TWI743731B - 補償熱系統中不均勻現象之方法 - Google Patents

Abstract

一種調整電阻加熱器的功率密度分佈的方法，包括設計基準加熱器電路。設計一種具有恆定跡線功率密度的檢測電路，該檢測電路與基準加熱器電路重疊。製作檢測電路，得到其基準熱圖。製作基準加熱器電路，得到標稱熱圖。製作後續檢測電路，得到實際熱圖。透過從實際熱圖中減去基準熱圖，而生成減法熱影像，並根據減法熱影像修改後續基準加熱器電路。

Description

補償熱系統中不均勻現象之方法

本揭露涉及電阻加熱器的製造以及補償材料和製造差異的方法。

本節所述僅提供與本揭露相關的背景資訊，不構成先前技術。

層狀加熱器總成通常包括一基材、設置在基材上的一介電層和設置在介電層上的一電阻加熱層以及其它層。例如，一保護層可以設置於電阻加熱層上。此外，可能有多個介電層和多個電阻加熱層。介電層、電阻加熱層、保護層以及其它層一起被稱為層狀加熱器。並且，在任何已知的總成中可能有一個或多個層狀加熱器，層狀加熱器可能包括也可能不包括介電層或保護層，這取決於基材的材料(例如，如果基材是不導電的)以及操作環境。

層狀加熱器可採用「厚」膜、「薄」膜或「熱噴塗」及其他方式進行加工，其中這些類型的層狀加熱器的主要差別在於層的形成方法。例如，用於厚膜加熱器的層通常是利用諸如網版印刷、貼花應用或薄膜分配頭等程序形成的，不僅限於上述實例。另一方面，薄膜加熱器的層通常是利用諸如離子鍍、濺射、化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)等沉積程序形成的，不僅限於上述實例。第三系列之形成層狀加熱器的程序、熱噴塗程序，包含但不僅限於火焰噴塗、大氣等離子噴塗(APS)、懸浮等離子噴塗(SAPS)、金屬電弧噴塗、冷噴塗、低壓等離子噴塗（LPPS）、高速氧燃料（HVOF），以及懸浮高速氧燃料（SHVOF）。另一種層狀加熱器的加工方式是溶膠凝膠法。

在微觀的尺度上，由於許多原因，沉積層可能有不均勻的表面或是多變的幾何形狀，例如基材上的溝槽和形成電阻層或其它層的方法相關的製造公差。因此，從一加熱器總成到另一加熱器總成的整體層狀加熱器的薄膜電阻可能不一致。一般來說，因為所採用的電阻材料相對較薄之特性，薄膜電阻是指沿電阻層平面的電阻，，相對於垂直於電阻材料的電阻。由於層狀加熱器的薄膜電阻不均勻，會使其電阻發生不可預測的變化，從而阻礙加熱器達到預定的熱分佈。此外，在其它裝配/系統不均勻中，各層的局部粘接/粘附不均勻以及基材的不均勻可能會阻礙所需的熱分佈。

在傳統的方法中，電阻層的模式或「跡線」是利用計算分析工具來設計，計算分析工具決定出需要從分層加熱器產生的電功率分佈，從而產生所需的熱輪廓。電路幾何形狀和一個標稱薄膜電阻值被輸入到一個分析模型。在某些應用中，為了優化功率分佈，電阻層跡線包括不同寬度的部段。如果分析模型預測了不理想的熱分佈，則可以調整段寬以及整個跡線幾何形狀，以實現目標熱分佈。

要製造指定的電阻跡線，可以採用多種圖案化方法。層狀加熱器的圖案化程序的例子包括化學腐蝕、乾腐蝕和CNC（電腦數值控制）材料去除程序，如機械加工和雷射剝蝕。即使使用非常精確的製造方法，從一個生產批次到另一個生產批次，也會發生沿著/遍及電阻跡線的各個部段的電阻差異。

