СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МЕТОДОМ ПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ И/ИЛИ МЕТАЛЛООКСИДНОЙ МАТРИЦЫ
METHOD OF FORMING ELECTRIC HEATING ELEMENT BY METHOD OF PLASMA SPUTTERING METAL AND/OR METAL OXIDE MATRIX

Изобретение относится к способам изготовления электронагревательных элементов методом пламенного напыления.
Важным требованием ко всем процессам производства коммерческих электронагревательных элементов является то, чтобы все изготавливаемые элементы имели одинаковое сопротивление с минимально возможным допустимым отклонением.
Традиционный способ изготовления электронагревательных элементов основан на применении лент или проволок из сплавов высокого удельного сопротивления.
Обычно сопротивление стандартных нагревательных элементов, изготовленных из лент или проволок из сплавов высокого удельного сопротивления, имеет допустимое отклонение плюс-минус пять процентов от требуемого для конкретной конструкции элемента.
Однако в последнее время, по мере развития технологий автоматического производства, снижение производственного допустимого отклонения сопротивления стандартных электронагревательных элементов до плюс-минус двух с половиной процентов от требуемого стало обычным явлением.
Из патента GB 0992464 A известен способ, в соответствии с которым для изменения кристаллической структуры тонких танталовых пленок, полученных напылением, используют импульсные напряжения.
Такие напыленные пленки после первичного нанесения содержат разупорядоченные кристаллические структуры, обычно в виде поликристалла с огромным количеством межзеренных границ.
Электрическое сопротивление таких пленок пропорционально числу межзеренных границ внутри поликристаллической металлической матрицы.
Чем больше количество межзеренных границ, тем выше сопротивление.
Патент GB 0992464 A основан на возможности использования для начального упорядочивания поликристаллической структуры теплоты, получаемой в процессе отжига, с помощью которого проводят рекристаллизацию пленки, уменьшая число межзеренных границ, а следовательно, и электрическое сопротивление. Процессы отжига и/или упорядочивания недостаточно точны, поэтому проводят лишь ограниченную термообработку напыленных пленок до уровня рекристаллизации, достаточного для снижения сопротивления до значения, незначительно превышающего требуемое конечное. Затем на напыленную пленку подают серию импульсов высокого напряжения для нагрева с высокой степенью локализации в точках наивысшего сопротивления кристаллической пленки, то есть в межзеренных границах. Фактически проводят локальный отжиг пленки с уменьшением числа межзеренных границ.
Использование этих импульсов высокого напряжения обеспечивает, таким образом, образование в пленке зон нагрева высокой степени локализации, что создает тепловой эффект отжига и/или упорядочивания в микромасштабе и посредством этого изменяет кристаллическую структуру металлической пленки. Отмечается, что нагрев резистора выше его нормальной температуры стабилизации «увеличивает удельное сопротивление пленки», по-видимому, "из-за окисления пленки (приводя к окислению пленки) как на ее поверхности, так и вдоль межзеренных границ".
Из патента JP 1003295 1A известно, что источник высокого импульсного напряжения можно использовать при эксплуатации в непрерывном режиме небольшого нагревательного устройства для нагрева толстой пленки, используемого в печатающей головке.
Хотя это и не заявлено явно, но, по-видимому, термонагревательные элементы, описанные в патенте JP 1003295 IA, изготовлены из полупроводникового материала, нанесенного методом трафаретной печати на оксидноалюминиевую диэлектрическую подложку.
Сопротивление таких устройств уменьшается с ростом температуры, и точное терморегулирование малых цепей затруднено.
В патенте JP 1003295 1А определяют способ использования источника на два напряжения для непрерывного регулирования сопротивления при эксплуатации указанного нагревательного устройства, а следовательно, тепловой мощности и температуры нагревательных элементов, используемых для нагрева печатающей головки.
2
Начальную энергию подают на нагревательные элементы от источника постоянного тока, в силу чего, по закону Ома, тепловая мощность равна IR, и для источника постоянного тока 1 при неизменном сопротивлении R тепловая мощность относительно постоянна.
