可變功率密度的分層加熱器的製作方法

2023-06-12 00:00:21 4

專利名稱：可變功率密度的分層加熱器的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及電加熱器，特別地，涉及用於分配電加熱器的功率密度的設備和方法。
背景技術：
分層加熱器通常用於空間是有限的、熱功率需要在表面上變化、希望有快速熱反應的應用中，或者在溼氣或其它汙染物可能飄移進傳統加熱器的超淨應用中。一個分層加熱器一般包含由不同材料構成的層，即一介電和一電阻材料，其被施加到襯底。介電材料首先被施加到所述襯底，並且在所述襯底和電氣狀的電阻材料之間提供電絕緣，以及減少在操作期間漏洩到地面的電流。電阻材料以預定的模式被施加到介電材料，並且提供一個電阻加熱器電路。分層加熱器還包括引線，其將電阻加熱器電路連接到一個通常被溫度控制器包圍的電源。通過提供經由保護層的應力釋放和電氣絕緣，引線到電阻電路的接口通常還同時被機械地和電氣地保護以避免外來的接觸。相應地，分層加熱器對於各種熱應用是高度地可定製的。
分層加熱器可以是「厚」膜、「薄」膜或「熱噴鍍」等等，其中在這些類型的分層加熱器之間的主要差異是形成分層的方法。例如，厚膜加熱器的分層通常是使用處理例如絲網印刷、貼花應用或薄膜分配頭等等來形成的。薄膜加熱器的分層通常是使用沉積處理例如離子電鍍、噴鍍、化學蒸氣沉積(CVD)以及物理蒸氣沉積(PVD)等等來形成的。不同於薄和厚膜技術的另一系列的處理是被稱為熱噴鍍處理的那些，其可以包括，舉例來說，火焰噴鍍、等離子噴鍍、導線電弧噴鍍以及HVOF(高速氧燃料)等等。
在一些電加熱器應用中，可能希望改變加熱器在某些區域中的功率密度，以便定製傳遞給特定的受熱零件或設備的熱量，或考慮沿著加熱器軌線或元件的熱分配中的內在變化。已知的電加熱器通常改變電阻電路圖案的間距，以便對於一個串聯電路配置來說，當間距較小時，電阻電路圖案的軌線更接近，功率密度更高。相反地，電阻電路圖案的軌線之間的間距越大，在那些區域中的功率密度越低。在其它已知的電加熱器中，電阻電路圖案的軌線寬度是沿著其長度而改變的，以便改變功率密度，其中再次對於一個串聯電路配置來說，軌線越寬，功率密度越低，並且軌線越窄，功率密度越高。

發明內容
在一個首選形式中，本發明提供了一種分層加熱器，包含至少一個含有一個電阻電路圖案的電阻層，其中電阻電路圖案定義了長度和厚度。電阻電路圖案的厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變，以實現可變的功率密度。在其它形式中，同時改變電阻電路圖案的厚度和寬度，改變厚度和間距，或者改變厚度和寬度和間距，以實現可變的功率密度。
在另一形式中，提供了一種分層加熱器，其包含一個介質層、一個在所述介質層上形成的電阻層、以及一個在所述電阻層上形成的保護層。電阻層含有一個電阻電路圖案，並且電阻電路圖案定義了長度和厚度，其中電阻電路圖案的厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變，以實現可變的功率密度。在另一形式中，介質層是在一個襯底上形成的。
在另一形式中，提供了一種用於分層加熱器中的電阻電路圖案，其中所述電阻電路圖案定義了長度和沿著電阻電路圖案的長度可變的厚度。
依照本發明的方法，一種分層加熱器的電阻電路圖案是通過如下步驟來形成的以一個速度向一個表面分配一個導電墨水，並且改變導電墨水的分配速度以形成一個有可變厚度的電阻電路圖案。在另一方法中，改變相對於導電墨水分配的表面的饋進速度，以形成一個有可變厚度的電阻電路圖案。此外，在本發明的另一形式中，提供了一種改變分配速度並改變表面相對於導電墨水分配的饋進速度的方法。
提供了另一種方法，通過向一個襯底施加一定體積的導電墨水以形成一個軌線，並向所述軌線施加額外體積的導電墨水的步驟，來形成一種分層加熱器的電阻電路圖案，其中產生一個有可變厚度的電阻電路圖案。
從下文提供的詳細描述中，本發明進一步的適用範圍將是顯而易見的。應當理解詳細描述並且特定例子，儘管表示本發明的首選實施例，仍然僅僅出於說明的目的，而並不意在限制本發明的範圍。


