TWI685275B - 具有低漂移電阻反饋之電氣加熱器 - Google Patents

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菲利浦 史密特
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梅麗莎 蘭漢
保羅 瓦勒查維克
布列塔尼 菲利浦斯
馬克 艾弗利
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Abstract

加熱器包括至少一電阻元件。該至少一電阻元件包括具有高電阻溫度係數(TCR)的材料，俾使該電阻元件用作加熱器和用作溫度感測器，該電阻元件係選自由大於約95%的鎳、鎳合金、鎳銅合金、不銹鋼、鉬-鎳合金、鈮、鎳-鐵合金、鉭、鉬、鋯、鎢、鉬、尼賽爾(Nisil)、和鈦所構成之群組的一材料。在一形式中，該加熱器為帶有緊密的MgO絕緣和金屬護套的管狀加熱器。

Description

具有低漂移電阻反饋之電氣加熱器
本申請案關於電氣加熱器，更尤其關於帶有改良的溫度感測能力的電氣加熱器。
此部分的陳述僅提供關於本揭示內容的背景資訊，並不構成現有技術。
管式加熱器、筒式加熱器、和電纜加熱器為管類加熱器，其通常用於空間有限的應用中。假使需要的話，可將一或複數個溫度感測器連接至加熱器，以測量和監測該加熱器及/或周圍環境的溫度。用於將溫度感測器連接至外部控制系統的溫度感測器和相關的導線可消耗為加熱器預留的寶貴空間，使得加熱器的安裝更困難。當安裝帶有多個感測器的多個加熱器時尤其如此。
在一形式中，提供包含帶有高電阻溫度係數(TCR)的電阻元件的加熱器，使得該電阻元件用作一加熱器和用作一溫度感測器，該電阻元件為具有大於約95%鎳的材料。
在另一形式中，提供包含帶有高電阻溫度係數(TCR)的電阻元件的加熱器，使得該電阻元件用作一加熱器和用作一溫度感測器，該電阻元件具有至少約1,000 ppm的TCR，以及在約500°C-1,000°C的溫度範圍之小於約1%的溫度漂移。
在又一形式中，提供包含帶有高電阻溫度係數(TCR)的電阻元件的加熱器，俾使該電阻元件用作一加熱器和用作一溫度感測器，該電阻元件係選自由大於約95%的鎳、鎳銅合金、不銹鋼、鉬-鎳合金、鈮、鎳-鐵合金、鉭、鉬、鋯、鎢、鉬、尼賽爾(Nisil)、和鈦所構成之群組的一材料。
在另一形式中，提供包括至少一電阻元件的加熱器，該電阻元件包含具有高電阻溫度係數(TCR)的材料並且具有選自由鎳、鎳-鉻合金、鐵-鉻-鋁合金、鋁化鎳、和貴金屬所構成之群組的塗佈材料，俾使該電阻元件用作一加熱器和用作一溫度感測器。
在另一形式中，提供包含複數個獨立地可控制區域的加熱器，各個獨立地可控制區域包含由具有高電阻溫度係數(TCR)的材料製成的電阻元件，以及具有選自由鎳、鎳-鉻合金、鐵-鉻-鋁合金、鋁化鎳、和貴金屬所構成之群組的塗佈材料，俾使該電阻元件用作一加熱器和用作一溫度感測器。
從本案提供的說明，其他適用性領域將變得顯而易見。應理解的是，該說明和明確示例僅旨在用於說明的目的，並不意欲限制本揭示內容的範疇。
以下說明本質上僅為示例性，並不意欲限制本揭示內容、應用或用途。例如，本揭示內容的以下形式可與半導體製程中的靜電吸盤或熱交換器一起使用。然而，應理解的是，本案提供的加熱器和系統可用於各式各樣的應用，並不限於半導體製程應用。
參照圖1，根據本揭示內容的一形式的加熱器系統10包括加熱器控制模組20和加熱器30。該加熱器控制模組20包括雙線控制器22，其包括溫度測定模組24和電源控制模組26。該雙線控制器22係經由一對電引線28與該加熱器30連通。該加熱器30可為筒式加熱器30並且通常包括核心本體32、以電阻導線形式纏繞在該核心本體32上的電阻元件34、在其內包覆該核心本體32和該電阻元件34的一金屬護套36、以及填充金屬護套36空間的絕緣材料38，以使該電阻元件34與該金屬護套36電氣絕緣，並使來自該電阻元件34的熱量熱傳導至該金屬護套36。該核心本體32可由陶瓷製成。在本揭示內容的一形式中，該絕緣材料38可為緊密的氧化鎂(MgO)，更明確地，至少50%的MgO。複數個電源導體42沿著縱向方向延伸穿過該核心本體32並且電氣連接至該電阻元件34。該電源導體42亦延伸穿過密封該外部護套36的末端件44。該電源導體42係經由一對電引線28連接至該雙線控制器22。筒式加熱器的各式結構與進一步結構和電氣細節係在美國專利第2,831,951號和第3,970,822號中更詳細地陳述，該等與本申請案係共同轉讓且其內容係以參照整體方式併入本案。因此，應理解的是，本案例示的形式僅為示例性，不應被解釋為限制本揭示內容的範疇。另外，可根據本揭示內容的教示採用除了圖1顯示的匣式加熱器30之外的其他類型的加熱器，其在下文中將更詳細地說明。
