一种调节温度均匀性的蛇形薄膜加热器及其调温方法与流程

本发明涉及温度控制技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明的有益效果是：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为本发明实施例1的加热器的电极图形；

图8为本发明实施例1的加热器的二维分布图；

图9为本发明实施例1的加热器的纵向(a)和横向(b)温度截面图；

图10为本发明实施例2的加热器的电极图形；

图11为本发明实施例2的加热器的二维分布图；

图12为本发明实施例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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明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发明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。基板中心沿Y轴(横向)的温度分布截图如图3(b)，在横向中心有效区域500～3000um内(涵盖部分连接线)，产生的温差为24K。可见，加热器中心的温度最高，周围温度最低，温度梯度大。沿X轴方向由里向外温度呈快速的振荡下行趋势，这是由于铂金加热线的温度皆比其相邻的氮化硅薄膜基板的温度略高，而沿Y轴方向由里向外温度呈更快的单调下降趋势。出现上述温度分布的原因是由于加热器中心部位散热慢，而边缘部位散热快的缘故。说明等间距布设加热线的方案没有考虑散热的边界条件，因此不可避免地导致中心与边缘处存在较大的温差。

因此，欲改善现有的蛇形加热器的温度均匀性，需要降低中心部位的加热功率而相应地增加边缘部位的加热功率。下面我们通过改变加热线的电极间距的方法，以优化加热线的几何布局。在图1的基础之上，保持线宽不变，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；调整加热线之间的间距S1＝450um，S2＝S3＝400um，S4＝350um，如图4所示。薄膜加热线覆盖的基板面积与图1完全一样。传热平衡后氮化硅薄膜基板的二维温度分布如图5所示。基板中心沿X轴(纵向)的温度分布截图如图6(a)所示，其在纵向中心有效区域1000～6500um内产生的温差为8.2K，与图1的等间距电极结构相比，温度均匀性有了明显改善。在该方向上，并不是处于最中心位置的加热线的温度最高，而是中心向外的第3根加热线的温度最高。基板中心沿Y轴(横向)的温度分布截图如图6(b)，在横向中心有效区域500～3000um内，产生的温差为20K，温度分布的变化不大。由此可见，仅仅通过调整每条加热线间距的方法，或基于同样的原理，仅仅改变线宽或同步联调线宽和间距的方法，只能改变单一方向(本例为X轴纵向)上加热器的温度均匀性，而在与之相垂直的方向上(本例为Y轴横向)上加热器的温度均匀性并没有得到改善。这是由于每条加热线的线宽和间距仍然是处处一致的，导致加热功率在横向上处处相等，无法达成在中心区域减少功率的设计要求。

基于上述分析，为了进一步改善加热器在横向上的温度均匀性，需要抛弃现有的每条加热线的线宽恒定的技术方法，而采取线宽处处都不一致的新思路，具体地，每条加热线都是中心处最宽，两头最窄，线宽从中间向两端单调递减。

实施例1

在本发明的实施例1中，一方面在纵向上调节每条加热线段的间距，同时在横向上调节每条加热线段的线宽。具体方法如下：首先按图4所示的电极结构调节每条加热线段之间的间距，在此基础之上，对每条加热线段进行了变线宽优化，使得每条加热线段的中心处最宽而两端处最窄。优化时，首先保持每条加热线段在中心处的线宽和间距不变，即W1＝W2＝W3＝W4＝W5＝400um；S1＝450um，S2＝S3＝400um，S4＝350um。然后将两端处的线宽皆收窄为W1′＝W2′＝W3′＝W4′＝W5′＝200um，相应地间距依次增大为S1′＝650um，S2′＝S3′＝600um，S4′＝550um。同时，加热线段之间的连接线的线宽同步缩小至300um，并保持蛇形薄膜加热线覆盖的基板面积不变。最后对于每条加热线段，根据已经确定坐标的六个点(2个中心点和4个端点)用一对圆弧进行连接，构成了如图7所示的每条加热线段的图形。采用传热平衡后氮化硅薄膜基板的二维温度分布如图8所示，可见基板上的温度最高点已经不在中心或靠近中心的某个加热线段上，而是在次中心连接线的拐弯处。基板中心沿X轴(纵向)的温度分布截图如图9(a)所示，其在纵向中心有效区域1000～6500um内产生的最大温差为9.1K。基板中心沿Y轴(横向)的温度分布截图如图9(b)所示，表现出中间低而两端高的马鞍形状，在横向中心有效区域500～3000um内，温差大幅缩小至8.6K。需要指出的是，图9(b)所示的温度断面并没有穿过基板上温度最高的点，若在该点进行断面，所得温度截面的形状与图9(b)类似，仅仅是马鞍处的凹陷更深，而在L2考察范围内的温差变化并不大。可见，采用本实施例的方法，可以在纵向和横向两个方向上获得温度均匀性的明显改善。

实施例2

为了进一步改善温度分布的均匀性，在实施例2中，我们通过同步联调每条加热线段的线宽及间距的方法，进一步提高该方向上的温度均匀性。具体方法如下：首先在常规的等线宽等间距电极结构(图1)的基础之上，调节为变线宽变间距结构：即调整为W1＝380um，W5＝310um，而W2、W3、W4均保持400um不变；加热线段之间的间距S1＝410um，S2、S3、S4均为350um。需要说明的是，当单独采用变间距或变线宽调节方法时，都要求线宽或间距在加热器的中心部位大，而在边缘部位小；但当采用线宽与间距联调方法时，可不受上述要求限制。第二步，对每条加热线段进行了变线宽优化，使得每条加热线段的中心处最宽而两端处最窄。优化时，首先保持每条加热线段在中心处的线宽和间距不变，即W1＝380um，W2＝W3＝W4＝400um，W5＝310um；S1＝410um，S2＝S3＝S4＝350um。然后将两端处的线宽依次收窄为W1′＝W2′＝W3′＝W4′＝300um，W5′＝200um，相应地间距依次增大为S1′＝500um，S2′＝S3′＝450um，S4′＝455um。最后对于每条加热线段，根据已经确定坐标的六个点(2个中心点和4个端点)用一对圆弧连接，而相邻加热线段之间采用了180°圆弧连接，构成了如图10所示的加热器图形。传热平衡后氮化硅薄膜基板的二维温度分布如图11所示，可见在中心区域一个很大的面积内几乎没有等温线的分布，表明在该区域内的温差仅有约3K。整个基板的温度最高点出现在180°连接圆弧处，但几乎整个内圆弧都被一个等温线覆盖，其温度的均匀性比实施例1更好。基板中心沿X轴(纵向)的温度分布截图如图12(a)所示，其在纵向中心有效区域1000～6500um内产生的温差为6.7K。基板中心沿Y轴(横向)的温度分布截图如图12(b)所示，该截面图穿过了圆弧处的温度最高区域，同样呈马鞍形，但在有效区域500～3000um内的温差很小，仅为4.9K。可见，采用实施例2的方法，不仅在横向上获得温度均匀性的良好改善，在纵向上的温度均匀性与实施例1相比也有了大幅度的提高。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。