Ein Luftschalter, auch als Luftstromsensor bekannt, ist ein wesentlicher Bestandteil von E-Zigaretten. Er erkennt Veränderungen im Luftstrom und erzeugt ein elektrisches Signal, um die E-Zigarette zu aktivieren oder zu deaktivieren. Heute gibt es zwei Haupttypen von Luftschaltern in E-Zigaretten: den Elektret-Luftschalter und den Silizium-Luftschalter. Der Elektret-Luftschalter ist derzeit weit verbreitet, während der Silizium-Luftschalter als Zukunftstrend gilt. Er hat die Hürden der Massenproduktion überwunden und entwickelt sich schnell.
1. Funktionsweise von Luftschaltern in E-Zigaretten
Unabhängig davon, ob es sich um einen Elektret- oder Silizium-Luftschalter handelt, funktioniert die Technologie im Wesentlichen gleich. Beide Arten bestehen aus einer Membran und einer Rückplatte, die zusammen einen parallelgeschalteten Kondensator bilden. Der Luftdruckunterschied bewirkt eine Verformung der Membran, wodurch sich die Kapazität verändert. Ein ASIC-Chip erkennt und verarbeitet dieses Signal, das schließlich als elektrisches Signal ausgegeben wird, um die E-Zigarette ein- oder auszuschalten.
2. Arten von Luftschaltern in E-Zigaretten
Luftschalter in E-Zigaretten werden hauptsächlich in Elektret-Luftschalter und Silizium-Luftschalter unterteilt. In der praktischen Anwendung unterscheiden sie sich zusätzlich je nach der Verpackung des Chips in verschiedene Typen:
- Leerer Sensor: Dieser Sensor erkennt nur Veränderungen im Luftstrom und gibt ein physikalisches Signal aus.
- Schalter-Sensor: Ein einfacher ASIC-Chip wird zusammen mit dem Sensor verpackt, der lediglich das Signal verarbeitet und den Schalter aktiviert.
- Funktionaler Sensor: Dieser Sensor ist zusammen mit einem ASIC/SOC-Chip verpackt und bietet erweiterte Funktionen wie Signalverarbeitung, Energieverwaltung, Statusanzeige und Leistungsmanagement.
1. Elektret-Luftschalter
Elektret ist ein dielektrisches Material, das nach der Polarisation eine eigene Ladung trägt. In E-Zigaretten wird es für die Rückplatte und Membran verwendet, um einen Kondensator zu bilden. Die Vorteile des Elektret-Luftschalters sind die einfache Produktion, die ausgereifte Technologie und die niedrigen Kosten.
Die Struktur eines Elektret-Luftschalters umfasst in der Regel einen Staubschutzgitter, ein Gehäuse, eine Rückplatte, eine Dichtung, eine Membran, ein Gehäuse, eine PCB-Platine und mehr.
Darüber hinaus gibt es zwei Hauptarten von Elektret-Luftschaltern: den oberen Membran-Luftschalter und den unteren Membran-Luftschalter. Der häufigste Typ in E-Zigaretten ist der untere Membran-Luftschalter, bei dem es oft zu Problemen kommt, dass E-Liquid in die Löcher der Rückplatte eindringt, was die Empfindlichkeit beeinträchtigt. Eine gängige Lösung hierfür ist der Einsatz eines Ölfilters und einer Nanobeschichtung.
Die Produktionsprozesse für Elektret-Luftschalter umfassen Montage, Versiegelung, Aufkleben von Stoffen, Tests, Löten und Inspektionen, die heutzutage alle von automatisierten Maschinen durchgeführt werden können.
2. Silizium-Luftschalter
Silizium-Luftschalter sind aufgrund ihrer kleinen Größe besonders vorteilhaft. In der tatsächlichen Anwendung von E-Zigaretten werden sie oft mit Silikon montiert, um die Passform mit herkömmlichen Elektret-Luftschaltern zu erleichtern und die Luftdichtung zu optimieren. Der Silizium-Luftschalter ist zusätzlich in ein Gehäuse integriert, das eine Ölbarriere enthält und einen MEMS-Sensor (Mikro-Elektro-Mechanisches System), eine PCB-Platine, einen ASIC-Chip, eine LED-Anzeige und mehr umfasst.
Der MEMS-Sensor ist ein Luftschalter, der auf der MEMS-Technologie basiert und Siliziummaterialien sowie Mikroverarbeitungstechniken verwendet. Er bietet viele Vorteile wie geringe Größe, hohe Leistung, gute Konsistenz, starke Störfestigkeit und niedrigen Energieverbrauch.
Die Struktur eines MEMS-Sensors besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse, einem MEMS-Kondensator, einem MEMS-Chip und einem Substrat, wobei der MEMS-Chip die Kapazitätsänderungen aufgrund der Vibration der Membran einfach in elektrische Signale umwandelt.
Die empfindliche Struktur des MEMS-Sensors ähnelt einem Kondensator und umfasst Membran, Rückplatte und ein Gehäuse.
- Membran: Sie besteht typischerweise aus Silizium, Siliziumnitrid oder Polymermaterialien, die eine hohe mechanische Festigkeit und Empfindlichkeit aufweisen.
- Rückplatte: Eine starre Struktur mit Löchern, die Schallwellen durchlässt und aus Silizium oder Metallmaterialien besteht.
- Kammer: Sie bietet einen Luftspalt zwischen Membran und Rückplatte, was die Frequenzantwort und Empfindlichkeit des Mikrofons beeinflusst.
Der Herstellungsprozess für MEMS-Kapazitätssensoren umfasst Mikroverarbeitungstechnologien wie Fotolithografie, Ätzen, Abscheidung und Verpackung. Diese Verfahren ermöglichen es, die Komponenten des Mikrofons mit hoher Präzision im Mikrometer- oder Nanometerbereich zu bauen.
- Fotolithografie: Hierbei wird ein lichtempfindliches Material und eine Maskierung verwendet, um die Mikrofonstruktur auf einem Siliziumchip zu definieren.
- Ätzen: Chemische oder physikalische Methoden werden verwendet, um Material von der Siliziumplatte zu entfernen und die gewünschte Struktur zu formen.
- Abscheidung: Dünne Schichten von Materialien wie Polysilizium, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid werden auf der Siliziumplatte abgeschieden, um Membran und Rückplatte zu bilden.
- Verpackung: Der fertiggestellte Mikrofonchip wird in ein schützendes Gehäuse verpackt und mit externen Schaltungen verbunden.
3. Trends bei Silizium-Luftschaltern
Silizium-Luftschalter bieten viele Vorteile, darunter Wasserdichtigkeit, Ölfestigkeit, kompakte Größe, hohe Temperaturbeständigkeit, SMT-Kompatibilität und stabile Konsistenz. Diese Eigenschaften lösen viele Probleme, die mit Elektret-Luftschaltern verbunden sind, und machen sie zu einem vielversprechenden Trend in der Branche. Daher haben viele Hersteller begonnen, in diesen Bereich zu investieren und die Technologie weiter auszubauen.
Schlussfolgerung
Luftschalter sind entscheidend für die Funktionsweise von E-Zigaretten, indem sie durch die Erkennung von Luftstromveränderungen die Aktivierung oder Deaktivierung der Geräte ermöglichen. Sowohl Elektret- als auch Silizium-Luftschalter haben ihre eigenen Vorteile und Herausforderungen. Mit der Weiterentwicklung der Silizium-Luftschalter und ihrer vielen Vorteile in Bezug auf Miniaturisierung und Leistung wird erwartet, dass diese Technologie in der Zukunft noch weiter an Bedeutung gewinnen wird.
