CN110089197B - 具有低漂移电阻反馈的电加热器 - Google Patents

Abstract

加热器包括至少一个电阻元件。所述至少一个电阻元件包括具有高的电阻温度系数(TCR)的材料，使得所述电阻元件用作加热器和温度传感器，所述电阻元件是选自由以下各项组成的组中的材料：大于约95％的镍、镍铜合金、不锈钢、钼‑镍合金、铌、镍‑铁合金、钽、锆、钨、钼、尼西尔和钛。在一种形式中，加热器是具有压实的MgO绝缘体和金属护套的管式加热器。

Description

具有低漂移电阻反馈的电加热器

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月21日提交的美国临时专利申请62/411,197和2016年10月21日提交的美国临时专利申请62/411,202的权益和优先权。上述申请的公开内容通过引用结合于此。

技术领域

本申请涉及电加热器，并且更具体地涉及具有改进的温度感测能力的电加热器。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。

管式加热器、筒式加热器、和电缆加热器是管状的加热器，其通常用于空间有限的应用中。如果需要的话，可以将一个或多个温度传感器连接到加热器，以测量和监测加热器和/或周围环境的温度。温度传感器和用于将温度传感器连接到外部控制系统的相关联的电线可以消耗为加热器预留的宝贵空间，使得加热器的安装更加困难。当安装了具有多个传感器的多个加热器时尤其如此。

发明内容

在一种形式中，提供一种加热器，所述加热器包括电阻元件，所述电阻元件具有高的电阻温度系数(TCR)使得电阻元件用作加热器并用作温度传感器，该电阻元件是具有大于约95％镍的材料。

在另一种形式中，提供了一种加热器，所述加热器包括电阻元件，所述电阻元件具有高的电阻温度系数(TCR)使得电阻元件用作加热器并用作温度传感器，该电阻元件具有至少约为1000ppm的TCR，并且在约500℃-1,000℃的温度范围内小于约1％的温度漂移。

在又另一种形式中，提供了一种加热器，所述加热器包括电阻元件，所述电阻元件具有高的电阻温度系数(TCR)使得电阻元件用作加热器并用作温度传感器，该电阻元件是选自由以下各项组成的组中的材料：大于约95％的镍、镍铜合金、不锈钢、钼-镍合金、铌、镍-铁合金、钽、锆、钨、钼、尼西尔、和钛。

在另一种形式中，提供了一种加热器，其包括至少一个电阻元件，该电阻元件包括具有高的电阻温度系数(TCR)并且具有选自由镍、镍-铬合金、铁-铬-铝合金、镍铝化合物和贵金属组成的组中的涂层材料的材料，使得电阻元件用作加热器并用作温度传感器。

在另一种形式中，提供了一种加热器，其包括多个可独立控制的区域，每个可独立控制的区域包括由如下的材料制成的电阻元件：具有高的电阻温度系数(TCR)并且具有选自由镍、镍-铬合金、铁-铬-铝合金、镍铝化合物和贵金属组成的组中的涂层材料，使得电阻元件用作加热器并用作温度传感器。

通过本文中提供的说明书，进一步的可用性领域将变得显而易见。应当理解的是，说明书和具体示例仅旨在用于说明的目的而并非用于限制本公开的范围。

附图说明

为了能够很好地理解本公开，现在将描述其各种形式，作为示例给出，对所附附图进行参考，其中：

图1是根据本公开的一种形式的包括加热器控制模块和筒式加热器的加热器系统的示意图；

图2是根据本公开另一种形式的筒式加热器的透视图；

图3是具有多个区域的筒式加热器的透视图，其中为清楚起见，移除了绝缘材料和外部护套；

图4是图3的加热器单元的透视图；

图5是类似于图3的视图，示出了多个电阻元件、多个电力导体和一对导线之间的连接；

图6是根据本公开的教导的双向热阵列和用于控制与电阻元件及其材料一起使用的双向热阵列的电力控制模块的示意图；

图7是根据本公开的教导的使用用于电力控制的与电阻元件及其材料一起使用的可寻址开关的热阵列的示意图；

图8是根据本公开的又另一种形式的使用电阻材料和/或控制的管式加热器的示意图；

图9是根据本公开的另一种形式的使用电阻材料和/或控制的分层加热器的示意性截面图。

具体实施方式

以下的描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或使用。例如，本公开的以下形式可以与半导体处理中的静电卡盘或热交换器一起使用。然而，应该理解的是，本文提供的加热器和系统可以用于各种应用中，并且不限于半导体处理应用。