Следовательно, патент JP 1003295 1A относится к способу сохранения постоянства сопротивления полупроводниковых нагревательных элементов с регулируемым сопротивлением путем:
1) подачи на элементы постоянного тока, обеспечивающего уровень тепловой мощности, соответствующий сопротивлению элементов и более низкий по сравнению с требуемым;
2) непрерывной подачи дополнительной электроэнергии в виде импульсов высокого напряжения, величина и частота которых достаточны для обеспечения постоянства сопротивления нагревателей печатающих головок, что позволяет обеспечить постоянство температуры при эксплуатации.
За последнее время разработаны альтернативные способы производства электронагревательных элементов, включающие нанесение окислов металла на изолирующую или проводящую подложку методом пламенного напыления.
С помощью этих способов можно изготавливать элементы первого типа, в которых электрический ток протекает в поперечном направлении с одного электрического контакта на другой через резистивное оксидное покрытие; элементы второго типа, в которых электрический ток протекает вертикально с одной контактной поверхности на другую через резистивный оксидный слой; элементы третьего типа, в которых первичный резистивный оксидный слой объединен со вторым оксидным слоем, обладающим свойством саморегуляции, при этом электрический ток протекает с одной контактной поверхности на другую через оба вышеупомянутых слоя оксидов, которые действуют как последовательно соединенные сопротивления.
Существенно, что эквивалентные резистивные электронагревательные элементы, изготавливаемые методом пламенного напыления резистивных окислов металлов, можно производить с теми же допустимыми отклонениями, что обеспечивает их признание на тех же коммерческих рынках.
Для стандартных резистивных электронагревательных элементов можно легко показать, что, при конкретной конструкции используемой проволоки или ленты из сплава высокого удельного сопротивления, сопротивление таких проволок или лент напрямую зависит от массы материала, применяемого в конкретном элементе.
Тот же самый принцип применяют и к элементам, изготовляемым методом пламенного напыления окислов металлов.
Однако в ходе проведения длительных испытаний изобретателю настоящего изобретения стало ясно, что в то время как массу каждого следующего электрического элемента, изготовленного методом пламенного напыления окислов металлов, можно удерживать в пределах допустимых отклонений менее плюс-минус одного процента, напыленные сопротивления варьируются в пределах плюс-минус десяти процентов от требуемого расчетного значения.
Более того, отклонение сопротивления не соответствует изменениям массы, а представляется независимым.
Были рассмотрены несколько возможных эмпирических способов регулирования различных параметров производственного процесса путем измерения сопротивления каждого следующего элемента при выполнении технологической операции и остановки процесса при достижении каждым элементом заданного значения сопротивления.
Однако такой подход эффективен только до определенной степени и неприменим для использования в крупномасштабном серийном производстве.
Была разработана альтернативная методика, основанная на изменении способа проводимости через резистивную оксидную матрицу.
Общепризнанным и очевидным является тот факт, что при заданной длине стандартной проволоки или ленты из резистивного сплава чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление и, напротив, тем выше проводимость.
Очевидная причина этого факта состоит в том, что большая площадь поперечного сечения обеспечивает большее количество проводящих путей для электронов, проходящих через кристаллическую матрицу сплава.
Тот же самый принцип применим и к элементам, изготовленным методом пламенного напыления окислов металлов.
Однако металлургический анализ поперечного сечения металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления, показывает, что она состоит из зон металла, окруженных зонами соответствующего окисла, а возможные проводящие пути через эту матрицу проходят из одной зоны металла в последующие через промежуточные слои окисла.
В общем случае окислы металлов, расположенные между зонами металлов, в чистом виде представляют собой изоляторы при температурах окружающей среды, поэтому металлические и/или металлооксидные матрицы, нанесенные методом пламенного напыления, не должны проявлять проводящих свойств при низких напряжениях, например 240 В переменного тока, при характерных температурах окружающей среды.
