(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板（５）の第１の表面（４）の画定された表面領域（３）内に配置されたＰＴＣ抵抗構造（２）を備える平面加熱素子（１）であって、
電圧源（７）への接続のための電気接続接点（６）が、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）に関連付けられており、
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）は、前方に伸び、ターンして戻ってくる形状をしており、少なくとも、１つの内部導電性トレース（８）と、前記ターンをする部分において、前記内部導電性トレースより外側をターンする、前記内部導電性トレースと並列に接続された１つの外部導電性トレース（９）とを有し、
前記内部導電性トレース（８）は、前記ターンをする部分において、前記内部導電性トレースより外側をターンする前記外部導電性トレース（９）の抵抗よりも大きな抵抗を有しており、
前記内部導電性トレース（８）と前記外部導電性トレース（９）の各抵抗の大きさは、電圧を印加したとき、前記画定された表面領域（３）内に本質的に均一な温度分布が存在するような大きさとされている、平面加熱素子。
【請求項２】
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）が温度測定値を提供することで、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）が加熱素子及び温度センサとして機能する、請求項１に記載の平面加熱素子。
【請求項３】
前記内部導電性トレース（８）及び前記外部導電性トレース（９）は、同一の材料で製造され、
前記異なる抵抗は、前記内部導電性トレース（８）及び外部導電性トレース（９）の異なる断面積及び／又は長さによって実装される、請求項１又は２に記載の平面加熱素子。
【請求項４】
前記内部導電性トレース（８）及び外部導電性トレース（９）は、異なる比抵抗を有する異なる材料でできている、請求項１〜３のいずれか１つに記載された平面加熱素子。
【請求項５】
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）は、３つの部分に分割可能であり、該３つの部分は、
電気接続線（１５）に隣接する第１の端部（１０）と、
前記第１の端部（１０）に隣接する中間部（１１）と、
前記中間部（１１）に隣接する第２の端部（１２）と、からなる、請求項１〜４のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項６】
前記内部導電性トレース（８）と、前記内部導電性トレース（８）とは並列に接続された前記外部導電性トレース（９）は、本質的に平行に、中間部（１１）内を延伸する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項７】
前記内部導電性トレース（８）と前記外部導電性トレース（９）は、前記第１の端部（１０）内で相互に向かって伸び、対応する前記電気接続接点（６）に接続される、請求項５に記載の平面加熱素子。
【請求項８】
前記第１の端部（１０）及び／又は前記第２の端部（１２）における、前記内部導電性トレース（８）の前記抵抗及び／又は前記外部導電性トレース（９）の前記抵抗は、前記中間部（１１）における、前記内部導電性トレース（８）及び／又は前記外部導電性トレース（９）の前記抵抗より大きい、請求項５に記載の平面加熱素子。
【請求項９】
前記内部導電性トレース（８）及び／又は前記外部導電性トレース（９）の、線幅及び充填厚さなどの少なくとも１つの幾何学的パラメータは、少なくとも１つの部分（１０、１１、１２）の少なくとも１つのサブセクションにおいて、前記均一な温度分布から局所的に発生する偏差が少なくとも略キャンセルされるように、可変される、請求項１〜８のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項１０】
前記支持基板（５）は、所定の制限値より小さい熱伝導率を有する材料からなっており、前記加熱された画定された表面領域（３）と前記電気接続接点（６）との間で、所定の制限値より大きな、好ましくは、５０℃／ｍｍより大きい、熱勾配が発生するようになっている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項１１】
少なくとも１つの本質的に絶縁性の分離層（１４）は、好ましくは、ガラスで製造されるが、前記支持基板（５）の上、又は、その中に提供される、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項１２】
前記支持基板（５）は、少なくとも１つの不動態化層（１３）を有し、該不動態化層は前記支持基板（５）の表面上に設けられる、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項１３】
