一種在石英燈加熱器的表面塗鍍透射近紅外線多層薄膜的裝置與方法
2023-05-27 17:27:06 5
專利名稱：一種在石英燈加熱器的表面塗鍍透射近紅外線多層薄膜的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種在石英燈加熱器的表面上塗鍍透射近紅外線多層薄膜的裝置，尤其涉及一種用放置在鍍層裝置真空腔裡的電子槍和離子槍在透明石英燈加熱器的表面上塗鍍近紅外線透射多層薄膜濾光器的裝置和方法，按照本技術在透明石英燈加熱器表面上形成能夠透射近紅外線的多層薄膜。
背景技術：
一般來說，光是一種典型的電磁波，根據波長被分為400-800nm的能被人眼所看見和感知的可見光，比可見光波長更短的紫外線，比可見光波長更長的紅外線，比紫外線波長更短的x射線和γ射線，以及比紅外線波長更長的微波和無線電波，如圖1所示。
波長越短，光能量越大。因此，短波長的光諸如紫外線，具有高能量，有著能夠使染料褪色，顯示出高的殺菌功率，或者被物體吸收時引起化學反應等多種作用，因此被稱作「化學射線」。自然地，比紫外線波長更短的光如x射線和γ射線具有更大的能量。同時，紅外線比可見光波長更長，而具有低能量，當被物體吸收時，不是引起化學反應，而是被轉變成熱，因此被稱為「熱射線」。
所有的物體都輻射電磁波，與周圍的環境交換能量。在熱平衡狀態下發出的輻射被稱作「熱輻射」。
太陽表層溫度是大約6000K，它的輻射分布曲線如圖2所示，其中最大分布輻射波長λmax是450nm。一個熱的白熾燈燈絲溫度是大約3000K或者更低，這個溫度隨著外加電壓的變化而變化。因此，其最大波長λmax比太陽光波長更長，所以紅外線主要輻射熱射線。
在白熾燈的輻射分布曲線圖中(圖2)，可見光和熱射線如紅外線一起發射。這是因為，在加熱燈去加熱物體時，所用電能不完全轉換為熱能，其中部分以可見光的形式損耗了。更進一步地，因為可見光比紅外線具有更短的波長，而有更大的能量，它能引起物體的化學變化，從而可能損壞物體。
近年來，一種類似太陽輻射的紅外線的近紅外線，有著0.8-1.4μm的短波長，能轉換為僅對物體輻射而不對空氣加熱的形式，日漸成為人們的興趣點。這樣，使用近紅外線的各種方法都被嘗試。
尤其是，近紅外線被燈的加熱元件如燈絲產生之後，通過作為透明燈的石英管被透射和輻射出來，在用作加熱目的時有許多優點，比如高的加熱效率，對人體的無害性，無汙染，低閃爍和極好地瞬間加熱性能。因此，近紅外線被廣泛使用在家庭、辦公、農業，家畜和工業、乾燥器以及農業加熱器、水產業、以及工業和醫療設備中。
因此，在近紅外線高效透射方面的徹底性研究正在進行中。例如，以從加熱元件如加熱燈中僅發射近紅外射線為目的，一種用於塗鍍燈如透明石英管的表面來選者性透射光的技術已經被提出。
也即，交替性地噴鍍不同折射率和高溫熔點的材料在燈的表面上，形成多層薄膜。這樣，在加熱元件產生的光中，僅有需要的光波被透射，其它的不需要的光波被折射回去。從圖3中可以很容易理解僅透射近紅外線的近紅外線透射濾光器的原理。
在這個方面，美國專利NO.4663557公開了一種光學塗層技術，可以有選擇性的透射指定波長的光而反射其他波長的光，尤其是，使用一個真空噴鍍方法將SiO2和Ta2O5或者TiO2交替噴鍍在透明燈的表面上，形成一個多層薄膜，從而提供一個能在高溫下最大化透射可見光，而最大化反射紅外線和其他電磁波的光學濾波器。
儘管上述發明可用在高溫下(熱源大約是500℃)已被公開，但事實上，它不適合用於形成近紅外透射石英管。另外，上述多層薄膜由於低封裝密度和低附著力，在高溫下長期使用容易被損壞。這樣，由於它的差耐久性，不可能使用上述薄膜作為表面溫度大約為900℃的加熱燈的近紅外透射濾光器。
也就是說，用於近紅外透射多層濾光器和真空塗鍍技術的光學薄膜設計應該具體考慮塗鍍材料的熱性能和真空塗鍍的需要。尤其，鑑於薄膜和石英燈的熱特性在高溫下會改變，應該解決多層薄膜的易毀壞性和由於低粘附力甚至在輕微碰撞下都易從燈脫落下來的問題。