参考图1，根据本公开的一种形式的加热器系统10包括加热器控制模块20和加热器30。加热器控制模块20包括双线控制器22，双线控制器22包括温度确定模块24和电力控制模块26。双线控制器22通过一对电引线28与加热器30连通。加热器30可以是筒式加热器30，并且通常包括芯体32、缠绕在芯体32周围的电阻丝形式的电阻元件34、封围芯体32和其中的电阻元件34的金属护套36、以及绝缘材料38，该绝缘材料38填充在金属护套36中的空间中以使电阻元件34与金属护套36电绝缘并将来自电阻元件34的热量热传导到金属护套36。芯体32可以由陶瓷制成。绝缘材料38可以是压实的(compacted)氧化镁(MgO)，并且更具体地，在本公开的一种形式中是至少50％的MgO。多个电力导体42沿着纵向方向延伸穿过芯体32并且被电连接到电阻元件34。电力导体42还延伸穿过密封外护套36的端部件44。电力导体42经由一对电引线28被连接到双线控制器22。在美国专利No.2,831,951和No.3,970,822中更详细地阐述了筒式加热器的各种构造和进一步的结构和电气细节，这些专利与本申请被共同转让并且其内容通过引用整体并入本文。因此，应该理解的是，本文示出的形式仅仅是示例性的，并且不应该被解释为限制本公开的范围。另外，根据本公开的教导，可以采用除了图1中所示的筒式加热器30之外的其他类型的加热器，在下面更详细地描述这些加热器。

双线控制器22(其是一种基于微处理器的形式)包括温度确定模块24和电力控制模块26。通过单组电引线28将加热器30连接到如所示的双线控制器。通过电引线28向加热器30提供电力，并且根据命令通过同一组电引线28向双线控制器22提供加热器30的温度信息。更具体地，温度确定模块24基于所计算的电阻元件34的电阻确定加热器30的温度，并随后将信号发送到电力控制模块26以相应地控制加热器30的温度。因此，仅需要单组电引线28，而不是一组用于加热器以及一组用于温度传感器。

为了使电阻元件34用作除了加热器元件之外的温度传感器的功能两者，电阻元件34是具有相对高的电阻温度系数(TCR)的材料。因为金属的电阻随温度升高，因此在任意温度t(℃)处的电阻为：

R＝R₀(1+αt) (等式1)

其中：R₀是某个参考温度(通常为0℃)处的电阻，并且α是电阻温度系数(TCR)。因此，为了确定加热器的温度，由双线控制器22计算电阻元件34的电阻。在一种形式中，使用双线控制器22测量跨电阻元件34的电压和通过电阻元件34的电流，并且基于欧姆定律计算电阻元件34的电阻。使用等式1或使用电阻温度检测器(RTD)的温度测量领域中的技术人员已知的类似等式和已知的TCR，随后计算电阻元件34的温度并将其用于加热器控制。

因此，在本公开的一种形式中，使用相对高的TCR，使得小的温度变化导致大的电阻变化。因此，包括诸如铂(TCR＝0.0039Ω/Ω/℃)、镍(TCR＝0.0041Ω/Ω/℃)、或铜(TCR＝0.0039Ω/Ω/℃)及其合金之类的材料的配方用于电阻元件34。在美国专利No.7,601,935和No.7,196,295以及未决的美国专利申请序列No.11/475,534中公开了双线加热器控制系统，以上专利与本申请一起被共同转让并且以上专利的内容通过引用以其整体并入于此。

在另一种形式中，电阻元件34的材料在至少部分地与电阻元件34的操作温度范围重叠的温度范围内随着增大的温度而具有负的电阻率变化。在题为“具有目标的降低温度电阻特性的加热器元件(HEATER ELEMENT HAVING TARGETED DECREASING TEMPERATURERESISTANCE CHARACTERISTICS)”的美国专利申请No.15/447,994中更详细描述了具有这种材料的电阻元件34的功能，该专利与本申请一起被共同转让，并且该专利的内容通过引用以其整体并入于此。

电阻元件34可包括选自由以下各项组成的组中的材料：镍、镍铜(例如，

牌)、不锈钢(例如，304L)、钼镍合金、铌、镍铁合金、钽、锆、钨、钼、尼西尔(Nisil)(含有微量镁的镍-硅)、和钛、以及它们的组合等。具有相对高的TCR的电阻元件34仅经由两根电线(即，一对电引线28)实现电阻反馈控制。

