TW200936796A - Method for fabricating a heating element by depositing thin layers on an insulating substrate and the element thus obtained - Google Patents

Description

200936796 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於沉積薄層於絕緣基材上以製造加熱 元件的技術領域。 【先前技術】 本發明在除霧或除冰表面，譬如像是在汽車工業中 φ 的反射表面或在航空工業上機翼前緣，的領域上具有有 利的應用。 如熟習此技藝者所習知的，一加熱元件包含一被稱 爲“冷區”之低電阻區域及一構成實際的加熱部部分之具 有較高的電阻的區域。 在一個加熱元件設計中，該熱區藉由被串聯式連接 而與兩個冷區相關聯，使得流經每一個區域的電流的強 度都是相同的。 Φ 冷區的作用是要將得自於一外部電源的電流供應連 # 接至該加熱部分的端子並將該電流均勻地分配至該等端 子。 讀者應瞭解的是，功率等於電阻乘上電流的平方及 電流的流動會在具有較高的電阻的區域產生一顯著的溫 度上升（其因而被稱爲熱區）。相反地，因爲冷區具有 最低的電阻’所以有最少的熱功率從電流接被釋出。 而且，因爲電阻等於電阻率乘上該導體的長度再除 以其截面積，所以可以藉由改變前面提到的參數：電阻 -5- 200936796 率，長度，截面積，來改變電阻値。 在使用真空沉積技術的薄層加熱元件的一個實施例 中，吾人可使用至少兩種不同電阻率的物質，每一種物 質都透過特定的罩幕加以沉積，來連續地構成跡線（ track )形式的加熱部分（熱區）及一或多個集極（ collector )與汲極（drain )。這兩種物質係根據它們本 身的電阻率來加以選擇的，而它們的截面積則是根據冷 區所需要的導電性及加熱部分所需之電阻値來決定的。 如果該加熱塗層無法藉由調整該塗層的厚度來獲得 一夠高的電阻的話，則就有必要改變以跡線的形式被沉 積之電阻的長度，以增長該電流流經的長度。 如上文中提及的，一導電性第二高的物質被沉積在 該等電阻的端部以作爲一汲極。吾人可參考日本專利案 JP7226301 及 JP8124707 的揭示內容。 在另一實施例中，如果被沉積的電阻不是跡線形式 的話，則電連接可透過一被製造成條帶形式的導電性塗 層（其被習稱爲汲極）而被做ΐ該電阻性塗層的兩側上 。此解決方式被揭示於 WO0 1 582 1 3，W003095251 及 US4543466等專利文獻中。如在專利文獻W00 1 5 82 1 3中 所揭示的，該加熱層是一透明的導電性物質製成的且其 與一高導電性的銀層相關聯用以在沒有任何溫度上升下 達成汲極的功能。 此一習知技藝的結果爲，藉由沉積薄層來製造加熱 元件包含兩個階段： -6 - 200936796 第一階段爲：在電阻是跡線形式的例子中透過一罩 幕沉積該電阻或直接將該電阻沉積於基材的整個表面上 。應注意的是，跡線亦可藉由選擇性地去除掉電阻性沉 積物來製造； 第二階段爲：透過另一個罩幕沉積另一塗層以製造 汲極。 因此，使用兩種不同的物質且在兩個沉積處理之間 〇 使用一罩幕是必要的。 此一習知技藝被示意的示於圖1中，其顯示出用兩 階段處理來製造一加熱元件。該加熱元件包含一用電絕 緣物質，如陶瓷，玻璃或塑膠等，所製造的基材（C)。 一稍有導電性的塗層（B)被沉積在該基材（C)的整個 表面上。一罩幕以一種它不會覆蓋該塗層（B)的端部的 方式被放置在塗層（B)上，用以能夠沉積一第二高導電 性塗層來製造汲極（A)，用來連接一電源，譬如像是一 〇 發電機（G)。 基於此習知技術，本發明所欲解決的問題爲，在一 使用單一物質之單一沉積步驟中製造薄膜加熱元件。 【發明內容】 爲了要解決此問題，一種藉由沉積薄層與一絕緣基 材上來製造加熱元件的方法被提出，其包含： 改變該基材的表面狀態用以獲得至少一低表面粗糙 度Ra的平滑區域及至少一具有較大的表面粗糖度Rax的 200936796 區域； 施加一高導電性物質至至些不同的區域； 將平滑的區域連接至一電源。 