雙線控制器22，其中一形式為以微處理器為主，其包括溫度測定模組24和電源控制模組26。如圖所示，加熱器30經由單組電引線28連接至雙線控制器。電源係經由該電引線28提供至該加熱器30，且經由該同一組電引線28提供該加熱器30的溫度資訊命令該雙線控制器22。更明確地，該溫度測定模組24基於電阻元件34的計算電阻測定該加熱器30的溫度，隨後將信號發送至該電源控制模組26，以相應地控制該加熱器30的溫度。因此，僅需要一組電引線28而非一組用於加熱器以及一組用於溫度感測器。
為了使電阻元件34除了具有加熱器元件之外亦具有溫度感測器的功能，該電阻元件34為具有相對高的電阻溫度係數(TCR)的材料。當金屬電阻隨溫度而增加時，在任何溫度t (°C)下的電阻為： R = R0 (1+ at) (方程式1) 其中：R0 為某參考溫度下的電阻(通常為0°C)，a為電阻的溫度係數(TCR)。於是，為了測定加熱器的溫度，電阻元件34的電阻係由雙線控制器22計算。在一形式中，橫跨電阻元件34的電壓及流經其上的電流係使用雙線控制器22測量，並且電阻元件34的電阻係基於歐姆定律計算。使用方程式1、或使用在電阻式溫度檢測器(RTDs)的溫度測量領域中技術人員習知的類似公式、以及習知的TCR，隨後計算電阻元件34的溫度並將其用於加熱器控制。
因此，在本揭示內容的一形式中，係使用相對較高的TCR，俾使小的溫度變化產生較大的電阻變化。因此，包括例如鉑(TCR=0.0039 Ω/ Ω /ºC)、鎳(TCR=0.0041 Ω / Ω /ºC)、或銅(TCR=0.0039 Ω / Ω /°C)、以及其等合金的材料的配方被用於電阻元件34。雙線加熱器控制系統已揭露在美國專利第7,601,935號和第7,196,295號，以及審查中的美國專利申請序號11/475,534，該等與本申請案係共同轉讓且其內容係以參照整體方式併入本案。
在另一形式中，電阻元件34的材料在至少與電阻元件34的工作溫度範圍部分地重疊的溫度範圍隨溫度增加而具有負的電阻率變化。帶有該材料的電阻元件34的功能在標題為“HEATER ELEMENT HAVING TARGETED DECREASING TEMPERATURE RESISTANCE CHARACTERISTICS”的美國專利申請第15/447,994號中更詳細地說明，其與本申請案係共同轉讓且其內容係以參照整體方式併入本案。
該電阻元件34可包括選自由鎳、鎳銅(譬如，Monelâ brand)、不銹鋼(譬如304L)、鉬-鎳合金、鈮、鎳-鐵合金、鉭、鋯、鎢、鉬、尼賽爾(帶有微量Mg的鎳-矽)、和鈦、以及其等的組合、等等所構成之群組的材料。具有相對高的TCR的電阻元件34能夠僅經由兩導線(即，電引線對28)進行電阻反饋控制。
例如，採用至少約1,000 ppm的TCR，以及本揭示內容的教示預期到在約500°C -1000°C的溫度範圍內，在各式各樣的操作範圍內的溫度漂移小於約1%。
參照圖2至5，除了使用的核心本體的數目和電源導體的數目以外，加熱器50可為具有類似於圖1構造的匣式加熱器50的形式。更明確地，該匣式加熱器50各者包括複數個加熱器單元52、與其中包圍該複數個加熱器單元52的外部金屬護套54 (僅顯示在圖2)、以及複數個電源導體56。在該複數個加熱單元52與該外部金屬護套54之間設置絕緣材料(未在圖2至圖5顯示)，以使該加熱器單元52與該外部金屬護套54電氣絕緣。該複數個加熱器單元52各者包括核心主體58以及圍繞該核心主體58的電阻加熱元件60 (在圖5中清楚地顯示)。各個加熱器單元52的電阻加熱元件60可界定一或多個加熱電路，以界定一或多個加熱區62。
在本發明的形式中，各個加熱器單元52界定一加熱區62，並且該複數個加熱器單元52沿著縱向方向X排列。因此，筒式加熱器50界定沿縱向方向X對齊的複數個加熱區62。各個加熱器單元52的核心本體58界定複數個通孔/孔64，以允許電源導體56延伸穿過其中。
將該加熱器單元52的電阻加熱元件60連接至電源導體56，該電源導體56又連接至加熱器控制模組20(如圖1顯示)。該電源導體56從包括電源供應裝置(未顯示)的電源控制模組26供電至複數個加熱器單元50。藉由將該電源導體56適當地連接至電阻元件60以及藉由將電源適當地供應至全部電源導體56中的僅僅一些電源導體，複數個加熱單元52的電阻元件60可被加熱器控制模組20的電源控制模組26獨立地控制。如此，對於特定加熱區 62的一電阻元件60的失效將不會影響用於其餘加熱區62的其餘電阻元件60的正常功能。再者，該加熱區62可獨立地控制，以提供所欲的加熱曲線。
