CN116133540A

CN116133540A - 柔性加热元件、用于制造这种加热元件的方法及柔性加热元件的用途

Info

Publication number: CN116133540A
Application number: CN202180055278.7A
Authority: CN
Inventors: T·阿斯穆斯; M·穆齐奥尔; C·尼克; S·迪特曼; K·维南德; C·尼曼
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Yageo Nexensos GmbH
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-05-16
Also published as: EP3962234A1; US20230328847A1; JP2023539080A; EP4205505A1; DE102021104002A1; KR20230043970A; WO2022043210A1

Abstract

本发明涉及一种表现出至少250℃、特别是至少300℃的耐温性的柔性加热元件(10)，包括：‑导电基板(15)，该导电基板由金属箔形成；‑绝缘层(20)，该绝缘层形成在该基板(15)的至少一个侧面(16)上；和‑加热结构(30)，该加热结构形成在该绝缘层(20)的背对该基板(15)的侧面(21)上，其中该加热元件(10)具有小于1.0mm的加热元件厚度(DH)，该基板(15)具有0.02mm至0.5mm的基板厚度(DS)，并且该绝缘层(20)具有0.2μm至30μm的绝缘层厚度(DI)。

Description

柔性加热元件、用于制造这种加热元件的方法及柔性加热元件的用途

本发明涉及一种表现出至少250℃、特别是至少300℃的耐温性的柔性加热元件。此外，本发明涉及一种用于制造这种加热元件的方法。本发明还涉及根据本发明的柔性加热元件的用途。

从现有技术已知加热元件的不同实施方案。例如，US 2018/0093455A1公开了一种柔性平坦加热器，其基于聚合物层压件来形成。该层压件由具体是聚酰亚胺的聚合物层、底漆层和硅酮粘合剂层组成。形成为加热结构的金属结构被层压到硅酮粘合剂层上。然而，这种加热元件的缺点是使用聚合物层压件。使用这种材料阻止加热元件在高于300℃的温度下使用。这是由于在这种温度下层压件的聚合物将被热解或降解这一事实。

US 5,408,574 A继而公开了一种基于使用陶瓷基板的加热元件。陶瓷基板具有25μm至250μm的厚度，以便保证足够的稳健性。加热器包括可单独地控制的各个加热结构。这些加热结构优选地在包含贵金属的糊状物的基础上通过丝网印刷方式来制造。这种种类的加热元件被设计成使得在10W至20W的最大加热功率下，其在两秒内达到450℃至600℃的温度。然而，就这种加热元件而言，使用陶瓷基板是不利的。这种陶瓷基板既不是弹性的，也不具有高断裂强度。

从上文出发，本发明的目的是具体说明这样一种解决方案，该解决方案在一方面包括柔性的加热元件，并且在另一方面，具有高耐温性。加热元件的柔性设计是特别地有利的，以便形成与具有不平表面的接触主体的良好的热接触。

此外，本发明的目的是具体说明一种方法，借助于该方法可制造柔性加热元件。本发明的另外的目的是具体说明一种根据本发明的加热元件的对应用途。

根据本发明，这个目的关于根据权利要求1的主题所述的柔性加热元件、关于根据权利要求11的主题所述的用于制造根据本发明的加热元件的方法以及关于根据权利要求15的主题所述的根据本发明的加热元件的用途实现。

本发明是基于具体说明一种具有至少250℃、特别是至少300℃的耐温性的柔性加热元件的构思，该柔性加热元件包括：

●导电基板，该导电基板由金属箔形成，

●绝缘层，该绝缘层形成在基板的至少一个侧面上，和

●加热结构，该加热结构形成在绝缘层的背对基板的侧面上，其中加热元件具有小于1.0mm的加热元件厚度，基板具有0.02mm至0.5mm的基板厚度，并且绝缘层具有0.2μm至30μm的绝缘层厚度。

换句话说，具体说明一种加热元件，该加热元件在一方面是柔性的，并且在另一方面表现出至少250℃、特别是至少300℃的耐高温性。通过关于柔性加热元件的各个层或部件的材料以及该元件或层的各自厚度来进一步开发该柔性加热元件的各个层或部件，使得在一方面产生柔性并在另一方面形成耐温性，使形成此类加热元件成为可能。

在本发明的特别优选的实施方案中，加热元件具有小于0.6mm、特别是优选地小于300μm的加热元件厚度。

特别合适的绝缘层是这样的电绝缘层，其将导电基板与加热结构电分离。一般来讲，比电阻>10E10Ω*cm的层适用于此目的。

绝缘层优选地包括金属氧化物层，特别是阳极化的金属氧化物层，或金属氮化物层或金属氧化物氮化物层。在本发明的特别优选的实施方案中，绝缘层是金属氧化物层，特别是阳极化的金属氧化物层，或金属氮化物层或金属氧化物氮化物层。如果绝缘层是上述金属层中的一个金属层，则绝缘层将不具有属于前述层定义的任何另外的层。