從詳細描述和附圖中，本發明將變得更能夠被充分地理解，其中附圖包括圖1是依照現有技術加熱器系統的一種使用有可變間距的電阻電路圖案的分層加熱器系統的俯視圖；圖2是依照現有技術加熱器系統的一種使用有可變寬度的電阻電路圖案的分層加熱器系統的俯視圖；圖3是依照本發明原理構造的一種分層加熱器系統的俯視圖；圖4是依照本發明原理的一種使用有可變厚度的電阻電路圖案的分層加熱器系統的沿著圖3的線A-A並旋轉90°的剖視圖；圖5是依照本發明原理的一種使用有可變厚度的電阻電路圖案的分層加熱器系統的沿著圖3的線B-B的剖視圖；圖6是依照本發明原理的一種使用有可變厚度的電阻電路圖案的分層加熱器系統的沿著圖3的線C-C並旋轉90°的剖視圖；圖7是依照本發明原理的一種使用在寬度上有可變厚度的電阻電路圖案的分層加熱器系統的沿著圖3的線D-D並旋轉90°的剖視圖；圖8是一種有一個並聯電路配置並依照本發明原理構造的分層加熱器系統的另一實施例的俯視圖；圖9是依照本發明原理的一種使用有可變厚度的並行電阻電路圖案的分層加熱器系統的沿著圖8的線E-E並旋轉90°的剖視圖；圖10是表示依照本發明原理的一種串聯電路配置相對於一種並聯電路配置的不同功率密度的電阻軌線的剖視圖；圖11是一種有一個並串並聯電路配置並依照本發明原理構造的分層加熱器系統的另一實施例的俯視圖；圖12是依照本發明原理的一種使用伴隨著功率密度的疊加區、有可變厚度的並串並聯電阻電路圖案的分層加熱器系統的沿著圖11的線F-F並旋轉90°的剖視圖；圖13是依照本發明原理的一種使用有可變厚度和可變寬度的電阻電路圖案的分層加熱器系統的剖視圖；圖14是依照本發明原理的一種使用有可變厚度和可變間距的電阻電路圖案的分層加熱器系統的剖視圖；圖15是依照本發明原理的一種使用有可變厚度、可變寬度和可變間距的電阻電路圖案的分層加熱器系統的剖視圖；圖16是依照本發明原理的一種高覆蓋範圍的電阻電路圖案的高側視圖；圖17是依照本發明原理的一種可變功率密度的電阻電路圖案的沿著圖16的線G-G並旋轉90°的放大的剖視圖；圖18是沿著依照本發明原理的一種有可變功率密度的恆定厚度的電阻電路圖案的長度的剖視圖；圖19a是沿著依照本發明原理的一種連續的電阻電路圖案的長度的剖視圖；圖19b是沿著依照本發明原理的一種間斷的電阻電路圖案的長度的剖視圖；圖20是一種有多個電阻層的分層加熱器系統的剖視圖，其中電阻層包含依照本發明原理的有可變厚度的電阻電路圖案；以及圖21是表示一種依照本發明的原理，通過重寫電阻電路圖案先前形成的軌線，來形成一個可變厚度的電阻電路圖案的方法的剖視圖。
在附圖的若干視圖的各處，對應的附圖標記表示對應的部分。
具體實施例方式
首選實施例的下述描述實際上僅僅是示範性的，並且決不意在限制本發明及其應用或使用。
參見圖1和2，表示了兩(2)種提供可變功率密度的現有技術加熱器系統10和12。現有技術加熱器系統10和12均分別包含電阻電路圖案14和16，其向受熱零件或設備提供需要的熱。通常，圖1中的電阻電路圖案14是在一個襯底15上形成的，並且包含一個如圖所示的可變間距(例如S1和S2)以便按要求提供可變的功率密度。在S1的區域內，間距更接近，從而功率密度更高。相反地，在S2的區域內，間距更寬，從而功率密度更低。
如圖2進一步所示的，電阻電路圖案16是在一個襯底17上形成的，並且包含一個可變的寬度(例如W1和W2)以便按要求提供可變的功率密度。在W1的區域內，寬度更大，從而功率密度更低，而在W2的區域內，寬度更窄，從而功率密度更高。因此，這些現有技術加熱器系統10和12採用一個可變間距或一個可變寬度，以便按要求改變功率密度。