在本發明的形式中，使用四個電源導體56用於筒式加熱器50，以對在六個加熱器單元52上的六個獨立電加熱電路供電。具有任意數目的電源導體56以形成任意數目的獨立控制加熱電路以及獨立控制的加熱區62為可行的。
參照圖5，以下解釋該六個加熱器單元52與四個電源導體56之間的連接。為了解釋電源導體56和加熱單元52之間的連接，該電源導體以參考字母A、B、C、D命名。
加熱器單元52的電阻元件60各自連接至四個電源導體A、B、C、D中的二者。複數個加熱器單元52的電阻元件60係連接至不同對的電源導體。例如，加熱器單元52的電阻元件60，以圖5從左至右的順序，分別地連接至電源導體A和B、電源導體A和C、電源導體A和D、電源導體B和C、電源導體B和D、以及電源導體C和D。相鄰匣式加熱器50的縱向端的加熱器單元52的電阻元件60係進一步連接至導線66，該導線66連接至雙線控制器22用於測定設置在導線66之間的電阻元件60的電阻。
電源控制模組26 (僅在圖1顯示)可包括多區域演算法，以關閉或降低傳送到複數個電源導體A、B、C、D中的任何一個的電源位準，藉此啟動相應的加熱器單元52。例如，當電源控制模組26僅供電至電源導體A、B和C並且不供電至電源導體D時，僅僅在圖5的最左側的兩個加熱器單元52被啟動以產生熱量。當電源控制模組26僅供電至電源導體A，B和C並且不供電至電源導體D時，僅僅在圖5的最左側處的兩個加熱器單元52被啟動以產生熱量。藉由仔細地調整各個加熱器單元52的電源以及隨之的加熱區域，可改良筒式加熱器50的整體可靠性。當在匣式加熱器50的特定加熱器單元52處檢測到熱點時，可減少供電至特定加熱器單元52，以避免特定加熱器單元52失效，藉此改良安全性。
可藉由電源控制模組26經由多工、極性敏感開關和其他電路佈局創建較多數目的不同的電熱區62。該電源控制模組26可使用多工或熱陣列的各式排列，以增加在筒式加熱器50內用於給定數目的電源導體的加熱區域的數目。使用熱陣列系統作為電源控制模組26係揭示在美國專利第9,123,755號、第9,123,756號、第9,177,840號、第9,196,513號，以及共同待審申請案，美國第13/598,956號、第13/598,995號、和第13/598,977號。該等專利與共同待審的申請案與本申請案係共同轉讓且其內容係以參照整體方式併入本案。
一般而言，該電源控制模組26以包括控制系統的一形式，該控制系統週期性地對參考溫度的測量電阻值進行比較，以隨時間調整電阻漂移。該控制系統亦可變化電源信號的電壓，以適應本案書名的各式加熱器的電阻和瓦特密度的範圍。該電源控制模組26亦可進一步為例如在2016年6月15日提申之共同待審的申請案序列號62/350,275中所揭示的電源控制模組，其與本申請案共同擁有且其整體內容係以參照整體方式併入本案。
更明確地，該電源控制模組26可包括控制電路或基於控制器的微處理器，該控制器係組配成接收感測器的測量結果並基於該測量結果實施控制算法。在一些示例中，該電源控制模組26可測量複數個加熱器單元52中的一或多個電阻元件60的電氣特性。此外，該電源控制模組26可包括及/或控制複數個開關，以決定基於該測量結果將電源如何提供至加熱器單元52的各個電阻元件60。
參照圖6，該電源控制模組26可具有複數個電源節點136a、136b、136c、138a、138b、138c。圖5的加熱器單元52的電阻元件60可排列成類似於圖6顯示的熱陣列100，於是可連接在至少三個電源節點對之間。該複數個電阻元件中的電阻元件係連接在各個電源節點對之間。該控制圖已揭示在本申請者的共同待審的申請案13/598,956、13/598,995、和13/598,977，標題為“Thermal ArraySystem”，其係以參照整體方式併入本案。
更明確地，在一示例中，電源係經由如參考標號112、114、116所示的三相電源輸入提供至熱陣列100。該輸入電源可連接至整流器電路118，以提供正直流電(DC)電源線120以及負DC電源線122。該電源可經由六個電源節點分配至熱陣列。控制器110可組配成控制複數個開關，俾使正電源線120可路由至六個電源節點中的任一者，以及負電源線122亦可路由至複數個電源節點中的任一者。
在顯示的實例中，電源節點係組配成兩組節點。第一組節點包括電源節點136a、電源節點136b、和電源節點136c。第二組包括電源節點138a、電源節點138b、和電源節點138c。在顯示的實例中，該熱元件係組配成帶有三組熱元件的矩陣排列，並且每組含有六個熱元件。然而，如本案說明的各實例，可使用更多或更少的節點，再者，熱元件的數目可隨節點的數目相應地增加或減少。
