DE69123767T2

DE69123767T2 - Reflektierende Mikrowellensuszeptoren mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE69123767T2
Application number: DE69123767T
Authority: DE
Inventors: Ronald R Lentz; Matthew W Lorence; Peter S Pesheck; Michael J Rice
Original assignee: Pillsbury Co
Current assignee: Pillsbury Co
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2011-02-02
Also published as: EP0442333B1; EP0442333A2; EP0442333A3; CA2035497C; DE69123767D1; ATE146751T1; US5019681A; CA2035497A1

Description

Die Mikrowellenerwärmung von Nahrungsmitteln in einem Mikrowellenofen unterscheidet sich deutlich von der herkömmlichen Erwärmung in einem herkömmlichen Ofen. Die herkömmliche Erwärmung schließt die Oberflächenerwärmung des Lebensmittels durch Energieübertragung aus einer heißen Ofenatmosphäre ein. Im Gegensatz dazu schließt die Mikrowellenerwärmung die Absorption von Mikrowellen ein, die deutlich unter die Oberfläche des Lebensmittels eindringen können. In einem Mikrowellenofen befindet sich die Ofenatmosphäre im allgemeinen auf einer relativ niedrigen Temperatur. Daher kann die Oberflächenerwärmung bzw. Erhitzung von Lebensmitteln in einem Mikrowellenofen problematisch sein.
Ein Suszeptor ist eine auf Mikrowellen ansprechende Erwärmungs- bzw. Erhitzungs- oder Heizvorrichtung, die in einem Mikrowellenofen zu Zwecken wie dem Rösten bzw. Knusprigmachen der Oberfläche eines Lebensmittelproduktes oder zum Bräunen benutzt wird. Wenn der Suszeptor der Mikrowellenenergie ausgesetzt ist, wird der Suszeptor heiß und erwärmt seinerseits die Oberfläche des Lebensmittelproduktes.
Herkömmliche Suszeptoren haben eine dünne Schicht aus Polyester, die als Substrat benutzt wird, auf der ein dünner metallischer Film aufgebracht ist. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 641 005, erteilt an Seiferth, einen herkömmlichen, metallisierten Polyesterfilmsuszeptor-Typ, der an ein Papierblatt gebondet ist. In dieser Beschreibung wird das Wort "Substrat" dazu benutzt, auf dasjenige Material hinzuweisen, auf dem die Metallschicht direkt aufgebracht ist, beispielsweise während der Vakuumverdampfung, dem Sputtern, oder dergleichen. Ein biaxial orientierter Polyesterfilm bildet das bei typischen herkömmlichen Suszeptoren verwendete Substrat.
Um der Form des Suszeptors eine gewisse Stabilität zu verleihen, wird die metallisierte Polyesterschicht typischerweise an einem Tragelement bondiert, wie etwa einem Blatt Papier oder Karton. Gewöhnlich wird der dünne Metallfilm auf der klebenden Grenzfläche zwischen der Polyesterschicht und dem Papierblatt positioniert.
Der herkömmliche, metallisierte Polyesterfilm kann jedoch nicht selber oder mit vielen Lebensmittelarten in einem Mikrowellenofen erhitzt werden, ohne daß er schwere strukturelle Änderungen erfährt: Der Polyesterfilm, anfänglich ein flaches Blatt, kann während der Mikrowellenerwärmung weich werden, runzeln, schrumpfen und möglicherweise schmilzen. Typisches Polyester schmilzt bei annähernd 220-260ºC.
Während der Erwärmung ist beobachtet worden, daß herkömmliche, metallisierte Polyestersuszeptoren dazu neigen, während der Erwärmung zu zerbrechen, auch wenn das metallisierte Polyester klebend an einem Blatt Papier gebondet ist. Ein solches Zerbrechen der metallisierten Polyesterschicht verringert das Ansprechvermögen des Suszeptors auf die Mikrowellenerwärmung. Ein herkömmlicher Dünnfilmsuszeptor wird während der Erwärmung für Mikrowellenstrahlung, als Ergebnis des Brechens, stärker durchlässig und weniger reflektierend. Ein herkömmlicher Dünnfilmsuszeptor zeigt typischerweise eine geringere Absorption für Mikrowellenstrahlung nach dem Erwärmen. Das Ansprechvermögen des herkömmlichen Suszeptors für Mikrowellenstrahlung nimmt als Ergebnis des Brechens deutlich ab.
Herkömmliche Suszeptoren unterliegen nichtumkehrbaren strukturellen und elektrischen Veränderungen, wenn sie in einem Mikrowellenofen verwendet werden. Die Verringerung des Mikrowellenabsorption des Suszeptors und die sich ergebende verringerte Fähigkeit des Suszeptors, Lebensmittel zu erhitzen, ist unumkehrbar. Weil das Brechen den Suszeptor dazu bringt, für Mikrowellen transparenter zu werden, führt dies typischerweise zu einem unerwünschten Grad von dielektrischer Erwärmung des Lebensmittels, was beispielsweise zum Zäh- bzw. Hartwerden von Brotwaren und Fleisch führt.
Seit langem ist die Notwendigkeit empfunden worden, die gesundheitsschädlichen Wirkungen des Suszeptorbruchs zu überwinden, der die zu bräunenden, knusprig zu machenden oder anderswie zu erwärmenden Nahrungsmittel beim Vorhandensein eines Mikrowellensuszeptors ungünstig beeinflussen kann. Es hat auch Bedarf nach einem Suszeptor gegeben, der bei erhöhten Koch- bzw. Backtemperaturen erheblich stärker Mikrowellen reflektiert. Es hat weiter Bedarf nach einem Suszeptor gegeben, der bei hohen Koch- bzw. Backtemperaturen einer selbstbegrenzenden Mikrowellenabsorption unterliegt, um eine temperaturgesteuerte, thermostatgeregelte, knusprige Oberfläche zu erzeugen, aber für Mikrowellenstrahlung hochgradig reflektierend bleibt.
In der Vergangenheit sind unterschiedliche Versuche unternommen worden, um Mikrowellen absorbierende Materialien mit einer maximalen Temperaturgrenze zu schaffen, die erreicht werden kann, wenn das Material der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. Frühe Versuche beruhten auf dem Curie-Effekt und benutzten ferromagnetische Materialien zum Erwärmen als Reaktion auf die magnetische Komponente des Mikrowellenenergiefeldes.
Der Curie-Effekt kann allgemein wie folgt beschrieben werden. Bestimmte Mikrowellen absorbierende Materialien, insbesondere Ferrite, haben eine Curie-Temperatur, die theoretisch eine obere Temperaturgrenze schafft, die erreicht werden kann, wenn die magnetische Komponente der Mikrowellenstrahlung zum Erwärmen benutzt wird. Wenn die Curie-Temperatur erreicht ist, bricht das Ferritmaterial die Erwärmung als Reaktion auf die magnetische Komponente des Mikrowellenfeldes ab, weil der magnetische Verlustfaktor µ" (der Imaginärteil der komplexen magnetischen Permeabilität) im wesentlichen nach Null geht. Frühere Versuche, den Curie-Effekt für temperaturbeschränkte Erwärmungsanwendungen zu benutzen, haben allgemein angestrebt, die Wärmewirkungen der elektrischen Komponente des Magnetwellenfeldes zu minimieren. Ein Material, das den Curie-Effekt zeigt, kann jedoch damit fortfahren, über die Curie-Temperatur hinaus zu erwärmen, falls der elektrische Verlustfaktor &epsi;" signifikant und das lokale elektrische Feld merklich spürbar ist.
Ein frühes Beispiel für den Versuch, den Curie-Effekt zu benutzen, wird durch das US-Patent Nr. 2 830 162 dargestellt, das an Copson et al. erteilt wurde. Copson et al. lehren aber, daß das auf seine Curie-Temperatur erhitzte Material stärker durchlässig wird - "jede weitere danach empfangene R.F.-Energie wird als R.F.-Energie ohne signifikanten Verlust übertragen"; vgl. Spalte 1, Zeilen 57-60 (die Anführungszeichen wurden hinzugefügt). Copson et al. sind also nicht imstande, einen Mikrowellensuszeptor zu offenbaren, der bei erhöhten Koch- bzw. Backtemperaturen wesentlich stärker reflektierend wirkt.
Ein Versuch, eine selbstbegrenzende Temperatur zu erzielen, ist im US- Patent Nr. 4 266 108, erteilt an Anderson et al. dargestellt. Die Literaturstelle Anderson et al. beschreibt ein Mikrowellenabsorptionsmaterial, das die magnetische Komponente der Mikrowellenenergie, statt der elektrischen Komponente der Mikrowellenenergie für das Erhitzen benutzt. Die Literaturstelle Anderson et al. beschreibt als ein "Problem": Wie kann eine Vorrichtung geschaffen werden, die die magnetische Feldkomponente der Mikrowellenenergie als Energiequelle zum Erwärmen benutzen würde, aber im wesentlichen die elektrische Feldkomponente von der Lieferung von Energie zur Erwärmung ausschließt, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern; vgl. Spalte 4, Zeile 29-34.
Die von Anderson et al. vorgeschlagene Lösung schloß das Plazieren einer metallischen, elektrisch leitenden Oberfläche, wie etwa eine Metallfolie, unmittelbar am Mikrowellen absorbierenden Material ein. An einer solchen leitenden Oberfläche ist die magnetische Komponente des Mikrowellenfeldes maximal, während die elektrische Feldkomponente einen Knoten bzw. Null oder minimal ist. Wie Anderson et al. lehrt, ist von der elektrischen Feldkomponente "wenig oder keine Energie für das absorbierende Material verfügbar"; vgl. Spalte 4, Zeilen 40-68. Anderson et al. lehren auch die Benutzung von Materialien, die ihren spezifischen elektrischen Widerstand mit der Temperatur nicht änderten; vgl. beispielsweise die Tabelle in Spalte 5, beginnend mit Zeile 23. Der Wert von &epsi;" betrug bei Raumtemperatur 0,76, und er betrug 0,76 oberhalb von 255ºC. Der Faktor &epsi;" kann in einen spezifischen Leitfähigkeitswert umgewandelt werden, oder alternativ in einen Wert des spezifischen Widerstandes. Aus dem in der von Anderson et al. offenbarten Tabelle für &epsi;" angegebenen Wert kann ersehen werden, daß sich der spezifische Widerstand nicht mit der Temperatur änderte. Die von Anderson et al. offenbarte gesamte Suszeptorstruktur besaß einen Transmissionsgrad bzw. Durchlässigkeitsfaktor von Null, weil die metallische, reflektierende Oberfläche nicht erlaubte, Mikrowellenstrahlung durch die zusammengesetzte Struktur zu übertragen.
Anstrengungen zur Benutzung des Curie-Effektes und zum Erwärmen auf der Basis der magnetischen Komponente des Mikrowellenfeldes sind durch die Tatsache beschränkt worden, daß der magnetische Verlustfaktor µ" von benutzten Materialien von einer relativ geringen Größe ist. In benutzten Materialien ist ein viel größerer Wert des elektrischen Verlustfaktors &epsi;" verfügbar, und er kann gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden, um eine wesentlich effektivere temperaturabhängige Wärmesteuerung als bei früheren Nutzungsversuchen des Curie-Effektes zu liefern. Weil der magnetische Verlustfaktor µ" klein ist, erfordern darüber hinaus praktische Vorrichtungen dicke Materialschichten, um eine signifikante Mikrowellenabsorption zu erzielen, so daß diese magnetischen Vorrichtungen dahin tendieren, teuer zu sein.
Ähnlich zeigt das US-Patent Nr. 4 190 757, erteilt an Turpin et al., die Verwendung der Curie-Temperatur mit ferromagnetischen Materialien als Mikrowellen absorbierendes Material.
Turpin et al. stellen zunächst fest, daß jede geeignete verlustbehaftete Substanz die lose auf über 212ºF erhitzt wird, als aktiver Erwärmungsbestandteil der Mikrowellenenergie absorbierenden Schicht 46 benutzt werden kann. Sie liefern dann eine Liste von vorgeschlagenen Substanzen, die aufweisen: dielektrische Materialien, wie etwa Asbest, gewisse feuerfeste Schamottsteine, Kohlenstoff und Graphit; und Oxide der Periode 8 oder andere Oxide wie etwa Chromoxid, Kobaltoxid, Manganoxid, Samariumoxid, Nickeloxid, etc.; und ferromagnetische Materialien, wie etwa Eisenpulver, einige Eisenoxide und Ferrite, einschließlich Barriumferrit, Zinkferrit, Magnesiumferrit, Kupferferrit, oder jedes der anderen gewöhnlich benutzten Ferrite und andere geeignete ferromagnetische Materialien und Legierungen, wie etwa Legierungen von Mangan, Zinn und Kupfer oder Mangan, Aluminium und Kupfer, und Legierungen von Eisen und Schwefel, wie etwa Pyrrhotin mit hexagonalen Kristallen, etc., Siliziumcarbid, Eisencarbid, Strontiumferrit und dergleichen; und was oberflächlich als "Halbleiter" bezeichnet wird, wovon Beispiele in Form von Zinkoxid, Germaniumoxid und Barriumtitanat angegeben werden.