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）は、高温での使用のために、導電性材料、好ましくはプラチナで構成される、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項１４】
前記電気接続接点（６）は、貴金属又は貴金属合金で製造され、前記貴金属は、好ましくは銀であり、貴金属合金の場合、好ましくは銀合金である、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項１５】
前記電気接続接点（６）と前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）との間に、前記電気接続線（１５）が設けられ、前記電気接続線は、貴金属、好ましくは、金から、好ましくは、９９．９％の純度で、製造される、請求項５に記載の平面加熱素子。
【請求項１６】
前記電気接続線（１５）と前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）における前記導電性トレース（８、９）とは、また、前記電気接続線（１５）と前記電気接続接点（６）とは、画定された重なり（１６ａ、１６ｂ）を有する、請求項１５に記載の平面加熱素子。
【請求項１７】
前記接続線（１５）と前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）における前記導電性トレース（８、９）との間の前記重なり（１６ａ）の幾何学的形状は、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の物理的加熱特性が少なくとも略不変であるように、実装される、請求項１６に記載の平面加熱素子。
【請求項１８】
前記接続線（１５）と、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）における前記導電性トレース（８、９）との間の前記重なり（１６ａ）は、Ｖ形状、直方形状、又は、支柱形状で実装される、請求項１６又は１７に記載の平面加熱素子。
【請求項１９】
前記接続線（１５）と、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）における前記導電性トレース（８、９）との間の前記重なり（１６ａ）の幅（ｂ）は、前記内部導電性トレース（８）と前記外部導電性トレース（９）との間の分離幅より大きい、請求項１６〜１８のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２０】
前記接続線（１５）と、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）における前記導電性トレース（８、９）との間の前記重なり（１６ａ）の深さは、線形又はＶ形状の重なりの場合、１００μｍより大きい、請求項１６〜１９のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２１】
前記接続線（１５）と、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の前記第１の端部（１０）における前記導電性トレース（８、９）との間の前記重なり（１６ａ）の長さと深さは、略５：１より大きい比を有する、請求項１６〜２０のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２２】
好ましくはプラチナからなる、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の厚さ（ｄ）は、少なくとも前記第１の端部（１０）で、５μｍと１０μｍの間である、請求項１６〜２１のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２３】
好ましくは、金からなる、前記電気接続線（１５）の厚さは、３μｍと１０μｍの間である、請求項１６〜２２のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２４】
好ましくは銀からなる、前記電気接続接点（６）の厚さは、１０μｍと３０μｍの間である、請求項１６〜２３のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２５】
前記画定された表面領域（３）の温度は、好ましくは、３００℃と７５０℃との間の温度範囲での、本質的に均一な温度分布を有する、請求項１６〜２４のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２６】
加熱電圧を印加しない、室温での、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の抵抗値は、３Ωより小さく、好ましくは、１Ωより小さい、請求項１６〜２５のいずれか１つに記載の平面加熱素子。
【請求項２７】
請求項１〜２６のいずれか１つに記載の平面加熱素子を有する加熱装置であって、