這些差異，包括電阻加熱層的薄層電阻的差異、層間界面的差異、基材的差異，以及裝配/系統的差異，是由本揭露的教示所處理的。

根據一種態樣，一種調整電阻加熱器的功率密度分佈的方法包括設計一基準加熱器電路。設計一種具有恆定跡線功率密度的檢測電路，檢測電路與基準加熱器電路重疊並包含一邊緣。檢測電路藉由一選擇性去除程序製造。對檢測電路施加電力，得到一基準熱圖。基準加熱器電路係由檢測電路透過一選擇性去除程序製造。將電力施加到基準加熱器電路，得到一標稱熱圖。重複此等利用選擇性去除程序製造檢測電路的步驟、將電力施加到檢測電路並獲得一基準熱圖的步驟、透過一選擇性去除程序由檢測電路製造基準加熱器電路的步驟，及對基準加熱器電路施加電力並得到一標稱熱圖的步驟，以沿著目標表面達到所需的溫度輪廓。在達到所需的溫度輪廓後，透過一選擇性去除程序製造後續檢測電路。接著，施加電力於後續檢測電路並得到一個實際熱圖。透過從實際熱圖中減去基準熱圖，得到一減法熱影像。根據減法熱影像，對後續基準加熱器電路進行修改。

根據另一種態樣，可以就所需數量之「n」個加熱器實施以下步驟：透過一選擇性去除程序製造一後續檢測電路、施加電力於後續檢測電路來獲得實際熱圖、將基準熱圖從實際熱圖中減去以得到減法熱影像，及根據熱影像進行後續基準加熱器電路的修改。

在一種態樣中，邊緣大約是基準加熱器電路的跡線寬度的1%到50%。在另一個態樣中，邊緣介於約10%到約20%之間。

根據一種態樣，修改是透過改變後續基準加熱器的跡線寬度、透過改變後續加熱器電路的厚度、透過改變後續基準加熱器的電阻率（例如，透過一熱處理程序改變後續基準加熱器電路的微觀結構，如透過雷射程序加入局部氧化物）、透過將不同的材料加入後續基準加熱器電路的各個部段，以及其他，及其等之組合。

在多種態樣中，熱圖是由紅外線攝影機獲得的；透過雷射剝蝕、機械剝蝕和混合水射流等方式之一來完成切邊；由熱噴塗形成加熱器。

在另一種態樣中，電路是由層狀、箔狀和線狀電路組成的族群中挑選出來的。

在本揭露的另一種態樣中，用於調整電阻加熱器的功率密度分佈的方法包括設計一基準加熱器電路。設計出一種具有恆定跡線功率密度的檢測電路，該檢測電路與基準加熱器電路重疊並包含一邊緣。接著製造檢測電路。隨後施加電力於檢測電路，從中得到一基準熱圖。接著從檢測電路製造基準加熱器電路。施加電力於基準加熱器電路，得到一標稱熱圖。將基準加熱器電路組裝至一熱裝置上，並施加電力於基準加熱器電路以獲得一目標表面的熱圖。視需要重複製造檢測電路的步驟、對檢測電路施加電力並獲得基準熱圖的步驟、從檢測電路製造基準加熱器電路的步驟、對基準加熱器電路施加電力並獲得標稱熱圖的步驟、將基準加熱器電路組裝至熱裝置的步驟，對基準加熱器電路施加電力並獲得目標表面的熱圖的步驟，以達到所需的溫度輪廓。接著製造後續檢測電路，並對後續檢測電路施加電力以獲得實際熱圖。從實際熱圖減去基準熱圖，而生成減法熱影像。根據減法熱影像對後續基準加熱器電路進行修改。

根據一種變化形態，檢測電路和後續檢測電路中至少其中之一是透過選擇性去除程序所製造。

根據另一種變化形態，基準加熱器電路和後續基準加熱器電路中至少其中之一是透過選擇性去除程序所製造。在其他變形中，後續基線加熱器電路係透過一去除程序進行了修改。

在一種變形中，就數量為「n」的加熱器重複實施這些製造後續檢測電路的步驟、施加電力於後續檢測電路並獲得實際熱圖的步驟、透過從實際熱圖中減去基準熱圖得到減法熱影像的步驟，及根據減法熱影像修改後續基準加熱器電路的步驟。