發明內容
因此本發明考慮了現有技術中發生的上述問題。本發明的一個目的是提供一種在透明石英燈加熱器的表面上塗鍍近紅外線透射多層薄膜的裝置與方法，適用於在燈加熱器上僅透射近紅外線的多層薄膜濾光器的塗鍍。
本發明的另一個目的是提供一種在石英燈加熱器的表面上塗鍍近紅外線透射多層薄膜的裝置與方法，適用於具有高耐久性和高粘附力以至在燈加熱器表面溫度約為900℃都不會被損壞的高熱阻抗多層濾光器的塗鍍。
通過提供一種在透明石英燈加熱器的表面上塗鍍近紅外線透射和可見光屏蔽的多層薄膜的裝置達到上述目的，其中包括真空腔，在安裝在該真空腔裡面的石英燈加熱器表面上執行真空塗鍍近紅外線透射多層薄膜；高真空泵，通過位於真空腔一邊的空氣排氣管造成真空腔的高真空狀態；低真空泵，通過位於真空腔另一邊的空氣排氣管造成真空腔的低真空狀態；真空閥，連接真空腔和高真空泵、真空腔和低真空泵、以及高真空泵和低真空泵，以控制在它們之間的空氣流動；旋轉和繞轉支架，其中該支架和安裝在其上面的燈加熱器被放置在真空泵裡，形成以各種徑向為對稱的形狀，如圓柱形或者球形，通過旋轉和繞轉該燈加熱器使塗鍍材料以相同的折射率和厚度塗鍍在燈加熱器的全部表面上，形成一個近紅外線透射多層薄膜；一個電子槍，被放置在真空腔裡用於熔化塗鍍材料使其被蒸發並塗鍍在燈加熱器的表面上；一個離子槍，被放置在真空腔裡，以輻射電子束到被塗鍍在燈加熱器表面上的薄膜上，衝擊該薄膜，從而增加該薄膜的封裝密度；一個薄膜厚度監測儀，被放置在真空腔裡，監測塗鍍在燈加熱器表面的薄膜厚度；一個薄膜塗鍍控制器，控制塗鍍的需求，包括電子槍的電源和裝載塗鍍材料在電子槍的容器中，以根據先前輸入的塗鍍相關數據塗鍍近紅外透射多層薄膜，同時監測從薄膜監測儀提供的薄膜塗鍍狀態；以及一個主控制器，根據預先輸入的信息和一套程序，按照順序操作塗鍍元件，包括真空泵，真空閥，以及旋轉和繞轉支架，電子槍，離子槍，薄膜塗鍍控制器，或停止它們的操作，以自動控制近紅外線透射多層薄膜的塗鍍能。
尤其地，真空腔是垂直的圓柱形形狀，旋轉和繞轉支架以拱形安裝在垂直的圓柱形真空腔的上端部分，以使能旋轉和繞轉燈加熱器，該燈加熱器安裝在拱形的旋轉和繞轉支架上，當多層薄膜塗鍍在其表面上時能夠通過支架的作用去旋轉和繞轉，以及電子和離子槍被放置在真空腔的下端部分。
可選的是，真空腔是水平圓柱形狀，旋轉和繞轉支架安裝在水平的圓柱真空腔上能旋轉和繞轉燈加熱器，燈加熱器安裝在旋轉和繞轉支架上，當多層薄膜塗鍍在其表面上時能夠通過支架的作用去旋轉和繞轉，以及電子和離子槍被放置在真空腔的下端中心部分。
另外，薄膜塗鍍控制器相關的塗鍍數據包括塗鍍材料的封裝密度，塗鍍材料的熔化功率，裂化功率，增加時間，裂化時間，容器，塗鍍材料的塗鍍順序，塗鍍效率，以及塗鍍厚度。燈加熱器的塗鍍材料包括作為基礎材料的SiO2，以及選自Fe2O3、TiO2、AL2O3、ZrO2、CeO2、Ta2O5及其組合物中的任何一種，交替塗鍍它們。
更進一步地，本發明提供一種在石英燈加熱器表面上塗鍍透射近紅外線和阻擋可見光的多層薄膜方法，其中包括裝載一個旋轉和繞轉支架及一個安裝在旋轉和繞轉支架上的石英燈加熱器到真空腔裡，和裝載塗鍍材料到真空電子槍的容器裡，使真空腔從低真空狀態自動變為高真空狀態；自動開啟電子槍的電源和當真空腔達到高真空狀態時向真空腔自動送入含有氧氣或者氬氣的活性氣體；控制旋轉和繞轉支架以預定的速度去旋轉和繞轉燈加熱器；根據薄膜塗鍍控制器輸入的塗鍍程序塗鍍近紅外透射多層薄膜在燈加熱器的表面上，同時旋轉和繞轉燈加熱器，其中薄膜控制器用作控制電子槍的操作以使自動塗鍍近紅外透射多層薄膜同時並實時監測從薄膜厚度監測儀提供的塗鍍信息；以及使真空腔有大氣壓力，且根據輸入的塗鍍程序塗鍍多層薄膜之後，從真空腔移出鍍有近紅外透射多層薄膜的燈加熱器。