此外，绝缘层可被设计为不同堆叠金属氧化物层、金属氮化物层或金属氧化物氮化物层的组合。

作为或具有金属氧化物层、金属氮化物层或金属氧化物氮化物层的绝缘层的优点在于，这种绝缘层不仅表现出良好的绝缘性质，而且还可被设计为尽可能薄的。

一些金属(诸如铝或FeCrAl合金)形成特别稳定的金属氧化物层，使得即使在温度快速地变化的情况下，也防止绝缘层剥落或在绝缘层中形成裂纹。

此外，绝缘层可包括以下组分：

氧化铝(Al₂O₃)，和/或钛酸铝(Al₂TiO₅)，和/或二氧化钛(TiO₂)，和/或二氧化硅(SiO₂)，和/或氧化硅(SiO)，和/或氧化镁(MgO)，和/或钛酸镁(MgTiO₃)，和/或二元二氧化锆合金，和/或三元二氧化锆合金，和/或氮化硼(BN)，和/或氮化铝(AlN)，和/或氮化硅(Si₃N₄)。

在本发明的另外的实施方案中，绝缘层可借助于气溶胶沉积法(ADM)制造。借助这种方法，可以制造陶瓷或玻璃状绝缘层。这些层具有特别高的电绝缘性，并且可另外具有薄层厚度。如果绝缘层借助于ADM方法来制造，则绝缘层厚度可以是0.2μm至10μm。

除了ADM方法之外，用于将绝缘层施加到金属箔的其他已知沉积方法诸如CVD(化学气相沉积)或CSD(化学溶液沉积)或PVD(物理气相沉积)也是可能的。

导电基板由金属箔形成。特别地，导电基板由金属箔组成。

金属箔优选地由形成在阴离子氧化期间表现出高电绝缘的致密金属氧化物层的这种材料形成。这有助于制造对应绝缘层。特别地，由铝、钢、钛、铌或钽制成的箔适合作为金属箔。关于钢箔，包含铬和铝的合金是特别合适的。

金属箔优选地由铝(Al)和/或钢和/或钛(Ti)和/或铌(Nb)和/或钽(Ta)或它们的合金形成。

钢优选地是FeCrAl合金、特别是X8CRAl20-5或FeCr25Al5。

基板厚度是0.02mm至0.5mm、特别是0.05mm至0.3mm。

由于金属箔用于制造导电基板，特别是当使用铝箔时，防止金属箔在柔性加热元件的加热期间翘曲。

此外，使用金属箔来形成导电基板还具有以下优点：与使用例如聚合物基板相比，可借助于可变的方法来施加绝缘层。

由于金属箔可能暴露于高温下，因此也可借助于此类伴随高温负荷的方法来施加绝缘层。例如在施加包含金属的糊状物时就是这种情况。这种糊状物或烧结糊状物层通常需要在例如1,000℃的高温下烧结。由于使用金属箔，因此可容易提供这种温度负荷。

阳极化的金属氧化物层与大气金属氧化物层的不同之处在于具有更高的电绝缘。例如，阳极化的金属氧化物层可通过将金属表面阳极化来制造。换句话讲，作为阳极化的金属氧化物层的绝缘层可通过将基板的金属表面阳极化来制造。由于电解氧化，金属箔的表面被转化为金属氧化物层。

基于热氧化或阳极氧化的基板来形成绝缘层的另外的优点涉及绝缘层与基板的连接。与例如借助于随后施加的陶瓷层的情况相比，以这种方式制造或提供的绝缘层具有与基板的增加的连接。在进行热氧化方法之后，特别是在进行阳极化方法之后，还可机械地加工、特别是冲压热氧化、特别是阳极化的基板。在这种机械加工期间，特别是在冲压期间，不会进一步损坏绝缘层。相反，在这种情况下，防止绝缘层剥落。

阳极化方法是表面技术中通过阳极氧化制造氧化保护层的方法。与电镀涂覆方法不同，保护层不沉积在工件上，而是通过转化最上金属层形成氧化物或氢氧化物。制造5μm至25μm的层，其保护并隔离下面的层或元件，即基板。

用于制造金属氧化物层的另一种可能性是硬阳极化方法。在此，与铝阳极氧化法的情况一样，将金属箔浸入电解液中并作为阳极连接。金属箔的表面由此被氧化，从而形成金属氧化物层。在这种情况下，金属箔的体积增加。