此方法的結果爲’該加熱兀件可在—單一沉積處理 中被製造，用以同時產生該電阻與汲極，在此例子中汲 極係由低粗糙度的區域所構成。 因此’在製造塗層的處理期間不再需要使用兩種不 同的物質或使用不同的罩幕。 與熟習此技藝者的直覺相反地，依據本發明，該高 導電性的物質係用於該加熱部分，不只是用於冷的部分 或汲極。 以此基本設計爲基礎： 吾人可將該高導電性物質層沉積在整個基材上，以 覆蓋所有平滑及粗糙的區域，或 吾人可沉積該高導電性物質層以形成一跡線，其覆 蓋一部分的平滑區域及一部分的粗糙區域。 在一實施例中，吾人可製造一凸起的粗糙區域於兩 個平滑區域之間。 本發明亦有關於一種藉由沉積薄層於一絕緣基材上 而獲得之加熱元件，其具有至少一使用焦耳效應之加熱 部分及至少一電連接部分其由至少一凸起的粗糙區域 Rax及至少一低粗糙度Ra的平滑區域所構成，該等區域 被一高導電性物質的薄層所覆蓋且一電源被連接至該平 滑的區域。 -8- 200936796 可被使用之高導電性物質舉例性地而非限制性地包 括鋁，銅，銀，金，及更一般性地，任何本身的導電性 在常溫下大於SOxlO^S.nT1的物質。 依據另一態樣，該平滑區域的粗糙度Ra小於0.5微 米。 在一實施例中，該基材具有一位在沿著一較高粗糙 度Rax的區域旁邊的平滑區域。 〇 在另一實施例中，該基材具有位在一較高粗糙度

Rax的區域的兩側邊的兩個平滑區域。 由此方法可以得知的是： 該高導電性物質的薄層被沉積在該基材的整個表面 上，以覆蓋各種區域，或 該高導電性物質的薄層被沉積成跡線的形式，其覆 蓋各種區域。 當電阻値比R2/R1大於係數αΐ與α2的平方的比率 Ο ’ β卩’ Rl/R2>(a2)2/(al)2時，可獲得特別有利的結果， 其中：

Rl=低粗糙度（Ra)的平滑區域以歐姆爲單位的電阻 値； R2 =較高粗糙度（Rax )的區域以歐姆爲單位的電阻 値； al =該平滑區域的伸展長度（developed length)除以 它用測面儀所測得之長度； α2 =該較局粗縫度的區域的伸展長度除以它用測面儀 -9- 200936796 所測得之長度。 【實施方式】 圖3及4顯示依據本發明所獲得之在任何已知種類 的電絕緣基材（1)上的加熱元件的第一實施例。 依據本發明的一個基本態樣，該基材（1)的表面狀 態被改變用以獲得低粗糙度Ra (典型地小於0.5微米） 之平滑的區域（la)及（lb)，及一較大粗糙度Rax (其 ❹ 必需大於0.5微米）的區域。’ 一由高導電性物質所組成的塗層（2)被沉積到該基 材（1)之與區域（la) ，（lb)及（lc)相同側的整個 表面積上。該高導電性物質的導電性在常溫下大於30x 106S/m2。因此，在基材（1)的平滑區域（la)及（lb )上方的區域（2a)及（2b)構成用來連接一電源（譬 如像是發電機（3)，的汲極，而在具有較大的粗糙度的 區域（lc)上方的區域（2c)則構成該加熱元件的加熱 @ 部分。 電阻値主要係藉由改變該基材的區域（lc)的表面 粗糙度而被削減。將粗糙度特性結合及改變塗層的厚度 以削減該電阻値亦是可行的。 塗層（2)可藉由在沉積該塗層之前放置一罩幕或藉 由選擇性地去除該塗層而被沉積跡線形式。 爲了產生跡線，讓跡線的彎折半徑的附近有低粗糙 度的表面是較佳的，因爲一低粗糙度的表面可促成一低 -10- 200936796 電阻値，而這可降低溫度上升並避免傷害到沉積物。 一有利的實施例被示於圖5中，其顯示一具有一較 高粗糙度Rax之突起的中央區域（lc)及兩個低粗糙度 (Ra )的側向區域（1 a )及（1 b )。低粗糙度的跡線（2 )的彎折半徑（2d)所在處的區域（la)可避免過度加 熱，其方式與該等汲極的附近用來連接發電機（3)的方 式相同。 φ 如圖中所示，該基材具有兩個位在高粗糙度Rax區 域的兩側之低粗糙度Ra的平滑區域（la)及（lb)。該 基材可具有一單一低粗糙度Ra的平滑區域，其沿著一高 粗糙度Rax區域的一側邊被設置。相同地，由高導電性 塗層（2)所構成的跡線（2d)可被做成不同的形狀，參 見圖5及6。 在圖7中，基材具有一低粗糙度區域（lb)及一高 粗糙度區域（lc)。