CN113924821A - 补偿热系统中的不规则性的方法 - Google Patents

Abstract

一种调节电阻加热器的功率密度分布的方法，包括设计基线加热器电路。设计具有恒定迹线功率密度的检测电路，并且检测电路与基线加热器电路重叠。制造检测电路，并且获得其基线热图。制造基线加热器电路，并且获得标称热图。制造后续检测电路，并且获得实际热图。通过从实际热图中减去基线热图来创建相减热图像，并且根据相减热图像修改后续的基线加热器电路。

Description

补偿热系统中的不规则性的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求标题为“补偿热系统中的不规则性的方法”的申请日为2019年4月8日、序列号为16/377,903的美国申请的权益，其内容以引用的方式全文结合于此。

技术领域

本公开涉及电阻加热器的制造以及用于补偿材料和制造变体(variation)的方法。

背景技术

以下描述仅提供与本公开有关且可以不构成现有技术的背景信息。

分层加热器组件通常包括衬底、布置在衬底上的介电层、以及布置在介电层上的电阻加热层、以及其它层。例如，在电阻加热层上方可以布置保护层。进一步地，可以设置多个介电层和多个电阻加热层。介电层、电阻加热层、保护层和其它层通常共同被称为分层加热器。进一步地，在任何给定的组件中可以有一个或多个分层加热器，并且根据衬底的材料(例如，衬底是否是非导电的)和操作环境，分层加热器可以包括或不包括介电层或保护层。

分层加热器可以通过“厚”膜、“薄”膜或“热喷涂”以及其他类型进行加工，其中，这些类型的分层加热器之间的主要区别在于形成层的方法。例如，厚膜加热器的层，以非限制性示例的方式通常使用诸如丝网印刷、贴花涂敷(decal application)或膜分配头的工艺形成。另一方面，薄膜加热器的层，以非限制性示例的方式通常使用沉积工艺形成，诸如离子电镀、溅射、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。用于形成分层加热器的第三系列工艺(热喷涂工艺)，以非限制性示例的方式包括火焰喷涂、大气等离子喷涂(APS)、悬浮大气等离子喷涂(SAPS)、丝材电弧喷涂、冷喷涂、低压等离子喷涂(LPPS)、超音速火焰喷涂(HVOF)和悬浮超音速火焰喷涂(悬浮高速氧燃料喷涂，suspension high velocity oxygenfuel(SHVOF))。可以加工分层加热器的又一种方法是溶胶凝胶法。

在微观尺度上，由于许多原因，沉积层可能具有不均匀的表面或可变的几何形状，例如由于衬底中的沟槽以及与形成电阻层或其它层的方法相关的制造公差(manufacturing tolerance)。因此，整个分层加热器的薄层电阻在加热器组件之间可能不均匀。通常，薄层电阻指代由于所涂敷的电阻材料的相对薄的性质而沿着电阻层的平面的电阻，与垂直于电阻材料的电阻相对。分层加热器的薄层电阻缺乏均匀性，不可预测地改变分层加热器的电阻，这可以抑制加热器实现预期的热分布。进一步地，除了其它组件/系统不规则性之外，期望的热分布可能被各个层的局部黏合/粘附不规则性以及衬底中的不规则性所抑制。

在传统方法中，使用计算分析工具设计电阻层的图案或“迹线(traces)”，这些计算分析工具确定分层加热器产生期望热分布所需的电功率分布。向分析模型输入电路几何形状和标称薄层电阻值。在一些应用中，电阻层迹线包括具有不同宽度的分段(段，segment)，以便优化功率分布(wattage distribution)。如果分析模型预测到不期望的热分布，则可以调节分段宽度以及总体迹线几何形状，以实现目标热分布。

为了制造所设计的电阻迹线，可以采用各种图案化工艺。用于分层加热器的图案化工艺的示例可以包括化学蚀刻、干蚀刻和计算机数字控制(CNC，Computer NumericalControl)材料去除工艺，例如机械加工和激光烧蚀。即使使用高度精确的制造方法，在制造的各批次之间也会发生沿着/遍及电阻迹线的分段的电阻的变化。

