EP3491887A1

EP3491887A1 - Mikroheizleiter

Info

Publication number: EP3491887A1
Application number: EP17748448.2A
Authority: EP
Inventors: Marco Schossig; Tobias Ott
Original assignee: Infrasolid GmbH
Current assignee: Infrasolid GmbH
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: US20190281665A1; CN109565907A; WO2018019915A1; EP3491887B1; DE102016113747A1; US10674567B2; CN109565907B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikroheizleiter für eine Strahlungsquelle, wobei der Mikroheizleiter aus einer mäanderförmigen, Mäanderausstülpungen aufweisenden sowie eine Heizleiterstrukturebene mit einer Flächennormalen aufspannenden Heizleiterstruktur gebildet ist, wobei benachbarte Mäanderausstülpungen in der Heizleiterstrukturebene und voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen weisend, ausgebildet sind. Die Aufgabe eine Heizleitergeometrie anzugeben, die die Nachteile aus dem Stand der Technik umgeht und sich in kompakten infrarotspektroskopischen Geräten integrieren lässt, wird dadurch gelöst, dass der Mikroheizleiter mindestens zwei Heizleiterstrukturen umfasst, wobei die Heizleiterstrukturen nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Flächennormale einer Heizleiterstrukturebene einer ersten Heizleiterstruktur mit einer Flächennormalen einer zweiten Heizleiterstrukturebene einer zweiten Heizleiterstruktur einen Winkel α einschließt und mindestens zwei Mäanderausstülpungen der ersten Heizleiterstruktur mit mindestens zwei Mäanderausstülpungen der zweiten Heizleiterstruktur verbunden und elektrisch verschaltet ausgebildet sind, wobei der Mikroheizleiter eine homogene Dicke aufweist.

Description

Mikroheizleiter

Die Erfindung betrifft einen Mikroheizleiter, wobei der Mikroheizleiter aus einer mäanderförmigen,

Mäanderausstülpungen aufweisenden sowie eine

Heizleiterstrukturebene mit einer Flächennormalen

aufspannenden Heizleiterstruktur gebildet ist, wobei benachbarte Mäanderausstülpungen in der

Heizleiterstrukturebene und voneinander weg in

entgegengesetzte Richtungen weisend, ausgebildet sind.

Die Erfindung betrifft auch einen Mikroheizleiter, der als Strahlungsquelle, wie eine Infrarotstrahlungsquelle, verwendet wird. Ein idealer thermischer Strahler, ein sogenannter

Schwarzkörperstrahler, strahlt bei jeder Wellenlänge λ den physikalisch maximal möglichen Energiebetrag ab. Die spektrale, also wellenlängenabhängige, spezifische

Ausstrahlung eines solchen Schwarzkörperstrahlers wird durch das Planck' sehe Strahlungsgesetz beschrieben. Bei

thermischen Infrarotstrahlungsquellen interessiert die breitbandig von einer strahlenden Fläche A emittierte

Strahlungsleistung, welche durch Integration des

Planck' sehen Strahlungsgesetzes über alle Wellenlängen gewonnen wird. Für diese Strahlungsleistung Ps gilt die Beziehung

Ps = σΑΤ⁴, welche als Stefan-Boltzmann-Gesetz des

Schwarzkörperstrahlers bekannt ist und in der σ die Stefan- Boltzmann-Konstante bezeichnet. Reale Strahler sind keine Schwarzkörperstrahler. Ihre abgegebene Strahlungsleistung ist geringer als die des

Schwarzkörperstrahlers gleicher strahlender Fläche A und Temperatur T. Das liegt daran, dass der reale thermische Strahler nicht bei jeder Wellenlänge λ den maximal möglichen Energiebetrag abstrahlt. Das Verhältnis aus real

abgestrahltem Energiebetrag und maximal abstrahlbarem

Energiebetrag wird Emissionsgrad ε genannt, der im Bereich zwischen Null und Eins liegt. Der Emissionsgrad eines

Schwarzkörperstrahlers hat folglich den Wert Eins und ist wellenlängenunabhängig. Der Emissionsgrad eines realen

Strahlers ist dagegen wellenlängenabhängig und kleiner Eins.

Die abgegebene Strahlungsleistung realer Strahler wird im Vergleich zum Schwarzkörperstrahler weiterhin dadurch verringert, dass die strahlende Fläche A nicht homogen mit der Temperatur T durchwärmt ist, da das Heizelement in der Regel an einem kälteren Punkt, z.B. am Gehäuse, befestigt ist und diese Verbindung aufgrund von Wärmeleitung

thermische Energie vom Heizelement an das Gehäuse ableitet. Zusätzlich wird Wärme über das umgebende Gas abgeleitet. Es bildet sich somit eine Temperaturverteilung T (A) auf der Fläche A aus, wobei sich Bereiche mit einer maximalen und einer minimalen Temperatur auf der strahlenden Fläche ausbilden. Infolge dessen ist die abgegebene

Strahlungsleistung daher von der mittleren Temperatur der

Fläche A abhängig, welche sich aus dem arithmetischen Mittel der Temperaturverteilung T (A) ergibt.

Die Strahlungsleistung Prs eines realen thermischen Strahlers lässt sich somit mit einem angepassten Stefan-Boltzmann- Gesetz

P_rS = σεΑΤ⁴

beschreiben, wobei ε den arithmetischen Mittelwert über den wellenlängenabhängigen Emissionsgrad

und Τ den arithmetischen Mittelwert der Temperaturverteilung T (A) auf der strahlenden Fläche A darstellen .