Подробный эмпирический и теоретический анализ показал, что проводимость в металлических и/или металлооксидных матрицах, полученных методом пламенного напыления, обеспечена, по всей вероятности, наличием в оксидных слоях, окружающих зоны металлов, свободных электронов, мигрировавших из упомянутых зон металла и создающих в окисле силовое поле, и что там, где происходит перекрытие или наложение этих силовых полей, электроны перемещаются в направлении приложенного напряжения.
Миграция свободных электронов из зон металла в окружающие оксидные матрицы, по всей вероятности, является результатом того, что работа выхода металлов, формирующих зоны металла, существенно меньше работы выхода окислов, формирующих окружающие матрицы.
Кроме того, окислы, формирующие оксидные матрицы, окружающие зоны металла, не являются стехиометрическими по составу, а кристаллическая структура матрицы не является периодической.
Процесс пламенного напыления определяют расплавленные или полурасплавленные частицы, выбрасываемые на поверхность, где они деформируются, сцепляясь с другими частицами, и быстро охлаждаются.
Поэтому вполне возможно, что разупорядоченные поликристаллические металлические и/или металлооксидные структуры, полученные методом пламенного напыления, не находятся в условиях электронного равновесия и, как следствие, различие работ выхода в металле и окислах металлов вызывает миграцию электронов из зон металла в металлооксидные матрицы с созданием электронного силового поля; при этом интенсивность миграции электронов зависит от разницы соответствующих работ выхода.
Также вполне возможно, что проводимость металлических и/или металлооксидных матриц, полученных методом пламенного напыления, зависит от числа смежных или перекрывающихся электронных силовых полей в металлооксидной матрице, полученной методом пламенного напыления.
Кроме того, возможно изготовление металлических и/или металлооксидных матриц методом пламенного напыления с недостаточном числом смежных перекрывающихся электронных силовых полей, а следовательно, слишком низкой проводимостью, или слишком большим сопротивлением, объема данного металла и/или окисла металла и использование методики, обеспечивающей взаимную связь этих отдельных силовых полей в объеме металлооксидной матрицы и увеличивающей таким образом проводимость указанной металлооксидной матрицы до уровня, необходимого для конкретной конструкции резистивного электронагревательного элемента, изготовленного методом пламенного напыления, с заданным объемом металла и/или окисла металла.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения представлен способ формования электронагревательного элемента методом пламенного напыления металлической и/или металлооксидной матрицы, при котором указанную металлическую и/или металлооксидную матрицу наносят посредством пламенного напыления на изолирующую или проводящую подложку для получения более высокого сопротивления, чем требуемое для намеченного использования, и далее на матрицу в поперечном направлении подают импульсы высокого напряжения постоянного тока таким образом, чтобы в матрице образовывались непрерывные электропроводящие пути, что приводит к достижению постоянной повышенной полной проводимости и, соответственно, пониженного полного сопротивления металлической и/или металлооксидной матрицы с получением требуемого значения сопротивления.
Предполагается, что начальное, превышающее требуемое сопротивление металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления на изолирующую или проводящую подложку, является результатом недостаточного числа смежных или перекрывающихся силовых полей в оксидной матрице для обеспечения требуемых проводимости и сопротивления для конкретной конструкции и конфигурации резистивного электронагревательного элемента, для которого предназначена указанная металлическая и/или металлооксидная матрица.
Предполагается, что электропроводящие пути между отдельными имеющими силовое поле объемами в металлической и/или металлооксидной матрице обеспечивают туннелирование электронов через кристаллическую оксидную матрицу между последовательными имеющими силовое поле проводящими объемами в оксидной матрице.
Существующее сопротивление металлической и/или металлооксидной матрицы можно определить путем подачи на указанную матрицу непрерывно прикладываемого второго напряжения постоянного тока в направлении, в котором предполагается работа оксидной матрицы конкретной конфигурации в качестве резистивного электронагревательного элемента, и определения сопротивления из закона Ома на основе значений непрерывно прикладываемого напряжения постоянного тока и полученного электрического тока.