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）にエネルギーを供給する電圧源（７）が設けられ、
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）を所定の温度値に制御する制御／評価ユニット（１７）が設けられた、加熱装置。
【請求項２８】
前記電圧源（７）は、３Ｖ以下の電圧を有する、制限されたエネルギー供給を有する電圧源であり、好ましくは、バッテリである、請求項２７に記載の加熱装置。
【請求項２９】
抵抗構造（１８）が、温度を決定し、媒体を加熱するために、設けられ、
前記抵抗構造（１８）は、前記第１の表面（４）と対向して存在する前記支持基板（５）の第２の表面（１９）上に設けられる、請求項２７又は２８に記載の加熱装置。
【請求項３０】
半導体ベースの小型ガスセンサ、ハンドヘルドデバイス用の小型ヒータ、又は、熱量測定流れセンサにおける、請求項１〜２６のいずれか１つに記載の平面加熱素子（１）及び／又は請求項２７〜２９のいずれか１つに記載の加熱装置の使用。
【請求項３１】
請求項１〜２６のいずれか１つに記載の平面加熱素子（１）を製造するための方法であって、
前記支持基板（５）の前記第１の表面（４）と、前記第１の表面とは対向して存在する前記支持基板（５）の第２の表面（１９）のそれぞれを、分離層（１４）でコーティングするステップと、
前記第１の表面（４）の前記分離層（１４）上に、前記ＰＴＣ抵抗構造（２）を設けるステップと、
前記ＰＴＣ抵抗構造（２）の第１の端部（１０）に隣接して電気接続線（１５）を設けるステップと、
前記電圧源（７）への接続のための前記電気接続接点（６）を前記ＰＴＣ抵抗構造（２）に関連付けて設けるステップと、
前記第１及び第２の表面（４、１９）の領域に不動態化層（１３）を設けるステップと、
を含む方法。
【請求項３２】
厚膜技術又は薄膜技術が、前記平面加熱素子（１）の製造に適用される、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持基板の第１の表面の画定された表面領域に配置される、ＰＴＣ抵抗構造を有する平面加熱素子に関し、電圧源に接続するための電気接続接点は、ＰＴＣ抵抗構造に関連する。更に、本発明は、本発明の平面加熱素子が適用される、加熱装置に関する。更に、本発明は、それぞれ、本発明の加熱素子、本発明の加熱装置の好適な使用に関する。更に、本発明は、本発明の加熱素子を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、従来知られている技術は、抵抗構造の電気抵抗を評価することによって、それぞれ、温度を決定し、モニタするものである。対応する抵抗構造が、薄膜技術又は厚膜技術のいずれかを用いて、基板に適用される。しばしば、抵抗構造は、メアンダ形状又は渦形状である。
【０００３】
また、対応する抵抗構造を介して、所定の温度まで、周囲の媒体を加熱するものも知られている。このため、抵抗構造は、電圧源に接続される。例えば、加熱可能な抵抗構造は、測定管を介して媒体の質量流を決定し、及び／又はモニタするための熱流測定デバイスの場合に適用される。
【０００４】
温度測定用に適用される抵抗構造及び加熱可能な抵抗構造は、好ましくは、ニッケル又はプラチナなどのＰＴＣ（正の温度係数）材料から通常製造される。ＰＴＣ抵抗構造は、温度が上がるにつれオーム抵抗が増加する特性によって区別され、機能的依存性は、広い温度範囲にわたって、かなり線形である。
【０００５】
既知の抵抗構造の欠点は、特に、メアンダ形状のときの、これらの構造の比較的大きな抵抗に存在する。その結果、比較的高い電圧が、エネルギー供給として提供されなければならない。更に、画定された表面領域内で、均一な温度分布が要求される場合、それは、既知のメアンダ構造では実装できない。そのような構造は、被覆の製造におけるプロセス揺らぎによって引き起こされるが、異なる線幅を有し得るという欠点を有する。より狭い線幅の領域はより高い抵抗を有するので、これによって、ホットスポットを形成することになる。これは、加熱が補助的に抵抗を増加するという事実によって増幅される、局所的に大きな加熱（ホットスポット）を導く。他方、そのような解決方法は、高い電流密度が、電子移動（エレクトロマイグレーション）を導きうるという結果を有する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、画定された表面領域において、少なくともほぼ、それぞれ、均質で、均一な温度分布を有する平面加熱素子を提供することである。
【０００７】
この目的は、以下の特徴によって達成される。つまり、当該特徴は、ＰＴＣ抵抗構造が、２つの電気接続接点から始まって、少なくとも１つの内部導電性トレースと、それに並列に接続された外部導電性トレースとを有すること、内部導電性トレースが、外部導電性トレースよりも大きい抵抗値を有すること、および、内部導電性トレースと外部導電性トレースの抵抗が、電圧を印加したとき、実質的に均一な温度分布が、画定された表面領域内に存在するようなサイズにされていること、を含む。そのような場合、より小さい抵抗値を有する導電性トレースが、加熱電力に、より大きく寄与するという効果が、利用される。したがって、２つの導電性トレースの並列回路は、安定化効果を有する。特に、２つの導電性トレースのうちの一方が、例えば、プロセスに関連して幅が狭くなっているとしても、たいてい、そのような場所にホットスポットは形成されない。
