一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器及其调温方法技术

本发明专利技术公开了一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器及其调温方法，包含一个二维平板薄片状基板和沉积在所述基板上的一个蛇形薄膜加热线，蛇形薄膜加热线由多条彼此平行的加热线段以及连接线构成，在基板的横向上，通过调节每条加热线段的间距或线宽或二者同步联调来提高横向温度均匀性，在基板的纵向上，通过将每条加热线段调节为中间宽而两端细的形状来提高纵向温度均匀性。本发明专利技术通过在纵向和横向两个方向上同时改变加热线的线宽和间距，进而减小中心部位的加热功率而相应增大边缘部分的功率的方法，以弥补中心区域散热慢而周围区域散热快的传热差别，实现了能够提高加热器温度均匀性的技术效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及温度控制
，尤其涉及一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器及其调温方法。
技术介绍
温度控制在各行各业中有着广泛的应用需求。一个典型的温控系统主要包括两部分，一部分是加热器或制冷器，另一部分是温控仪表或温控电路。随着电子器件的小型化，出现了越来越多的利用薄膜或厚膜技术制备的小型化的加热器。这些厚/薄膜加热器在具体应用时，其温场均匀性都需要满足某种程度的要求。例如在微型色谱中就要求整个色谱沟槽内的温度尽可能均匀，如果不同的位置存在较大的温差，将导致色谱峰严重展宽而大大降低色谱柱的分离性能。影响温场均匀性的因素主要有如下两点：1)基板材料的导热性厚/薄膜加热器都是通过在基板材料上布设加热线，加热线通电发热后，再将热量传递到周围的基板材料上。因此，基板材料的导热性对温度均匀性有重要影响，已经商品化的柔性薄膜加热器采用聚酰亚胺(PI)等聚合物作基底，聚合物的低导热性不可避免地导致这类加热器的温度均匀性较差。而硅有良好的导热性，因此现有的微型色谱多采用硅作为基底。2)加热线条的几何布局现有的厚/薄膜加热器通常都是沉积在一个平板状的基底上，采用光刻或丝网印刷技术形成加热线条。加热线条的形状主要有：(1)蛇形，参见文献①Design and fabrication of micro hydrogen gas sensors using palladium thin film.Mater ChemPhys,2012,133:987；②空间用薄膜电加热器设计及热均匀性测试，航天器环境工程，2013,30:417；③特开2004-79492等。(2)圆环形，参见文献④特开2005-183272；⑤特开2000-150119等。(3)任意蜿蜒盘绕的形状，参见文献⑥特开2009-176502。为实现均匀加热，目前的技术手段大多是将加热丝均匀地布设在整个预加热的面积之上。但上述设计没有充分考虑热传导的边界条件，即加热器中心部位散热慢，而边缘部位散热快。因此，均匀布设加热丝的方法不可避免地导致加热器中心部位温度高，而边缘部位温度低，正如参考文献①②的测试结果。例如在文献①中，加热的材料体系为2μm氮化硅/30nm五氧化二钽/300nm铂/500nm氧化硅复合多层膜，其中铂加热膜的形状为规则的蛇形，当中心温度加热到154℃时，次边缘的温度仅有140℃左右，温度的相对误差高达10％。因此，现有技术中，在采用薄膜加热器对基底进行加热时，存在着加热温度不均匀的技术问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器及其调温方法，解决了现有技术中加热器存在的温度不均匀的技术问题，进而实现了能够提高温场均匀性的技术效果。本专利技术的技术方案是一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，包含一个基板和沉积在所述基板上的一个蛇形薄膜加热线，基板为长方形或平行四边形或正方形，蛇形薄膜加热线由多条彼此平行的加热线段以及连接线构成，每条加热线段的形状为中部宽两端窄，相邻加热线段的间距不相等或线宽不相等或间距与线宽皆不相等。进一步的，所述加热线段的线宽相等而间距不相等时，间距在基板中心部位大而在两端处小。间距指相邻加热线段之间的距离。进一步的，所述加热线段的间距相等而线宽不相等时，线宽在基板中心部位大而在两端处小。进一步的，每条加热线段的中部宽而两端窄的优化外形为一对圆弧。进一步的，所述连接线为短直线或180°圆弧线。进一步的，所述蛇形薄膜加热线的材料包括铂、金、铜、钨单质金属及其合金，以及镍铬合金、掺杂多晶硅。进一步的，所述基板为平板薄片状，材料包括半导体基片、玻璃片、陶瓷片、石英片、表面钝化的金属片、单层介质薄膜、多层介质薄膜、多层介质/金属复合薄膜、柔性聚合物薄膜。本专利技术还提供了一种调节温度均匀性的调温方法，包含一个二维平板薄片状基板和沉积在所述基板上的一个蛇形薄膜加热线，所述蛇形薄膜加热线由多条彼此平行的加热线段以及连接线构成，在基板的横向上，通过调节每条加热线段的间距或线宽或二者同步联调来提高横向温度均匀性，在基板的纵向上，通过将每条加热线段调节为中间宽而两端细的形状来提高纵向上的温度均匀性。进一步的，在基板的横向上，调节为所述基板中心部位的相邻加热线段的间距比两端处相邻加热线段的间距宽。进一步的，在基板的横向上，调节为基板中心部位加热线段的线宽大于两端处加热线段的线宽。