更具體地說，功率密度是在整個襯底(15、17)上的電阻電路圖案(14、16)的一個軌線功率密度-其是沿著電阻電路圖案(14、16)的長度或軌線的功率密度，和一個襯底功率密度-其是被電阻電路圖案(14、16)覆蓋的總襯底表面積的覆蓋量或百分比，同時作用的結果。軌線功率密度包含作為各個軌線區域的函數而耗散的功率，其中在此使用的軌線區域通常是由電阻軌線的寬度乘以總長度來定義的。襯底功率密度包含沿著電阻電路圖案(14、16)耗散的功率和作為電阻電路圖案(14、16)在襯底(15、17)上提供的覆蓋量的函數而耗散的功率。這樣，圖1中的軌線功率密度在整個襯底15上是恆定的，因為電阻電路圖案14的寬度是恆定的。然而，由於電阻電路圖案14的間距是可變的，電阻電路圖案14在襯底15上的覆蓋量變化，這導致一個可變的功率密度。在圖2中，由於電阻電路圖案14的寬度改變了，因此軌線功率密度也改變，而電阻電路圖案16在襯底17上的覆蓋量保持恆定，這導致一個可變的功率密度。因此，一個可變的功率密度是通過電阻電路圖案(14、16)在襯底(15、17)上的可變軌線功率密度和/或可變覆蓋來實現的。因此，如在此使用的，術語「功率密度」應被解釋為，或者包括軌線功率密度，或者包括襯底功率密度。如在此使用的，術語「覆蓋」應被解釋為指的是與一個襯底總面積相比或作為一個襯底總面積的百分比，電阻電路圖案的總面積。因此，電阻電路圖案在一個給定襯底面積上的總面積越大，「覆蓋」越大。
現在參見圖3和4，表示了一種依照本發明的提供增強的設計靈活性以實現可變功率密度的分層加熱器，並且其整體用附圖標記20來表示。通常，分層加熱器20包含安放在一個襯底22上的若干層，其中襯底22可以是一個接近受熱零件或設備安放的獨立單元，或者襯底22可以是零件或設備本身。最好如圖4所示，所述層最好包含一個介電層24、一個電阻層26以及一個保護層28。介電層24提供在襯底22和電阻層26之間的電氣絕緣，並且它是在襯底22上以與分層加熱器20的功率輸出、所需要的電壓、預定應用溫度或其組合相匹配的厚度形成的。電阻層26是在介電層24上形成的，並且為分層加熱器20提供一個加熱器電路，從而向襯底22提供熱量。保護層28是在電阻層26上形成的，並且最好是一個絕緣體，然而依照特定熱應用的要求，也可以採用其它材料例如導電或導熱材料，從而依然在本發明的範圍之內。
如進一步所示的，端焊盤30最好被安放在介電層24上，並且與電阻層26接觸。因此，電引線(未畫出)與端焊盤30接觸，並將電阻層26連接到一個電源(未畫出)。如進一步所示的，保護層28是在電阻層26上形成的，並且最好是一個電氣絕緣並在操作環境中保護電阻層26的介電材料。此外，保護層28可以覆蓋焊盤30的一部分，只要還有足夠的區域以促進與電源的電氣連接。
如在此使用的，術語「分層加熱器」應被解釋為包括包含至少一個功能層(例如介電層24、電阻層26以及保護層28等等)的加熱器，其中所述層是通過使用與厚膜、薄膜、熱噴鍍或溶膠-凝膠等相關的處理，向一個襯底或另一層施加或積累一個材料而形成的。這些處理也被稱為「分層的過程」、「分層過程」或「分層的加熱器過程」。在被與本申請共同轉讓的、並且其內容被在此通過引用其整體而合併的提交於2004年1月6日的標題為「用於電加熱器的組合的分層技術」的同時待審的申請中，更詳細地描述了這種過程和功能層。
如圖3進一步所示的，電阻層26定義了一個電阻電路圖案40，其包含一個長度(表示為沿著在焊盤30之間的電阻電路圖案40的距離)、一個寬度W以及一個間隔S。如圖4所示，電阻電路圖案40進一步包含一個沿著長度L的可變厚度，如舉例所示的在有厚度T1、厚度T2以及厚度T3的區域內。如圖所示，厚度T1大於厚度T2，並且厚度T2大於T3。在本例中，相對於T2和T1的區域，在T3的區域內需要更高的功率密度，並且與T1相比，在T2的區域內需要更高的功率密度，這對於一個典型的加熱器應用來說，通常是由於通過襯底22邊緣的熱損失。因此，在分層加熱器20的操作期間、在需要更高功率密度(更高電阻、更多熱傳遞)的區域中，電阻電路圖案40的厚度更薄，並且在需要更低功率密度(更低電阻、更少熱傳遞)的區域中更厚。因此，隨著厚度沿著電阻電路圖案40的長度改變，電阻電路圖案40的電阻沿著其長度而改變，這導致一個可變軌線功率密度。在下文中將更詳細地描述用於生成可變厚度的電阻電路圖案40的方法。
