专利名称：新型体发热加热器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于加热器制造技术领域，特别是利用半导体材料制做加热器的技术领域。
众所周知，利用电、火、光等制做的各种各样的加热器五花八门，对于半导体工业、实验室等高科技领域使用的较精密的加热器多数是采用电热丝加热的方法，在分子束外延等精密设备的高真空或充隋性气体的情况，也有采用钽或钼等材料加热的。但对于近年来引人注目的高温超导薄膜的制备等工作，无论是采用磁控溅射，还是激光镀膜等方法，都要求基底表面温度达到700－800℃，甚至更高。由于工艺的要求与限制，难以在基底周围加保温罩等恒温装置，更不能在高温炉中去完成，加上镀膜过程是在氧气气氛中进行的，因而用一般的加热材料，无论是做发热体，还是均恒温体，都是难以满足这种高温氧化的苛刻要求的。在目前制备超导薄膜等工作中，有人用白金丝做加热丝，有人用卤灯做加热源，也有人用激光加热等，这些做法尽管成本昂贵，设备复杂，也还是不够理想。因为如
图1所示，图1是用加热丝做的加热器，用加热丝的加热器，一般都由炉体(1)，加热丝(2)和均恒温体(3)三部分组成。在制备超导薄膜等工作时，基片(4)放在均恒温体(3)上。实验结果表明，均恒温体(3)表面温度达到700－800℃时，加热丝(2)的温度比均恒温体(3)的表面温度高300℃以上，也就是说加热丝(2)的温度已上千度。因此，既使采用白金丝做加热丝(2)，由于弯曲处的应力等原因，也时常被烧断。另外，做为均恒温体(3)的材料选取也是困难的，因为金属等热的良导体材料包括钽、钼等，难以承受氧气氛下的高温，其本身的挥发性也是不容许的。但选用其它不易氧化和挥发而又能耐高温的材料，其导热性又不太好，因而均恒温作用又不太理想。利用卤灯或激光等方法加热，设备和工艺更为复杂，均恒温体(3)也难以去掉。目前很多人采用不锈钢加热，但其能达到的加热温度是难以满足需要和要求的。十多年前，在做分子束外延时，也曾有人对做为外延基底的硅片直接加热，但并没做成对别的物体加热的加热器，又因没有解决由于硅片在加热时电阻的正反馈致使温度偏移甚至熔化烧毁等问题，而早已不被人们采用。因此，能提供平面大面积恒温区的加热器是目前制备超导薄膜等工作急待解决的问题。参考文献1、沈阳科学仪器研制中心“磁控溅射镀膜机”说明书。
2、M.F.Davisetal.，J.Apppl.Phys.69(10)，7182(1991).
3、C.Romeoetal.，PhysicaC180，77(1991).
4、M.Kawajlelal.，ThinSolidFilms58，183(1979).
本实用新型的主要目的就是为了克服上述已有技术的缺点和不足，提供一种具有大面积平面或任意形状恒温区的，既是加热体又是恒温体的用半导体材料做有电极的新型体发热加热器。
本实用新型利用单晶硅、锗、砷化镓化学性质稳定，熔点高，材料均匀性极好，电阻率随着温度的升高而减小等特点的半导体材料，将其切割成一定厚度的长方形、方形、园形等薄层，在其两端做上电极，成为体发热加热器。
以下结合附图对本实用新型进行详述。图2是体发热加热器结构示意图。发热体(5)可用本征半导体材料或是掺杂的硅、锗、砷化镓等半导体材料做成，需要较高电压小电流加热时，选取高阻半导体材料，需要低电压大电流加热时，选取低阻半导体材料，按照加热要求把它制成片、棒、筒、管、槽或块状，然后采用镀涂或压接等方法在两端做上电极(11)，在电极之间加电源(6)，当电流流过时，半导体材料自身发热而升温，即可通过调节电压和电流来调节温度。