Turpin et al. sind aber nicht in der Lage, einen Suszeptor zu lehren oder vorzuschlagen, der durchlässig ist und der für Mikrowellen bei erhöhten Temperaturen wesentlich reflektierender ist. Turpin et al. verwenden bei der beanspruchten bevorzugten Ausführungsform ein metallisches Blatt als Tragschicht 44 für das Nahrungsmittelprodukt. Bei einem solchen Beispiel würde die zusammengesetzte Struktur praktisch keine Übertragung von Mikrowellenenergie aufweisen. Die Schicht 44 wird alternativ auch in der Form vorgeschlagen, daß sie ein nicht-metallisches Mineral oder eine dünne Keramikglasur aufweist, die auf der oberen Oberfläche der wärmeabsorbierenden Schicht 46 aufgeschmolzen ist. Bei diesem Beispiel würde die zusammengesetzte Struktur als Ergebnis der Mikrowellenerwärmung nicht stärker reflektierend werden.
Das US-Patent Nr. 4 808 780, erteilt an Seaborne, offenbart Zusammensetzungen für ein keramisches Utensil, das bei der Mikrowellenerwärmung von Nahrungsmittelprodukten verwendet werden soll. Die Zusammensetzungen umfassen bestimmte Metallsalze als Zeit- und Temperaturprofilmoderatoren, zusätzlich zu einem Mikrowellen absorbierenden Material und einem Binder. Es werden bestimmte Metallsalze verwendet, um die Endtemperaturen zu dämpfen oder herabzusetzen, die bei der Mikrowellenerwärmung der keramischen Zusammensetzung erreicht werden. Andere Metallsalze werden benutzt, um die nach der Mikrowellenerwärmung erreichten Endtemperaturen zu steigern oder zu beschleunigen. Die Beschleuniger werden in zwei Gruppen unterteilt, wobei einige der Beschleuniger als Superbeschleuniger gekennzeichnet sind, die einen ausgeprägt größeren Beschleunigungseffekt zeigen. Seaborne gibt dann weiter eine Liste von Materialien an, die er für diese besondere beschränkte Anwendung als nützlich bezeichnet.
Seaborne stellt fest, daß exemplarisch nützliche Dämpfer aus der Gruppe gewählt werden, die bestehen aus: MgO, CaO, B&sub2;O&sub3;, Alkalimetalle der Gruppe IA (Li, Na, K, Cs, etc.), Verbindungen von Chloraten (LiClO&sub3;, etc.), Metaborate (LiBO&sub2;, etc.), Bromide (LiBr, etc.), Benzoate (Li-CO&sub2;C&sub6;H&sub5;, etc.), Dichromate (Li&sub2;Cr&sub3;O&sub7;, etc.), alle Calciumsalze, SbCl&sub3;, NH&sub4;Cl, CuCl&sub2;, CuSO&sub4;, MgCl&sub2;, ZnSO&sub4;, Sn(II)-Chloride, Vanadylsulfat, Chromchlorid, Cäsiumchlorid, Kobaltchlorid, Nickelammoniumchlorid, TiO&sub2; (Rutil und Anatas), und Mischungen derselben. Seaborne sagt, daß exemplarisch nützliche Beschleuniger gewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus: Gruppe IA-Alkalimetallen (Li, Na, K, Cs, etc.), Chloridverbindungen (LiCl, etc.), Nitrite (LiNO&sub2;, etc.), Nitrate (LiNO&sub3;, etc.), Iodide (LiI, etc.), Bromate (LiBrO&sub3;, etc.), Fluoride (LiF, etc.), Carbonate (LiI, etc.), Phosphate (Li&sub3;PO&sub4;, etc.), Sulfite (Li&sub2;SO&sub3;, etc.), Sulfide (LiS, etc.), Hypophosphite (LiH&sub2;PO&sub2;, etc.), BaCl&sub2;, FeCl&sub3;, Natriumborat, Magnesiumsulfat, SrCl&sub2;, NH&sub4;OH, Sn(IV)-Chloride, Silbernitrate, TiO, Ti&sub2;O&sub3;, Silbercitrate und Mischungen davon. Seaborne stellt weiter fest, daß "Superbeschleuniger" aus einer Gruppe gewählt werden, bestehend aus: B&sub4;C, ReO&sub3;, CuCl, Eisenammoniumsulfat, AgNO&sub3;, Gruppe 1A-Alkalimetalle (Li, Na, K, Cs, etc.), Hydroxidverbindungen (LiOH, etc.), Hypochlorite (LiOCl, etc.), Hypophosphate (Li&sub2;H&sub2;P&sub2;O&sub6;, Na&sub4;P&sub2;O&sub6;, etc.), Bicarbonate (LiHCO&sub3;, etc.), Acetate (LiC&sub2;H&sub3;O&sub2;, etc.), Oxalate (Li&sub2;C&sub2;O&sub4;, etc.), Citrate (Li&sub3;C&sub6;H&sub5;O&sub7;, etc.), Chromate (Li&sub2;CrO&sub4;, etc.), und Sulfate (Li&sub2;SO&sub4;, etc.), und Mischungen derselben. Andere exemplarisch nützliche Beschleuniger, die von Seaborne aufgelistet werden, sind bestimmte hoch ionenhaltige Metallsalze von Natrium, Magnesium, Silber, Barium, Kalium, Kupfer und Titan, einschließlich beispielsweise NaCl, NaSO&sub4;, AgNO&sub3;, NaHCO&sub3;, KHCO&sub3;, MgSO&sub4;, Natriumcitrat, Kaliumacetat, BaCl&sub2;, KI, KBrO&sub3; und CuCl. Der von Seaborne identifizierte bevorzugteste Beschleuniger ist gewöhnliches Salz wegen seiner geringen Kosten und seiner Verfügbarkeit; vgl. Spalte 7, Zeile 55 bis Spalte 8, Zeile 23.
Seaborne war nicht in der Lage zu entdecken, daß bestimmte Materialien benutzt werden können, einen Suszeptor herzustellen, der bei erhöhten Koch- bzw. Backtemperaturen wesentlich stärker mikrowellenreflektierend wird und der eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht aufweist, deren Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zunimmt.
In der vorliegenden Beschreibung wird der Ausdruck "Halbleiter" benutzt, um auf Material zu verweisen, das üblicherweise als Halbleitermaterial bekannt ist, wie etwa Silicium und Germanium. Halbleiter bilden eine Klasse von Materialien, die elektrische Leitfähigkeiten zwischen Metallen und Isolatoren zeigen. Diese Zwischenleitfähigkeitsmaterialien sind durch die große Empfindlichkeit ihrer elektrischen Leitfähigkeiten in bezug auf Probenreinheit, Kristallperfektion und äußere Parameter, wie etwa Temperatur, Druck und Frequenz des angelegten elektrischen Feldes gekennzeichnet. Beispielsweise kann die Beigabe von weniger als 0,01 % eines besonderen Verunreinigungstyps die elektrische Leitfähigkeit eines typischen Halbleiters, wie Silicium und Germanium, um sechs oder sieben Größenordnungen steigern. Im Gegensatz dazu tendiert die Beigabe von Verunreinigungen an typische Metalle und Halbmetalle dahin, die elektrische Leitfähigkeit zu verringern, doch ist diese Verringerung gewöhnlich klein. Weiter nimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern charakteristischerweise zu, manchmal um mehrere Größenordnungen, wenn die Temperatur gesteigert wird. Andererseits nimmt die Leitfähigkeit von Metallen und Halbmetallen charakteristischerweise ab, wenn die Temperatur gesteigert wird, wobei die relative Größe dieser Abnahme wesentlich kleiner ist als es die charakteristischen Änderungen bei Halbleitern sind; vgl. Encyclopedia of Physics, (2. Ausgabe 1994), herausgegeben von Robert M. Besancon und veröffentlicht durch die Van Nostrand Reinhold Company, Seiten 835-42, die hier durch Bezugnahme einbezogen sind.
In einigen früheren Patentbeschreibungen wurde dem Ausdruck "halbleitend" eine unterschiedliche Bedeutung gegeben. In einigen veröffentlichten Patentschriften wurden dünne Metallfilme als "halbleitend" bezeichnet bei dem Versuch, die Tatsache zu beschreiben, daß der dünne Film einen meßbaren Oberflächenwiderstand aufwies und sich erwärmte, wenn er der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wurde. Ein Beispiel dafür ist in dem US-Patent Nr. 4 267 420, erteilt an Brastad, zu sehen, in welchem gesagt ist "in Ermangelung eines endgültig definitiven Gattungsnamens in den breiter gefaßten Ansprüchen wird der Ausdruck 'halbleitend' benutzt"; vgl. Spalte 5, Zeilen 28-30. Man vergleiche auch US-Patent Nr. 4 735 513, erteilt an Watkins et al., Spalte 5, Zeilen 36-45; US-Patent Nr. 4 825 025, erteilt an Seiferth, in Spalte 1, Zeilen 37-37; US-Patent Nr. 4 230 924, erteilt an Brastad et al., Spalte 6, Zeilen 24-28 und US-Patent Nr. 4 777 053, erteilt an Tobelmann. Dünne Filme aus Metall, wie etwa Aluminium, Chrom, Silber, Gold, etc. sollen nicht unter die Bedeutung des Ausdruckes "Halbleiter" fallen, wie es hier geschieht. In der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird der Ausdruck "Halbleiter" in Übereinstimmung mit der traditionell akzeptierten Bedeutung verwendet, sich auf Halbleiter wie Germanium und Silicium zu beziehen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere mit Halbleitern befaßt, deren Leitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt.
Das US-Patent Nr. 4 283 428, erteilt an Winters et al., offenbart einen verlustbehafteten chemischen Suszeptor, der, wenn er dauernd der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, schließlich weitgehend mikrowellentransparent wird. Andere Patente, die bei einer Recherche nach dem Stand der Technik entdeckt wurden und die einen allgemeinen Hintergrund des Standes der Technik geben, sind: US-Patent Nr. 4 691 186, erteilt an Shin et al., US- Patent Nr. 4 518 651, erteilt an Wolfe, Jr., US-Patent Nr. 4 236 055, erteilt an Kaminaka und US-Patent Nr. 3 853 612, erteilt an Spanoudis.
Aus der obigen Beschreibung geht deutlich hervor, daß herkömmliche Suszeptoren Probleme und Nachteile gezeigt haben, und daß sie nicht für alle Anwendungen und Zwecke voll befriedigend waren. Der Bedarf nach einem Suszeptor, der betrieblich in der Lage ist, die Oberfläche von Nahrungsmitteln zu bräunen und knusprig zu machen, der aber nicht die gesundheitsschädlichen Wirkungen des Zerbrechens zeigt, und der für Mikrowellen wesentlich stärker reflektiert und bei erhöhten Koch- bzw. Backtemperaturen weniger absorbierend ist, ist offensichtlich.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 9 und 13 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Anteil der Mikrowellenenergie, der absorbiert wird, in bezug auf den Oberflächenwiderstand für zwei Beispiele von Suszeptoren wiedergibt, dargestellt für Nahrungsmittelprodukte vor und nach dem Erhitzen.
Fig. 2 ist ein Dreikoordinatendiagramm, das die gemessenen Werte des Absorbtionsgrades, des Reflexionsgrades und des Transmissionsgrades für zwei Beispiele herkömmlicher Suszeptoren, vor und nach dem Erhitzen von Nahrungsmittelprodukten zeigt.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Suszeptors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Suszeptors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Suszeptors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 5A ist ein Dreikoordinatendiagramm, das temperaturabhängige Werte der Reflektion, Absorption und Transmission für einen Suszeptor aus Titansesquioxid darstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 6 ist ein Dreikoordinatendiagramm, das temperaturabhängige Werte der Reflexion, Absorption und Transmission für einen Halbleitersuszeptor darstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 7 ist ein theoretisches Diagramm, das die Reflexion, Absorption und Transmission als Funktion des Oberflächenwiderstandes für ein Freiraum-Suszeptormodell darstellt.
Fig. 7A ist ein Diagramm, das Änderungen in bezug auf die Reflexion, Absorption und Transmission als Funktion der Temperatur für einen Suszeptor aus Titansesquioxid darstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 7B ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit bestimmter Materialien im Interessenbereich der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7C ist ein der Fig. 7B ähnliches Diagramm, das die Vergrößerung eines Bereichs von besonderem Interesse zeigt.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Suszeptors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und ein Halbleiterwafer umfaßt.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit der Absorption für zwei Germanium-Halbleitersuszeptoren zeigt, die jeweils entsprechend eine Raumtemperatur-Oberflächenimpedanz von 15 bzw. 500 Ohm pro Fläche zeigt.
Fig. 10 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Netzwerkanalysator-Testgerätes zum Testen des Temperaturansprechverhaltens von Suszeptoren.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das die berechnete Absorption relativ zur Temperatur für fünf Germanium-Halbleitersuszeptoren mit unterschiedlicher Dicke zeigt.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit des Oberflächenwiderstandes für Silicium, Germanium, Galliumantimonid (GaSb) und Titansesquioxid (Ti&sub2;O&sub3;) zeigt.
Fig. 13 ist eine schematische Querschnittsansicht von zwei Suszeptoren, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform zum Kochen bzw. Braten eines Stückes Fleisch aufgebaut ist.