本公开的示教解决了这些变化，包括电阻加热层的薄层电阻的变化、层-层界面的变化、衬底的变化以及组件/系统的变化。

发明内容

根据一种形式，一种调节电阻加热器的功率密度分布(瓦特密度分布，wattdensity distribution)的方法包括设计基线加热器电路。设计具有恒定迹线功率密度(constant trace watt density)的检测电路，并且检测电路与基线加热器电路重叠并包括边距(裕度，margin)。通过选择性去除工艺(selective removal process)制造检测电路。向检测电路施加功率，并且获得基线热图。通过选择性去除工艺由检测电路制造基线加热器电路。向基线加热器电路施加功率，并且获得标称热图(nominal thermal map)。重复以下步骤以实现沿着目标表面的期望温度分布(temperature profile)：通过选择性去除工艺制造检测电路、向检测电路施加功率并且获得基线热图、通过选择性去除工艺由检测电路制造基线加热器电路、以及向基线加热器电路施加功率并且获得标称热图。在实现期望的温度分布之后，通过选择性去除工艺制造后续的检测电路。然后，向后续检测电路施加功率，并且获得实际热图。通过从实际热图减去基线热图来创建相减热图像(subtractionthermal image)。根据相减热图像修改后续的基线加热器电路。

根据另一种形式，可以对于期望数量n个加热器来执行以下步骤：通过选择性去除工艺制造后续检测电路、向后续检测电路施加功率以获得实际热图、通过从实际热图减去基线热图来创建相减热图像、以及根据热图像修改后续的基线加热器电路。

在一种形式中，边距在基线加热器电路的迹线宽度的约1％至约50％之间。在另一种形式中，边距在约10％至约20％之间。

根据一种形式，通过以下方式来实现修改：改变后续基线加热器电路的迹线宽度、改变后续基线加热器电路的厚度、改变后续基线加热器电路的比电阻(例如，通过热处理工艺改变后续基线加热器电路的微结构，如通过激光工艺添加局部氧化物)、向后续基线加热器电路的分段(segment)添加不同的材料等及其组合。

在各种形式中，通过IR照相机获得热图；通过激光烧蚀、机械烧蚀和混合水射流(hybrid waterjet)中的至少一种来实现修整；通过热喷涂(thermal spraying)来形成加热器。

在另一种形式中，电路选自由分层电路、箔电路和有线电路(wire)构成的组。

在本公开的另一种形式中，一种用于调节电阻加热器的功率密度分布的方法包括设计基线加热器电路。设计具有恒定迹线功率密度(瓦特密度，watt density)的检测电路，并且检测电路与基线加热器电路重叠并包括边距。然后制造检测电路。然后，向检测电路施加功率，由此获得基线热图。然后，由检测电路制造基线加热器电路。向基线加热器电路施加功率，并且获得标称热图。将基线加热器电路组装到热装置，并向基线加热器电路施加功率以获得目标表面的热图。根据需要重复以下步骤以实现期望的温度分布：制造检测电路、向检测电路施加功率并获得基线热图、由检测电路制造基线加热器电路、向基线加热器电路施加功率并获得标称热图、将基线加热器电路组装到热装置、以及向基线加热器电路施加功率并获得目标表面的热图。然后，制造后续检测电路，并向后续检测电路施加功率以获得实际热图。通过从实际热图减去基线热图来创建相减热图像。根据相减热图像修改后续的基线加热器电路。

根据变型，使用选择性去除工艺制造检测电路和后续检测电路中的至少一个。

根据另一变型，使用选择性去除工艺制造基线加热器电路和后续基线加热器电路中的至少一个。在又一些变型中，通过选择性去除工艺来修改后续基线加热器电路。

在变型中，对于n个数量的加热器重复以下步骤：制造后续检测电路、向后续检测电路施加功率并获得实际热图、通过从实际热图减去基线热图来创建相减热图像、以及根据相减热图像修改后续基线加热器电路。