現在參見圖5和6，通過電阻電路圖案40的一個彎曲的或「彎道(racetrack)」部分來表示一個厚度T4，其厚於一個沿著電阻電路圖案40的直線部分的厚度為T5的相鄰區域。所述彎道部分由於在操作期間在這些區域中電流或「電流擁塞」的內在積累，通常包括一個更寬的電阻電路圖案。「電流擁塞」將在鄰近彎道內部的區域中導致高的軌線功率密度，從而產生更高的運轉溫度和隨後的可靠性降級。為了保持恆定的電壓，在現有技術加熱器中，所述圖案被設計為較寬的，以減小電流增強而產生的電阻。不幸的是，所述較寬的彎道消耗了額外的間距，並且在某種程度上限制了在電阻電路圖案40之間沿著直線部分的間距。本發明通過增加沿著彎道部分的厚度T4而不是增加電阻電路圖案40的寬度，以至於並不消耗額外的間距並且提供更緊湊的電阻電路圖案40，克服了這一缺點。
在如圖7所示的本發明的另一形式中，電阻電路圖案40在彎道部分的寬度上包含一個可變的厚度。沿著更具體地說電流擁塞產生的彎道內部，電阻電路圖案40包含一個厚度T6，其與包含厚度T7的彎道外部相比，更厚並且有更大的電阻。因此，在T6的彎道內部有與在T7的彎道外部相比較低的功率密度，以便調節電流擁塞，這促進了遍及整個彎道部分更均勻的溫度。因此，厚度在電阻電路圖案40的寬度上從T6變化到T7，以便提供一個可變的功率密度。應當理解對於一個彎道配置，在電阻電路圖案40的寬度上可變厚度的特定應用並不意在限制本發明的範圍。如圖所示且在此描述的在寬度上的可變厚度可被應用於任何需要這種可變功率密度的應用中，而仍然在本發明的教導之內。
參見圖8和9，將依照本發明另一形式的可變厚度應用於一種分層加熱器42的並聯電路配置中，而不是先前描述的串聯電路配置。如圖所示，一個電阻電路圖案44包含一系列連接到電源總線48的電阻軌線46。在一個並聯電路中，假定一個恆定電壓，在每個電阻軌線46中的電流是電阻的函數，並且並不如同上文所示的串聯電路那樣恆定。由於功率等於電流的平方乘以電阻，(P＝I2R)，功率的增加最好通過電流的增加來實現，這是通過對應電阻軌線46的厚度增加來實現的。因此，在一個如上所述的在襯底22的邊緣45和47附近需要更高功率密度的類似應用中，厚度T1′小於厚度T2′，並且厚度T2′小於T3′。因此，在並聯電路的分層加熱器42的操作期間，電阻電路圖案44的厚度在需要較高功率密度的區域中更厚，並且在需要較低功率密度的區域中更薄。因此，隨著厚度在電阻電路圖案44的每個電阻軌線46中變化，電流在每個電阻軌線46之內變化，這導致一個在襯底22上的可變軌線功率密度(即可變的襯底功率密度)。
因此，根據電阻電路圖案是否包含一個串聯或並聯電路配置，電阻軌線厚度的變化是不同的。如圖10所示，對於一個並聯電路配置，電阻軌線的厚度在需要較高功率密度的區域中更厚，並且在需要較低功率密度的區域中更薄。相反地，對於一個串聯電路配置，電阻軌線的厚度在需要較低功率密度的區域中更厚，並且在需要較高功率密度的區域中更薄。因此，電路配置，不管是串聯還是並聯，規定了依照特定應用的功率密度要求，是否應當增加或減少厚度。
除了如上所述的單獨的串聯和並聯電路，本發明的另一形式包含一個如圖11和12所示的並-串-並聯電路，其中一種分層加熱器48包含一個與並聯電路50並聯的串聯電路49。如圖所示，一個電阻電路圖案51包含若干並聯軌線52和一個串聯軌線53，其被連接在電源終端61和電源總線63之間。在一個在襯底22的邊緣54和55附近需要較高功率密度的應用中，電阻電路圖案51在並聯軌線52之內的邊緣附近的厚度更厚以獲得較高的功率密度，並且電阻電路圖案51在串聯軌線53之內的厚度也更厚以獲得較低的功率密度。因此，並聯和串聯電路均可結合依照本發明教導的可變厚度以實現功率密度的所需要的分布。因此，術語「串-並聯」或「並-串聯」應被解釋為指的是在同一個電源電路之內包括一個或多個串並聯電路的電路，而不管在電源電路之內的每個串聯和並聯電路的順序。
如圖12進一步所示的，將在襯底22上的功率密度圖疊加在並聯軌線52和串聯軌線53上，以進一步表示根據電路類型，即並聯或串聯的可變厚度的不同效果。隨著厚度在並聯軌線52上減小，功率密度相應地減小，然而，隨著厚度在串聯軌線53上增加，功率密度繼續減小。因此，依照本發明教導的可變厚度的大小和方向(即，厚度的增加或減少)取決於在襯底22上的電路配置和需要的功率密度。
