专利名称：陶瓷加热器和在陶瓷加热器上固定热电偶的方法
技术领域：
本公开大体涉及电加热器，尤其涉及陶资加热器和在陶资加热器 上固定热电偶的方法。
背景技术：
该部分的陈述仅仅提供与本公开相关的背景信息，且不构成现有 技术。
典型的陶资加热器通常包括陶资基体和电阻加热元件，该电阻加 热元件被嵌入陶瓷基体内或被固定到陶资基体的外表面上。由于陶资 材料具有优良的热传导性，因此由电阻加热元件产生的热量可以被快 速传递到靠近陶资基体设置的目标对象。
但是，因为陶瓷材料和金属材料的润湿性不好，陶瓷材料很难与 金属材料相结合。许多陶瓷材料和金属材料是非润湿性的，这使得熔 融金属难于克服毛细压力流入陶瓷材料的小孔里。另外，由于陶瓷材 料和金属材料之间的热膨胀系数的差异很大，因此很难在高温下保持 陶瓷材料和金属材料之间的结合。
因此，与陶瓷加热器一起使用的热电偶一般通过金属护套附连到 陶瓷基体。用于测量陶瓷加热器温度的热电偶的热接点或测量接点被 收纳并焊接到金属护套内，金属护套则被固定到陶瓷基体。护套一般 通过机械附件，例如弹簧加载装置，被设置成接近陶瓷基体。
由于热电偶测量金属护套的温度，而不是直接测量陶瓷基体的温 度，所以这种将热电偶固定到陶乾加热器的传统方法具有延迟温度响 应的缺点。护套的大的热质量也倾向于进一步延迟热电偶的温度变化， 因此，热电偶的准确的温度测量取决于金属护套的热特性。当陶资加 热器以非常快的速度升温，如果金属护套不能快速响应陶瓷基体的温度变化，热电偶就无法即刻地准确测量出陶资加热器的温度。因此，
在以相对高的功率密度供电并且以相对快的速度升温的陶f:加热器 中，就可能产生"超调"，"超调"指参数由较低值到较高值的转变超出 了最终值时对参数的不理想控制。由于不能准确测量和控制升温曲线 的温度，陶瓷加热器被提升到超过了目标温度的温度，这导致目标对 象的不理想力口热。
发明内容
本发明的一种形式是，提供了一种陶资加热器，该加热器包括陶 瓷基体和至少 一 个用于测量陶瓷基体的温度的热电偶。所述至少 一 个 热电偶包括直接结合到陶t:基体的接点。
另 一种形式的陶瓷加热器包括限定了至少 一个凹槽的陶瓷基体、 嵌入到陶瓷基体的电阻加热元件、至少一个热电偶和活性钎焊料。热 电偶包括一对丝，该对丝限定了远端部分和靠近远端部分设置的接点。 接点设置在所述凹槽内。活性钎焊料也设置在所述凹槽内，并且所述 至少 一 个热电偶的接点与活性钎焊料相接触。
在另 一种形式中，提供了 一种用来将包括一对丝的热电偶固定到 陶瓷基体的方法，其中所述一对丝限定了接点。该方法包括直接将热 电偶的接点结合到陶瓷基体。
在另一种形式中，提供了一种将包括一对丝的热电偶固定到陶瓷 基体的方法，该方法包括焊接热电偶的丝以形成接点；清洁陶乾加 热器基体的表面；施加活性钎焊料到陶瓷加热器基体的表面；把接点 放置在活性钎焊料上；干燥活性钎焊料；在真空室中加热活性钎焊料; 以预定的温度和时间在真空室中保持活性钎焊料；冷却到室温。
根据这里提供的说明可清楚本发明的其它应用领域。应理解的是， 这里的说明和具体的例子仅是用于例举，并不是为了限制本公开的范 围。
文中的附图仅是用于例举，绝不是为了限制本公开的范围。
图1是依据本公开教导构造的固定有热电偶的陶瓷加热器的透视
图2是依据本公开教导的图l中具有热电偶的陶瓷加热器的分解 透视图3是依据本么、开教导的图1中陶瓷加热器和热电偶沿线3-3的 截面视图4是图3中局部A的放大图，该图显示了依据本公开第一种实 施例的在陶资基体和热电偶之间的连接；
图5是与图4类似的放大图，该图显示了依据本公开第二种实施 例的在陶资基体和热电偶之间的可替代的连接；
图6是一个流程图，用于显示依据本公开教导将热电偶固定到陶 瓷加热器的方法；
图7是与图4类似的放大图，该图显示了依据本公开第三种实施 例在陶瓷基体和热电偶之间的可替代的连接；
图8是与图7类似的放大图，该图显示了依据本公开第四种实施 例的在陶资基体和热电偶之间的可替代的连接；