Fig. 14 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung, bei der zwei Suszeptoren, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgebaut sind, zum Backen von Biscuit verwendet wurden.
Fig. 15 ist ein Diagramm, das die temperaturabhängige Impedanz eines Suszeptors aus Titansesquioxid (Ti&sub2;O&sub3;) mit einem Aluminiumsuszeptor vergleicht.
Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit des Oberflächenwiderstandes für Halbleitersuszeptoren zeigt, die unterschiedliche Dotierungspegel und eine entsprechende Raumtemperaturimpedanz zeigen.
Fig. 17 ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht eines Sputtergerätes, das für die Herstellung eines Suszeptors gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
Fig. 18A zeigt eine Draufsicht eines Abschnittes eines Suszeptors, dessen aktive Schicht aus einem Material hergestellt ist, das mit metallischen Platten bzw. Plättchen durchsetzt ist.
Fig. 18B ist eine Kantenansicht des in Fig. 18A dargestellten Materials.
Fig. 18C ist eine Kantenansicht eines Suszeptors, ähnlich der Fig. 18B, aber mit zufällig orientierten Platten.
Fig. 19 ist ein Diagramm, das die Wirkungen von Dotierstoffen auf die Veränderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur für Germanium zeigt; und
Fig. 20 ist ein Balkendiagramm, das die Wirkung von leitenden Farbflecken auf die Erwärmung eines Siliciumbarrens zeigt.
Die Fähigkeit eines Suszeptors, Nahrungsmittel zu bräunen oder knusprig zu machen, wird weitgehend durch die komplexe Oberflächenimpedanz des Suszeptors sowie durch Änderungen der Oberflächenimpedanz während des Kochens bzw. Backens bestimmt. Die meisten Mikrowellenöfen arbeiten mit einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz. Die Oberflächenimpedanz des Suszeptors kann bei der Frequenz des Mikrowellenofens von beispielsweise 2,45 GHz mit einem Netzwerkanalysator gemessen werden.
Die Wirkung des Suszeptorbruchs auf die Oberflächenimpedanz kann aus Tabelle 1 ersehen werden, die die Oberflächenimpedanzen für herkömmliche Suszeptoren zeigt, die mit einem Netzwerkanalysator vor und nach der Mikrowellenbestrahlung jedes Produktes gemäß den Verpackungsrichtlinien gemessen wurden. Die Daten in Tabelle 1 zeigen, daß die dominierende elektrische Wirkung des Zerbrechens in einer starken Zunahme des imaginären Anteils der Oberflächenimpedanz besteht, bei einer diese begleitenden dramatischen Abnahme der Suszeptorabsorption und -reflexion und einer zunehmenden Mikrowellentransmission bzw. -übertragung. Wenngleich nicht beabsichtigt ist, an irgendeine besondere Theorie gebunden zu werden, zeigt die mikroskopische Untersuchung von herkömmlichen Suszeptoren aus aluminisiertem Polyethylenterephthalat (PET) vor und nach dem Kochen bzw. Backen in der Mikrowelle, daß die beobachteten elektrischen Änderungen mit dem Aussehen von mikroskopischen und makroskopischen Rissen und anderen Ungleichmäßigkeiten in der leitenden, mikrowelleninteraktiven Schicht des Suszeptors korrelieren. TABELLE 1
Hochsignifikant bei den obigen Beobachtungen der Wärmewirkungen eines herkömmlichen Suszeptors ist die erhebliche Abnahme der Reflexion (R) als Ergebnis der Erwärmung. Die Transmission (T) stieg als Ergebnis der Erwärmung dramatisch an. Die Absorption (A) nahm signifikant ab. In Tabelle 1 wird die Reflexion (R), die Transmission (T) und die Absorption (A) in Prozent angegeben.
Die Bruchwirkung kann weiter durch Betrachten der Fig. 1 und 2 verstanden werden. Fig. 1 zeigt die Ausgabe eines Computermodells der Suszeptorabsorption im freien Raum im Verhältnis zum Oberflächenwiderstand (der Realteil der Suszeptoroberflächenimpedanz) für mehrere Werte der Oberflächenreaktanz, also dem Imaginärteil der Impedanz. Die hier beschriebenen Werte des Reflexionsgrades, des Transmissionsgrades und des Absorptionsgrades beziehen sich auf Werte des freien Raumes, sofern nichts anderes gesagt ist. Fig. 2 ist ein Dreikoordinatendiagramm der Reflexion, Absorption und Transmission eines Suszeptors. Die Kurve in Fig. 2 ist der theoretische Ort von R-, A- und T-Punkten für rein Ohm'sche Suszeptoren (d.h., keine Reaktanz). Die Daten aus der Tabelle 1 sind in den Fig. 1 und 2 im Kurvenverlauf dargestellt worden; die Änderungen der Suszeptorleistungskurven, die mit dem Brechen zusammenhängen und aus der Mikrowellenerwärmung für diese herkömmlichen Suszeptoren resultieren, sind deutlich evident.
Im Gegensatz dazu werden Suszeptoren, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, wesentlich stärker mikrowellenreflektierend, d.h., der Reflexionsgrad nimmt bei erhöhten Koch- bzw. Backtemperaturen zu, verglichen mit der Reflexionscharakteristik des gleichen Suszeptors, wenn er bei oder in der Nähe der Raumtemperatur gemessen wird. Der Suszeptor wird typischerweise auch wesentlich weniger durchlässig bei erhöhten Koch- bzw. Backtemperaturen.
Der resultierende, temperaturkompensierende Suszeptor kann beim Kochen bzw. Backen ungefähr so wie eine thermostatgesteuerte elektrische Bratpfanne arbeiten: Der Suszeptor kann bei niedriger Temperatur für Mikrowellen hochgradig absorbierend sein, und bei erhöhten Temperaturen deutlich weniger absorbierend und transmittierend durchlässig sein, beispielsweise oberhalb von 220ºC. Die am meisten erwünschten Suszeptoren dieser Erfindung erfahren solche Änderungen im wesentlichen in reversibler Weise.
Eine derzeit bevorzugte Ausführungsform eines gemäß der Erfindung hergestellten Suszeptors ist in Fig. 3 dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Der Suszeptor 50 weist eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 51 auf, die als Reaktion auf Mikrowellenstrahlung erwärmt. Bei diesem bevorzugten Beispiel ist die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 51 auf einem Substrat 52 aufgebracht. Das Substrat 52 kann ein Polyesterblatt sein. Dieses bildet ein Verbundblatt 51, 52, das in diesem Beispiel als metallisiertes Polyester, oder allgemeiner, als beschichtetes Polyester bezeichnet werden kann. Das metallisierte Polyester 51, 52 ist klebend an einem Tragelement 53 bondiert.
Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 51 reagiert auf die elektrische Feldkomponente der Mikrowellenstrahlung und erwärmt, wenn sie in einem Mikrowellenofen plaziert und der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 51 so aufgebaut, daß der Suszeptor 50 stärker reflektierend ist, wenn der Suszeptor durch Mikrowellenstrahlung erhitzt wird. Es ist entdeckt worden, daß diese Wirkung durch Benutzen sorgfältig ausgewählter Materialien für die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 51 erzielt werden kann. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform besteht die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 51 vorzugsweise aus Titansesquioxid, d.h. aus Ti&sub2;O&sub3;. Ein Dreikoordinatendiagramm, das die Temperaturantwort bzw. -reaktion eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Suszeptors veranschaulicht, ist in Fig. 5A dargestellt. Bei diesem Beispiel wurde ein Suszeptor verwendet, der überwiegend aus Ti&sub2;O&sub3; hergestellt war, und es veranschaulicht das Betriebsprinzip der vorliegenden Erfindung. Im erhitzten Zustand nahm die Reflexion um etwa 40% bis zu mehr als 80% zu. Die Wärmetransmission nahm um etwa 15 % auf weniger als 3 % ab. Fig. 15A stellt auch den Vergleich mit einem Aluminiumsuszeptor dar, der nicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Der Aluminiumsuszeptor zeigte im Vergleich eine Abnahme der Reflexion und eine Zunahme der Transmission.
Die temperaturabhängigen Änderungen der Reflexion, Transmission und Absorption sind vorzugsweise reversible Eigenschaften des dargestellten Beispiels der vorliegenden Erfindung. Wenn der Suszeptor 50 abkühlt, kann der Suszeptor 50 im wesentlichen wieder seine ursprünglichen Werte des Transmissionsgrades, des Reflexionsgrades und des Absorptionsgrades annehmen. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Die zusammengesetzte Suszeptorstruktur 50 weist einen Transmissionsgrad auf, der größer als 0,1% und vorzugsweise größer als 1% ist, gemessen bei Raumtemperatur vor der Mikrowellenbeheizung. Das Tragelement 53 besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, das im wesentlichen für Mikrowellenenergie durchlässig bzw. transparent ist. Wenn ein Tragelement 53 vorhanden ist, sollte es einen Mikrowellentransmissionsgrad von mehr als 80% aufweisen, wenn es alleine und bei Raumtemperatur gemessen wird.
Eine alternative Ausführungsform eines Suszeptors 54 ist in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem Beispiel ist eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 55 direkt auf einem Substrat 56 aufgebracht, die auch die Funktion eines Tragelementes übernehmen kann. Das Substrat 56 besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, das im wesentlichen für Mikrowellenenergie transparent ist und einen Transmissionsgrad von mehr als 80% aufweist, wenn es bei Raumtemperatur vor der Erwärmung gemessen wird. Das Substrat 56 kann aus tonüberzogener Pappe bestehen, wobei die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 55 direkt auf der Tonseite des Substrats 56 aufgebracht ist. Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 55 ist vorzugsweise ein dünner Film, der überwiegend Ti&sub2;O&sub3; enthält. Das zu erwärmende bzw. zu erhitzende Lebensmittel wird in Kontakt mit der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht 55 plaziert.
Eine weitere alternative Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Der Suszeptor 57 weist eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 55 auf, die auf einem Substrat 56 aufgebracht ist und im wesentlichen so aufgebaut sein kann, wie oben unter Bezugnahme auf das in Fig. 4 dargestellte Beispiel beschrieben. Bei diesem Beispiel wird das zu erwärmende Lebensmittel in Kontakt mit dem Papiersubstrat 56 plaziert, statt mit der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht 55.
Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht besteht aus einem Material, das mit ansteigender Temperatur deutlich stärker elektrisch leitend wird. Mit anderen Worten nimmt der Oberflächenwiderstand der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht während der Mikrowellenerwärmung signifikant ab. Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht behält im wesentlichen auch ihr kontinuierliches Aussehen, ohne deutliches Brechen während der Mikrowellenerwärmung.
Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit kann besser unter Bezugnahme auf Fig. 7 verstanden werden. Fig. 7 ist ein Diagramm, das die theoretische Reflexion, Absorption und Transmission als Funktion des Oberflächenwiderstandes des Suszeptors für einen Suszeptor darstellt, der einen im wesentlichen kontinuierlichen Film aufweist und nicht bricht bzw. reißt. Wenn die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht aus einem Material hergestellt ist, das einen Oberflächenwiderstand besitzt, der mit ansteigender Temperatur abnimmt, und wenn der Suszeptor nicht bricht, können unter Bezugnahme auf Fig. 7 bestimmte Verästelungen der Betriebsweise des Suszeptors beschrieben werden. In dem Maße, wie der Oberflächenwiderstand des Suszeptors abnimmt, verschiebt sich die Betriebsweise des Suszeptors im Diagramm der Fig. 7 nach links. Wenn der Oberflächenwiderstand mit zunehmender Temperatur abnimmt, nimmt die Reflexion zu. Wenn der Oberflächenwiderstand mit ansteigender Temperatur abnimmt, nimmt auch die Transmission ab. Wenn anfängliche Suszeptor-Oberflächenwiderstandswerte gewählt werden, welche den Suszeptor zur linken Seite des Diagramms hin plazieren, kann ein Suszeptor, der einen Oberflächenwiderstand aufweist, der mit zunehmender Temperatur signifikant abnimmt, eine geringe Absorption und Transmission und eine hohe Reflexion bei erhöhten Temperaturen liefern. Falls der Suszeptor eine geringe Absorption bei erhöhten Temperaturen aufweist, wird er auf Mikrowellenstrahlung weniger stark ansprechend erwärmen. In der Praxis tendiert der Vorgang der Erwärmung dahin, eine maximale Beharrungszustandstemperatur zu erreichen, bei der die Erwärmungsrate auf der Basis der Absorption bei dieser Temperatur gerade ausreichend sein wird, um den Wärmeverlust (durch Strahlung, Leitung, Konvektion, etc.) zu kompensieren.