如圖顯示，第一組熱元件160全部連接至節點138a。類似地，第二組熱元件170全部連接至電源節點138b，而第三組熱元件180全部連接至電源節點138c。該熱元件可為加熱器元件。該加熱器元件可由帶有例如溫度相關電阻的導電材料所形成。更明確地，該熱元件可為帶有與溫度相關，例如電阻、電容、或電感之電氣特性的加熱器元件。儘管該熱元件一般亦可分類為耗電元件，例如電阻元件。據此，本案說明的各個實例的熱元件可具有上述特性的任一者。
在各組內，六個熱元件係組配成熱元件對。例如，在第一組160中，第一對熱元件146a包括第一熱元件164與第二熱元件168。該第一熱元件164係組配成與該第二熱元件168電氣並聯連接。再者，該第一熱元件164與單向電路162電氣串聯連接。該單向電路162可組配成允許電流以一方向上流經熱元件164，而不以相反方向流動。如此，單向電路162係以其最簡單的形式顯示為二極管。
第一單向電路162係顯示為二極管，其帶有連接至節點136a的一陰極，與經由熱元件164連接至節點138a的一陽極。以類似的方式，第二單向電路166係顯示為二極管，其帶有經由第二熱元件168連接至節點138a的一陰極，與連接至節點136a的一陽極，藉此例示第一單向電路162的單向特性與第二單向電路166相反。要注意的是，作為單向電路的二極管的實例可僅用一伏特的電源工作，然而，可設計各式其他電路，包括例如使用在較高的電源電壓工作的矽控整流器(SCR)的電路。單向電路的此類實例在下文將更詳細地說明，但可與本案說明的任何實例結合使用。
以類似的方式，第二熱元件168與第二單向電路166電串聯連接，再次以最簡單的形式顯示為二極管。第一熱元件164和第一單向電路162在電源節點138a和電源節點136a之間與第二熱元件168和第二單向電路166並聯。據此，假使控制器110向節點136a施加正電壓以及向節點138a施加負電壓，則電源將施加在第一對146a的第一熱元件164和第二熱元件168上。如上述說明，第一單向電路162係導向在與第二單向電路166相反的方向上。如此，當正電壓施加至節點138a且負電壓施加至節點136a時，第一單向電路162允許電流流經第一熱元件164，但是當正電壓提供至節點136a且負電壓提供至節點138a時，防止電流流動。相反地，當正電壓施加至節點136a且負電壓施加至138a時，允許電流流經第二熱元件168，然而，當極性切換時，藉由第二單向電路166阻止電流流經第二熱元件168。
此外，組內的各個熱元件對連接至第一組電源節點136a、136b、136c的不同電源節點。據此，第一組160的第一對熱元件146a係連接在節點136a和節點138a之間。第二對熱元件146b係連接在電源節點136b和電源節點138a之間，而組160的第三對熱元件146c係連接在電源節點136c和電源節點138a之間。如此，控制器110可組配成藉由連接電源節點138a供電或返回選擇該組元件，隨後熱元件(146a、146b、146c)對可藉由分別地連接節點136a、136b、或136c中的一者來選擇，以供電或返回。再者，控制器110可基於在節點138a和節點136a、136b、及/或136c之間提供的電壓極性選擇提供電源至各對的第一元件或各對的第二元件。
以相同的方式，第二組熱元件170係連接在第二組節點的節點138b與節點136a、136b、和136c之間。如此，可使用電源節點136a來選擇組170的第一對熱元件146d，而組170的第二對熱元件146e和第三對146f可分別地藉由節點136b和136c選擇。
同樣地，第二組熱元件180係連接在第二組節點的節點138c與節點136a、136b、和136c之間。組180的第一對熱元件146g可使用電源節點136a來選擇，而組170的熱元件的第二對146h和第三對146i可分別地藉由節點136b和136c選擇。
對於顯示的實例，控制器110操控複數個開關，以將正電源線120連接至第一組電源節點中的一者，並且負電源線122連接至第二組電源節點，或另擇地，將該正電源線120連接至第二組電源節點，並將負電源線122連接至第一組電源節點。如此，控制器110將控制信號124提供至第一極性控制開關140和第二極性控制開關142。第一極性控制開關140將第一組電源節點連接至正電源線120或負電源線122，而第二極性開關142將第二組電源節點連接至正電源線120或負電源線122。