导电基板的金属箔的材料的适当选择实现关于将在其上形成的绝缘层的对应选择。

在金属表面的氧化之前，可进行表面的预处理步骤，诸如蚀刻、酸洗、珩磨、电抛光、机械抛光、喷砂、颗粒喷射或研磨。另外，多个前述预处理步骤的组合是可能的。

当使用由FeCrAl合金制成的钢箔时，此层在升高的温度下在空气中的氧化也可制造金属氧化物层。

例如，当使用铝含量为6％的FeCrAl合金时，可在1,000℃至1,100℃的氧化温度下，在含氧气氛中在烘箱中制备电绝缘层，特别是高达5μm的电绝缘氧化铝层。

在本发明的另外的实施方案中，也可能的是，使用具有低CrAl含量的钢箔，只要这样的钢箔在至少一个表面上或在至少一个侧面上被铝化。铝化方法涉及将含铝层施加到基板金属箔，由此这个含铝层随后在800℃至1,200℃的温度下退火。这样制造厚度>20μm的致密Al₂O₃层。Al₂O₃层存在于α相中。在此方法的基础上，在基板的至少一个面上形成绝缘层。这种绝缘层是电绝缘金属氧化物层。

柔性加热元件特别地应当被理解为可在垂直于正面或背面的方向上偏转，而该偏转不引起电阻的显著变化和/或加热元件的裂缝和/或断裂和/或加热元件的类似损坏。甚至在弯曲状态下加热也是明显可行的。

加热元件的柔性被定义为加热元件的正面或背面在至少30mm、特别是至少25mm、特别是至少20mm、特别是至少10mm、特别是至少0.5mm的弯曲半径处的可逆偏转。

可逆性还意味着已经变形的金属箔还附加地仍具有弹簧效应。在金属箔的强制附加弯曲之后，其完全地或至少部分地返回其预定义初始位置。由于弹簧作用，弯曲加热元件可在其安装在保持器中之后自动地在周围部分上施加力并因此紧密地配合在保持器上。

至少一个加热结构优选地直接地施加到绝缘层。换句话讲，至少一个加热结构直接地施加到绝缘层的背对基板的侧面。在本发明的这种实施方案中，在加热结构与绝缘层的背对基板的侧面之间没有形成另外的层。

在本发明的优选的实施方案中，加热结构不直接地与基板接触。换句话说，加热结构借助于绝缘层的形成与基板完全地电分离。加热结构优选地不与导电基板接触。

然而，其中在绝缘层与加热结构之间形成诸如钛/氧化钛或钽/氧化钽层的粘合促进剂层的实施方案也是可能的。

加热结构优选地由金属结构组成。加热结构优选地具有0.5Ω至30.0Ω、特别是0.5Ω至10.0Ω的电阻。电阻形成在加热结构的两个终端之间。

加热结构描述了结构化元件，该结构化元件触发柔性加热元件的实际加热过程。

特别是由金属结构制成的加热结构可具有任何形状。例如，形成方形形状的加热结构是可能的。形成具有基本上直线结构的加热结构也是可能的。

具体地，加热结构具有蜿蜒形状。这种蜿蜒形状可例如由连续的、交织的和/或嵌套的和/或互相啮合的线结构形成。各个部分，特别是各个线条部分可制作得相对薄。

由于所形成的结构，特别是以蜿蜒形状存在的加热结构可覆盖任何期望大小的区域。要加热的物体的这种大区域引起均质产生的表面温度。

加热结构可由结构化金属箔形成。如果关于加热结构存在这种设计，则可在单独过程中制造加热结构并随后将其施加到绝缘层。

在本发明的另外的实施方案中，优选地由结构化金属箔形成的加热结构可浮到绝缘层上并附连到该绝缘层。

此外，加热结构可由包含金属的糊状物和/或包含金属的油墨来制造。在印刷的情况下，特别是在丝网印刷方法的情况下，可将这种包含金属的糊状物和/或油墨施加到绝缘层。

在本发明的特别优选的实施方案中，加热结构由包含贵金属的糊状物制造。具体地，贵金属可以是铂和/或银和/或金。

在本发明的另外的实施方案中，加热结构是借助于薄箔金属沉积制造的金属结构。

优选地，至少一个加热结构包括至少两个接触焊盘或连接到至少两个接触焊盘。优选地，至少两个接触焊盘形成在绝缘层的背对基板的侧面上。

如果柔性加热元件的加热结构不包括任何接触焊盘，则加热结构将包括至少两个连接，每个连接电连接到外部。

在本发明的另外的实施方案中，钝化层可至少部分地形成在加热结构上，即形成在加热结构的背对基板的侧面上。这种钝化层优选地是玻璃和/或陶瓷层。钝化层可包含聚合物材料、特别是交联聚合物。

在本发明的一个可能的实施方案中，钝化层借助于气溶胶沉积法(ADM)制造。

此外，柔性加热元件可完全地被钝化层、特别是电绝缘玻璃和/或陶瓷层包围，或者被封装在这种层中。在本发明的这种实施方案中，加热结构的接触焊盘和/或连接部至少部分地不含这种钝化层。换句话说，加热结构的至少两个接触焊盘和/或至少两个终端未被完全地涂覆钝化层。

