CN101939164B - 在绝缘基底上沉积薄膜来制造加热元件的方法以及由此获得的元件 - Google Patents

在绝缘基底上沉积薄膜来制造加热元件的方法以及由此获得的元件 Download PDF

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Abstract

根据本方法：改变基底(1)的表面状态，以获得至少一个具有最低限度的粗糙度Ra的平滑区域(1a)-(1b)以及至少一个具有更高粗糙度Rax的区域(1c)；在上述各个区域(1a)、(1b)、(1c)上施加高导电材料(2)；将材料(2)的平滑区域(2a)和(2b)与电源(3)连接。

Description

在绝缘基底上沉积薄膜来制造加热元件的方法以及由此获得的元件
本发明涉及在绝缘基底上沉积薄膜以制造加热元件的技术领域。
本发明在为表面(比如汽车工业中的反射面或航空工业中的机翼的前缘)除雾或除冰的领域中具有有利的应用。
如本领域技术人员所知，加热元件由以下区域构成：被称作“冷区”的由低电阻表征的区域，以及构成实际的加热部分的具有高得多的电阻的区域。
在加热元件的一种设计中，两个冷区是通过串联连接来与热带相连接的，从而流经每个带的电流密度相同。
冷区的作用是连接从外部电源获得的电流供给并且将电流均匀地分配给加热部分的终端。
要提醒读者的是，功率等于电阻与电流平方的乘积，并且电流的流动在具有较高电阻并且被称作热带的区域中引起显著的温度上升。相反地，考虑到冷区具有尽可能低的电阻的事实，因此最小的热功率从电连接处产生。
此外，因为电阻等于电阻率乘以导体长度除以导体的截面面积，因此可以通过改变任意上述参数(电阻率、长度、截面面积)来改变电阻值。
在例如采用真空沉积技术的薄膜加热元件的一种实施方式中，可以使用至少两种电阻率不同的材料，它们各自通过特定掩膜而被沉积以便相继地以迹线形式构成(热带)加热部分以及一个或更多个集电极或漏极。所述两种材料是根据它们的本征电阻率来选择的，而它们的截面面积是根据冷区所要求的电导值和加热部分所要求的电阻值来确定的。
如果加热覆层并不能通过调整所述覆层的厚度来获得足够高的电阻，则必须改变以迹线形式沉积的电阻的长度，以因此增大电流流经的距离。
如上所述，高导电的第二材料被沉积在电阻的端部，以起到漏极的作用。可以引用例如专利JP7226301和JP8124707中的公开内容。
在另一实施方式中，如果沉积的电阻不是以迹线形式，则通过以被称为漏极的条带形式制造的导电覆层可以在电阻覆层的两侧都形成电连接。这种解决方案在文献WO0158213、WO03095251和US4543466中得到公开。如文献WO0158213中所公开的，加热层由透明导电材料制成并与银制成的高导电层相连接，以实现漏极的功能而不引起温度升高。
由于这一现有技术，通过沉积薄膜来制造加热元件包括两个步骤：
-第一步骤：在以迹线形式的电阻的情况下通过掩膜来沉积电阻，或者将电阻直接沉积在基底的整个表面上。应注意，迹线还可以通过选择性地去除电阻性沉积物来制造；
-第二步骤：通过另一掩膜沉积另一覆层来制造漏极。
因此，必须使用两种不同的材料并且在这两种沉积步骤之间对掩膜进行操作。
在图1中示意性地图示了这一现有技术，图1示出了用两个步骤制造的加热元件。加热元件由基底(C)构成，基底(C)由比如陶瓷、玻璃或塑料等电绝缘材料制成。在基底(C)的整个表面上沉积弱导电覆层(B)。掩膜例如以如下方式位于覆层(B)上：使得掩膜不覆盖覆层(B)的端部以能够沉积高导电的第二覆层，以便制造用于连接比如发电机(G)等电源的漏极(A)。