例如，采用至少约1000ppm的TCR，并且本公开的教导预期在各种操作范围内在约500℃-1000℃的温度范围内温度漂移小于约1％。

参照图2至图5，加热器50可以是筒式加热器50的形式，除了所使用的芯体的数量和电力导体的数量之外，其具有与图1类似的构造。更具体地，筒式加热器50每个包括多个加热器单元52、和封围在其中的多个加热器单元52以及多个电力导体56的外金属护套54(仅在图2中示出)。绝缘材料(图2至图5中未示出)设置在多个加热单元52与外金属护套54之间，以使加热器单元52与外金属护套54电绝缘。多个加热器单元52各自包括芯体58和围绕芯体58的电阻加热元件60(在图5中清楚地示出)。每个加热器单元52的电阻加热元件60可以限定一个或多个加热电路以限定一个或多个加热区域62。

在本形式中，每个加热器单元52限定一个加热区域62，并且多个加热器单元52沿纵向方向X对齐。因此，筒式加热器50限定了沿纵向方向X对齐的多个加热区域62。每个加热器单元52的芯体58限定多个通孔/孔径64，以允许电力导体56穿过其延伸。

加热器单元52的电阻加热元件60被连接到电力导体56，电力导体56进而被连接到加热器控制模块20(图1中所示)。电力导体56将来自包括电力供应设备(未示出)的电力控制模块26的电力供应到多个加热器单元50。通过将电力导体56适当地连接到电阻元件60并且通过适当地仅向所有电力导体56中的一些供电，多个加热单元52的电阻元件60能由加热器控制模块20的电力控制模块26独立地控制。因此，特定加热区域62的一个电阻元件60的故障将不会影响针对剩余加热区域62的剩余电阻元件60的正常运行。此外，能独立地控制加热区域62以提供期望的加热曲线(profile)。

在本形式中，四个电力导体56用于筒式加热器50，以向六个加热器单元52上的六个独立电加热电路供电。具有任意数量的电力导体56以形成任意数量的独立控制的加热电路和独立控制的加热区域62是可能的。

参照图5，下面解释六个加热器单元52和四个电力导体56之间的连接。为了解释电力导体56与加热单元52之间的连接，由附图标记字母A、B、C、D表示电力导体。

加热器单元52的电阻元件60各自被连接到四个电力导体A、B、C，D中的两个。多个加热器单元52的电阻元件60被连接到不同的电力导体对。例如，加热器单元52的电阻元件60，按照图5的从左到右的顺序，分别被连接到电力导体A和B、电力导体A和C、电力导体A和D、电力导体B和C、电力导体B和D、以及电力导体C和D。与筒式加热器50的纵向端部相邻的加热器单元52的电阻元件60被进一步连接到引线66，引线66被连接到双线控制器22，以用于确定设置在引线66之间的电阻元件60的电阻。

电力控制模块26(仅在图1中示出)可以包括多区域算法，以关闭或调低递送到多个电力导体A、B、C，D中的任何一个从而激活对应的加热器52的电力水平。例如，当电力控制模块26仅向电力导体A和B供电并且不向导体C和D供电时，仅激活图5最左侧处的加热器单元52以生成热量。当电力控制模块26仅向电力导体A、B和C供电并且不向导体D供电时，仅激活图5最左侧处的两个加热器单元52以生成热量。通过仔细调节给加热器单元52中的每一个的电力并因此调节加热区域中的每一个的电力，可以提高筒式加热器50的整体可靠性。当在筒式加热器50的特定加热器单元52处检测到热点时，可以减少供应给特定加热器单元52的电力以避免特定加热器单元52的故障，从而提高安全性。

可以由电力控制模块26通过多路复用、极性敏感开关和其他电路拓扑(topologies)来创建更多数量的电气上有区别的加热区域62。对于给定数量的电力导体，电力控制模块26可以使用多路复用或热阵列的各种布置来增加筒式加热器50内的加热区域的数量。在美国专利No.9,123,755、No.9,123,756、No.9,177,840、No.9,196,513以及共同未决申请US.13/598、956,13/598,995和13/598,977中公开了使用热阵列系统作为电力控制模块26。这些专利和共同未决申请与本申请一起被共同转让，并且这些专利和共同未决申请的内容通过引用整体并入本文。

通常，一种形式的电力控制模块26包括控制系统，该控制系统周期性地将测量到的电阻值与参考温度进行比较以调整随时间的电阻漂移。控制系统还可以改变电力信号的电压，以适应本文所述的各种加热器的电阻范围和瓦特密度。电力控制模块26还可以是诸如在2016年6月15日提交的共同未决申请序列号62/350,275中公开的一种电力控制模块，该共同未决申请与本申请一起被共同拥有，并且其全部内容通过引用以其整体并入本文。