此外，控制器110將控制信號126提供至第一組電源開關130、132、和134。該等開關130、132、和134將開關140的輸出(正電源線120或負電源線122)分別地連接至第一節點136a、第二節點136b、和第三節點136c。此外，該控制器110將控制信號128提供至第二組電源開關150、152、和154。該等開關150、152、和154將開關142的輸出(正電源線120或負電源線122)分別地連接至第一節點138a、第二節點138b、和第三節點138c。
因此，熱元件(或電阻元件)可藉由將該等熱元件連接至至少三個電源節點、藉由控制相對於另一節點的一節點的極性、或藉由將熱元件連接至可定址的開關來啟動或止動。
而圖6顯示連接至電源控制模組的十六(16)個熱元件，該電源控制模組包括控制器110和各式電源節點和開關，應理解的是，在不逸離本揭示內容範疇的情況下可增加或減少熱元件的數目。例如，圖5的電阻元件60可適當地排列，以形成第一、第二和第三組160、170、180中的任一者，並且連接至控制器110和各式電源節點和開關，俾使控制器110可用於獨立地控制電阻元件的啟動或止動。
利用該結構，筒式加熱器50的複數個加熱區域62可獨立地控制，以變化沿著筒式加熱器50長度的電源輸出或熱量分佈。電源控制模組26可組配成調節電源至各個加熱區域62。例如，複數個加熱區域62可個別地和動態地控制，以響應各式加熱條件及/或加熱需求，包括但不限於個別的加熱器單元52的壽命和可靠性、加熱器單元52的尺寸和成本、局部加熱器通量、加熱器單元52的特性和操作、以及整個電源輸出。
各個電路係個別地控制在所欲的溫度或所欲的電源位準，俾使溫度及/或電源的分配適應於系統參數的變化(譬如製造變異/公差、改變的環境條件、改變的入口流動條件，例如入口溫度、入口溫度分佈、流速、速度分佈、流體組成、流體熱容量、等等)。更明確地，當由於製造變異以及加熱器隨時間的退化程度不同時，加熱器單元52在相同的電源位準下運行時可能不會生成相同的熱輸出。該加熱器單元52可根據所欲的熱分佈獨立地控制調節熱輸出。加熱器系統的組件的個別製造公差和加熱器系統的組裝公差係隨著電源的調變電源而增加，或換句話說，由於加熱器控制的高保真度，個別組件的製造公差不須太緊/窄。
參考圖7，另擇地，圖5的各個熱元件或電阻元件60可與正節點514和負節點516之間的可定址開關電串聯連接。各個可定址開關可為分立元件的電路，該分立元件包括例如晶體管、比較器和SCR’s或例如微處理器、現場可程式閘陣列(FPGA’s)、或特殊應用積體電路(ASIC’s)的積體裝置。信號可經由正節點514及/或負節點516提供至可定址開關524。例如，電源信號可為調頻、調幅，負載循環調變、或包括載波信號，其提供指示該開關或當前啟動的開關的識別之開關識別。此外，可在相同的通信媒體上提供各式命令，例如開啟、關閉、或校準命令。在一示例中，可將三個識別碼傳送至全部可定址開關，允許控制27個可定址開關，並藉此獨立地啟動或停用27個熱元件。各個熱元件522和來自可定址模組520的可定址開關524連接在負節點516的正節點514之間。各個可定址開關可從電源線接收電源和通信，因此亦可單獨地連接至第一節點514及/或第二節點516。
各個可定址模組可具有唯一的ID，並且可基於各個識別碼將其分組。例如，第一行中的全部可定址模組(520、530、532、534、536、538、540、542、和544)可具有第一或一的x識別碼。類似地，第二行中的全部可定址模組(546、548、550、552、554、556、558、560、562)可具有二的x識別碼，而第三行中的模組(564、566、568、570、572、574、576、578、580)具有三的x識別碼。以相同方式，可定址模組(520、530、532、546、548、550、564、566、568)的第一個三列582可具有一的z識別碼。同時，第二個三列584可具有二的z識別碼，而第三個三列586可具有3的z識別碼。類似地，為了定址組內的各個模組，各個可定址模組在各組內具有唯一的y識別碼。例如，在組526中，可定址模組534具有一的y識別碼，可定址模組536具有二的y識別碼，而可定址模組538具有三的y識別碼。
參照圖8，根據本揭示內容的另一形式的加熱器70可為管狀加熱器，其包括以線圈形式的電阻元件72，圍繞該電阻元件72的絕緣材料74，以及圍繞該絕緣材料74的一管狀護套76。該絕緣材料可為帶有所欲的介電強度、導熱性和壽命並可包括氧化鎂(MgO)的材料。該電阻元件72係連接至一對導電針腳78(在圖7中僅顯示一個)，導電針腳從管狀護套76突出經由電引線對28(顯示於圖1)用於連接至雙線控制器24(顯示於圖1)。該電阻元件72生成熱量，該熱量傳遞至管狀護套76，​​該護套接著加熱周圍的環境或部分。該管狀加熱器70可進一步包括用於將管狀加熱器70安裝至例如半導體處理室牆壁之裝置的安裝構件80。
