本發(fā)明涉及溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種調(diào)節(jié)溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調(diào)溫方法。

背景技術(shù)：

溫度控制在各行各業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用需求。一個(gè)典型的溫控系統(tǒng)主要包括兩部分，一部分是加熱器或制冷器，另一部分是溫控儀表或溫控電路。隨著電子器件的小型化，出現(xiàn)了越來越多的利用薄膜或厚膜技術(shù)制備的小型化的加熱器。

這些厚/薄膜加熱器在具體應(yīng)用時(shí)，其溫場(chǎng)均勻性都需要滿足某種程度的要求。例如在微型色譜中就要求整個(gè)色譜溝槽內(nèi)的溫度盡可能均勻，如果不同的位置存在較大的溫差，將導(dǎo)致色譜峰嚴(yán)重展寬而大大降低色譜柱的分離性能。

影響溫場(chǎng)均勻性的因素主要有如下兩點(diǎn)：

1)基板材料的導(dǎo)熱性

厚/薄膜加熱器都是通過在基板材料上布設(shè)加熱線，加熱線通電發(fā)熱后，再將熱量傳遞到周圍的基板材料上。因此，基板材料的導(dǎo)熱性對(duì)溫度均勻性有重要影響，已經(jīng)商品化的柔性薄膜加熱器采用聚酰亞胺(PI)等聚合物作基底，聚合物的低導(dǎo)熱性不可避免地導(dǎo)致這類加熱器的溫度均勻性較差。而硅有良好的導(dǎo)熱性，因此現(xiàn)有的微型色譜多采用硅作為基底。

2)加熱線條的幾何布局

現(xiàn)有的厚/薄膜加熱器通常都是沉積在一個(gè)平板狀的基底上，采用光刻或絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成加熱線條。加熱線條的形狀主要有：(1)蛇形，參見文獻(xiàn)①Design and fabrication of micro hydrogen gas sensors using palladium thin film.Mater ChemPhys,2012,133:987；②空間用薄膜電加熱器設(shè)計(jì)及熱均勻性測(cè)試，航天器環(huán)境工程，2013,30:417；③特開2004-79492等。(2)圓環(huán)形，參見文獻(xiàn)④特開2005-183272；⑤特開2000-150119等。(3)任意蜿蜒盤繞的形狀，參見文獻(xiàn)⑥特開2009-176502。為實(shí)現(xiàn)均勻加熱，目前的技術(shù)手段大多是將加熱絲均勻地布設(shè)在整個(gè)預(yù)加熱的面積之上。但上述設(shè)計(jì)沒有充分考慮熱傳導(dǎo)的邊界條件，即加熱器中心部位散熱慢，而邊緣部位散熱快。因此，均勻布設(shè)加熱絲的方法不可避免地導(dǎo)致加熱器中心部位溫度高，而邊緣部位溫度低，正如參考文獻(xiàn)①②的測(cè)試結(jié)果。例如在文獻(xiàn)①中，加熱的材料體系為2μm氮化硅/30nm五氧化二鉭/300nm鉑/500nm氧化硅復(fù)合多層膜，其中鉑加熱膜的形狀為規(guī)則的蛇形，當(dāng)中心溫度加熱到154℃時(shí)，次邊緣的溫度僅有140℃左右，溫度的相對(duì)誤差高達(dá)10％。

因此，現(xiàn)有技術(shù)中，在采用薄膜加熱器對(duì)基底進(jìn)行加熱時(shí)，存在著加熱溫度不均勻的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種調(diào)節(jié)溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調(diào)溫方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中加熱器存在的溫度不均勻的技術(shù)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能夠提高溫場(chǎng)均勻性的技術(shù)效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種調(diào)節(jié)溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器，包含一個(gè)基板和沉積在所述基板上的一個(gè)蛇形薄膜加熱線，基板為長(zhǎng)方形或平行四邊形或正方形，蛇形薄膜加熱線由多條彼此平行的加熱線段以及連接線構(gòu)成，每條加熱線段的形狀為中部寬兩端窄，相鄰加熱線段的間距不相等或線寬不相等或間距與線寬皆不相等。

