СПЕЦИАЛЬНЫЙ РИСУНОК ДОРОЖЕК СХЕМЫ НАГРЕВАТЕЛЯ, ПОКРЫВАЮЩИЙ ТОНКУЮ НАГРЕВАТЕЛЬНУЮ ПЛАСТИНУ, ДЛЯ ВЫСОКОЙ ОДНОРОДНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ
SPECIAL PATTERN OF PATHS DIAGRAM OF THE HEATER THAT COVERS A THIN HEATING PLATE FOR HIGH TEMPERATURE UNIFORMITY

Область техники
Изобретение относится к рисунку дорожек схемы нагревателя, спроектированному для покрытия нагревательной пластины для высокооднородного распределения тепла и быстрого нагревания.
Уровень техники
Как правило, толстопленочные нагреватели состоят из четырех главных слоев: металлическая подложка, изолирующий слой, резистивный слой, покрывающий изолирующий слой и верхний стеклянный слой. Для некоторых специальных применений, очень важно иметь возможность нагреть пластину за очень короткое время и при высокой температурной однородности. Для соответствия этим требованиям, рисунок дорожек должен быть спроектирован с особой тщательностью.
Достижение высокой температурной однородности и короткого времени нагрева при ограниченной потребляемой мощности в нагревателе связано со свойствами конструкционных материалов, такими как теплопроводность, коэффициент теплового расширения, теплоемкость и плотность. Так, например, конструкторы нагревательной пластины пробуют комбинировать различные конструкционные материалы для компенсации связанных с ними проблем.
Во многих конструкциях нагревательных пластин должен применяться дополнительный слой для устранения различных недостатков в использовании подложек. В Патенте США US6222166, нагревательная пластина использует алюминиевую подложку вследствие ее исключительно высокой теплопроводности и возможности однородного нагрева. Поскольку подложка имеет очень высокий коэффициент теплового расширения, то поверх подложки накладывается изолирующий слой. Однако важно отметить, что предлагаемые дополнительные слои приводят к большой теплоемкости вследствие увеличения массы и объема, что не желательно в связи с потребляемой мощностью и требуемым временем для достижения желаемых температур. Увеличенная масса и объем также делают нагревательную пластину не пригодной для некоторых применений с малым объемом.
Кроме того, идеальная нагревательная пластина должна иметь компактный рисунок дорожек резистивного слоя для уменьшения объема и снижения потребляемой мощности. Однако, плотные изогнутые рисунки резистивных дорожек приводят к неоднородному распределению плотности тока по рисунку, называемому явлением "сжатия тока". Неоднородное распределение плотности тока может привести к локальному перегреву и формированию тепловых горячих точек. В некоторых экстремальных случаях это приводит к замкнутому кругу, подобному тепловому пробою. Повышение температуры может также приводить к локальному тепловому расширению материалов. В результате локального теплового расширения возникает большое напряжение в стыкуемых частях, и появляются некоторые трещины или разъединение соединений, что также приводит к коротким замыканиям.
Сущность Изобретения
Цель данного изобретения заключается в создании конструкции нагревательной пластины, которая устраняет проблему сжатия тока, имеет высокий коэффициент заполнения, имеет короткое время нагрева при малой потребляемой мощности в ограниченном объеме. Рисунок дорожек, содержащий проводящий слой и резистивный слой, покрывает подложку. Нанесение рисунка дорожек выполняется тщательно для предотвращения перегрева внутренней части резистивного слоя и изгибов проводящего слоя для равномерного распределения мощности по резистивному слою.
Подробное описание изобретения
Рисунок дорожек схемы нагревателя, спроектированный для покрытия на нагревательной пластине для достижения высокооднородного распределения тепла и быстрого нагрева, показан на приложенных чертежах, где:
Фиг.1 изображает покомпонентный вид нагревателя в соответствии с изобретением.
Фиг.2 - вертикальный вид поперечного сечения нагревателя в соответствии с изобретением.
Фиг.3 - вид сверху рисунка нагревательной схемы.
Фиг.4 - вид сверху проводящего слоя.
Элементы, показанные на чертежах, обозначены следующим образом:
100. Нагревательная пластина
101. Слой подложки
102. Проводящий слой
103. Резистивный слой
104. Критическая нагревательная поверхность
105. Поверхность нагревательной схемы
201. Контактная площадка электропитания
202. Главная линия электропитания
203. Контактная площадка электропередачи
204. Расщепленные проводящие линии
205. Контактная площадка резистивной передачи
301. Первая часть резистивного участка
302. Вторая часть резистивного участка
303. Третья часть резистивного участка
304. Четвертая часть резистивного участка.