根據一種變化形態，可以根據本揭露的步驟製造多個加熱器總成。

根據另一種變化形態，電路是由熱噴塗形成的。電路可以從由層狀、箔狀和線狀電路所組成的群組中挑選出來。

根據本揭露的另一種變化形態，調整電阻加熱器的功率密度分佈的方法包括製造檢測電路。隨後施加電力於檢測電路並獲得基準熱圖。由檢測電路製造基準加熱器電路。接著，施加電力於基準加熱器電路上，得到一標稱熱圖。基準加熱器電路被組裝至一熱裝備上。對基準加熱器電路施加電力，並得到一目標表面的熱圖。重複這些製造檢測電路的步驟、施加電力於檢測電路並獲得基準熱圖的步驟、從檢測電路製造基準加熱器電路的步驟、施加電力於基準加熱器電路並獲得標稱熱圖的步驟、將基準加熱器電路組裝至熱裝置的步驟，以及施加電力於基準加熱器電路並獲得目標表面的熱圖的步驟，以沿著目標表面達到所需的溫度輪廓。隨後，製造後續檢測電路。施加電力於後續檢測電路以得到實際熱圖。透過從實際熱圖中減去基準熱圖來獲得減法熱影像。根據減法熱影像對後續基準加熱器電路進行修改。

在一種變化形態中，至少有一個電路是透過選擇性去除程序製造或修改的。

在另一種變化形態中，電路是透過熱噴塗形成的。

在一種進一步的變化形態中，電路是從層狀、箔狀和線狀電路組成的群組中挑選出來的。

進一步的適用領域將從本文提供的敘述中變得明顯。應該被理解的是，這些敘述和具體的例子只是為了說明的目的，而不是為了限制本揭露的範圍。

以下敘述本質上僅是例示性，並不欲用以限制本揭露、應用或用途。應該被理解的是，所有圖示中，對應的參考數字表示類似或對應的部分和特徵。

本揭露提供了一種調整電阻加熱器的功率密度的方法，該電阻加熱器包括例如層狀加熱器。美國專利第8,680,443號、第7,132,628號、第7,342,206號和第7,196,295號對這種形式的加熱器有更詳細的描述，該等專利與本申請案共同讓與，且其等之內容全部併入於本文作為參照。該方法也可用於「層狀」加熱器以外的各種類型的加熱器，例如箔式加熱器和電阻式線狀加熱器。因此，本文揭露的方法可用於任何類型的電阻加熱器結構，且同時仍在本揭露的範圍內，「層狀」一詞不應被解釋為限制性。

參考圖1，一根據本揭露之教示的方法始於在步驟（a）設計一個基準加熱器電路20，其係一經分析優化以向一目標提供特定的熱輪廓的標稱設計，其中一種形式是均勻的熱輪廓。 （這些加熱器電路通常被稱為「電阻跡線」，包括電阻加熱材料或元件穿過的路徑。）

如圖所示，範例基準加熱器電路20包括較寬的部段和較窄的部段，這些部段沿基準加熱器電路20的長度提供了定制的功率密度。例如，基準加熱器電路20包括提供較低的功率密度（較寬）之其跡線部段W1，而其跡線部段W2（較窄）提供較高的功率密度。基準加熱器電路20還包括彎折部段22，其通常較寬，以抑制電流擁擠，以及連接到電源的終端24（未顯示）。應該被理解的是，圖中所示的蛇形圖案只是一個示例，用於基準加熱器電路20的任何形狀的跡線（例如設計成電氣並聯的部段）都可能是設計工作的結果，這取決於應用及其熱需求。

參考圖2，該方法接下來包括步驟（b）設計一個具有恆定的跡線功率密度的檢測電路30，其中該檢測電路30與基準電路20重疊而有一邊緣，該邊緣由基準加熱器電路的可變寬度決定。但是，在一種態樣中，邊緣不大於基準加熱器電路20跡線之最大寬度的約1-50%左右。例如，如果W1是1.0mm，則邊緣M在0.1mm到0.5mm之間。而在另一種態樣中，邊緣不大於約10%至20%。然而，應該被理解的是，根據電阻加熱器的結構和應用可以採用的其他邊緣，且在此揭露的數值不應被解釋為限制本揭露的範圍。

檢測電路30的恆定跡線功率密度是由跡線恆寬恆厚提供，但是應該理解的是，可以採用其他方法來實現恆定跡線功率密度而仍在本揭露的範圍內。例如，在變厚的同時也變窄的跡線也可以提供恆定跡線功率密度。

參照圖3A，該方法下一步包括步驟（c）製造檢測電路30，例如，在電阻性材料施加於基材後，使用選擇性去除程序。電阻性材料可透過任何層狀程序如熱噴塗來施加。或者，該電阻性材料可以是金屬箔或導電導線，仍在本揭露的範圍內。選擇性去除程序可包括，例如，雷射剝蝕、機械剝蝕，或混合水射流（雷射和水射流）等等。然而，檢測電路30可透過其他方法製造，例如印刷或遮蔽，及其他，因此，用於製造檢測電路30的選擇性去除程序不應被解釋為限制本揭露的範圍。