Die Strahlungsleistung hängt dementsprechend von der vierten

Potenz der mittleren Temperatur T ab und ist direkt

proportional zum mittleren Emissionsgrad ε und der

strahlenden Fläche A. Für eine hohe Strahlungsleistung muss das strahlende Element demzufolge eine hohe Temperatur und einen hohen mittleren Emissionsgrad aufweisen, der möglichst nahe Eins ist. Darüber hinaus ist für eine hohe

Strahlungsleistung eine große strahlende Fläche A mit homogener Temperaturverteilung nötig. Zur Erhöhung des

Emissionsgrades existieren viele technische Lösungen, wie z.B. in der Druckschrift DE 102012103662 B3 beschrieben ist.

Alle thermischen Strahler funktionieren nach dem Prinzip der Joule' sehen Wärme oder auch Stromwärme, d.h., wenn ein elektrischer Strom durch einen Heizleiter fließt, wirkt der elektrische Widerstand des Heizleiters dem Stromfluss entgegen, wodurch Wärme erzeugt wird. Die so entstandene Wärme erhitzt den Heizleiter und wird von ihm über

Wärmestrahlung sowie Wärmeleitung an das Gehäuse bzw. an das umgebende Gas abgegeben. Der Heizleiter eines

energieeffizienten Infrarotstrahlers mit hoher

Strahlungsausbeute gibt einen Großteil der durch die

angelegte Spannung erzeugten elektrischen Energie als

Wärmestrahlung wieder ab und muss daher so gestaltet sein, dass die Verlustleistung als Folge der Wärmeableitung an das Gehäuse bzw. an das umgebende Gas möglichst gering ausfällt.

Die Wärmeableitung an das das strahlende Heizelement bzw. den strahlenden Heizleiter umgebende Gas kann dadurch reduziert werden, indem das Gehäuse der

Infrarotstrahlungsquelle mit einem inerten Gas (z.B. Argon) gefüllt und gasdicht verschlossen wird. Inerte Gase zeichnen sich durch eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit als die von Luft aus. Die Wärmeableitung eines freitragenden Heizleiters an das Gehäuse der Infrarotstrahlungsquelle kann durch die Erhöhung des Wärmewiderstands des Heizleiters reduziert werden. Der Wärmewiderstand eines Heizleiters ist vom Material und seiner Geometrie abhängig. Er ist für typische Heizleitermaterialien, wie z.B. Metalle,

proportional zum elektrischen Widerstand. Ein hoher

elektrischer Widerstand ist auch schaltungstechnisch als sehr vorteilhaft anzusehen, da bei einer an den Heizleiter angelegten elektrischen Spannung nach dem Ohm' sehen Gesetz niedrigere Ströme fließen als bei Heizleitern mit geringerem elektrischen Widerstand. In Ott, T., et al : Efficient thermal infrared emitter with high radiant power, J. Sens . Sens. Syst., 4, 313-319, doi : 10.5194/j sss-4-313-2015, 2015 wird dargelegt, dass eine energieeffiziente

Infrarotstrahlungsquelle einen freitragenden Heizleiter besitzt, der idealerweise so lang und dünn wie möglich sein sollte, um einen hohen elektrischen Widerstand, einen hohen Wärmewiderstand und eine große strahlende Fläche zu bieten. Lange freitragende Heizleiter haben jedoch den Nachteil, dass sie sich unter thermischer Last absolut gesehen mehr ausdehnen als kurze. Sie sind somit mechanisch weniger stabil als kurze Heizleiter.

Thermische Infrarotstrahlungsquellen werden hauptsächlich in der Nicht-Dispersiven-Infrarot- (NDIR-) Gasanalyse eingesetzt. Bei der NDIR-Gasanalyse handelt es sich um ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Gasen. Die infrarote Strahlung des thermischen Emitters durchstrahlt die Küvette mit dem zu messenden Fluid und trifft danach auf die sensitive Fläche des Detektors. Um einen möglichst hohen Anteil der emittierten

Infrarotstrahlung der Strahlungsquelle auf das

Detektorelement zu fokussieren, wird häufig eine zusätzliche Optik in den Strahlengang integriert. Der strahlende

Heizleiter muss unter Betriebstemperatur daher stets in der gleichen Position zur Optik gehalten werden, so dass die Fokussierung auf das Detektorelement erhalten bleibt. Eine weitere Anforderung an Heizleiter ist daher die mechanische Stabilität. Typische Heizleitermaterialien, wie z.B.

Metalle, dehnen sich unter thermischer Last aus, was im Zusammenspiel mit ihrer Befestigung, z.B. am Gehäuse des Infrarotstrahlers, zu Verformungen führt. Die Verformung ist dabei hauptsächlich von der Temperatur, vom eingesetzten Material sowie der Heizleitergeometrie abhängig.

Für bisherige Anwendungen in der Gasanalyse kommen vier verschiedene Typen von thermischen Infrarotstrahlungsquellen zum Einsatz: Filamentlampen, Widerstandswendeln, Globare und Dünnschichtstrahler . In kompakten infrarotspektroskopischen Geräten werden am häufigsten Strahler mit Widerstandswendeln und

Dünnschichtstrahler eingesetzt. Globare eignen sich trotz ihres hohen Emissionsgrades nicht für den Einsatz in

kompakten infrarotspektroskopischen Geräten, da sie meist mit einer Wasserkühlung betrieben werden müssen und sich aufgrund ihrer großen thermischen Masse nicht elektrisch modulieren lassen (DE 10 2012103 662 B3) . Auch Filamentlampen, wie z.B. Glühlampen mit Wolframwendel , haben zwar eine sehr hohe Strahlungsleistung, da die Temperatur der Wolframwendel bis zu 3000°C betragen kann. Dazu müssen sie aber in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum

betrieben werden, z.B. in einem Glaskolben. Das Glas ist jedoch für Infrarotstrahlung oberhalb von 4,5 μιη Wellenlänge nicht mehr ausreichend transparent, so dass

dies den Einsatzbereich stark einschränkt.

