专利名称：厚膜加热器的制作方法
技术领域：
厚膜加热器技术领域[0001]本实用新型涉及电加热装置，具体涉及厚膜加热器。
技术背景[0002]厚膜加热器是采用厚膜丝网印刷工艺，在基板上印刷绝缘介质、加热电阻、导 体、玻璃保护釉等材料，通过高温烧结而成的新型加热器件，广泛应用在家用电水壶、 电咖啡壶、电热水器、电发板、电烫斗、加湿机等。典型的厚膜加热器包括通常所说的 印制并烧结在一个电绝缘基片上的“厚膜”电阻加热印刷线路。具体作法是将玻璃、陶 瓷或玻璃陶瓷等绝缘介质(以下统称绝缘介质)附着在金属基体上(代表性的基体材料包 括SUS430、SUS444、SUS304)形成绝缘层，然后按设计的印刷图形将发热电阻材料印 刷在绝缘层上并烧制形成发热轨迹，再用同样印刷、烧制方式将保护玻璃釉覆盖发热电 阻，以保护该发热轨迹、防止它被腐蚀或氧化。[0003]厚膜加热器的基体材料除上述的SUS430、SUS444、SUSU304等金属材料外， 作为这种涂覆金属基体的一个变形，该基体可以是坚硬的陶瓷体(如A1203及AlN陶瓷) 或微晶玻璃体。这些基体材料本身就是绝缘的，因此，在利用这些绝缘材料作为基体 时，可以直接在基体材料上印刷并烧制发热电阻，无须在基体材料上再制作绝缘层。[0004]与传统电热丝式加热器比较，厚膜加热器具有功率密度高、热响应快等显著优 势。[0005]但是，由于功率密度高、热响应快，如果在非正常工作状态下(如加热器干 烧)，厚膜加热器的温度将会急剧上升。在实际测试中，加热器的直径为118_，发 热电阻功率密度为60W/cm2，在干烧状态下，发热电阻表面的温升速率可以达到80°C/ 秒。很显然，厚膜加热器不允许在错误的状态下被过度的加热，如此高的温升速率，将 在极短的时间内导致厚膜加热器的绝缘层出现微裂纹而损坏，从而出现厚膜加热器漏电 或发热电阻烧断的情况，极端情况下可能产生漏电或者火灾事故。这不但对采用厚膜加 热器的产品本身，而且对该产品的使用者本身造成潜在的严重损害。[0006]厚膜加热器的错误工作状态通常有以下几种[0007](1)设置有厚膜加热器的产品内没有被加热物质，厚膜加热器处于干烧的工作状 态(以下称“干烧”)。[0008](2)设置有厚膜加热器的产品被倾斜放置，被加热物质只在厚膜加热器的局部存 在，另外一部分出现干烧(以下称“局部干烧”)。[0009](3)设置有厚膜加热器的产品，其厚膜加热器局部由于外在原因(如被加热物质 烧焦后附着在厚膜加热表面，水垢附着在加热器表面)导致局部的热能不能有效传递到 被加热物质上(以下称“局部传热不佳”)。[0010]为防止厚膜加热器在上述错误工作状态下被过度加热，通常的解决方案是在厚 膜加热器上设置可复位的双金属过热保护器(典型的产品有Strix公司的U28，Otter公司 的X21、X44等)。当设置有厚膜加热器的产品内没有被加热物质或被加热物质烧干，厚膜加热器过热时，双金属过热保护器接通并工作。典型地，这种双金属过热保护器包 括双金属驱动器，双金属驱动器与厚膜加热器接触、并在给定温度下工作。[0011]但是，使用这种双金属过热保护器存在一些不可克服的缺陷，即[0012](1)双金属过热保护器的温度检测是靠双金属片来实现的，双金属片检测的是 其接触区域，在其非接触区域的超温将不能及时检测出来，不能实现全平面的探测和保 护。在某些情况下，比如发热容器倾斜放置，在双金属片检测区域有被加热物质，而某 些区域没有被加热物质，出现局部干烧，这时候，双金属片是不会探测到这种异常，也 不会动作。[0013](2)双金属过热保护器是通过双金属片达到动作温度后产生形变来完成保护动 作，双金属片的动作始终有一个迟滞时间，在温升速率过的情况下，将不能有效保护。 对此缺陷的另外一种解决办法是选用动作温度更低的双金属片，但是，过低动作温度的 双金属片可能会在正常工作状态情况误动作。[0014](3)双金属过热保护器的结构复杂，体积过大，而且，与广泛采用电子控制的趋 势不相符合。[0015]另外一种防止厚膜加热器过热的方法是在厚膜加热器上安装正温度系数(PTC) 或负温度系数(NTC)温度传感电阻，PTC或NTC电阻根据检测到的不同温度呈现不同的 阻值，控制电路根据这些阻值判断厚膜加热器是否过热，如果超过控制器的设定阀值， 控制器将发出指令，切断加热电源。