【０００８】
広く均一に加熱された表面領域の外側では、大きな温度勾配が存在し、加熱された領域は、本質的に、画定された表面領域に限定されるようになる。小さなオーム抵抗は、少なくとも２つの、平行に延伸し、並列に接続される導電性トレースによって実装されることができる。特に、室温におけるＰＴＣ抵抗構造の全抵抗値は、加熱電圧を印加しなければ、好ましくは３オームより小さい。
【０００９】
好ましくは、ＰＴＣ抵抗構造は、加熱機能のほかに、温度測定値をも提供するように実装され、その結果、ＰＴＣ抵抗構造が、加熱素子として、及び、温度センサとして、機能するようになる。
【００１０】
本発明の加熱素子の第１の有利な実施形態においては、内部導電性トレースと外部導電性トレースが、同一の材料で製造される、内部導電性トレースと外部導電性トレースの異なる断面積及び／又は長さによって、異なる抵抗値が実装される。この第１の実施形態は、抵抗構造が、単一の材料からなり、その結果、抵抗構造が、１つの製造段階で構成されることができる、という利点を有する。ＰＴＣ抵抗構造用の材料として、好適に用いられるものは、ニッケル又はプラチナである。プラチナは、３００℃より高い温度においても問題なく適用することもできるという利点を有する。
【００１１】
本発明の加熱素子の別の実施形態においては、内部導電性トレースと外部導電性トレースは、異なる材料で製造され、この２つの導電性トレースは、異なる比抵抗を有する。また、異なる比抵抗の異なる材料の組み合わせにより、画定された表面領域内において、均一な温度分布が達成されることができる。このための最良な方法は、第１の実施形態と別の実施形態を組み合わせることである。
【００１２】
本発明の加熱素子の実施形態の有利な形態は、仮想的に３つの部分で、ＰＴＣ抵抗構造を構成することを提供する：３つの部分とは、
電気接点接続／接続線を隣接させる、第１の端部であって、これにより、電圧源との接続が発生する、第１の端部と、
第１の端部と隣接する中間部と、
中間部上に続く第２の端部である。
【００１３】
利点であると証明されたのは、内部導電性トレースと外部導電性トレースが、中間部において実質的に平行に延伸する場合である。好ましくは、内部導電性トレースと外部導電性トレースは、第２の端部においても実質的に平行に延伸する。第１の端部では、内部導電性トレースと外部導電性トレースは、相互に向かって伸び、各々が、２つの電気接続接点の一方に接続される。好ましくは、第１の端部における２つの導電性トレースは、従って、Ｖ形状を有している。ＰＴＣ抵抗構造の幾何学形状に突然の変化が起こらなければ、画定された表面領域において高温安定性が達成されることができる。特に、ホットスポットと呼ばれるものが形成されるのを防止する。
【００１４】
しかし、同様に、２つの導電性トレースが、２つの導電性トレースに対して直角に延伸するセクションを介して、第１の端部において、相互に接続されることも可能である。
【００１５】
同様に、外部導電性トレースと内部導電性トレースの両者は、第２の端部において、Ｖ形状又は直方形状のいずれかを有することができる。また、第２の端部においては、内部導電性トレースと外部導電性トレースは、相互に、本質的に平行に延伸する。オプションとして、また、例えば、半円形状などの他の形状を用いることもある。更に、オプションとして、２つの端部の一方に、例えば、直方形状などの第１の形状を用い、他の端部に、例えば、Ｖ形状などの、第１の形状とは異なる第２の形状を用いることもある。
【００１６】
更に、有利な実施形態は、第１の端部及び／又は第２の端部における、内部導電性トレースの単位長さ当たりの抵抗及び／又は外部導電性トレースの単位長さ当たりの抵抗が、中間部における、内部導電性トレース及び／又は外部導電性トレースの単位長さ当たりの抵抗より大きいことを提供する。
【００１７】
本発明の加熱素子の有利な更なる展開は、均一な温度分布からの局所的な偏差が、影響される部分において、少なくともほぼキャンセルするように、線幅及び充填厚さなどの、内部導電性トレース及び／又は外部導電性トレースの少なくとも１つの幾何学的パラメータが、少なくとも１つの部分のうちの少なくとも１つのサブセクションにおいて変化する。
【００１８】
好ましくは、基板は、所定の制限値より少ない熱伝導率を有する材料から構成され、より均一な温度分布を有する画定された表面領域と、接続接点との間で、所定の制限値より大きな、典型的には、５０℃／ｍｍより大きな、大きな熱勾配が起こる。このように、加熱された「熱い」領域は、本質的に、画定された表面領域に制限され、外部に存在する「冷たい」領域から熱的に分離されることが保証される。好ましくは、基板材料は、熱伝導率が、５ワット／ｍＫより小さいものが用いられる。好ましくは、熱伝導率は、３ワット／ｍＫより小さい。
【００１９】
