RU878U1 - Resistive Film Heater - Google Patents

Abstract

Резистивный пленочный нагреватель. содержащий пленку из тугоплавкого соединения, нанесенную на изолирующую основу, отличающийся тем, что пленка выполнена из нитрида титана с содержанием азота не более 50 ат.%.Resistive film heater. containing a film of a refractory compound deposited on an insulating base, characterized in that the film is made of titanium nitride with a nitrogen content of not more than 50 at.%.

Description

Полезная модель относится к области нагревательных устройств, в частности, к резистивным пленочным нагревателям и шлет быть использована в химической промышленности, микроэлектронике, сенсорной технике и в нагревательных устройствах бытового назначения.The utility model relates to the field of heating devices, in particular, to resistive film heaters and is intended to be used in the chemical industry, microelectronics, sensor technology and in household heating devices.

Известен ряд резистивных пленочных нагревателей. В 13 описан резистивный пленочный яагреватезт, представ ля хшй собой резистивную пленку на изолирующей основе. Пленка изготовлена из следующих компонентов: полииэоциануратный аддукт в жшшчестве 30,0-.. S3,5 масс. %, сложный полиэфир-23,5.. 32.5 масс. % графит-37.5.. 44,0 масс. %. Пленка наносится на основу путем пульверизации раствора-взвеси указанных компонентов в органических растворителях и последующей сушки. Нагреватель обеспечивает прогрев поверхностей практически любой формы.A number of resistive film heaters are known. In 13, resistive film jagrevatez is described, which is an insulating base resistive film. The film is made of the following components: polyeocyanurate adduct as a whole 30,0- .. S3,5 mass. %, polyester-23.5 .. 32.5 mass. % graphite-37.5 .. 44.0 mass. % The film is applied to the base by spraying a solution-suspension of these components in organic solvents and subsequent drying. The heater provides heating of surfaces of almost any shape.

йэдостатками этого нагревателя являются: низкая, не выше 285 С рабочая температура,низкая механическая прочность нагревателя, обусловленная наличием в материале нагревателя органических вещэств,использование в технологии изготовления нагревателя токсичных и экологически опасных органических веществ.The drawbacks of this heater are: low, not higher than 285 ° C operating temperature, low mechanical strength of the heater, due to the presence of organic matter in the heater material, the use of toxic and environmentally hazardous organic substances in the heater manufacturing technology.

Другим аналогом заявляемому нагревателю является резистивный пленочный нагреватель,описанный в 23. Этот нагреватель представляет собой пленку металла с гексагональной структурой, преимущественно никеля и/или кобальта, на изолирующей основе. Шталлическая пленка дополнительно содерзкит карбид элемента IV руппы переодической системы, например, карбид кремния, при соотношенииAnother analogue of the inventive heater is a resistive film heater described in 23. This heater is a metal film with a hexagonal structure, mainly nickel and / or cobalt, on an insulating base. The stallic film additionally contains carbide of element IV of the group of the periodic system, for example, silicon carbide, with the ratio

-дГкомпонентов: металл 80. .90 масс. %, карбид 10. .20 масс. %.- dGComponents: metal 80. .90 mass. %, carbide 10. .20 mass. %

Нагреватель характеризуется высокой стабильностью сопротивления в рабочем интервале температур и удовлетворительней механической прочностью. Нагреватель наноситься в водном электролите, имеющем следующий состав: NiSO x7HaO-EO.. 40 г/л, NaGHjOOOx3H 0 -10-15 г/л, (NH2)ACS-0,002..0,003 г/л, НаНгРОгх , 10. .15 г/л, уксусная кислота-б.. 6,5 г/л и мозквт быть выполнен в виде поверхности произвольной формыThe heater is characterized by high stability of resistance in the operating temperature range and satisfactory mechanical strength. The heater is applied in an aqueous electrolyte having the following composition: NiSO x7HaO-EO .. 40 g / l, NaGHjOOOx3H 0-10-15 g / l, (NH2) ACS-0.002..0.003 g / l, NaNgROgh, 10. .15 g / l, acetic acid-b .. 6.5 g / l and the brain can be made in the form of a surface of arbitrary shape

Недостатками этого нагревателя являются: низкая химическая .стойкость.в окислительной,среде,., низкая /-260еС/рабочая температураThe disadvantages of this heater are: low chemical. Resistance. In oxidizing, environment,., Low / -260 ° C / operating temperature