Wenn ein Suszeptor bei erhöhten Temperaturen eine geringere Transmission aufweist, wird die Menge an Mikrowellenenergie, die durch den Suszeptor übertragen wird und der es ermöglicht wird, das Lebensmittel durch dielektrische Erhitzung zu erwärmen, verringert. Weil der Suszeptor einen hohen Reflexionsgrad besitzt, wird mehr Mikrowellenenergie vom Lebensmittelprodukt zurückreflektiert, um die Mikrowellenerwärmungswirkungen auf das Lebensmittel zu verringern. Eine potentiell exzessive dielektrische Erwärmung des Lebensmittels kann also bei erhöhten Temperaturen durch Verwenden eines Suszeptors signifikant verringert werden, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 7A zeigt die Änderung der Reflexion, Transmission und Absorption für einen Suszeptor, der eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht aus Ti&sub2;O&sub3; aufweist. Die reaktive Komponente der Impedanz wurde vernachlässigt. Der Suszeptor besaß einen anfänglichen Oberflächenwiderstand von etwa 107 Ohm pro Flächeneinheit bei Raumtemperatur. Die Wirkung auf die Reflexion, Absorption und Transmission als Ergebnis der Erwärmung auf eine Temperatur von 250ºC ist in Fig. 7A dargestellt. In der Tat verschob der Suszeptor seine Position an einen Platz links von der ursprünglichen Betriebsposition. Die Reflexion des Suszeptors stieg als Folge der zunehmenden Temperatur signifikant an. Die Absorption nahm als Folge der zunehmenden Temperatur ab. Auch die Transmission nahm als Ergebnis der zunehmenden Temperatur ab. Die Menge an Mikrowellenenergie, die durch die Suszeptor übertragen wurde, nahm also ab, wenn die Temperatur anstieg. Der Absorptionsanteil nahm ab, wenn die Temperatur zunahm; und die Menge an Mikrowellenenergie, die reflektiert wurde, nahm zu. Ein Suszeptor mit diesen Betriebseigenschaften würde ein wünschenswertes, temperaturbegrenzendes Erwärmungsverhalten aufweisen.
Wenn die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht im wesentlichen elektrisch kontinuierlich ausgebildet und aus einem guten Leiter hergestellt ist, kann die Oberflächenreaktanz (der Imaginärteil der Oberflächenimpedanz) eines Suszeptors allgemein klein sein, beispielsweise zwischen 0 und -50 Ohm pro Fläche Blindwiderstand. Unter solchen Bedingungen ist nur der Realteil der Oberflächenimpedanz, der Oberflächenwirkwiderstand, maßgeblich. Der Oberflächenwiderstand wird auf die elektrische Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht bezogen. Diese Beziehung kann wie folgt ausgedrückt werden:
RS = 1/ d
Dabei ist: RS der Oberflächenwiderstand, gemessen in Ohm pro Flächeneinheit, die elektrische Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht, ausgedrückt in Einheiten von 1/Ohm-Zentimeter, und d ist die Dicke des Suszeptormaterials, ausgedrückt in Zentimetern. Falls die elektrische Leitfähigkeit des Materials, das zur Herstellung der interaktiven Erwärmungsschicht verwendet wird, temperaturabhängig ist, wird auch der Oberflächenwiderstand temperaturabhängig. Wenn insbesondere die Leitfähigkeit mit der Temperatur ansteigt, nimmt der Oberflächenwiderstand über den gesamten Temperaturbereich ab.
Das Diagramm der Fig. 7 basiert auf einem Freiraum-Suszeptormodell. In diesem Freiraummodell tritt die Spitze der Absorptionskurve bei einem Oberflächenwiderstand 188 Ohm pro Flächeneinheit auf. Es ist wünschenswert, ein mikrowelleninteraktives Erwärmungsschichtmaterial zu wählen, das einen Suszeptor ergibt, der einen Oberflächenwiderstand links von der Spitze der Absorptionskurve aufweist. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Freiraummodell wäre es wünschenswert, einen Oberflächenwiderstand unter 188 Ohm pro Flächeneinheit bei Raumtemperatur und vor der Mikrowellenerwärmung zu haben.
In der Praxis kann die Spitze der Absorptionskurve bei einem Suszeptor bei einem anderen Oberflächenwiderstandswert als dem in Fig. 7 gezeigten Wert auftreten, weil das Diagramm der Fig. 7 auf einem Freiraummodell beruht. Die Werte des Oberflächenwiderstandes auf der waagerechten Achse können sich ändern, doch bleiben die durch die Kurven veranschaulichten Relativbeziehungen bestehen.
Der Ort der Spitze der Absorptionskurve kann von der Belastungscharakteristik eines Lebensmittels abhängen, wenn ein Beispiel betrachtet wird, bei dem ein Suszeptor in Kombination mit einem darauf plazierten Lebensmittel vorhanden ist. Die Spitzenabsorption kann vom Lebensmittel abhängen. Der Ort der Absorptionskurve kann sich relativ zu den Horizontalachsenwerten des Oberflächenwiderstandes verschieben, doch bleibt die Kurve im allgemeinen unverändert.
Die elektrische Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht sollte zwischen der Raumtemperatur (20ºC) und 220ºC vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 3 zunehmen; sie sollte vorzugsweise um einen Faktor 10 zunehmen; und sie sollte vorzugsweise um einen Faktor 100 zunehmen. Bei 220ºC sollte die elektrische Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht, gemessen bei Mikrowellenfrequenz, vorzugsweise größer als ungefähr 1 (1/Ohm-Zentimer) sein. Die elektrische Leitfähigkeit sollte vorzugsweise größer als 1000 (1/Ohm-Zentimer) sein; und noch besser sollte sie mehr als 20000 (1/Ohm-Zentimeter) betragen. Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht sollte vorzugsweise dünner als 200 Mikron sein, sie sollte eher dünner als 1 Mikron sein; und ihre Dicke sollte vorteilhafter kleiner als 1000 Å sein. Bei 220ºC sollte der elektrische Mikrowellen-Oberflächenwiderstand vorzugsweise kleiner als 50 Ohm/Flächeneinheit sein; er sollte noch besser kleiner als 10 Ohm/Flächeneinheit sein; und am besten sollte er kleiner als 5 Ohm/Flächeneinheit sein.
Die vorliegende Erfindung ist in erster Linie mit einer auf die elektrische Komponente des Mikrowellenfeldes ansprechenden Erwärmung befaßt. Drt Grad der Erwärmung, die Ergebnis der Absorption der elektrischen Komponente des Mikrowellenfeldes ist, wird auf &epsi;"EFF bezogen. Das Symbol &epsi;"EFF bezieht sich auf den effektiven dielektrischen Verlustfaktor, wie von A. C. Metaxas und R. J. Meredith in Industrial Microwave Heating (1983), veröffentlicht von Peter Peregrinus, Ltd., beschrieben ist, und der in diese Beschreibung unter Bezugnahme aufgenommen ist. Gemäß der in dieser Literaturstelle entwickelten mathematischen Analyse werden die Leitfähigkeit und der dielektrische Verlustfaktor gemäß der nachfolgenden Gleichung zueinander in Beziehung gesetzt:
Darin ist: die Leitfähigkeit in 1/Ohm-Zentimeter, f die Frequenz der Mikrowellenstrahlung, und &epsi;&sub0; ist gleich 8,854 x 10&supmin;¹&sup4; Farad pro Zentimeter und stellt die Permittivität bzw. Dielektrizitätskonstante des freien Raumes dar. Falls die elektrische Leitfähigkeit eines Materials bekannt ist, kann diese Gleichung benutzt werden, um den zugehörigen äquivalenten dielektrischen Verlustfaktor &epsi;" zu berechnen. Die folgende Tabelle 2 gibt die elektrische Leitfähigkeit verschiedener interessierender Materialien an, die entweder aus den Textbuchangaben bestimmt oder aber direkt gemessen worden sind, und sie gibt den berechneten entsprechenden äquivalenten dielektrischen Verlustfaktor &epsi;" an. Tabelle 2
*Entnommen aus dem Handbook of Chemistry and Physics (65. Ausgabe 1984), veröffentlicht durch CRC Press, Inc.
&spplus;Experimentell gemessen.
Aus Tabelle 2 geht hervor, daß die Leitfähigkeit von Aluminium um nahezu einen Faktor von 2 zwischen Raumtemperatur und etwa 250ºC abnimmt. Über annähernd den gleichen Temperaturbereich wird der Ti&sub2;O&sub3;-Suszeptor (der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist) 9,3 mal so leitfähig, und der Germaniumsuszeptor (der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist), wird 990 mal leitfähiger.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich scharf von früheren Versuchen, den Curie-Effekt bestimmter Mikrowellen absorbierender Materialien zu nutzen, die als Reaktion auf die magnetische Komponente des Mikrowellenfeldes erwärmen. Mikrowellenheizer wie etwa, die von Anderson et al. im US-Patent Nr. 4 266 108 vorgeschlagen werden und sich auf die Absorption der magnetischen Komponente des Mikrowellenfeldes verlassen, haben sich nur als beschränkt brauchbar erwiesen. Die relativ kleine Größe des magnetischen Verlustfaktors µ" bekannter Materialien beschränkt die Brauchbarkeit solcher Mikrowellenheizer. Die vorliegende Erfindung, welche die Erwärmung auf der Basis der elektrischen Komponente des Mikrowellenfeldes nutzt, das vom dielektrischen Verlustfaktor &epsi;" abhängt, ist deutlich überlegen. Die vorliegende Erfindung kann mit früheren Heizern des magnetischen Typs verglichen werden, die den Curie-Effekt nutzen, und zwar durch Vergleichen der relativ geringen Größe des magnetischen Verlustfaktors µ" bekannter Materialien mit dem dielektrischen Verlustfaktor &epsi;" der verfügbaren Materialien. Beispielsweise zeigt die in Spalte 5 der Literaturstelle von Anderson et al. einen Wert von µ" = 5,84 für den offenbarten Heizer aus Mg&sub2;Y-Ferrit; im Gegensatz dazu sind die dielektrischen Verlustfaktoren &epsi;", die in der obigen Tabelle 2 aufgeführt sind, vergleichsweise sehr viel größer. Aufgrund dieses Unterschiedes kann in der Praxis ein signifikanter Vorteil erzielt werden. Suszeptoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind und auf der Absorption der elektrischen Komponente des Mikrowellenfeldes beruhen, können mehrere Male dünner sein und entsprechend weniger Material zur Herstellung des Suszeptors erfordern, als es der Fall wäre bei entsprechenden Vorrichtungen, die auf der Absorption der magnetischen Komponente im Mikrowellenfeld beruhen.
Fig. 15 ist ein Diagramm, das experimentelle Ergebnisse darstellt, bei denen der Oberflächenwiderstand eines Suszeptors mit einer mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht, die überwiegend aus Ti&sub2;O&sub3; besteht, mit einem Suszeptor verglichen wird, der nicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und einen dünnen Aluminiumfilm verwendet, der auf einem Polymidsubstrat aufgebracht ist. Bei diesem Beispiel wurde das Polymidsubstrat von der General Electric Company erhalten und war mit dem Warenzeichen Kapton gekennzeichnet. Unter Benutzung des in Fig. 10 dargestellten Testgerätes wurde der spezifische Oberflächenwiderstand für unterschiedliche Temperaturen gemessen. Der Oberflächenwiderstand des gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Suszeptors nahm mit ansteigenden Koch- bzw. Backtemperaturen ab, während der spezifische Oberflächenwiderstand des herkömmlichen Aluminiumsuszeptors mit ansteigender Temperatur leicht abnahm. Der Unterschied der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Suszeptors, im Vergleich zu einem herkömmlichen Aluminiumsuszeptor, hat einen maßgeblichen Einfluß auf das Leistungsvermögen des Suszeptors in einem Mikrowellenofen.
Brauchbare Materialien für die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht umfassen sog. Magneli-Phasen des Titanoxidsystems. Diese beinhalten, wenn auch nicht darauf beschränkt, Ti&sub2;O&sub3;, Ti&sub3;O&sub5; und TiOx, wobei x einen Wert zwischen 2 und 1 hat.