基于这一现有技术，本发明要解决的问题是使用单一材料通过单一沉积步骤来制造薄膜加热元件。
为了解决该问题，设想并完善了一种在绝缘基底上沉积薄膜来制造加热元件的方法，通过该方法可以：
-改变基底的表面状态，以获得至少一个具有低表面粗糙度Ra的平滑区域以及至少一个具有更高表面粗糙度Rax的区域；
-在上述各种区域上施加高导电材料；
-将平滑区域与电源连接。
通过该方法，加热元件可以通过单一沉积步骤来制造，以便同时制造电阻和漏极，在此情况下所述漏极由低粗糙度的区域构成。
因此，不再需要使用两种不同的材料或者在制造覆层的过程中使用不同的掩膜。
与本领域技术人员的常识相反的是，根据本发明，高导电材料不只用于较冷部分或漏极，而且还用于加热部分。
基于这种基本设计：
-在整个基底上沉积高导电材料层，以覆盖所有平滑区域和粗糙区域，或者
-沉积高导电材料层，以形成覆盖部分平滑区域以及部分粗糙区域的迹线。
在一种实施方式中，在两个平滑区域之间制造凸出的粗糙区域。
本发明还涉及通过在绝缘基底上沉积薄膜而获得的加热元件，其具有利用焦耳效应的至少一个加热部分以及至少一个电连接部分，所述至少一个电连接部分由至少一个具有更高粗糙度Rax的区域和至少一个具有低粗糙度Ra的平滑区域构成，所述区域覆有高导电材料的薄膜，并且电源与平滑区域连接。
可使用的高导电材料包括(仅作为举例而绝非限制性地)铝、铜、银、金，以及，更一般地说，包括室温下本征电导率超过30×106S.m-1的任何材料。
根据另一方面，平滑区域的粗糙度Ra小于0.5μm。
在一种实施方式中，基底具有位于具有更高粗糙度Rax的区域旁边的具有低粗糙度Ra的平滑区域。
在另一实施方式中，基底具有位于具有更高粗糙度Rax的区域的两侧的具有低粗糙度Ra的两个平滑区域。
基于该方法，显而易见有：
-高导电材料的薄膜被沉积在基底的整个表面上，以覆盖各个区域，或者
-高导电材料的薄膜以覆盖各个区域的迹线的形式沉积。
当电阻比值R2/R1大于系数α1和α2的平方的比值(即R2/R1＞(α2)2/(α1)2)时，实现了特别有利的结果，其中：
R1＝具有低粗糙度(Ra)的平滑区域的以欧姆为单位的阻值；
R2＝具有较高的粗糙度(Rax)的区域的以欧姆为单位的阻值；
α1＝平滑区域的展开长度除以由轮廓曲线仪(表面光度仪)扫描得到的它的长度；
α2＝具有更高粗糙度的区域的展开长度除以由轮廓曲线仪扫描得到的它的长度。
下面参照附图更详细地解释本发明，在附图中：
-图1是根据现有技术的加热元件的示意图；
-图2是等效于图1的俯视图；
-图3是类似于图1的示意性截面图，示出了根据本发明获得的加热元件；
-图4是对应于图3的俯视图；
-图5和图6是加热元件的其它实施方式的示意性俯视图，其中高导电覆层以迹线形式沉积；
-图7是具有平滑区域和粗糙区域的元件的示意性透视图；
-图8是在覆层沉积在圆柱形区域外部之后的对应于图7的视图。
图3和图4示出了在任何已知的适当类型的电绝缘基底(1)上的根据本发明的方面获得的加热元件的第一实施方式。
根据本发明的一个基本方面，改变基底(1)的表面状态，从而获得具有低粗糙度Ra(通常小于0.5μm)的平滑区域(1a)和(1b)以及具有必须大于0.5μm的更高粗糙度Rax的区域(1c)。
由高导电材料构成的覆层(2)被沉积在基底(1)的与区域(1a)、(1b)和(1c)相同的一侧的整个表面区域上。该高导电材料的电导率在室温下超过30×106S/m2。因此，在基底(1)的平滑区域(1a)和(1b)之上的区域(2a)和(2b)构成用于连接电源(比如发电机(3))的漏极，而在具有更高粗糙度的区域(1c)之上的区域(2c)构成元件的加热部分。