如前所述，由于硅、锗、砷化镓等半导体材料在加热时，其体电阻的变化是一个正反馈，即温度越高电阻越小，电阻越小电流越大，电流越大温度越高，这个正反馈很可能使做为发热体(5)的半导体材料被溶化烧毁。为了克服这一问题，电源最好是使用恒流源，但大电流的恒流源不易获得，我们可以在加热器和电源(6)的回路里串联一个0.3－300的电阻R，这个电阻具有抑制电流的负反馈作用，它可以抑制和抵消半导体材料本身的电阻正反馈，起到良好的稳定作用，如图2所示。
当加热器的面积比较大，特别是在高真空中，由于被加热物体的大小和形状与加热器的大小和形状不一致时，即使在电路中串联一个反馈电阻R，在高温时发热体(5)的温度远可能发生很大的偏移。为解决这一问题。采用如图3所示的结构，图3是体发热加热器第二种结构示意图，在平板发热体(7)的背面贴几个等间距等条宽的条形发热体(8)，实验表明这样对大面积的均恒温会起到良好的作用。若在发热体(8)的背面再加一层石英或氮化硼或氧化铝或叶腊叶等绝热材料做成均恒温体(9)，其温度的均匀性会更好。考虑材料的热膨胀系数不同，均恒温体(9)不能固定太死。
在此需要说明一点，如图1所示，一般加热器的均恒温体(3)是放在加热丝(2)的正面，即放在样品(4)和加热丝(2)的中间。这样，样品(4)的表面温度与加热丝(2)的温度会产生很大的温差。本实用新型提供的加热器，如图2所示，不需要均恒温体，如图3所示，若放均恒温体(9)，也是放在发热体(7)的背面，样品(4)总是直接放在发热体(5)、(7)的表面上，使它的温差减到最小，这也是本加热器的最大特点之一。
图2和图3所介绍加热器的发热体(5)、(7)厚度都是等厚的，这样在温度比较高时，电极处的温度也是很高的，可以采用如图4所示的发热体(10)的结构，图4是体发热加热器第三种结构示意图，把发热体(10)的电极截面加大，这样电极处电流密度就减小，使电极处的温度大大降低。当然此时也可在发热体(10)的背面加均恒温体。
由于硅、锗、砷化镓等半导体材料具有良好的均匀性，因而其表面温度也具有很好的一致性。使用本实用新型提供的加热器，可把基片(4)直接放在做为发热体(5)的半导体材料表面。本加热器集发热体和均恒温体为一体，不仅具有良好的均恒温性，而且使其温差减到最小。加之硅、锗、砷化镓等半导体材料的熔点都在1200℃以上，因而本加热器不仅容易获得平面大面积表面温度高达一千度以上的均匀恒温区，而且可按需要做成筒、管或槽状的加热器，这是其它方法几乎无法实现的。尽管硅、锗等半导体材料在高温氧气气氛中也会氧化，但其氧化速率很低，而且氧化所生成的氧化物性能稳定，不易挥发，因而本实用新型提供的加热器是制备超导薄膜等工作的较为理想的加热器。
实施例1选用电阻率为1Ωcm的P型锗单晶材料用金刚石切割机加工为长3cm，宽2cm，厚0.2cm的发热体(5)，用真空蒸发镀膜机，在发热体(5)的两长头端镀上厚1μm，宽0.5cm银电极(11)，选用1000W的调压器做电源(6)，制成恒温区为2cm×2cm的平面加热器。
实施例2选用电阻率为～0.5Ωcm的n型硅单晶材料，用金刚石切割机加工成长6cm，宽4cm，厚0.1cm的发热体(5)，在发热体(5)的两长端涂上宽0.8cm的导电银胶做电极(11)，选用输出30V，500W的直流稳压电源做电源(6)，制成恒温区为4.4cm×4cm的平面加热器。
实施例3选用电阻率为～3Ωcm的P型硅材料，切割加工成长10cm，直径为1cm的圆棒形发热体(5)，用真空蒸发镀膜机在棒的两端镀上长1cm的铝电极(11)，选用2000W的调压器做电源(6)，制成恒温区为长8cm，直径为1cm的圆柱形加热器。
实施例4选用电阻率为～0.2Ωcm的n型锗单晶材料加工成长5cm外径φ10mm，内径φ8mm的圆筒型发热体(5)，用导电银胶在圆筒的两端涂上长度为0.5cm的电极(11)，选用可输出10A的恒流源做电源(6)，制成长4cm用于磁粉测量的圆筒型加热器。
