CN106255244A - 一种提高温场均匀性的薄膜加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度控制技术领域，公开了一种提高温场均匀性的薄膜加热器，包含一个基板和沉积在所述基板上的一个薄膜加热线，薄膜加热线以双螺旋的形式盘绕在基板上，薄膜加热线的线宽恒定，间距自中心向边缘依次递减。本发明通过改变加热线电极之间的间距，进而减小中心部位的加热功率而相应增大边缘部分的功率的方法，以弥补中心区域散热慢而周围区域散热快的传热差别，进而实现了能够提高加热器温度均匀性的技术效果。

Description

一种提高温场均匀性的薄膜加热器

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体涉及一种提高温场均匀性的薄膜加热器。

背景技术

温度控制在各行各业中有着广泛的应用需求。一个典型的温控***主要包括两部分，一部分是加热器或制冷器，另一部分是温控仪表或温控电路。随着电子器件的小型化，出现了越来越多的利用薄膜或厚膜技术制备的小型化的加热器。

这些厚/薄膜加热器在具体应用时，其温场均匀性都需要满足某种程度的要求。例如在微型色谱中就要求整个色谱沟槽内的温度尽可能均匀，如果不同的位置存在较大的温差，将导致色谱峰严重展宽而大大降低色谱柱的分离性能。

影响温场均匀性的因素主要有如下两点：

1)基板材料的导热性

厚/薄膜加热器都是通过在基板材料上布设加热线，加热线通电发热后，再将热量传递到周围的基板材料上。因此，基板材料的导热性对温度均匀性有重要影响，已经商品化的柔性薄膜加热器采用聚酰亚胺(PI)等聚合物作基底，聚合物的低导热性不可避免地导致这类加热器的温度均匀性较差。而硅有良好的导热性，因此现有的微型色谱多采用硅作为基底。

2)加热线条的几何布局

现有的厚/薄膜加热器通常都是沉积在一个平板状的基底上，采用光刻或丝网印刷技术形成加热线条。加热线条的形状主要有：(1)蛇形，参见文献①Design andfabrication of micro hydrogen gas sensors using palladium thin film.MaterChem Phys,2012,133:987；②空间用薄膜电加热器设计及热均匀性测试，航天器环境工程，2013,30:417；③特开2004-79492等。(2)圆环形，参见文献④特开2005-183272；⑤特开2000-150119等。(3)任意蜿蜒盘绕的形状，参见文献⑥特开2009-176502。为实现均匀加热，目前的技术手段大多是将加热丝均匀地布设在整个预加热的面积之上。但上述设计没有充分考虑热传导的边界条件，即加热器中心部位散热慢，而边缘部位散热快。因此，均匀布设加热丝的方法不可避免地导致加热器中心部位温度高，而边缘部位温度低，正如参考文献①②的测试结果。例如在文献①中，加热的材料体系为2μm氮化硅/30nm五氧化二钽/300nm铂/500nm氧化硅复合多层膜，其中铂加热膜的形状为规则的蛇形，当中心温度加热到154℃时，次边缘的温度仅有140℃左右，温度的相对误差高达10％。

因此，现有技术中，在采用薄膜加热器对基底进行加热时，存在着加热温度不均匀的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种提高温场均匀性的薄膜加热器，解决了现有技术中加热器存在的温度不均匀的技术问题，进而实现了能够提高温场均匀性的技术效果。

本发明的技术方案是一种提高温场均匀性的薄膜加热器，包含一个基板和沉积在所述基板上的一个薄膜加热线，所述薄膜加热线以双螺旋的形式盘绕在基板上，所述薄膜加热线的线宽恒定，间距自中心向边缘依次递减。

进一步的，所述薄膜加热线间距递减的方式为线性递减或非线性递减。

进一步的，所述双螺旋的形式为方形双螺旋或圆形双螺旋。

进一步的，所述薄膜加热线的材料包括铂、金、铜、钨单质金属及其合金，以及镍铬合金、掺杂多晶硅。

进一步的，所述基板为平板薄片状，所述基板的材料包括半导体基片、玻璃片、陶瓷片、石英片、表面钝化的金属片、单层介质薄膜、多层介质薄膜、多层介质/金属复合薄膜、柔性聚合物薄膜。

采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：

由于考虑了加热器散热的边界条件，因此加热器不再采用等功率设计的方案，而是通过调整多圈加热线彼此之间的间距的方法，使得加热器中心区域功率稍小，而边缘功率增大，从而有效地改善了加热器的温度分布的均匀性，在加热线盘绕面积不变的情况下，获得了更大的温度一致性的面积。

附图说明

图1为双螺旋等间距加热器的电极图形；

图2为双螺旋等间距加热器的二维温度分布图；

图3为双螺旋等间距加热器的截面温度分布图；

图4为本发明的双螺旋线性变间距加热器的电极图形；

图5为本发明的双螺旋线性变间距加热器的二维温度分布图；

图6为本发明的双螺旋线性变间距加热器的截面温度分布图；

图7为本发明的双螺旋非线性变间距加热器的电极图形；

图8为本发明的双螺旋非线性变间距加热器的二维温度分布图；

图9为本发明的双螺旋非线性变间距加热器的截面温度分布图；

图10为本发明的圆形双螺旋非线性变间距加热器的电极图形。

其中：1为薄膜加热线，2为基板，S1、S2、S3、S4分别为由内向外的薄膜加热线之间的间距，L为有效距离。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