Andere brauchbare Materialien für die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht sind Halbleiter, die allgemein bei ansteigender Temperatur deutlich stärker elektrisch leitend werden. Brauchbare Halbleiter umfassen auch Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit über mindestens einen Teil des Temperaturbereichs zwischen Raumtemperatur und 220ºC temperaturabhängig sind.
Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht mit einer von der elektrischen Leitfähigkeit abhängenden Temperatur kann durch Herstellen der Schicht aus einem Material erhalten werden, das bei steigender Temperatur einen Übergang Isolator-Metall erfährt. Bei solchen Materialien sollte die Temperatur des Isolator-Metall-Übergangs vorzugsweise zwischen etwa 100ºC und etwa 250ºC liegen, vorzugsweise zwischen 150ºC und etwa 250ºC, und noch besser zwischen 200ºC und etwa 250ºC.
Weitere nützliche Materialien für die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht umfassen auch Germanium, Silicium, Vanadiumoxide, wie etwa VO&sub2;, V&sub2;O&sub3;, V&sub3;O&sub5;, Nickel(II)-Oxid, d.h. NiO und Wolframbronzen. Fig. 7B ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von einigen Materalien darstellt. Der Temperaturbereich von besonderem Interesse für die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegt zwischen 23ºC und 250ºC. Materialien mit einer Leitfähigkeit größer als 10&supmin;² innerhalb dieses Temperaturbereichs sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ebenfalls von besonderem Interesse. Das Leistungsvermögen von Materialien in dem in Fig. 7B schräg schraffierten, rechteckigen Bereich ist von besonderem Interesse. Materialien, die eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweisen und deren elektrische Leitfähigkeit innerhalb des in Fig. 7B dargestellten rechteckingen Bereichs mit steigender Temperatur zunimmt, können für die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht der vorliegenden Erfindung geeignet sein. Ein sogar noch bevorzugterer Bereich gewünschter Leistungsfähigkeit ist in Fig. 7C dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß in den Fig. 7B und 7C die horizontale Temperaturskala so abgetragen ist, daß die Temperatur von links nach rechts auf der horizontalen Skala abnimmt.
Fig. 8 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Suszeptors 58. Der Suszeptor 58 umfaßt eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht 59, die aus einem Wafer aus Halbleitermaterial hergestellt ist.
Bestimmte Halbleiter zeigen einen temperaturabhängigen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit, der durch eine Arrhenius-Beziehung beschrieben wird, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
Darin ist: die Leitfähigkeit (1/Ohm-Zentimeter), A eine Konstante, die teilweise von der Trägerdichte und -mobilität abhängt, Eg die Bandabstandsenergie, ausgedrückt in Elektronenvolt (eV), k die Boltzman-Konstante und T die Temperatur, ausgedrückt in Grad Kelvin. Diese Gleichung ist aus Introduction to Ceramics, (2. Ausgabe 1976), von W. D. Kingery et al., entnommen, veröffentlicht durch John Wiley & Sons, wobei die Veröffentlichung durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen ist. Die vorstehende Gleichung kann in die weiter oben mitgeteilte erste Gleichung eingesetzt werden, um die Beziehung zwischen dem spezifischen Oberflächenwiderstand und der Charakteristik des Halbleitermaterials herzustellen. Der genannte Oberflächenwiderstand kann seinerseits durch die im Diagramm der Fig. 7 dargestellten Beziehungen mit der Absorption, Reflexion und Transmission in Beziehung gebracht werden.
Bei einem Halbleitermaterial hängt die Rate der Leitfähigkeitsänderung mit der Temperatur von der Bandabstandsenergie Eg ab. Die Bandabstandsenergie ist eines der Kriterien, nach denen ein geeignetes Halbleitermaterial gewählt werden kann, um eine gewünschte temperaturabhängige Reaktion zu liefern. Beispielsweise zeigt Silicium, das eine relativ große Bandabstandsenergie aufweist (Eg = 1,1 eV) eine entsprechend große Änderungsrate der Leitfähigkeit mit der Temperatur. Materialien mit kleineren Bandabstandsenergien wie etwa Bleisulfid (Eg = 0,35 eV) würden eine recht mäßige Änderungsrate der Leitfähigkeit mit der Temperatur erzeugen. Germanium- (Eg = 0,67 eV) und Galliumantimonid (Eg = 0,72 eV) würden mittlere Reaktionsraten liefern. Bandabstandsenergien sind in der Encyclopedia of Semiconducting Technology (1984), herausgegeben von Martin Grayson und veröffentlicht durch John Wiley & Sons, Inc. aufgelistet, deren Gesamtheit in diese Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Eine richtige Konstruktion ist für das Leistungsverhalten des Suszeptors dieser Erfindung wichtig. Der Suszeptor hat die gewünschten Temperaturkompensationseigenschaften nur dann, wenn die Dicke der mikrowelleninteraktiven Schicht in Kombination mit der elektrischen Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Schicht gewählt wird, so daß bei hoher Temperatur der spezifische Oberflächenwiderstand im wesentlichen in den Bereich der linken Seite der Absorptionsspitze in Fig. 7 fällt, wo die absorbierte Leistung klein ist (beispielsweise unterhalb von 15 %) und mit der Abnahme des Oberflächenwiderstandes abnimmt. In diesem Bereich nimmt die Absorption mit zunehmender Temperatur ab, wenn ein Suszeptor benutzt wird, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Bei erhöhter Temperatur (beispielsweise bei 220ºC) sollte die absorbierte Leistung kleiner als 30% sein, vorzugsweise kleiner als 15%, noch besser kleiner als 10%, und am besten kleiner als 5%. Wenn beispielsweise die Dicke und die Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Schicht durch Berechnung oder Experiment so gewählt ist, daß bei erhöhter Temperatur (beispielsweise bei 220ºC) der Oberflächenwiderstand RS etwa 5 Ohm pro Flächeneinheit beträgt, zeigt Fig. 7, daß die absorbierte Leistung bei diesem Suszeptor bei etwa 5% liegt. Unter diesen Umständen ist die Mikrowellenabsorption des Suszeptors genügend niedrig, so daß bei fortgesetzter Mikrowellenbestrahlung ein weiterer Temperaturanstieg (über 220ºC) im allgemeinen minimal ist. Bei Raumtemperatur jedoch zeigt Fig. 7, daß, wenn die Leitfähigkeit der mikrowelleninteraktiven Schicht niedriger ist, beispielsweise um einen Faktor 10, der spezifische Oberflächenwiderstand RS annähernd 50 Ohm pro Flächeneinheit beträgt, und daß der Suszeptor im freien Raum über 30% der einfallenden Leistung absorbiert. Dieser Suszeptor ist daher hochgradig absorbierend bei oder unter Raumtemperatur, während er deutlich weniger absorbierend und durchlässig bei erhöhten Temperaturen ist; er arbeitet im Mikrowellenofen zum Erwärmen, Knusprigmachen oder Bräunen von Lebensmitteln, im wesentlichen wie eine thermostatgeregelte elektrische Bratpfanne beim herkömmlichen Braten arbeitet.
Die Wirkung der Dicke kann aus Fig. 11 ersehen werden, in der die Kurven der absorbierten Leistung zur Temperatur unter Benutzung der experimentellen Daten für 500 Ohm pro Flächeneinheit in Fig. 9 berechnet wurden, um die temperaturabhängige Leitfähigkeit zu ermitteln. Die Kurven der Absorption über der Temperatur wurden dann für mehrere angenommene Dicken unter Benutzung der Gleichung 1 und der im Buche von R. K. Moore beschriebenen Behandlung berechnet. In Fig. 11 wurde eine Bezugslinie entsprechend der Absorption von 5% gezogen, um den Vergleich der Absorptionskurven zu erleichtern. Fig. 11 zeigt, daß bei dieser Germaniumprobe eine Dicke von 0,04 Zentimeter verwendet werden sollte, wenn eine Absorption von 5% bei 160ºC benötigt werden. Falls 5% Absorption bei 200ºC benötigt wird, sollte die Suszeptordicke etwa 0,004 Zentimeter betragen. Falls 5% Absorption bei 90ºC gewünscht werden, sollte die Dicke etwa 0,4 Zentimeter betragen.
Fig. 12 zeigt verschiedene Materialien, deren Leitfähigkeit signifikant mit der Temperatur zunimmt. Mit anderen Worten haben diese Materialien positive Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit. Die am Anfang jeder Kurve gedruckten Werte sind die berechneten Dicken in Microneinheiten, die benötigt werden, um einen Oberflächenwiderstand RS von 5 Ohm pro Flächeneinheit bei 220ºC zu erzielen.
Eine mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht in Form eines dünnen Films mit einer vorherrschenden Zusammensetzung von Ti&sub2;O&sub3; kann durch Aufbringen von Titanmaterial in einer Sauerstoffatmosphäre auf Neoceramglas hergestellt werden, unter Anwendung des planaren DC-Magnetron-Sputterns von einem Titantarget aus. Fig. 17 zeigt ein Diagramm eines geeigneten Sputtergerätes.
Um das Aufbringen eines Ti&sub2;O&sub3;-Films mit der gewünschten temperaturabhängigen Leitfähigkeitsänderung muß der Aufbringungsprozeß sorgfältig kontrolliert bzw. gesteuert werden. Die optimalen Einstellungen für eine bestimmte Beschichtungsmaschine können empirisch bestimmt werden. Auch die Modifikation der Beschichtungsmaschine kann manchmal erfordern, daß die Einstellungen für die bestimmte Beschichtungsmaschine im Hinblick auf die Modifikation erneut optimiert werden.
Wie in Fig. 17 dargestellt, wird das Neoceramglas oder anderes geeignetes Substratmaterial gereinigt und auf der Probenhaltertrommel der Sputterbeschichtungsmaschine montiert. Die Beschichtungsmaschine wird auf ein Vakuum unter 3,0 x 10&supmin;&sup6; Torr ausgepumpt. Der gesamte Beschichtungsprozeß wird bei ungefährer Raumtemperatur durchgeführt. Nachdem ein gutes Vakuum hergestellt ist und ehe die Beschichtung beginnt, wird das Titansputtertarget "vorgesputtert", um es von irgendwelchen Oxiden oder anderen Verunreinigungen zu säubern und um einen konsistenten Satz von Überzugsparametern zu erstellen, wie es in der Sputtertechnik bekannt ist. Für diesen Schritt des Prozesses werden die Proben auf der Trommel von den Sputtertargets weggedreht, und die Trommeldreheinrichtung wird abgeschaltet.
Für den Vorsputterschritt wird die Argondurchflußrate auf 16,6 sccm eingestellt; der Sauerstoffdurchfluß wird auf Null eingestellt; das DC-Magnetron wird auf 1 kw, 3,0 Ampère und 336 Volt eingestellt. Das Hilfsplasma wird auf 140 Volt und 0,8 Ampère Gleichstrom (DC) eingestellt. Ein sccm ist ein "Standardkubikzentimeter Gas pro Minute", gemessen bei Standardbedingungen von 1 Atmosphäre und bei 0ºC. Der Vorsputterschritt dauert normalerweise mindestens 10 Minuten und wird beendet, wenn sich die Magnetronspannung stabilisiert hat. In diesem Falle wurden Leistung und Strom konstant gehalten und die Magnetronspannung wurde überwacht. Es würde ebenso gut funktioniert haben, wenn die Leistung und die Magnetronspannung fixiert und der Magnetronstrom überwacht worden wäre.
Dann findet ein zweiter Vorsputterschritt statt, in welchem die Sauerstoffdurchflußrate auf 9,08 sccm abgestimmt und die Sputterspannung auf 347 Volt eingestellt wird. Wenn sich der Magnetronstrom erneut stabilisiert hat, endet der zweite Vorsputterschritt.
In diesem Zeitpunkt wird der Trommelumlauf eingeschaltet und das Aufbringen von Ti&sub2;O&sub3; auf dem Substrat wird begonnen. Unter den obigen Bedingungen liegt die Aufbringungsrate von Ti&sub2;O&sub3; in der Nähe von 59 Å pro Minute. Indem sich die Trommel dreht, werden Titanatome auf dem Substrat aufgebracht bzw. niedergeschlagen, wenn das Substrat in die Nähe des planaren Magnetronsputtertargets aus Titan gebracht wird. Indem die Trommel weiter fortfährt sich zu drehen, wird das Titan teilweise durch Sauerstoffspezies oxidiert, die im Hilfsplasma erzeugt werden, wenn das Substrat in der Nähe des Hilfssputtertargets rotiert. Die Filmdicke wird in diesem Falle durch die vorbestimmte Sputterrate von 59 Å pro Minute sowie die Sputterzeit berechnet bzw. bestimmt.