除了改變電阻電路圖案40的厚度，也可以改變寬度和/或間距，以在襯底上以及沿著襯底實現想要的功率密度分布時獲得額外的設計靈活性。因此，圖13表示一個電阻電路圖案57，其在串聯電路配置中同時有一個可變的厚度(T8和T9)和一個可變的寬度(W3和W4)，而間距是恆定的。在T8和W4的區域內，電阻電路圖案57相對較薄且較窄，而在T9和W3的區域內，電阻電路圖案57相對較厚且較寬。因此，在T8和W4的區域中提供了較高的功率密度，並且在T9和W3的區域中提供了較低的功率密度。
參見圖14，以本發明的另一形式表示了一個電阻電路圖案58，其在串聯電路配置中同時包含一個可變的厚度(T10和T11)和一個可變的間距(S3和S4)，而寬度是恆定的。如圖所示，在T10和S3的區域內，電阻電路圖案58相對較薄且有較接近的間距，而在T11和S4的區域內，電阻電路圖案58相對較厚且有較寬的間距。因此，在T10和S3的區域中提供了較高的功率密度，並且在T11和S4的區域中提供了較低的功率密度。
在圖15中表示了本發明的另一形式，其中一個電阻電路圖案59在串聯電路配置中包含一個可變的厚度(T12和T13)、一個可變的寬度(W5和W6)、以及一個可變的間距(S5和S6)。在T12、W5和S5的區域內，電阻電路圖案59相對較薄、較窄且有較接近的間距。在T13、W6和S6的區域內，電阻電路圖案59相對較厚、較寬且有較寬的間距。這樣，在T12、W5和S5的區域中提供了較高的功率密度，而在T13、W6和S6的區域中提供了較低的功率密度。應當理解如在此所述的可變厚度和可變寬度，可變厚度和可變間距，以及可變厚度、可變寬度、和可變間距的組合也可被應用在並聯電路配置或串-並聯電路配置中，而仍然在本發明的範圍之內。
圖16表示本發明的另一形式，其中一個電阻電路圖案60在襯底62上有一個相對較高的覆蓋量。在襯底62的尺寸由於相對較小的目標受熱零件或設備而受限制的情況下，或者在特定應用中，間距受分層加熱器的限制的情況下，這種應用可能存在。一個其中在相對緊湊的尺寸中需要高功率密度的應用的例子是在化學應用中的石英管加熱器，其由附圖標記64例示並代表其整體。通常，化學溶液進入一個在底部68的入口66，流經石英管加熱器64以被加熱，然後流過一個在頂部72的出口70。這樣，化學溶液在入口66與它在出口70相比，處於較低的溫度，這導致通過石英管加熱器64的相對較寬的溫度分布。為了生成更均勻的溫度分布，在底部68的功率密度應當高於在頂部72的功率密度。然而，由於電阻電路圖案60的覆蓋相對較高，只有很少或者沒有空間來定製電阻電路圖案60的間距或寬度。因此，依照如圖17所示的本發明的一種形式，電阻電路圖案60的厚度在底部68較薄，並且在頂部72較厚，這導致一個可變功率密度的電阻電路圖案60。
除了先前所述的可變厚度及其它可變幾何結構，本發明的另一形式通過沿著電阻電路圖案的長度來改變其材料的組合，提供了一種可變的功率密度。如圖18所示，一個電阻電路圖案80定義了一個沿著其長度的恆定厚度T14。然而，電阻電路圖案80的材料成分沿著其長度而改變，例如從一種在部分82的較高電阻成分變換到一種在部分84的較低電阻成分。從而，在部分82的功率密度與在部分84的功率密度相比較高，產生一個可變功率密度的電阻電路圖案80。因此，依照本發明的另一形式，改變電阻電路圖案80的材料成分，在提供一種可變功率密度的分層加熱器時，提供了額外的設計靈活性。應當理解這種材料成分中的變化可以與可變厚度及其它可變幾何結構相結合，而仍然在本發明的範圍之內。
在本發明的另一形式中，先前所述的可變厚度及其它幾何結構可以如圖19a所示為連續的，或者如圖19b所示為間斷的。一個由將在下文中更詳細地描述的過程形成的連續的電阻電路圖案90，定義了厚度從T15到T16的漸變。從而，從T15到T16沿著電阻電路圖案90的長度產生功率密度中的逐漸降低。作為替代地，可以生成一個間斷的電阻電路圖案92，其定義了厚度從T17到T18到T19的階躍變化。因此，從T17到T19沿著電阻電路圖案92的長度，功率密度中的階躍變化從高到低地產生。用於獲得間斷的電阻電路圖案92的過程也將在下文中更詳細地描述。這些連續和間斷的配置不僅可被應用於在此所示的厚度，而且可被應用於電阻電路圖案的寬度，而仍然在本發明的範圍之內。