類似於圖1的電阻元件34，該電阻元件72可包括選自由鎳、不銹鋼、鉬-鎳合金、鈮、鎳-鐵合金、鉭、鋯、鉑、鉬、鈦、鎳銅合金、或尼賽爾、等等所構成之群組的材料。包括較高TCR的電阻元件72能夠僅經由兩導線(即，電引線對28)進行電阻反饋控制。為了避免或減少熱漂移，該電阻元件72可進一步包括從由鎳、鎳-鉻合金、鐵-鉻-鋁合金、鋁化鎳、和貴金屬所構成之群組中選擇的一塗層。該塗層可提供更大的穩定性，同時保持足夠高的TCR以用作溫度感測器。
在管狀加熱器70的一形式中，電阻元件72為具有大於約95%鎳的材料以及具有如上文陳述的例如MgO的礦物絕緣材料，以及用於護套76的金屬材料。此明確的加熱器結構提供改良的電阻穩定性和加熱器控制。在本揭示內容的另一形式中，該管狀加熱器結構可進一步與控制技術結合，其包括如本案陳述的各式形式的電源控制模組和控制器，俾使例如溫度漂移的某些材料特性可藉由控制器/電源控制模組進行補償。
參照圖9，根據本揭示內容的另一形式的加熱器可為層狀加熱器90，其包括設置在基板92上的複數層，其中該基板92可為設置在靠近待加熱的部件或裝置的單獨元件，或為其自身的部件或裝置。層狀加熱器為包括由層狀製程形成的至少一功能層的層狀加熱器，其涉及將材料累積或沉積至一基板或另一層。層狀製程可為厚膜、薄膜、熱噴塗、或溶膠-凝膠製程、等等。
如圖顯示，該層狀的一形式包含介電層94、電阻層96、和保護層96。該介電層94提供基板92和電阻層96之間的電氣絕緣，並且以與層狀加熱器90的電源輸出相當的厚度設置在基板92上。該電阻層96設置在介電層92上，並提供根據本揭示內容的兩個主要功能。第一，電阻層96為用於層狀加熱器90的電阻加熱器電路，藉此將熱量提供至基板92。第二，電阻層96亦為溫度感測器，其中該電阻層96的電阻係用於測定層狀加熱器90的溫度。該保護層98為一形式的絕緣體，然而根據特定加熱應用的需求，亦可採用例如導電材料的其他材料，同時保持在本揭示內容的範疇內。
終端墊100係設置在介電層22上並與電阻層96接觸。據此，電引線102與終端墊100接觸並將電阻層96連接至雙線控制器22 (如圖1顯示)用於電源輸入以及用於將加熱器溫度資訊傳輸至雙線控制器14。再者，保護層26係設置在電阻層96之上並且為用於電氣絕緣以及保護電阻層96與操作環境的一形式的絕緣體。由於電阻層96既用作加熱元件又用作溫度感測器，加熱器系統僅需要一組電引線28 (譬如，兩導線)，而非一組用於層狀加熱器90，另一組用於分別的溫度感測器。於是，對於任何給定的加熱器系統的電引線的數目經由使用根據本揭示內容的加熱器系統係減少50%。此外，由於整個電阻層96除了加熱器元件之外仍為溫度感測器，所以與例如熱電偶的許多傳統溫度感測器一樣，溫度係在整個加熱器元件而非在單個點感測。
類似於圖1的電阻元件34，電阻層94可包括選自由鎳、不銹鋼、鉬-鎳合金、鈮、鎳-鐵合金、鉭、鋯、鎢、鉬所構成之群組中的材料。包括較高TCR的電阻層94能夠僅經由兩根導線(即，電引線對28)進行電阻反饋控制。
應理解的是，具有高TCR及/或具有減少熱漂移塗層的電阻元件可應用在本領域中習知的任何加熱器，並且不限於如本案說明的筒式加熱器、管式加熱器、電纜加熱器、和層狀加熱器，或可進一步應用於矽-橡膠加熱器。
如本領域技術人員將容易理解，上述說明旨在作為本揭示內容的原理的例示。本揭示內容並非意在限制本揭示內容的範圍或應用，因為在不逸離如下列申請專利範圍限定的本揭示內容精神的情況下，本揭示內容易於修改、變化和改變。
10‧‧‧加熱器系統20‧‧‧加熱器控制模組22‧‧‧雙線控制器24‧‧‧溫度測定模組26‧‧‧電源控制模組28‧‧‧一對電引線30‧‧‧加熱器32‧‧‧核心本體34‧‧‧電阻元件36‧‧‧金屬護套38‧‧‧絕緣材料42‧‧‧電源導體44‧‧‧末端件50‧‧‧加熱器52‧‧‧加熱器單元54‧‧‧外部金屬護套56‧‧‧電源導體58‧‧‧核心主體60‧‧‧電阻加熱元件62‧‧‧加熱區64‧‧‧通孔/孔66‧‧‧導線70‧‧‧加熱器72‧‧‧電阻元件74‧‧‧絕緣材料76‧‧‧管狀護套78‧‧‧一對導電針腳80‧‧‧安裝構件90‧‧‧層狀加熱器92‧‧‧基板94‧‧‧介電層96‧‧‧電阻層98‧‧‧保護層100‧‧‧終端墊110‧‧‧控制器112‧‧‧三相電源114‧‧‧三相電源116‧‧‧三相電源118‧‧‧整流器電路120‧‧‧正電源線122‧‧‧負電源線124‧‧‧控制信號126‧‧‧控制信號128‧‧‧控制信號130‧‧‧第一組電源開關132‧‧‧第一組電源開關134‧‧‧第一組電源開關136a~136c‧‧‧第一組電源節點138a~138