Die Zusammensetzung des aufgebrachten Films wird aus dem Aussehen des Films, seiner Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und der Größe der Leitfähigkeitsänderung mit der Temperatur abgeleitet. Ein guter Ti&sub2;O&sub3;-Film ist dunkelblau, besitzt eine Leitfähigkeit von etwa 5 (Ohm-Zentimeter)&supmin;¹ oder mehr, bei Raumtemperatur und weist ein Verhältnis der Leitfähigkeit bei 250ºC zur Leitfähigkeit bei 25ºC von 5 oder mehr auf. Falls der aufgebrachte Film zu sehr oxidiert ist, d.h. wenn die Zusammensetzung zu dicht bei TiO&sub2; liegt, wird der Film zunehmend nahezu farblos, die Leitfähigkeit fällt unter 2 (Ohm-Zentimeter)&supmin;¹, und das Verhältnis der Leitfähigkeit bei 250ºC zur Leitfähigkeit bei 25ºC wird kleiner als 2,0. Falls der Film mit einem zu geringen Sauerstoffgehalt hergestellt ist, d.h. daß sich die Filmzusammensetzung dem Typ TiO nähert, erscheint der Film metallisch, die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur liegt über 200 (Ohm-Zentimeter)&supmin;¹, und das Verhältnis der Leitfähigkeit bei 250ºC zur Leitfähigkeit bei 25ºC ist kleiner als 2,0. Diese Richtlinien werden benutzt, um den Filmaufbringungsprozeß so abzustimmen, daß der gewünschte Grad an Titanoxidation erzielt wird.
Zusätzliche Informationen in bezug auf ein geeignetes Verfahren und Gerät zum Aufbringen eines dünnen Films auf einem Substrat sind im US-Patent Nr. 4 851 095 enthalten, das an Michael A. Scobey et al. erteilt wurde und den Titel "Magnetron Sputtering Apparatus and Process" trägt, sowie weiter in der Veröffentlichung von S. Schiller et al. "Alternating Ion Plating--A Method of High-Rate Ion Vapor Deposition", J. Vac. Sci. Technol., Band 12, Nr. 4, S. 858-64 (Juli/August 1975). Beide Literaturstellen sind durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
Das die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht bildende Material kann auf einem geeigneten Substrat durch mehrere geeignete Verfahren aufgebracht werden, die die Dünnfilmbeschichtung, das Plasma- oder Flammsprühen, die Sol-Gel-Bearbeitung, die Sprühpyrolyse, die Serigrafie oder das Drucken umfassen; oder die Schicht kann durch Schleuderbeschichtung, Extrusion, Sintern oder Gießen und Walzen (beispielsweise Folien) hergestellt werden, wobei sich die Schichten möglichst dazu eignen, in ein zusätzliches Substrat laminiert zu werden; oder die mikrowelleninteraktive Schicht kann in das Substrat imprägniert werden; oder die mikrowelleninteraktive Schicht kann aus einem Material gebildet werden, das intrinsich die gewünschten elektrischen Eigenschaften besitzt, wie etwa Halbleiterwafer oder halbleitende Polymere. Suszeptoren, die durch diese Erfindung definiert werden, können aus Wafern aus Halbleitermaterial hergestellt werden, die gewünschtenfalls zur strukturellen Verstärkung an einem Träger bondiert werden können. Halbleiterwafer können Verunreinigungen enthalten, die in das Wafer eingebracht sind.
Die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht kann aus einer oder aus mehreren Komponenten hergestellt werden, die aus einer oder aus mehreren unterschiedlichen Schichten gebildet sind, deren chemische oder physikalische Wechselwirkung sich bei erhöhten Temperaturen ändern, um die wirksame Leitfähigkeit deutlich zu steigern und den effektiven Oberflächenwiderstand zu verringern.
Das Material der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht kann vorteilhafterweise dotiert werden, um die Größe der Leitfähigkeitsänderung mit der Temperatur sowie die Temperatur, bei der der Übergang auftritt, zu beeinflussen. Insbesondere können Halbleitermaterialien, wie etwa Germanium und Lithium, dotiert werden, um die Leitfähigkeit des Halbleiters und die Temperaturabhängigkeit desselben zu beeinflussen. Im Falle von Halbleitermaterialien, wie etwa Silicium und Germanium, können geeignete Dotierverfahren das Einbringen von Verunreinigungen, wie etwa Bor, Arsen oder Phosphor in das Halbleitermaterial unter Benutzung von Techniken umfassen, wie die Ionenimplantation oder -diffusion, was in der Technik der Herstellung von Halbleitervorrichtungen allgemein bekannt ist. Andere Beispiele des Dotierens können bei R. S. Perkins, A. Rüegg und M. Fischer in der Veröffentlichung "PTC Thermistors Based on V&sub2;O&sub3;: The Influence of Microstructure Upon Electrical Properties", S. 166-76, sowie bei J. M. Honig und L. L. Van Zandt in der Veröffentlichung "The Metal-Insulator Transition in Selected Oxides", erschienen in Annual Review of Materials Science, S. 225-78 (1975) gefunden werden. Beide Veröffentlichungen sind durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
Bezugnehmend auf Fig. 9 wurde die elektrische Leitfähigkeit einer Halbleitererwärmungsschicht 59 durch Einführen von Verunreinigungen in den Halbleiter mittels Dotieren abgestimmt. Das Dotieren fügt dem Halbleitermaterial Verunreinigungen hinzu, was allgemein die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur erhöht und die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit verringert.
Experimentelle Ergebnisse sind in Fig. 9 für zwei Germaniumsuszeptoren dargestellt, von denen einer einen Oberflächenwiderstand von 500 Ohm pro Flächeneinheit besaß und nicht dotiert war, und von denen der andere einen Oberflächenwiderstand von 15 Ohm pro Flächeneinheit besaß und dotiert war. Beide Suszeptoren hatten einen Abfall der Leistungsabsorption von der Raumtemperatur zur Betriebstemperatur von 220ºC. Der Suszeptor mit 15 Ohm pro Fläche war stark mit Phosphor dotiert. Die Oberflächenimpedanz wurde bei mehreren Temperaturen unter Benutzung des in Fig. 10 schematisch dargestellten Gerätes gemessen.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Wirkungen des Dotierens auf den Oberflächenwiderstand als Funktion der Temperatur für zwei aus Germanium hergestellte Halbleitersuszeptoren darstellt. Jeder Suszeptor wurde auf eine Größe von 1,5 Inch mal 3,0 Inch zugeschnitten. Jeder Suszeptor war 0,015 Inches dick. Die Temperaturabhängigkeit des Oberflächenwiderstandes wird für zwei unterschiedliche Suszeptoren dargestellt, die einen anfänglichen Oberflächenwiderstand von jeweils entsprechend 500 Ohm pro Flächeneinheit und 15 Ohm pro Flächeneinheit besaßen. Der Halbleitersuszeptor, der stärker dotiert war, besaß einen geringeren, anfänglichen Oberflächenwiderstand. Mit anderen Worten war der Halbleitersuszeptor, dessen anfänglicher Oberflächenwiderstand 15 Ohm pro Flächeneinheit war, ein stärker dotierter Suszeptor, während der Halbleitersuszeptor, dessen anfänglicher Oberflächenwiderstand 500 Ohm pro Flächeneinheit besaß, ein schwächer dotierter Suszeptor war.
Falls die mikrowelleninteraktive Schicht durch Sputtern aufgebracht wird, kann die Verunreinigung in das Sputtertarget inkorporiert sein, oder die Verunreinigung kann, zusammen mit der primären Komponente des Films, zusammen gesputtert werden. Falls der Film durch Vakuumverdampfung aufgebracht wird, kann der Dotierstoff dem Verdampfungsschiffchen hinzugegeben werden, das die primäre Filmkomponente enthält, oder er kann von einer getrennten Quelle verdampft werden.
Es können auch Verfahren zur chemischen Modifikation verwendet werden, um Verunreinigungen einzubringen. Techniken des Co-Sputterns oder irgendwelche anderen Techniken zum simultanen Aufbringen können benutzt werden.
Um die Materialdicke zu verringern und gleichzeitig einen brauchbaren Wert des Oberflächenwiderstandes beizubehalten, kann es erforderlich sein, die Leitfähigkeit des Suszeptormaterials zu steigern. Weiter muß sich die Oberflächenimpedanz mit der Temperatur ändern, um den gewünschten Temperaturbegrenzungseffekt zu bewirken.
Eine sorgfältige Wahl der zum Modifizieren der Leitfähigkeit des Halbleiters benutzten Dotierstoffe ermöglicht eine Steigerung der Leitfähigkeit bei Raumtemperatur, unter gleichzeitiger Beibehaltung einer deutlichen Änderung des Widerstandes mit der Temperatur. Die Materialdicke wird also beim nicht dotierten Fall verringert, und die Verringerung der Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur, die zur Begrenzung der Temperatur erforderlich ist, wird beibehalten.
Herkömmliche Dotierstoffe bei Germanium und Silicium werden so gewählt, daß die Dotierstoffatome im wesentlichen ionisiert sind, d.h., daß alle bei Raumtemperatur einen Träger für das Leitfähigkeitsband oder das Valenzband beigetragen haben. Die Leitfähigkeit dieser dotierten Halbleiter nimmt mit zunehmender Temperatur solange ab, bis eine Temperatur erreicht ist, bei der die thermisch erzeugten Loch-Elektronenpaare vom Basismaterial zahlenmäßig größer als die Träger von den ionisierten Dotieratomen ist. Jenseits dieser Temperatur wird der Halbleiter in dem Maße leitender, wie die Temperatur ansteigt.
Durch Wählen von Donordotierstoffen, die Ionisationsenergien mit mehreren zehntel Elektronenvolt unter dem Leitfähigkeitsband aufweisen, oder Akzeptordotierstoffe, die Ionisationsenergien von mehreren zehntel Elektronenvolt über dem Valenzband aufweisen, werden nennenswerte Bruchteile dieser Dotierstoffe bei Raumtemperatur nicht ionisiert und tragen daher nicht zur Leitfähigkeit bei Raumtemperatur bei. Die Leitfähigkeit des dotierten Materials wird größer sein als die des nicht dotierten Materials, weil einige der Dotierstoffe ionisiert sein werden. Wenn die Temperatur zunimmt, nimmt der Anteil der dotierten Atome, die ionisiert sind, rasch zu; und trotz einer Abnahme der Mobilitäten mit zunehmender Temperatur steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur an.
Die Wirkungen von Dotierstoffen auf die freie Änderung der Leitfähigkeit mit der Temperatur sind in Fig. 19 für Germanium dargestellt. Die Verwendung von Eisendotierstoffen mit einer Dosis von 10¹&sup8; Atomen pro Kubikzentimeter in Germanium steigert die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur um einen Faktor von 16 über der Leitfähigkeit von nicht dotiertem Germanium. Die Leitfähigkeit von eisendotiertem Germanium steigt um einen Faktor von 26 an, wenn die Temperatur von 300ºK auf 600ºK zunimmt. Der Eisendotierstoff in Germanium weist eine Ionisationsenergie von 0,31 Elektronenvolt auf. Ähnlich steigert das Dotieren von Silicium mit Kohlenstoff bei einer Dosis von 10&sup8; Atomen pro Kubikzentimeter die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur um einen Faktor von 285000. Die Leitfähigkeit des kohlenstoffdotierten Siliciums nimmt um einen Faktor von 4,9 zu, wenn die Temperatur von 300ºK auf 600ºK ansteigt.
Die Berechnungen wurden auf der Basis der Angaben durchgeführt, die in den folgenden Veröffentlichungen dargestellt sind: An Introduction to Semiconductor Electronics von Rajendra P. Nanavati, McGraw-Hill Book Co., 1963; Physics of Semiconductor Devices, 2. Ausgabe, von S. M. Sze, John Wiley & Sons, 1981; Physics and Technology of Semiconductor Devices von A. S. Grove, John Wiley & Sons, 1967, wobei diese Veröffentlichungen durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
Einige Materialien, die zur Herstellung der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht benutzt werden, können eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen und erfordern daher eine unpraktische oder unwirtschaftliche Dicke, um einen gewünschten Oberflächenwiderstandsbereich zu erzielen. Die Dicke der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht kann auf einen wünschenswerteren Bereich verringert werden, ohne das gewünschte Verhältnis der Leitfähigkeitsänderung preiszugeben. Diese Verringerung der Schichtdicke kann durch Einbauen einer Serie von leitenden Plättchen in die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht erreicht werden, wie in Fig. 18 dargestellt. Die Größe der leitenden Plättchen und der Abstand zwischen den leitenden Plättchen kann so abgestimmt werden, daß die komplexe dielektrische Permittivität &epsi; der mikrowelleninteraktiven Erwärmungsschicht zunimmt.