画定された表面領域は、外部導電性トレースの外形寸法によって本質的に規定される境界を有する。この画定された表面領域は、少なくとも３００℃の温度である、いわゆる加熱領域又は熱い領域と呼ばれる。外部に向かって位置している導電性トレースの外形寸法によって規定される領域に加熱領域を制限することは、特に、基板材料が低い熱伝導率を有するように提供することで達成される。更に、好ましくは、それは、１ｍｍ以下の厚さを有する。
【００２０】
加熱領域と、通常室温におかれ、接続接点が配置される冷たい領域との間の熱交換を達成するために、小さな充填密度を有する電気接続線が設けられる。これらは、好ましくは、（金の割合が、少なくとも９５％より大きく、好ましくは、９９％よりも大きい）純度の高い金によって製造される。接続接点は、銀又は銀合金で作られる。
【００２１】
ＰＴＣ抵抗構造の抵抗値は、室温で、１０Ω未満、好ましくは、３Ω未満、又は更に１Ω未満のこともある。これは、少なくとも１つの適切な材料（好ましくはプラチナ）及び、対応する導電性トレース構造の適切な寸法を選択することによって達成される。
【００２２】
基板材料は、アルミニウム酸化物、石英ガラス、又は、ジルコニウム酸化物である。本発明との関係で、好ましくは、基板は、ジルコニウム酸化物である。支持基板の厚さは、好ましくは、１ｍｍより薄い。ジルコニウム酸化物は、以下の利点を有する：低い熱伝導率（しかし、所定の場合には、局所的に発生するホットスポットをなだらかにするのに十分な熱伝導率）と、薄い場合であっても高い機械的安定性を示すことと、熱膨張に対し、特に、導電性トレースがプラチナのときに、加熱素子の金属成分と最適にマッチングすることである。この実施形態は、均質な温度分布が、抵抗構造の外形寸法によって規定される表面領域に制限されることを保証する。ＰＴＣ抵抗構造の外部において、大きい温度勾配の結果として、温度は非常に速く降下する。好ましくは、支持基板の形状は、ＰＴＣ抵抗構造の形状にマッチングされる。特に、基板材料は、結果として、第２の端部に、Ｖ形状又は直方形状を有して実装される。第２の端部がＶ形状である場合、従って、第２の端部が点を有する場合、加熱素子は、加熱されるべき媒体内に挿入されることができる。点を有するチップ配置の例は、ＥＰ１１８９２８１Ｂ１に開示されている。
【００２３】
本発明の加熱素子の有利な実施形態においては、好ましくは、ガラスで製造される、少なくとも１つの本質的に絶縁性の分離層は、基板の上又は基板内に、設けられる。上記したように、基板は、好ましくは、ジルコニウム酸化物によって製造される。ジルコニウム酸化物は、上記されたように、本発明の加熱素子における使用に推奨されるような特性を有する。しかし、ジルコニウム酸化物は、２００℃より上の温度で導電性を有するという欠点を有する。分離層を挿入することは、導電性の発生を抑制する。この既知の解決法の更なる情報は、ＥＰ１８０１５４８Ａ２に見つけることができる。
【００２４】
更に、基板は、好適には基板の表面に適用される少なくとも１つの不動態化層を有する。不動態化層は、好ましくは、少なくとも部分的に、分離層の材料で構成される。不動態化層は、機械的、化学的、及び、電気的影響に対する保護として機能する。好ましくは、不動態化層は、加熱素子の両面に堆積される。このようにして、支持基板の機械的曲げを防止することができる。特に、不動態化層の材料は、ガラス封止層とすることができる。本発明との関連で有用な、不動態化層の更なる情報は、ＷＯ２００９／０１６０１３Ａ１に見つけることができる。
【００２５】
既に上記したように、ＰＴＣ抵抗構造は、好ましくは、高温での使用に適する導電性材料によって製造される。好ましくは、ＰＴＣ抵抗構造は、プラチナからなる。プラチナは、その良好な温度安定性とは別に、温度に対する、明確に規定された、殆ど線形な抵抗の特性曲線と、非常に高い電子移動抵抗とを有する、という利点を有する。更に、ＰＴＣ特性によると、温度の近似的な自己制御は、抵抗構造が、実質的に一定な電圧源（たとえば、バッテリ）に接続されるとき、プラチナ抵抗構造によって達成されることができる。更に、プラチナのＰＴＣ抵抗構造は、温度測定の業界標準である。
【００２６】
本発明の加熱素子の有利な実施形態において、電気接続接点は、貴金属又は貴金属合金によって製造され、貴金属は、好ましくは、銀であり、貴金属合金の場合、好ましくは、銀合金である。銀は、同様に、業界標準として認識され、それは、それぞれ、うまく半田付けできる、溶接できる、という利点を有している。しかし、銀は、３００℃より上の温度で、プラチナ内に拡散するという欠点を有する。したがって、高温（２５０℃より上）で使用する場合、プラチナ抵抗構造と銀接続接点との間を直接接続することは出来ない。述べるべきことは、実際上、銀は、合金としてのみ適用されるということである。これは、ごく一部のパラジウム、又は、ここでは好ましくは、ごく一部のプラチナが、銀原子の移動をブロックし、材料移動を防止するからである。
【００２７】