使用这种控制方式的好处是可靠，响应快速，而且 设计灵活、方便。但是这种控制方式的也受到这种传感器本身的一些弱点所制约，主要 缺点有[0016](1)温度传感电阻检测的也是其安装区域的温度，厚膜加热器的其他区域的温 度是不会被检测到的，与双金属片机械保护装置存在的缺陷一样，不能实现全平面的检 测。[0017](2)为了防止加热装置倾斜出现的局部干烧，需要使用多个传感器，这会导致产 品的成本上升。[0018](3)温度传感电阻通常是通过锡焊或者导电胶粘结或其他装置固定在厚膜加热器 表面。无论哪种安装方式，在温度传感电阻与厚膜加热器之间都会存在缝隙，这些缝隙 会导致温度传感电阻的相应滞后。而且，这些缝隙的大小是不可能均勻的，因此会造成 产品性能的离散性加大。[0019](4)由于焊锡及导电胶的适应工作温度较低(通常，焊锡的长期工作温度不能超 过150°C，导电胶的长期工作温度不能超过180°C，超过允许的工作温度，温度传感电阻 将从加热器表面脱落)，因此，它也限制了厚膜加热器的适用范围。[0020](5)出于安全的考虑，温度传感电阻通常不会安装在发热电阻的表面上，而是会 安装在发热电阻的旁边，这也会导致温度传感电阻检测到的温度滞后于厚膜加热器的本 身温度。这种滞后在干烧状态下是最为显著的。实用新型内容[0021]针对现有厚膜加热器存在的上述问题，本实用新型提供一种厚膜加热器，包括 绝缘基体，所述绝缘基体上依次烧结有发热电阻轨迹层和覆盖所述发热电阻轨迹层的保4护层，与所述发热电阻轨迹层中的发热电阻轨迹对应布置有由对温度敏感材料制成的传 感电阻轨迹层，所述传感电阻轨迹层中的传感电阻轨迹与所述发热电阻轨迹绝缘设置。[0022]在上述方案中，所述传感电阻轨迹层位于发热电阻轨迹层的上方或下方且二者 之间设有中间绝缘介质层。[0023]在上述方案中，所述传感电阻轨迹层与发热电阻轨迹层位于同一平面上。[0024]在上述方案中，所述传感电阻轨迹与发热电阻轨迹之间的距离小于1.5mm且大 于 0.2mm。[0025]在上述方案中，所述传感电阻轨迹层中的传感电阻轨迹与所述发热电阻轨迹层 中的发热电阻轨迹的若干外圈相对应。[0026]在上述方案中，所述传感电阻轨迹的最外圈直径大于发热电阻轨迹层最外圈的 直径且传感电阻轨迹的最外圈与相邻的传感电阻轨迹之间设有若干条将二者连通的短路^^ ο[0027]在上述方案中，所述传感电阻层由正温度系数材料或负温度系数材料制成。[0028]在上述方案中，所述传感电阻轨迹由一组或一组以上的传感电阻轨迹组成。[0029]在上述方案中，所述中间绝缘介质的厚度为60微米 90微米。[0030]在上述方案中，所述绝缘基体为微晶玻璃、三氧化二铝陶瓷、氮化铝陶瓷或将 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷等绝缘介质附着在不锈钢上制成。[0031 ] 本实用新型，因为与发热电阻轨迹层中的发热电阻轨迹对应布置有由对温度敏 感材料制成的传感电阻轨迹层，因此，传感电阻可以全面地反映发热电阻轨迹的加热情 况，并由控制电路根据传感电阻阻值的变化情况判断厚膜加热器是否处于安全的工作温 度范围内，实现安全控制。
[0032]图1为本实用新型的一种实施例分解结构示意图；[0033]图2为图1的俯视图(去除玻璃釉保护层和中间绝缘介质层)；[0034]图3为传感电阻轨迹层与发热电阻轨迹层的第一种布置方式示意图；[0035]图4为传感电阻轨迹层与发热电阻轨迹层的第二种布置方式示意图；[0036]图5为传感电阻轨迹层与发热电阻轨迹层的第三种布置方式示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本实用新型作出详细的说明。[0038]图1为本实用新型提供的厚膜加热器的一种实施例分解结构示意图，图2为图1 的俯视图(去除玻璃釉保护层和中间绝缘介质层)，如图1、图2所示，在该实施例中， 厚膜加热器依次由不锈钢基体10、底层绝缘介质20、发热电阻轨迹层40、中间绝缘介质 层50、传感电阻轨迹层60和玻璃釉保护层组成70组成，发热电阻轨迹层40中发热电 阻轨迹的两自由端分别与电极片30上的第一、第二电极31、32连接，电极片30设置在 不锈钢基体10的中央，传感电阻轨迹层60中传感电阻轨迹的两自由端分别与电极片30 上的第三、第四电极33、；34连接，第一、第二电极31、32与第三、第四电极33、；34绝 缘。