Предпочтительно, чтобы это напряжение постоянного тока на 10-100 процентов превышало расчетное рабочее значение для получаемого резистивного элемента.
Определено, что число проводящих путей между последовательными имеющими силовое поле проводящими объемами в кристаллической оксидной матрице, образующихся при подаче импульсного высокого напряжения постоянного тока, прямо пропорционально величине указанного высокого напряжения постоянного тока, приложенного к кристаллической металлической и/или металлооксидной матрице, полученной методом пламенного напыления.
Также определено, что число проводящих путей между последовательными имеющими силовое поле проводящими объемами в металлооксидной матрице зависит не только от величины вышеупомянутого высокого напряжения постоянного тока, но также и от числа и частоты подачи импульсов высокого напряжения на металлическую и/или металлооксидную матрицу, полученную методом пламенного напыления.
Далее определено, что чем выше величина высокого напряжения постоянного тока, приложенного к металлической и/или металлооксидной матрице, и чем выше частота и число подаваемых импульсов, тем выше скорость повышения общих токопроводящих свойств металлической и/или металлооксидной матрицы.
Определено, что на скорость образования токопроводящих путей между последовательными проводящими силовыми полями в металлической и/или металлооксидной матрице влияет также подача на оксидную матрицу указанного непрерывно прикладываемого второго напряжения постоянного тока на уровне, превышающем значение, при котором конкретная конструкция и конфигурация металлической и/или металлооксидной матрицы предназначена для работы в качестве резистивного электронагревательного элемента.
Предпочтительно, чтобы величина непрерывно прикладываемого второго напряжения постоянного тока на 10-100 процентов превышала планируемое рабочее напряжение для конкретной конструкции и конфигурации резистивного электронагревательного элемента, полученного методом пламенного напыления металлической и/или металлооксидной матрицы.
Описанный выше способ может быть использован для металлических и/или металлооксидных матриц независимо от направления приложенных рабочих напряжений, от того, получена ли оксидная матрица на изолирующей или электропроводящей подложке, а также соединены ли две или более оксидные матрицы как последовательные или параллельные сопротивления.
Один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего способа включает следующие операции:
(а) подачу на металлическую и/или металлооксидную матрицу непрерывно прикладываемого первого напряжения постоянного тока в направлении, в котором предполагается работа металлической и/или металлооксидной матрицы конкретной конфигурации в качестве резистивного электронагревательного элемента;
(b) определение по закону Ома сопротивления металлической и/или металлооксидной матрицы на основе значений непрерывно прикладываемого напряжения постоянного тока и полученного электрического тока;
(c) подачу на металлическую и/или металлооксидную матрицу второго напряжения постоянного тока в том же направлении, что и непрерывно прикладываемое напряжение постоянного тока, указанное в пункте (а); при этом указанное второе напряжение постоянного тока подают на металлическую и/или металлооксидную матрицу, нанесенную методом пламенного напыления, в виде серии высокочастотных импульсов, образующих между последовательными имеющими силовое поле проводящими объемами, расположенными в металлической и/или металлооксидной матрице, проводящие пути и вызывающих увеличение полной проводимости металлической и/или металлооксидной матрицы с соответствующим уменьшением полного сопротивления;
(d) непрерывный контроль увеличения тока, протекающего через металлическую и/или металлооксидную матрицу в результате подачи указанного непрерывно прикладываемого первого напряжения постоянного тока, до тех пор пока расчет, выполненный по закону Ома, не покажет, что полное сопротивление металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления, в точности достигает значения, необходимого для того, чтобы эта конкретная конструкция и конфигурация металлической и/или металлооксидной матрицы работала как резистивный электронагревательный элемент, и на этом этапе прекращение подачи обоих постоянных напряжений на указанную металлическую и/или металлооксидную матрицу.