电阻主要是通过改变基底的区域(1c)的表面粗糙度来调整的。还可以对粗糙特性进行组合并改变覆层的厚度，以调整阻值。
覆层(2)可以以迹线的形式例如通过在沉积所述覆层之前布置掩膜或者通过选择性移除该覆层来沉积。
为制造迹线，已证实优先选择接近迹线的曲率半径的低粗糙度的表面尤为重要，因为低粗糙度的表面有利于低电阻，这使得能够减小温度的升高从而避免对沉积有害。
在图5中图示了一种优选的实施方式，其示出了基底(1)，基底(1)具有：具有更高粗糙度Rax的凸出的中央区域(1c)，以及具有低粗糙度(Ra)的两个旁边区域(1a)和(1b)。区域(1a)(低粗糙度的迹线(2)的曲率半径(2d)位于其中)使得能够以与在电连接发电机(3)的漏极附近相同的方式避免过热。
在示出的图中，基底具有位于具有更高粗糙度Rax的区域的两侧的具有低粗糙度Ra的两个平滑区域(1a)和(1b)。该基底可以具有位于具有更高粗糙度Rax的区域旁边的具有低粗糙度Ra的单个平滑区域。类似地，由高导电覆层(2)构成的迹线(2d)可以被制造为不同的形状。参见图5和图6。
在图7中，基底具有低粗糙度的区域(1b)和粗糙度更高的区域(1c)。在区域(2c)(粗糙度更高的区域)以及连接发电机(3)的区域(2b)(低粗糙度的区域)中，覆层(2)被沉积在圆柱形表面的外部上。
首先，有必要强调以下优点：根据本发明，在沉积导电覆层之前对基底表面状态的局部改变使得能够使用单一材料来制造加热元件，而无论元件是否是以迹线形式。
这种表面状态的改变可以在制造基底之前产生，在聚合物基底的情况下，可以例如通过注塑模具表面上的凸出部来产生。
这种表面状态的改变还可以利用被称为喷砂的技术或者任何其它改变所讨论的基底的粗糙度的适当方式在沉积之前直接在基底上获得。
在基底导电的情况下，可在沉积加热元件之前施加第一绝缘覆层。
应注意，为了实现加热元件的基本特性，根据本发明，可以：
-采用具有低粗糙度Ra的基底，对其进行处理以例如得到在粗糙度为Ra的两个平滑区域之间的具有更高粗糙度Rax的区域，或者
-采用具有更高粗糙度Rax的基底，对其进行处理以例如得到在具有更高粗糙度Rax的区域的两侧的具有低粗糙度Ra的两个区域。
参见以下三个示例：
示例1：
在示例1中，利用真空沉积技术将铜沉积在聚碳酸酯基底上。
以条带形式的聚碳酸酯基底具有初始表面粗糙度值Ra＝0.02μm。在真空沉积之前对这些聚碳酸酯基底进行喷砂，这使其粗糙度提高到Ra＝4.9μm。
使条带的端部保持平滑，以便确保电接触功能并均匀地分配电流。
在每个表面状态上产生三种电阻。电阻的长度是98mm，而它们的宽分别是5mm、12mm和24mm。粗糙度轮廓被用来计算每个表面状态的展开长度。
电阻通过施加电流并测量电阻两端的电压来表征。在真空沉积设备中同时覆上全部基底。所述基底还相对于沉积源定位一致。
在粗糙度Ra小于0.01μm的样品玻璃基底上，所测得的沉积的铜的厚度是1.15μm。
根据图3和图4中示出的原理来制备粗糙测试的样件。
Figure BPA00001190306900061
α是展开长度除以用轮廓曲线仪扫描得到的长度。在表格中，用1标记粗糙表面，而用2标记平滑表面。
α＝展开尺寸/外观尺寸
显然，粗糙具有增加表面的长度和展开宽度的作用。
电阻的值Ri总体上表示为如下：
Ri＝ρ×L×αi/((e/(αi×αi))×l×αi)＝ρ×L×αi×αi/(e×l)