根據塗鍍程序執行塗鍍，該塗鍍程序包括塗鍍材料的密封密度，塗鍍材料的熔化功率，裂化功率，增加時間，裂化時間，容器，塗鍍材料的塗鍍順序，塗鍍效率，以及塗鍍厚度。
另外塗鍍方法更進一步地包括，在薄膜被塗鍍到燈加熱器表面之前，輻射離子束在燈加熱器表面，清潔燈加熱器的表面，，因此增加了薄膜的粘附力。並且，塗鍍方法更進一步地包括當薄膜被塗鍍在燈加熱器表面上時用電子槍輻射離子束在薄膜上，由此增加薄膜的密封密度和燈加熱器與薄膜之間的粘附力。
從下面結合附圖的詳細描述中將能更清楚地理解本發明的上述和其它的目的、特徵和其它的優點。其中圖1是基于波長分類的一般電磁波的視圖；圖2是隨太陽光和白熾燈輻射波長變化的一般分布曲線圖；圖3是用普通近紅外透射濾光器的近紅外透射燈加熱器的光譜分布圖；圖4a和4b是根據本發明塗鍍近紅外線透射多層薄膜的裝置的示意圖；
圖5是在本發明中使用的離子槍的視圖；圖6是本發明中使用的石英燈加熱器的視圖；圖7a和7b是根據本發明塗鍍近紅外透射多層薄膜濾光器的過程的流程圖；圖8a和8b是分別根據本發明在真空中和空氣中使用塗鍍裝置的電子槍得到的薄膜頻譜和使用塗鍍裝置的電子槍和離子槍得到的薄膜頻譜的視圖；以及圖9是根據本發明採用SiO2和Fe2O3作為塗鍍材料能夠阻擋可見光的多層薄膜濾光器的近紅外透射頻譜曲線圖。
具體實施例方式
下文中，參考相應附圖詳細描述本發明。
圖4a和4b是根據本發明在石英燈加熱器表面上塗鍍近紅外透射多層薄膜的裝置圖，圖5所示的是在本發明中使用的離子槍。本發明的塗鍍裝置包括真空腔100，石英燈加熱器110，旋轉和繞轉支架120，電子槍130，離子槍150，薄膜厚度監測儀170，高真空泵180，低真空泵190，真空閥181、182、185以及191，氣體送入控制閥131和149，薄膜塗鍍控制器200，以及主控制器300。
真空腔100是一個密封的空間，採用透射近紅外線的薄膜濾光器塗鍍放置在裡面的石英燈加熱器110的表面。燈加熱器110是多個石英管，分別與一個旋轉和繞轉支架120的預定部分相連接，以使當旋轉和繞轉時能夠用近紅外透射多層薄膜濾光器塗鍍。電子槍130放置在真空腔裡，以使塗鍍材料140在燈加熱器110的表面熔化和變成蒸汽。離子槍150被安置在真空腔100裡，用於向塗鍍在石英燈加熱器110表面上的薄膜放射離子束，轟擊薄膜，因此增加了薄膜的密封密度和在燈加熱器和薄膜之間的粘附力。薄膜厚度監測儀170放置在真空腔100裡，用來監測塗鍍在石英燈加熱器110表面上的薄膜狀態。更進一步，高真空泵180和低真空泵190用於通過位於真空腔100預定側的空氣排氣管使真空腔100分別處在高真空狀態和低真空狀態，薄膜塗鍍控制器200作用是控制電子槍130的操作，以根據輸入到薄膜塗鍍控制器200上的塗鍍程序來塗鍍薄膜，並同時監測薄膜厚度監測儀170提供的薄膜塗鍍信息。主控制器300用於根據預先的輸入信息和成套程序，控制旋轉和繞轉支架120、電子槍130、離子槍150、加熱單元160、高真空泵180、低真空泵190、氣體送入控制閥131和149、以及真空閥181、182、185和191的操作，以使近紅外透射多層薄膜塗鍍石英燈加熱器110的表面。
附圖標記120指是旋轉和繞轉支架，該支架和設置在該支架上的燈加熱器一起放置在真空腔裡，能以各種徑向對稱的形狀形成，如圓柱形和球形，以旋轉和繞轉石英燈加熱器110，使多層薄膜能以指定厚度和折射率形成在石英燈加熱器110的全部表面上。另外，附圖標記160是加熱單元，如護套式加熱器或滷素燈加熱器。至少一個加熱單元160放置在真空腔100的指定部分，根據主控制器300的控制運行，在室溫到400℃範圍內加熱石英燈加熱器110的表面，在塗鍍的基礎上，加熱單元160通過加熱塗鍍了鍍層材料的石英燈加熱器的表面來增加塗鍍效率。此外，附圖標記181、185和191指示真空閥，按照主控制器300的控制，用於控制在高真空泵180和真空腔100之間、高真空泵180和低真空泵190之間、在低真空泵190和真空腔100之間的空氣排放。