上記問題を避けるため、電気接続線が、電気接続接点と、第１の抵抗構造の第１の端部との間に設けられる。これらは、同様に、貴金属、好ましくは金によって製造される。金は、８５０℃まで、プラチナへの安定した遷移を保証し、良い電気伝導度を有し、非常に純度高く、小型で、薄い層に堆積されることができる。
【００２８】
本発明の解決法の好適な実施形態においては、接続線と、ＰＴＣ抵抗構造の第１の端部における導電性トレースとは、また、接続線と電気接続接点とは、両方とも、規定された重なりを有する。重なりは、確実な電機接触を保証する。本発明の加熱素子の有利な実施形態においては、接続線と、ＰＣＴ抵抗構造の第１の端部における導電性トレースとの間の重なりの長さが、内部導電性トレースと外部導電性トレースとの間の分離幅より大きいように設けられる。
【００２９】
好ましくは、接続線と、ＰＴＣ抵抗構造の第１の端部の導電性トレースとの間の重なりの深さは、特に、線形、又は、Ｖ形状の重なりの場合、１００μｍより大きい。本発明に関連して特に有利なことは、接続線と、ＰＴＣ抵抗構造の第１の端部の導電性トレースとの間の重なりの長さと深さが、略５：１より大きい比を有する場合である。
【００３０】
特に、接続線とＰＴＣ抵抗構造との間の重なりの結果として、ＰＴＣ抵抗構造の寸法によって規定される加熱領域の寸法の領域に障害が発生しないことを保証するために、ＰＴＣ抵抗構造の第１の端部は、その幾何学的パラメータについてＰＴＣ抵抗構造の物理的加熱特性が少なくとも略不変となるように、実装される。好ましくは、マッチングは、各重なりの近傍で、それぞれ、導電性トレース、接続線の充填密度又は線幅の変化によって、発生する。
【００３１】
既に上記したように、接続線と、ＰＴＣ抵抗構造の第１の端部の導電性トレースとの間の重なりは、好ましくは、Ｖ形状、又は、線形であるが、それは、また、支柱形状で実装されることもできる。
【００３２】
以下は、本発明の加熱素子の個々のコンポーネントに対する幾つかの好適な寸法である。ＰＴＣ抵抗構造の導電性トレースの充填厚さは、これらは、好適にはプラチナであるが、少なくとも第１の端部において、５μｍと１０μｍの間である。接続線の充填厚さは、これらは好ましくは金であるが、好ましくは３μｍと１０μｍの間である。接続接点の厚さは、これらは、好ましくは、銀又は銀合金であるが、好ましくは、１０〜３０μｍの範囲にある。ＰＴＣ抵抗構造の縦方向の延伸は、数ミリメータ、好ましくは、２〜１０ｍｍの範囲のオーダの大きさである。更に、加熱電圧が印加されていない、室温でのＰＴＣ抵抗構造の抵抗値は、好ましくは、３Ωより小さく、好ましくは、１Ωより小さい。ＰＴＣ抵抗構造が非常に低いオームなので、ＰＴＣ抵抗構造を、比較的小さなエネルギー供給で、高温まで加熱することができる。加熱素子を操作するのに、数ボルト、例えば、３ボルトの電圧源で十分である。
【００３３】
厚膜技術における平面加熱素子の好適な寸法と材料は、以下のとおりである。平面加熱素子の全長は、１９ｍｍになり、幅は５ｍｍである。例えば、外部導電性トレースは、内部導電性トレースの２倍広い（例えば、８００μｍ対４００μｍ）。ジルコニウム酸化物の基板は、０．３ｍｍの厚さを有する。分離層と不動態化層は、１５μｍの厚さを各々有し、平面加熱素子の両面に配置される。もちろん、また、他の寸法、及び、材料も、技術に熟練した人によって選択されることができる。この平面加熱素子は、容易に、４５０℃の温度を達成することができる。
【００３４】
本発明の平面加熱素子は、薄膜又は厚膜技術によって生成されることができる。好ましくは、よりコスト効率が良い製造プロセスのため、本発明の加熱素子は、厚膜技術によって製造される。本発明の加熱素子は、高いダイナミックレンジによって区別される。スイッチオン後、動作温度は、非常に急速に到達され；スイッチオフ後、平面加熱素子は、非常に急速に、周囲の室温まで冷却する。
【００３５】
画定された表面領域の温度は、好ましくは、３００℃と７５０℃の間の温度範囲で、本質的に均一な温度分布となる。もちろん、実施形態と、本発明の加熱素子用に用いられる材料に依存して、また、上記特定の範囲外の温度も含むことができる。
【００３６】
材料の選択について、特に、以下の点を注意すべきである：
以下の２つの効果のバランスが取られなくてはならない：
・ＰＴＣ抵抗構造のできるだけ高い熱伝導率は、導電性トレースと線の電圧降下の結果として、電力損失の熱効果を最小にする。
・導電性トレースの熱伝導率は、加熱領域から不必要に熱を除去しないために、比較的小さくなくてはならない。
・しかし、導電率は、制限内のこの領域における電力損失による追加の熱生成を維持するために、十分高いままでなくてはならない。
【００３７】
好ましくはプラチナである、２つの導電性トレースと、好ましくは金の接続線との重なりは、確実な電気接触を保証するために必要である。重なりの領域（Ｐｔ/Ａｕ)においては、加熱素子の純金属（例えば、Ａｕ及びＰｔ）成分に課せられる要件は、満たされない。重なり領域におけるこれらの特性の劣化は、ＰＴＣ抵抗構造の設計の際に考慮されなくてはならない。重なりのための幾何学的に理想的な選択は、重なりのできるだけ浅い深さと結合する、できるだけ長い長さを有することである。結果として、Ｖ形状は、特に適している。好ましくは、重なりの深さは、１００μｍとなる。一般に、重なりの深さは、製造プロセスにおいて再生成できるように、選択されるべきである。浅い深さは、また、例えば、２５μｍと３０μｍとの間で変化する場合、欠点を有することがある。浅い深さの場合、例えば、５μｍの製造プロセス関連誤差の全体性能に対する影響は、１００μｍが重なりの深さとして用いられたときよりも、自然に大きくなる。
