CN101433125A - 陶瓷加热器和在陶瓷加热器上固定热电偶的方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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，尤其涉及陶瓷加热器和在陶瓷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。
典型的陶瓷加热器通常包括陶瓷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瓷基体的外表面上。由于陶瓷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瓷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瓷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。当陶瓷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瓷加热器的温度。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瓷加热器中，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加热。
发明内容
本发明的一种形式是，提供了一种陶瓷加热器，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瓷基体的接点。
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；清洁陶瓷加热器基体的表面；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。
附图说明
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；
图2是依据本公开教导的图1中具有热电偶的陶瓷加热器的分解透视图；
图3是依据本公开教导的图1中陶瓷加热器和热电偶沿线3-3的截面视图；
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瓷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瓷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瓷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1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10表示。陶瓷加热器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(AlN)、氧化铝(Al2O3)、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，电阻线圈或电阻薄膜等。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被固定到陶瓷基体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，可以在陶瓷加热器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℃～约1200℃，并且灵敏度约为41μV/℃。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10μV/℃)。B型热电偶具有铂丝和铑丝，适用于高达约1800℃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
Figure A200780014804D00091
公司出售的合金(Ag-Cu-Ti合金)、由
Figure A200780014804D00093
公司出售的
Figure A200780014804D00094
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固定到陶瓷基体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的陶瓷基体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5×10-6托的压力。活性钎焊料32和珠26被加热到约950℃到约1080℃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℃，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瓷加热器，该陶瓷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10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1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设置在陶瓷基体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所示的双层结构。当优选采用单层结构时，金属镀层42优选为厚度约0.1μm到1μm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2μm到5μm。第一层46作为结合层，用于将金属的第二层48结合到陶瓷基体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4:1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3:1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，将普通钎焊料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被直接结合到陶瓷基体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瓷加热器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10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。

Claims (31)

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(AlN)、氧化铝(Al2O3)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所述的陶瓷加热器，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10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所述的陶瓷加热器，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、一种陶瓷加热器，该陶瓷加热器包括：
限定有至少一个凹槽的陶瓷基体；
嵌入陶瓷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℃到约1080℃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5×10-6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瓷基体的表面上；
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。
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