不锈钢基体10和底层绝缘介质20组成绝缘基体，不锈钢基体10为1.5mm的SUS430不锈钢，底层绝缘介质层20、中间绝缘介质层50及玻璃釉保护层70均由ESL49M绝缘介 质浆料制成，且底层绝缘介质层20的厚度为75 95微米，中间绝缘介质层50的厚度为 60 90微米。沉积在底层绝缘介质层20上的发热电阻轨迹层40由ESL 29215电阻浆料 制成，其厚度为11 15微米，沉积在底层绝缘介质层20上的电极片30由LEED4306A 制成，且其厚度为11 15微米，作用是为发热电阻轨迹层40及传感电阻轨迹层60提供 与外部的电气连接，不锈钢基体10通过底层绝缘介质层20与发热电阻轨迹层40进行电 绝缘，发热电阻轨迹层40通过中间绝缘介质层50与传感电阻轨迹层60进行电绝缘。沉 积在中间绝缘介质层50上的传感电阻轨迹层60是由贵研钼业的PTC-3R-1000钌系正温 度系数浆料制成，在本实施例中，其温度系数TCR为4400ppm/°C (+/-200ppm/°C)。底 层绝缘介质层20、电极片30、发热电阻轨迹层40、中间绝缘介质层50、传感电阻轨迹层 60和玻璃釉保护层组成70都是分别采用丝网印刷并经850°C /30min的通用厚膜烧结曲线 烧结而与不锈钢基体10成为一个整体。[0039]发热电阻轨迹层40中的发热电阻轨迹与传感电阻轨迹层60中的传感电阻轨迹相 对应地伴随布置，具体布置方案可以采用以下几种[0040](1)、传感电阻轨迹层60位于发热电阻轨迹层40的正上方，且二者通过中间绝 缘介质层50实现绝缘，如图3所示。[0041](2),传感电阻轨迹层位60于发热电阻轨迹层40的正下方，且二者通过中间绝 缘介质层50绝缘，如图4所示。[0042](3)、传感电阻轨迹层60与发热电阻轨迹层40位于同一平面上，如图5所示， 此种布置方式，传感电阻轨迹与发热电阻轨迹之间的距离小于1.5mm，二者绝缘，考虑 到工艺的可行性及绝缘隔离问题，二者之间的距离大于0.2mm。[0043]在本特定实施例中，由于厚膜加热器在工作状态下，中间部位不可能出现干 烧、或局部干烧、或局部传热不佳的情况，因此，从成本角度考虑，传感电阻轨迹层60 中的传感电阻轨迹与发热电阻轨迹层40中的发热电阻轨迹的若干外圈相对应，在中间区 域就不再伴随发热电阻轨迹布置传感电阻轨迹。[0044]另外从图2中，我们还可以看到，传感电阻轨迹的最外圈直径大于发热电阻轨 迹层最外圈的直径且传感电阻轨迹的最外圈与相邻的传感电阻轨迹之间设有若干条将二 者连通的预设短路条61，用激光等方式将短路条61切断，传感电阻的阻值将增加，在本 实施例中，通过切断预设短路条61，最大可传感电阻的阻值增加25%，以适应不同产品 的需要。从图2中，我们可以看到，在预设短路条61的区域的正下方是没有发热电阻轨 迹的，主要是考虑到在切割预设短路条61的过程中，中间绝缘介质层可能会被损伤，这 些损伤会降低发热电阻轨迹与传感电阻轨迹之间的电绝缘强度。[0045]试验数据表明，发热电阻轨迹产生的热量主要沿不锈钢基体10的厚度方向传 递，也就是说发热电阻轨迹的正上方或正下方的温度变化是最显著的，位于发热电阻轨 迹正上方的传感电阻轨迹所检测到的这种温度变化是最大的。同时，发热电阻轨迹与传 感电阻轨迹之间的中间绝缘介质层的厚度只有60微米 90微米，因此，两者之间的温 度差和热迟滞可以忽略，可以近似认为传感电阻轨迹上的温度与发热电阻轨迹的温度相 等，传感电阻轨迹能非常灵敏、快速检测到发热电阻轨迹的温度变化。[0046]传感电阻轨迹层60与厚膜加热器烧结成一个整体，因此，在厚膜加热器的安全6工作温度范围内(不超过550°C )，将不会出现其他安装方式(比如焊锡焊接)导致的传 感器脱落的问题。同时，由于传感电阻轨迹与厚膜发热烧结成为了一个整体，也不会出 现其他安装方式中可能出现的传感器与加热器之间存在缝隙，一致性更好。[0047]显然，在本实用新型的方案中，可对上述实施例进行各种改进，例如[0048](1)、使用两组或两组以上的传感电阻轨迹；[0049](2)、传感电阻轨迹层使用负温度系数材料制成；[0050](3)、应用于非平面的基体上；[0051](4),使用微晶玻璃、陶瓷或被釉搪瓷钢等材料替代由不锈钢基体10和底层绝 缘介质20组成绝缘基体。