ПЛАНАРНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С РЕЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРОЙ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТКС Российский патент 2018 года по МПК H05B3/20 

Изобретение относится к планарному нагревательному элементу с резисторной структурой с положительным температурным коэффициентом сопротивления ТКС, установленной в заданной зоне первой поверхности подложки, причем резисторная структура с положительным ТКС снабжена соединительными электроконтактами для подключения к источнику электронапряжения. Изобретение относится также к нагревательной схеме, в которой использован планарный нагревательный элемент согласно данному изобретению. В изобретении описан также предпочтительный вариант применения нагревательного элемента согласно данному изобретению или нагревательной схемы. Кроме этого описан способ изготовления нагревательного элемента.

Из уровня техники, например, известно определение температуры путем обработки данных или контролирования электрического сопротивления резисторной структуры. Соответствующие резисторные структуры располагаются в соответствии с тонкопленочной или толстопленочной технологией на подложку. Как правило, резисторные структуры выполнены в виде меандра или спирали.

Известен также метод нагревания окружающей рабочей среды посредством соответствующей резисторной структуры до заданной температуры. Для этого резисторную структуру соединяют с источником электронапряжения. Например, нагреваемые резисторные структуры применяют в тепловых проточных расходометрах для определения и/или контролирования массового расхода рабочей среды в мерной трубе.

Резисторные структуры для измерения температуры и нагреваемые резисторные структуры выполнены, как правило, из материала с положительным ТКС (PTC= Positive Temperature Coefficient), предпочтительно из никеля или платины. Резисторные структуры с положительным ТКС отличаются тем, что омическое сопротивление возрастает с ростом температуры, причем функциональная зависимость в широком температурном диапазоне в большей мере линейна.

Недостатком известных резисторных структур, в частности выполненных в виде меандра, является относительно высокое сопротивление этих структур. По этой причине для их энергоснабжения необходимо наличие относительно высокого напряжения. Если при этом необходимо обеспечить равномерное распределение температуры на заданной площади, то это невозможно с использованием известной меандровой структуры. Недостатком подобной структуры является различная ширина линий из-за отклонений в процессе нанесения покрытия. Это приводит к образованию «горячих точек» (Hotspots), так как в зоне меньшей ширины линий сопротивление выше. Это вызывает сильное локальное нагревание (горячая точка), которое дополнительно усиливает рост сопротивления при нагреве. С другой стороны, такое решение приводит к электрической миграции вследствие высокой плотности электрического тока.

Задача настоящего изобретения состоит в создании планарного нагревательного элемента с, по меньшей мере, приблизительно однородным или равномерным распределением температуры на заданной площади поверхности.

Эта задача решается посредством включения в резисторную структуру с положительным ТКС, исходя из наличия двух соединительных электрических контактов, по меньшей мере, внутренней токопроводящей дорожки и подключенной параллельно внешней токопроводящей дорожки, при этом сопротивление внутренней токопроводящей дорожки выше чем внешней токопроводящей дорожки, а сопротивления внутренней и внешней токопроводящих дорожек замеряют при условии главным образом равномерного распределения температуры на заданной площади поверхности при подведении напряжения. С этой целью используют эффект того, что токопроводящая дорожка с меньшим сопротивлением в большей мере способствует теплопроизводительности. Поэтому параллельное подключение обеих токопроводящих дорожек само по себе обладает стабилизирующим действием. Если, одна из двух токопроводящих дорожек выполнена по технологическим причинам с утончением, то это не приводит, как правило, к образованию в этом месте горячей точки.

За пределами нагреваемой главным образом равномерно площади поверхности присутствует высокий перепад температур, за счет чего зона нагрева ограничена главным образом заданной площадью поверхности. Две, по меньшей мере, параллельные и параллельно подключенные токопроводящие дорожки обеспечивают низкое омное сопротивление. В частности, суммарное сопротивление резисторной структуры с положительным ТКС при комнатной температуре составляет без подведенного питающего напряжения предпочтительно менее 3 Ом.

Резисторная структура с положительным ТКС выполнена предпочтительно таким образом, чтобы кроме функции нагрева предоставлять измеренные значения температуры, за счет чего резисторная структура с положительным ТКС служит нагревательным элементом и температурным датчиком. Согласно первому предпочтительному варианту исполнения нагревательного элемента по данному изобретению внутренняя и внешняя токопроводящие дрожки выполнены из одинакового материала; разница сопротивлений обеспечена разницей площади поперечного сечения и/или различной длиной внутренней и внешней токопроводящих дорожек. Преимуществом первого варианта исполнения является выполнение резисторной структуры из единого материала, что с технологической точки зрения возможно в рамках одного технологического этапа. Предпочтительно в качестве материала для резисторной структуры с положительным ТКС используют никель или платину. Платину можно использовать, предпочтительно, даже в диапазоне высоких температур выше 300°C.