更具体地，电力控制模块26可以包括被配置成接收传感器测量并基于该测量实现控制算法的控制电路或基于微处理器的控制器。在一些示例中，电力控制模块26可以测量多个加热器单元52中的一个或多个电阻元件60的电特性。此外，电力控制模块26可以包括和/或控制多个开关，以基于该测量来确定如何向加热器单元52的每个电阻元件60提供电力。

参考图6，电力控制模块26可以具有多个电力节点136a、136b、136c、138a、138b、138c。图5的加热器单元52的电阻元件60可以与图6中所示的热阵列100类似地布置，并因此可以被连接在各对至少三个电力节点之间。多个电阻元件中的电阻元件被连接在每对电力节点之间。已在申请人的题为“热阵列系统(Thermal Array System)”的共同未决申请13/598,956、13/598,995和13/598,977中公开了该控制方案，上述共同未决申请的内容通过引用以其整体并入本文。

更具体地，在一个示例中，通过如附图标记112、114、116所表示的三相电力输入向热阵列100提供电力。输入电力可以被连接到整流器电路118，以提供正直流(DC)电力线120和负DC电力线122。可以通过六个电力节点将电力分布到热阵列。控制器110可以被配置成控制多个开关，使得正电力线120可以被路由到六个电力节点中的任何一个，并且负电力线122也可以被路由到多个电力节点中的任何一个。

在所示的实现方式中，电力节点被配置为两组节点。第一组节点包括电力节点136a、电力节点136b和电力节点136c。第二组包括电力节点138a、电力节点138b和电力节点138c。在所示的实现方式中，热元件被配置为具有三组热元件并且每组包含六个热元件的矩阵布置。然而，如与本文描述的每个实现方式一样，可以使用更多或更少的节点，并且进一步地，热元件的数量可以随着节点的数量对应地增加或减少。

如所示的，第一组热元件160全部被连接到节点138a。类似地，第二组热元件170被全部连接到电力节点138b，而第三组热元件180被全部连接到电力节点138c。热元件可以是加热器元件。加热器元件可以由具有例如温度依赖的电阻的导电材料形成。更具体地，热元件可以是具有与温度相关的电特性(诸如，电阻、电容或电感)的加热器元件。但是，热元件通常也可以被分类为耗散元件，诸如，电阻元件。因此，本文描述的实现方式中的每一个中的热元件可具有上述特征中的任一个。

在每组内，六个热元件被配置成多对热元件。例如，在第一组160中，第一对热元件146a包括第一热元件164和第二热元件168。第一热元件164被配置成与第二热元件168电并联连接。此外，第一热元件164与单向电路162电串联连接。单向电路162可以被配置成允许电流在一个方向上并且不会在相反方向上流过热元件164。这样，单向电路162以其最简单的形式示出为二极管。

第一单向电路162被示为二极管，其中阴极连接到节点136a，并且阳极通过热元件164连接到节点138a。以类似的方式，第二单向电路166被示为二极管，其中阴极通过第二热元件168连接到节点138a，并且阳极连接到节点136a，从而示出了第一单向电路162的单向性质与第二单向电路166相反。注意到，将二极管实现为单向电路可能仅适用于1伏电源，然而，可以设计各种其他电路，包括例如使用用于更高电源电压的硅控整流器(SCR)的电路。以下更详细地描述单向电路的此类实现方式，但可结合本文中所描述的任何实现方式来被使用。

以类似的方式，第二热元件168与第二单向电路166电串联连接，再次以其最简单的形式示出为二极管。第一热元件164和第一单向电路162在电力节点138a和电力节点136a之间与第二热元件168和第二单向电路166并联。因此，如果控制器110将正电压施加到节点136a并将负电压施加到节点138a，则电力将被施加在第一对146a的第一热元件164和第二热元件168两者两端。如上所述，第一单向电路162被定向在第二单向电路166的相反方向上。这样，当向节点138a施加正电压并且向节点136a施加负电压时，第一单向电路162允许电流流过第一热元件164，但是当向节点136a提供正电压并且向节点138a提供负电压时防止电流流动。相反，当向节点136a施加正电压并且向138a施加负电压时，允许电流流过第二热元件168，然而，当切换极性时第二单向电路防止流过第二热元件168的电流。