根据变型，可以根据本公开的步骤制造多个加热器组件。

根据又一变型，通过热喷涂形成电路。电路可以选自由分层电路、箔电路和有线电路构成的组。

根据本公开的又一变型，一种调节电阻加热器的功率密度分布的方法包括制造检测电路。然后向检测电路施加功率，并且获得基线热图。由检测电路制造基线加热器电路。然后，向基线加热器电路施加功率，并且获得标称热图。将基线加热器电路组装到热装置。向基线加热器电路施加功率，并且获得目标表面的热图。重复以下步骤以沿着目标表面实现期望的温度分布：制造检测电路、向检测电路施加功率并获得基线热图、由检测电路制造基线加热器电路、向基线加热器电路施加功率并获得标称热图、将基线加热器电路组装到热装置、以及向基线加热器电路施加功率并获得目标表面的热图。之后，制造后续的检测电路。向后续检测电路施加功率，并且获得实际热图。通过从实际热图减去基线热图来创建相减热图像。根据相减热图像修改后续的基线加热器电路。

在变型中，通过选择性去除工艺制造或修改至少一个电路。

在又一变型中，通过热喷涂形成电路。

在另外的变型中，电路选自由分层电路、箔电路和有线电路构成的组。

从本文提供的描述中，另外的应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图描述其以示例方式给出的各种形式，在附图中：

图1是根据本公开的基线加热器电路的平面图；

图2是根据本公开的与图1的基线加热器电路重叠的检测电路的平面图；

图3A是根据本公开的图2的制造的检测电路的平面图；

图3B是根据本公开的图3A的制造的检测电路的基线热图的平面图；

图4A是由图3A的检测电路制造的基线加热器电路的平面图；

图4B是图4A的制造的基线加热器电路的标称热图的平面图；

图5是根据本公开的示教的组装到热装置的图4A的基线加热器电路的截面视图；

图6是例示了图1至图5中的步骤的流程图，这些步骤根据需要重复以实现期望的温度分布；

图7是例示了本公开的方法的另外步骤的示意图；以及

图8是例示了本公开的方法的又一些步骤的示意图。

本文描述的附图仅用于说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下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。应当理解，贯穿附图，对应的附图标记指示同样或对应的部分和特征。

本公开提供了一种调节电阻加热器的功率密度的方法，该电阻加热器以示例的方式包括分层加热器。序列号为8,680,443、7,132,628、7,342,206和7,196,295的美国专利中提供了这种形式的加热器的更详细的描述，这些专利与本申请共同转让，并且其内容以引用的方式全文结合于此。该方法还可以与除了“分层”加热器之外的各种类型的加热器(以示例的方式包括箔加热器和电阻丝加热器)一起使用。因此，本文公开的方法可与任何类型的电阻加热器构造一起使用，同时保持在本公开的范围内，并且术语“分层”不应被解释为限制性的。

参照图1，根据本公开的示教的方法开始于在步骤(a)设计基线加热器电路20，其是已经被分析优化以向目标提供特定热分布的标称设计，在一种形式中，该特定热分布是均匀的热分布。(这些加热器电路通常被称为“电阻迹线”并且包括电阻加热材料或元件横穿所沿着的路径)。

如图所示，示例基线加热器电路20包括较宽的分段和较窄的分段，这些分段提供了沿着基线加热器电路20的长度的定制的功率密度。例如，基线加热器电路20包括其提供较低功率密度的迹线W1的分段(较宽)，而其迹线W2的分段(较窄)提供较高功率密度。基线加热器电路20还包括：弯曲段22，通常较宽以抑制电流拥塞；以及终端24，用于连接到电源(未示出)。应当理解，这种例示的蜿蜒图案仅仅是示例性的，并且基线加热器电路20的任何形状的迹线(诸如设计成电并联连接的分段)可以由设计工作产生，这取决于应用及其热要求。

参照图2，该方法接下来包括步骤(b)：设计具有恒定迹线功率密度的检测电路30，其中，该检测电路30与基线电路20重叠一个边距，该边距由于基线加热器电路的可变宽度而可变。然而，在一种形式中，边距不大于基线加热器电路20迹线的最大宽度的约1-50％。例如，如果W1是1.0mm，则边距M在0.1mm至0.5mm之间。在另一种形式中，边距不大于约10-20％。然而，应当理解，可以根据电阻加热器的构造和应用采用其它边距，并且本文所公开的值不应解释为限制本公开的范围。