Согласно альтернативному варианту исполнения нагревательного элемента по данному изобретению внутренняя и внешняя токопроводящие дорожки выполнены из различных материалов, причем удельное сопротивление обеих токопроводящих дорожек различно. Но и комбинирование различных материалов с различным удельным сопротивлением обеспечивает равномерное распределение температуры в рамках заданной площади поверхности. Понятно, что для этого наиболее подходит сочетание первого варианта исполнения и альтернативного варианта исполнения. В предпочтительном варианте исполнения нагревательного элемента по данному изобретению предложено разделение резисторной структуры с положительным ТКС – в известной степени виртуально – на три подзоны: первую оконечную подзону, подключаемую к соединительным электроконтактам/фидерам и обеспечивающую соединение с источником электронапряжения, центральную подзону, граничащую с первой оконечной зоной, и вторую оконечную подзону, граничащую с центральной зоной.

Предпочтительным оказалось главным образом параллельное прохождение внутренней и внешней токопроводящих дорожек в центральной подзоне. Внутренняя и внешняя токопроводящие дорожки проходят и во второй оконечной подзоне предпочтительно главным образом параллельно. В первой оконечной подзоне внутренняя и внешняя токопроводящие дорожки проходят соответственно с взаимным схождением и соединены каждая с одним из двух соединительных электроконтактов. Предпочтительно обе токопроводящие дорожки выполнены в первой оконечной подзоне V-образно. При отсутствии резких изменений геометрии резисторной структуры с положительным ТКС на заданной площади поверхности обеспечена высокая температурная стабильность. В частности, исключено образование т.н. «горячих точек».

Однако возможен вариант, когда обе токопроводящие дорожки в первой оконечной подзоне соединены между собой перпендикулярным к обеим токопроводящим дорожкам участком. Возможен также вариант выполнения во второй оконечной подзоне как внутренней, так и внешней токопроводящей дорожки либо V-образно, либо с прямоугольной формой. Во второй оконечной подзоне внутренняя и внешняя токопроводящие дорожки проходят главным образом параллельно друг другу. Возможен также вариант выполнения иной формы, например полукруглой. Возможен также вариант выполнения в одной из двух оконечных подзон первой формы, например прямоугольной, а в другой оконечной подзоне второй, отличной от нее формы, например V-образной. Кроме этого в предпочтительном варианте выполнения предложено, чтобы сопротивление на единицу длины внутренней токопроводящей дорожки и/или сопротивление на единицу длины внешней токопроводящей дорожки в первой оконечной подзоне и/или во второй оконечной позоне были/-ло больше, чем сопротивление на единицу длины внутренней токопроводящей дорожки и /или внешней токопроводящей дорожки в центральной подзоне.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один геометрический параметр внутренней токопроводящей дорожки и/или внешней токопроводящей дорожки, например ширина линии и толщина заполнения, по меньшей мере, на одном участке, по меньшей мере, одной подзоны выбирают таким образом, чтобы компенсировать, по меньшей мере приближенно, возникающее локально отклонение от равномерного распределения температуры.

Подложка выполнена предпочтительно из материала с теплопроводностью ниже заданного порогового значения, чтобы между заданной площадью поверхности с равномерным распределением температуры и соединительными контактами был большой перепад температуры, превышающий заданное пороговое значении, как правило более 50°C/мм. За счет этого нагреваемая «горячая» зона ограничена главным образом заданной площадью поверхности и теплотехнически отсоединена от «холодной» зоны снаружи. Предпочтительно в качестве материала подложки применяют материал, тепловая проводимость (теплопроводность) которого ниже 5 Вт/м К. Предпочтительно теплопроводность составляет ниже 3 Вт/м К.

Заданная площадь поверхности ограничена главным образом наружными размерами внешней токопроводящей дорожки. Эта заданная площадь поверхности характеризует т.н. «зону нагрева» или «горячую зону» с температурой, по меньшей мере, 300°C. Ограничение зоны нагрева границами участка наружного размера внешней токопроводящей дорожки обусловлено низкой теплопроводностью материала подложки, толщина которого составляет предпочтительно менее/равна 1 мм.

Для обеспечения теплообмена между зоной нагрева и холодной зоной, температура которой, как правило, равна комнатной, с расположенными в ней соединительными контактами, выполняются соединительные фидеры малой толщины наполнения. Они выполнены предпочтительно из золота (доля золота составляет, по меньшей мере, более 95%, предпочтительно более 99%). Соединительные контакты выполнены из серебра или сплава серебра.

Сопротивление резисторной структуры с положительным ТКС при комнатной температуре ниже 10 Ω, предпочтительно ниже 3 Ω и даже ниже 1 Ω. Это обеспечено выбором, по меньшей мере, соответствующего материала (предпочтительно платина) и правильных размеров соответствующей структуры токопроводящих дорожек.

В качестве материала подложки применяют оксид алюминия, кварцевое стекло или оксид циркония.