另外，组内的每对热元件被连接到第一组电力节点136a、136b、136c中的不同电力节点。因此，第一组160中的第一对热元件146a被连接在节点136a与节点138a之间。第二对热元件146b被连接在电力节点136b与电力节点138a之间，而组160中的第三对热元件146c被连接在电力节点136c与电力节点138a之间。这样，控制器110可以被配置成通过将电力节点138a连接到电力供应或回流(return)来选择该元件组，随后可以通过将节点136a、136b或136c中的一个分别连接到电力供应或回流来选择一对热元件(146a、146b、146c)。此外，控制器110可以基于在节点138a与节点136a、136b和/或136c之间提供的电压的极性来选择向每对中的第一元件或每对中的第二元件提供电力。

以相同的方式，第二组热元件170被连接在第二组节点中的节点138b与节点136a、136b和136c之间。这样，可以使用电力节点136a来选择组170中的第一对热元件146d，而可以分别通过节点136b和136c来选择组170中的第二对热元件146e和第三对热元件146f。

同样，第二组热元件180被连接在第二组节点中的节点138c与节点136a、136b和136c之间。可以使用电力节点136a来选择组180中的第一对热元件146g，而可以分别通过节点136b和136c来选择组170中的第二对热元件146h和第三对热元件146i。

对于所示的实现方式，控制器110操纵多个开关以将正电力线120连接到第一组电力节点中的一个并且将负电力线122连接到第二组电力节点，或者替代地，将正电力线120连接到第二组电力节点并且将负电力线122连接到第一组电力节点。这样，控制器110将控制信号124提供给第一极性控制开关140和第二极性控制开关142。第一极性控制开关140将第一组电力节点连接到正电力供应线120或负电力供应线122，而第二极性开关142将第二组电力节点连接到正电力供应线120或负电力供应线122。

另外，控制器110将控制信号126提供给第一组电力开关130、132和134。开关130、132和134分别将开关140的输出(正供应线120或负供应线122)连接到第一节点136a、第二节点136b和第三节点136c。另外，控制器110将控制信号128提供给第二组电力开关150、152和154。开关150、152和154分别将开关142的输出(正供应线120或负供应线122)连接到第一节点138a、第二节点138b和第三节点138c。

因此，可以通过将热元件连接到至少三个电力节点、通过控制一个节点相对于另一个节点的极性、或者通过将热元件连接到可寻址开关，来对热元件(或电阻元件)进行激活或去激活。

虽然图6示出十六(16)个热元件连接到电力控制模块，该电力控制模块包括控制器110和各种电力节点和开关，但应理解的是，可以增加或减少热元件的数量而不脱离本公开的范围。例如，可以适当地布置图5的电阻元件60以形成第一、第二和第三组160、170、180中的任何一个，并且将图5的电阻元件60连接到控制器110和各种电力节点和开关，使得控制器110可用于独立地控制电阻元件的激活或去激活。

利用这种结构，可以独立地控制筒式加热器50的多个加热区域62，以沿着筒式加热器50的长度改变电力输出或热量分布。电力控制模块26可以被配置成调节到每个加热区域62的电力。例如，可以响应于各种加热条件和/或加热要求而单独和动态地控制多个加热区域62，所述各种加热条件和/或加热要求包括但不限于：各个加热器单元52的寿命和可靠性、加热器单元52的大小和成本、局部加热器通量、加热器单元52的特性和操作、以及整体电力输出。

将每个电路单独地控制在期望的温度或期望的电力水平处，使得温度和/或电力的分布适应系统参数的变化(例如，制造变化/公差、变化的环境条件、变化的入口流量条件(诸如，入口温度、入口温度分布、流速、速度分布、流体成分、流体热容等))。更具体地，由于制造变化以及随时间的不同程度的加热器退化，当在相同电力水平下操作时，加热器单元52可能不会生成相同的热量输出。可以独立地控制加热器单元52以根据期望的热量分布来调整热量输出。加热器系统的各部件的各个制造公差和加热器系统的装配公差根据电源的调节电力而增加，或者换句话说，由于加热器控制的高保真度，各个部件的制造公差不需要那么紧/窄。