Strahler mit Widerstandswendeln aus einer dünnen, meist mäanderförmig strukturierten Metall-Heizleiterfolie, z.B. Kanthai oder Nickel-Chrom (US 5,939,726 A) , zeigen ein breitbandiges Infrarotspektrum. Das strahlende Element ist dabei freitragend ausgebildet und an einigen Gehäusepunkten befestigt, welche das Element in einer festen Position halten und die elektrische Kontaktierung sicherstellen.

Diese Strahler besitzen jedoch den Nachteil, dass das strahlende Element auf Grund seiner geringen Länge einen zu geringen elektrischen Widerstand aufweist. Weiterhin führt der an den niedrigen elektrischen Widerstand gekoppelte niedrige Wärmewiderstand dazu, dass ein Großteil der elektrischen Leistung in Form von Wärme an das Gehäuse abfließt und nicht als gewünschte Wärmestrahlung abgegeben wird. Ein Vorteil dieses Aufbaus ist die aus der geringen Heizleiterlänge resultierende mechanische Stabilität des strahlenden Elementes unter Temperaturlast. Weiterhin kann die beidseitig emittierte Strahlung durch einen in das Strahlergehäuse integrierten Reflektor genutzt werden.

Die in Ott, T., et al : Efficient thermal infrared emitter with high radiant power, J. Sens . Sens . Syst., 4, 313-319, doi:10.5194/jsss-4-313-2015, 2015 vorgestellten,

spiralförmigen Heizleiter bieten einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand und eine homogene Temperaturverteilung über die gesamte strahlende Fläche. Ihre Dicke bewegt sich im Bereich weniger Mikrometer. Diese Heizleiter sind freitragend ausgeführt, sodass die Unter- und Oberseite des strahlenden Elementes mit einem

entsprechenden, in das Gehäuse eingebauten Reflektor genutzt werden kann. Nachteilig an dieser Heizleitergeometrie ist jedoch die aus der ungestützten, also freitragenden hohen Leiterlänge folgende mechanische Instabilität unter

thermischer Last, die unter hohen Temperaturen zu

Verformungen des strahlenden Elements führt.

Bei Dünnschichtstrahlern, wie z.B. aus DE102004046705A1 bekannt, ist das Strahlerelement nicht freitragend

ausgebildet, sondern auf einer dünnen, nichtleitenden

Membran aufgebracht. Dadurch kann die Unterseite der

Heizleiterschicht nicht als strahlende Fläche genutzt werden. Da die Heizleitermetallisierung sehr dünn auf die Membran aufgedampft werden kann, ergibt sich ein hoher elektrischer Widerstand des Heizleiters. Zusätzlich wird der Heizleiter stets in einer Position gehalten und ist somit mechanisch formstabil. Da die Heizmetallisierung und die nichtleitende Membran aus unterschiedlichen Materialien bestehen, dehnen sie sich unter thermischer Last

unterschiedlich aus. Das Material, das sich weniger stark ausdehnt (in der Regel die Membran) , behindert dann die thermische Ausdehnung der Heizmetallisierung. Da die

Strahler in der Regel gepulst betrieben werden, kommt es somit zyklisch zu einer Stauchung der Heizmetallisierung, welche zu Anrissen führt und die Lebensdauer entscheidend verringert. Dadurch sind die Membranstrahler in ihrer

Betriebstemperatur begrenzt, wodurch sie eine geringe

Strahlungsleistung aufweisen. Um den Dünnschichtstrahler herzustellen, muss das strahlende Element bestehend aus einer dünnen Membran und einer Heizmetallisierung an einem Trägerrahmen befestigt sein, um es im Gehäuse der Strahlungsquelle befestigen zu können. Dieser Rahmen kann nicht als strahlende Fläche benutzt werden und verhindert somit die optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraumes als strahlende Fläche. Ein weiterer Nachteil von Dünnschichtstrahlern ist die inhomogene Durchwärmung

(Hotspot in Membranmitte) der Heizmetallisierung, da diese durch die Membran direkt mit der Wärmesenke (Trägerrahmen) verbunden ist, und so stets Wärme abgeleitet wird. Momentan existiert keine technische Lösung für eine

Infrarotstrahlungsquelle mit freitragendem Heizleiter, welcher durch einen hohen elektrischen und thermischen

Widerstand energieeffizient arbeitet und sich durch eine langzeitstabile und hohe Strahlungsleistung auszeichnet, die durch einen Heizleiter sichergestellt wird, der sich unter thermischer Last nur gering verformt und eine große

strahlende Fläche mit möglichst homogener Temperatur^¬ verteilung aufweist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Heizleitergeometrie anzugeben, die die vorgenannten Nachteile umgeht und sich in kompakten infrarotspektroskopischen Geräten integrieren lässt .

