以蝕刻硬掩模，隨后是可選的玻璃濕蝕刻。同時，可以可選地進一步蝕刻背面，因為它可以可選地暴露，并且可以產生通孔(或貫通孔)(步驟4-頂側硬掩模和玻璃蝕刻703)。這可以使蒸發端口110與液體源112和周圍環境116流體連通。最后，可以從兩側移除硬掩模，然后可以對基底進行切割(步驟5-硬掩模移除704)。

可以使用各種納米制造和微制造裝備來制造蒸發裝置的一些實施例。該制造可以包括許多沉積工具，諸如可以用于加熱元件的電子束沉積以及可以用于沉積硬掩模的等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)。在一些實施例中，濕化學試劑臺可以用于各種蝕刻化學品，包括玻璃的氫氟酸蝕刻。干蝕刻也可以用于某些材料中的各向同性蝕刻，諸如電感耦合等離子體反應離子蝕刻(icp-rie)。此外，在一些實施例中，可以使用能夠背面對準的光刻掩模對準器(諸如sussma-6)，以從前到后對特征進行圖案化和對準。

圖7b示出了用于針對圖4b所示的說明性實施例的裝置制造的微制造工藝流程的說明，該流程包括使用結構元件100和薄型結構區域114(即兩個最初分離的結構)的六個處理步驟。該實施例可以擴展到兩個或多個(即多個)結構，這些結構可以使用一種或多種結合技術利用結構結合物122(在圖4b中所示)相結合。

制造工藝可以使用100μm、300μm甚至500μm厚的玻璃基底來形成結構100。實施例可以對薄型結構區域114(圖4b所示)使用1μm至10毫米厚的基底，并且基底可以包含各種材料，諸如玻璃、鈦、鋁、藍寶石、碳化硅、金剛石、陶瓷、金屬、硅等。

可以使用兩種不同厚度的基底。例如，一個基底可以是100μm(即，相對較薄的)基底，另一個基底可以是300μm(即，相對較厚的)基底，這可以允許在可選濕蝕刻工藝期間特征尺寸具有顯著的彈性。參考圖7b，可以用光致抗蝕劑圖案化100μm厚的基底，并且可以沉積用于加熱元件的金屬(步驟1-加熱器金屬沉積710)。另外的金屬沉積步驟可以可選用于電極引線。例如，在一個實施例中，可以在芯片連接處可選地圖案化金觸點。

在一個實施例中，在光致抗蝕劑和金屬剝離之后，可以在薄型基底的兩側(步驟2-硬掩模沉積711)和厚型基底上沉積硬掩模膜。光致抗蝕劑可以圖案化在基底的兩側上以暴露與薄型基底上的加熱元件和厚型基底相鄰的區域。可以蝕刻硬掩模，然后將基底蝕刻到基底每側上的厚度的一半，以形成貫通孔(即，通過芯片的通孔)(步驟3-硬掩模和基底蝕刻712)，該貫通孔可以為蒸發端口110提供與液體源112的流體連通以及與周圍環境116的流體連通。

在該實施例中，然后可以從基底的兩側移除硬掩模(步驟4-硬掩模移除713)。視粘合技術而可以將粘合層可選地沉積在薄型基底的背面、厚型基底的上側或兩者上，也可以在兩者上都不沉積。此外，在一些實施例中，適當的清潔和表面處理可以應用于兩個基底，并且它們可以使用各種眾所周知的結合技術結合在一起(步驟5-粘合層沉積和干膠片結合714)。在一些實施例中，然后可以將已結合組件切成更小的單個單元(步驟6—已結合組件715)。