检测电路30的恒定迹线功率密度由恒定宽度和恒定厚度的迹线提供，但应当理解，也可以采用其它方法来实现恒定迹线功率密度，同时保持在本公开的范围内。例如，变得更窄同时变得更厚的迹线也可以提供恒定的迹线功率密度。

参照图3A，该方法接下来包括步骤(c)：制造检测电路30，例如通过在电阻材料已经被涂敷到衬底之后使用选择性去除工艺。例如，电阻材料可以通过诸如热喷涂的任何分层工艺来涂敷。替代地，电阻材料可以是箔或导线，同时保持在本公开的范围内。选择性去除工艺以示例的方式可以包括激光烧蚀、机械烧蚀或混合水射流(激光和水射流)等。然而，检测电路30可以由其他方法制造，诸如印刷或掩模等，由此，用于制造检测电路30的选择性去除工艺不应被解释为限制本公开的范围。

如图3B所示，一旦制造了检测电路30，方法就进行到步骤(d)，在该步骤中，向检测电路施加功率(例如通过向终端24施加功率)，以获得基线热图40。基线热图可以使用IR照相机获得。当考虑使用双线控制器来获得热图像时，在序列号为7,196,295的美国专利中更详细地示出和描述了这种工艺，该专利与本申请共同转让，其内容以引用的方式全文结合。基线热图可以存储在例如存储器中。

参照图4A，在步骤(e)中，由检测电路30制造基线加热器电路20。在一种形式中，基线加热器电路20通过选择性去除工艺制造。上述制造检测电路30的选择性去除工艺也可用于制造基线加热器电路20。还应当注意，制造基线加热器电路20的选择性去除工艺不必与用于制造检测电路30的选择性去除工艺相同。

参照图4B，在制造基线加热器电路20之后，在步骤(f)中，向基线加热器电路20施加功率(例如，通过向终端24施加功率)，以获得标称热图50。标称热图50可以使用IR(红外)照相机获得。标称热图可以存储在例如计算装置的微处理器(未示出)上的存储器中。

现在参照图5，在步骤(g)中，将基线加热器电路20组装到热装置60。以示例的方式，基线加热器电路20被示出为布置在热装置内，该热装置是卡盘装置62，其包括冷却板64和其中嵌入有电极68的陶瓷定位盘66。陶瓷定位盘66包括如图所示的目标表面70，该目标表面通常是在卡盘装置62的操作期间放置衬底以便蚀刻的地方。应当理解，该卡盘装置62仅仅是示例性的，并且根据本公开的方法可以用于其中调节电阻加热器电路的薄层电阻率将是有利的任何数量的应用中。

在组装之后，并且参照图6的上述步骤，在步骤(h)中向基线加热器电路20施加功率，以获得目标表面70的热图。类似于上述热图像，目标表面70的热图可以使用IR照相机来获得。目标表面的热图可以存储在例如计算装置(未示出)的微处理器上的存储器中。

分析目标表面70的热图，以确定目标表面是否沿着目标表面70呈现期望的温度分布。如果并没有，则如图6进一步所示，重复步骤(a)至(h)，直到实现期望的温度分布为止。在一种形式中，该方法也可以在预定数量的重复步骤(a)至(h)之后终止，即使没有实现温度分布。

现在参照图7，在已经确定目标表面70呈现期望的温度分布之后，该方法进行到步骤(i)，在该步骤中，制造后续的检测电路30’，在一种形式中，该检测电路可以通过如上所述的选择性去除工艺来制造。接下来，该方法进行到步骤(j)，在该步骤中，向后续的检测电路30’施加功率，从而获得实际热图80。

如图8所示，在步骤(k)，从实际热图80中减去基线热图40，以创建相减热图像90。然后，在步骤(l)，根据相减热图像90修改后续的基线加热器电路20’。更具体地，后续的基线加热器电路20’通过将其薄层电阻率变为期望的电阻率来修改。基线加热器电路20与后续的基线加热器电路20’之间的薄层电阻率变化通过下式计算：