α. 360°-Δθ
β. 180°-Δθ
Υ. 120°-Δθ
Ζ. 90°-Δθ
Рисунок дорожек схемы нагревателя, спроектированный для покрытия подложки для достижения высокооднородного распределения тепла и быстрого нагрева, потребления малой мощности и предотвращения сжатия тока посредством высокого коэффициента заполнения, нагревательная пластина малого объема (100), содержащая;
- слой (101) подложки, нижний слой нагревательной пластины (100), который является электрически изолирующим, высоко теплопроводящим, подложки с малой теплоемкостью, имеющей критическую нагревательную поверхность (104) на одной стороне, и поверхность (105) нагревательной схемы на другой стороне, где покрывается рисунок дорожек схемы нагревателя, имеющий проводящий слой (102) и резистивный слой (103),
- проводящий слой (102), покрывающий поверхность (105) нагревательной схемы, имеющий проводящие части, такие как контактные площадки (201) электропитания, главные линии (202) электропитания, контактные площадки (203) электропередачи, расщепленные проводящие линии (204), сформированные высоко проводящим материалом для равномерного распределения мощности по резистивному слою (103),
- резистивный слой (103), покрывающий поверхность нагревательной схемы (105) после покрытия проводящего слоя (102), имеющий резистивные участки, содержащие резистивные части, формируемые резистивной пастой для нагревания нагревательной пластины (100), обеспечивая высокооднородное распределение тепла, малое время нагрева, малую потребляемую мощность, большой коэффициент заполнения и предотвращение явления сжатия тока,
- контактные площадки (201) электропитания, через которые электропитание подается на нагревательную пластину (100),
- главные линии (202) электропитания, обеспечивающие электропитание для нагревательной пластины (100) через соединительные контактные площадки (201) электропитания на расщепленные проводящие линии (204),
- контактные площадки (203) электропередачи, которые являются соединителем, электрически соединяющим проводящий слой (102) и резистивный слой (103) через секцию резистивного слоя (103) контактной площадки (205) резистивной передачи,
- расщепленные проводящие линии (204), которые являются соединителем, соединяющим контактные площадки (203) электропередачи с контактными площадками (201) электропитания через главные линии (202) электропитания,
- контактные площадки (205) резистивной передачи, которые являются соединителем, соединяющими контактные площадки (203) электропередачи с резистивными частями резистивного слоя (103),
- первый резистивный участок, содержащий первую резистивную часть (301) первого участка с углом α=360°-Δθ,
- второй резистивный участок, окружающий первый резистивный участок, содержащий две резистивных части (302) второго участка с углом β=180°-Δθ,
- третий резистивный участок, окружающий второй резистивный участок, содержащий три резистивных части (303) третьего участка с углом Υ=120°-Δθ,
- четвертый резистивный участок, окружающий третий резистивный участок, содержащий четыре резистивных части (304) четвертого участка, две из которых имеют угол ζ=90°-Δθ и другие два из которых имеют немного меньший угол ζ=90°-Δθ вследствие интервала контактных площадок (201) электропитания,
- сопротивления резистивных частей выбираются регулировкой ширин для выравнивания плотностей мощности,
- главные линии (202) электропитания, контактные площадки (203) электропередачи, расщепленные проводящие линии (204) соединяют каждую резистивную часть с контактными площадками (201) электропитания, приводя к комплексной комбинации с резистивными частями и секциями проводящего слоя (102) с малым удельным сопротивлением,
- комплексная комбинация с резистивными частями и проводящими частями обеспечивает температурное различие ±4,5°C поперек критической поверхности нагревания при средней температуре 205°C,
- комплексная комбинация резистивных частей и проводящих частей обеспечивает коэффициент заполнения 76%,
- сопротивления проводящих частей также учитываются при оптимизации рисунка дорожек схемы нагревателя для получения преимущества от их сопротивлений для нагревания.
Настоящее изобретение предлагается для гарантии высокой тепловой однородности на критической поверхности (104) нагревания нагревательной пластины (100) с потреблением малой мощности в ограниченном объеме. Кроме того, оно обеспечивает быстрое нагревание. В дополнение к гарантированным тепловым свойствам слоя (101) подложки, очень важно то, что настоящее изобретение использует специальный рисунок схемы нагревателя для изотропии распространения тепла на критической поверхности (104) нагревания. Рисунок дорожек, содержащий проводящий слой и резистивный слой, покрывает подложку. Нанесение рисунка дорожек выполняется тщательно для предотвращения перегрева внутренней части резистивного слоя и изгибов проводящего слоя для равномерного распределения мощности по резистивному слою.