Преодолеть эти недостатки позволяют резистивные пленочные нагреватели на основе оксидов металлов.To overcome these shortcomings allow resistive film heaters based on metal oxides.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является нагреватель, описанный в Ј} и выбранный нами за .: -Реаистивный пленочный нагреватель-прототип содержит пленку из тугоплавкого соединения нанесенную на изолирующую основу. Пленка выполнена из диоксида олова, легированного сурьмой или бором, а в качестве изолирующей основы использован кварц. Нагреватель изготовлялся путем пульверизации пленкообразующего раствора хлористого олова на основу с последующей термообработкой.The closest in technical essence to the claimed one is the heater described in Ј} and chosen by us for it.: Reactive film prototype heater contains a film of a refractory compound deposited on an insulating base. The film is made of tin dioxide doped with antimony or boron, and quartz is used as an insulating base. The heater was made by spraying a film-forming tin chloride solution onto a base, followed by heat treatment.

В1агреватель-прототип позволяет осуществлять нагрев до 1000. .1200вС, является -термостойким в окислительных средах и механически более прочным, чем описанные выше аналоги.The prototype heater B1 allows heating up to 1000. .1200vC, is heat-resistant in oxidizing environments and mechanically more durable than the analogues described above.

Его недостатками являются:Its disadvantages are:

-низкая термическая стойкость в восстановительных средах, обусловленная тем, что диоксид олова способен изменять свое сопротивление вследствие адсорбции на его поверхности восстанавливающих газов и их реакции с поверхностными атомами кислооода 41, а при высоких температурах ЗпОгмолет восстанавливаться до SnO ч Sn С53; -недостаточная для ряда применений механическая прочность; -экологическая опасность,возникающая в процессе изготовления этого нагревателя вследствие ввделения хлористого водорода.- low thermal stability in reducing environments, due to the fact that tin dioxide is able to change its resistance due to adsorption of reducing gases on its surface and their reaction with surface atoms of oxygen 41, and at high temperatures ZnOgmolt is reduced to SnO Sn Sn C53; - mechanical strength insufficient for a number of applications; - environmental hazard arising in the manufacturing process of this heater due to the introduction of hydrogen chloride.

Технической задачей,решаемой полезной моделью, является разработка резисгивного пленочного нагревателя, обладающего высокой механической прочностью и термостойкостью как в окислительных, так и в восстановительных средах. Актуальность решения этой задачи обусловлена расширением использования изделий и устройств с прямым подогревом как в специфических отраслях промышленности: химической технологии, технологии высокочисгых веществ, сенсорной технике, так и в быту.The technical problem solved by the utility model is the development of a resistive film heater having high mechanical strength and heat resistance in both oxidizing and reducing environments. The urgency of solving this problem is due to the expansion of the use of products and devices with direct heating both in specific industries: chemical technology, technology of high purity substances, sensory technology, and in everyday life.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем пленку из тугоплавкого соединения, пленка выполнена из нитрида титана с содержанием азота не более 50 ат. % .The problem is achieved in that in the known device containing a film of a refractory compound, the film is made of titanium nitride with a nitrogen content of not more than 50 at. %

Авторами впервые предлагается выполнение пленки из ранее не применявшегося для этой цели материала-нитрида титана-с определенным содергканием азота в нем.For the first time, the authors propose the implementation of a film from a titanium nitride material not previously used for this purpose, with a certain content of nitrogen in it.

Материал пленки резистивного нагревателя должен удовлетворять следующим требованиям:The film material of the resistive heater must meet the following requirements:

-термостойкость в окислительных и восстановительных средах;- heat resistance in oxidizing and reducing environments;

-хорошая адгезия к основе и механическая прочность как самой пленки, так и системы пленка-основа-good adhesion to the base and mechanical strength of both the film itself and the film-base system

Авторами было установлено, что перечисленным требованиям в наибольшей степени соответствует нитрид титана. До данным С63 температура плавления нитрида титана составляет 2950° С, а температура, при которой наблюдается минимально заметное разложение TiN / т.е.The authors found that titanium nitride is most suitable for the listed requirements. Prior to C63, the melting point of titanium nitride is 2950 ° C, and the temperature at which a minimally noticeable decomposition of TiN / is observed.