Die Aufgabe wird durch einen Mikroheizleiter dadurch gelöst, dass der Mikroheizleiter mindestens zwei

Heizleiterstrukturen umfasst, wobei die Heizleiterstrukturen nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Flächennormale einer Heizleiterstrukturebene einer ersten

Heizleiterstruktur mit einer Flächennormalen einer zweiten Heizleiterstrukturebene einer zweiten Heizleiterstruktur einen Winkel einschließt und mindestens zwei

Mäanderausstülpungen der ersten Heizleiterstruktur mit mindestens zwei Mäanderausstülpungen der zweiten Heizleiterstruktur verbunden und elektrisch verschaltet ausgebildet sind, wobei der Mikroheizleiter eine homogene Dicke aufweist. Dabei ist der Mikroheizleiter für den

Einsatz als Strahlungsquelle, insbesondere als eine

Infrarotstrahlungsquelle geeignet und vorgesehen. Unter einer Heizleiterstrukturebene wird eine Ebene verstanden, in der die Heizleiterstruktur liegt, d.h. die Ebene wird durch die Heizleiterstruktur aufgespannt. Bei zwei nebeneinander angeordneten Heizleiterstrukturen schließen die

Flächennormalen der Heizleiterstrukturebenen, die durch die jeweiligen Heizleiterstrukturen aufgespannt werden, einen Winkel ein. Eine Prinzip-Skizze ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Mäanderausstülpung wird in Bezug auf den vorliegenden Erfindungsgegenstand als ein Teil eines sich in eine

Längsrichtung oder einem Bogen erstreckenden und sich fortsetzenden Musters verstanden (Prinzip-Skizze in Fig.l). Dabei weisen benachbarte Ausstülpungen, d.h. in der Abfolge des Musters aufeinanderfolgende Ausstülpungen voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen. Um die mechanische

Stabilität des Mikroheizleiters für die Anwendung in

Strahlungsquellen zu erhöhen, ist es erforderlich, dass mindestens zwei Mäanderausstülpungen zweier benachbarter Heizleiterstrukturen miteinander verbunden sind. Es können aber auch mehr als zwei oder alle Mäanderausstülpungen, die sich gegenüberliegen, wenn zwei Heizleiterstrukturen

nebeneinander angeordnet werden, miteinander verbunden sein. Dadurch ergibt sich ein Mikroheizleiter, der sich aus

Heizleiterstrukturen zusammensetzt, die miteinander

elektrisch verschaltet sind, insofern die Verbindungen elektrisch leitend ausgebildet sind. Unter der Dicke des Mikroheizleiters wird die Materialstärke des Heizleiters verstanden, welche um ein Vielfaches kleiner als die Abmessungen der Heizleiterstruktur ist. Sie beträgt weniger als 5 ym.

In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroheizleiters ist mit dem Mikroheizleiter eine Temperatur größer als 700 K erreichbar. Für den Einsatz des

erfindungsgemäßen Mikroheizleiters als Strahlungsquelle ist dies essentiell, da erst bei diesen Temperaturen der

Mikroheizleiter als Strahlungsquelle im infraroten

Spektralbereich verwendet werden kann. Um eine hohe Strahlungsleistung zu erreichen, muss neben einer hohen Temperatur die strahlende Fläche möglichst groß sein. Für einen hohen Wirkungsgrad müssen der elektrische Widerstand und der Wärmewiderstand hoch sein, damit

möglichst wenig Wärme über die elektrischen Anschlüsse abfließen kann.

Dies ist durch die erfindungsgemäße Heizleiterstruktur gegeben, die in Verbindung mit der homogenen Heizleiterdicke den Vorteil einer besonders homogenen Temperaturverteilung ermöglicht . Um diese Eigenschaften des Mikroheizleiters zu erreichen, weist die Heizleiterstruktur eine Strukturbreite < 500 ym, bevorzugt < 250 ym, noch bevorzugter < 125 ym auf. D.h. die Leiterstrukturbreiten sind um ca. zwei Größenordnungen größer als die Dicke des Heizleitermaterials. Durch die mäanderförmigen Heizleiterstrukturen sowie die Verbindung der sich gegenüberliegenden Mäanderausstülpungen lässt sich die mechanische Stabilität bei thermischer Beanspruchung auch bei Temperaturen > 700 K deutlich erhöhen.

In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind die Mäanderausstülpungen zweier

benachbarter Heizleiterstrukturen mechanisch, thermisch elektrisch verbunden. Die Verbindung zwischen zwei

Mäanderausstülpungen ist derart ausgebildet, dass die

Ausstülpungen in einem Bereich verbunden sind oder die

Ausstülpungen überlappen sich teilweise. Zumindest muss gewährleistet sein, dass ein Wärmestrom durch die jeweilige Verbindung fließen kann, um den Mikroheizleiter gleichmäßig über die Heizleiterstrukturen hinweg erwärmen zu können. Die Verbindung kann auch als eine Klebeverbindung oder eine Schweißverbindung ausgebildet sein. Wichtig ist, dass die Verbindung sowohl mechanisch, thermisch als auch elektrisch wirkt, d.h. die mechanische Verbindung gewährleistet die mechanische Stabilität des Mikroheizleiters, die thermische Verbindung ist die Grundlage für die homogene Durchwärmung des Mikroheizleiters, so dass eine homogene

Infrarotabstrahlung erzielt werden kann, wobei die

elektrische Verbindung den elektrischen Stromfluss

sicherstellt, mit dem nach dem Prinzip der Joul^xschen Wärme der Mikroheizleiter erhitzt wird.