參見圖20，本發明的另一形式包括一種分層加熱器110，其包含多個電阻層112和114，其中每個電阻層112和114分別定義至少一個有可變厚度的電阻軌線116和118的電阻電路圖案。出於本實施例的目的，電路配置是串聯的，不過應當理解並聯和/或串-並聯電路配置也可被用於多個電阻層之內。因此，在襯底120定義了不充分的表面積來調節一個電阻電路圖案以在單層上生成所需的功率密度的應用中，多個電阻電路圖案被用於多個層中，如圖所示。此外，依照功率密度要求，如圖所示地改變厚度，其中在襯底120的邊緣122和124附近需要較高的功率密度。因此，依照本發明教導的可變厚度被用於多個電阻層之內，以當襯底表面積受限制時，提供所需的功率密度。還應當理解除了如圖所示沿著長度，厚度可能在寬度上改變，而且可變的寬度和/或間距也可被採用而仍然在本發明的範圍之內。
此外，應當理解如圖所示且在此描述的電阻電路圖案的厚度是依照特定的加熱器應用要求來改變的，並且上文所示的實施例僅僅是示範性的並且不應被理解為限制本發明的範圍。因此，具有在串聯和/或並聯電路之內的變化厚度、以及變化寬度和/或間距的不同區域和配置、以及被安放在多個電阻層之內(連同其它配置)的不同圖案，也可被採用而仍然在本發明的範圍之內。
依照本發明的一種方法，在此描述的可變功率密度的電阻電路圖案是通過改變在表面上(例如在介電層24上)分配導電墨水的速度而形成的。可以使用精密墨水筆寫入裝置來分配導電墨水，這在與本申請共同轉讓的在此通過引用合併其全部內容的美國專利第5,973,296號中進行了更詳細的描述。使用精密墨水筆寫入裝置，導電墨水是通過在一個寫入尖端中的一個孔來分配的，同時平移所述尖端和/或目標襯底以便生成一個預定的電阻電路圖案。為了實現一個想要的可變厚度，改變分配導電墨水的速度、或者導電墨水通過尖端孔的流速。例如，在想要一個較厚的電阻電路圖案的區域中，增加分配導電墨水的速度。相反地，在想要一個較薄的電阻電路圖案的區域中，減小分配導電墨水的速度。因此，通過改變在目標表面上分配導電墨水的速度，生成了一個可變厚度的電阻電路圖案。
依照本發明的另一方法，改變相對於寫入墨水筆的移動所述目標表面的速度(即饋進速度)，以便生成一個可變厚度的電阻電路圖案。在想要一個較厚的電阻電路圖案的區域中，減小相對於寫入墨水筆的所述目標表面的饋進速度，同時分配導電墨水的速度保持恆定。替代地，在想要一個較薄的電阻電路圖案的區域中，增加相對於寫入墨水筆的所述目標表面的饋進速度，此外同時分配導電墨水的速度保持恆定。在本發明的另一形式中，可以同時改變導電墨水的分配速度和所述目標表面的饋進速度，以便生成一個可變厚度的電阻電路圖案。可以連續地或非連續地同時改變分配速度和饋進速度，以生成先前描述的連續和間斷的電阻電路圖案，而仍然在本發明的範圍之內。
在如圖21所示的另一方法中，本發明通過在電阻電路圖案的一個先前形成的軌線的表面上重寫一定體積的導電墨水，生成一個可變厚度的電阻電路圖案。更具體地說，該方法包括從一個墨水筆94向一個表面96分配一定體積的導電墨水以形成一個軌線98，然後在先前形成的軌線98上有選擇地分配額外體積的導電墨水100的步驟，其中生成了一個可變厚度的電阻電路圖案。因此，依照本發明的原理，在想要一個較厚的電阻電路圖案的區域內，在一個先前形成的軌線98上形成額外體積的導電墨水100。此外，在分配導電墨水期間，墨水筆94和/或表面96相互相對地移動，以形成想要的電阻電路圖案。替代地，可以使用除了精密墨水筆寫入裝置之外的處理來施加一定體積的導電墨水，而仍然在本發明的範圍之內。其它與厚膜、薄膜、熱噴鍍或溶膠-凝膠相關的分層處理可用於施加一定體積的導電墨水。例如，在本發明的一個替代形式中，可以採用絲網印刷的厚膜處理來施加一定體積的導電墨水。應當理解施加額外體積的導電墨水並不限於在一個製造過程之內施加初始體積之後順序施加。更具體地說，可以在製造過程的任意步驟例如，舉例來說在烘乾操作之後、或在烘烤操作之後，施加額外的體積。