c‧‧‧第二組電源節點140‧‧‧開關142‧‧‧第二極性控制開關146a‧‧‧組160的第一對熱元件146b‧‧‧組160的第二對熱元件146c‧‧‧組160的第三對熱元件146d‧‧‧組170的第一對熱元件146e‧‧‧組170的第二對熱元件146f‧‧‧組170的第三對熱元件146g‧‧‧組180的第一對熱元件146h‧‧‧組180的第二對熱元件146i‧‧‧組180的第三對熱元件150‧‧‧第二組電源開關152‧‧‧第二組電源開關154‧‧‧第二組電源開關160‧‧‧第一組熱元件162‧‧‧單向電路164‧‧‧第一熱元件166‧‧‧第二單向電路168‧‧‧第二熱元件170‧‧‧第二組熱元件180‧‧‧第三組熱元件514‧‧‧第一節點/正節點516‧‧‧第二節點/負節點520‧‧‧第一行的全部可定址模組522‧‧‧熱元件524‧‧‧可定址開關526‧‧‧組530~544‧‧‧第一行的全部可定址模組546~562‧‧‧第二行的全部可定址模組564~580‧‧‧第三行的全部可定址模組582‧‧‧第一個三列584‧‧‧第二個三列586‧‧‧第三個三列A‧‧‧電源導體AB‧‧‧電源導體A和BAC‧‧‧電源導體A和CAD‧‧‧電源導體A和DB‧‧‧電源導體BC‧‧‧電源導體B和CBD‧‧‧電源導體B和DC‧‧‧電源導體CD‧‧‧電源導體C和DD‧‧‧電源導體DC+‧‧‧正直流電DC-‧‧‧負直流電X‧‧‧縱向方向X1~X3‧‧‧1~3的X識別碼Y1~Y3‧‧‧1~3的Y識別碼Z1~Z3‧‧‧1~3的Z識別碼
為了可較佳地理解本揭示內容，現將說明其中以示例方式給出的參考附圖的各式形式，其中：
圖1為根據本揭示內容的一形式包括加熱器控制模組和筒式加熱器的加熱器系統的示意圖；
圖2為根據本揭示內容的另一形式的筒式加熱器的透視圖；
圖3為具有多個區域的筒式加熱器的透視圖，其中為了清楚起見去除絕緣材料和外部護套；
圖4為圖3的加熱器單元的透視圖；
圖5為類似圖3的圖，其顯示複數個電阻元件、複數個電源導體、和一對導線之間的連接；
圖6為雙向熱陣列及用於控制該雙向熱陣列的電源控制模組的示意圖，其使用根據本揭示內容的教示的電阻元件及其材料；
圖7為使用可定址開關於電源控制的熱陣列的示意圖，其使用根據本揭示內容的教示的電阻元件及其材料；
圖8為管式加熱器的示意圖，其使用根據本揭示內容又另一形式的電阻材料及/或控制件；以及
圖9為層狀加熱器的示意剖視圖，其使用根據本揭示內容另一形式的電阻材料及/或控制件。
10‧‧‧加熱器系統
20‧‧‧加熱器控制模組
22‧‧‧雙線控制器
24‧‧‧溫度測定模組
26‧‧‧電源控制模組
28‧‧‧一對電引線
30‧‧‧加熱器
32‧‧‧核心本體
34‧‧‧電阻元件
36‧‧‧金屬護套
38‧‧‧絕緣材料
42‧‧‧電源導體
44‧‧‧末端件

Claims (22)

  1. 一種加熱器系統，其包含：帶有至少1,000ppm之高電阻溫度係數(TCR)的多個電阻元件，俾使該等電阻元件的每一個用作為一加熱器和用作為一溫度感測器，該等多個電阻元件為具有大於約95%鎳的一材料；一加熱器控制模組，其包括：帶有一電源控制模組之一個雙線控制器，該加熱器控制模組比較該等電阻元件中的至少一者之一經測量電阻值與一參考溫度，以隨時間調整電阻飄移，使得該至少一電阻元件之一溫度飄移在約500℃至1,000℃的一溫度範圍為小於約1%；以及具有多個電源節點之一控制系統，其中各個電阻元件係連接在該等多個電源節點中的一第一電源節點和一第二電源節點之間，各個電阻元件係與一組配來啟動和止動該電阻元件的可定址開關連接，且各個電阻元件係藉由該控制系統而獨立地受控制。
  2. 如請求項1的加熱器系統，其進一步包含圍繞各個電阻元件的一絕緣材料，以及圍繞該絕緣材料的一護套。
  3. 如請求項2的加熱器系統，其中該絕緣材料包括氧化鎂(MgO)，並且該護套為一金屬材料。
  4. 如請求項1的加熱器系統，其中各個電阻元件進一步包含選自於由鎳、鎳合金、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鋁鎳化物、鈷合金、鐵合金、和貴金屬所構成之群 組的一塗佈材料。
  5. 如請求項1的加熱器系統，其中該控制系統具有至少三個電源節點，以及該等多個電阻元件中的一電阻元件係連接在每一對的電源節點之間。
  6. 如請求項1的加熱器系統，其中該等多個電阻元件中的一第一電阻元件和一第二電阻元件係連接在該第一電源節點和該第二電源節點之間，而藉由該第一電源節點相對於該第二電源節點的一第一極性，該第一電阻元件被啟動且該第二電阻元件被止動，並且藉由該第一電源節點相對於該第二電源節點的一第二極性，該第一電阻元件被止動且該第二電阻元件被啟動。