進(jìn)一步的，所述加熱線段的線寬相等而間距不相等時(shí)，間距在基板中心部位大而在兩端處小。間距指相鄰加熱線段之間的距離。

進(jìn)一步的，所述加熱線段的間距相等而線寬不相等時(shí)，線寬在基板中心部位大而在兩端處小。

進(jìn)一步的，每條加熱線段的中部寬而兩端窄的優(yōu)化外形為一對(duì)圓弧。

進(jìn)一步的，所述連接線為短直線或180°圓弧線。

進(jìn)一步的，所述蛇形薄膜加熱線的材料包括鉑、金、銅、鎢單質(zhì)金屬及其合金，以及鎳鉻合金、摻雜多晶硅。

進(jìn)一步的，所述基板為平板薄片狀，材料包括半導(dǎo)體基片、玻璃片、陶瓷片、石英片、表面鈍化的金屬片、單層介質(zhì)薄膜、多層介質(zhì)薄膜、多層介質(zhì)/金屬復(fù)合薄膜、柔性聚合物薄膜。

本發(fā)明還提供了一種調(diào)節(jié)溫度均勻性的調(diào)溫方法，包含一個(gè)二維平板薄片狀基板和沉積在所述基板上的一個(gè)蛇形薄膜加熱線，所述蛇形薄膜加熱線由多條彼此平行的加熱線段以及連接線構(gòu)成，在基板的橫向上，通過調(diào)節(jié)每條加熱線段的間距或線寬或二者同步聯(lián)調(diào)來提高橫向溫度均勻性，在基板的縱向上，通過將每條加熱線段調(diào)節(jié)為中間寬而兩端細(xì)的形狀來提高縱向上的溫度均勻性。

進(jìn)一步的，在基板的橫向上，調(diào)節(jié)為所述基板中心部位的相鄰加熱線段的間距比兩端處相鄰加熱線段的間距寬。

進(jìn)一步的，在基板的橫向上，調(diào)節(jié)為基板中心部位加熱線段的線寬大于兩端處加熱線段的線寬。

本發(fā)明的有益效果是：由于考慮了加熱器散熱的邊界條件，因此加熱器不再采用等功率設(shè)計(jì)的方案，而是從縱向和橫向即基板的長(zhǎng)邊和基板的短邊兩個(gè)方向上同時(shí)調(diào)整加熱線段的線寬和彼此之間的間距，使得加熱器中心區(qū)域功率稍小，而邊緣功率增大，從而有效地改善了加熱器的溫度分布的均勻性，在蛇形薄膜加熱線盤繞面積不變的情況下，獲得了更大的溫度一致性的面積。

附圖說明

圖1為蛇形等間距加熱器的電極圖形；

圖2為蛇形等間距加熱器的二維分布圖；

圖3為蛇形等間距加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖；

圖4為蛇形變間距加熱器的電極圖形；

圖5為蛇形變間距加熱器的二維分布圖；

圖6為蛇形變間距加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的加熱器的電極圖形；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的加熱器的二維分布圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例1的加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例2的加熱器的電極圖形；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例2的加熱器的二維分布圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例2的加熱器的縱向(a)和橫向(b)溫度截面圖。

其中：1為薄膜加熱線，2為基板，S1、S2、S3、S4；S1′、S2′、S3′、S4′分別為加熱線段不同位置之間的間距，W1、W2、W3、W4、W5；W1′、W2′、W3′、W4′、W5′為不同位置加熱線段的線寬，L1、L2分別為縱向、橫向有效距離。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明實(shí)施例通過提供一種調(diào)節(jié)溫度均勻性的蛇形薄膜加熱器及其調(diào)溫方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中加熱器存在溫度不均勻的技術(shù)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了能夠改善溫度均勻性的技術(shù)效果。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中加熱器存在的溫度不均勻的技術(shù)問題，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

現(xiàn)有的技術(shù)中，加熱線的間距是固定不變的，例如圖1所示，氮化硅薄膜基板的尺寸為7.5mm×3.5mm×1um，其上沉積有鉑膜加熱器，膜厚為200nm；鉑膜加熱器呈蛇形盤繞在氮化硅基板上，共9根線段，每條線段的線寬都是一樣的，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；相鄰線段之間同樣采用線寬為400um的小直線連接；相鄰線段之間的間距自內(nèi)向外分別表示為S1、S2、S3、S4，并全都等于400um，這樣薄膜加熱線覆蓋的基板面積為6.8mm×2.8mm?；诮苟鸁岷蜔岬膫鬟f方式的基本理論，通過COMSOL軟件進(jìn)行加熱溫度仿真。