圖8示出了描繪實施例的方法的流程圖，該方法包括：將液體從液體源引導到蒸發端口801，并且使用位于蒸發端口附近的加熱元件(其可以在5μm至100μm之間或在0.5μm至1mm之間)對蒸發端口中的液體進行加熱以蒸發液體802。在一個實施例中，已蒸發液體從蒸發端口釋放到周圍環境中，以便流體被貫通結構的深度來輸送803。在一些實施例中，蒸發端口的側向尺寸范圍為10μm-300μm。在其它實施例中，蒸發端口的側向尺寸范圍為1-1000μm。可以通過將液體直接放置在液體源中或通過可選的泵或可選的芯吸結構將液體引入液體源，其中液體可以由毛細管作用而輸送到液體源。在一個實施例中，可以將電能施加到加熱元件，并且可以通過焦耳加熱(即電阻加熱)來加熱加熱元件。然后，來自加熱元件的熱能可以傳遞到與蒸發端口和液體源相鄰的薄型結構區域中。然后，可以將熱量局部地傳導到液體中以將液體加熱到最佳的蒸發溫度。該溫度可以很好地控制造使得液體被充分加熱以便蒸發，但不會達到可能引起不希望的化學反應或使蒸發端口變干的不期望的高溫。此外，通過控制加熱元件的電能，可以精確地控制蒸發速率或總蒸發質量。在一些實施例中，電能的量可以可選地改變，并且針對具體應用進行優化。在其他實施例中，電波形可以是正弦波、方波或其他波形，其可以針對特定應用進行優化。在其他實施例中，波形可以脈動并引起蒸發、液滴的浮質或噴射物，并且可以減少寄生熱損失，從而提高熱力學效率。

圖9是指其中液體從液體源112區域流入蒸發端口110然后通過彎月形界面118蒸發進入周圍環境116的說明性實施例。在一些實施例中，液體可以從微流體裝置結構100的一側(例如背面)輸送，通過彎月形界面118蒸發并從微流體裝置結構100的另一側(例如前側)釋放蒸汽，使得流體貫通結構的深度(即，通過通孔或貫通孔)輸送。在這些實施例中，由于蒸發端口110與液體源112和周圍環境116流體連通，所以使液體行進通過該裝置的能力成為可能。箭頭134表示從該結構的一側到該結構的另一側的連續流體運動。白色箭頭134表示液體通過液體源112到蒸發端口110的連續流體運動。黑色箭頭134表示蒸汽從蒸發端口110到周圍環境116的連續流體運動。流體貫通結構的深度輸送的能力可以使蒸發過程的能量效率更高。在一些實施例中，流體貫通結構的深度輸送的能力可以減少甚至防止變干，并且提供連續的流體運動。在一些實施例中，這可以允許例如將加熱元件108放置在非常靠近蒸發端口110的位置(例如，在0.5μm至1000μm或5μm至100μm內)以便于與在那里發生相變的彎月形界面118的期望的熱連通。與其它蒸發器裝置相比，這可以顯著地減少在蒸發期間必須傳遞到液體中的距離熱量，并且可以允許加熱元件108在較低溫度下操作。這可能是特別關鍵的，因為大多數液體具有低導熱率(例如，在室溫下，水的導熱率約為kw＝0.58w/(mk)，而甘油的導熱率約為kw＝0.29w/(mk))。這些實施例的有效設計還可以降低在蒸發期間液體必須暴露于的最高溫度。此外，在一些實施例中，液體流過微流體裝置的更有效的設計可以顯著減少液體在蒸發端口110中的變干，從而提供一致和優異的性能。

圖9是指在薄型結構區域114和包含在蒸發端口110和液體源區域112中的液體之間存在顯著的接觸表區域140的說明性實施例。由于液體可以具有低導熱率，因此具有一個大接觸區域140以便熱量可以容易地從薄型結構區域114傳遞到液體中是很重要的。在一些實施例中，薄型結構區域114可以減小熱可以在到達薄型結構區域114和液體源區域112和蒸發端口110中的液體之間的接觸區域140之前從加熱元件108通過薄型結構區域114傳遞的距離。在一些實施例中，具有通過薄型結構區域114傳遞熱量的最小距離可能是很重要的，因為玻璃具有約kg＝1.05w/(mk)的低導熱率。諸如金屬、硅之類的其它材料提供較大的導熱率，例如硅的導熱率近似為ksi＝130w/(mk)。然而，在許多實施例中，對于熱力學效率，重要的是將熱能聚焦在蒸發端口附近，因此將傳遞到塊狀基底和周圍環境的熱量最小化。在一些實施例中，熱能基本上被限制到蒸發簇104。在一些實施例中，蒸發簇104的尺寸可以額定為1mm。在一些實施例中，蒸發簇104的尺寸范圍可以為100μm至10mm。在一些實施例中，蒸發簇104的尺寸范圍可以為10μm至100mm。在這些實施例的許多實施例中，使用低導熱率材料(諸如但不限于玻璃、塑料、聚合物、玻璃纖維、復合材料或陶瓷等)是很有利的。在這些實施例的許多實施例中，與低導熱率材料相結合的薄型結構區域114可能有助于最小化對塊狀結構100和周圍環境116的寄生熱傳遞損耗。在其他實施例中，使用優化電波形可能有助于減小對塊狀結構100和周圍環境116的寄生熱傳遞損耗。