  7. 如請求項1的加熱器系統，其進一步包含多個可獨立控制區域，各個可獨立控制區域包括該等多個電阻元件中之至少一者。
  8. 如請求項1的加熱器系統，其中每個電阻元件係選自於由鎳、鎳銅合金、不銹鋼、鉬鎳合金、鈮、鎳鐵合金、鉭、鋯、鎢、鉬、尼賽爾(Nisil)、和鈦所構成之群組的一材料。
  9. 如請求項1的加熱器系統，其中各個電阻元件係藉由一層狀製程形成。
  10. 如請求項1的加熱器系統，其中該電源控制模組係組配來週期地比較該至少一電阻元件之該經測量電阻值與該參考溫度，以在操作期間內隨時間調整電阻飄移。
  11. 一種加熱器系統，其包含：包含多個電阻元件之一加熱器，該等電阻元件係由具有大於約95%鎳和至少約1,000ppm之一高電阻溫度係數(TCR)之一材料製成，使得各個電阻元件用作為一加熱器和用作為一溫度感測器；具有多個電源節點之一控制系統；以及一加熱器控制模組，其包括一與該加熱器連通之雙線控制器，該雙線控制器包含：一溫度測定模組，其基於該等電阻元件中的至少一者之經測量電阻值，測定該加熱器之一溫度；以及一電源控制模組，其組配來接收該等經測量電阻值及比較該等經測量電阻值與一參考溫度，以隨時間調整電阻飄移，使得一溫度飄移在約500℃至1,000℃的一溫度範圍內小於約1%，其中該等電阻元件中之各個電阻元件係連接在該等多個電源節點中的一第一電源節點和一第二電源節點之間，各個電阻元件係與一組配來啟動和止動該各電阻元件的可定址開關連接，且各個電阻元件係藉由該控制系統而獨立地受控制。
  12. 如請求項11之加熱器系統，其中各個電阻元件包括一選自於由鎳、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鋁鎳化物、鈷合金、鐵合金、和貴金屬所構成之群組的一塗佈物。
  13. 如請求項11之加熱器系統，其中該加熱器進一步包含圍繞各個電阻元件之一緊密的氧化鎂絕緣材料及圍繞該絕緣材料之一護套，該護套為一金屬材料。
  14. 如請求項11之加熱器系統，其中該控制系統具有多個電源節點，該等多個電阻元件中之一第一電阻元件和一第二電阻元件係連接在一第一電源節點和一第二電源節點之間，而藉由該第一電源節點相對於該第二電源節點的一第一極性，該第一電阻元件被啟動且該第二電阻元件被止動，以及藉由該第一電源節點相對於該第二電源節點的一第二極性，該第一電阻元件被止動且該第二電阻元件被啟動。
  15. 如請求項11之加熱器系統，其中該控制系統具有至少三個電源節點，以及該等多個電阻元件中的一電阻元件係連接在每一對的電源節點之間。
  16. 如請求項11之加熱器系統，其中該電源控制模組係組配來週期地比較該至少一電阻元件之該經測量電阻值與該參考溫度，以在操作期間內隨時間調整電阻飄移。
  17. 一種加熱器系統，其包含：帶有至少1,000ppm之高電阻溫度係數(TCR)的多個電阻元件，使得該等電阻元件的每一個用作為一加熱器和用作為一溫度感測器，該等多個電阻元件為具有大於約95%鎳的一材料；一加熱器控制模組，其包括帶有一電源控制模組之一個雙線控制器，該加熱器控制模組比較至少一電阻元件之一經測量電阻值與一參考溫度，以隨時間調整電阻飄移，使得該至少一電阻元件之一溫度飄移在約500℃至 1,000℃的一溫度範圍為小於約1%；以及具有多個電源節點之一控制系統，其中該等多個電阻元件中的一第一電阻元件和一第二電阻元件係連接在一第一電源節點和一第二電源節點之間，而藉由該第一電源節點相對於該第二電源節點的一第一極性，該第一電阻元件被啟動且該第二電阻元件被止動，並且藉由該第一電源節點相對於該第二電源節點的一第二極性，該第一電阻元件被止動且該第二電阻元件被啟動。
  18. 如請求項17之加熱器系統，進一步包含圍繞各個電阻元件之一絕緣材料，及圍繞該絕緣材料之一護套。
  19. 如請求項18之加熱器系統，其中該絕緣材料包括氧化鎂，以及該護套為一金屬材料。
  20. 如請求項17之加熱器系統，其中各個電阻元件進一步包含選自於由鎳、鎳合金、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鋁鎳化物、鈷合金、鐵合金、和貴金屬所構成之群組的一塗佈材料。
  21. 如請求項17之加熱器系統，其中該至少一電阻元件係藉由一層狀製程形成。
  22. 如請求項17之加熱器系統，其中該電源控制模組係組配來週期地比較該至少一電阻元件之該經測量電阻值與該參考溫度，以在操作期間內隨時間調整電阻飄移。
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