图9显示了可替代的金属镀层的双层构造，及其与陶瓷基体和热 电偶的结合，为了表达清楚，图中去除了热电偶的丝和绝缘套；以及
图10是流程图，用于显示依据本公开教导将热电偶固定到陶瓷基 体的另一种方法。
在所有附图中，相应的附图标记表示相应部分。
具体实施例方式
下面的描述仅是作为示例，并不用于限制本公开、申请或用途。 应理解的是，所有附图的相应附图标记都表示相似或相应的部分或特 征。
参见图l到图3，图示了依据本公开的教导构造的陶瓷加热器， 该加热器总体上用附图标记IO表示。陶资加热器10包括陶瓷基体12、嵌入陶瓷基体12内的电阻加热元件14 (虚线显示)、以及热电偶16。 电阻加热元件14终止于两个端子垫18 (虚线显示)，导线(未显示) 被附连至端子垫，用于将电阻加热元件14连接到电源(未显示)。陶 瓷基体12优选采用氮化铝(A1N )、氧化铝(A1203 )、或氮化硅(Si3N4) 制造。但是，这些材料只是为了示例，应理解可以采用其他陶瓷材料， 并且仍然属于本公开的范围内。电阻加热元件14可以是本领域任意已 知类型，例如，电阻线圏或电阻薄膜等。尽管图中的电阻加热元件14 是嵌入陶瓷基体12的，但在不背离本公开精神的情况下，电阻加热元 件14也可以设置在陶瓷基体12的外表面。
热电偶16被固定到陶资基体12上，并优选设置在凹槽20内，以 用于在陶瓷加热器10工作时测量陶瓷基体12的温度。根据陶瓷基体 12的尺寸和电阻加热元件14的布置，可以在陶资加热器10上附连不 止一个的热电偶16，并且这仍然包括在本发明范围内。例如，如果陶 瓷加热器10具有多个加热区(未显示)，为了分别测量和控制多个加 热区，优选具有相应于多个加热区的多个热电偶16。
正如图2中更清楚的显示，热电偶16包括一对由不同的金属制成 的导电丝22。这对导电丝22包括优选焊接在一起的远端24，从而形 成珠26。此外，热电偶16还包括适合连接到控制器或其他温度处理 装置/回路(未显示)的近端28，这样导电丝22、珠26和控制器就形 成了电路。珠26作为热接点或测量接点，并被放置在靠近陶瓷基体 12的位置。近端28作为冷接点或参考接点。当陶瓷基体12的温度升 高以及随后珠26的温度升高时，就产生了横过电路的电压。通过测量 横过电路的电压，就可以确定珠26与冷接点之间的温度差，因此就得 到珠26的温度以及随之得到陶瓷基体12的温度。
热电偶16优选还包括一对绝缘套30。如图4中更清楚的显示， 绝缘套30包围着导电丝22，导电丝22的远端24的一部分从绝缘套 30中伸出，以形成珠26。绝缘套30为导电丝22提供绝缘和保护。绝 缘套30优选采用陶瓷材料、有机粘接玻璃纤维或基于聚合物的绝缘材 料制作。热电偶16可以是K型、J型、T型、R型、C型或B型热电偶等。 这些类型热电偶的特点在于导电丝的成分，并且适用于具有不同灵敏 度的不同温度范围。例如，包括镍铬丝(Ni-Cr合金)和镍铝丝(Ni-Al 合金)的K型热电偶是一种通用热电偶，其温度范围为约200°C ~约 1200°C，并且灵敏度约为41jiV/。C。 R型热电偶具有贵金属丝并且是 所有热电偶中最稳定的，但是灵敏度相对较低(约10jiV/。C )。 B型热 电偶具有铂丝和铑丝，适用于高达约1800。C的高温测量。
如图4中更清楚的显示，珠26被设置在陶瓷基体12的凹槽20 中。凹槽20基本上被活性钎焊料32填充，活性钎焊料32包围着珠 26并将珠26固定到陶瓷基体12上。应理解的是，珠26可以与凹槽 20的内表面34直接接触，或完全被活性钎焊料32包围，这仍属于本 公开的范围。