在仿真過程中使用傳熱中的焦耳熱模塊，在傳熱過程中，重點(diǎn)考慮傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱，輻射熱忽略不計(jì)，當(dāng)給加熱線兩端施加定值電壓時(shí)，傳熱平衡后氮化硅薄膜基板的二維溫度分布如圖2所示。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖3(a)所示，其在縱向中心有效區(qū)域1000～6500um內(nèi)(不涵蓋最外端的2根加熱線)產(chǎn)生的溫差為17K。基板中心沿Y軸(橫向)的溫度分布截圖如圖3(b)，在橫向中心有效區(qū)域500～3000um內(nèi)(涵蓋部分連接線)，產(chǎn)生的溫差為24K。可見，加熱器中心的溫度最高，周圍溫度最低，溫度梯度大。沿X軸方向由里向外溫度呈快速的振蕩下行趨勢(shì)，這是由于鉑金加熱線的溫度皆比其相鄰的氮化硅薄膜基板的溫度略高，而沿Y軸方向由里向外溫度呈更快的單調(diào)下降趨勢(shì)。出現(xiàn)上述溫度分布的原因是由于加熱器中心部位散熱慢，而邊緣部位散熱快的緣故。說明等間距布設(shè)加熱線的方案沒有考慮散熱的邊界條件，因此不可避免地導(dǎo)致中心與邊緣處存在較大的溫差。

因此，欲改善現(xiàn)有的蛇形加熱器的溫度均勻性，需要降低中心部位的加熱功率而相應(yīng)地增加邊緣部位的加熱功率。下面我們通過改變加熱線的電極間距的方法，以優(yōu)化加熱線的幾何布局。在圖1的基礎(chǔ)之上，保持線寬不變，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；調(diào)整加熱線之間的間距S1＝450um，S2＝S3＝400um，S4＝350um，如圖4所示。薄膜加熱線覆蓋的基板面積與圖1完全一樣。傳熱平衡后氮化硅薄膜基板的二維溫度分布如圖5所示?；逯行难豖軸(縱向)的溫度分布截圖如圖6(a)所示，其在縱向中心有效區(qū)域1000～6500um內(nèi)產(chǎn)生的溫差為8.2K，與圖1的等間距電極結(jié)構(gòu)相比，溫度均勻性有了明顯改善。在該方向上，并不是處于最中心位置的加熱線的溫度最高，而是中心向外的第3根加熱線的溫度最高?；逯行难豗軸(橫向)的溫度分布截圖如圖6(b)，在橫向中心有效區(qū)域500～3000um內(nèi)，產(chǎn)生的溫差為20K，溫度分布的變化不大。由此可見，僅僅通過調(diào)整每條加熱線間距的方法，或基于同樣的原理，僅僅改變線寬或同步聯(lián)調(diào)線寬和間距的方法，只能改變單一方向(本例為X軸縱向)上加熱器的溫度均勻性，而在與之相垂直的方向上(本例為Y軸橫向)上加熱器的溫度均勻性并沒有得到改善。這是由于每條加熱線的線寬和間距仍然是處處一致的，導(dǎo)致加熱功率在橫向上處處相等，無法達(dá)成在中心區(qū)域減少功率的設(shè)計(jì)要求。

基于上述分析，為了進(jìn)一步改善加熱器在橫向上的溫度均勻性，需要拋棄現(xiàn)有的每條加熱線的線寬恒定的技術(shù)方法，而采取線寬處處都不一致的新思路，具體地，每條加熱線都是中心處最寬，兩頭最窄，線寬從中間向兩端單調(diào)遞減。