而且，如圖6所示，石英燈加熱器110包括供電時能產生熱的鎢絲線圈111；把鎢絲線圈111與外界真空密封起來的石英管115，並包含N、He等混合氣體，能夠防止鎢絲線圈111的氧化；以及一個電極117形成在石英電子管115的兩個外端並與鎢絲線圈111相連。燈加熱器110的多元電極117固定在真空腔100裡的旋轉和繞轉支架120的旋轉軸上，因此燈加熱器110根據旋轉和繞轉支架120的旋轉在該燈加熱器裡面的多元電極117上以指定速度繞其軸旋轉和繞轉。
電子槍130和離子槍150以指定的間距放置在石英燈加熱器110的下面，各自旋轉和繞轉。
多層薄膜被塗鍍在石英燈加熱器110的表面上，形成僅透射近紅外線的近紅外透射多層薄膜濾光器。在石英燈加熱器110上的塗鍍材料140，選自SiO2、Fe2O3、TiO2、AL2O3、ZrO2、CeO2、Ta2O5，SiO2用作基本材料，至少一種材料選自上述其他材料。考慮到薄膜的性能和材料價格，最優選的是，上述塗鍍材料140的SiO2和Fe2O3交替被塗鍍。
離子槍150用於在石英燈加熱器110的表面上均勻的輻射大範圍的離子束。
也就是說，離子槍150是一個輔助的塗鍍方式，製造離子束去碰撞用電子槍130塗鍍在燈加熱器110表面上的薄膜。採用適當能量和電流密度的離子束，轟擊該薄膜，打破其排列。因此，薄膜的封裝密度增加，造成薄膜能夠抵擋極端的外部環境條件。
離子槍150能獨立控制離子束的能量和電流，容易移動，並且能改變離子束的輻射方向和離子束的輻射面積的位置和大小。離子槍150根據產生離子的放電方式分為無柵極的端部霍爾離子槍150和作為熱陰極離子槍的有柵極的考夫曼離子槍150，本發明，如圖5所示，採用端部霍爾離子槍150。
端部霍爾無柵極離子槍150用於控制離子束電流密度，以及由於缺少使離子束平行的兩個柵極而劇烈地增加離子束的電流。更進一步，由上述離子槍150製造的離子束被大範圍的輻射。離子束能量低到約50-300eV的程度，並且它的線寬非常寬。
離子槍150的結構和操作如圖5所示，氣體是通過一個位於陽極152下面的氣體分配器153均勻的送入放電室，其中，一個磁鐵156位於該氣體分配器153下面。
從陰極154發射的電子(e-)遷移到高電勢的陽極152，並碰撞中性氣體使該氣體離子化，由於在陽級152周圍有高的氣體密度，等離子體在陽極152附近密度很高。電子螺旋式遷移集中到磁場區域線處，沿著磁場區域線下降。這樣，與磁場區域平行的分量比與磁場區域垂直的分量有著更高的傳導性。
由於在磁場區域垂直方向的傳導性低，在上述方向產生勢差。同樣，磁場區域線幾乎形成一個等電勢線。也就是說，在離子槍150軸的磁場區域線接近負極電位，而在遠離軸線的磁場區域線接近正極電位。因此，在離子槍的中心軸線和其中心軸的徑向方向之間產生電勢差。
並且由於在離子槍縱向方向的非均勻磁場引起等離子體的電勢不同使離子朝軸方向加速移動。在同一個圖中，由於在陽極152附近的磁感應Ba比在陰極154附近的磁感應Bc更大，電荷被迫從高磁場區域到低磁場區域移動。
在這兩個區域的在等離子電勢(ΔV)差由方程1表示，如下方程1ΔV＝KB((Te/e)ln(Ba/Bc))其中Te是電子溫度。陽極152附近的等離子電勢比陰極154附近的要更高，因此離子束朝陰極(154)方向加速移動。
加速陽離子的電場包括一個軸向分量，是由於陽極152和陰極154之間的電壓以及在磁場區域線之間徑向分量的電壓產生。由於電場的軸向分量比其徑向分量更大，大部分離子從陽極152到陰極154加速移動。
在陽極152附近的離子由於在半徑上的電勢差向低電勢的中心軸加速移動。當離子遠離軸半徑方向移動時，它們的電勢再次增加，從而回到中心軸。儘管離子束的加速移動是由電場的軸向分量和徑向分量引起的，但由於電場的軸向分量比其徑向分量更大，離子束被大範圍的輻射時會朝向石英燈加熱器方向移動。在空間不同位置的不同電勢之間產生離子，在相應的位置上產生離子和加速移動。因此，離子束能量與大約60％的陽極電壓一致，它的線寬非常寬。