可替代的是，如图5所示，珠26被结合到陶瓷基体12的外表面 36，而不是按照前面描述那样结合在凹槽20内。优选地，热电偶16 的珠26与活性钎焊料32相接触，并且活性钎焊料32与陶瓷基体12 的外表面36接触。同样，应理解的是，珠26可以与凹槽20的内表面 34直接接触，或完全被活性钎焊料32所包围，这仍属于本公开的范 围内。活性钎焊料32优选为活性钎焊合金。优选的活性钎焊合金包括 由Wesgo⑧公司出售的Ticusil⑧合金(Ag-Cu-Ti合金)、由Wesgo⑧公 司出售的Silver-ABA⑧合金(Ag-Ti合金)、Au-Ni-Ti合金和Au-Ti合 金。
现在参见图6，现在描述依据本公开的教导将热电偶16固定到陶 资基体12的方法。应理解的是，可以改变或变更这里图示和描述的步 骤顺序，并且仍然属于本发明的范围，同样，这些步骤仅仅是本公开 一种形式的示例。首先，对将要结合热电偶16的陶瓷基体12的表面 进行清洁。如前面所述，该表面可以是凹槽20的内表面34或陶瓷基 体12的外表面36。优选地，采用超声波清洁器和丙酮或酒精来清除 粘附到该表面上的灰尘粒和油脂。焊接热电偶16的导电丝22的远端 24以形成珠26，该珠将作为热接点或测量接点。接下来，将活性钎焊料32施加到陶瓷基体12的凹槽20或外表面 36，然后将热电偶16的珠26放置在活性钎焊料32上。活性钎焊料 32优选采用膏或箔的形式，尽管也可采用仍然属于本公开范围内的其 它形式。当活性钎焊料32以膏的形式施加时，在施加活性钎焊料32 之前可以将珠26插入凹槽20，以使珠26与陶瓷基体12直接接触， 即与凹槽20的内表面34直接接触。另外，优选采用干燥过程来干燥 活性钎焊料膏。干燥过程优选在室温下进行，持续一段时间，该时间 应足以蒸发掉膏中的溶剂。
然后，将带有热电偶16的陶资基体12放置在真空室(未显示) 内加热。优选地，加热过程中把真空控制在小于约5xl0"托的压力。 活性钎焊料32和珠26被加热到约950。C到约1080。C之间。当达到所 需的温度时，将该温度保持约5到约60分钟。在一种形式里，在加热 过程中把活性钎焊料32加热到约950°C，并在该温度保持约15分钟。
加热过程后，将真空室冷却到室温，以允许活性钎焊料32凝固。 当活性钎焊料32凝固时，热电偶16的珠26就被直接结合到陶瓷基体 12上。
参见图7,该图显示了具有用依据本公开教导的另一种方法固定 的热电偶的陶资加热器，该陶资加热器大体用附图标记40表示。陶瓷 加热器40具有与图3到图5所示的陶瓷加热器IO相类似的结构，除 了陶瓷基体12与热电偶16之间的连接不同外。在下面的描述中，相 应的附图标记表示与图l到图5中的前述描述相类似或相应的部分和 特征。
图7显示，热电偶16的珠26设置在陶资基体12的凹槽20内。 该凹槽20的内表面36覆盖有金属镀层42。珠26设置于凹槽20内， 并且普通钎焊料44而不是活性钎焊料32基本上填充珠26和金属镀层 42之间的空间。
可替代的是，热电偶16的珠26被结合到陶瓷基体12的外表面 36，如图8所示。金属镀层42设置于外表面34和普通钎焊料44之间。 金属镀层42可以是如图8所示的单层结构或如图9所示的双层结
10构。当优选采用单层结构时，金属镀层42优选为厚度约O.ljim到ljim 的Ti层，并且通过化学镀形成。当优选采用双层结构时，金属镀层 42优选包括与陶瓷基体12接触的第一层46，和设置于第一层46和普 通钎焊料44之间的第二层48。第一层46是主要层，并优选由Mo、 MnO、玻璃粉和有机粘结剂的混合物制造而成。第二层48优选为Ni 层、Cu层或Au层，并且是厚度小于第一层46的薄层。第二层48的 厚度优选为约2jtm到5nm。第一层46作为结合层，用于将金属的第 二层48结合到陶资基体12，这样通过第二层48,热电偶16就可由普 通钎焊料44结合到陶瓷基体12。
优选的普通钎焊料44包括Ag-Cu合金或Au-Ni合金。
参考图10，现在描述依据本公开教导将热电偶16固定到陶瓷基 体12的第二种方法。正如前面陈述的，可以改变或变更这里图示和描 述的步骤顺序，并且仍然属于本发明的范围内。首先，对将要结合热 电偶16的陶瓷基体12的表面进行清洁。如前面所述，该表面可以是 凹槽20的内表面34或陶瓷基体12的外表面36。然后，焊接热电偶 16的导电丝22以形成珠26。