Die Mäanderausstülpungen sind bogenförmig oder n-eckig ausgebildet, wobei n eine natürliche Zahl größer als zwei ist. Wird die Form einer Mäanderausstülpung lokal verändert, steigt bzw. sinkt ihr Partialwiderstand, was dazu führt, dass an dieser Stelle eine höhere bzw. niedrigere

Stromdichte vorliegt, wodurch die Lokaltemperatur erhöht bzw. gesenkt werden kann. Somit ist es möglich, die

Temperaturverteilung im gesamten Heizleiter beliebig

einzustellen. Es ist daher auch möglich, je eine Form für die einzelnen Mäanderausstülpungen zu finden, die in Summe eine homogene Durchwärmung der strahlenden Fläche des

Heizleiters bewirken. Weiterhin kann so auch der elektrische Widerstand der Heizleiterstrukturen und die mechanische Stabilität des Mikroheizleiters in einer Strahlungsquelle beeinflusst und eingestellt werden. Unter einem Partialwiderstand wird der elektrische bzw. thermische

Widerstand einer Mäanderausstülpung verstanden. N-eckig bedeutet dabei, dass die Aussparungen, z.B. in einer

Metallfolie, die Form eines Dreiecks (bei n = 3) oder eines Vierecks (bei n = 4), usw. aufweist.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Gegenstandes weist der Winkel der Flächennormalen der Heizleiterstrukturebenen zweier benachbarter

Heizleiterstrukturen eine Größe von -90° bis +90°, bevorzugt -30° bis +30° auf. Ein Winkel von +90° ergibt sich, wenn zwei Heizleiterstrukturebenen in einem rechten Winkel zueinanderstehen, d.h. die Flächennormalen der Ebenen einen Winkel von 90° einschließen und aufeinander zu gerichtet sind. Ein Winkel von -90° ergibt sich, wenn die

Flächennormalen der Heizleiterstrukturebenen einen Winkel von 90° einschließen, aber voneinander weg gerichtet sind. In Bezug auf den vorliegenden erfindungsgemäßen Gegenstand kann der Winkel somit alle Werte zwischen +90° und -90°, einschließlich der Bereichsgrenzen (+/-90⁰) annehmen. Der Vorteil der Verkippung benachbarter Heizleiterstrukturen besteht darin, dass derartige Strukturen eine höhere

Stabilität aufweisen als flächige Strukturen. Das gleiche gilt für den bevorzugten Bereich von -30° bis +30°, wobei die Stabilität der Strukturen dabei noch weiter erhöht wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Flächennormalen zweier benachbarter Heizleiterstrukturen parallel zueinander verlaufend ausgebildet. Das bedeutet, der eingeschlossene Winkel ist Null. Die Heizleiterstrukturen befinden sich in einer Ebene, die Heizleiterstrukturen überdecken sich aber nicht.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Mikroheizleiter aus einem Material ausgebildet. D.h. die Heizleiterstrukturen sind aus demselben Material und können entweder zu einem Mikroheizleiter zusammengefügt werden oder der

Mikroheizleiter wird infolge einer Strukturierung eines Materials, z.B. einer Metallfolie, hergestellt, indem

Aussparungen in das Material eingebracht werden. Die Größe dieser Aussparungen ist vorteilhafterweise kleiner als 50 ym.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Mikroheizleiters ist das Material für diesen Heizleiter aus einer

Nickelbasislegierung, aus einer Nickelbasis-Superlegierung, aus einer Ni_xCri-_x-Legierung mit 0 < x < 1 , aus Wolfram, aus Molybdän, aus Kohlenstoff, aus Platin, aus Tantal, aus

Vanadium, aus einer Titanbasislegierung, aus Rhenium, aus Niob, aus Kobalt oder aus einer Legierung aus wenigstens zwei dieser Materialien ausgebildet. Die Aufzählung soll als oder-Verknüpfung verstanden werden, wobei eine Legierung aus wenigstens zwei dieser aufgezählten Materialien besteht.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in den

Heizleiterstrukturen eine gleiche Stromdichte ausbildbar. Wird eine Spannung an den Mikroheizleiter angelegt, fließt ein Strom durch den aus Heizleiterstrukturen bestehenden Mikroheizleiter. Aufgrund des elektrischen Widerstands der Heizleiterstrukturen, der dem Stromfluss entgegenwirkt, wird Wärme erzeugt. Die Stromdichte hängt von der Stromstärke und der einem Strom zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche ab, durch die der Strom senkrecht hindurchtritt. Wird die Geometrie der Heizleiterstrukturen so gewählt, dass überall die gleiche Stromdichte vorliegt, wird die strahlende Fläche des Mikroheizleiters homogen erwärmt und die Gefahr des lokalen Aufschmelzens des Heizleiters und damit die

Zerstörung der daraus gebildeten Strahlungsquelle aufgrund einer Überhitzung kann vermieden werden. In Kombination mit den mechanischen Verbindungen zwischen den einzelnen

Heizleiterstrukturen ist damit ein homogener Strahler mit optimierter mechanischer Stabilität realisierbar.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind die Heizleiterstrukturen freitragend ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass sowohl die Vorder- als auch die

Rückseite des Mikroheizleiters für eine

Wärmestrahlungsabgabe zur Verfügung steht. Damit steigt aber auch die Gefahr der Verformung und die Stabilität der

Strukturen, deren Abmessungen im ym-Bereich liegen, wird verringert. Aufgrund der bereits beschriebenen mechanischen Verbindungen zwischen den Mäanderausstülpungen zwischen benachbarten Heizleiterstrukturen kann dieser Nachteil allerdings ausgeräumt werden. In einer anderen Ausgestaltung sind die Heizleiterstrukturen auf einer Membran ausgebildet. Die Membran muss ein