本發明的說明書本質上僅僅是示範性的，這樣，並不背離本發明要點的變化被定為在本發明的範圍內。例如，在此描述的加熱器系統可以結合一種在提交於2003年11月21日的標題為「雙線分層加熱器系統」的同時待審的申請No.10/719327，以及在均提交於2004年1月6日的標題為「Combined material layering technologies for electricheaters(用於電加熱器的組合材料分層技術)」和「Tailored heattransfer layered heater system(定製的熱傳遞分層加熱器系統)」的同時待審的申請中表示和描述的雙線控制器來使用，其中所有文檔均與本申請共同轉讓，並且在此通過引用它們的整體合併了其內容。而且，電阻電路圖案的橫斷面並不限於在此所示的矩形的形狀。墨水的水平質量可能不能在處理之後生成這種形狀，並且可能需要其它形狀，例如先前描述並表示的通過彎道部分的可變的厚度和寬度。此外，出于澄清的目的，在此在相對平坦且矩形的襯底上表示電阻電路圖案，並且應當理解其它襯底幾何結構，例如圓柱，及其它三維形狀，例如用石英加熱器的實施例表示的那些，在本發明的範圍之內。而且，在此表示的電路是串聯或並聯的，並且應當理解還可以結合串-並聯電路來使用本發明的各種實施例，而仍然在本發明的範圍之內。這種變化並不被認為是從本發明的精髓和範圍的偏離。
權利要求
1.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案限定一個長度和一個厚度，其中所述厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。
2.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述電阻電路圖案進一步包含一個恆定的間距。
3.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述電阻電路圖案進一步包含一個可變的間距。
4.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述電阻電路圖案進一步包含一個恆定的寬度。
5.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述電阻電路圖案進一步包含一個可變的寬度。
6.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述分層加熱器是從由厚膜、薄膜、熱噴鍍以及溶膠-凝膠組成的組中選出來的。
7.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述電阻電路圖案是從由串聯、並聯以及串-並聯組成的組中選出來的。
8.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述可變的厚度是連續的。
9.依照權利要求1的分層加熱器，其中所述可變的厚度是不連續的。
10.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案限定一個寬度，其中電阻電路圖案的厚度在電阻電路圖案的寬度上改變以實現一個可變的功率密度。
11.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案包含一個具有可變成分的材料，其中所述電阻電路圖案包含一個可變的功率密度。
12.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案限定一個長度、一個寬度以及一個厚度，其中所述寬度和厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。