【００３８】
同様な考えが、接続接点（例えば、Ａｇ）と接続線（例えば、Ａｕ）の重なり（Ａｇ/Ａｕ）の領域にも当てはまる。この重なりにおいて生じる温度は、接続線と、導電性トレースの重なり領域（熱い領域又は加熱領域：温度は、ＰＴＣ抵抗構造の確定された領域内の温度に対応する、したがって、加熱領域の温度）よりも、本質的に低い（→冷たい領域：温度は、本質的に、主に周囲の温度に対応する）ので、ＰＴＣ抵抗構造の特性は、あまり強くは影響を受けない。
【００３９】
更に、本発明は、任意の適切な実施形態において、上記ＰＴＣ抵抗構造を用いる加熱装置に関する。本発明の加熱素子のほかに、このために設けられるのは、ＰＴＣ抵抗構造にエネルギーを供給する電圧供給源と、ＰＴＣ抵抗構造を所定の温度値に制御する制御／評価ユニットである。
【００４０】
電圧供給源は、制限されたエネルギー供給を有する電圧源である。好ましくは、電圧は、バッテリによって配給される。
【００４１】
更に、本発明の加熱装置に関連して、加熱素子によって加熱された媒体の温度を決定するために、分離抵抗構造が設けられることが提案される。好ましくは、温度測定と加熱のための抵抗構造が、ＰＴＣ抵抗構造が配置される第１の表面に対向して配置される支持基板の第２の表面に適用される。好ましくは、温度制御は、測定温度に基づいて実行され、加熱は、両表面からである。
【００４２】
好ましくは、それぞれ、本発明の平面加熱素子と、本発明の加熱装置は、ハンドヘルドデバイス用の小型ヒータ又は、熱量測定流れセンサにおける、半導体ベースの小型ガスセンサに適用される。
【００４３】
不動態化層に配置されるのは、例えば、ガス感応構造、例えば、金属酸化物及びインターデジタル電極構造とすることができる。本発明は、したがって、また、加熱がセンサ機能に対して本質的である場合、センサの基礎として一般に機能することができる。
【００４４】
本発明の平面加熱素子は、好ましくは、以下に記述する方法を介して製造されることができる：
【００４５】
支持基板の２つの表面のそれぞれの上に、通常、交互にであるが、分離層が設けられる。厚膜技術が用いられる場合は、コーティングを印刷するのが通常である。既に上記したように、しかし、本発明に関連して、薄膜技術を用いることも可能である。２つの乾燥した分離層のうちの一つの上に、ＰＴＣ抵抗構造が設けられる。ＰＴＣ抵抗構造が硬化されたらすぐに、電気接続線が設けられ、乾燥プロセスに曝される。そして、接続接点が設けられ、同様に硬化される。好ましくは、接続接点と電気接続線の重なり領域は、再び、別個に硬化される。平面加熱素子の２つの表面上に、好ましくは順番に、不動態化層が設けられ、硬化される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
本発明は、添付の図面に基づいて、詳細に説明されるだろう。
【００４７】
【図１】本発明の加熱素子の好適実施形態の平面図である。
【図１ａ】図１に示される本発明の加熱素子の切断平面Ａ−Ａによって得られた縦方向断面図である。
【図２】接続線と導電性トレースとの間の重なりの第１の実施形態を示す、本発明の加熱素子の部分的概略図である。
【図３】接続線と導電性トレースとの間の重なりの第２の実施形態を示す、本発明の加熱素子の部分的概略図である。
【図４】接続線と導電性トレースとの間の重なりの第３の実施形態を示す、本発明の加熱素子の部分的概略図である。
【図５ａ】ＰＴＣ抵抗構造を有する、本発明の加熱素子の第２の実施形態を示す平面図である。
【図５ｂ】図５ａに示される加熱素子の裏面の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１は、本発明の加熱素子１の好適実施形態の平面図を示す。ＰＴＣ抵抗構造２の外形寸法は、それぞれ加熱領域である、画定された表面領域３を限定する。ＰＴＣ抵抗構造は、仮想的に、３つの異なる部分に分割される：３つの異なる部分とは、それぞれ電気接続線１５を介して接続接点６に隣接する第１の端部１０と、第１の端部１０に隣接する中間部１１と、中間部１１に隣接する第２の端部１２である。接続接点６と電気接続線１５との間に、規定された長さの重なり１６ｂが存在する。同様に、各接続線１５と導電性トレース８、９との間に、重なり１６ａが存在する。
【００４９】
ＰＴＣ抵抗構造２の内部導電性トレース８と外部導電性トレース９は、略平行に延伸し、並列に、電気的に接続される。内部導電性トレース８は、外部導電性トレース９より大きい抵抗値を有する。内部導電性トレース８と外部導電性トレース９の抵抗値は、電圧を印加したとき、画定された表面領域３内に本質的に均一な温度分布が存在するような大きさとされる。この画定された表面領域は、また、加熱領域とも呼ばれ、ＰＴＣ抵抗構造２の外縁上の点線によって、図１に示されている。