接下来，在凹槽20的内表面34或陶瓷基体12的外表面36成形 金属镀层42。金属镀层42可以通过溅镀薄的Ti层而成形。可替代的 是，金属镀层42也可以通过在陶瓷基体12上先成形第一层46，然后 在第一层46上成形第二层48来成形。在成形第一层46时，准备包括 Mo、 MnO、玻璃粉、有机粘结剂和溶剂的混合物的膏，并将其施加 到陶瓷基体12上。然后，在成形气体的气氛中烧制陶瓷基体12和膏。 优选地，成形气体是分子比例为4: l的氮和氢的混合气体，或者是裂 解氨，该裂解氨是分子比例为3: l的氢和氮的混合气体。当烧制过程 完成后，溶剂就从膏中脱出，并且膏凝固并附连到陶瓷基体12。
第一层46成形后，通过无电极电镀法将可以是Ni、 Cu或Au层 的第二层48施加到第一层46上，从而完成金属镀层42。
完成金属镀层42后，不管是单层或双层结构，将普通钎悍料44 放置在金属镀层42上，并且热电偶16的珠26放置在普通钎焊料44上。然后普通钎焊料44被熔化并凝固，从而完成将热电偶16结合到 陶瓷基体12。由于加热和凝固普通钎焊料44的过程基本上类似于与 图4~8相关的加热和凝固活性钎焊料32的过程，因此这里为了简化 省略了说明。
根据本公开，由于热电偶16的珠26被直接结合到陶资基体12， 因此来自于陶瓷基体12的热量就被直接传递到热电偶16的珠26。这 样，珠26的温度就几乎即刻地反映出陶瓷基体12的温度，并因此可 以更加准确地测量出陶资加热器10的温度。另外，通过采用活性钎焊 料或与金属镀层结合的普通钎焊料，热电偶16即使在暴露于更高的温 度下时也具有长期的稳定性。
依据本公开的陶瓷加热器IO具有多种用途。例如，该陶瓷加热器 10可用于半导体后端芯片结合设备和医疗设备。陶瓷加热器10优选 用于以相对快的升温速率加热物体。
本发明的说明仅是示例性，因此，不背离本发明要点的变化均属 于本发明的范围。这类变化不应被视为背离本发明的精神和范围。
权利要求
1、一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括陶瓷基体；以及至少一个用于测量陶瓷基体温度的热电偶，该至少一个热电偶包括直接结合到陶瓷基体上的接点。
2、 根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，接点通过活性钎焊 料结合到陶瓷基体。
3、 根据权利要求2所述的陶瓷加热器，其中，活性钎焊料选自于 由Au-Cu-Ti合金、Ag-Ti合金、Au-Ni-Ti合金以及Au-Ti合金构成的 组。
4、 根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，陶瓷基体由选自于 由氮化铝(A1N)、氧化铝(A1203 )和氮化硅(Si3N4)构成的组的材 料制造。
5、 根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，所述至少一个热电 偶选自于由K型、J型、T型、R型、C型和B型热电偶构成的组。
6、 根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，陶瓷基体限定有凹 槽，所述至少一个热电偶的接点设置于该凹槽内。
7、 根据权利要求6所述的陶瓷加热器，其中，陶瓷基体的凹槽基 本上由活性钎焊料填充。
8、 根据权利要求1所述的陶瓷加热器，其中，所述至少一个热电 偶包括一对限定有远端部分的丝，接点被设置成靠近丝的远端部分。
9、 根据权利要求8所述的陶资加热器，其中，丝的远端部分被结 合到一起以形成珠，珠与设置于陶瓷基体上的活性钎焊料相接触，从 而将热电偶结合到陶瓷基体。
10、 根据权利要求8所述的陶瓷加热器，其中，所述一对丝的至 少一部分被绝缘物包围。