端部霍爾離子槍150有220eV或者更低的離子束能量，一個大能量線寬，以及一個高離子束電流。更進一步的，由於離子束的發射是很大的，離子束能在寬範圍內輻射。
離子槍150的結構和操作相對簡單，由於不需要光學柵極裝置，相比考夫曼離子槍150，端部霍爾型離子槍150有著更低的離子能量並且輻射範圍更廣，因此，它不會損壞在離子束輔助塗鍍下的薄膜。更進一步，上述離子槍150能在塗鍍之前使用離子束清潔石英燈加熱器110。
在離子束輔助塗鍍中，在離子束和薄膜表面的原子之間的相互作用可以通過熱峰、級聯碰撞、分子動力等理論理解。
熱峰理論說明的是離子束的熱處理，其中薄膜的原子由於離子束的能量部分地被熱處理，使其從晶格內位置移位。當高能量的離子穿過薄膜表面時，他們和表面原子撞擊，然後損失能量。在這種情況下，離子能量轉變為原子的振動能，因此溫度增加，這就是所稱的「熱峰」。在熱峰模型中，溫度通過熱傳導的方式向空間擴散，用於熱處理的薄膜原子使其移位。儘管熱峰理論說明由於離子束的作用使薄膜晶格空位降低，但它不解釋封裝薄膜的原因。
級聯碰撞理論提供成百eV的離子能量通過和薄膜表層原子的撞擊注入到薄膜裡，到達一些原子層。注入的離子連續不斷同表層附近的原子撞擊，以擴散原子，產生聲子，或者形成晶格空位。
在薄膜表面原子和離子的非彈性碰撞下，離子的能量和動量轉移到表面原子上，由此表面原子會從薄膜的表面反彈，或者擴散和注入薄膜。
擴散的原子更進一步同直接位於它們之下的原子碰撞，原子的級聯碰撞使原子延伸到薄膜晶格空位的附近。因此，這些在晶格空位附近的原子被推去佔用這些晶格空位。當離子能量足夠高時，表面下的原子層比表面更密集，這樣，在表層餘留的沒有被佔用的晶格空位造成降低的表面封裝密度。同樣的，上述晶格空位被移動到底層部分其它原子佔用，因此會增加表面封裝密度。當這樣的過程被重複，薄膜漸漸形成密集的薄膜。上述過程被稱作「級聯碰撞理論」。
為了塗鍍密集的薄膜，散射在薄膜中的原子數目受原子離子束的作用，應該比從薄膜中彈回的原子數更多。當每個離子從薄膜彈回的原子數目被定義為濺射域Sy，1/γ比Sy更大，因此1/γ＝Sa/Si》Sy。並且，被每個離子級聯碰撞的移位原子數被定義為X，1/γ應該比Sy更大，X比應該比1/γ更大，因此原子是均勻的混合塗鍍在密集的薄膜上，而沒有晶格空位。
級聯碰撞理論是一個近似的理論，不考慮由離子束造成的原子擴散過程。更進一步地，這個理論表明離子束的動量被轉移到薄膜原子上，使其能夠連續不斷的向前散開，並去佔用薄膜的晶格空位，然後增加薄膜的封裝密度。
在作為一種改善了的級聯碰撞理論，在分子動力學中，利用牛頓方程，通過原子和原子之間、離子和表面原子之間的相互作用而產生的原子運動隨著時間順序進行。象這樣，就利用了離子束的各種功能。
當離子束和晶格空位周圍的表面原子在薄膜表面碰撞時，表面原子從薄膜的表面移走，由此晶格空位被空出來，然後被其它移動的原子佔用。另外，由於離子能量和動量的轉移，薄膜的表面原子在薄膜裡散射，以及原子在碰撞之後從它們的點陣位移位，這樣，薄膜的柱向結構被打破，晶格空位被佔用。因此增加了薄膜的封裝密度。
也就是說，離子碰撞造成加大了了薄膜表面原子的運動，因而引起了表面消散和局部的溫度增加，以及薄膜晶格空位片斷的降低，由此薄膜的封裝密度增加，而完成再結晶。
圖7a和7b是在石英燈加熱器表面上塗鍍近紅外透射多層薄膜濾光器過程的流程圖，採用的塗鍍裝置如圖4a和4b所示。
首先，使用者通過一個塗鍍實驗用塗鍍裝置設計一個近紅外透射多層薄膜，來預先決定塗鍍材料140的光學常數，在此之後把設計信息輸入到薄膜塗鍍控制器200(S1)，然後，將石英燈加熱器110安裝在旋轉和繞轉支架120上，並與旋轉和繞轉支架120一起放入到真空腔100中。然後，將塗鍍材料(Fe2O3、SiO2)裝入到坩堝中，將該坩堝然後放入電子槍130的相稱容器中，以及密封真空腔100(S2)。