在本发明的另外的实施方案中，加热结构可形成在两个基板部分之间，其中两个基板部分通过折叠基板来形成。本发明的这种实施方案实现了在加热结构与基板之间的良好的热传递。

此外，加热结构可形成在两个基板部分之间，其中基板部分彼此分开地形成。换句话说，加热结构可以以形成夹层结构的方式形成在两个单独基板部分之间。特别是当特别地使用表面氧化的金属箔作为基板时，在两个基板部分之间形成的加热结构的这种形成是可能的。基板部分的连接也可通过滚压结合或激光焊接来产生。内部加热结构也可通过至少两个基板部分彼此抵靠的张紧来保持和压紧。本发明的这个实施方案使得实现在加热结构与基板之间的良好的热传递。

在本发明的另外的实施方案中，基板部分可被不同地设计。这例如涉及基板部分的材料。不同氧化的金属箔可形成两个不同的基板部分。在本发明的这种实施方案中，柔性加热元件可具体地针对每个安装情况或针对具体应用领域进行指定和调适。

如果在两个单独基板部分之间形成加热结构，则也将形成两个绝缘层部分。绝缘层部分彼此分开地形成或通过折叠单个绝缘层来形成。换句话说，加热结构形成在两个绝缘层部分之间，由此绝缘层部分继而又形成在两个基板部分之间。

绝缘层部分可被焊接、特别是点焊到基板部分。

表现出至少250℃的耐温性的根据本发明的柔性加热元件由于根据本发明的材料选择和根据本发明的层厚度选择而具有平坦设计。这种平坦设计使得柔性加热元件能够在结构受限的应用中使用。

与现有技术的加热元件相比，借助根据本发明的柔性加热元件，可形成更大的表面，即柔性加热元件的更大的正面和/或背面。由于这种大的表面或大的正面和/或背面，从柔性加热元件到要加热的物体的良好的热传递是可能的。

在本发明的一个可能的实施方案中，柔性加热元件未被设计成是平坦的。例如，柔性加热元件可弯曲。

在一个可能的实施方案中，柔性加热元件被弯曲成中空主体。换句话说，柔性加热元件具有中空主体的形状、特别是圆柱体的形状。

如果柔性加热元件被设计为中空主体、特别是圆柱体的形状，则中空主体具有圆形横截面。横截面优选地是至少2mm、特别是至少3mm。借助柔性加热元件，因此，可提供这样的加热元件，其可定位在小部件中。特别地，根据本发明的柔性加热元件可在电吸烟装置中使用。

为了在中空主体、特别是圆柱形形状的中空主体中形成柔性加热元件，例如，将基板的两个侧边缘朝彼此弯曲。然后面对彼此的侧边缘可例如彼此邻接地布置。

此外，基板的面对彼此的侧边缘由于柔性加热元件的弯曲而可彼此重叠或间隔地形成。如果面对彼此的侧边缘彼此间隔地形成，则将形成具有纵向间隙的圆柱形形状。面对彼此的侧边缘的实际布置可取决于之后的安装情况或基于柔性加热元件的应用领域而被不同地设计。

此外，如果柔性加热元件被设计成是弯曲的，则可借助于紧固元件将柔性加热元件锁定于弯曲形状。换句话说，柔性加热元件可包括紧固元件，其中柔性加热元件的弯曲形状借助于紧固元件来维持。

在本发明的一个实施方案中，紧固元件可以凸缘状方式形成。凸缘状紧固元件可具有环或套筒的形状。凸缘状紧固元件可例如由金属或陶瓷形成。这些材料被证明是特别温度稳定的。由于柔性加热元件的弹簧效应，柔性加热元件特别容易紧密地配合在凸缘状紧固元件上，以便能够简单地保持柔性加热元件的形状。

在本发明的另外的实施方案中，紧固元件可以覆盖物的方式设计。这种覆盖物或覆盖物状紧固元件优选地布置在所形成的中空主体的、特别是所形成的圆柱体的至少一个端部上。优选地，覆盖物状紧固元件被推到中空主体的、特别是圆柱体的端部上，使得覆盖物状紧固元件稳定中空主体、特别是圆柱体。

在本发明的另外的实施方案中，可以使得在柔性加热元件的弯曲状态下、即在中空主体、特别是圆柱体的形成期间在中空主体、特别是圆柱体中以产生对应开口、特别是狭槽的方式调适或选择柔性加热元件的基板的形状。