参考图7，替代地，可以在正节点514和负节点516之间将图5的每个热元件或电阻元件60与可寻址开关电串联连接。每个可寻址开关可以是分立元件的电路，该分立元件包括例如晶体管、比较器、和SCR设备或集成设备，例如微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。可以通过正节点514和/或负节点516将信号提供给可寻址开关524。例如，电力信号可以是频率调制的、幅度调制的、占空比调制的，或者包括载波信号，该载波信号提供指示当前激活的一个或多个开关的标识的开关标识。另外，可以在同一通信介质上提供各种命令，例如，开启、关闭或校准命令。在一个示例中，可以将三个标识符传送到可寻址开关中的所有，从而允许控制27个可寻址开关，并从而独立地对27个热元件进行激活或去激活。每个热元件522和可寻址开关524形成连接在正节点514与负节点516之间的可寻址模块520。每个可寻址开关可以从电力线接收电力和通信，并因此也可以单独地被连接到第一节点514和/或第二节点516。

可寻址模块中的每一个可以具有唯一ID，并且可以基于每个标识符而被分开成各组。例如，第一行中的可寻址模块(520、530、532、534、536、538、540、542和544)中的所有可以具有为1的第一或x标识符。类似地，第二行中的可寻址模块(546、548、550、552、554、556、558、560、562)中的所有可具有为2的x标识符，而第三行中的模块(564、566、568、570、572、574、576、578、580)具有为3的x标识符。以相同的方式，可寻址模块(520、530、532、546、548、550、564、566、568)中的前三列582可具有为1的z标识符。同时，中间三列584可以具有为2的z标识符，而后三列586可以具有为3的z标识符。类似地，为了对组内的每个模块进行寻址，每个可寻址模块在每个组内具有唯一的y标识符。例如，在组526中，可寻址模块534具有为1的y标识符，可寻址模块536具有为2的y标识符，并且可寻址模块538具有为3的y标识符。

参照图8，根据本公开的另一形式的加热器70可以是管式加热器，其包括线圈形式的电阻元件72、围绕电阻元件72的绝缘材料74、以及围绕绝缘材料74的管式护套76。绝缘材料可以是具有期望的介电强度、热导率和寿命的材料，并且可以包括氧化镁(MgO)。将电阻元件72连接到一对导电引脚78(图7中仅示出一个)，该对导电引脚78从管式护套76突出，用于经由一对电引线28(在图1中示出)连接到双线控制器24。电阻元件72生成热量，该热量被传递到管式护套76，管式护套76进而加热周围环境或部分。管式加热器70还可包括安装构件80，安装构件80用于将管式加热器70安装到诸如半导体处理腔室的壁之类的设备上。

类似于图1的电阻元件34，电阻元件72可包括选自由以下各项组成的组中的材料：镍、不锈钢、钼-镍合金、铌、镍-铁合金、钽、锆、铂、钼、钛、镍铜合金或尼西尔等。包括相对高的TCR的电阻元件72仅经由两根电线(即，一对电引线28)实现电阻反馈控制。为了避免或减少热漂移，电阻元件72还可包括选自由镍、镍-铬合金、铁-铬-铝合金、镍铝化合物和贵金属组成的组中的涂层。涂层可以提供更高的稳定性，同时维持足够高的TCR以用作温度传感器。

在管式加热器70的一种形式中，电阻元件72是具有大于约95％的镍并且具有如上所述的诸如MgO之类的矿物绝缘的材料，以及用于护套76的金属材料。这种特定的加热器构造提供了改进的电阻稳定性和加热器控制。在本公开的另一种形式中，该管式加热器构造可以进一步与控制技术(包括如本文所述的各种形式的电力控制模块和控制器)相结合，使得可以通过控制器/电力控制模块补偿某些材料特性，诸如温度漂移。

参照图9，根据本公开的另一种形式的加热器可以是分层加热器90，其包括设置在基板92上的多个层，其中基板92可以是设置在靠近要被加热的部分或设备的单独元件或是该部分或设备本身。分层加热器是包括通过分层工艺形成的至少一个功能层的分层加热器，该分层工艺包括将材料累积或沉积到基板或另一层。分层工艺可以是厚膜、薄膜、热喷涂或溶胶-凝胶工艺等。

如所示，一种形式的层包括介电层94、电阻层96和保护层96。介电层94在基板92和电阻层96之间提供电隔离，并且以与分层加热器90的电力输出相称的厚度设置在基板92上。电阻层96设置在介电层92上，并提供根据本公开的两个主要功能。首先，电阻层96是分层加热器90的电阻加热器电路，从而向基板92提供热量。其次，电阻层96也是温度传感器，其中电阻层96的电阻用于确定分层加热器90的温度。保护层98是一种形式的绝缘体，然而，根据特定加热应用的要求同时保持在本公开的范围内，也可以采用其他材料(诸如，导电材料)。

