一種調節溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調溫方法與流程
2024-03-30 19:07:05
本發明涉及溫度控制技術領域，尤其涉及一種調節溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調溫方法。
背景技術：
溫度控制在各行各業中有著廣泛的應用需求。一個典型的溫控系統主要包括兩部分，一部分是加熱器或製冷器，另一部分是溫控儀表或溫控電路。隨著電子器件的小型化，出現了越來越多的利用薄膜或厚膜技術製備的小型化的加熱器。
這些厚/薄膜加熱器在具體應用時，其溫場均勻性都需要滿足某種程度的要求。例如在微型色譜中就要求整個色譜溝槽內的溫度儘可能均勻，如果不同的位置存在較大的溫差，將導致色譜峰嚴重展寬而大大降低色譜柱的分離性能。
影響溫場均勻性的因素主要有如下兩點：
1)基板材料的導熱性
厚/薄膜加熱器都是通過在基板材料上布設加熱線，加熱線通電發熱後，再將熱量傳遞到周圍的基板材料上。因此，基板材料的導熱性對溫度均勻性有重要影響，已經商品化的柔性薄膜加熱器採用聚醯亞胺(PI)等聚合物作基底，聚合物的低導熱性不可避免地導致這類加熱器的溫度均勻性較差。而矽有良好的導熱性，因此現有的微型色譜多採用矽作為基底。
2)加熱線條的幾何布局
現有的厚/薄膜加熱器通常都是沉積在一個平板狀的基底上，採用光刻或絲網印刷技術形成加熱線條。加熱線條的形狀主要有：(1)蛇形，參見文獻①Design and fabrication of micro hydrogen gas sensors using palladium thin film.Mater ChemPhys,2012,133:987；②空間用薄膜電加熱器設計及熱均勻性測試，太空飛行器環境工程，2013,30:417；③特開2004-79492等。(2)圓環形，參見文獻④特開2005-183272；⑤特開2000-150119等。(3)任意蜿蜒盤繞的形狀，參見文獻⑥特開2009-176502。為實現均勻加熱，目前的技術手段大多是將加熱絲均勻地布設在整個預加熱的面積之上。但上述設計沒有充分考慮熱傳導的邊界條件，即加熱器中心部位散熱慢，而邊緣部位散熱快。因此，均勻布設加熱絲的方法不可避免地導致加熱器中心部位溫度高，而邊緣部位溫度低，正如參考文獻①②的測試結果。例如在文獻①中，加熱的材料體系為2μm氮化矽/30nm五氧化二鉭/300nm鉑/500nm氧化矽複合多層膜，其中鉑加熱膜的形狀為規則的蛇形，當中心溫度加熱到154℃時，次邊緣的溫度僅有140℃左右，溫度的相對誤差高達10％。
因此，現有技術中，在採用薄膜加熱器對基底進行加熱時，存在著加熱溫度不均勻的技術問題。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種調節溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調溫方法，解決了現有技術中加熱器存在的溫度不均勻的技術問題，進而實現了能夠提高溫場均勻性的技術效果。
本發明的技術方案是一種調節溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器，包含一個基板和沉積在所述基板上的一個蛇形薄膜加熱線，基板為長方形或平行四邊形或正方形，蛇形薄膜加熱線由多條彼此平行的加熱線段以及連接線構成，每條加熱線段的形狀為中部寬兩端窄，相鄰加熱線段的間距不相等或線寬不相等或間距與線寬皆不相等。
進一步的，所述加熱線段的線寬相等而間距不相等時，間距在基板中心部位大而在兩端處小。間距指相鄰加熱線段之間的距離。
進一步的，所述加熱線段的間距相等而線寬不相等時，線寬在基板中心部位大而在兩端處小。
進一步的，每條加熱線段的中部寬而兩端窄的優化外形為一對圓弧。
進一步的，所述連接線為短直線或180°圓弧線。
進一步的，所述蛇形薄膜加熱線的材料包括鉑、金、銅、鎢單質金屬及其合金，以及鎳鉻合金、摻雜多晶矽。
進一步的，所述基板為平板薄片狀，材料包括半導體基片、玻璃片、陶瓷片、石英片、表面鈍化的金屬片、單層介質薄膜、多層介質薄膜、多層介質/金屬複合薄膜、柔性聚合物薄膜。
本發明還提供了一種調節溫度均勻性的調溫方法，包含一個二維平板薄片狀基板和沉積在所述基板上的一個蛇形薄膜加熱線，所述蛇形薄膜加熱線由多條彼此平行的加熱線段以及連接線構成，在基板的橫向上，通過調節每條加熱線段的間距或線寬或二者同步聯調來提高橫向溫度均勻性，在基板的縱向上，通過將每條加熱線段調節為中間寬而兩端細的形狀來提高縱向上的溫度均勻性。
進一步的，在基板的橫向上，調節為所述基板中心部位的相鄰加熱線段的間距比兩端處相鄰加熱線段的間距寬。
進一步的，在基板的橫向上，調節為基板中心部位加熱線段的線寬大於兩端處加熱線段的線寬。