Предпочтительно в рамках данного изобретения применяют оксид циркония в качестве материала подложки. Толщина подложки составляет предпочтительно менее 1 мм. Преимуществом оксида циркония является низкая теплопроводность (однако достаточная для компенсирования при необходимости локальных горячих точек), высокая механическая стойкость даже при малой толщине и оптимальная сочетаемость с металлическими компонентами нагревательного элемента относительно температурного расширения, в частности при изготовлении токопроводящей дорожки из платины. Такое исполнение обеспечивает ограничение однородного распределения температуры площадью поверхности, заданной внешними размерами резисторной структуры. За пределами резисторной структуры с положительным ТКС температура быстро падает благодаря высокому перепаду температур. Предпочтительно форма подложки соответствует форме резисторной структуры с положительным ТКС. В частности, подложка выполнена во второй оконечной подзоне V-образно или прямоугольной формы. Если вторая оконечная подзона выполнена V-образно, т.е. с острым концом, то нагревательный элемент можно погрузить в нагреваемую рабочую среду. Пример выполнения сборки чипа с острым концом приведен в ЕР 1 189 281 B1.

Согласно предпочтительному варианту выполнения нагревательного элемента по данному изобретению на или в подложке предусмотрен, по меньшей мере один, главным образом электроизолированный, разделительный слой, выполненный предпочтительно из стекла. Ранее было указано, что подложку выполняют предпочтительно из оксида циркония. Оксид циркония, как было указано ранее, обладает качествами, предопределяющими его применение в нагревательном элементе по данному изобретению. Однако недостатком оксида циркония является наличие электропроводимости при температурах выше 200°C. Нанесение разделяющего слоя предотвращает возникновение электропроводимости. Более подробные данные такого известного решения представлены в EP 1 801 548 A2. В подложке выполняют также пассивирующий слой, предпочтительно на внешней поверхности подложки. Пассивирующий слой состоит предпочтительно, по меньшей мере частично, из материала подложки. Пассивирующий слой предназначен для защиты от механических, химических и электрических воздействий. Предпочтительно пассивирующий слой наносят на обе внешние поверхности нагревательного элемента. Это предотвращает механический изгиб подложки. В частности, материалом пассивирующего слоя служит герметично закупоренное стекло. Более подробные данные о пассивирующем слое в рамках данного изобретения представлены в WO 2009/016013 A1.

Как было указано ранее, резисторная структура с положительным ТКС выполнена предпочтительно из токопроводящего материала, пригодного для применения в зоне высоких температур. Предпочтительно резисторная структура с положительным ТКС выполнена из платины. Преимуществом платины наряду с хорошей теплоустойчивостью является хорошо определяемая, почти линейная температурная характеристика и очень высокое сопротивление электромиграции. Кроме этого характеристика положительного ТКС платиновой резисторной структуры обеспечивает приближенное саморегулирование температуры при подключении резисторной структуры к источнику квазипостоянного напряжения (например к аккумулятору). Резисторная платиновая структура с положительным ТКС признана в промышленных стандартах в качестве температурного датчика.

Согласно предпочтительному варианту выполнения нагревательного элемента по данному изобретению соединительные электроконтакты выполнены из благородного металла или сплава благородного металла, причем благородным металлом служит предпочтительно серебро, а сплавом благородного металла служит предпочтительно сплав серебра. Серебро также признано промышленными стандартами и его преимуществом является возможность эффективной пайки или сварки. Однако недостатком серебра является его прямая диффузия в платину при температуре более 300°C. Поэтому при применении в зоне высоких температур (выше von 250°C) не допускают прямого контакта платиновой резисторной структуры с серебряными соединительными контактами. Необходимо указать, что серебро на практике применяют только в виде сплава. Это объясняется тем, что определенная доля палладия или в данном случае предпочтительно определенная доля платины блокирует подвижность атомов серебра и препятствует, тем самым, миграции материала. Для исключения указанной выше проблемы между соединительными электроконтактами и первой оконечной подзоной первой резисторной структуры выполняют электрофидеры. Элдектрофидеры выполнены также из благородного металла, предпочтительно из золота. Золото обеспечивает устойчивый переход в платину при температуре до 850°C, оно отличается хорошей электропроводностью и наличием в очень чистой форме для технологии компактных тонких слоев.

Согласно предпочтительному варианту осуществления технического решения по данному изобретению как фидеры и токопроводящие дорожки в первой оконечной подзоне резисторной структуры с положительным ТКС, так и фидеры и соединительные электроконтакты выполнены с заданным взаимным перекрытием. Взаимное перекрытие обеспечивает надежный электрконтакт. Согласно предпочтительному варианту выполнения нагревательного элемента по данному изобретению длина взаимного перекрытия между фидерами и токопроводящими дорожками в первой оконечной подзоне резисторной структуры с положительным ТКС больше, чем промежуток между внутренней и внешней токопроводящими дорожками.

Предпочтительно глубина взаимного перекрытия между фидерами и токопроводящими дорожками ТВ в первой оконечной подзоне резисторной структуры с положительным ТКС, в частности, при линейном или V-образном взаимном перекрытии превышает 100 μιη. Особенно предпочтительно в рамках данного изобретения, чтобы соотношение длины и глубины взаимного перекрытия между фидерами и токопроводящими дорожками в первой оконечной подзоне резисторной структуры с положительным ТКС составляло приближенно более чем 5:1.