[0052]在使用中，厚膜加热器通电工作，发热电阻轨迹的温度升高，传感电阻轨迹的 阻值将增大，其增加的幅度与发热电阻轨迹的温升成正比，当没有被加热物质时，发热 电阻轨迹的温度将急剧上升，传感电阻轨迹的阻值将跟随增加，控制电路检测到传感电 阻轨迹的阻值达到预设阀值时，控制电路将切断发热电阻轨迹的电源，以达到保护的目 的。当厚膜加热器出现任何部位的局部干烧或局部传热不佳，其相应区域的发热电阻轨 迹的温度将升高，位于此区域内的传感电阻轨迹的阻值将增加，当传感电阻轨迹的总阻 值达到控制电路的预设阀值时，控制电路将切断发热电阻轨迹的电源。这样，传感电阻 轨迹就实现了全平面的温度传感。[0053]本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示 下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型 的保护范围之内。
权利要求1.厚膜加热器，包括绝缘基体，所述绝缘基体上依次烧结有发热电阻轨迹层和覆盖 所述发热电阻轨迹层的保护层，其特征在于还包括与所述发热电阻轨迹层中的发热电阻 轨迹对应布置的由对温度敏感材料制成的传感电阻轨迹层，所述传感电阻轨迹层中的传 感电阻轨迹与所述发热电阻轨迹绝缘设置。
2.如权利要求1所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻轨迹层位于发热电阻轨 迹层的上方或下方且二者之间设有中间绝缘介质层。
3.如权利要求1所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻轨迹层与发热电阻轨迹 层位于同一平面上。
4.如权利要求3所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻轨迹与发热电阻轨迹之 间的距离小于1.5mm且大于0.2mm。
5.如权利要求1所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻轨迹层中的传感电阻轨 迹与所述发热电阻轨迹层中的发热电阻轨迹的若干外圈相对应。
6.如权利要求1至5项任一项权利要求所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻 轨迹的最外圈直径大于发热电阻轨迹层最外圈的直径且传感电阻轨迹的最外圈与相邻的 传感电阻轨迹之间设有若干条将二者连通的短路条。
7.如权利要求6所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻层由正温度系数材料或 负温度系数材料制成。
8.如权利要求6所述的厚膜加热器，其特征在于所述传感电阻轨迹由一组或一组以 上的传感电阻轨迹组成。
9.如权利要求6所述的厚膜加热器，其特征在于所述中间绝缘介质的厚度为60微 米 90微米。
10.如权利要求6所述的厚膜加热器，其特征在于所述绝缘基体为微晶玻璃、三氧化 二铝陶瓷、氮化铝陶瓷或将玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷附着在不锈钢上制成。
专利摘要本实用新型公开了一种厚膜加热器，包括绝缘基体，所述绝缘基体上依次烧结有发热电阻轨迹层和覆盖所述发热电阻轨迹层的保护层，与所述发热电阻轨迹层中的发热电阻轨迹对应地布置有由对温度敏感材料制成的传感电阻轨迹层，所述传感电阻轨迹层中的传感电阻轨迹与所述发热电阻轨迹绝缘设置。本实用新型，因为与发热电阻轨迹层中的发热电阻轨迹对应布置有由对温度敏感材料制成的传感电阻轨迹层，因此，传感电阻可以全面地反映发热电阻轨迹的加热情况，并由控制电路根据传感电阻阻值的变化情况判断厚膜加热器是否处于安全的工作温度范围内，实现安全控制。
文档编号H05B3/28GK201805562SQ20102026011
公开日2011年4月20日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者杨华 申请人:杨旭光