在一些實施例中，玻璃具有可以使其成為蒸發裝置的合適結構材料的許多特征。例如，玻璃可以制造成很耐用的，可以以許多幾何形式(包括薄干膠片)提供，可以被機加工，可以定制吹塑、成形或模制，可以廣泛和商業上可獲得，可以以合理的價格購買，可以被濕蝕刻，可以具有低電導率，可以具有低導熱率，可以用適當的清潔工藝制造成親水的，可以通過明智選擇的表面涂層制造成疏水性的，表面可以用公知的表面化學物質處理，可以是化學惰性的，可以使用比拉魚溶液積極地剝離有機材料，可以是在玻璃化轉變溫度以下機械穩定的，金屬可以沉積用于電極引線和加熱元件，或者可以結合到其自身或其它材料上。

在一些實施例中，可以為了環境、毒性或健康原因而選擇玻璃作為結構材料。在一些實施例中，電極引線116和加熱元件108可以由鉑和鈦的沉積形成。許多其他材料可以用于電極和加熱元件(諸如碳、金、銀、鎳、鋁等)沉積。在一些實施例中，鉑可以用作電極引線和電阻加熱元件(通過焦耳加熱)，并且還可以用作用于測量加熱元件的近似溫度的電阻熱裝置(rtd)。鉑和許多其他金屬和其他材料的電阻是溫度的函數，并且可以用于確定加熱元件的近似溫度。在一些實施例中，電氣控制電路可以用于蒸發裝置的反饋控制，以保持恒定操作溫度或恒定操作功率設置，或操作溫度或操作功率的時間分布，或者可以是為特定應用量身打造的某些任意操作時間分布。其他金屬和其他材料可用作蒸發裝置的rtd。然而，在一些實施例中，鉑可以是合適的材料。在這些實施例中，鈦可以是合適的粘合材料，以在玻璃基底和鉑或其它金屬沉積膜之間提供粘合。也可以使用其他粘合材料。

在一些實施例中，與連續流體運動相結合的加熱元件108提供對流體的穩定和均勻加熱，這可以保持流體不會獲得可能引起不期望的化學副產物，或可能燃燒、部分燃燒或燒焦，或者將液體和微流體結構100炭化的不期望的高溫。在一些實施例中，連續流體運動可以提供穩定操作，該穩定操作可以允許設備在不確定的時間段內連續地起作用，同時最小化潛在的不期望的后果，例如液體變干、不期望的化學副產物、液體燒焦或燃燒或設備燒焦或燃燒。

在一些實施例中，蒸發可以在從幾毫秒到幾十秒或更長的離散時間段內發生。在一些實施例中，蒸發可以在幾毫秒到幾十秒或更長的離散時間段內發生，以提供用于精確計量的蒸汽質量的精確輸送。

圖10示出了描述說明性實施例的各種部件的設備的概況視圖。周圍環境116處在結構100上方。蒸發端口110形成在結構100中并且與液體源區112和周圍環境116流體連通。加熱元件108與蒸發端口110熱連通并且位于薄型結構區域114上。白線136表示恒溫下的輪廓。在一些實施例中，薄型結構區域114有助于將熱能基本上限制在蒸發簇104內，并且在加熱元件108和蒸發端口110的附近之內，從而減少對塊狀結構100的熱損失。