Чтобы обеспечить предотвращение образования помех из-за взаимного перекрытия, в частности, между фидерами и резисторной структурой с положительным ТКС в пределах зоны нагрева, размеры которой заданы размерами резисторной структуры с положительным ТКС, первая оконечная подзона резисторной структуры с положительным ТКС выполнена относительно своих геометрических параметров таким образом, чтобы физические нагревательные свойства резисторной структуры с положительным ТКС были, по меньшей мере, приближенно неизменными. Предпочтительно эта неизменность обеспечена изменениями толщины заполнения или ширины линий токопроводящих дорожек или фидеров в зоне взаимного перекрытия..

Как было указано ранее, взаимное перекрытие фидеров и токопроводящих дорожек в первой оконечной подзоне резисторной структуры с положительным ТКС выполнено предпочтительно V-образно или линейчато; однако возможно и выполнение в виде перемычек. Ниже приведены некоторые предпочтительные параметры отдельных компонентов нагревательного элемента по данному изобретению. Толщина заполнения токопроводящих дорожек резисторной структуры с положительным ТКС, выполненных предпочтительно из платины, составляет, по меньшей мере, в первой оконечной подзоне от 5 до 10 μιη. Толщина заполнения фидеров, выполненных предпочтительно из золота, составляет предпочтительно от 3 до 10 μιη. Толщина соединительных контактов, выполненных предпочтительно из серебра или серебряного сплава, составляет предпочтительно от 10 до 30 μιη. Линейная протяженность резисторной структуры с положительным ТКС составляет несколько миллиметров, предпочтительно от 2 до 10 мм. Кроме этого сопротивление резисторной структуры с положительным ТКС при комнатной температуре без подключения напряжения нагрева составляет предпочтительно менее 3 Ω, предпочтительно менее 1 Ω. Низкое омное сопротивление резисторной структуры с положительным ТКС обеспечивает возможность ее нагревания до высоких температур при относительно низком энергоснабжении. Для работы нагревательного элемента достаточно низковольтного источника напряжения, например, 3 В.

Далее приведены предпочтительные параметры и материалы планарного нагревательного элемента, выполненного по толстослойной технологии. Понятно, что специалист сможет найти и другие варианты параметров и материалов. Общая длина планарного нагревательного элемента составляет 19 мм, а ширина составляет 5 мм. Ширина внешней токопроводящей дорожки примерно в два раза больше ширины внутренней токопроводящей дорожки (например 800 μιη к 400 μιη). Толщина подложки из оксида циркония составляет 0,3 мм. Толщина разделительного слоя и пассивирующего слоя, расположенных на обеих внешних поверхностях планарного нагревательного элемента, составляет соответственно 15 μιη. Описанный выше планарный нагревательный элемент легко достигает температуры нагрева 450°C.

Планарный нагревательный элемент по данному изобретению изготавливают по тонкослойной или толстослойной технологии. С точки зрения экономичности процесса производства предпочтительна толстослойная технология. Нагревательный элемент по данному изобретению отличается высокой динамикой. После включения он быстро достигает рабочей температуры; после выключения планарный нагревательный элемент быстро охлаждается до температуры окружающей среды.

Температура на заданной площади поверхности главным образом с равномерным распределением температуры составляет предпочтительно от 300°C до 750°C. Понятно, что в зависимости от типа выполнения и используемых в нагревательном элементе по данному изобретению материалов можно выйти за пределы специфицированного выше диапазона температур.

При выборе материала необходимо учитывать, в частности, следующее:

два нижеперечисленных эффекта должны быть сбалансированы:

• максимальная теплопроводность резисторной структуры с положительным ТКС минимизирует тепловые эффекты теряемой мощности вследствие потерь напряжения в токопроводящих дорожках.

• теплопроводность токопроводящих дорожек должны быть относительно низкой, чтобы предотвратить теплоотвод из зоны нагрева.

• однако электропроводимость должна оставаться достаточно высокой, чтобы ограничивать выработку теряемой мощностью дополнительного тепла в этой зоне.

Взаимное перекрытие обеих токопроводящих дорожек, выполненных предпочтительно из платины, и фидеров, выполненных предпочтительно из золота, необходимо для обеспечения надежного электрического контактирования. В зоне взаимного перекрытия (Pl/Au) требования, предъявляемые к выполненным из чистых металлов (например Au и PI) компонентам, не соблюдены. Это ухудшение свойств в зонах взаимного перекрытия необходимо учитывать при проектировании резисторной структуры с положительным ТКС. Идеальная геометрия взаимного перекрытия – это максимальная длина при максимально малой глубине перекрытия, поэтому особенно предпочтительна V-образная форма. Предпочтительно глубина взаимного перекрытия составляет 100 μιη. Принципиально глубина взаимного определена возможностями технологии изготовления. Малая глубина может оказаться недостатком, если она составляет, например, от 25 μιη до 30 μιη. При малой глубине естественно возрастает возможность технологической неточности изготовления, например, до 5 μιη на общую производительность, как если бы выбрать глубину перекрытия 100 μιη.