давление пара азота над TiN составляет ши Да/ составляет 1600 С. Реакция TiN с кислородом воздуха возможна лишь при температуре, превышающей lEQCfc. С 7. Сведений о каком-либо необратимом изменении свойств нитрида титана вплоть до этой температуры не имеется, поэтому TiN является термостойким в окислительных средах вплоть до температуры . Шведение термостойкости нитрида титана в восстановительных средах ранее не исследовалось.the nitrogen vapor pressure over TiN is WI Da / 1600 ° C. The reaction of TiN with atmospheric oxygen is possible only at a temperature exceeding lEQCfc. C 7. There is no information on any irreversible change in the properties of titanium nitride up to this temperature; therefore, TiN is heat-resistant in oxidizing media up to temperature. The reduction of the heat resistance of titanium nitride in reducing media has not been previously studied.

Авторы впервые провели -испытания, результаты которых показали,The authors conducted the first tests, the results of which showed

что нитрид титана является термостойким как в окислительной, так и в восстановительной средах.that titanium nitride is heat-resistant in both oxidizing and reducing environments.

Существенным признаком предлагаемого нагревателя является определенное содержание азота. Нижний предел содержания азота определяется естественной границей области гомогенности фазы TiN, извесгной из Е8 и составляет 27 ат.% .Верхний предел содержания азога определялся эксперементально. Выло установлено, что при концентрации азота свыше 50 ат. % сверхстехиометрический азот спосбен легко покидать решетку TiN при нагревании. Этот процесс обусловливает необратимое изменение электрофизических свойств пленки во времени, в частности, нестабильность сопротивления. Иными словами, при содержании азота в пленке свыше 50 ат. % температура -разложения - пленки мала и пленка является не термостойкой. Поэтому необходимо, чтобы резистивная пленка содержала азот в количестве не более 50 ат. %. Зависимость термостойкости TiN от содержания азота ранее также не была, известна. Отметим такаве, что пленки нитрида титана обладает хорошей адгезией к большинству изAn essential feature of the proposed heater is a certain nitrogen content. The lower limit of the nitrogen content is determined by the natural boundary of the region of homogeneity of the TiN phase, known from E8 and is 27 at.%. The upper limit of the nitrogen content was determined experimentally. It was found that with a nitrogen concentration of more than 50 at. % super stoichiometric nitrogen is able to easily leave the TiN lattice when heated. This process causes an irreversible change in the electrical properties of the film over time, in particular, the instability of the resistance. In other words, with a nitrogen content of more than 50 at. % temperature - decomposition - the film is small and the film is not heat-resistant. Therefore, it is necessary that the resistive film contains nitrogen in an amount of not more than 50 at. % The dependence of the heat resistance of TiN on the nitrogen content was also not previously known. Note takawa that titanium nitride films have good adhesion to most of

ЛоLo

известных неорганических диэлектриков и собственной высокой микротвердостыо. Более того,известно,что нанесение этих пленок на материал, характеризующийся меньшей твердостью, приводит к существенному упрочнению системы пленка-основа С9.well-known inorganic dielectrics and their own high microhardness. Moreover, it is known that the deposition of these films on a material characterized by lower hardness leads to a significant hardening of the C9 film-base system.

Таким образом, оба предложенных существенных признака являются необходимыми и достаточными.Thus, both of the proposed essential features are necessary and sufficient.

Техническая сущность полезной модели дополнительно схематически поясняется фигурой. На ней приняты следующие обозначения:The technical essence of the utility model is further schematically illustrated by the figure. The following notation is adopted on it:

1-изолирующя основа,1-insulating base

2-пленка,2-film

3-электрические контакты /при необходимости/.3-electric contacts / if necessary /.

Назначение перечисленных элементов: изолирующая основа 1 служит для последующего нанесения на нее токопроводящэй пленки, пленка 2 обеспечивает собственно нагрев, электрические контакты предназначены для подачи на пленку электрического тока. Контакты не являются необходимой частью нагревателя, могут быть частью внешнего устройстваThe purpose of the listed elements: the insulating base 1 serves for the subsequent deposition of a conductive film on it, the film 2 provides proper heating, the electrical contacts are designed to supply electric current to the film. Contacts are not a necessary part of the heater, may be part of an external device

Нагреватель работает следующим образом: на. пленку 2 через электрические контакты 3 подается электрический ток. При этом в пленке выделяется тепло Д&юуля-Ленца, обеспечивающее прогрев. Шщность прогрева регулируется путем управления величиной тока через пленку.The heater works as follows: on. the film 2 through the electrical contacts 3 is supplied with electric current. In this case, the heat of D & julya-Lenz is released in the film, which ensures heating. The heating rate is controlled by controlling the amount of current through the film.