在一些實施例中，在薄型結構區域114和包含在蒸發端口110和液體源112中的液體之間存在顯著的接觸表面積140。由于液體可以具有低導熱率，因此具有大接觸區域140以便熱量可以容易地從薄型結構區域114傳遞到液體是重要的。在一些實施例中，薄型結構區域114可以減小熱量可以在到達薄型結構區域114和液體源區域112和蒸發端口110中的液體之間的接觸區域140之前從加熱元件108通過薄型結構區域114傳遞的距離。在一些實施例中，由于玻璃具有約kg＝1.05w/(mk)的低導熱率，所以具有通過薄型結構區域114傳遞熱量的最小距離可能是可期望的。諸如金屬、硅之類的其它材料提供較大的導熱率，例如硅的導熱率近似為ksi＝130w/(mk)。然而，在許多實施例中，對于熱力學效率，重要的是將熱能保持基本上聚焦在蒸發簇104內并且緊鄰蒸發端口110，因此使傳遞到塊狀基底100和周圍環境116的熱量最小化。在這些實施例的許多實施例中，使用低導熱率材料(諸如玻璃、塑料、聚合物、玻璃纖維、復合材料或陶瓷等)可能是有利的。在這些實施例的許多實施例中，與低導熱率材料相結合的薄型結構區域114可能有助于最小化對塊狀基底100和周圍環境116的寄生熱傳遞損耗。在其他實施例中，使用優化電波形可能有助于減少對塊狀基底100和周圍環境116的寄生熱傳遞損耗。

圖11a和11b示出了描繪說明性實施例的各種部件的設備的概況視圖。周圍環境116處在結構100上方。蒸發端口110形成在結構100中并且與液體源區112和周圍環境116流體連通。加熱元件108與蒸發端口110熱連通并且位于薄型結構區域114上。

圖11a示出了其中薄型結構區域114處于未偏轉狀態的說明性實施例，這種未偏轉狀態當該設備未激勵時可能發生。在一個實施例中，加熱元件108可以被激勵并產生熱能，這種熱能可以增加加熱元件108附近的溫度。靠近加熱元件108的薄型結構區域114可以由于溫度的升高而熱膨脹，這可能引起薄型結構區域114和電阻加熱元件108中的熱應力和/或熱應變。在一些實施例中，期望主應力小于10-20mpa。在一些實施例中，期望主應力小于70mpa。

圖11b示出了當加熱元件108被激勵時薄型結構區域114由于熱膨脹而偏轉的說明性實施例。在說明性實施例中，薄型結構區域114可以幫助確認加熱元件108附近的熱能，這有助于最小化塊狀結構的熱膨脹，并且可以有助于減小薄型結構區域114中的熱應力和應變。在一些實施例中，期望主應力小于10-20mpa。在一些實施例中，期望主應力小于70mpa。

在一個實施例中，薄型結構區域114可以允許熱偏轉，并且可以幫助減少熱應力。結構梁的機械剛度與h³成比例，其中h是結構梁的厚度。在一些實施例中，可選薄型結構區域114可以足夠薄以使得其可以具有相對低的機械剛度，該剛度當加熱元件108被激勵時，可以允許薄型結構區域114以足夠低的應力偏轉。在一些實施例中，期望主應力小于10-20mpa。在一些實施例中，期望主應力小于70mpa。

在一個實施例中，與結構材料相比，加熱元件108可以由具有高熱膨脹系數的金屬構成。如圖11b所示，薄型結構區域114可能偏轉，并且在頂表面上產生與加熱元件108材料的熱誘導應變良好匹配的污漬，從而可以顯著降低加熱元件108和薄型結構區域114之間的應力。在一些實施例中，期望主應力小于10-20mpa。在一些實施例中，期望主應力小于70mpa。

圖12示出了描繪另一說明性實施例的各種部件的設備的概況視圖。在該實施例中，可選密封件124可位于蒸發端口110中的液體和周圍環境116之間。密封件124可由熱響應性蠟制造。這可以提供在保存期間封閉液體的密封，然后可以將可選密封件124蒸發以激活蒸發設備。可選密封件124可以用于在第一次使用之前延長保質期，或延長多次使用之間的保存期限。在一些實施例中，密封材料可以結合到液體中以在多次使用之間或在多次蒸發過程之間提供自密封機構。可選密封件124可以由許多不同材料制造，而不僅僅是示例性的蠟的情況。在一些實施例中，密封件124可以由合適的密封材料構成，該密封材料在室溫下為固體，但是當蒸發器處于活動狀態時熔化、升華、后退或從蒸發端口110清除。在一些實施例中，液體源區域112可以包含低揮發性液體，并且可選密封件可能不是必需的，或者可能不是期望的。在一些實施例中，周圍環境116可以處在結構上方。形成在結構100中的蒸發端口110可以與液體源區域112流體連通，但是可以通過可選密封件124可選地與周圍環境分離。加熱元件108可以緊鄰蒸發端口110并且位于薄型結構區域114上。在一些實施例中，加熱元件108位于蒸發端口110的0.5-1000μm范圍內。在一些實施例中，加熱元件108位于蒸發端口110的5μm-100μm之內。在一些實施例中，可選密封件124可以蒸發并允許蒸發端口110中的液體與周圍環境116流體連通。可選塊狀加熱器或冷卻器120可以位于結構100下方。這可以提供可能引起其它固相物質變成液體的熱量，或者可以增加整個液體的溫度，以便加熱元件108需要更少的熱能。可選塊狀加熱器或冷卻器120可以增加或減小整個液體的整體溫度，從而可以控制液體在蒸發端口110內經歷蒸發之前的揮發性。