11、 根据权利要求IO所述的陶瓷加热器，其中，绝缘物包括一对 设置在该对丝上的陶瓷套。
12、 根据权利要求1所述的陶瓷加热器，该陶瓷加热器还包括与 陶瓷基体接触的金属镀层，并且接点被结合到金属镀层。
13、 根据权利要求12所述的陶瓷加热器，其中，金属镀层包括由 Mo、 MnO、玻璃粉和有机粘结剂的混合物制成的第一层。
14、 根据权利要求13所述的陶资加热器，其中，金属镀层还包括 由选自于由Ni、 Cu和Au构成的组中的材料制成的第二层。
15、 根据权利要求12所述的陶瓷加热器，其中，金属镀层是Ti层。
16、 根据权利要求12所述的陶瓷加热器，其中，通过钎焊料将接 点结合到金属镀层。
17、 根据权利要求16所述的陶瓷加热器，其中，钎焊料选自于由 Ag-Cu合金和Au-Ni合金构成的组。
18、 一种陶资加热器，该陶资加热器包括 限定有至少一个凹槽的陶瓷基体； 嵌入陶资基体内的电阻加热元件；至少一个热电偶，该热电偶包括一对限定有远端部分的丝，以及 靠近该远端部分设置的接点，该接点设置在凹槽内；以及设置于凹槽内的活性钎焊料，并且所述至少 一个热电偶的接点与 活性钎焊料接触。
19、 一种将热电偶固定到陶瓷基体的方法，其中热电偶包括一对 限定了接点的丝，该方法包括将热电偶的接点直接结合到陶瓷基体。
20、 根据权利要求19所述的方法，其中，所述直接结合是采用活 性钎焊料实现的。
21、 根据权利要求20所述的方法，该方法还包括将膏形式的活性 钎焊料施加到陶瓷基体，并把热电偶的接点放置在活性钎焊料膏上。
22、 根据权利要求21所述的方法，该方法还包括将其上设置有热 电偶的接点的活性钎焊料加热至约950。C到约1080。C之间，并将该温度保持约5到60分钟。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中，加热是在小于5xi0-6托压力的真空室中进行的。
24、 根据权利要求20所述的方法，其中，将活性钎焊料填入陶瓷 基体的凹槽内。
25、 根据权利要求20所述的方法，其中，将活性钎焊料施加到陶 瓷基体的外表面。
26、 根据权利要求19所述的方法，其中，接点是通过在丝的远端 部分焊接丝而形成的。
27、 根据权利要求19所述的方法，其中，所述直接结合包括在陶 瓷基体上设置金属镀层，并且通过钎焊料将接点结合到金属镀层。
28、 根据权利要求27所述的方法，其中，设置金属镀层包括将 Mo、 MnO、玻璃粉、有机粘结剂和溶剂的混合物施加到陶瓷基体上 以形成第一层，并施加选自于由Ni、 Cu和Au构成的组的材料以形成 第二层。
29、 根据权利要求27所述的方法，其中，设置金属镀层包括在陶 瓷基体上设置Ti层。
30、 一种将包括一对丝的热电偶固定到陶瓷基体的方法，该方法 包括焊接热电偶的丝以形成接点；清洁陶瓷基体的表面；将活性钎焊料施加到陶资基体的表面上；将接点放置在活性钎焊料上；干燥活性钎焊料；在真空室中加热活性钎焊料；将活性钎焊料以预定的温度和时间在真空室中保持；并且 将活性钎焊料冷却至室温。
31、 根据权利要求30所述的方法，其中，活性钎焊料为选自于由 箔和膏构成的组的一种形式。
全文摘要
一种陶瓷加热器(10)，该陶瓷加热器包括具有形式为珠(26)的热接点或测量接点的热电偶(16)，该珠(26)通过活性钎焊料(32)直接结合到陶瓷基体(12)。可替代的是，在陶瓷基体(12)上设置金属镀层(42)，并且热电偶的珠(26)通过普通钎焊料被直接结合到金属镀层(42)。由于将珠直接结合到陶瓷基体，珠的温度几乎即刻地反映出陶瓷加热器的温度，这样热电偶就能准确测量陶瓷加热器的温度。
文档编号H05B3/26GK101433125SQ200780014804
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月26日
发明者D·J·布洛克, H·林, J·E·史密斯 申请人:沃特洛电气制造公司