本發明的有益效果是：由於考慮了加熱器散熱的邊界條件，因此加熱器不再採用等功率設計的方案，而是從縱向和橫向即基板的長邊和基板的短邊兩個方向上同時調整加熱線段的線寬和彼此之間的間距，使得加熱器中心區域功率稍小，而邊緣功率增大，從而有效地改善了加熱器的溫度分布的均勻性，在蛇形薄膜加熱線盤繞面積不變的情況下，獲得了更大的溫度一致性的面積。
附圖說明
圖1為蛇形等間距加熱器的電極圖形；
圖2為蛇形等間距加熱器的二維分布圖；
圖3為蛇形等間距加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖；
圖4為蛇形變間距加熱器的電極圖形；
圖5為蛇形變間距加熱器的二維分布圖；
圖6為蛇形變間距加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖；
圖7為本發明實施例1的加熱器的電極圖形；
圖8為本發明實施例1的加熱器的二維分布圖；
圖9為本發明實施例1的加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖；
圖10為本發明實施例2的加熱器的電極圖形；
圖11為本發明實施例2的加熱器的二維分布圖；
圖12為本發明實施例2的加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖。
其中：1為薄膜加熱線，2為基板，S1、S2、S3、S4；S1′、S2′、S3′、S4′分別為加熱線段不同位置之間的間距，W1、W2、W3、W4、W5；W1′、W2′、W3′、W4′、W5′為不同位置加熱線段的線寬，L1、L2分別為縱向、橫向有效距離。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進行進一步詳細說明。
本發明實施例通過提供一種調節溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調溫方法，解決了現有技術中加熱器存在溫度不均勻的技術問題，進而實現了能夠改善溫度均勻性的技術效果。
為了解決現有技術中加熱器存在的溫度不均勻的技術問題，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對本發明的技術方案進行詳細的說明。
現有的技術中，加熱線的間距是固定不變的，例如圖1所示，氮化矽薄膜基板的尺寸為7.5mm×3.5mm×1um，其上沉積有鉑膜加熱器，膜厚為200nm；鉑膜加熱器呈蛇形盤繞在氮化矽基板上，共9根線段，每條線段的線寬都是一樣的，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；相鄰線段之間同樣採用線寬為400um的小直線連接；相鄰線段之間的間距自內向外分別表示為S1、S2、S3、S4，並全都等於400um，這樣薄膜加熱線覆蓋的基板面積為6.8mm×2.8mm。基於焦耳熱和熱的傳遞方式的基本理論，通過COMSOL軟體進行加熱溫度仿真。
在仿真過程中使用傳熱中的焦耳熱模塊，在傳熱過程中，重點考慮傳導與對流傳熱，輻射熱忽略不計，當給加熱線兩端施加定值電壓時，傳熱平衡後氮化矽薄膜基板的二維溫度分布如圖2所示。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖3(a)所示，其在縱向中心有效區域1000～6500um內(不涵蓋最外端的2根加熱線)產生的溫差為17K。基板中心沿Y軸(橫向)的溫度分布截圖如圖3(b)，在橫向中心有效區域500～3000um內(涵蓋部分連接線)，產生的溫差為24K。可見，加熱器中心的溫度最高，周圍溫度最低，溫度梯度大。沿X軸方向由裡向外溫度呈快速的振蕩下行趨勢，這是由於鉑金加熱線的溫度皆比其相鄰的氮化矽薄膜基板的溫度略高，而沿Y軸方向由裡向外溫度呈更快的單調下降趨勢。出現上述溫度分布的原因是由於加熱器中心部位散熱慢，而邊緣部位散熱快的緣故。說明等間距布設加熱線的方案沒有考慮散熱的邊界條件，因此不可避免地導致中心與邊緣處存在較大的溫差。
因此，欲改善現有的蛇形加熱器的溫度均勻性，需要降低中心部位的加熱功率而相應地增加邊緣部位的加熱功率。下面我們通過改變加熱線的電極間距的方法，以優化加熱線的幾何布局。在圖1的基礎之上，保持線寬不變，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；調整加熱線之間的間距S1＝450um，S2＝S3＝400um，S4＝350um，如圖4所示。薄膜加熱線覆蓋的基板面積與圖1完全一樣。傳熱平衡後氮化矽薄膜基板的二維溫度分布如圖5所示。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖6(a)所示，其在縱向中心有效區域1000～6500um內產生的溫差為8.2K，與圖1的等間距電極結構相比，溫度均勻性有了明顯改善。在該方向上，並不是處於最中心位置的加熱線的溫度最高，而是中心向外的第3根加熱線的溫度最高。基板中心沿Y軸(橫向)的溫度分布截圖如圖6(b)，在橫向中心有效區域500～3000um內，產生的溫差為20K，溫度分布的變化不大。由此可見，僅僅通過調整每條加熱線間距的方法，或基於同樣的原理，僅僅改變線寬或同步聯調線寬和間距的方法，只能改變單一方向(本例為X軸縱向)上加熱器的溫度均勻性，而在與之相垂直的方向上(本例為Y軸橫向)上加熱器的溫度均勻性並沒有得到改善。這是由於每條加熱線的線寬和間距仍然是處處一致的，導致加熱功率在橫向上處處相等，無法達成在中心區域減少功率的設計要求。