端子焊盘100设置在介电层22上并与电阻层96接触。因此，电引线102与端子焊盘100接触，并将电阻层96连接到双线控制器22(在图1中示出)，以用于电力输入和用于将加热器温度信息传输到双线控制器14。此外，保护层26设置在电阻层96上方，并且是一种形式的介电材料，以用于电隔离和保护电阻层96免受操作环境的影响。由于电阻层96用作加热元件和温度传感器两者，因此加热器系统仅需要一组电引线28(例如，两根电线)，而不是一组用于分层加热器90且另一组用于分开的温度传感器。因此，通过使用根据本公开的加热器系统，任何给定加热器系统的电引线的数量减少了50％。此外，由于整个电阻层96除了是加热器元件之外还是温度传感器，因此在整个加热器元件中感测温度而不是像利用许多传统温度传感器(诸如，热电偶)那样在单个点处感测温度。

类似于图1的电阻元件34，电阻层94可包括选自由以下各项组成的组中的材料：镍、不锈钢、钼-镍合金、铌、镍-铁合金、钽、锆、钨、钼。包括相对高的TCR的电阻层94仅经由两根电线(即，一对电引线28)实现电阻反馈控制。

应当理解，具有高的TCR和/或具有用于减少热漂移的涂层的电阻元件可以应用于本领域已知的加热器中的任一个中，并且不限于如本文所述的筒式加热器、管式加热器、电缆加热器、和分层加热器，或者还可以应用于硅橡胶加热器。

如本领域技术人员将容易理解的，以上描述旨在作为本公开的原理的说明。本说明书并非旨在限制本公开的范围或应用，因为本公开易于修改、变化和改变，而不会脱离如以下权利要求所限定的本公开的精神。

Claims (22)

1.一种加热器系统，包括：

多个电阻元件，所述多个电阻元件具有至少1000ppm的高电阻温度系数(TCR)使得所述电阻元件中的每一个用作加热器并用作温度传感器，所述多个电阻元件是具有大于95％镍的材料；

加热器控制模块，所述加热器控制模块包括双线控制器，所述双线控制器包括电力控制模块，并且所述电力控制模块包括控制系统，所述控制系统将所述电阻元件中的至少一个电阻元件的测量到的电阻值与所述电阻元件中的所述至少一个电阻元件的参考温度进行比较，以调整随时间的电阻漂移，使得所述至少一个电阻元件的温度漂移在500℃-1000℃的温度范围内小于1％；并且

所述控制系统具有多个电力节点，其中每个电阻元件被连接在所述多个电力节点中的第一电力节点与第二电力节点之间，每个电阻元件与被配置成对所述电阻元件进行激活和去激活的可寻址开关连接，并且每个电阻元件由所述控制系统独立地控制。

2.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，进一步包括围绕每个电阻元件的绝缘材料和围绕所述绝缘材料的护套。

3.如权利要求2所述的加热器系统，其特征在于，所述绝缘材料包括MgO，并且所述护套是金属材料。

4.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，每个电阻元件进一步包括选自由以下各项组成的组中的涂层材料：镍、镍合金、铁-铬-铝合金、镍铝化合物、钴合金、铁合金和贵金属。

5.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，所述控制系统具有至少三个电力节点并且所述多个电阻元件中的电阻元件被连接在每对电力节点之间。

6.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，所述多个电阻元件中的第一电阻元件和第二电阻元件被连接在所述第一电力节点与所述第二电力节点之间，通过所述第一电力节点相对于所述第二电力节点的第一极性来对所述第一电阻元件进行激活并对所述第二电阻元件进行去激活，并且通过所述第一电力节点相对于所述第二电力节点的第二极性来对所述第一电阻元件进行去激活并对所述第二电阻元件进行激活。

7.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，进一步包括多个可独立控制的区域，每个可独立控制的区域包括所述多个电阻元件中的至少一个。

8.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，每个电阻元件是选自由以下各项组成的组中的材料：镍、镍铜合金、不锈钢、钼-镍合金、铌、镍-铁合金、钽、锆、钨、钼、尼西尔和钛。

9.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，每个电阻元件通过分层工艺形成。

10.如权利要求1所述的加热器系统，其特征在于，所述电力控制模块被配置成周期性地将所述至少一个电阻元件的测量到的电阻值与所述参考温度进行比较，以在操作期间调整随时间的电阻漂移。