Nichtleiter sein, z.B. Siliziumdioxid. Der Nachteil der inhomogenen Durchwärmung des strahlenden Elements von

Dünnschichtstrahlern aufgrund der direkten Verbindung von Wärmesenke (Trägerrahmen) und Heizmetallisierung kann durch die Variation der Form der von den Mäanderausstülpungen gebildeten Aussparungen behoben werden. Entscheidend ist der Partialwiderstand der einzelnen Mäanderabschnitte.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Mikroheizleiter aus mindestens zwei Heizleiterstrukturen gebildet, die so ausgebildet sind, dass der Mikroheizleiter eine runde oder elliptische Heizleiterfläche in der Heizleiterstrukturebene bildet. Eine Prinzip-Darstellung zeigt Figur 8. Das ist besonders vorteilhaft, wenn der Mikroheizleiter in ein rundes Gehäuse eingebaut wird, da mit dieser Strukturform der Einbauplatz optimal genutzt werden kann und die

abstrahlende Fläche besonders groß wählbar ist. In einer anderen weiteren Ausgestaltung ist der Mikroheizleiter aus mindestens zwei Heizleiterstrukturen gebildet, die so ausgebildet sind, dass der Mikroheizleiter eine gewölbte Heizleiterfläche bildet. Die Heizleiterfläche liegt dann nicht mehr in einer Ebene sondern ist gewölbt, ähnlich eines Segments auf einer Kugeloberfläche. Die gewölbte Fläche wirkt als eine Art Kollimator mit einem Fokuspunkt. Dieser kann genutzt werden, um die abgestrahlte Strahlung zu fokussieren und so die Strahldichte zu erhöhen. In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der

Mikroheizleiter als Strahlungsquelle verwendet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von

Ausführungsbeispielen näher läutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1 Prinzip-Skizze einer mäanderförmigen

Heizleiterstruktur nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus zwei Heizleiterstrukturen: a) Draufsicht,

Verkippung, c) perspektivische Ansicht;

Fig. 3 Verkippung zweier benachbarter

Heizleiterstrukturen ;

Fig. 4 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus zwei Heizleiterstrukturen -

Mäanderausstülpungen der ersten Heizleiterstruktur sind nicht alle mit den Mäanderausstülpungen der zweiten Heizleiterstruktur verbunden;

Fig. 5 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus zwei Heizleiterstrukturen: a) schraffierte erste und zweite Heizleiterstruktur, b) ohne

Schraffur;

Fig. 6 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus drei Heizleiterstrukturen: a) schraffierte erste, zweite und dritte Heizleiterstruktur, b) ohne Schraffur;

Fig. 7 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus vier Heizleiterstrukturen: a) schraffierte erste bis vierte Heizleiterstruktur, b) ohne

Schraffur;

Fig. 8 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus vier Heizleiterstrukturen, wobei die Heizleiterstrukturen gebogen ausgebildet sind und damit eine runde oder elliptische Strahlungsfläche bilden;

Fig. 9 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter bestehend

aus vier Heizleiterstrukturen, wobei die Heizleiterstrukturen gewölbt ausgebildet sind und damit eine Art Kollimator mit Fokuspunkt bilden, a) Draufsicht, b) Seitenansicht, c) und d)

verschiedene perspektivische Ansichten;

Fig. 10 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter mit

bogenförmigen oder n-eckigen Mäanderausstülpungen: a) dreieckig (n = 3) , b) bogenförmig; Fig. 11 Erfindungsgemäßer Mikroheizleiter eingebaut in ein

Gehäuse zur Anwendung als Infrarot^¬ strahlungsquelle .

Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer

mäanderförmigen Heizleiterstruktur 10. Ein Mäander ist ein sich in eine Richtung fortsetzendes und sich wiederholendes Muster, wobei eine Mäanderausstülpung 2 in Bezug auf den vorliegenden Erfindungsgegenstand als ein Teil dieses

Musters verstanden wird und benachbarte Ausstülpungen 2, d.h. in der Abfolge des Musters aufeinanderfolgende

Ausstülpungen 2, voneinander weg in entgegengesetzte

Richtungen weisen.

Figur 2 zeigt die Kombination zweier mäanderförmiger

Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2, wobei eine

Heizleiterstruktur 10 eine Heizleiterstrukturebene 3 mit einer Flächennormalen 4 aufspannt und zwei benachbarte

Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2 in einem Winkel 5 verkippt (Fig. 2b) zueinander ausgebildet sein können. Fig. 2c) zeigt eine perspektivische Darstellung zweier benachbarter

Heizleiterstrukturen, die zueinander verkippt ausgebildet sind. In der Darstellung der Figur 2 sind alle

Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 mit den Mäanderausstülpungen 2 der zweiten

Heizleiterstruktur 10-2 verbunden. Der Vorteil sowohl dieser Verbindung als auch der Verkippung ist eine höhere

mechanische Stabilität.

Figur 3 zeigt die Verkippung zweier benachbarter

Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2 zueinander. Dabei schließen in Fig. 3a) die Flächennormalen 4 der

Heizleiterstrukturebenen 3 der Heizleiterstruktur 10-1 und 10-2 einen Winkel von +90° ein, da die Flächennormalen 4 aufeinander zu gerichtet sind, wohingegen die

Flächennormalen 4 der Heizleiterstrukturebenen 3 der

Heizleiterstrukturen 10-1 und 10-2 in Fig. 3b) voneinander weg gerichtet sind und somit einen Winkel von -90° einschließen. In Fig. 3c) verlaufen die Flächennormalen 4 der Heizleiterstrukturebenen 3 der Heizleiterstrukturen 10-1 und 10-2 parallel, d.h. die Ebenen 3 liegen wiederum in einer Ebene und spannen somit einen ebenen, flächigen

Mikroheizleiter 1 auf.