圖13示出了液體源區域112與薄型結構區域114相鄰的另一個實施例的示意圖。周圍環境116處在薄型結構區域114上方。蒸發端口110形成在結構100中并且與液體源112和周圍環境116流體連通。加熱元件108與蒸發端口110熱連通并且位于薄型結構區域114上。在結構100下方示出了可選塊狀加熱器或冷卻器120。

圖14a示出了其中可選保護層126圍繞加熱元件108的說明性實施例。保護層126可以沉積二氧化硅、非晶硅、氮化硅或其它材料。在一些實施例中，由于加熱元件108材料和下面的結構100材料之間的熱膨脹差異，保護層126可以保護加熱元件108不會分層。在一些實施例中，保護層126可以用作加熱元件108和周圍環境116之間的化學和/或電氣屏障。在一些實施例中，保護層126位于緊鄰加熱元件108的位置。在一些實施例中，保護層126位于加熱元件108的0.5μm至1mm的范圍內。在一些實施例中，保護層126基本上覆蓋結構100。

圖14b示出了其中可選表面涂層128涂覆在結構100的外側上并且位于蒸發端口110附近的實施例。在一些實施例中，可能期望防止涂層涂覆蒸發端口110的壁。因此，當沉積涂層時，可能在涂覆過程中會遮蔽蒸發器端口。在一個實施例中，可選表面涂層126是疏水性涂層。在另一個實施例中，可選表面涂層126是親水性涂層。在另一個實施例中，可選表面涂層126是疏水和親水性涂層的組合。在一個實施例中，疏水性涂層可以由含氟聚合物或其它材料構成。在一個實施例中，可選表面涂層126可以由化學單層構成。在一個實施例中，疏水性涂層可以排斥親水性液體并且可以最小化親水性液體以阻止潤濕結構外部。在一個實施例中，親水性涂層可以排斥疏水性液體并且可以最小化疏水性液體以阻止潤濕結構外部。

圖14c示出了其中可選保護層126圍繞加熱元件108的實施例，其中可選表面涂層128涂覆在圍繞加熱元件108的可選保護層126上，并且位于鄰近蒸發端口110但可選地不在蒸發端口110上。保護層126可以沉積二氧化硅、非晶硅或其它材料。在一些實施例中，由于加熱元件108材料和下面的結構100材料之間的熱膨脹差異，保護層126可以保護加熱元件108不會分層。在一些實施例中，保護層126可以用作加熱元件108和周圍環境116之間的化學和/或電氣屏障。在一些實施例中，保護層126位于緊鄰加熱元件108的位置。在一些實施例中，保護層126位于加熱元件108的0.5μm至1mm的范圍內。在一些實施例中，保護層126基本上覆蓋結構100。在一個實施例中，表面涂層128是疏水性涂層。在另一個實施例中，表面涂層128是親水性涂層。在另一個實施例中，表面涂層是疏水性和親水性涂層的組合。在一個實施例中，可選疏水性表面涂層128可以由含氟聚合物或其它材料構成。在一個實施例中，可選疏水性表面涂層128可以排斥親水性液體并且可以最小化親水性液體以阻止潤濕結構100外部。在一個實施例中，親水性表面涂層128可以排斥疏水性液體并且可以最小化疏水性液體以阻止潤濕結構100外部。