11.一种加热器系统，包括：

加热器，所述加热器包括多个电阻元件，所述多个电阻元件由具有大于95％镍和至少1000ppm的高电阻温度系数(TCR)的材料制成，使得每个电阻元件用作加热器并用作温度传感器；以及

加热器控制模块，所述加热器控制模块包括与所述加热器通信的双线控制器，所述双线控制器包括：

温度确定模块，所述温度确定模块基于所述电阻元件中的至少一个电阻元件的测量到的电阻值来确定所述加热器的温度；以及

电力控制模块，所述电力控制模块包括控制系统，所述控制系统具有多个电力节点；

其中所述控制系统被配置成接收所述电阻元件中的所述至少一个电阻元件的所述测量到的电阻值并且将所述测量到的电阻值与所述电阻元件中的所述至少一个电阻元件的参考温度进行比较以调整随时间的电阻漂移，使得温度漂移在500℃-1000℃的温度范围内小于1％，其中所述多个电阻元件中的每个电阻元件被连接在所述多个电力节点中的第一电力节点与第二电力节点之间，每个电阻元件与被配置成对所述每个电阻元件进行激活和去激活的可寻址开关连接，并且每个电阻元件由所述控制系统独立地控制。

12.如权利要求11所述的加热器系统，其特征在于，每个电阻元件包括选自由以下各项组成的组中的涂层：镍、镍-铬合金、铁-铬-铝合金、镍铝化合物、钴合金、铁合金和贵金属。

13.如权利要求11所述的加热器系统，其特征在于，所述加热器进一步包括围绕每个电阻元件的压实的MgO绝缘材料和围绕所述绝缘材料的护套，所述护套是金属材料。

14.如权利要求11所述的加热器系统，其特征在于，所述控制系统具有多个电力节点，所述多个电阻元件中的第一电阻元件和第二电阻元件被连接在第一电力节点与第二电力节点之间，通过所述第一电力节点相对于所述第二电力节点的第一极性来对所述第一电阻元件进行激活并对所述第二电阻元件进行去激活，并且通过所述第一电力节点相对于所述第二电力节点的第二极性来对所述第一电阻元件进行去激活并对所述第二电阻元件进行激活。

15.如权利要求11所述的加热器系统，其特征在于，所述控制系统具有至少三个电力节点并且所述多个电阻元件中的电阻元件被连接在每对电力节点之间。

16.如权利要求11所述的加热器系统，其特征在于，所述电力控制模块被配置成周期性地将所述至少一个电阻元件的测量到的电阻值与所述参考温度进行比较，以在操作期间调整随时间的电阻漂移。

17.一种加热器系统，包括：

多个电阻元件，所述多个电阻元件具有至少1000ppm的高电阻温度系数(TCR)使得所述电阻元件中的每一个用作加热器并用作温度传感器，所述多个电阻元件是具有大于95％镍的材料；

加热器控制模块，所述加热器控制模块包括双线控制器，所述双线控制器包括电力控制模块，并且所述电力控制模块包括控制系统，所述控制系统将至少一个电阻元件的测量到的电阻值与所述电阻元件中的所述至少一个电阻元件的参考温度进行比较，以调整随时间的电阻漂移，使得所述至少一个电阻元件的温度漂移在500℃-1,000℃的温度范围内小于1％；并且

所述控制系统具有多个电力节点，其中所述多个电阻元件中的第一电阻元件和第二电阻元件被连接在第一电力节点与第二电力节点之间，通过所述第一电力节点相对于所述第二电力节点的第一极性来对所述第一电阻元件进行激活并对所述第二电阻元件进行去激活，并且通过所述第一电力节点相对于所述第二电力节点的第二极性来对所述第一电阻元件进行去激活并对所述第二电阻元件进行激活。

18.如权利要求17所述的加热器系统，其特征在于，进一步包括围绕每个电阻元件的绝缘材料和围绕所述绝缘材料的护套。

19.如权利要求18所述的加热器系统，其特征在于，所述绝缘材料包括MgO，并且所述护套是金属材料。

20.如权利要求17所述的加热器系统，其特征在于，每个电阻元件进一步包括选自由以下各项组成的组中的涂层材料：镍、镍合金、铁-铬-铝合金、镍铝化合物、钴合金、铁合金和贵金属。

21.如权利要求17所述的加热器系统，其特征在于，所述至少一个电阻元件通过分层工艺形成。

22.如权利要求17所述的加热器系统，其特征在于，所述电力控制模块被配置成周期性地将所述至少一个电阻元件的测量到的电阻值与所述参考温度进行比较，以在操作期间调整随时间的电阻漂移。

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