Вышесказанное относится и к зоне взаимного перекрытия (Ag/Au) соединительных контактов (например, Ag) и фидеров (например, Au). Так как возникающая в этом взаимном перекрытии температура значительно ниже (холодная зона: температура соответствует главным образом температуре окружающей среды), чем температура в зоне взаимного перекрытия фидеров и токопроводящих дорожек (горячая зона или зона нагрева: температура соответствует температуре в заданной зоне резисторной структуры с положительным ТКС, т.е. температуре зоны нагрева), свойства резисторной структуры с положительным ТКС в меньшей степени подвержены воздействию. Изобретение относится также к нагревательной схеме, соответствующей указанной резисторной структуре с положительным ТКС, но в любом исполнении. Для этого наряду с нагревательным элементом по данному изобретению установлены: электрическое энергоснабжение резисторной структуры с положительным ТКС и блок регулирования и обработки данных, регулирующий заданные параметры температуры резисторной структуры с положительным ТКС.

Электрическое энергоснабжение представлено источником напряжения с ограниченным запасом энергии. Предпочтительно электрическое напряжение обеспечивает аккумуляторная батарея.

Кроме этого в рамках нагревательной схемы по данному изобретению устанавливают специальную резисторную структуру для определения температуры среды, нагреваемой нагревательным элементом. Предпочтительно резисторная структура для измерения температуры и нагрева расположена на второй поверхности подложки, противоположной первой поверхности, на которой расположена резисторная структура с положительным ТКС. Регулирование температуры осуществляют предпочтительно на основе измеренной температуры, а нагрев осуществляют с обеих поверхностей.

Предпочтительно планарный нагревательный элемент по данному изобретению или нагревательную схему по данному изобретению используют в компактном датчике газа на полупроводниковой основе, в компактном нагревателе карманных устройств или в калориметрическом датчике объемного расхода.

На пассивирующем слое распложена, например, газочувствительная структура, например оксид металла, и встроенная электродная структура. Таким образом данное изобретение служит основой датчиков с нагревом в качестве основной сенсорной функции.

Планарный нагревательный элемент по данному изобретению изготавливают предпочтительно способом, описанным далее. На каждую из обеих поверхностей подложки, как правило последовательно, наносят разделительный слой. Как правило для напечатывания слоев применяют толстослойную технологию. Как было указанно, в рамках изобретения применяют и тонкослойную технологию. На один из двух сухих разделительных слоев наносят резисторную структуру с положительным ТКС. После затвердевания резисторной структуры с положительным ТКС апплицируют электрические фидеры и подвергают их процессу сушки. В заключение устанавливают соединительные электроконтакты , также с процессом отверждения. Предпочтительно зоны взаимного перекрытия соединительных контактов и электрических фидеров повторно подвергают отверждению. На обе поверхности планарного нагревательного элемента наносят пассивирующие слои, предпочтительно последовательно, и подвергают их отверждению.

Изобретение более детально описано на основе фигур, на которых изображено:

фиг. 1 - вертикальная проекция предпочтительно варианта выполнения нагревательного элемента по данному изобретению;

фиг. 1а - продольный разрез по оси А-А нагревательного элемента по данному изобретению из фиг. 1;

фиг. 2 - схема местного вида нагревательного элемента по данному изобретению с первым вариантом выполнения взаимного перекрытия между фидером и токопроводящими дорожками;

фиг. 3 - схема местного вида нагревательного элемента по данному изобретению со вторым вариантом выполнения взаимного перекрытия между фидером и токопроводящими дорожками;

фиг. 4 - схема местного вида нагревательного элемента по данному изобретению с третьим вариантом выполнения взаимного перекрытия между фидером и токопроводящими дорожками;

фиг. 5а - вертикальная проекция второго варианта выполнения нагревательного элемента по данному изобретению с резисторной структурой с положительным ТКС; и

фиг. 5b - вертикальная проекция оборотной стороны нагревательного элемента по фиг. 5а.

На фиг. 1 показана вертикальная проекция предпочтительного варианта выполнения нагревательного элемента 1 по данному изобретению. . Внешние размеры резисторной структуры 2 с положительным ТКС ограничивают заданную площадь 3 поверхности или зону нагрева. Виртуально резисторная структура 2 с положительным ТКС разделена на три различные подзоны: первую оконечную подзону 10, подсоединенную к соединительным электроконтактам 6 или электрическим фидерам 15, центральную подзону 11, подсоединенную к первой оконечной подзоне 10, и вторую оконечную подзону 12, подсоединенную к центральной подзоне 11. Между соединительными контактами 6 и электрическими фидерами 15 расположено взаимное перекрытие 16b заданной длины. Между каждым фидером 15 и токопроводящими дорожками 8, 9 также расположено взаимное перекрытие 16а.

Внутренняя токопроводящая дорожка 8 и внешняя токопроводящая дорожка 9 резисторной структуры 2 с положительным ТКС проходят приближенно параллельно с параллельным электрическим подключением. Сопротивление внутренней токопроводящей дорожки 8 больше сопротивления внешней токопроводящей дорожки 9. Сопротивления внутренней токопроводящей дорожки 8 и внешней токопроводящей дорожки 9 рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить при подведении напряжения главным образом равномерное распределение температуры в границах заданной площади 3 поверхности. Эту заданную площадь поверхности называют также зоной нагрева и она обозначена на Фиг.1 пунктирной линией по внешнему краю резисторной структуры 2 с положительным ТКС.