13.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案限定一個長度、一個寬度、一個間距以及一個厚度，其中所述寬度、間距和厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。
14.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案限定一個長度、一個間距以及一個厚度，其中所述間距和厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。
15.一種分層加熱器，其包含一個介電層；一個在所述介電層上形成的電阻層，所述電阻層包含一個電阻電路圖案，所述電阻電路圖案限定一個長度和一個厚度；以及一個在所述電阻層上形成的保護層，其中電阻電路圖案的厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。
16.一種分層加熱器，其包含一個襯底；一個在所述襯底上形成的介電層；一個在所述介電層上形成的電阻層，所述電阻層包含一個電阻電路圖案，所述電阻電路圖案限定一個長度和一個厚度；以及一個在所述電阻層上形成的保護層，其中電阻電路圖案的厚度沿著電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。
17.一種用於一個分層加熱器中的電阻電路圖案，所述電阻電路圖案限定一個可變的厚度。
18.一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路限定一個可變的厚度。
19.依照權利要求18的分層加熱器，其進一步包括多個電阻層。
20.一種形成分層加熱器的電阻電路圖案的方法，該方法包含如下步驟(a)以一個速度向一個表面分配導電墨水；以及(b)改變所述導電墨水的分配速度以形成一個可變厚度的電阻電路圖案。
21.一種形成分層加熱器的電阻電路圖案的方法，該方法包含如下步驟(a)以一個速度向一個表面分配導電墨水；以及(b)改變所述襯底相對於導電墨水分配的饋進速度以形成一個可變厚度的電阻電路圖案。
22.一種形成分層加熱器的電阻電路圖案的方法，該方法包含如下步驟(a)以一個速度向一個表面分配導電墨水；(b)改變導電墨水的分配速度；以及(c)改變所述襯底相對於導電墨水的分配的饋進速度，其中生成一個可變厚度的電阻電路圖案。
23.一種形成分層加熱器的電阻電路圖案的方法，該方法包含如下步驟(a)向一個表面施加一定體積的導電墨水以形成一個軌線；以及(b)向所述軌線施加額外體積的導電墨水，其中生成一個可變厚度的電阻電路圖案。
24.依照權利要求23的方法，其中通過一種從由厚膜、薄膜、熱噴鍍以及溶膠-凝膠組成的組中選擇的分層處理，來施加所述體積的導電墨水。
25.依照權利要求23的方法，其中使用精密墨水筆寫入裝置來施加所述體積的導電墨水。
26.依照權利要求23的方法，其中使用一種絲網印刷處理來施加所述體積的導電墨水。
27.一種分層加熱器，其包含一個用於改變電阻電路圖案的功率密度的裝置。
全文摘要
提供了一種分層加熱器，其包含至少一個包含一個電阻電路圖案的電阻層，所述電阻電路圖案定義了一個長度和一個厚度，其中厚度沿著電阻電路圖案的長度而改變以實現一個可變的功率密度。本發明還提供了分層加熱器，其有一個有電阻電路圖案的可變厚度以及可變寬度和/或間距的電阻電路圖案以便生成一個可變的功率密度。還提供了方法，其中可變的厚度是通過改變用於形成電阻電路圖案的導電墨水的分配速度，改變一個目標表面相對於墨水分配的饋送速度，以及在電阻電路圖案的一個先前形成的軌線的表面上重寫一定體積的導電墨水來實現的。
文檔編號H05B3/28GK1947462SQ200580012927
公開日2007年4月11日 申請日期2005年3月9日 優先權日2004年3月10日
發明者凱文·普塔西恩斯基, 詹姆斯·麥克米林, 託馬斯·T·納戈爾, 羅蘭多·O·朱利安諾 申請人:沃特洛電氣製造公司