接著塗鍍程序初始化，根據輸入到主控制器300中的程序，真空閥181、182、185以及191順序工作轉換真空腔100的低真空狀態到高真空狀態，並且，運行加熱元件160加熱石英燈加熱器110的表面到約400℃(S3)，為了節約工作時間，當工作開始時，在石英燈加熱器110放入到真空腔100之前，啟動高真空泵180和低真空泵190。此後，當連續不斷的操作高真空泵180和低真空泵190時，僅有真空閥181、182、185以及191被開啟和關閉，以在真空腔100中製造出真空狀態。
當真空腔100達到輸入到主控器300(S4)的高真空狀態時，一個在電子槍130的周圍的活性氣體(O2或Ar)的送入控制閥131和一個離子槍150的離子氣體(Ar)的送入控制閥149通過主控制器300的作用被打開，這樣，活性氣體連續不斷的被送入直到達到設定值，根據主控制器300(S5)的自動程序打開電子槍130的電源。然後，當石英燈加熱器110由於旋轉和繞轉支架120的作用開始旋轉和繞轉時，離子槍150製造的離子束均勻地輻射到旋轉和繞轉的石英燈加熱器110的表面上，清潔石英燈加熱器110的表面。因此，在石英燈加熱器110的表面和薄膜之間的粘附力增加了(S6)。
隨後，為了近紅外透射多層薄膜能均勻地塗鍍到旋轉和繞轉的石英燈加熱器110的表面，根據輸入到薄膜塗鍍控制器200的塗鍍程序，通過薄膜塗鍍控制器200控制電子槍130的操作。並且，當近紅外透射多層薄膜被塗鍍到石英燈加熱器110的表面上時，受到離子槍150製造的離子束的輻射，因此，轟擊增加了它的封裝密度。
在塗鍍薄膜到石英燈加熱器110的表面上時，運行薄膜塗鍍控制器200控制電子槍130的電源，裝載塗鍍材料進入到安裝在電子槍130上的容器中，以及根據它的塗鍍程序控制關閉電子槍130同時實時監測從薄膜厚度監測170提供的信息。同樣地，塗鍍程序包括塗鍍材料的封裝密度，塗鍍材料的熔化功率，裂化功率，增加時間，裂化時間，容器，塗鍍材料的塗鍍順序，塗鍍效率以及塗鍍厚度。在這種方式中，近紅外透射多層薄膜優選地被塗鍍在石英燈加熱器110(S8)的表面上之後，關閉電子槍130和離子槍150的電源，以及關閉真空閥181和打開一個排氣閥182。因此，真空腔100的高真空狀態被轉換為大氣壓力，以及塗鍍了近紅外透射多層薄膜的石英燈加熱器110隨旋轉和繞轉支架120一起從真空腔100移出。因此，塗鍍程序被終止。
為了再次初始化塗鍍程序，程序從S1和S2處開始，並且根據S2之後的設置程序自動進行。
可選地，可以提供僅包括一個電子槍130而不用離子槍150的一個簡單的電子槍的多層薄膜塗鍍裝置。
自然地，採用包括電子槍130和離子槍150的塗鍍裝置獲得薄膜輻射表明有著極好的物理性能。
圖8a表示從真空和空氣中僅使用電子槍130獲得的薄膜頻譜分析圖，以及圖8b表示在真空和空氣中使用電子槍130作為一個主要塗鍍裝置方式和使用離子槍150作為輔助塗鍍方式而獲得的薄膜頻譜分析圖。
如圖8b所示，在這種採用電子槍130和離子槍150在石英燈加熱器110的表面上塗鍍近紅外透射多層薄膜的情況下，薄膜濾光器由於採用離子束的轟擊有著高的封裝密度。因此，在真空狀態和大氣壓力之間的頻譜轉變要小於如圖8a所示的僅使用電子槍130的塗鍍近紅外透射多層薄膜的情況。
如在真空和空氣下的實驗所示，使用包括電子槍130和離子槍150的塗鍍裝置塗鍍的多層薄膜和僅使用包括電子槍130的塗鍍裝置塗鍍的多層薄膜相比，前者通過塗鍍高封裝密度、極好的表面平滑度、低吸收率和高粘附力的薄膜而有更高的折射率，而形成高質量的高耐熱薄膜。此外，上述薄膜有著高的粘附力，因此，即使在高溫和碰撞的條件下也很難被毀壞。因此，上述薄膜顯示出高持久力和高耐熱性。