Нагревательная пластина (100) имеет две главные части: слой (101) подложки и рисунок дорожек схемы, составленный из проводящего слоя (102) и резистивного слоя (103). Слой (101) подложки - это нижний слой, который является электрически изолирующей подложкой. Верхняя поверхность слоя (101) подложки называется поверхностью (105) нагревательной схемы, и основная поверхность слоя (101) подложки называется критической поверхностью (104) нагревания. Слой (101) подложки должен быть соответствующей подложкой, предпочтительно керамической подложкой, например, из нитрида алюминия, так, чтобы не требовались дополнительные слои, ни для достижения температурной однородности, ни для компенсации проблем в случае некоторых других типов подложки. Любые материалы с высокой теплопроводностью и малой теплоемкостью могут быть использованы для получения таких свойств слоя (101) подложки. Рисунок дорожек схемы - это нагревательная схема, составленная из проводящего слоя (102) и резистивного слоя (103), создающие тепло. Слой (101) подложки должен передавать создаваемое тепло критической поверхности (104) нагревания от поверхности (105) нагревательной схемы. Именно поэтому слой (101) подложки должен быть выполнен из материалов с высокой теплопроводностью.
Рисунок дорожек схемы состоит из проводящего слоя (102) и резистивного слоя (103). Рисунок дорожек схемы покрывает поверхность (105) нагревательной схемы с помощью технологии толстых пленок. Поскольку рисунок дорожек схемы состоит из покрытий, общий объем конструкции оказывается значительно уменьшенным и, главным образом, задается толщиной подложки (101). Нанесение рисунка дорожек выполняется тщательно для предотвращения перегревания внутренней части резистивного слоя (103) и изгибов проводящего слоя (102).
Первый слой, покрывающий поверхность нагревательной схемы (105) - это проводящий слой (102). Главная функция проводящего слоя (102) заключается в распределении электрической мощности по резистивному слою (103). Поэтому, проводящий слой (102) должен быть выполнен из материала с большой электропроводностью и большой теплопроводностью, предпочтительно из Au. Проводящий слой (102) состоит из четырех секций: контактные площадки (201) электропитания, главная линия (202) электропитания, контактные площадки (203) электропередачи и расщепленные проводящие линии (204). Секция контактной площадки (201) электропитания спроектирована для предоставления электропитания на нагревательную пластину (100) от источника электропитания. Секция главной линии (202) электропитания спроектирована для предоставления электропитания на нагревательную пластину (100) через соединительные контактные площадки (201) электропитания и на расщепленные проводящие линии (204). Секция контактных площадок (203) электропередачи - это соединитель, который электрически соединяет проводящий слой (102) и резистивный слой (103) через секцию резистивного слоя (103) контактных площадок (205) резистивной передачи. Секция расщепленных проводящих линий (204) - это соединитель, который соединяет контактные площадки (203) электропередачи с контактными площадками (201) электропитания через главные линии (202) электропитания.
Электропитание подается через контактные площадки (201) электропитания и распределяется по главной линии (202) электропитания и расщепленным проводящим линиям (204), соответственно. Затем, контактные площадки (203) электропередачи переносят электропитание на контактные площадки (205) резистивной передачи, так, чтобы каждая из частей резистивного слоя (первая, вторая, третья и четвертая части участка), которые находятся в соединении с контактными площадками (205) резистивной передачи, были смещены, что означает, что каждая контактная площадка (205) резистивной передачи не локализует перегрев и предотвращает формирование тепловых горячих точек. Главные линии (202) электропитания, контактные площадки (203) электропередачи, расщепленные проводящие линии (204) соединяют каждую резистивную часть с контактной площадкой (201) электропитания, приводя к комплексной комбинации с резистивными частями и секциями проводящего слоя (102) с малым удельным сопротивлением.
Второй слой, покрывающий поверхность (105) нагревательной схемы - это резистивный слой (103). Резистивный слой (103) покрывает непосредственно поверхность (105) нагревательной схемы, тогда как контактные площадки (205) резистивной передачи помещаются на контактные площадки (203) электропередачи.