實(shí)施例1

在本發(fā)明的實(shí)施例1中，一方面在縱向上調(diào)節(jié)每條加熱線段的間距，同時(shí)在橫向上調(diào)節(jié)每條加熱線段的線寬。具體方法如下：首先按圖4所示的電極結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)每條加熱線段之間的間距，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)每條加熱線段進(jìn)行了變線寬優(yōu)化，使得每條加熱線段的中心處最寬而兩端處最窄。優(yōu)化時(shí)，首先保持每條加熱線段在中心處的線寬和間距不變，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；S1＝450um，S2＝S3＝400um，S4＝350um。然后將兩端處的線寬皆收窄為W1′＝W2′＝W3′＝W4′＝W5′＝200um，相應(yīng)地間距依次增大為S1′＝650um，S2′＝S3′＝600um，S4′＝550um。同時(shí)，加熱線段之間的連接線的線寬同步縮小至300um，并保持蛇形薄膜加熱線覆蓋的基板面積不變。最后對(duì)于每條加熱線段，根據(jù)已經(jīng)確定坐標(biāo)的六個(gè)點(diǎn)(2個(gè)中心點(diǎn)和4個(gè)端點(diǎn))用一對(duì)圓弧進(jìn)行連接，構(gòu)成了如圖7所示的每條加熱線段的圖形。采用傳熱平衡后氮化硅薄膜基板的二維溫度分布如圖8所示，可見基板上的溫度最高點(diǎn)已經(jīng)不在中心或靠近中心的某個(gè)加熱線段上，而是在次中心連接線的拐彎處。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖9(a)所示，其在縱向中心有效區(qū)域1000～6500um內(nèi)產(chǎn)生的最大溫差為9.1K?；逯行难豗軸(橫向)的溫度分布截圖如圖9(b)所示，表現(xiàn)出中間低而兩端高的馬鞍形狀，在橫向中心有效區(qū)域500～3000um內(nèi)，溫差大幅縮小至8.6K。需要指出的是，圖9(b)所示的溫度斷面并沒有穿過基板上溫度最高的點(diǎn)，若在該點(diǎn)進(jìn)行斷面，所得溫度截面的形狀與圖9(b)類似，僅僅是馬鞍處的凹陷更深，而在L2考察范圍內(nèi)的溫差變化并不大?？梢姡捎帽緦?shí)施例的方法，可以在縱向和橫向兩個(gè)方向上獲得溫度均勻性的明顯改善。

實(shí)施例2

為了進(jìn)一步改善溫度分布的均勻性，在實(shí)施例2中，我們通過同步聯(lián)調(diào)每條加熱線段的線寬及間距的方法，進(jìn)一步提高該方向上的溫度均勻性。具體方法如下：首先在常規(guī)的等線寬等間距電極結(jié)構(gòu)(圖1)的基礎(chǔ)之上，調(diào)節(jié)為變線寬變間距結(jié)構(gòu)：即調(diào)整為W1＝380um，W5＝310um，而W2、W3、W4均保持400um不變；加熱線段之間的間距S1＝410um，S2、S3、S4均為350um。需要說明的是，當(dāng)單獨(dú)采用變間距或變線寬調(diào)節(jié)方法時(shí)，都要求線寬或間距在加熱器的中心部位大，而在邊緣部位??；但當(dāng)采用線寬與間距聯(lián)調(diào)方法時(shí)，可不受上述要求限制。第二步，對(duì)每條加熱線段進(jìn)行了變線寬優(yōu)化，使得每條加熱線段的中心處最寬而兩端處最窄。優(yōu)化時(shí)，首先保持每條加熱線段在中心處的線寬和間距不變，即W1＝380um，W2＝W3＝W4＝400um，W5＝310um；S1＝410um，S2＝S3＝S4＝350um。然后將兩端處的線寬依次收窄為W1′＝W2′＝W3′＝W4′＝300um，W5′＝200um，相應(yīng)地間距依次增大為S1′＝500um，S2′＝S3′＝450um，S4′＝455um。最后對(duì)于每條加熱線段，根據(jù)已經(jīng)確定坐標(biāo)的六個(gè)點(diǎn)(2個(gè)中心點(diǎn)和4個(gè)端點(diǎn))用一對(duì)圓弧連接，而相鄰加熱線段之間采用了180°圓弧連接，構(gòu)成了如圖10所示的加熱器圖形。傳熱平衡后氮化硅薄膜基板的二維溫度分布如圖11所示，可見在中心區(qū)域一個(gè)很大的面積內(nèi)幾乎沒有等溫線的分布，表明在該區(qū)域內(nèi)的溫差僅有約3K。整個(gè)基板的溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在180°連接圓弧處，但幾乎整個(gè)內(nèi)圓弧都被一個(gè)等溫線覆蓋，其溫度的均勻性比實(shí)施例1更好。基板中心沿X軸(縱向)的溫度分布截圖如圖12(a)所示，其在縱向中心有效區(qū)域1000～6500um內(nèi)產(chǎn)生的溫差為6.7K?；逯行难豗軸(橫向)的溫度分布截圖如圖12(b)所示，該截面圖穿過了圓弧處的溫度最高區(qū)域，同樣呈馬鞍形，但在有效區(qū)域500～3000um內(nèi)的溫差很小，僅為4.9K?？梢?，采用實(shí)施例2的方法，不僅在橫向上獲得溫度均勻性的良好改善，在縱向上的溫度均勻性與實(shí)施例1相比也有了大幅度的提高。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。