表面i的展开长度(Li)是L×αi，表面i的宽度(li)是l×αi，并且表面i上的沉积物的厚度(ei)为e/(αi×αi)，从而使沉积物的体积(V)保持不变。V＝Vi＝L×αi×l×αi×e/(αi×αi)＝L×l×e
这引导本领域技术人员推论出电阻比值(R2/R1)应该等于系数α的平方之比(R2/R1＝(α2×α2)/(α1×α1))。
试验结果表明，对于三种电阻宽度，粗糙区域使电阻以3.1至3.2的比值R2/R1来增大。
这样的增大因数使得能够使用高导电材料作为电阻，并且在平滑区域中的沉积物表现得类似于短路从而不能用作加热元件。
结果还表明，电阻的增大并非主要由于表面粗糙的形状尺寸的作用，因为，意外地，比值R2/R1远大于系数α的平方之比。此外，如果采用了理论方法，则改变表面粗糙度的思路对于本领域技术人员并不显而易见，因为电阻的仅1.2倍的增大并不能使得从短路状态转为加热电阻状态。
示例2：
在示例2中，使用真空沉积技术将与示例1中相同的材料沉积在聚砜化物上。根据图3、图4和图5中示出的原理来制备粗糙测试的样件。电阻的长度是45mm，而它们的宽分别是12mm和23mm。
Figure BPA00001190306900071
在该示例中，同样显而易见的是，电阻的增加并不遵循表面粗糙度的形状尺寸的作用。展开长度的改变无法解释电阻的增加。
示例3：
在本示例中，在聚碳酸酯件上制造加热电阻。在沉积之前在测试样件上布置掩膜，以得到迹线。
通过比较产生了四个样件(加热元件)。
对于样件1，基底的表面状态未改变且Ra大约是0.02μm。
对于样件2，整个基底的表面状态改变且Ra大约是4.92μm。
对于样件3，基底的表面状态在弯曲附近以及在电接触附近未改变，且在这些区域中Ra大约是0.02μm。
在迹线附近，通过喷砂使粗糙度增大，以便使粗糙度从0.02μm增大到4.89μm。根据图3、图4和图5中示出的原理来制造样件3。
通过使用物理气相沉积(PVD)将铜沉积在第一批的三个样件上。在Ra＝0.02μm的平滑区域中测量沉积物的厚度且该厚度为0.5μm。
对于根据现有技术(图1和图2)的原理制造的样件4，该样件的表面的粗糙度为0.02μm。通过第一掩膜沉积0.1μm的第一电阻性NiCr合金层。在此第一次沉积之后，在该样件上布置第二掩膜，然后在如图5中限定的端部区域上沉积0.5μm的铜。
总电阻确定之后，对电阻以12V供电，以便测量由于焦耳效应引起的温度升高。在温度升高的测量的过程中环境温度是20℃。
结果：
-样件1不合适：极其平滑的表面状态使得电阻非常低，从而当对电阻以12V供电时，由高安培引起的温度的过度升高由于使温度升至150℃(150℃是其玻璃转化温度)以上而导致基底受损。
-样件2不合适：在电力线非常密集的电接触附近的温度升高导致这些接触附近的沉积物和基底受损。
-样件3不合适：其电阻值限制了电流的流动，从而使温度升高到与应用(比如除冰或除雾)兼容的值而不会损害介质。在电接触以及电流密度高的迹线结构的弯曲附近，平滑表面提供避免局部过热的低电阻。
-最后，样件4不合适，尽管其可被用作加热元件。事实上，所述结构是通过以下方式获得的：通过使用电导率很不一样的两种材料，并通过进行两个步骤的沉积以及在这两个步骤之间使用掩膜。这对应于具有由此导致的缺点的现有技术，而这些缺点是本发明要消除的。
从说明书中众多优点显而易见。尤其需要强调和提醒的是可以使用单一材料通过单一制造步骤来获得加热元件，以同时制造电阻和漏极。

Claims (16)

1.一种通过在绝缘基底(1)上沉积薄膜来制造加热元件的方法，其中：