例如，柔性加热元件的基板可包括侧向凹陷部。例如，柔性加热元件的基板可具有蜿蜒侧边缘轮廓。柔性加热元件的基板的侧向凹陷部可延伸直至基板的中部。

此外，基板的侧向凹陷部可将在基板的相对侧边缘上形成，使得该侧向凹陷部交替地延伸直至基板的中部或超过该基板的中部。

在本发明的另外的实施方案中，可将弯曲的柔性加热元件、特别是中空主体类型(特别是圆柱形)的柔性加热元件布置在套筒中。这种套筒也可称为覆盖套筒。套筒优选地由金属、特别是铝或钢制成。这种套筒、特别是这种覆盖套筒保护柔性加热元件。在优选的实施方案中，套筒与加热元件或至少与位于加热元件上的导体迹线电分离。在优选的实施方案中，通过经由在加热元件与套筒之间的机械接触的热流来加热套筒。在特别优选的实施方案中，弯曲的加热元件通过其自身的弹簧力被压贴在套筒壁上。

柔性构型准许在柔性加热元件与具有不平表面的要加热的物体之间的改进的热接触，并且因此允许物体的快速且能量有效的加热。

由指定材料并以所指示的层厚度形成绝缘层实现基板的快速且能量有效的加热。

由于关于柔性加热元件的材料和/或层厚度的选择，加热元件还具有低热质量，使得加热元件的快速且能量有效的加热成为可能。

本发明的另外的方面涉及一种用于制造根据本发明的柔性加热元件的方法。关于各个方法方面，参考关于根据本发明的加热元件的说明。关于制造加热元件的各个方面已经被包含在说明书的前面部分中。

根据本发明的用于制造根据本发明的加热元件的方法包括以下步骤：

a)提供由金属箔形成的基板，

b)在基板的至少一个侧面上形成至少一个绝缘层，以及

c)将加热结构施加到绝缘层的背对基板的侧面。

在步骤b)中，为了形成绝缘层：

-借助于阳极化方法或硬阳极化方法来产生阳极化的金属氧化物层，

或

-在至少800℃的氧化温度下进行氧化方法，

或

-将铝层施加到基板的至少一个侧面，并且然后，在800℃至1,200℃的温度下借助于氧化来产生氧化铝层，

或

-借助于ADM方法或CVD方法或CSD方法或PVD方法将电绝缘层施加到基板的至少一个侧面。

在步骤c)中，为了施加加热结构：

-将结构化金属元件、特别是结构化金属箔元件施加到绝缘层，

或

-借助于薄箔金属沉积将加热结构形成在绝缘层上，

或

-通过印刷包含金属的糊状物或包含金属的油墨来将加热结构形成在绝缘层上。

在根据本发明的方法的另外的实施方案中，规定将钝化层至少部分地施加到加热结构。

钝化层优选地施加到加热结构的整个上侧。如果加热结构包括接触焊盘，则接触焊盘至多部分地设置有钝化层。优选地，形成不含任何钝化层的接触焊盘。这使得可以以相应简单的方式电接触接触焊盘。

根据本发明的用于制造加热元件的方法的特征在于特别简单的方法和成本有效的具体实施。

在根据本发明的方法的另外的实施方案中，步骤a)至c)在基板条和/或基板板上进行。

各个基板的形状被引入到基板条和/或基板板上。为此，基板在这些侧面上与基板条和/或基板板分离。基板在角部和/或各个侧部处不与基板条和/或基板板脱离，使得各个基板继续连接到基板条和/或基板板。

在这种目前的形式中，可进一步处理各个基板，使得步骤b)至c)可一起进行。

最后，将各个基板与基板条和/或基板板分离。

根据本发明的用于制造根据本发明的加热元件的方法还可包括步骤d)。在步骤d)中，可就基板的形状机械地加工基板。在步骤d)中，可将基板切割成形和/或冲压基板。步骤d)可在步骤b)和c)之间进行。

另选地，步骤d)可在步骤c)之后进行。换句话说，基板的机械加工也可在将加热结构施加到绝缘层之后进行。特别是当绝缘层基于氧化方法来由基板形成时，步骤d)的这种实施方案是可能的。特别地，这在应用热氧化方法或阳极化方法来制造绝缘层的情况下是可能的。

由于执行步骤d)的可能性，可不同地设计柔性加热元件的形状，其中在基板的制造期间必须已经观察到形状的效果不存在限制。

这简化了根据本发明的加热元件的制造。

本发明的另外的方面涉及根据本发明的柔性加热元件的用途。根据本发明的用途提供了柔性加热元件结合温度传感器和/或结合温度传感器芯片和/或在电吸烟装置中的用途。

可使用根据本发明的柔性加热元件作为温度传感器。在这种应用情况下，测量加热结构的电阻，其中可借助温度-电阻特性曲线来检测要测量的温度。

此外，柔性加热元件可包括温度传感器。温度传感器可布置在柔性加热元件的绝缘层上。温度传感器可采用金属结构的形式、特别是铂结构的形式。

此外，温度传感器芯片可将形成为集成在柔性加热元件上和/或柔性加热元件中。

根据本发明的柔性加热元件可特别地用于加热和热调节任何种类的物体。这是由于柔性加热元件的有利的柔性且同时耐温的设计所致。

特别是优选地，柔性加热元件可用于快速地加热具有小质量的或液体或气体的平坦制品。在这种情况下，柔性加热元件可压贴在要加热的物体的(平坦)表面上，以便实现有效的热传递。用于将加热元件压贴在其周围环境上的力也可基于弯曲加热板的弹簧效应。