基於上述分析，為了進一步改善加熱器在橫向上的溫度均勻性，需要拋棄現有的每條加熱線的線寬恆定的技術方法，而採取線寬處處都不一致的新思路，具體地，每條加熱線都是中心處最寬，兩頭最窄，線寬從中間向兩端單調遞減。
實施例1
在本發明的實施例1中，一方面在縱向上調節每條加熱線段的間距，同時在橫向上調節每條加熱線段的線寬。具體方法如下：首先按圖4所示的電極結構調節每條加熱線段之間的間距，在此基礎之上，對每條加熱線段進行了變線寬優化，使得每條加熱線段的中心處最寬而兩端處最窄。優化時，首先保持每條加熱線段在中心處的線寬和間距不變，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；S1＝450um，S2＝S3＝400um，S4＝350um。然後將兩端處的線寬皆收窄為W1′＝W2′＝W3′＝W4′＝W5′＝200um，相應地間距依次增大為S1′＝650um，S2′＝S3′＝600um，S4′＝550um。同時，加熱線段之間的連接線的線寬同步縮小至300um，並保持蛇形薄膜加熱線覆蓋的基板面積不變。最後對於每條加熱線段，根據已經確定坐標的六個點(2個中心點和4個端點)用一對圓弧進行連接，構成了如圖7所示的每條加熱線段的圖形。採用傳熱平衡後氮化矽薄膜基板的二維溫度分布如圖8所示，可見基板上的溫度最高點已經不在中心或靠近中心的某個加熱線段上，而是在次中心連接線的拐彎處。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖9(a)所示，其在縱向中心有效區域1000～6500um內產生的最大溫差為9.1K。基板中心沿Y軸(橫向)的溫度分布截圖如圖9(b)所示，表現出中間低而兩端高的馬鞍形狀，在橫向中心有效區域500～3000um內，溫差大幅縮小至8.6K。需要指出的是，圖9(b)所示的溫度斷面並沒有穿過基板上溫度最高的點，若在該點進行斷面，所得溫度截面的形狀與圖9(b)類似，僅僅是馬鞍處的凹陷更深，而在L2考察範圍內的溫差變化並不大。可見，採用本實施例的方法，可以在縱向和橫向兩個方向上獲得溫度均勻性的明顯改善。
實施例2
為了進一步改善溫度分布的均勻性，在實施例2中，我們通過同步聯調每條加熱線段的線寬及間距的方法，進一步提高該方向上的溫度均勻性。具體方法如下：首先在常規的等線寬等間距電極結構(圖1)的基礎之上，調節為變線寬變間距結構：即調整為W1＝380um，W5＝310um，而W2、W3、W4均保持400um不變；加熱線段之間的間距S1＝410um，S2、S3、S4均為350um。需要說明的是，當單獨採用變間距或變線寬調節方法時，都要求線寬或間距在加熱器的中心部位大，而在邊緣部位小；但當採用線寬與間距聯調方法時，可不受上述要求限制。第二步，對每條加熱線段進行了變線寬優化，使得每條加熱線段的中心處最寬而兩端處最窄。優化時，首先保持每條加熱線段在中心處的線寬和間距不變，即W1＝380um，W2＝W3＝W4＝400um，W5＝310um；S1＝410um，S2＝S3＝S4＝350um。然後將兩端處的線寬依次收窄為W1′＝W2′＝W3′＝W4′＝300um，W5′＝200um，相應地間距依次增大為S1′＝500um，S2′＝S3′＝450um，S4′＝455um。最後對於每條加熱線段，根據已經確定坐標的六個點(2個中心點和4個端點)用一對圓弧連接，而相鄰加熱線段之間採用了180°圓弧連接，構成了如圖10所示的加熱器圖形。傳熱平衡後氮化矽薄膜基板的二維溫度分布如圖11所示，可見在中心區域一個很大的面積內幾乎沒有等溫線的分布，表明在該區域內的溫差僅有約3K。整個基板的溫度最高點出現在180°連接圓弧處，但幾乎整個內圓弧都被一個等溫線覆蓋，其溫度的均勻性比實施例1更好。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖12(a)所示，其在縱向中心有效區域1000～6500um內產生的溫差為6.7K。基板中心沿Y軸(橫向)的溫度分布截圖如圖12(b)所示，該截面圖穿過了圓弧處的溫度最高區域，同樣呈馬鞍形，但在有效區域500～3000um內的溫差很小，僅為4.9K。可見，採用實施例2的方法，不僅在橫向上獲得溫度均勻性的良好改善，在縱向上的溫度均勻性與實施例1相比也有了大幅度的提高。
儘管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。