另外，本發明使用的塗鍍材料140，可以用各種易蒸發的材料舉例說明，如SiO2、Fe2O3、TiO2、AL2O3、ZrO2、CeO2、Ta2O5等。例如，SiO2作為一種基礎材料，選自Fe2O3、TiO2、AL2O3、ZrO2、CeO2、Ta2O5及其組合物中的任何一種，交替塗鍍，以使在石英燈加熱器110的表面上形成各種塗鍍材料的近紅外透射多層薄膜。
這樣，本發明的塗鍍裝置和方法的優點是快薄膜塗鍍速率，各種塗鍍材料140的使用，在低溫和高溫下薄膜塗鍍可能性，以及高防水性。更進一步地，在規模化的製造系統結構中，產生了經濟效益。
本發明具有高耐熱性近紅外透射多層薄膜的塗鍍裝置和方法，能夠取得高耐熱性的近紅外透射多層薄膜濾光器，如圖9所示的曲線圖中，表明近紅外線透射的同時阻擋了可見光。從而，通過能透射近紅外線的高效率的石英燈加熱器，其表面溫度約是900℃，在0.8-2.0μm波長的透射度是93％或者更多，以及可見光的透射度為2％甚至更低。
圖9的曲線圖描述了採用SiO2和Fe2O3作為塗鍍材料形成的多層薄膜的頻譜，如下表1所示。
表1
除了用於可以作為加熱器或者乾燥器的近紅外石英燈加熱器，本發明的塗鍍裝置和方法還可應用到需要真空塗鍍的製造加工領域，諸如半導體、LCD、PDP、光學工業等等。因此，能形成期望的高質量的薄膜。
工業實用性如上文所述，本發明提供一種在石英燈加熱器表面上塗鍍近紅外透射多層薄膜的塗鍍裝置和方法。與僅採用電子槍的塗鍍裝置形成的多層薄膜相比，通過使用包括電子槍作為主要塗鍍手段和離子槍作為輔助塗鍍手段的塗鍍裝置在石英燈加熱器的表面上塗鍍近紅外透射薄膜，有更高的封裝密度和更高的折射率。更進一步地，上述薄膜有極好地表面平滑度，低吸收率以及高粘附力。因此，能夠形成高質量的高耐熱性薄膜。
也就是說，石英燈加熱器表面在薄膜塗鍍之前，首先用離子槍製造的離子束清潔，由此增加了在石英燈加熱器的表面和塗鍍材料之間粘附力。此外，離子槍產生的離子束輻射薄膜造成薄膜封裝密度的增加，因此，即使在高溫和碰撞的條件下薄膜也很難被損壞。從而得到具有高的持久力且能經受燈表面約900℃溫度的高耐熱性的薄膜。
儘管為了說明的目的公開了本發明的優選的實施方案，但是本領域的技術人員能夠理解在不背離附隨的權利要求所公開的本發明的範圍和精神的情況下可以有多種修改、增加和替換。
權利要求
1.一種塗鍍近紅外透射多層薄膜的裝置，其中該薄膜能夠經受石英燈加熱器表面約900℃的高溫，在該石英燈加熱器的表面上，該多層薄膜用於允許透射近紅外線而同時阻擋可見光，包括一個真空腔，用於在高溫400℃下，在位於該真空腔中的溫控石英燈加熱器上執行真空塗鍍近紅外透射多層薄膜；一個高真空泵，通過在真空腔一側形成的空氣排氣管制造真空腔的高真空狀態；一個低真空泵，通過在真空腔另一側形成的空氣排氣管制造真空腔的低真空狀態；真空閥，用於連接真空腔和高真空泵、真空腔和低真空泵、以及高真空泵和低真空泵，並控制它們之間的空氣流動；一個旋轉和繞轉支架，其中該支架隨設置在其上面的石英燈加熱器一起放置在真空腔裡，能形成以各種徑向對稱形狀，包括圓形或球形，旋轉和繞轉石英燈加熱器以使塗鍍材料塗鍍在該石英燈加熱器的全部表面上，以一致的折射率和厚度形成近紅外透射薄膜；一個電子槍，放置在真空腔裡用於熔化塗鍍材料使其蒸發和塗鍍在石英燈加熱器的表面上；一個離子槍，放置在真空腔裡，向塗鍍在石英燈加熱器的表面上的薄膜輻射離子束，以轟擊該薄膜，這樣增加了薄膜的封裝密度；一個薄膜厚度監測儀，放置在真空腔裡，監測塗鍍在石英燈加熱器表面上的薄膜厚度；一個薄膜塗鍍控制器，用於控制塗鍍需求，包括電子槍的電源，裝載塗鍍材料到電子槍的容器中，以根據預先輸入的塗鍍相關數據塗鍍近紅外透射多層薄膜，並同時監測上述薄膜厚度監測儀提供的薄膜塗鍍狀態；以及一個主控制器，用於根據預先輸入的信息和一套程序順序地操作塗鍍單元，包括真空泵，真空閥，旋轉和繞轉支架，電子槍，離子槍，以及薄膜塗鍍控制，或停止其操作，以自動控制近紅外透射多層薄膜的塗鍍。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述真空腔是垂直的圓柱形，所述的旋轉和繞轉支架是拱形，並放置在垂直的圓柱形的真空腔的上部，以旋轉和繞轉石英燈加熱器，該石英燈加熱器安裝在該拱形的旋轉和繞轉支架上，當塗鍍多層薄膜在其表面時通過旋轉和繞轉支架的作用旋轉和繞轉，以及所述電子槍和離子槍放置在真空腔的下端部分。