Die komplexe Permittivität der mikrowelleninteraktiven Schicht beträgt &epsi; = &epsi;&sub0;&epsi;r = (&epsi;'r - j&epsi;"r), wobei &epsi;&sub0; die Permittivität des freien Raumes von 8,854 x 10&supmin;¹&sup4; Farad pro Zentimeter, und &epsi;'r der Realteil der komplexen, relativen Dielektrizitätskonstante &epsi;r ist. Der Imaginärteil der komplexen relativen Dielektrizitätskonstante ist &epsi;"r, die direkt in Beziehung mit der Leitfähigkeit des Materials durch die Beziehung &epsi;"r = /(W&epsi;&sub0;) steht, wobei W dem Wert 2πf entspricht, und f die Betriebsfrequenz des Mikrowellenofens ist. Wenn &epsi;"r den Wert &epsi;'r der Schicht erheblich überschreitet, wie es bei Aluminium der Fall ist, kann die Schicht durch einen Oberflächenwiderstand RS = 1/( d) gekennzeichnet werden, wobei d die Schichtdicke ist. Bei Materialien ohne eine so große Disparität zwischen &epsi;"r und &epsi;'r ist das Konzept einer komplexen Oberflächenimpedanz einer elektrisch dünnen Schicht, die annähernd durch die nachstehende Formel ausgedrückt wird:
zur Berechnung der reflektierten, absorbierten und übertragenen Leistung brauchbar. Es kann die elementare Theorie der Übertragungsleitungen verwendet werden, um den Anteil der auftreffenden Energie zu berechnen, die als Verlust im Suszeptor verbraucht wird, der als eine Nebenschlußimpedanz an der Übertragungsleitung dargestellt wird.
Man kann also sagen, daß die komplexe Oberflächenimpedanz ZS umgekehrt proportional zu &epsi;r und d ist. Die Fähigkeit, &epsi;r zu vergrößern, liefert eine kleinere Dicke d für die mikrowelleninteraktive Erwärmungsschicht, die erforderlich ist, um eine gewünschte Oberflächenimpedanz ZS zu erzielen.
Das in den Fig. 18A und 18B künstlich hergestellte dielektrische Material besteht aus einer Vielzahl von hochleitenden Metallobjekten 71, die physikalisch in das ursprüngliche dielektrische Material 72 eingebracht bzw. verfüllt werden. Dieses Füllen steigert die komplexe Dielektrizitätskonstante &epsi; und somit den Verlustfaktor &epsi;" des eingefüllten Materials um einen Faktor, der durch die Größe, Form, Orientierung und Beabstandung der metallischen Einschlüsse 71 bestimmt wird. Die Zunahme des Verlustfaktors &epsi;" tritt bei allen Temperaturen auf. Die Dicke der mikrowelleninteraktiven Schicht 73 kann somit auf einen günstigeren Bereich verringert werden, ohne das gewünschte Verhältnis der Verlustfaktoränderung mit der Temperatur preiszugeben. Weitere Informationen über den Einfluß des Verfüllens auf die elektromagnetischen Eigenschaften eines gefüllten Mediums können aus folgenden Veröffentlichungen ersehen werden: Sergi A. Shelkunoff & Harald T. Friis, Antennas -Theory and Practice, (1952), veröffentlicht durch Wiley & Sons, Inc., und Robert E. Collin, Field Theory of Guided Waves, (1960), veröffentlicht durch McGraw-Hill Book Co., wobei beide Veröffentlichungen durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen werden.
Die metallischen Objekte 71, von denen jedes in bezug auf die Wellenlänge im ungefüllten Material klein ist, kann verschiedene Formen annehmen. Quadratische, flache Plättchen 71, die passend in versetzten Schichten angeordnet sind, wie in den Fig. 18A und 18B dargestellt, werden bevorzugt. Quadratische, flache Plättchen 71 haben einen relativ großen multiplikativen Effekt auf die komplexe Dielektrizitätskonstante, verglichen mit der Wirkung von Ellipsoiden, Drähten oder anderen Formen.
Gemäß Fig. 18A liegen die quadratischen Metallplättchen 71 mit einer Seitenlänge h in der Ebene des Suszeptors und sind voneinander durch einen Spalt t zwischen den Rändern getrennt. Benachbarte Schichten sind mit einem Abstand d&sub1; voneinander getrennt und vorzugsweise waagrecht und senkrecht um die Hälfte einer Wiederholungszellenbreite (h + t)/2 versetzt. Fig. 18B zeigt eine Randansicht des gleichen Suszeptors, bei dem die Schichten mit einem Abstand d&sub1; voneinander beabstandet sind. Wenngleich in Fig. 18B das dielektrische Material 72 die Plättchen 71 umgibt, ist das Material 72 zwischen einander gegenüberliegenden Plättchen in der am nahesten gelegenen Schicht durch Schraffieren hervorgehoben, da es den dielektrischen Teil des Strompfades bildet.
Die Wirkung des Stapels der Metallgruppen 71 besteht darin, die komplexe Dielektrizitätskonstante des unverfüllten Materials mit einem Faktor von:
s = h - t/2d&sub1;
für elektrische Felder in der Ebene des Suszeptors zu multiplizieren. Wenn die Plättchen 71 so angeordnet werden, daß der Zwischenschichtabstand d&sub1; viel kleiner als h - t ist, wird die Dielektrizitätskonstante &epsi; und somit die Leitfähigkeit mit einer großen Zahl multipliziert. &epsi;&sub1; ist gleich &epsi;&sub0;&epsi;r1, wobei &epsi;&sub0; die Permittivität des freien Raumes ist (8,854 x 10&supmin;¹&sup4; Farad pro Zentimeter), und &epsi;r1 die komplexe relative Dielektrizitätskonstante des unverfüllten Materials ist.
Die in einer elektrischen Schicht 70 mit einer gegebenen Gesamtdicke d absorbierte Menge an elektrischer Energie kann durch Ändern der Größe und Beabstandung der Plättchen 71 abgestimmt werden, die in das dielektrische Medium eingebracht sind, ohne die Gesamtdicke zu ändern.
Das Verfüllen eines Mediums 72 der Gesamtdicke d mit hochgradig leitenden Plättchen 71 multipliziert die komplexe Dielektrizitätskonstante des unverfüllten Mediums mit dem Faktor S, so daß die Oberflächenimpedanz Zsp eines Suszeptors 73, der aus dem mit leitenden Plättchen verfüllten Material hergestellt ist, um den gleichen Faktor S reduziert wird:
Der Faktor S und die Suszeptordicke d gehen in den Ausdruck als Produkt ein; d.h., daß die Oberflächenimpedanz durch Vergrößern der Suszeptordicke oder durch Vergrößern von S verringert werden kann.
Die in den Fig. 18A und 18B dargestellte geometrisch perfekte Anordnung mag teuer herzustellen sein, kann aber adäquat angenähert werden, wenn dünne Plättchen 71, deren breite Oberflächen nahezu parallel zur Ebene des Suszeptors verlaufen, im übrigen willkürlich im Suszeptor 73 verteilt sind, wie in Fig. 18C dargestellt. Die wesentlichen Merkmale sind die in Fig. 18A schattiert dargestellten Überlappungsbereiche, die nicht so regelmäßig angeordnet sind, wenn die Plättchen willkürlich verteilt werden. Jeder Überlappungsbereich bildet eine Kapazitanz/Konduktanz-Zelle, deren Abmessungen für die multiplikative Zunahme der komplexen dielektrischen Konstante maßgeblich sind. Der S-Faktor kann bei einer wahllosen Verteilung Werte von mindestens 300 erreichen.
Ein zusammengesetztes Material, das Mikrowellen-Suszeptormaterialien enthält, ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 87301481.5, angemeldet am 20. Februar 1987, offenbart, wobei die Anmeldung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen wird.
Die zusätzliche Mikrowellenbeheizung in einem mäßig verlustbehafteten Material, verursacht durch das Hinzufügen von hochgradig leitenden Plättchen in einer gestaffelten Anordnung, wie oben besprochen, wird als ein Beispiel veranschaulicht, das an einem Siliciumstab ausgeführt wird. Die Dielektrizitätskonstante &epsi;'r des Siliciumstabs betrug 13,7-j1,05 bei Raumtemperatur. Der gleiche Stab mit den hinzugefügten gestaffelten, leitenden Plättchen, hergestellt mit Silberfarbe auf zwei entgegengesetzten Seiten, wies eine Dielektrizitätskonstante von 501-j39,3 auf, die durch die Geometrie vorbestimmt war und eine gemessene Dielektrizitätskonstante von 574-j59,3. Der Stab mit gestaffelten Plättchen entspricht einer einzelnen Schicht mit der Dicke d&sub1;, dargestellt in Fig. 18B. Die Bedeutung bzw. Wichtigkeit dieser Zunahme von &epsi;"r wird in Fig. 20 veranschaulicht, die den Temperaturanstieg des Siliciumstabs mit gestaffelten Plättchen an zwei entgegengesetzten Seiten, mit Plättchen an nur einer einzigen Seite, und mit gar keinen Plättchen veranschaulicht. Bei jedem Falle wurde der Stab in einem Mikrowellenofen unter den gleichen Bedingungen erhitzt. Der Stab mit Plättchen an beiden Seiten erfuhr einen Temperaturanstieg, der das 6-fache des gleichen Stabes mit Plättchen nur auf einer einzigen Seite betrug. Beim gleichen Leistungspegel des Ofens war der Temperaturanstieg des Stabes ohne Plättchen nicht beobachtbar. Die Wirkung der hochgradig leitenden Plättchen nur auf einer einzigen Seite liegt daher zwischen der Konfiguration ohne Plättchen und mit gestaffelten Plättchen auf entgegengesetzten Seiten. Während die Wirkung der Plättchen an einer einzigen Seite der mikrowelleninteraktiven Schicht nicht so groß ist, wie die Wirkung von Plättchen in einer gestaffelten Anordnung auf jeder der entgegengesetzten Seiten des Mediums bzw. über dem gesamten Medium, sind leitende Plättchen für Dünnfilmsuszeptoren nur auf einer einzigen Seite weniger schwer und teuer herzustellen. Die Oberflächenimpedanz einer Schicht aus Ti&sub2;O&sub3; kann somit durch Hinzufügen einer hochgradig leitenden Schicht aus metallischen Flecken auf einer einzigen Seite verringert werden. Die Oberflächenimpedanz der gleichen Ti&sub2;O&sub3;-Schicht würde durch das Hinzufügen von gestfafelten, leitenden Plättchen auf der zweiten Seite der Ti&sub2;O&sub3;-Schicht sogar noch weiter verringert.
Die Oberflächenimpedanz sowie andere Suszeptoreigenschaften wurden als Funktion der Temperatur unter Benutzung auf das in Fig. 10 schematisch dargestellte Gerät gemessen. Die Suszeptoren wurden in einer Schnittfläche eines rechteckigen WR 284-Wellenleiters montiert, der an einen Netzwerkanalysator des Modells 8753A von Hewlett Packard befestigt war, welcher mit 2,95 GHz arbeitet und den S-Parameter des Suszeptors in Abhängigkeit von der Temperatur maß, wenn der Wellenleiter äußerlich beheizt wurde. Die S-Parameter wurden in Impedanzwerte umgewandelt, wie von J. L. Altman in Microwave Circuits (1964), veröffentlicht von D. Van Nostrand Company, Inc., beschrieben ist, und der durch Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen wird. Reflektierte, absorbierte und transmittierte Leistung kann durch Auffassen der gemessenen oder berechneten Suszeptorimpedanz als Nebenschlußelement berechnet werden, das an eine angepaßte Übertragungsleitung angeschlossen ist, die von einem angepaßten Generator gespeist wird, wie von R. K. Moore, Travelling Wave Engineering (1960), veröffentlicht von der McGraw Hill Book Company, Inc., beschrieben ist, wobei diese Veröffentlichung unter Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen wird.
Das in Fig. 10 dargestellte Gerät mißt die Spannungsreflexions- und -transmissionskoeffizienten S11 und S21, die jeweils entsprechend mit dem im Wellenleiter montierten Suszeptor in Beziehung stehen. Die Anteile der reflektierten und transmittierten Leistung, sind das Quadrat der Größe der entsprechenden Spannungsreflexions- und -transmissionskoeffizienten. Der Anteil der einfallenden Leistung und vom Suszeptor absorbiert wird, beträgt 1-R-T.
Alle vorerwähnten Koeffizienten und Anteile hängen sowohl vom Suszeptor, als auch vom Medium ab, in welchem sie gemessen werden. Die Ergebnisse der in einem einzelnen Wellenleiter durchgeführten Messungen werden leicht in diejenigen in einem Wellenleiter anderer Größe oder im freien Raum oder in anderen dielektrischen Medien umgewandelt, und zwar zunächst durch Berechnen der Oberflächenimpedanz in Ohm/Flächeneinheit mit Hilfe der Formeln bei Altman (Anhang III, Kapitel 2), unter Benutzung der Wellenleiterimpedanz. Die sich ergebende Impedanz kann dann auf die Impedanz des interessierenden Mediums normalisiert werden, und die verschiedenen Transmissions- und Reflexionskoeffizienten, ebenso wie der Absorptionsanteil können dann umgerechnet werden.