塗層（2)被沉積在區域（2c)(高 〇 粗糙度區域）及區域（2b)(低粗糙度區域）內的圓筒 形表面連接至發電機（3)的外面上。 首先必需強調的優點爲，依據本發明，該基材在沉 積該導電性塗層之前的表面狀態的局部改變讓藉由使用 單一物質來製造加熱元件成爲可能，不論該加熱元件是 有爲跡線形式。 此表面狀態改變可在該基材被製造時的上游被實施 ，例如在一聚合物基材的例子中，可藉由一射出模具的 表面上一凸起的區域來達成。 -11 - 200936796 此表面狀態的改變亦可在沉積之前藉由使用被稱之 爲噴砂（sandblasting)或任何改變基材的粗糙度之適合 的方式而被直接形成在該基材上。 在基材是導電性基材的例子中，一第一絕緣塗層可 在沉積加熱元件之前被施用。 應注意的是，爲了要製造出依據本發明的加熱元件 的基本特徵，吾人可： 使用一低粗糙度Ra的基材，其經過處理用以獲得一 q 介於兩個低粗糙度Ra的平滑區域之間的高粗糙度Rax的 區域，或 使用一高粗糙度Rax的基材，其經過處理用以獲得 兩個位在一高粗糙度Rax區域的兩側邊上之兩個低粗糙 度Ra的平滑區域。 參見下面三個例子： 例1 : ❿ 在例1中，銅藉由真空沉積技術被沉積在聚碳酸酯 基材上。 在條帶形式中，聚碳酸酯基材具有一最初的表面粗 糙値Ra = 0.02微米。這些聚碳酸脂基材在真空沉積之前 接受噴砂處理藉以將它們的粗糙度提高至Ra = 4.9微米。 條帶的端部被保持平滑用以達成一電結4合功能並將 電流均勻地分佈。 三種電阻被製造在每一表面狀態上。該等電阻的長 -12- 200936796 度爲98mm且它們的寬度分別爲5，12及24mm。粗糖度 的輪廓被用來計算每一表面狀態的伸展長度。 這些電阻係藉由施加一電流並測量橫跨該電阻的電 壓而被特徵化。所有這些基材都在真空沉積設備中被同 時地塗覆。該等基材亦相對於沉積源被相同地放置。 在粗糙度Ra小於0.01微米的樣本玻璃基材上，被 沉積的銅被測得的厚度爲1.15微米。 ❹ 粗糙度測試件依據圖3及4中所示的原理被製備。 電阻 寬度 Ra (μηι) I (A) u (V) R=U/I (Ohm) R2/R1 測得的a axa (a2xa2)/ (alxal) 24mm 0.02 3 1.162 Rl=0.387 3.2 al=1.0004 1.0008 1.2 4.86 1 1.245 R2=1.245 a2=1.0841 1.1752 12mm 0.02 2 1.489 Rl=0_745 3.2 al=l_0004 1.0008 1.2 4.86 1 2.400 R2=2.400 a2=1.0841 1.1752 5mm 0.02 1 1.705 Rl=1.705 3.1 al=1.0004 1.0008 1.2 4.86 1 5.225 R2=5.225 a2=1.0841 1.1752 ❿ α該伸展長度（developed length)除以用測面儀所 測得之長度。在表中，粗糙表面以1加以註記且平滑的 表面係以2加以註記。 α =伸展尺度（developed dimension) /外觀尺度 很明顯的是，粗糙度具有增加一表面的長度及伸展 寬度的效果。 電阻値Ri通常係以下面的式子來表示：

Ri = pxLxai/((e(aiXai))xlxai) = pxLxai><aj/(exl) 表面i的伸展長度（Li)爲Lx ai，表面i的寬度（1, -13- 200936796 )爲lxai及在表面i上的沉積物的厚度（ei)則爲 e/(aixai) ’使得該伸展體積（V)仍保持沒有改變。 V = Vi = LxaiXlxaiXe/(aiXai) = Lxlxe 這讓我們得到的結論爲，電阻値（R1/R2 )的比率應 等於係數〇1的平方的比率（尺2/111) = ((12><〇[2)/((11><〇11))。 此實驗結果顯示，對這三種電阻寬度而言，粗糙的 區域在電阻上的增加以電阻的比率R2/R1而言是從3.1 增加至3.2。 此一等級的增加讓使用高導電性物質作爲電阻成爲 可能，且在平滑區域中，該等沉積物其行爲如短路一樣 ，因此不能作爲加熱元件。 