由于柔性加热元件的平坦且柔性的设计，根据本发明的加热元件还可用于不应当与厚或刚性加热元件接触的布置中。柔性加热元件在电池封装(诸如燃料电池或电池组)中的用途可作为示例进行引述。

此外，可将根据本发明的加热元件应用于电子部件诸如半导体或传感器。可借助于根据本发明的加热元件将电子部件诸如半导体或传感器加热到期望的操作温度，并且然后可维持对应的操作温度。

根据本发明的柔性加热元件的另外的用途是结合纺织品和/或衣物的用途。

此外，柔性加热元件作为加热头和/或加热条用于层压或焊接塑料材料的用途是可能的。

此外，根据本发明的柔性加热元件可在电吸烟装置中使用。该电吸烟装置优选地是用于植物物质(诸如烟草)或有机液体或醇提取物的无燃烧吸烟的电吸烟装置。液体可以是例如包含烟碱的溶液。

如果电吸烟装置将用于植物物质的无燃烧吸烟，则将植物材料压入焊盘中并与赋形剂(诸如甘油)混合。这种焊盘放置在电吸烟装置的柔性加热元件上并因机械闭合而被压到柔性加热元件上。

由于加热元件的柔性，加热元件适于焊盘的表面形状并形成良好的热接触。柔性加热元件被电加热到高达300℃的温度，以便能够在不燃烧的情况下提取包含在焊盘中的物质。

由于柔性加热元件不包含聚合物或其他有机化合物，因此在柔性加热元件的加热期间，不产生对所产生的气溶胶的吸入有害的有机分解产物。

如果电吸烟装置用于液体的无燃烧吸烟，则液体在柔性加热元件的表面的方向上从贮存器运输并在该柔性加热元件处蒸发。特别地，液体借助于芯部或多孔主体从贮存器到达柔性加热元件的表面。

在下文中，根据实施方案1至5，具体说明不同柔性加热元件和用于制造这些柔性加热元件的各种方法。

实施方案1：

柔性加热元件包括由阳极化的铝箔形成的导电基板。基板具有100μm的基板厚度。绝缘层由氧化铝层形成。绝缘层厚度为约5μm。氧化铝层在氧化物的表面与金属箔的金属芯之间表现出高电绝缘。这特别地适用于低电压。

加热结构由金属箔形成、具体地是由镍-铬(NiCr)箔形成。加热元件厚度为大约50μm。加热结构被设计成使得从镍-铬箔(比电阻Ro＝132μΩ*cm)冲压出具有1mm的线宽和50mm的长度的蜿蜒部。接触焊盘位于加热结构的相应端部处，即位于终端处。这些接触焊盘具有5mm的宽度。在两个接触焊盘之间存在1.3Ω的电阻。

在制造加热结构之后，将加热结构放置在绝缘层(氧化铝层)的背对基板的侧面上。然后，折叠金属箔(铝箔)，使得加热结构形成或布置在两个基板部分之间。加热结构在阳极化的铝箔的凹坑中是松散的并能够在这个凹坑中自由地移位。

如此存在的结构可以是弯曲的，以便将加热结构固定在所形成的基板凹坑中。此外，由于曲率，确保了在加热结构与基板之间的良好的热传递。

实施方案2：

基板和绝缘层的结构对应于根据实施方案1的结构。

加热结构由铁-镍(FeNi)箔(Ro＝72μΩ*cm)制造。因此，加热结构的电阻为0.72Ω。关于加热结构的这种材料选择的优点在于，铁-镍具有高正电阻温度系数，并且因此，加热结构具有自调节性质。

这意味着加热结构的电阻随温度的升高而增大，并且防止加热结构过热。

实施方案3：

根据实施方案1所述的结构制造基板和绝缘层。加热结构借助于丝网印刷来制造。为此，通过筛将银烧结糊状物施加到绝缘层的背对基板的侧面。此外，银烧结糊状物可包含金属氧化物和/或有机组分和/或研磨玻璃料。

随后，在大约400℃的温度下烘烤银烧结糊状物。由于使用金属箔、特别是铝箔作为导电基板，应用这种温度是可能的。

实施方案4：

根据这个实施方案，使用所谓的KAT金属片作为基板。这种金属片面板由铁-铬铝(FeCrAl)合金形成。

为了形成绝缘层，使KAT金属片在空气中在超过1,000℃、特别是1,050℃至1,200℃下氧化。金属片的边缘也因此被氧化。然后，可将加热结构作为银烧结糊状物施加到绝缘层。