实施例5分别选用实施例1－4任一的发热体(5)和电源(6)，在电路中串联一个0.5Ω－10Ω的大功率电阻R，所串联的电阻对发热体(5)阻值的变化有一个相互自调控作用，使发热体(5)的均恒温性更好。
实施例6制做图3所示加热器，选用电阻率为0.2Ωcm的n型单晶硅，加工长8cm，宽6cm，厚1.5mm做发热体(7)，加工3条长8cm、宽1.9cm、厚1mm做条形发热体(8)，用导电银胶在发热体(7)和(8)的两长头端分别涂1cm长的电极(11)，同时把它们粘在一起做为电极，3条发热体(8)的间距为1.5mm，在电路中串联1Ω的电阻R，使用可输出0－30v 1000W的交流电源(6)，做成6×6cm2恒温区供制备大面积高温超导薄膜使用的加热器。
实施例7按实施例6做带均恒温体的体发热加热器。在3条发热体(8)的背后放上长6cm，宽6cm，厚1mm的氮化硼片做均恒温体(9)。
实施例8制做图4所示的体发加热器，选用电阻率为0.5Ωcm的P型单晶硅，用电火花工艺切割成发热区的长和宽均为4cm，厚2cm，两端电极长1cm、厚5mm的发热体(10)、串联1Ω电阻R，用输出30A的恒流源为电源(6)，做成4×4cm2的加热器。
实施例9选用电阻率为1Ωcm的n型锗，做成壁厚1mm，槽的体积为1×1×3cm3的槽形样品加热器，用导电银胶涂上电极(11)，在电路中串联2Ω的电阻R，使用输出40V300W的稳压电源做电源(6)，做成实验室用的体发热加热器。
实施例10选用电阻率为0.7cm的砷化镓单晶，切成长12cm，宽5cm，厚1cm的长方体，在长的两端面采用真空镀一层长1cm的金电极(11)，选用500W的交流调压器为电源(6)，做成10cm长为光谱测量用的体发热加热器。
实施例11选用硅单晶材料，按实施例10做。
本实用新型不仅易获得平面大面积的加热恒温区，也可以按需要和要求做成各种形状的加热器，发热面积温度均匀、效率高，不易挥发，而且制做简单。
权利要求1.一种由发热体(5)和电极(11)构成的新型体发热加热器，其特征在于发热体(5)采用半导体材料加工成带有一个工作平面的平板型和异型，在其对称两端面做上供引线的电极(11)。
2.按权利要求1所述的体发热加热器，其特征在于还包含在任一根电极(11)引线中串接一个0.5－100Ω的电阻R。
3.按权利要求1所述的体发热加热器，其特征在于还包括在发热体(5)工作面背面加上一层发热体(8)和石英、氮化硼、氧化铝、叶腊石绝缘材料做的均恒温层(9)。
4.按权利要求1、2、3所述的体发热加热器，其特征在于发热体(5)采用的半导体材料是本征半导体材料，或掺杂的硅、锗、砷化镓材料做成。
5.按权利要求1、2、3所述的体发热加热器，其特征在于所述发热体(5)做成异形是管型、园棒型、筒型、槽型。
专利摘要本实用新型属于加热器制造技术领域，特别是利用半导体材料制做加热器的技术领域。本实用新型提供一种具有大面积工作面或任意形状恒温区的，既是加热体，又是恒温体的，用半导体材料做上电极的新型体发热加热器。还可以在电极引线任一端串接一个电阻起到稳定作用，还包括在体加热一面做上均涂一层石英或氮化硼恒温层。本实用新型既是加热体，又是恒温体，具有良好的温度均匀性，而且效率高。另外制做简单，可以在空气中，真空、氧气气氛中工作。
文档编号H05B3/12GK2193002SQ93203399
公开日1995年3月22日 申请日期1993年2月23日 优先权日1992年9月1日
发明者吕惠宾, 许世发, 崔大复, 陈正豪, 杨国桢, 周岳亮 申请人:中国科学院物理研究所