這些結果亦顯示出在電阻上的增加主要並不是因爲 表面粗糙度的形狀效果，因爲令人驚訝地，R2/R1的比 率遠超過係數a的平方的比率。再者，如果採用一理論 上的方式，改變表面粗糙度的想法對於熟習此技藝者而 言並不是顯而易見的，因爲在電阻値上只增加1.2無法 讓短路變成爲一加熱電阻。 例2 : 在例2中，與例1相同的物質藉由使用真空沉積技 術被沉積在聚砜樹脂（polysulphone )上。該等粗糙度測 試件依據圖3，4及5所示的原理加以製備。該等電阻的 長度爲45mm且它們分別爲12及23mm寬。 200936796 基材 電阻 寬度 Ra (μπι) R=U/I (Ohm) R2/R1 測得的a axa (a2xa2)/ (alxal) 聚颯 讎旨 23mm 0.08 Rl=0.293 4.9 al=1.0008 1.0016 1.2 6.04 R2=1.430 〇2=1.1001 1.2102 12mm 0.08 Rl=0.441 5.5 al=1.0008 1.0016 1.2 6.04 R2=2.450 a2=1.1001 1.2102 在此例子中，同樣很明顯的是，在電阻値上的增加 © 與表面粗糙度的形狀效果不符。在伸展長度上的改變不 能解釋在電阻値上的增加。 例3 : 在此例子中，加熱電阻被製造在聚碳酸酯測試件上 。一罩幕在沉積之前被放置在測試件上用以獲得跡線。 四個部分（加熱元件）藉由比較的方式被產生。 在部分1上，該基材的表面狀態沒有被改變且Ra約 ®爲0.02微米。 在部分2上，整個基材的表面狀態被改變且Ra約爲 4.92微米。 在部分3上，該基材在彎折住附近且靠近該等電接 點觸的表面狀態沒有被改變且在這些區域中的Ra約爲 0.02微米。 在跡線的附近，粗糙度藉由噴砂而從0·02微米被提 高至4.8 9微米。測試件3依據圖3’ 4及5所示的原理 加以製備。 -15- 200936796 銅藉由使用CVD被沉積在這些前三個測試件上。此 沉積的厚度在Ra爲0.02微米的平滑區域測得的數値爲 0.5微米。 在依據先前技術（圖1及2)的原理製備的測試件4 上，該部分的表面具有0.02微米的粗糙度。一第一個 0.1微米的電阻性NiCr合金層透過一第一罩幕加以沉積 。在此第一沉積之後，一第二罩幕被放置在該部分上且 一 0.5微米的銅層接著被沉積在端部區域上，如圖5所 不 。 在決定整體電阻値之後，12V接著被施加至該等電 阻上用以測量導因於焦耳效應的溫度上升。在溫度上升 測量期間，環境溫度爲20°C。 部分 整R T平衡溫度在。C 觀察 1 3.2ohm ND 不符:基材因過熱受損 2 11.2ohm ND 不符:電接點受損 3 lO.Oohm 65〇C 符合 4 10.3ohm 63〇C 不符:2種物質在2個階段 結果： 部分1是不符的：過於平滑的表面狀態導致極低的 電阻，使得當施加12V的電壓至該電阻時，高電流所造 成的過度溫度上升讓基材因爲溫度升高至超過玻璃的轉 移溫度1 5 0 °c而受損。 部分2是不符的：在流線被非常緊密地擠在一起的 電接點附近的溫度上升傷害到在這些接點附近的沉積物 -16- 200936796 及基材。 部分3是符合的：它的電阻値限制了電流’使得溫 度升高至可以與除冰或除霧等應用相容的數値而不傷害 到該媒介。靠近電流密度高之該跡線結構的彎折處或電 接點處，平滑的表面提供底阻値，這可避免局部過熱。 最後，部分4是不符合的，儘管它可被用作爲加熱 元件但它還是不符合的。事實上，該結構係藉由使用2 ^ 種具有不同導電性的物質且藉由在2個階段中實施沉積 並在這兩個階段之間使用一罩幕來獲得，這相當於現有 技術，其具有本發明所欲克服的缺點。 從上面的說明中，優點是很顯而易見的。本發明之 可用單一物質在單一製造階段中製造電阻及汲極以獲得 一加熱元件的能力在此處被特別強調及突顯出來。 【圖式簡單說明】 φ 本發明將於下文中參考附圖加以詳細說明，其中： 圖1爲依據先前技術的一加熱元件的示意圖； 圖2爲圖1的加熱元件的頂視圖； 圖3爲類似圖1的示意剖面圖，其顯示依據本發明 所獲得之加熱元件； 圖4爲圖3的頂視圖； 圖5及6爲加熱元件的另一實施例的示意頂視圖， 其中高導電性塗層被沉積成一跡線的形式； 圖7爲具有一平滑的區域及一粗糙的區域之加熱元 -17- 200936796 件的示意立體圖； 圖8爲一等圖於圖7的圖式，其顯示一塗層已被沉 積到該圓筒狀區域的外側上的情形。 【主要元件符號說明】 C :基材 B :塗層 A .汲極 1 :基材 2 :塗層 1 a :平滑的區域 lb :平滑的區域 lc:較大粗糙度的區域 2a :區域 2b :區域 2c :區域 @ 3 :發電機 2d :彎折半徑 -18-