实施方案5：

实施方案5还提供KAT面板的用途。将优选地具有矩形形状的各个基板与由KAT金属片制成的箔组成的坯件分离，而不使它们从坯件完全地脱离。这种布置是通过使各个基板在其侧面处与坯件分离而产生的。在角部处，各个基板保持连接到坯件。

在这种布置中，即在连接到坯件的状态下，可进一步处理基板。特别地，对于所有基板，阳极化和将加热结构施加到各个基板可在单个步骤中进行。基板与坯件的分离可例如借助于冲压和/或激光切割来实现。

下面参考附图使用示例性实施方案更详细地解释本发明。

在附图中：

图1a是根据本发明的柔性加热元件的平面图；

图1b以侧视图示出了柔性加热元件；并且

图2示出了关于柔性加热元件的另外的实施方案。

根据本发明的柔性加热元件10基本上包括五个层或元件。

加热元件10包括基板15、绝缘层20、加热结构30、接触焊盘31和32，以及钝化层40。

柔性加热元件10具有至少250℃的耐温性。

导电基板15由金属箔形成。基板包括面向上的第一侧面16和面向下的第二侧面17。

绝缘层20形成在基板15的第一侧面16上。绝缘层20继而具有第一侧面21和第二侧面22。第二侧面22搁置在基板15上。相比之下，绝缘层20的第一侧面21背对基板15。

加热结构30形成在绝缘层20的背对基板15的侧面21上。加热结构30具有蜿蜒形状。这个加热结构30优选地被设计为结构化金属箔元件。这个金属箔元件30可被施加到绝缘层20的第一侧面21。

钝化层40附加地被施加到加热结构的背对基板15或绝缘层20的侧面33。由于加热结构30的蜿蜒形状，钝化层40还达到绝缘层20的侧面21的未被加热结构30覆盖的部分。

加热结构30包括在两个端部处的接触焊盘31和32或连接到这些接触焊盘31和32。钝化层40完全地覆盖加热结构。此外，钝化层40部分地覆盖接触焊盘31和32。

所示的加热元件厚度DH小于1.0mm。基板15具有0.02mm至0.5mm的基板厚度DS。绝缘层20具有0.2μm至30μm的绝缘层厚度DI。

加热元件10是柔性地设计的，其中加热元件10的柔性被定义为加热元件10的正面11或背面12在至少30mm、特别是至少25mm、特别是至少20mm、特别是至少10mm、特别是至少0.5mm的弯曲半径处的相对偏转。

根据本发明的柔性加热元件根据以下方法步骤制造：

a)首先提供由金属箔形成的基板15。所用的金属箔优选地是由形成在阴离子氧化期间具有高电绝缘的致密金属氧化物层的材料制成的箔。特别适合的金属箔是由铝、钢、钛、铌或钽制成的箔。包含铬和铝的合金特别地适合作为钢箔。例如，这些合金是FeCrAl合金。

b)在这个步骤中，在基板15的第一侧面16上形成至少一个绝缘层。例如，通过阴离子氧化来制造绝缘层20。这种绝缘层20是阳极化的金属氧化物层。

c)在这个步骤中，将加热结构30施加到绝缘层20的背对基板20的侧面21。可通过制造结构化金属箔元件来在上游方法中提供加热结构30。随后，可将这个加热结构施加到绝缘层20的侧面21。

接触焊盘31和32可被形成为加热结构30的一部分。另选地，可将接触焊盘31和32提供作为单独元件或部件。

例如，接触焊盘31和32可由烧结糊状物材料形成。这种烧结糊状物材料被施加到绝缘层20的侧面21。如果接触焊盘31和32是单独部件，则加热结构30必须连接到接触焊盘31和32。

最后，将钝化层40施加到加热结构30的面向上的侧面33。接触焊盘31和32也部分地涂覆有钝化层40。

图2示出了关于柔性加热元件10的另选的实施方案。可以看出，加热元件10还可包括多个基板部分，即第一基板部分15a和第二基板部分15b。所示的基板部分15a和15b彼此分开地形成。基板部分15a和15b可由不同材料形成。

绝缘层部分20a或20b继而形成在每个基板部分15a和15b的第一侧面16上。基板部分的第一侧面16是面向内的侧面。基板部分15a和15b的第二侧面17各自面向外，并且由此形成加热元件的外表面。

图2示出了柔性加热元件10可弯曲。特别地，加热元件10可以以将加热元件10形成圆柱形中空主体的形状的方式进一步弯曲。取决于基板部分15a和15b的侧边缘18彼此间隔开的程度或例如设计成重叠的程度，中空主体、特别是圆柱形中空主体还可包括狭槽形凹陷部。

加热结构30形成在两个绝缘层部分20a和20b之间。基于图2所示的实施方案，形成加热元件10的某一类型的夹层布置。加热结构30以使得导电基板部分15a和15b彼此不叠置或彼此不直接地电接触的方式布置。