3.如權利要求1所述的裝置，其中，所述真空腔是水平的圓柱形狀，所述旋轉和繞轉支架放置在水平圓柱真空腔裡，以旋轉和繞轉石英燈加熱器，該石英燈加熱器安裝在該旋轉和繞轉支架上，當塗鍍多層薄膜在其表面時通過旋轉和繞轉支架的作用旋轉和繞轉，以及所述電子槍和離子槍放置在真空腔的下端中心部分。
4.如權利要求1所述的裝置，其中，所述薄膜塗鍍主控制器的相關塗鍍數據包括塗鍍材料的封裝密度，塗鍍材料的熔化功率，裂化功率，增加時間，裂化時間，容器，塗鍍材料的塗鍍順序，塗鍍效率，以及塗鍍厚度。
5.如權利要求1所述的裝置，其中，所述石英燈加熱器的塗鍍材料包括用作基礎材料的SiO2和選自Fe2O3、TiO2、AL2O3、ZrO2、CeO2、Ta2O5及其組合物的任何一種，交替塗鍍。
6.一種在石英燈加熱器表面上塗鍍用於允許透射近紅外線而阻擋可見光的近紅外透射多層薄膜的方法，包括裝載旋轉和繞轉支架以及設置在旋轉和繞轉支架上的石英燈加熱器到真空腔裡，並裝載塗鍍材料到電子槍的容器中；使真空腔從低真空狀態自動變化到高真空狀態，；自動打開電子槍的電源，當真空腔達到高真空狀態時自動送入包含氧氣或氬氣的活性氣體到真空腔中；以預先設定的速度控制旋轉和繞轉支架去旋轉和繞轉石英燈加熱器；當旋轉和繞轉石英燈加熱器時，根據輸入到薄膜塗鍍控制器中的塗鍍程序，在石英燈加熱器表面上塗鍍近紅外透射多層薄膜，其中該薄膜塗鍍控制器用於控制電子槍的操作以自動化塗鍍近紅外透射多層薄膜，並同時實時監測上述薄膜厚度監測儀提供的薄膜塗鍍狀態；以及根據輸入的塗鍍程序塗鍍近紅外透射多層薄膜之後，使真空腔有大氣壓力並從真空腔裡移走塗鍍了近紅外透射多層薄膜的石英燈加熱器。
7.如權利要求6所述的方法，其中，根據塗鍍程序執行塗鍍，該塗鍍程序包括有關塗鍍材料的封裝密度，塗鍍材料的熔化功率，裂化功率，增加時間，裂化時間，容器，塗鍍材料的塗鍍順序，塗鍍效率，以及塗鍍厚度的數據。
8.如權利要求6或7任何一項所述的方法，其中，所述薄膜塗鍍控制器，根據塗鍍程序控制電子槍的電源，裝載塗鍍材料到電子槍的容器中，以及電子槍的關閉。
9.如權利要求6所述的方法，進一步的包括輻射離子束在石英燈加熱器的表面上，以在薄膜塗鍍到石英燈加熱器的表面之前清潔石英燈加熱器的表面，由此來增加薄膜的粘附力。
10.如權利要求6所述的方法，進一步的包括當薄膜塗鍍在石英燈加熱器表面上時，採用離子槍輻射離子束在石英燈加熱器的表面上，由此增加薄膜的封裝密度。
全文摘要
本發明公開了一種在石英燈加熱器的表面上塗鍍透射近紅外線多層薄膜的裝置與方法，該裝置包括用於在石英燈加熱器(110)上真空塗鍍薄膜的真空腔(100)，用於分別使真空腔處於高真空狀態和低真空狀態的高真空泵(180)和低真空泵(190)，真空閥(181，182，185和191)，旋轉和繞轉支架(120)，用於旋轉和繞轉燈加熱器使燈加熱器被鍍上放射狀對稱的鍍層材料(140)，電子槍(130)，用於監測塗鍍薄膜厚度的薄膜厚度監測儀(170)，用於控制電子槍操作的薄膜塗鍍控制器(200)，以及控制上述鍍層單元操作的主控制器(300)。
文檔編號H01K1/32GK101084570SQ200580043870
公開日2007年12月5日 申請日期2005年6月20日 優先權日2004年12月21日
發明者李元範 申請人:株式會社Vct