Холодная зона, т.е. зона с главным образом комнатной температурой, расположена в зоне соединительных контактов 6. В переходной зоне между зоной нагрева и холодной зоной также как и в наружной зоне заданной площади 3 поверхности перепад температур очень высокий. Из-за высокого перепада температур зона нагрева ограничена главным образом заданной площадью 3 поверхности. Высокий перепад температур обеспечен выбором подложки 5 с низкой теплопроводимостью. Дополнительную информацию можно найти в предыдущем описании.

В представленном варианте выполнения внутренняя токопроводящая дорожка 8 и внешняя токопроводящая дорожка 9 выполнены из одинакового материала. Ранее было указано, что в качестве материала токопроводящих дорожек 8, 9 предпочтительно применяют платину. Разница сопротивлений токопроводящих дорожек 8, 9 обеспечена разницей площади поперечного сечения и/или протяженности внутренней токопроводящей дорожки 8 и внешней токопроводящей дорожки 9.

Ранее были указаны предпочтительные параметры планарного нагревательного элемента или чипа по данному изобретению. Из фиг. 1 следует, что фидеры 15, выполненные, как было подробно описано ранее, предпочтительно из золота, имеют также различный диаметр: в месте соединения с первой оконечной подзоной 10 ширина меньше и сопротивление, тем самым, выше, чем в зоне подсоединения к соединительным контактам 6. Это обеспечивает то, что теплопроводность не растет. В сочетании с более низкой, чем у платины теплопроводностью золота обеспечен необходимый высокий перепад температур в переходной зоне между зоной нагрева и холодной зоной.

На фиг. 1а показан продольный разрез по оси А-А показанного на фиг. 1 нагревательного элемента 1 по данному изобретению. На обеих поверхностях 4, 19 подложки 5 нанесен разделительный слой 14. Подложка 5 выполнена предпочтительно из оксида циркония с толщиной 300 μιη, толщина каждого разделительного слоя 14 составляет соответственно 15 μιη. На нанесенном на поверхность 4 подложки 5 разделительном слое 14 расположена резисторная структура 2 с положительным ТКС. Резисторная структура с положительным ТКС выполнена из платины толщиной 8 μιη. Понятно, что описанные выше параметры резисторной структуры 2 с положительным ТКС не ограничены указанными величинами. Каждый из четко указанных параметров может быть изменен вверх или вниз. Специалист сможет определить конкретные вариативные параметры.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения соединительные контакты 6 выполнены из серебра и их толщина составляет 10 μιη. Электрические фидеры 15 между соединительными контактами 6 и резисторной структурой 2 с положительным ТКС выполнены из золота с толщиной 4 μιη.. В зоне взаимного перекрытия 16b соединительные контакты 6 перекрывают электрические фидеры 15 и токопроводящие дрожки 8, 9 резисторной структуры с положительным ТКС. Поверхности 4, 19 планарного нагревательного элемента 1 запечатаны пассивирующим слоем 13. Толщина пассивирующего слоя 13 составляет 15 μιη. Функции отдельных слоев были подробно описаны ранее. Чувствительность планарного нагревательного элемента составляет при комнатной температуре без подключения напряжения нагрева 3700 ppm/K (+- 100 ppm/K). Понятно, что указанная толщина отдельных слоев приведена в качестве примера. Каждый из четко указанных параметров может быть изменен вверх или вниз. Специалист сможет определить конкретные вариативные параметры.

На фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 показаны схемы местных видов нагревательных элементов 1 по данному изобретению с различными вариантами выполнения взаимного перекрытия 16а между одним из фидеров 15 и соединенными токопроводящим дорожками 8, 9. Взаимное перекрытие 16а по фиг. 2 выполнено в форме перемычки, взаимное перекрытие 16а по фиг. 3 выполнено прямоугольной формы, а взаимное перекрытие 16а по фиг. 4 выполнено V-образно. Взаимное перекрытие 16а между фидерами 15 и токопроводящими дорожками 8, 9 в первой оконечной зоне 10 резисторной структуры 2 с положительным ТКС выполнено относительно его геометрии таким образом, чтобы физические нагревательные свойства резисторной структуры 2 с положительным ТКС оставались, по меньшей мере, приближенно неизменными или идентичными свойствам на заданной площади 3 поверхности, где расположена зона нагрева. Материалы и особенности зон взаимных перекрытий 16а, 16b были описаны ранее и от их повторения можно отказаться.

На фиг. 5а показана вертикальная проекция второго варианта выполнения нагревательного элемента 1 по данному изобретению с резисторной структурой 2 с положительным ТКС, на фиг. 5b показана вертикальная проекция оборотной стороны 19 нагревательного элемента 1 по фиг. 5а, на которой установлен температурный датчик 18 меандрообразной формы. На фиг. 5а показана также нагревательная схема по данному изобретению с нагревательным элементом 1, источником 7 напряжения и блоком 17 регулирования и обработки данных.