In Figur 4 sind ebenfalls zwei miteinander verbundene

Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2 dargestellt, jedoch sind nicht alle Mäanderausstülpungen 2 der ersten

Heizleiterstruktur 10-1 mit den Mäanderausstülpungen 2 der zweiten Heizleiterstruktur 10-2 verbunden. Dies

beeinträchtigt die mechanische Stabilität nicht bzw. nur unwesentlich.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroheizleiters 1, bei dem zwei Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2 in einer Ebene angeordnet sind, so dass die

Flächennormalen 4 der Heizleiterstrukturebenen 3 parallel zueinander verlaufen (siehe auch Fig. 3c)) . Die

Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 sind dabei mit den jeweils gegenüberliegenden

Mäanderausstülpungen 2 der zweiten Heizleiterstruktur 10-2, die in entgegengesetzte Richtung als die

Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 weisen, verbunden. Dadurch kann die mechanische Stabilität gegenüber einer einzelnen freitragenden Heizleiterstruktur 10 mit Abmessungen im Mikrometerbereich wesentlich erhöht werden . Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Mikroheizleiters 1, bei dem drei Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2, 10-3 in einer Ebene angeordnet sind, so dass die Flächennormalen 4 der Heizleiterstrukturebenen 3 parallel zueinander verlaufen. Die Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 sind dabei mit den jeweils

gegenüberliegenden Mäanderausstülpungen 2 der zweiten

Heizleiterstruktur 10-2, die in entgegengesetzte Richtung als die Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 weisen, verbunden. Die Mäanderausstülpungen 2 der zweiten Heizleiterstruktur 10-2 sind entsprechend mit den jeweils gegenüberliegenden Mäanderausstülpungen 2 der dritten Heizleiterstruktur 10-3, die in entgegengesetzte Richtung als die Mäanderausstülpungen 2 der zweiten

Heizleiterstruktur 10-2 weisen, verbunden 6. Im Vergleich zum Mikroheizleiter aus zwei Mäandern bzw.

Heizleiterstrukturen (Fig. 5) ist bei gleicher

Heizleiterfläche die mechanische Stabilität des Heizleiters durch mehr Verbindungspunkte erhöht, wobei der elektrische Widerstand nur gering gesenkt wird.

Figur 7 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroheizleiters 1, bei dem vier Heizleiterstrukturen 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 in einer Ebene angeordnet sind, so dass die Flächennormalen 4 der Heizleiterstrukturebenen 3 parallel zueinander verlaufen. Die Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 sind dabei mit den jeweils

gegenüberliegenden Mäanderausstülpungen 2 der zweiten

Heizleiterstruktur 10-2, die in entgegengesetzte Richtung als die Mäanderausstülpungen 2 der ersten Heizleiterstruktur 10-1 weisen, verbunden 6. Die Mäanderausstülpungen 2 der zweiten Heizleiterstruktur 10-2 sind entsprechend mit den jeweils gegenüberliegenden Mäanderausstülpungen 2 der dritten Heizleiterstruktur 10-3, die in entgegengesetzte Richtung als die Mäanderausstülpungen 2 der zweiten

Heizleiterstruktur 10-2 weisen, verbunden 6. Für die

Kombination mit der vierten Heizleiterstruktur 10-4 gilt die Anordnung entsprechen. In dieser Ausführungsform ist die mechanische Stabilität der Heizleiterstruktur 1 durch viele Verbindungspunkte weiter erhöht. In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroheizleiters 1 dargestellt. Wird der Mikroheizleiter 1 in ein Gehäuse 11 eingebaut, d.h. als Strahlungselement in einer Strahlungsquelle, z.B. einer Infrarotstrahlungsquelle, verwendet, dann kann

vorteilhafterweise die Struktur des Mikroheizleiters 1 an die Ausgestaltung des Bauraumes des

Strahlungsquellengehäuses 11 angepasst werden. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann der Mikroheizleiter 1 mit den

Heizleiterstrukturen 10 bei einer runden Bauform rund ausgebildet sein, so dass durch diese Anordnung der

Mikroheizleiter 1 optimal ausgenutzt, d.h. dass die maximal mögliche strahlende Fläche in das runde Gehäuse 11

eingebracht werden kann. In Figur 9 ist eine weitere Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Mikroheizleiters 1 dargestellt. Wird der Mikroheizleiter 1 in ein Gehäuse 11 eingebaut, d.h. als Strahlungselement in einer Strahlungsquelle, z.B. einer Infrarotstrahlungsquelle, verwendet, dann kann

Strahlungsquellengehäuses 11 angepasst werden. Vorteilhafter Weise kann diese runde Bauform gleichzeitig noch gewölbt ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise zur Fokussierung der Strahlung und Erhöhung der Strahldichte genutzt werden. Figur 9 a) zeigt eine Draufsicht, b) eine Seitenansicht, sowie die Figuren 9 c) und d) verschiedene perspektivische Ansichten des gewölbten Mikroheizleiters 1 bestehend aus vier Heizleiterstrukturen 10. Figur 10 zeigt verschiedene Formen der Mäanderstrukturen 2 bzw. Ausstülpungen. Fig. 9a) zeigt die Form der

Mäanderausstülpungen bei n = 3, d.h. die Mäander haben die Form von Dreiecken und in Fig. 9b) sind die

Mäanderstrukturen 2 bogenförmig ausgebildet. Es können auch, je nach auszubildendem Wärmeprofil, d.h. lokalen Einstellung der Stromdichte und damit der Durchwärmung verschiedene Mäanderstrukturformen 2 miteinander kombiniert werden.