Claims (1)

1. 200936796 七、申請專利範圍： 1. 一種藉由沉積薄層於一絕緣基材（1)上來 熱元件的方法，其包含： 改變該基材（1 )的表面狀態用以獲得至少一 粗糙度Ra的平滑區域（la) - (lb)及至少一具 的表面粗糙度Rax的區域（lc ); 施加一高導電性物質（2)至這些不同的區域 ，（：lb) ，（ lc); 將該物質（2)的平滑區域（2〇及（2b)連 電源（3 )。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中沉積 電性物質層（2)於整個基材（1)上，以覆蓋所 區域（la)及（lb)與粗糙區域（lc)。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中沉積 電性物質層（2)以形成一跡線，其覆蓋部分的平 (la)及（lb)及部分的粗糙區域（lc)。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方 中製造一凸起的粗糙區域（lc)於兩個平滑區域 與（1 b )之間。 5. —種藉由沉積薄層於一絕緣基材（1)上而 加熱元件，其具有至少一電加熱部分及至少一電 分，該加熱元件的特徵在於該等部分由至少一低 Ra的平滑區域（la)及（lb)及至少一較高粗糙 的區域（lc)所構成，該等區域（la) ，（lb) 製造加 低表面 有較大 (la) 接至一 該高導 有平滑 該高導 滑區域 法，其 (la) 獲得之 連接部 粗糙度 度Rax ，(1 c -19- 200936796 )被覆蓋在一高導電性物質（2)的薄層中且一電源（3 )被連接至該塗層（2)之平滑的區域（2a)及（2b)。 6. 如申請專利範圍第5項之加熱元件，其中該等平 滑區域的粗糙度小於0.5微米。 7. 如申請專利範圍第5項之加熱元件，其中該基材 具有一低粗糙度Ra的平滑區域，其被沉積在沿著一較高 粗糙度Rax的區域的側邊處。 8. 如申請專利範圍第5項之加熱元件，其中該基材 具有兩個低粗糙度Ra的平滑區域，其被沉積在沿著一較 高粗糙度Rax的區域的兩側。 9. 如申請專利範圍第5至8項中任一項之加熱元件 ，其中該高導電性物質（2)的薄層被沉積在該基材的整 個表面上，以覆蓋各個區域（la) ，（lb) ，（lc)。 1 0 .如申請專利範圍第5至8項中任一項之加熱元件 ’其中該高導電性物質（2)的薄層被沉積成跡線形式， 其覆蓋各個區域（la) ’ （lb) ，（lc)。 11. 如申請專利範圍第5項之加熱元件’其中該高導 電性物質的導電性在常溫下大於30xl〇6s/m2。 12. 如申請專利範圍第5項之加熱元件’其中該高導 電性物質（2)爲鋁，銅’銀或金。 13. 如申請專利範圔第5項之加熱元件’其中該基材 (1)係由一絕緣物質製成的。 14. 如申請專利範圍第5項之加熱元件’其中該基材 (1)係由一覆蓋了一絕緣層的導電性物質製成的。 200936796 15.如申請專利範圍第5項之加熱元件，其中電阻値 R2/R1的比率大於係數αΐ與α2的平方的比率，即， Rl/R2>(ct2)2/(al )2，其中： Rl=低粗糙度Ra的平滑區域以歐姆爲單位的電阻値 ， R2 =較高粗糙度Rax的區域以歐姆爲單位的電阻値； al=該平滑區域的伸展長度（developed length)除以 0 它用測面儀所測得之長度； α2 =該較高粗糙度的區域的伸展長度除以它用測面儀 所測得之長度。 1 6 ·申請專利範圍第5至丨5項中任一項所述之加熱 兀件作爲除霧或除冰反射表面的用途。 -21 -