为了解决现有技术中加热器存在的温度不均匀的技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。

现有的技术中，加热线的间距是固定不变的，例如图1所示，氮化硅薄膜基板的尺寸为5000um×5000um×1um，其上沉积有铂膜加热器，膜厚为200nm，加热线的线宽为200um；铂膜加热器呈双螺旋状盘绕在氮化硅基板上，共4圈，相邻两圈加热线之间的间距自内向外分别表示为S1、S2、S3、S4，并全都等于200um，这样薄膜加热线覆盖的基板面积为4mm×3.4mm。基于焦耳热和热的传递方式的基本理论，通过COMSOL软件进行加热温度仿真。

在仿真过程中使用传热中的焦耳热模块，在传热过程中，重点考虑传导与对流传热(辐射热忽略不计)，当给加热线一端施加定值电压时，传热平衡后氮化硅薄膜基板的二维温度分布如图2所示。可见，加热器的中间温度较高，周围温度比较低。这是由于加热器中心部位散热慢，而边缘部位散热快的缘故，说明等间距布设加热线的方案没有考虑散热的边界条件，因此不可避免地导致中心与边缘处存在较大的温差。并且由于布线并不完全对称，导致温度梯度在X轴方向上小于Y轴方向。图3所示是从图2的二维温度分布图中截取的基板中心沿X轴的温度分布图，当加热器的最高温度为625℃时，其在中心有效区域3000um内产生的温差为22K。

因此，本专利通过改变加热线电极之间的间距，进而减小中心部位的加热功率而相应增大边缘部分的功率的方法，以弥补中心区域散热慢而周围区域散热快的传热差别。

实施例1

在本发明的实施例一中，将加热线之间的间距由里到外进行线性递减，采用S1＝250um，S2＝200um，S3＝150um，S4＝100um，如图4所示，薄膜加热线覆盖的基板面积略有减小，为3.8mm×3.2mm，而其他参数与图1的情况完全一致。当加热器的最高温度同样达到625℃左右时，其二维温度分布和基板中心沿X轴的断面温度分布分别如图5与图6所示。在中心有效区域3000um内产生的温差为15K，温度的均匀性比等间距的结构有了较大的改善。但总体的温场分布仍然是中心高，边缘低。

实施例2

从实施例1的情况可见，欲进一步改善温度分布，需要进一步减小S4。但由于采用了间距线性递减的方案，实施起来受到的束缚较大。因此在本发明的实施例二中，对间距由里到外进行了非线性递减。采用S1＝300um，S2＝250um，S3＝200um，S4＝100um，如图7所示。薄膜加热线覆盖的基板面积比等间距方案略有增大，为4.1mm×3.5mm，而其他参数与图1的情况完全一致。当加热器的最高温度同样达到625℃左右时，其二维温度分布如图8所示。可见温度最高的那条等温线不再局限在中心的一个小面积内，而是散落在中心的一个异形大区域及其周遭的4个小区域内，使得温度均匀的面积大幅度地提高。基板中心沿X轴的断面温度分布如图9所示，在中心有效区域3000um内产生的温差为5.4K。由此可见，本发明实施方案相比于现有技术温度分布均匀性有明显的提高。

为了对比方便，将上述三个方案仿真的结果归纳在下述表1中。

表1本发明的变间距设计与现有的等间距设计的温度均匀性对比

实施例3

除了方形的双螺旋外，也可采用圆形的双螺旋，如图10所示。该双螺旋加热线共4圈，线宽为200um，加热线之间的间距从内向外依次为S1＝300um，S2＝250um，S3＝200um，S4＝100um。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高温场均匀性的薄膜加热器，包含一个基板和沉积在所述基板上的一个薄膜加热线，其特征在于，所述薄膜加热线以双螺旋的形式盘绕在基板上，所述薄膜加热线的线宽恒定，间距自中心向边缘依次递减。

2.根据权利要求1所述的提高温场均匀性的薄膜加热器，其特征在于，所述薄膜加热线间距递减的方式为线性递减或非线性递减。

3.根据权利要求1所述的提高温场均匀性的薄膜加热器，其特征在于，所述双螺旋的形式为方形双螺旋或圆形双螺旋。

4.根据权利要求1所述的提高温场均匀性的薄膜加热器，其特征在于，所述薄膜加热线的材料包括铂、金、铜、钨单质金属及其合金，以及镍铬合金、掺杂多晶硅。

5.根据权利要求1所述的提高温场均匀性的薄膜加热器，其特征在于，所述基板为平板薄片状，所述基板的材料包括半导体基片、玻璃片、陶瓷片、石英片、表面钝化的金属片、单层介质薄膜、多层介质薄膜、多层介质/金属复合薄膜、柔性聚合物薄膜。