一種提高溫場均勻性的薄膜加熱器的製作方法

2024-03-30 19:19:06 1

本發明涉及溫度控制技術領域，具體涉及一種提高溫場均勻性的薄膜加熱器。

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 Chem Phys,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提高溫場均勻性的薄膜加熱器，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提高溫場均勻性的薄膜加熱器，包含一個基板和沉積在所述基板上的一個薄膜加熱線，所述薄膜加熱線以雙螺旋的形式盤繞在基板上，所述薄膜加熱線的線寬恆定，間距自中心向邊緣依次遞減。

進一步的，所述薄膜加熱線間距遞減的方式為線性遞減或非線性遞減。

進一步的，所述雙螺旋的形式為方形雙螺旋或圓形雙螺旋。

進一步的，所述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，所述基板的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。

採用本發明中的一個或者多個技術方案，具有如下有益效果：

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，而是通過調整多圈加熱線彼此之間的間距的方法，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為雙螺旋等間距加熱器的電極圖形；

圖2為雙螺旋等間距加熱器的二維溫度分布圖；

圖3為雙螺旋等間距加熱器的截面溫度分布圖；

圖4為本發明的雙螺旋線性變間距加熱器的電極圖形；

圖5為本發明的雙螺旋線性變間距加熱器的二維溫度分布圖；

圖6為本發明的雙螺旋線性變間距加熱器的截面溫度分布圖；

圖7為本發明的雙螺旋非線性變間距加熱器的電極圖形；

圖8為本發明的雙螺旋非線性變間距加熱器的二維溫度分布圖；

圖9為本發明的雙螺旋非線性變間距加熱器的截面溫度分布圖；

圖10為本發明的圓形雙螺旋非線性變間距加熱器的電極圖形。

其中：1為薄膜加熱線，2為基板，S1、S2、S3、S4分別為由內向外的薄膜加熱線之間的間距，L為有效距離。

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。

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5000um×5000um×1um，其上沉積有鉑膜加熱器，膜厚為200nm，加熱線的線寬為200um；鉑膜加熱器呈雙螺旋狀盤繞在氮化矽基板上，共4圈，相鄰兩圈加熱線之間的間距自內向外分別表示為S1、S2、S3、S4，並全都等於200um，這樣薄膜加熱線覆蓋的基板面積為4mm×3.4mm。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)，當給加熱線一端施加定值電壓時，傳熱平衡後氮化矽薄膜基板的二維溫度分布如圖2所示。可見，加熱器的中間溫度較高，周圍溫度比較低。這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。並且由於布線並不完全對稱，導致溫度梯度在X軸方向上小於Y軸方向。圖3所示是從圖2的二維溫度分布圖中截取的基板中心沿X軸的溫度分布圖，當加熱器的最高溫度為625℃時，其在中心有效區域3000um內產生的溫差為22K。

因此，本專利通過改變加熱線電極之間的間距，進而減小中心部位的加熱功率而相應增大邊緣部分的功率的方法，以彌補中心區域散熱慢而周圍區域散熱快的傳熱差別。

實施例1

在本發明的實施例一中，將加熱線之間的間距由裡到外進行線性遞減，採用S1＝250um，S2＝200um，S3＝150um，S4＝100um，如圖4所示，薄膜加熱線覆蓋的基板面積略有減小，為3.8mm×3.2mm，而其他參數與圖1的情況完全一致。當加熱器的最高溫度同樣達到625℃左右時，其二維溫度分布和基板中心沿X軸的斷面溫度分布分別如圖5與圖6所示。在中心有效區域3000um內產生的溫差為15K，溫度的均勻性比等間距的結構有了較大的改善。但總體的溫場分布仍然是中心高，邊緣低。

實施例2

從實施例1的情況可見，欲進一步改善溫度分布，需要進一步減小S4。但由於採用了間距線性遞減的方案，實施起來受到的束縛較大。因此在本發明的實施例二中，對間距由裡到外進行了非線性遞減。採用S1＝300um，S2＝250um，S3＝200um，S4＝100um，如圖7所示。薄膜加熱線覆蓋的基板面積比等間距方案略有增大，為4.1mm×3.5mm，而其他參數與圖1的情況完全一致。當加熱器的最高溫度同樣達到625℃左右時，其二維溫度分布如圖8所示。可見溫度最高的那條等溫線不再局限在中心的一個小面積內，而是散落在中心的一個異形大區域及其周遭的4個小區域內，使得溫度均勻的面積大幅度地提高。基板中心沿X軸的斷面溫度分布如圖9所示，在中心有效區域3000um內產生的溫差為5.4K。由此可見，本發明實施方案相比於現有技術溫度分布均勻性有明顯的提高。

為了對比方便，將上述三個方案仿真的結果歸納在下述表1中。

表1本發明的變間距設計與現有的等間距設計的溫度均勻性對比

實施例3

除了方形的雙螺旋外，也可採用圓形的雙螺旋，如圖10所示。該雙螺旋加熱線共4圈，線寬為200um，加熱線之間的間距從內向外依次為S1＝300um，S2＝250um，S3＝200um，S4＝100um。

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。