Beispiel 1

Es ist möglich, einen Suszeptor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen, der eine maximale Temperatur erreicht, die deswegen begrenzt ist, weil die Leitfähigkeit des Suszeptors mit zunehmender Temperatur ansteigt. Die Temperatur-Grenzcharakteristik von Suszeptoren der vorliegenden Erfindung wurde experimentell durch Beobachten der Beharrungszustandstemperatur der Suszeptoren während der Erhitzung bei voller Leistung in einem Mikroofen demonstriert. Zu Vergleichszwecken wurde ein Suszeptor aus rostfreiem Stahl, der auf klarem Neoceramglas von 1/8" Dicke, im Handel von der Technical Glass in Kirkland, Washington, erhältlich, aufgebracht war, in ähnlichen Experimenten erhitzt. "Neoceram" ist der Handelsname für ein klares, keramisches Glas, das von der Firma NEG (Nippon Electric Glass) aus Japan geliefert wird. Rostfreier Stahl ändert mit zunehmender Temperatur die Leitfähigkeit nicht signifikant. Ein Gerling- Mikrowellenofen, der kommerziell von den Gerling Laboratories, Modesto, Californien, erhältlich ist, wurde verwendet. Der Ofen besaß eine Nennleistung von 670 Watt.
Da die Beharrungszustandstemperatur des Suszeptors sowohl von der Wärmeverlustrate des Suszeptors, als auch von der absorbierten Leistung abhängt, und die absorbierte Leistung gemessen werden sollte, wurden Faktoren, welche den Wärmeverlust des Suszeptors an die Umgebung beeinflussen, sorgfältig kontrolliert. Dementsprechend wurden alle Suszeptoren auf die gleiche Größe (1,50" x 3.00") zugeschnitten. Die Suszeptoren wurden im Kerzenrauch geschwärzt, so daß ihre thermischen Emissionswerte gleich waren. Der Luftstrom, der normalerweise durch den Ofenhohlraum geleitet wird, wurde umgeleitet, um eine erzwungene Konvektionskühlung der Suszeptoren zu vermeiden. Jede Probe wurde an der gleichen Stelle des Ofens plaziert, in einem Abstand von 3-1/8" vom Ofenboden. Während der Erwärmung wurden die Beharrungszustandstemperaturen bei voller Leistung unter Benutzung einer Luxtron-Sonde gemessen, die horizontal an der Suszeptoroberfläche befestigt war. Für Temperaturen größer als 450ºC, also dem Punkt, an dem Luxtron-Sonden ausfallen, wurde eine Infrarot-Bildaufnahmekamera verwendet, die Temperaturen bis zu 500ºC messen kann.
Es wurde ein Halbleitersuszeptor aus Germanium verwendet, um die Wirkung auf die maximalen Beharrungszustandstemperaturen zu zeigen, bei denen der Suszeptor bei ansteigender Temperatur eine zunehmende Leitfähigkeit aufweist. Der Germaniumsuszeptor hatte einen Oberflächenwiderstand von 500 Ohm pro Flächeneinheit, gemessen bei Raumtemperatur (25ºC). Der Germaniumsuszeptor war aus einem Wafer von 0,015 Inches Dicke hergestellt. Ein Suszeptor aus rostfreiem Stahl mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand von 500 Ohm pro Flächeneinheit war nicht verfügbar, so daß die Tests auf vorhandenen, rostfreien Stahlsuszeptoren durchgeführt wurden, mit jeweils anfänglichen Oberflächenwiderständen von 391 Ohm pro Flächeneinheit und 740 Ohm pro Flächeneinheit.
Der Germaniumsuszeptor erreichte eine Beharrungszustandstemperatur von 227ºC, wenn er der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt war. Die Suszeptoren aus rostfreiem Stahl erreichten beide eine maximale Temperatur über 500ºC; (die Suszeptoren aus rostfreiem Stahl erreichten Temperaturen jenseits der Grenzen, die mit der verfügbaren Ausrüstung gemessen werden konnten).
Es wurde auch ein Halbleitersuszeptor aus Silicium getestet. Der Siliciumsuszeptor besaß einen anfänglichen Oberflächenwiderstand von 90 Ohm pro Flächeneinheit, gemessen bei Raumtemperatur (25ºC). Der Siliciumsuszeptor besaß eine Dicke von 0,015 Inches. Er erreichte eine Beharrungszustandstemperatur von 400ºC. Zu Zwecken des Vergleichs wurde ein Suszeptor aus rostfreiem Stahl mit einem anfänglichen Oberflächenwiderstand von 86 Ohm pro Flächeneinheit bei Raumtemperatur (25ºC) gemessen. Der Suszeptor aus rostfreiem Stahl erreichte eine Beharrungszustandstemperatur über 500ºC.
Da alle thermischen Verluste vergleichbar waren und sorgfältig kontrolliert wurden, wird daraus geschlossen, daß die tieferen Beharrungszustandstemperaturen, die bei Halbleitersuszeptoren (Germanium und Silicium) beobachtet wurden, von der gesteigerten Leitfähigkeit und somit der geringeren Absorption bei erhöhten Temperaturen herrühren. Die beiden temperaturbegrenzenden Halbleitersuszeptoren waren aus Materialien hergestellt, die bei erhöhten Temperaturen leitfähiger werden. Die Kombination von Dicke und Leitfähigkeit bei den Halbleitersuszeptoren erzeugte bei erhöhten Koch- und Brattemperaturen relativ niedrige Oberflächenwiderstände und Mikrowellenabsorptionswerte.

Beispiel 2

Steaks sind in einem Mikroofen nur schwer zu braten bzw. zu garen. Fleisch ist hochempfindlich in bezug auf Hartwerden, selbst wenn es nur leicht überhitzt wird. Die verfügbaren, herkömmlichen und allgemein bekannten Suszeptoren geringer Masse erzeugen nicht genug Wärme, um die äußeren Oberflächen eines Steaks richtig anzubraten. Herkömmliche Suszeptoren werden hochgradig durchlässig als Folge des Aufbrechens und ermöglichen eine zu starke Erhitzung in der Mitte und keine genügende an der Oberfläche des Steaks. Bei diesem Beispiel wurden zwei Halbleitersuszeptoren aus Silicium verwendet, um das Steak zu braten. Die beiden Suszeptoren 60 besaßen einen Durchmesser von 7,62 Zentimetern und eine Dicke von 0,038 Zentimetern, und jeder besaß einen Oberflächenwiderstand RS in der Nähe von 20 Ohm pro Flächeneinheit. Dieser relativ niedrige Oberflächenwiderstand wurde zum richtigen Braten des Steaks als notwendig ermittelt. Die Peripherie des Steaks war vollständig mit einem 1,9 Zentimeter breitem Band aus Aluminiumfolie 62 umgeben. Das Ganze wurde auf 4ºC abgekühlt und dann auf zwei isolierenden Kissen von 0,635 Zentimeter Dicke plaziert, die auf der Ablage eines Litton Generation II-Mikroofens in der Mitte angebracht waren. Nach einer Mikrowellenbackzeit von 2,5 Minuten war das Steak auf beiden Seiten angebraten, aber in der Mitte bzw. im Inneren immer noch rosafarben. Die Textur wurde als leicht kaubar, zart und nicht hart ermittelt.

Beispiel 3

Fig. 14 zeigt, wie die Suszeptoren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um ein Bisquit in einem Mikroofen zu backen bzw. zu rösten. Das Backen von Bisquits in einem Mikroofen ist eine schwierige Sache, denn sie bedingt, daß mehrere Faktoren richtig im Gleichgewicht zueinander stehen. Die Backzeit muß lang genug sein, um dem Bisquit die Gelegenheit zu geben, aufzugehen und eine gute Zellstruktur zu bilden. Gleichzeitig sollte die Oberflächentemperatur des Bisquits hoch genug sein, um die Oberfläche zu bräunen und knusprig zu machen. Wenn Bisquitteig durch herkömmliche Mikrowellenbestrahlung erhitzt wird, d.h., wenn ohne die Suszeptoren der vorliegenden Erfindung gearbeitet wird, wird die resultierende Zellstruktur grob und unregelmäßig. Dies rührt daher, weil zu schnell Dampf erzeugt wird, als daß ihn die Bisquitstruktur aufnehmen könnte. Unter diesen Umständen wird auch die Oberfläche weiß und feucht bleiben. Wenn herkömmliche Suszeptoren verwendet werden, werden sie durch das Aufbrechen rasch mikrowellendurchlässig, was ein übermäßiges rasches Mikrowellenerhitzen des Bisquitteigs ermöglicht, während es im allgemeinen nicht gelingt, ausreichend Wärme zu erzeugen, um die Oberfläche zu bräunen und knusprig zu machen.
Bei diesem Beispiel wurde ein Bisquit 64 von Pillsbury Ballard in einem Mikrowellenofen unter Benutzung von zwei Siliciumsuszeptoren 63 mit einem Oberflächenwiderstand RS < 1 Ohm pro Flächeneinheit erhitzt, wie in Fig. 14 dargestellt. Einer (63) der Suszeptoren wurde am Boden eines Aluminiumfolienbechers 65 mit einem Bodenaußenseitendurchmesser von etwa 5,08 Zentimetern und einem bis oben hin reichenden Außendurchmesser von 6,62 Zentimetern plaziert. In den Boden des Bechers 65 wurde ein Loch 66 von etwa 3,81 Zentimetern Durchmesser geschnitten. Der Bisquit 64 mit einem Durchmesser von 5,08 Zentimetern wurde im Innern des Bechers 65 auf dem unteren Suszeptor 63 plaziert. Der obere Suszeptor 63 mit einem Durchmesser von 7,62 Zentimetern wurde im oberen flanschtragenden Ende des Aluminiumbechers 65 plaziert. Diese Anordnung wurde auf fünf isolierende Kissen (nicht dargestellt) von 0,635 Zentimeter Dicke plaziert und in einem Litton Generation II-Mikrowellenofen während 4,5 Minuten erhitzt. Es entstand eine Bräunung und Knusprigkeit, sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Seite des Bisquits 64. Beim Essen war die Textur zart und nicht fest.
Die obige Offenbarung bezog sich auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann aber in einer Anzahl alternativer Ausführungsformen verkörpert werden, die sich von den oben dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen unterscheiden. Fachleute sind in der Lage, eine Anzahl von Modifikationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen, nachdem sie Nutzen aus der obigen Offenbarung und Nutzen aus den darin enthaltenen Lehren gezogen haben. Der volle Umfang der Erfindung soll durch eine richtige Interpretation der Ansprüche bestimmt sein und durch die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht unnötig eingeschränkt sein.

Claims

1. Mikrowellen-interaktives Heizelement zum Heizen eines Nahrungsmittels in einem Mikrowellenofen, wobei das Heizelement (50; 54; 57) ein Substrat (52; 56) und eine mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) aufweist, welche auf dem Substrat (52; 56) angelagert ist, wobei die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) so betreibbar ist, daß sie sich in Reaktion auf eine Komponente eines elektrischen Feldes der Mikrowellenstrahlung bei einer vorbestimmten Mikrowellen-Frequenz erwärmt, wobei die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) ein Reflektionsvermögen bei der vorbestimmten Mikrowellen-Frequenz besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) so betreibbar ist, daß eine Erhöhung des Reflektionsvermögens um einen Faktor von zumindest 3 während des Erwärmens von 23 ºC auf 250 ºC erzielt wird.

2. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 1, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) auf einem Substrat (52; 53; 56) ausgebildet ist, welches eine Durchlaßfähigkeit von größer als 80 % aufweist, wenn sie bei der vorbestimmten Mikrowellenfrequenz allein gemessen wird.

3. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß es (50; 54; 57) ein Durchlaßvermögen von größer als 0,1 % aufweist, wenn das Substrat (52; 53; 56) und die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) zusammen bei 23 ºC vor einem Erwärmen gemessen werden.

4. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) so betreibbar ist, daß eine Erhöhung des Reflektionsvermögens um einen Faktor von zumindest 10 während des Erwärmens von 23 ºC auf 250 ºC erzielt wird.

5. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 1,2,3 oder 4, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) TiOx aufweist, wobei x einen Wert zwischen zwei und eins besitzt.

6. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 1,2,3 oder 4, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) vorwiegend Ti&sub2;O&sub3; aufweist.

7. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 1,2,3,5 oder 6, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) es ermöglicht, daß ein Anteil der Mikrowellen-Strahlung bei der vorbestimmten Mikrowellen-Frequenz durch das Element (50; 54; 57) übertragen wird, um ein Nahrungsmittel direkt zu erwärmen.

8. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen-interaktive Heizschicht als ein Dünnfilm (51; 55) ausgebildet ist, welcher auf dem Substrat (52; 56) angelagert ist.

9. Mikrowellen-interaktives Heizelement zum Erwärmen eines Nahrungsmittels in einem Mikrowellenofen, wobei das Heizelement ein Substrat (52; 56) und eine mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) aufweist, welche auf dem Substrat (52; 56) angelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) einen ersten Oberflächenwiderstand bei 23 ºC aufweist, die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) einen zweiten Oberflächenwiderstand bei 250 ºC aufweist und der zweite Oberflächenwiderstand zumindest dreimal kleiner ist als der erste Oberflächenwiderstand.

10. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 9, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die interaktive Mikrowellen- Heizschicht sich in Reaktion auf eine elektrische Komponente von Mikrowellen-Strahlung erwärmt.

11. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 9 oder 10, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß der zweite Oberflächenwiderstand zumindest zehnmal geringer ist als der erste Oberflächenwiderstand.

12. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 9 oder 10, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß der zweite Oberflächenwiderstand zumindest einhundertmal geringer ist als der erste Oberflächenwiderstand.

13. Mikrowellen-interaktives Heizelement zum Erwärmen eines Nahrungsmittels in einem Mikrowellen-Ofen, wobei das Heizelement (50; 54; 57) ein Substrat (52; 56) und eine mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) aufweist, welche auf dem Substrat (52; 56) angelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrowellen-interaktive Heizschicht (51; 55) eine erste elektrische Leitfähigkeit bei 23 ºC aufweist, die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) eine zweite elektrische Leitfähigkeit bei 250 ºC aufweist, und die zweite elektrische Leitfähigkeit zumindest dreimal höher ist als die erste elektrische Leitfähigkeit.

14. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 13, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite elektrische Leitfähigkeit zumindest zehnmal höher ist als die erste elektrische Leitfähigkeit.

15. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 13, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite elektrische Leitfähigkeit zumindest einhundertmal höher ist als die erste elektrische Leitfähigkeit.

16. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 13 oder 14, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) TiOx aufweist, wobei x einen Wert zwischen zwei und eins aufweist.

17. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 13 oder 14, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) vorwiegend Ti&sub2;O&sub3; aufweist.

18. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 13, 14 oder 15, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen- interaktive Heizschicht (51; 55) vorwiegend ein Halbleitermaterial aufweist.

19. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 13, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die mikrowellen-interaktive Heizschicht (73) ein mikrowellen-interaktives Material aufweist, welches mit einer Vielzahl von leitenden Platten (71) präpariert ist.

20. Mikrowellen-interaktives Heizelement nach Anspruch 19, welches des weiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß die leitenden Platten (71) dünne, flache Platten aufweisen, welche in Ebenen beliebig ausgerichtet sind, welche im wesentlichen parallel zu der Ebene der mikrowellen- interaktiven Heizschicht liegen.