其中，T_加热器n是在后续基线加热器电路20’的各个分段的平均迹线温度；

T_{基础加热器}是基线加热器电路的基础加热器(base heater)的各个分段的平均迹线温度；以及

T_参考是取决于测试环境的参考温度。如果在露天环境中测试加热器，那么T_参考是环境温度。如果加热器附接到受控冷却系统，那么T_参考是冷却系统的温度。在一种形式中，T_{基础加热器}和T_加热器在相同的T_参考下获得。

在计算了薄层电阻率变化之后，可以计算后续的基线加热器电路20’的迹线宽度：

其中，迹线宽度_{基础加热器}是在基线加热器电路的特定位置处的基线加热器电路的迹线宽度；以及

薄层电阻率变化是来自以上等式的输出。

可以修改薄层电阻率，或者可以修改后续基线加热器电路20’的迹线宽度，以实现与在步骤(l)形成的温度分布类似或相同的期望温度分布。可以修改薄层电阻率的工艺包括修整后续基线加热器电路的厚度或修改比电阻。宽度或厚度的这种修改可以利用诸如激光烧蚀、机械烧蚀(例如，研磨、铣削、微爆破)和混合水射流的工艺来实现。另一方面，可以通过向后续基线加热器电路20’的分段添加材料来增加宽度/厚度。替代地或除了上述工艺之外，可以通过修改后续基线加热器电路20’的比电阻(例如，通过借助热处理工艺修改其微结构，诸如通过激光工艺添加局部氧化物)来修改薄层电阻率。所得到的电阻加热器在目标表面70上呈现期望的热图，并且后续可以一致地制造任意数量n个后续的热装置60。

除非本文另有明确指示，否则在描述本公开的范围时，所有指示机械/热特性、组成百分比、尺寸和/或公差或其它特性的数值应被理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于包括工业实践、制造技术和测试能力的各种原因，需要这种修饰。

如本文所用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为意指使用非排他性逻辑或的逻辑(A或B或C)，并且不应该被解释为意指“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。

本公开的描述本质上仅是示例性的，由此，不偏离本公开的实质的变型旨在处于本公开的范围内。这些变型不应被认为是偏离本公开的精神和范围。

Claims (12)

1.一种调节电阻加热器的功率密度分布的方法，包括：

(a)制造检测电路；

(b)向所述检测电路施加功率，并且获得基线热图；

(c)由所述检测电路来制造基线加热器电路；

(d)向所述基线加热器电路施加功率，并且获得标称热图；

(e)将所述基线加热器电路组装到热装置；

(f)向所述基线加热器电路施加功率，并且获得目标表面的热图；

重复步骤(a)至(f)以沿着所述目标表面实现期望的温度分布；

(g)制造后续检测电路；

(h)向所述后续检测电路施加功率，并且获得实际热图；

(i)通过从所述实际热图减去所述基线热图来创建相减热图像；以及

(j)根据所述相减热图像来修改后续基线加热器电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电路中的至少一个通过选择性去除工艺来制造。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修改通过选择性去除工艺来实现。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述选择性去除工艺通过激光烧蚀、机械烧蚀和混合水射流中的至少一种来实现。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电路通过热喷涂形成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电路选自由分层电路、箔电路及有线电路构成的组。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测电路具有恒定的迹线功率密度，所述检测电路与所述基线加热器电路重叠并且包括边距。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述边距为迹线宽度的约1％至约50％。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：对于n个数量的加热器重复步骤(g)到(j)。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修改通过以下中的至少一项来实现：

改变所述后续基线加热器电路的迹线宽度、改变所述后续基线加热器电路的厚度、借助热处理工艺修改所述后续基线加热器电路的微结构进而由此修改所述后续基线加热器电路的比电阻、将不同材料添加到所述后续基线加热器电路的分段，以及上述各项的组合。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热图是通过红外照相机获得的。

12.多个加热器组件，所述多个加热器组件是根据权利要求1所述的方法制造的。

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