【００５０】
冷たい領域、したがって、本質的に室温となっている領域は、接続接点６の領域内にある。加熱領域と冷たい領域の間にある遷移領域においては、画定された表面領域３の外縁領域と同様に、温度勾配は非常に大きい。大きい温度勾配の結果として、加熱領域は、画定された表面領域３に主に限定される。大きな温度勾配は、低い熱伝導度を有する支持基板５の選択によって達成される。この点についての他の情報は、上記されている。
【００５１】
実施形態の図示された形態の場合、内部導電性トレース８と外部導電性トレース９は同一の材料で製造される。上記したように、プラチナが、導電性トレース８、９の材料として好適に用いられる。導電性トレース８、９の異なる抵抗値は、内部導電性トレース８と外部導電性トレース９の異なる断面積及び／又は長さによって実装される。
【００５２】
本発明の加熱素子の、および本発明のチップの、好適寸法は、それぞれ上記されている。
【００５３】
図１から明確なことは、上記されているように、好適には金である、接続線１５が、同様に、第１の部分１０から後、幅が変わり、幅はより狭く、接続接点６に隣接する領域よりも、抵抗値が大きいことである。このように、熱伝導率が増加しないことが達成される。プラチナに比べ、金の熱伝導率が小さい事に関連して、望ましい大きな温度勾配は、加熱領域から冷たい領域への遷移領域において達成される。
【００５４】
図１ａは、図１に示される本発明の加熱素子１の切断面Ａ−Ａにおいて得られた縦方向断面を示す。支持基板５の両面４、１９上に、分離層１４が配置される。支持基板５は、好ましくは、厚さ３００μｍのジルコニウム酸化物であり、分離層１４は、それぞれの場合、１５μｍの厚さを有する。支持基板５の表面４上の分離層１４上に、ＰＴＣ抵抗構造２が設けられる。ＰＴＣ抵抗構造は、８μｍの厚さを有するプラチナからなる。
【００５５】
ＰＴＣ抵抗構造２の上記寸法は、述べた値に限定されない。明示的に述べた値の夫々は、望まれるに従いどれだけ大きくも小さくも可変されることができる。変形例がどのような寸法に、詳細に実装されるかは、当分野の通常技術の範囲内である。
【００５６】
本発明の好適実施形態の場合には、接続接点６は、銀で製造され、１０μｍの厚さを有する。接続接点６とＰＴＣ抵抗構造２との間の電気接続線１５は、金でできており、４μｍの厚さである。重なり１６ｂの領域において、接続接点６と電気接続線１５が重なり、重なり１６ａの領域において、電気接続線１５とＰＴＣ抵抗構造の導電性トレース８、９が重なる。平面加熱素子１の表面４、１９は、不動態化層１３によって封止される。不動態化層１３は、１５μｍの厚さを有する。個々の層の機能は、上記に説明した。平面加熱素子の感度は、室温で、加熱電圧を印加することなしに、３７００ｐｐｍ／Ｋ（＋−１００ｐｐｍ／Ｋ）となる。個々の層の厚さは、例として与えられている。好適実施形態の明示的に述べた値のそれぞれは、望まれるだけ上方にも下方にも可変されることができる。寸法が、詳細においてどのように実装されるかは、当分野の通常の技術の範囲内である。
【００５７】
図２、図３及び図４は、接続線１５の一つと接続された導電性トレース８、９との間の重なり１６ａの異なる実施形態での、本発明１の加熱素子の部分的概略図を示す。図２の重なり１６ａは、支柱形状の実施形態を有し、図３の重なり１６ａは、直方形状を、図４の重なり１６ａは、Ｖ形状を有する。接続線１５と、ＰＴＣ抵抗構造２の第１の端部１０における導電性トレース８、９との間の重なり１６aは、幾何学的パラメータについて、ＰＴＣ抵抗構造２の物理的加熱特性が、少なくとも略不変で、加熱領域を含む、画定された表面領域３における特性とそれぞれ殆ど同一であるように、実装される。重なり１６ａ、１６ｂの領域に発生する材料及び特別な特徴は、上記され、ここでは、繰り返しは省略する。
【００５８】
図５ａは、ＰＴＣ抵抗構造２を有する本発明の加熱素子１の第２の実施形態の平面図を示し、図５ｂは、図５ａに示される加熱素子１の裏面１９の平面図を示す。メアンダ形状温度センサ１８が、裏面１９に配置されている。更に、図５ａは、また、加熱素子１、電圧源７、及び制御／評価ユニット１７を有する本発明の加熱装置を模式的に示す。
【符号の説明】
【００５９】
１      加熱素子
２      ＰＴＣ抵抗構造
３      画定された表面領域
４      表面
５      基板
６      接続接点
７      電圧源
８      内部導電性トレース
９      外部導電性トレース
１０      第１の端部
１１      中間部
１２      第２の端部
１３      不動態化層
１４      分離層
１５      電気接続線
１６ａ      重なり
１６ｂ      重なり
１７      制御／評価ユニット
１８      温度測定のための抵抗構造
１９      対向面
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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