Предпочтительно, чтобы величина первого непрерывно прикладываемого напряжения постоянного тока на 10-100 процентов превышала расчетное рабочее значение для конкретной конструкции или конфигурации резистивного электронагревательного элемента.
Второе напряжение постоянного тока предпочтительно подают таким образом, чтобы контакты под напряжением и контакты нейтрали для обоих источников постоянного напряжения совпадали.
Предпочтительно, чтобы второй источник напряжения постоянного тока выдавал напряжение, выбранное из диапазона от 500 до 5000 В.
Например, значение импульсного второго напряжения постоянного тока первоначально можно установить на низком уровне, скажем, 500 В, и постепенно увеличивать при выполнении шагов (с) и (а) до значения, скажем, 5000 В или выше, в зависимости от различных удельных сопротивлений различных металлических и/или металлооксидных комбинаций, создаваемых металлическими и/или металлооксидными матрицами, полученными методом пламенного напыления.
Для подачи второго, импульсного, высокого напряжения постоянного тока с различными числом и частотой импульсов можно использовать любые устройства: от, например, выключателей с ручным управлением до полупроводниковых и/или емкостных устройств.
При помощи вышеупомянутого способа, варьируя напряжение и частоту импульсов, как изложено в описании шагов (а)-(d), можно получать и изготавливать резистивные электронагревательные элементы различной мощности и сопротивления, но идентичной конструкции и конфигурации.
Универсальность изложенного выше способа изменения проводимости металлических и/или металлооксидных матриц, полученных методом пламенного напыления, позволяет изготавливать резистивные элементы, получаемые методом пламенного напыления, всех вышеупомянутых типов с использованием менее сложного оборудования с автоматическим управлением по сравнению с необходимым при использовании других способов, с соответствующим уменьшением себестоимости.
Преимуществом указанного способа является то, что непрерывная подача на металлические и/или металлооксидные матрицы напряжения постоянного тока большей величины, чем требуемое для работы указанных матриц в качестве резистивных элементов, может играть роль проверочных испытаний, гарантирующих удовлетворительную работу полученных резистивных элементов в течение длительного времени при требуемом более низком рабочем напряжении.
Проводимость металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления в соответствии с описанным выше способом, может быть при необходимости еще более увеличена посредством повторного применения указанного способа, но при более высоких значениях напряжения и частоты повторения импульсов.
Преимуществом также является тот факт, что способ изменения проводимости и сопротивления металлических и/или металлооксидных матриц, полученных методом пламенного напыления и предназначенных для использования в качестве резистивных электронагревательных элементов, можно реализовать как скоростной процесс, управляемый компьютером, независимо от процесса изготовления элементов, получаемых методом пламенного напыления.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения представлено устройство для изготовления электронагревательных элементов, содержащее:
(a) средства нанесения металлической и/или металлооксидной матрицы на изолирующую или проводящую подложку методом пламенного напыления, так что матрица имеет первоначально более высокое сопротивление, чем необходимо для планируемого использования нагревательного элемента;
(b) средства подачи непрерывно прикладываемого первого напряжения постоянного тока на металлическую и/или металлооксидную матрицу в направлении, в котором конкретная конфигурация металлической и/или металлооксидной матрицы предназначена для работы в качестве резистивного электронагревательного элемента;
(c) средства определения сопротивления металлической и/или металлооксидной матрицы, рассчитываемого по закону Ома на основе значений указанного непрерывно прикладываемого напряжения постоянного тока и полученного электрического тока;
(а) средства подачи второго напряжения постоянного тока на металлическую и/или металлооксидную матрицу, полученную методом пламенного напыления, в том же направлении, что и непрерывно прикладываемое первое напряжение постоянного тока, в виде серии высокочастотных импульсов с целью повышения полной проводимости металлической и/или металлооксидной матрицы при соответствующем уменьшении полного сопротивления;
(е) средства контроля повышения тока, протекающего через металлическую и/или металлооксидную матрицу посредством подачи непрерывно прикладываемого первого напряжения постоянного тока, до тех пор пока расчет, выполненный по закону Ома, не покажет, что полное сопротивление металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления, уменьшилось до значения, требуемого для конкретной конструкции и конфигурации металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления.