Список условных обозначений

1 нагревательный элемент

2 резисторная структура с положительным ТКС

3 заданная площадь поверхности

4 поверхность

5 подложка

6 соединительный контакт

7 источник электронапряжения

8 внутренняя токопроводящая дорожка

9 внешняя токопроводящая дорожка

10 первая оконечная подзона

11 центральная подзона

12 вторая оконечная подзона

13 пассивирующий слой

14 разделительный слой

15 электрический фидер

16а взаимное перекрытие

16b взаимное перекрытие

17 блок регулировки и обработки данных

18 резисторная структура для измерения температуры

19 противоположная поверхность

Изобретение относится к планарному нагревательному элементу (1) с резисторной структурой (2) с положительным ТКС, расположенной на заданной площади (3) первой поверхности (4) подложки (5), причем резисторная структура (2) с положительным ТКС снабжена соединительными электроконтактами (6) для подключения к источнику (7) электрического напряжения, причем резисторная структура (2) с положительным ТКС включает, исходя от обоих соединительных электроконтактов (6), по меньшей мере внутреннюю токопроводящую дорожку (8) и параллельно подключенную внешнюю токопроводящую дорожку (9), причем сопротивление внутренней токопроводящей дорожки (8) больше сопротивления внешней токопроводящей дорожки (9) и причем сопротивления внутренней токопроводящей дорожки (8) и внешней токопроводящей дорожки (9) рассчитаны таким образом, чтобы при подведении напряжения обеспечить главным образом равномерное распределение температуры в границах заданной площади (3) поверхности. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Планарный нагревательный элемент (1) с резисторной структурой (2) с положительным ТКС, расположенной на заданной площади (3) первой поверхности (4) подложки (5),

- причем резисторная структура (2) с положительным ТКС снабжена соединительными электроконтактами (6) для подключения к источнику (7) электрического напряжения,

- причем резисторная структура (2) с положительным ТКС состоит из расположенных друг в друге токопроводящих дорожек (8, 9) и включает по меньшей мере одну внутреннюю токопроводящую дорожку (8) и подключенную параллельно к ней внешнюю токопроводящую дорожку (9),

- причем внутренняя токопроводящая дорожка (8) имеет большее сопротивление, чем внешняя токопроводящая дорожка (9),

- причем сопротивления внутренней токопроводящей дорожки (8) и внешней токопроводящей дорожки (9) рассчитаны таким образом, чтобы при подведении напряжения обеспечить главным образом равномерное распределение температуры в границах заданной площади (3) поверхности.

2. Нагревательный элемент по п. 1, причем посредством резисторной структуры (2) с положительным ТКС предоставляются температурные измеренные параметры, так что резисторная структура (2) с положительным ТКС служит в качестве нагревательного элемента и в качестве температурного датчика.

3. Нагревательный элемент по п. 1 или 2,

- причем внутренняя токопроводящая дорожка (8) и внешняя токопроводящая дорожка (9) выполнены из одинакового материала и

- причем разница сопротивлений обеспечивается разницей площади поперечного сечения и/или протяженности внутренней токопроводящей дорожки (8) и внешней токопроводящей дорожки (9).

4. Нагревательный элемент по любому из пп. 1, 2 или 3, причем внутренняя токопроводящая дорожка (8) и внешняя токопроводящая дорожка (9) выполнены из разного материала с различным удельным сопротивлением.

5. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-4, причем резисторная структура (2) с положительным ТКС разделена на три подзоны:

- первую оконечную подзону (10), подсоединенную к электрическим фидерам (15),

- центральную подзону (11), подсоединенную к первой оконечной подзоне (10), и

- вторую оконечную подзону (12), подсоединенную к центральной подзоне (11).

6. Нагревательный элемент по любому из пп. 1, 2 или 3, причем внутренняя токопроводящая дорожка (8) и подключенная параллельно внешняя токопроводящая дорожка (9) проходят в центральной подзоне (11) главным образом параллельно друг другу.

7. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-6, причем внутренняя токопроводящая дорожка (8) и внешняя токопроводящая дорожка (9) в первой оконечной подзоне (10) выполнены со схождением и контактируют с ответствующими соединительными электроконтактами (6).

8. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-7, причем сопротивление внутренней токопроводящей дорожки (8) и/или сопротивление внешней токопроводящей дорожки (9) в первой оконечной подзоне (10) и/или во второй оконечной подзоне (12) больше, чем сопротивление внутренней токопроводящей дорожки (8) и/или сопротивление внешней токопроводящей дорожки (9) в центральной подзоне (11).

9. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-8, причем по меньшей мере один геометрический параметр, как ширина линии и толщина наполнения, внутренней токопроводящей дорожки (8) и/или внешней токопроводящей дорожки (9) по меньшей мере на участке по меньшей мере одной из подзон (10, 11, 12) варьируется таким образом, чтобы компенсировать локально возникающее отклонение от равномерного распределения температуры на соответствующем участке по меньшей мере приближенно.

10. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-9, причем подложка (5) выполнена из материала с теплопроводностью ниже заданного порогового значения, так что между нагреваемой заданной площадью (3) поверхности и соединительными контактами (6) возникает перепад температур выше заданного порогового значения, предпочтительно более 50°C/mm.

11. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-10, причем на или в подложке (5) выполнен по меньшей мере один главным образом электроизолированный разделяющий слой (14), предпочтительно из стекла.

12. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-11, причем подложка (5) снабжена по меньшей мере одним пассивирующим слоем (13), нанесенным предпочтительно на поверхность подложки (5).

13. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-12, причем резисторная структура (2) с положительным ТКС выполнена из электропроводящего материала, пригодного для использования в высокотемпературной зоне, предпочтительно из платины.

14. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-13, причем соединительные электроконтакты (6) выполнены из благородного металла или сплава благородного металла, причем благородным металлом является предпочтительно серебро, а сплавом благородного металла является предпочтительно серебряный сплав.

15. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-14, причем между соединительными электроконтактами (6) и первой оконечной подзоной (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС выполнены электрические фидеры (15) из благородного металла, предпочтительно из золота, предпочтительно 99,9%-ной пробы.

16. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-15, причем как фидеры (15) и токопроводящие дорожки (8, 9) в первой оконечной подзоне (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС, так и фидеры (15) и соединительные электроконтакты (6) выполнены с заданным взаимным перекрытием (16а, 16b).

17. Нагревательный элемент по п. 16, причем взаимное перекрытие (16а) между фидерами (15) и токопроводящими дорожками (8, 9) в первой оконечной подзоне (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС выполнено относительно его геометрических параметров таким образом, чтобы физические нагревательные свойства резисторной структуры (2) с положительным ТКС оставались по меньшей мере приближенно неизменными.

18. Нагревательный элемент по п. 16 или 17, причем взаимное перекрытие (16а) между фидерами (15) и токопроводящими дорожками (8, 9) в первой оконечной подзоне (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС выполнено V-образным, прямоугольным или в виде перемычки.

19. Нагревательный элемент по любому из пп. 16-18, причем ширина взаимного перекрытия (16а) между фидерами (15) и токопроводящими дорожками (8, 9) в первой оконечной подзоне (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС больше промежутка между внутренней токопроводящей дорожкой (8) и внешней токопроводящей дорожкой (9).

20. Нагревательный элемент по любому из пп. 16-19, причем глубина взаимного перекрытия (16а) между фидерами (15) и токопроводящими дорожками (8, 9) в первой оконечной подзоне (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС при линейчатой форме или V-образной составляет более 100 мкм.

21. Нагревательный элемент по любому из пп. 16-20, причем соотношение длины и глубины взаимного перекрытия (16а) между фидерами (15) и токопроводящими дорожками (8, 9) в первой оконечной подзоне (10) резисторной структуры (2) с положительным ТКС составляет приближенно более чем 5:1.

22. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-21, причем толщина (d) резисторной структуры (2) с положительным ТКС, выполненной предпочтительно из платины, составляет по меньшей мере в первой подзоне (10) от 5 до 10 мкм.

23. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-22, причем толщина фидеров (15), выполненных предпочтительно из золота, составляет от 3 до 10 мкм.

24. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-23, причем толщина соединительных контактов (6), выполненных предпочтительно из серебра, составляет от 10 до 30 мкм.

25. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-24, причем диапазон температуры на заданной площади (3) поверхности с главным образом равномерным распределением температуры составляет предпочтительно от 300°C до 750°C.

26. Нагревательный элемент по любому из пп. 1-25, причем сопротивление резисторной структуры (2) с положительным ТКС составляет при комнатной температуре без подключения напряжения нагрева ниже 3 Ом, предпочтительно ниже 1 Ом.

27. Нагревательная схема с нагревательным элементом по любому из пп. 1-26,

- причем имеется источник (7) электронапряжения, обеспечивающий энергоснабжение резисторной структуры (2) с положительным ТКС, и

- блок (17) регулировки и обработки данных, настраивающий резисторную структуру (2) с положительным ТКС на заданный параметр температуры.

28. Нагревательная схема по п. 27, причем источник (7) электронапряжения является источником напряжения с ограниченным энергозапасом, предпочтительно аккумуляторной батареей с напряжением менее чем 3V.

29. Нагревательная схема по п. 27 или 28,

- причем имеется резисторная структура (18) для определения температуры и для нагревания рабочей среды, а

- резисторная структура (18) нанесена на вторую поверхность (19) положки (5), противоположную первой поверхности (4).

30. Способ изготовления планарного нагревательного элемента по любому из пп. 1-26, включающий следующие технологические этапы:

- нанесение на поверхности (4, 19) подложки (5) соответственно по одному разделительному слою (14),

- нанесение резисторной структуры (2) с положительным ТКС на разделительный слой (14) на поверхности (4),

- нанесение электрических фидеров (15),

- нанесение соединительных контактов (6),

- нанесение пассивирующего слоя (13) в зоне обеих поверхностей (4, 19).

31. Способ по п. 30, причем для изготовления планарного нагревательного элемента (1) применяют толстослойную или тонкослойную технологию.