圖14d示出了其中可選表面涂層128涂覆在結構100的內部并且位于蒸發端口110和液體源區域112附近的實施例。在說明性實施例中，可選表面涂層126是疏水性涂層。可以使疏水性涂層適合于用疏水液體潤濕疏水性涂層。在另一個實施例中，可選表面涂層126是親水性涂層，以便親水性液體潤濕親水性涂層。在另一個實施例中，可選表面涂層126是疏水和親水性涂層的組合。在一個實施例中，疏水性涂層可以由含氟聚合物或其它材料構成。在一個實施例中，可選表面涂層126可以由化學單層構成。在一個實施例中，疏水性涂層可以排斥親水性液體，并且可以最小化親水性液體以阻止潤濕結構100和蒸發端口110內部，同時允許疏水性液體潤濕結構100和蒸發端口110內部。在一個實施例中，親水性涂層可以排斥疏水性液體并且可以最小化疏水性液體以阻止潤濕結構100和蒸發端口110內部。

圖14d示出了具有可以用于向結構施加熱能的可選結構加熱器210的示例性實施例。可選結構加熱器可以是薄膜電阻加熱元件或其它類型的加熱元件。可以使用來自該結構的熱能來加熱固體材料212。固體材料212可以是固體蠟或蠟狀物質，或任何其它類型的固體材料。固體材料212與結構100熱連通。通過適當地施加來自結構100的熱能，固體材料212可以可控地熔化成可以占據液體源區域112的液體。可以選擇可選表面涂層128，使得占據液體源區域112的液體可以潤濕結構100和蒸發端口110。當加熱元件108被激勵時，來自液體源112的液體可以在蒸發端口110中被蒸發，使得蒸汽可以被排放到周圍環境116中。

這里描述的實施例是示例性的。可以對這些實施例進行修改，重新布置，替換過程、材料等，并且仍然包括在本文所闡述的教導內。

本文中使用的條件語言，諸如其中的“可以”、“可能”、“能夠”、“例如”等，除非另有明確說明或在所使用的上下文中以其他方式理解，通常旨在傳達某些實施例包括但其他實施例不包括某些特征、元件和/或狀態。因此，這樣的條件語言通常不打算以任何方式暗示特征、元件和/或狀態對于一個或多個實施例是必需的，或者一個或多個實施例必須包括用于在有或沒有作者輸入或提示的情況下決定這些特征、元件和/或狀態是否包括在任何具體實施例中或是否在任何具體實施例中執行的邏輯。術語“包括”、“包含”、“具有”、“涉及”等是同義詞，并且以開放的方式包含在內，并且不排除附加元件、特征、動作、操作等等。此外，術語“或”以其包容性意義(而不是其排他性意義)使用，因此當使用例如連接元件列表時，術語“或”是指全部列表中的一個、一些或所有元件。

除非另有明確說明，諸如短語“x、y或z中至少之一”這樣的分離語言一般與上下文一起被理解為用于表示項目、術語等可以是x、y或z，或其任何組合(例如，x、y和/或z)。因此，這種分離語言通常不打算并且不應意味著某些實施例需要x中至少之一、y中至少之一或z中至少之一都存在。

術語“約”或“近似”等同義，并用于表示該術語修改的值具有與其相關聯的理解范圍，其范圍可以為±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。術語“基本上”用于指示結果(例如，測量值)接近目標值，其中“接近”可以意味著例如結果在該值的80％內、在該值的90％內、在該值的95％以內或在該值的99％以內。

除非另有明確說明，諸如“一個”之類的冠詞通常應被解釋為包括一個或多個描述的項目。因此，諸如“被配置為……的裝置”旨在包括一個或多個被敘述的裝置。這樣的一個或多個被敘述的裝置也可以被共同配置為執行所述的敘述。例如，“被配置為執行敘述a、b和c的元件”可以包括被配置為執行與被配置為執行敘述b和c的第二元件一起工作的敘述a的第一元件。

雖然上述詳細描述已經示出、描述和指出了應用于說明性實施例的新穎特征，但是應當理解，可以在不偏離本公開的精神的情況下，進行所示的裝置或方法的形式和細節方面的各種省略、替換和改變。如將認識到的那樣，本文所述的某些實施例可以以不提供本文所闡述的所有特征和益處的形式來體現，因為一些特征可以與其他特征分開使用或實踐。屬于權利要求的等同物的含義和范圍內的所有變化將被囊括在這些權利要求的范圍內。