本专利技术的有益效果是：由于考虑了加热器散热的边界条件，因此加热器不再采用等功率设计的方案，而是从纵向和横向即基板的长边和基板的短边两个方向上同时调整加热线段的线宽和彼此之间的间距，使得加热器中心区域功率稍小，而边缘功率增大，从而有效地改善了加热器的温度分布的均匀性，在蛇形薄膜加热线盘绕面积不变的情况下，获得了更大的温度一致性的面积。附图说明图1为蛇形等间距加热器的电极图形；图2为蛇形等间距加热器的二维分布图；图3为蛇形等间距加热器的纵向(a)和横向(b)温度截面图；图4为蛇形变间距加热器的电极图形；图5为蛇形变间距加热器的二维分布图；图6为蛇形变间距加热器的纵向(a)和横向(b)温度截面图；图7为本专利技术实施例1的加热器的电极图形；图8为本专利技术实施例1的加热器的二维分布图；图9为本专利技术实施例1的加热器的纵向(a)和横向(b)温度截面图；图10为本专利技术实施例2的加热器的电极图形；图11为本专利技术实施例2的加热器的二维分布图；图12为本专利技术实施例2的加热器的纵向(a)和横向(b)温度截面图。其中：1为薄膜加热线，2为基板，S1、S2、S3、S4；S1′、S2′、S3′、S4′分别为加热线段不同位置之间的间距，W1、W2、W3、W4、W5；W1′、W2′、W3′、W4′、W5′为不同位置加热线段的线宽，L1、L2分别为纵向、横向有效距离。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。本专利技术实施例通过提供一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器及其调温方法，解决了现有技术中加热器存在温度不均匀的技术问题，进而实现了能够改善温度均匀性的技术效果。为了解决现有技术中加热器存在的温度不均匀的技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本专利技术的技术方案进行详细的说明。现有的技术中，加热线的间距是固定不变的，例如图1所示，氮化硅薄膜基板的尺寸为7.5mm×3.5mm×1um，其上沉积有铂膜加热器，膜厚为200nm；铂膜加热器呈蛇形盘绕在氮化硅基板上，共9根线段，每条线段的线宽都是一样的，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；相邻线段之间同样采用线宽为400um的小直线连接；相邻线段之间的间距自内向外分别表示为S1、S2、S3、S4，并全都等于400um，这样薄膜加热线覆盖的基板面积为6.8mm×2.8mm。基于焦耳热和热的传递方式的基本理论，通过COMSOL软件进行加热温度仿真。在仿真过程中使用传热中的焦耳热模块，在传热过程中，重点考虑传导与对流传热，辐射热忽略不计，当给加热线两端施加定值电压时，传热平衡后氮化硅薄膜基板的二维温度分布如图2所示。基板中心沿X轴(纵向)的温度分布截图如图3(a)所示，其在纵向中心有效区域1000～6500um内(不涵盖最外端的2根加热线)产生的温差为17K。基板中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，包含一个基板和沉积在所述基板上的一个蛇形薄膜加热线，其特征在于，所述基板为长方形或平行四边形或正方形，所述蛇形薄膜加热线由多条彼此平行的加热线段以及连接线构成，所述每条加热线段的形状为中部宽两端窄，相邻加热线段的间距不相等或线宽不相等或间距与线宽皆不相等。

【技术特征摘要】
1.一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，包含一个基板和沉积在所述基板上的一个蛇形薄膜加热线，其特征在于，所述基板为长方形或平行四边形或正方形，所述蛇形薄膜加热线由多条彼此平行的加热线段以及连接线构成，所述每条加热线段的形状为中部宽两端窄，相邻加热线段的间距不相等或线宽不相等或间距与线宽皆不相等。2.根据权利要求1所述的调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，其特征在于：所述加热线段的线宽相等而间距不相等时，间距在基板中心部位大而在两端处小。3.根据权利要求1所述的调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，其特征在于：所述加热线段的间距相等而线宽不相等时，线宽在基板中心部位大而在两端处小。4.根据权利要求1所述的调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，其特征在于：每条加热线段的中部宽而两端窄的优化外形为一对圆弧。5.根据权利要求1所述的调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，其特征在于：所述连接线为短直线或180°圆弧线。6.根据权利要求1所述的调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器，其特征在于：所述蛇形薄膜加热线的材料包括铂、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓松，李亚茹，姚祺，郭鹏飞，袁欢，太惠玲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51