Контактные площадки (205) резистивной передачи и контактные площадки (203) электропередачи сформированы для обеспечения контакта для передачи электропитания на резистивный слой (103). Рисунок резистивного слоя (103) выполнен из резистивной пасты и составлен из четырех участков, содержащих десять резистивных частей. Первый резистивный участок - это самый внутренний участок, который содержит одну часть с углом α=360°-Δθ. Часть называется первой частью (301) резистивного участка. Второй резистивный участок, который окружает первый резистивный участок, содержит две части с углом β=180°-Δθ. Части называются вторыми частями (302) резистивного участка. Третий резистивный участок, который окружает второй резистивный участок, содержит три части с углом Υ=120°-Δθ, соответственно. Части называются третьими частями (303) резистивного участка. Четвертый резистивный участок, который окружает третий резистивный участок, содержит четыре части, две из которых имеет угол ζ=90°-Δθ. Для сохранения двух частей четвертого резистивного участка, выбирается несколько меньший угол вследствие интервала контактных площадок (201) электропитания. Части называются четвертыми частями (304) резистивного участка. Значение Δθ задается технологией толстых пленок, наименьшим расстоянием между отдельными частями покрытия. Сопротивление каждой резистивной части выбирается регулировкой ширин для выравнивания плотностей мощности. Удельные сопротивления секций резистивного слоя (103) учитывается при оптимизации рисунка дорожек для получения из их сопротивлений преимущества для нагревания.
В предпочтительном варианте реализации изобретения, толщина покрытий предпочтительно составляет приблизительно 20 мкм для осуществления конструкции. Как видно из Фиг.2, толщина слоя (101) подложки, где перекрываются контактные площадки (203) электропередачи и контактные площадки (205) резистивной передачи, выбирается как 40 мкм. Ширина любой резистивной части зависит от внутреннего и внешнего диаметров. Каждая ширина выбирается для равного распределения плотностей мощности по резистивным частям.
Расщепленные проводящие линии (204) имеют такой рисунок, чтобы каждая контактная площадка не локализовала перегрев, и предотвращалось формирование тепловых горячих точек на каждой резистивной части. Расстояние между расщепленными проводящими линиями (204), ширина расщепленных проводящих линий (204), и расстояние между расщепленными проводящими линиями (204) и резистивными частями (301, 302, 303, 304) определяются технологией толстых пленок. В предпочтительном варианте реализации изобретения, для электрического соединения используются контактные площадки (201) электропитания с длиной 0,6 мм и шириной 1 мм.
Для снижения необходимой мощности и сокращения времени нагревания, выбирается слой (101) подложки с малой массой, имеющий толщину в интервале 200-600 микрон. Намного труднее получить высокую однородность температуры на критической поверхности (104) нагревания пластины с такой малой массой. Для достижения высокой температурной однородности за ограниченное время, порядка секунд, рисунок дорожек становится чрезвычайно важным и должен быть выполнен с большим коэффициентом заполнения, обеспечивая равные плотности мощности. В связи с этим, общий рисунок дорожек проектируется как комплексная комбинация десяти резистивных частей и их проводящих линий (204). Резистивные части, сопротивления которых определяются шириной, длиной, высотой и удельным сопротивлением пасты, выполняются для обеспечения равных плотностей мощности посредством регулировки их ширин. Также, ширина расщепленной проводящей линии (204) влияет на коэффициент заполнения и определяет плотности мощности для расщепленных проводящих линий (204) и, таким образом, ширина расщепленных проводящих линий (204) также тщательно оценивается и оптимизируется. Комплексная комбинация приводит к коэффициенту заполнения 76%. Кроме того, поскольку в рисунке дорожек нет резких поворотов, то "сжатия тока" удается избежать.
Для проверки рабочих характеристик настоящего изобретения, был проведен тепловой анализ с использованием метода Вычислительной Газодинамики (CFD). Результаты анализа показали, что температурное различие поперек критической поверхности (104) нагревания составляет ±4,5°C при средней температуре 205°C, достигаемой за несколько секунд. Такая малая температурная неоднородность обусловлена оптимизированным рисунком дорожек схемы с высоким коэффициентом заполнения. Вследствие высокой температурной однородности рисунка дорожек схемы, не применяются дополнительные слои поверх слоя (101) подложки, приводя к малой теплоемкости. Это дополнительно обуславливает малую потребляемую мощность и быстрый прогрев. Кроме того, вместо использования какой-либо дополнительной структуры для распределения электропитания, проводящий слой (102) помещается в слой (101) подложки как покрытие. Поэтому общий объем конструкции почти равен объему слоя (101) подложки, что позволяет использовать настоящее изобретение в применениях с малым объемом.