Пример.Example.

Резистивный пленочный нагреватель изготовляли путем нанесения на основу из поликора или стекла СТ-29 пленки нитрида титана.A resistive film heater was made by applying a titanium nitride film to a base from polycor or glass ST-29.

Вредварителъно подложки обезжиривали путем кипячения в четыреххлористом углероде и затем подвергали травлению в царской водке с последующей промывкой и сушкой, методом реактивного магнетронного распыления 103 на поверхность подложек наносили пленку нитрида титана. Распылению подвергали мишень из чистого титана в атмосфере смеси аргона и азота. Давление смеси поддерживалось на уровнеHazardously, the substrates were degreased by boiling in carbon tetrachloride and then etched in aqua regia, followed by washing and drying, and a titanium nitride film was applied on the substrate surface by reactive magnetron sputtering 103. A pure titanium target was sprayed in an atmosphere of a mixture of argon and nitrogen. The pressure of the mixture was maintained at

3,2x10 Па, состав пленок /содержание азота в них/ задавалось путем варьирования содержания газов в газовой смеси. Состав и гомогенность пленок контролировали ренггендифрактометрическими методами. Для определения содержания азота в пленках использовались данные по композиционной зависимости периода решетки фазы TiN по 61. Отметим, что этот метод справедлив лишь в пределах области гомогенности фазы, причем зависимости а от содержания азота различаются для областей избытка и недостатка азота. Шэтому величина концентрации азота для негомогенных пл ;юк и для пленок, содержащих сверхстехиометрический азот, определялась путем соответствующей интерполяции зависимости содержания азота в пленке от его концентрации в газовой смеси. Ба полученные и охарактеризованные таким образом пленки напыляли контакты из никеля.3.2x10 Pa, the composition of the films / nitrogen content in them / was set by varying the gas content in the gas mixture. The composition and homogeneity of the films were controlled by X-ray diffraction methods. To determine the nitrogen content in the films, we used data on the compositional dependence of the lattice period of the TiN phase according to 61. Note that this method is valid only within the region of phase homogeneity, and the dependences of a on the nitrogen content differ for the areas of excess and lack of nitrogen. Therefore, the value of the nitrogen concentration for inhomogeneous films and for films containing superstoichiometric nitrogen was determined by appropriate interpolation of the dependence of the nitrogen content in the film on its concentration in the gas mixture. The films thus obtained and characterized in this way sprayed nickel contacts.

Испытания нагревателя производили путем измерения сопротивления резистивной пленки до и после выдержки при температуре 600°С в течение 60 часов в окислительной /воздух/ или восстановительной :/ воздух, содержащий до 10 об. % водорода или до 5 об% этанола/ средах. Результаты испытаний сведены в таблице.The heater was tested by measuring the resistance of the resistive film before and after exposure at a temperature of 600 ° C for 60 hours in an oxidizing / air / or reducing: / air containing up to 10 vol. % hydrogen or up to 5% vol. ethanol / media. The test results are summarized in the table.

-r-r

сопротивление этого образца было времени испытаний. The resistance of this sample was test time.

Как видно из таблицы, изменение сопротивления образцов с содержанием азота в пленке не более 50 ат.% как в окислительной, так и в восстановительной среде за 60 часов при температуре 600 не привышает 5Ј, за исключением образца №L Отметим, что состав образца N1 находится вне пределов области гомогенности фазы TiN.As can be seen from the table, the change in the resistance of samples with a nitrogen content of not more than 50 at.% In both the oxidizing and reducing media at 60 ° C does not exceed 5Ј for 60 hours, except for sample No. L Note that the composition of sample N1 is outside the region of homogeneity of the TiN phase.

ТАБЖЦА не стабильным в течении всего TABIS is not stable throughout

Из приведенных примеров следует, что заявляемая конструкция нагревателя соответствует предъявляемым к ней требованиям и характеризуется высокой термостойкостью как в окислительных, так и в восстановительных средах. Отметим также, что пленочный резистивный нагреватель обладает высокой механической прочностью, а также хорошими декоративными свойствами.From the above examples it follows that the inventive design of the heater meets the requirements for it and is characterized by high heat resistance in both oxidizing and reducing environments. We also note that the film resistive heater has high mechanical strength, as well as good decorative properties.