Ниже приведено описание изобретения, только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительный чертеж, который представляет собой схематическое изображение одного варианта устройства для приведения к требуемым условиям, используемого для реализации настоящего изобретения.
На чертеже показан типовой образец 10 электронагревательного элемента, конечное рабочее сопротивление которого задают в процессе его формования.
В этих случаях нагревательный элемент содержит подложку (не показана), которая может быть проводящей или непроводящей и на которую методом пламенного напыления нанесен слой 12 окисла металла.
Как отмечалось выше, определено, что такое пламенное напыление создает зоны металла, окруженные зонами окисла в полученном «оксидном» слое 12.
На противоположных сторонах нанесенного оксидного слоя сформированы и/или расположены металлические полосы 14, 16, обеспечивающие протекание электрического тока через указанный слой.
На первичную обмотку 19 трансформатора переменного тока 18 поступает регулируемый входной сигнал переменного тока 0-230 В, а со вторичной обмотки 21 этого трансформатора сигнал 0-5000 В поступает на импульсный выключатель 20 с регулируемой частотой, связанный с управляющим выходом 22 компьютера 24. Ток во вторичной обмотке 21 трансформатора 18 предпочтительно ограничен до приблизительно 25 мА, но с возможностью регулирования в диапазоне 0-25 мА с шагом 5 мА для создания высокого напряжения постоянного тока, прикладываемого в поперечном направлении к образцу 10 посредством выключателя 20 по проводам 23, 25.
Также в поперечном направлении к образцу подключен первичный источник 30 напряжения, рассчитанный, например, на 0-500 В постоянного тока с ограничением потоку 0-10 А.
Наконец, в поперечном направлении к образцу 10 также подключено устройство 26 для измерения сопротивления с цифровым вольтметром, при этом выход указанного устройства через 28 связан с контрольным входом компьютера 24.
Указанный компьютер выполнен с возможностью непрерывного контроля сопротивления образца и регулирования приложенного импульсного напряжения постоянного тока и числа импульсов.
При применении сначала наносят металлическую и/или металлооксидную матрицу на изолирующую или проводящую подложку с помощью устройства пламенного напыления (не показано), которое может быть стандартным, таким образом, что матрица первоначально имеет более высокое сопротивление, чем необходимо для планируемого использования формуемого нагревательного элемента; при этом постоянно измеряют сопротивление посредством устройства 26 для измерения сопротивления и с помощью компьютера 24 проводят расчеты предпочтительно по закону Ома на основе значений непрерывно прикладываемого напряжения постоянного тока и полученного электрического тока.
Источник 30 подает непрерывно прикладываемое первое напряжение постоянного тока на металлическую и/или металлооксидную матрицу в направлении, в котором конкретная конфигурация металлической и/или металлооксидной матрицы предназначена для работы в качестве резистивного электронагревательного элемента.
Второе напряжение постоянного тока подают с помощью импульсного выключателя 20 на металлическую и/или металлооксидную матрицу, полученную методом пламенного напыления, в том же направлении, что и указанное непрерывно прикладываемое первое напряжение постоянного тока, в виде серии высокочастотных импульсов с целью увеличения полной проводимости указанной металлической и/или металлооксидной матрицы при соответствующем уменьшении полного сопротивления.
Компьютер 24 контролирует повышение тока, протекающего через металлическую и/или металлооксидную матрицу посредством подачи непрерывно прикладываемого первого напряжения постоянного тока и фиксирует уменьшение полного сопротивления металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления, до значения, требуемого для конкретных конструкции и конфигурации металлической и/или металлооксидной матрицы, полученной методом пламенного напыления. В этом случае компьютер прекращает подачу импульсного второго напряжения постоянного тока на оксидную матрицу.