Figur 11 zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen

Mikroheizleiters 1 als Strahlungsquelle in einem Gehäuse 11. Der Mikroheizleiter 1 ist über die zwei Kontakte 7 des

Mikroheizleiters 1 mit den korrespondierenden inneren

Anschlüssen 8 im Gehäuse 11 kontaktiert, wobei die

Strahlungsquelle und damit der Mikroheizleiter 1 über die Außenanschlüsse 9 betrieben wird.

Mikroheizleiter

Bezugszeichenliste Mikroheizleiter

Heizleiterstruktur

-1 erste Heizleiterstruktur

-2 zweite Heizleiterstruktur

-3 dritte Heizleiterstruktur

-n n-te Heizleiterstruktur

Mäanderausstülpung

Heizleiterstrukturebene

Flächennormale

Winkel zwischen zwei Flächennormalen

Verbindung zwischen zwei Mäanderausstülpungen

Anschlüsse der Heizleiterstruktur für den Einbau in einer Strahlungsquelle

innere Gehäuseanschlüsse

äußere Gehäuseanschüsse

Gehäuse für den Mikroheizleiter

Claims

Mikroheizleiter Patentansprüche

Mikroheizleiter für eine Strahlungsquelle, wobei der Mikroheizleiter (1) aus einer mäanderförmigen,

Mäanderausstülpungen (2) aufweisenden sowie eine

Heizleiterstrukturebene (3) mit einer Flächennormalen (4) aufspannenden Heizleiterstruktur (10) gebildet ist, wobei benachbarte Mäanderausstülpungen

(2) in der

Heizleiterstrukturebene

(3) und voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen weisend, ausgebildet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der

Mikroheizleiter (1) mindestens zwei Heizleiterstrukturen

(10) umfasst, wobei die Heizleiterstrukturen (10)

nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Flächennormale

(4) einer Heizleiterstrukturebene (3) einer ersten

Heizleiterstruktur (10-1) mit einer Flächennormalen (4) einer zweiten Heizleiterstrukturebene (3) einer zweiten Heizleiterstruktur (10-2) einen Winkel (5) einschließt und mindestens zwei Mäanderausstülpungen (2) der ersten Heizleiterstruktur (10-1) mit mindestens zwei

Mäanderausstülpungen (2) der zweiten Heizleiterstruktur

(10-2) verbunden und elektrisch verschaltet ausgebildet sind, wobei der Mikroheizleiter eine homogene Dicke aufweist .

Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach

Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mit dem Mikroheizleiter (1) eine Temperatur größer als 700 K erreichbar ist.

Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizleiterstruktur (10) eine Breite kleiner als 500 ym, bevorzugt kleiner als 250 ym, noch bevorzugter kleiner als 125 ym aufweist. 4. Mikroheizleiter für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass Mäanderausstülpungen (2) zweier benachbarter Heizleiterstrukturen (10) mechanisch, thermisch und elektrisch verbunden (6) sind.

5. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass die Mäanderausstülpungen (2) bogenförmig oder n-eckig ausgebildet sind, wobei n eine natürliche Zahl größer als zwei ist.

6. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass der Winkel (5) der Flächennormalen (4) zweier benachbarter

Heizleiterstrukturen (10) eine Größe von -90° bis +90°, bevorzugt -30° bis + 30° aufweist.

7. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass die Flächennormalen (4) zweier benachbarter Heizleiterstrukturen (10) parallel zueinander verlaufend ausgebildet sind.

8. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass der Mikroheizleiter (1) aus einem Material ausgebildet ist.

9. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Material aus einer Nickelbasislegierung, aus einer Nickelbasis-Superlegierung, aus einer Ni_xCri-_x-Legierung mit 0 < x < 1 , aus Wolfram, aus Molybdän, aus

Kohlenstoff, aus Platin, aus Tantal, aus Vanadium, aus einer Titanbasislegierung, aus Rhenium, aus Niob, aus Kobalt oder aus einer Legierung aus wenigstens zwei dieser Materialien ausgebildet ist.

10. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach

einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass in den

Heizleiterstrukturen (10) eine gleiche Stromdichte ausbildbar ist.

11. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach

einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizleiterstrukturen (10) freitragend ausgebildet sind.

12. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach

einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizleiterstrukturen

(10) auf einer Membran ausgebildet sind.

13. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach

einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass der Mikroheizleiter aus mindestens zwei Heizleiterstrukturen (10) gebildet ist, die so ausgebildet sind, dass der Mikroheizleiter (1) eine runde oder elliptische Heizleiterfläche in der

Heizleiterstrukturebene (3) bildet.

14. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach

einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass der Mikroheizleiter (1) aus mindestens zwei Heizleiterstrukturen (10) gebildet ist, die so ausgebildet sind, dass der Mikroheizleiter (1) eine gewölbte Heizleiterfläche bildet.

15. Mikroheizleiter (1) für eine Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, dass der Mikroheizleiter (1) als Strahlungsquelle verwendet wird.