TWI500800B - 藉由沈積薄層於絕緣基材上來製造加熱元件的方法及所製成之加熱元件 - Google Patents

藉由沈積薄層於絕緣基材上來製造加熱元件的方法及所製成之加熱元件 Download PDF

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Description

藉由沈積薄層於絕緣基材上來製造加熱元件的方法及所製成之加熱元件
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。
本發明在除霧或除冰表面，譬如像是在汽車工業中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為“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。
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(其因而被稱為熱區)。相反地，因為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，因為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：電阻率，長度，截面積，來改變電阻值。
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值來決定的。
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為一汲極。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(其被習稱為汲極)而被做在該電阻性塗層的兩側上。此解決方式被揭示於WO0158213，WO03095251及US4543466等專利文獻中。如在專利文獻WO0158213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為，藉由沉積薄層來製造加熱元件包含兩個階段：
第一階段為：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；
第二階段為：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，譬如像是一發電機(G)。
基於此習知技術，本發明所欲解決的問題為，在一使用單一物質之單一沉積步驟中製造薄膜加熱元件。
為了要解決此問題，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糙度Rax的區域；
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。
此方法的結果為，該加熱元件可在一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。
以此基本設計為基礎：
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。
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30×106 S.m-1 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。
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。
當電阻值比R2/R1大於係數α1與α2的平方的比率，即，R1/R2>(α2)2 /(α1)2 時，可獲得特別有利的結果，其中：
R1=低粗糙度(Ra)的平滑區域以歐姆為單位的電阻值；
R2=較高粗糙度(Rax)的區域以歐姆為單位的電阻值；
a1=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；
a2=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。
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(1a)及(1b)，及一較大粗糙度Rax(其必需大於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(1a)，(1b)及(1c)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30×106 S/m2 。因此，在基材(1)的平滑區域(1a)及(1b)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(1c)上方的區域(2c)則構成該加熱元件的加熱部分。
電阻值主要係藉由改變該基材的區域(1c)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值亦是可行的。
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。
為了產生跡線，讓跡線的彎折半徑的附近有低粗糙度的表面是較佳的，因為一低粗糙度的表面可促成一低電阻值，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(1c)及兩個低粗糙度(Ra)的側向區域(1a)及(1b)。低粗糙度的跡線(2)的彎折半徑(2d)所在處的區域(1a)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。
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(1a)及(1b)。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(1b)及一高粗糙度區域(1c)。塗層(2)被沉積在區域(2c)(高粗糙度區域)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為，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為可能，不論該加熱元件是有為跡線形式。
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。
此表面狀態的改變亦可在沉積之前藉由使用被稱之為噴砂(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，為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：
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值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。
條帶的端都被保持平滑用以達成一電結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。該等電阻的長度為98mm且它們的寬度分別為5，12及24mm。粗糙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為1.15微米。
粗糙度測試件依據圖3及4中所示的原理被製備。
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。
電阻值Ri 通常係以下面的式子來表示：
Ri =ρ×L×αi /((e(αi ×αi ))×l×αi )=ρ×L×αi ×αi /(e×l)表面i的伸展長度(Li )為L×αi ，表面i的寬度(li )為l×αi 及在表面i上的沉積物的厚度(ei )則為e/(αi ×αi )，使得該伸展體積(V)仍保持沒有改變。
V=Vi =L×αi ×l×αi ×e/(αi ×αi )=L×l×e
這讓我們得到的結論為，電阻值(R1/R2)的比率應等於係數α的平方的比率(R2/R1)=(α2×α2)/(α1×α1))。
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為電阻成為可能，且在平滑區域中，該等沉積物其行為如短路一樣，因此不能作為加熱元件。
這些結果亦顯示出在電阻上的增加主要並不是因為表面粗糙度的形狀效果，因為令人驚訝地，R2/R1的比率遠超過係數α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，因為在電阻值上只增加1.2無法讓短路變成為一加熱電阻。
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。該等電阻的長度為45mm且它們分別為12及23mm寬。
在此例子中，同樣很明顯的是，在電阻值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值上的增加。
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約為0.02微米。
在部分2上，整個基材的表面狀態被改變且Ra約為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約為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4.89微米。測試件3依據圖3，4及5所示的原理加以製備。
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為0.02微米的平滑區域測得的數值為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所示。
在決定整體電阻值之後，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，環境溫度為20℃。
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為溫度升高至超過玻璃的轉移溫度150℃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及基材。
部分3是符合的：它的電阻值限制了電流，使得溫度升高至可以與除冰或除霧等應用相容的數值而不傷害到該媒介。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值，這可避免局部過熱。
最後，部分4是不符合的，儘管它可被用作為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。
C．．．基材
B．．．塗層
A．．．汲極
1．．．基材
2．．．塗層
1a．．．平滑的區域
1b．．．平滑的區域
1c．．．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
本發明將於下文中參考附圖加以詳細說明，其中：
圖1為依據先前技術的一加熱元件的示意圖；
圖2為圖1的加熱元件的頂視圖；
圖3為類似圖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為圖3的頂視圖；
圖5及6為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為具有一平滑的區域及一粗糙的區域之加熱元件的示意立體圖；
圖8為一等圖於圖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。
1．．．基材
2．．．塗層
1a．．．平滑的區域
1b．．．平滑的區域
1c．．．較大粗糙度的區域
2a．．．區域
2b．．．區域
2c．．．區域
3．．．發電機

Claims (16)

  1. 一種藉由沉積薄層於一絕緣基材(1)上來製造加熱元件的方法，其包含：改變該基材(1)的表面狀態用以獲得至少一低表面粗糙度Ra的平滑區域(1a)-(1b)及至少一具有較大的表面粗糙度Rax的區域(1c)；施加一高導電性物質(2)至該些平滑區域(1a)，(1b)及粗糙區域(1c)；將一電源(3)連接至該等施加於該平滑區域上的導電性物質(2)。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中沉積該高導電性物質層(2)於整個基材(1)上，以覆蓋所有平滑區域(1a)及(1b)與粗糙區域(1c)。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中沉積該高導電性物質層(2)以形成一跡線，其覆蓋部分的平滑區域(1a)及(1b)及部分的粗糙區域(1c)。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中製造一凸起的粗糙區域(1c)於兩個平滑區域(1a)與(1b)之間。
  5. 一種藉由沉積薄層於一絕緣基材(1)上而獲得之加熱元件，其具有至少一電加熱部分及至少一電連接部分，該加熱元件的特徵在於該等電加熱部分及電連接部分由至少一具有低粗糙度Ra的平滑區域(1a)及(1b)及至少一具有較高粗糙度Rax的粗糙區域(1c)所構 成，該等平滑區域(1a)，(1b)及粗糙區域(1c)係被一高導電性物質(2)所覆蓋，且一電源(3)係連接至覆蓋於該等平滑區域上的高導電性物質(2)。
  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(1a)，(1b)，(1c)。
  10. 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(1a)，(1b)，(1c)。
  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30×106 S/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)為鋁，銅，銀或金。
  13. 如申請專利範圍第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。
  15. 如申請專利範圍第5項之加熱元件，其中電阻值R2/R1的比率大於係數α1與α2的平方的比率，即，R1/R2>(α2)2 /(α1)2 ，其中：R1=低粗糙度Ra的平滑區域以歐姆為單位的電阻值；R2=較高粗糙度Rax的區域以歐姆為單位的電阻值；α1=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。
  16. 申請專利範圍第5項所述之加熱元件作為除霧或除冰反射表面的用途。
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