Шгерватель целесообразно использовать в химической промышленности, например, для прогрева газовых реагентов в установках химического синтеза, в микроэлектроннике и сенсорной технике, например, для прогрева сенсоров восстанавливающих газов, а также в быту.It is advisable to use a cinder agent in the chemical industry, for example, for heating gas reagents in chemical synthesis plants, in microelectronics and sensor technology, for example, for heating sensors of reducing gases, as well as in everyday life.

макеты1, нагревателей изготовлены, испытаны и показали надежность и устойчивость в эксплуатации. В настоящее время ведется подготовка промышленного производства нагревателей.prototypes1, heaters are made, tested and have shown reliability and stability in operation. Currently, preparations are underway for the industrial production of heaters.

ЛИТЕРАГУРАREFERENCES

1. Состав для резистивного пленочного нагревателя. АС N 1418933 AI СССР, Н 05 В 3/14, авт. И. IL Головач, С. Л Головач, опубл. 23.08. 88, Бюлл.К31.1. Composition for a resistive film heater. AC N 1418933 AI USSR, N 05 V 3/14, ed. I. IL Golovach, S. L Golovach, publ. 08/23. 88, Bull. K31.

Е. Резистивный пленочный нагреватель, АС 1679655 AI СССР, Н 05 В 3/14, авт. Л. С. Герасимович, И. В. Бутыдина и др., опубл. 23.09.91, Бшл. N35.E. Resistive film heater, AC 1679655 AI USSR, H 05 V 3/14, ed. L. S. Gerasimovich, I. V. Butydina and others, publ. 09/23/91, Bshl. N35.

3. Способ изготовления электронагревателя для ультрачистых сред. АС N1663788 AI СССР,Н 05 В 3/16 ,С 03 С 17/22, авт. Г. П. ГЬпов, А. П. Харламов, С. И. Базанов, опубл. 15. 07.91, БИЛЛ. N26.3. A method of manufacturing an electric heater for ultrapure environments. AC N1663788 AI USSR, Н 05 В 3/16, С 03 С 17/22, author. G.P. Gpov, A.P. Kharlamov, S.I. Bazanov, publ. 15.07.91, BILL. N26.

4.6opel W. Solid state chemical sensors: Atomistic models and research trends//Sensors and Actuators.-1989.-Vol. 16,N1,2.-p. 1674.6opel W. Solid state chemical sensors: Atomistic models and research trends // Sensors and Actuators.-1989.-Vol. 16, N1,2.-p. 167

5.Физико-химические свойства окислов/ под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1978.5. Physicochemical Properties of Oxides / Ed. G.V.Samsonova. M .: Metallurgy, 1978.

6.Болгар А. С., Литвиненко В. Ф. Термодинамические свойства нитридов. -Киев.: Наукова думка, 1980.6. Bolgar A.S., Litvinenko V.F. Thermodynamic properties of nitrides. -Kiev: Naukova Dumka, 1980.

7.Еременко Е Е Титан и его сплавы, -изд-во АН УССР, I960.7. Eremenko E E Titanium and its alloys, Publishing House of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, I960.

8.Хансен М. , Андерко И. Структуры двойных сплавов. -М.: Металлургия, 1962.8. Hansen M., Anderko I. Structures of double alloys. -M .: Metallurgy, 1962.

9.Свойства,получение и применение тугоплавких соединений /под ред. Т. Я. Косо дало во и. -М.: Шталлургия, 1986.9. Properties, preparation and use of refractory compounds / ed. T. Ya. Koso gave in and. -M .: Stallurgy, 1986.

10.Технология тонких пленок, 1/под ред. Р. Майсела, Р. Гленга - М.: Советское радио, 1977.10. Thin Film Technology, 1 / ed. R. Maisel, R. Glenga - M .: Soviet Radio, 1977.

Claims (1)

Резистивный пленочный нагреватель. содержащий пленку из тугоплавкого соединения, нанесенную на изолирующую основу, отличающийся тем, что пленка выполнена из нитрида титана с содержанием азота не более 50 ат.%.Resistive film heater. containing a film of a refractory compound deposited on an insulating base, characterized in that the film is made of titanium nitride with a nitrogen content of not more than 50 at.%.