加热结构30以使得绝缘层部分20a和20b各自在第一侧面21上彼此指向或彼此至少部分地邻接的方式嵌入在绝缘层部分20a和20b之间。

加热元件10的各个层可例如通过示出的焊点50彼此连接。如图2所示的柔性加热元件10特别地适用于电吸烟装置中。

附图标记的列表

10 加热元件

11 加热元件的正面

12 加热元件的背面

15 基板

15a、15b 基板部分

16 基板的第一侧面

17 基板的第二侧面

18 侧边缘

20 绝缘层

20a、20b 绝缘层部分

21 绝缘层的第一侧面

22 绝缘层的第二侧面

30 加热结构

31 第一接触焊盘

32 第二接触焊盘

33 加热结构的侧面

40 钝化层

50 焊点

DH 加热元件的厚度

DS 基板的厚度

DI 绝缘层的厚度

Claims

1.一种表现出至少250℃、特别是至少300℃的耐温性的柔性加热元件(10)，所述柔性加热元件包括：

-导电基板(15)，所述导电基板由金属箔形成，

-绝缘层(20)，所述绝缘层形成在所述基板(15)的至少一个侧面(16)上，和

-加热结构(30)，所述加热结构形成在所述绝缘层(20)的背对所述基板(15)的侧面(21)上，

其中所述加热元件(10)具有小于1.0mm的加热元件厚度(DH)，所述基板(15)具有0.02mm至0.5mm的基板厚度(DS)，并且所述绝缘层(20)具有0.2μm至30μm的绝缘层厚度(DI)。

2.根据权利要求1的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述绝缘层(20)是金属氧化物层、特别是固有生长的或阳极化的金属氧化物层，或者是金属氮化物层或金属氧化物氮化物层。

3.根据权利要求2的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述绝缘层(20)包含氧化铝(Al₂O₃)，和/或钛酸铝(Al₂TiO₅)，和/或二氧化钛(TiO₂)，和/或二氧化硅(SiO₂)，和/或氧化硅(SiO)，和/或氧化镁(MgO)，和/或钛酸镁(MgTiO₃)，和/或二元二氧化锆合金，和/或三元二氧化锆合金，和/或氮化硼(BN)，和/或氮化铝(AlN)，和/或氮化硅(Si₃N₄)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述绝缘层(20)是借助于气溶胶沉积法(ADM)来制造的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述加热元件(10)的柔性被定义为所述加热元件(10)的正面(11)或背面(12)在至少30mm、特别是至少25mm、特别是至少20mm、特别是至少10mm、特别是至少0.5mm的弯曲半径处的可逆偏转。

6.根据前述权利要求中任一项所述的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述金属箔由铝(Al)和/或钢和/或钛(Ti)和/或铌(Nb)和/或钽(Ta)或它们的合金形成。

7.根据权利要求6的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述钢是FeCrAl合金，特别是X8CRAl20-5或FeCr25Al5。

8.根据前述权利要求中任一项所述的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

至少一个加热结构(30)被直接地施加到所述绝缘层(20)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述至少一个加热结构(30)形成在两个基板部分之间，所述两个基板部分是通过折叠所述基板(15)形成的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的柔性加热元件(10)，

其特征在于，

所述至少一个加热结构(30)具有至少两个接触焊盘(31,32)或连接到至少两个接触焊盘(31,32)，所述至少两个接触焊盘(31,32)形成在所述绝缘层(20)的背对所述基板(15)的所述侧面(21)上。

11.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的加热元件(10)的方法，包括以下步骤：

a)提供由金属箔形成的基板(15)，

b)在所述基板(15)的至少一个侧面(16)上形成至少一个绝缘层(20)，以及

c)将加热结构(30)施加到所述绝缘层(20)的背对所述基板(20)的所述侧面(21)。

12.根据权利要求11所述的方法，

其特征在于，

在步骤b)中，为了形成所述绝缘层(20)，

或

-在至少800℃的氧化温度下进行氧化方法，

或

-在所述基板(15)的至少一个侧面(16)上施加铝层，并且然后，在800℃至1,200℃的温度下借助于氧化来产生氧化铝层，

或

-借助于所述ADM方法或CVD方法或CSD方法或PVD方法将电绝缘层施加到所述基板(15)的至少一个侧面(16)。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，

其特征在于，

在步骤c)中，为了施加所述加热结构(30)，

-将结构化金属元件、特别是结构化金属箔元件施加到所述绝缘层(20)，

或

-借助于薄箔金属沉积将所述加热结构(30)形成在所述绝缘层(20)上，

或

-通过印刷包含金属的糊状物或包含金属的油墨来将所述加热结构(30)形成在所述绝缘层(20)上。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，

其特征在于，

将钝化层(40)至少部分地施加到所述加热结构(30)。

15.根据权利要求1至10中任一项所述的柔性加热元件(10)结合温度传感器和/或结合温度传感器芯片和/或在电吸烟装置中的用途。