-改变基底(1)的表面状态，以在所述基底(1)上获得至少一个具有低粗糙度Ra的平滑区域(1a，1b)以及至少一个具有更高粗糙度Rax的粗糙区域(1c)；
-在所述基底(1)上的各个平滑区域(1a，1b)、和粗糙区域(1c)上施加高导电材料(2)；
-将所述材料(2)的平滑区域(2a，2b)与电源(3)连接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个所述基底(1)上沉积所述高导电材料(2)的层，从而覆盖所有所述基底(1)上的平滑区域(1a，1b)以及粗糙区域(1c)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积所述高导电材料(2)的层，从而形成覆盖所述基底(1)上的平滑区域(1a，1b)的一部分以及粗糙区域(1c)的一部分的迹线。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在所述基底(1)上的两个平滑区域(1a，1b)之间制造凸起的粗糙区域(1c)。
5.一种通过在绝缘基底(1)上沉积薄膜而获得的加热元件，具有至少一个电加热部分以及至少一个电连接部分，其特征在于所述至少一个电加热部分以及至少一个电连接部分由所述基底(1)上的至少一个具有低粗糙度Ra的平滑区域(1a，1b)以及至少一个具有更高粗糙度Rax的粗糙区域(1c)构成，所述基底(1)上的平滑区域(1a，1b)和粗糙区域(1c)覆有高导电材料(2)的薄膜，电源(3)与覆层(2)上的平滑区域(2a，2b)连接。
6.如权利要求5所述的元件，其特征在于，平滑区域的所述粗糙度Ra小于0.5μm。
7.如权利要求5所述的元件，其特征在于，所述基底(1)具有在具有更高粗糙度Rax的粗糙区域旁边沉积的具有低粗糙度Ra的平滑区域。
8.如权利要求5所述的元件，其特征在于，所述基底(1)具有在具有更高粗糙度Rax的粗糙区域的两侧沉积的具有低粗糙度Ra的两个平滑区域。
9.如权利要求5至8之一所述的元件，其特征在于，所述高导电材料(2)的薄膜被沉积在所述基底(1)的整个表面之上，从而覆盖所述各个平滑区域和粗糙区域(1a，1b，1c)。
10.如权利要求5至8之一所述的元件，其特征在于，所述高导电材料(2)的薄膜以覆盖所述各个平滑区域和粗糙区域(1a，1b，1c)的迹线的形式被沉积。
11.如权利要求5至10之一所述的元件，其特征在于，所述高导电材料(2)的电导率在室温下超过30×106S/m2。
12.如权利要求5至11之一所述的元件，其特征在于，所述高导电材料(2)是铜、铝、银或金。
13.如权利要求5至11之一所述的元件，其特征在于，所述基底(1)由绝缘材料制成。
14.如权利要求5至11之一所述的元件，其特征在于，所述基底(1)由覆有绝缘层的导电材料制成。
15.如权利要求5至14之一所述的元件，其特征在于，电阻比值R2/R1大于系数α1和α2的平方的比值，即R2/R1＞(α2)2/(α1)2，其中：
R1＝所述具有低粗糙度Ra的平滑区域的以欧姆为单位的阻值；
R2＝所述具有更高粗糙度Rax的粗糙区域的以欧姆为单位的阻值；
α1＝所述平滑区域的展开长度除以由轮廓曲线仪扫描得到的它的长度；
α2＝所述具有更高粗糙度的粗糙区域的展开长度除以由轮廓曲线仪扫描得到的它的长度。
16.如权利要求5至15之一所述的加热元件用于为反射面除雾或除冰的用途。
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