如圖3B所示，一旦檢測電路30被製造出來，方法開始進入步驟（d），在步驟（d）中，對檢測電路施加電力（如藉由對終端24施加電力），以得到基準熱圖40。基準熱圖可以用紅外線攝影機獲得。當考慮使用雙線控制器來獲取熱影像時，與本申請案共同讓與的美國專利第7,196,295號更詳細地展示和描述了這一過程，其內容全部併入本文作為參照。基準熱圖可以被儲存，例如，在記憶體中。

參照圖4A，基準加熱器電路20由步驟（e）中的檢測電路30製造。在一種態樣中，基準加熱器電路20是透過一種選擇性去除程序製造的。上述用於製造檢測電路30的選擇性去除程序也可用於製造基準加熱器電路20。也應該注意的是，用於製造基準加熱器電路20的選擇性去除程序不必與用於製造檢測電路30的選擇性去除程序相同。

參考圖4B，在基準加熱器電路20製造完成後，對基準加熱器電路20施加電力（例如，透過對終端24施加電力），以在步驟（f）中獲得一標稱熱圖50。標稱熱圖50可透過使用紅外線攝影機獲得。標稱熱圖可以被儲存，例如，在計算設備的微處理器上（未顯示）。

參考圖5，在步驟（g），基準加熱器電路20被組裝到一熱裝置60上。例如，基準加熱器電路20被顯示為組裝在一熱裝置上，該熱裝置是卡盤裝置62，包括一冷卻板64和一陶瓷球66，其中嵌入了一電極68。所述的陶瓷球66包括如圖所示的目標表面70，該目標表面70通常是在操作卡盤裝置62時放置基材以供進行蝕刻的位置。應該被理解的是，這個卡盤裝置62只是一個示例，根據本揭露的方法可以應用於任何數量的應用中，在其中調整電阻加熱器電路的薄膜電阻率將是有利的。

組裝完成後，並參照圖6中上述步驟，在步驟（h）對基準加熱器電路20施加電力，以得到目標表面70的熱圖。與上述的熱影像類似，目標表面70的熱圖可透過使用紅外線攝影機獲得。目標表面的熱圖可以被儲存，例如，在計算設備的微處理器中（未顯示）。

分析目標表面70的熱圖，以確定目標表面是否沿著目標表面70展現出所需的溫度輪廓。如果沒有，如圖6所示，重複步驟（a）到（h），直到達到所需的溫度輪廓。在一種態樣中，即使沒有達到該溫度輪廓，該方法也可能在步驟（a）到（h）重複了預定的次數後終止。

參考圖7，在確定目標表面70展現出所需的溫度輪廓後，該方法進入步驟（i），在此步驟中，一後續檢測電路30’被製造出來，在一種態樣中，其可透過如上所述的選擇性去除程序製造出來。接著，該方法進入步驟（j），在此步驟中，電力被施加到後續檢測電路30’，從而得到一實際熱圖80。

如圖8所示，在步驟（k）中，從實際熱圖80中減去基準熱圖40，得到一減法熱影像90。然後，在步驟（l）中，根據減法熱影像90修改一後續基準加熱器電路20’。更具體地說，後續基準加熱器電路20’是透過將其薄膜電阻率改變為期望的電阻率來修改的。基準加熱器電路20與後續基準加熱器電路20’之間的薄膜電阻率變化透過下式計算：

其中，

為後續基準加熱器電路20’每個部段的平均跡線溫度；

為基準加熱器電路的基礎加熱器的每個部段的平均跡線溫度；以及

為一參考溫度，取決於測試環境。如果加熱器是在開放空氣環境中測試的，則

就是環境溫度。如果加熱器是附加至一受控的冷卻系統，則

就是冷卻系統的溫度。在一種態樣中，

和

是在相同的

下得到的。 在計算了薄膜電阻率變化後，可以計算後續基準加熱器電路20’的跡線寬度：

其中，

為在基準加熱器電路之一特定位置處的基準加熱器電路的跡線寬度；以及

是上面這個方程式的輸出。

可以修改薄膜電阻率，或修改後續基準加熱器電路20’的跡線寬度，以獲得與步驟（l）中發展出的溫度輪廓相似或相同的所需的溫度輪廓。可以修改薄膜電阻率的方法包括修整後續基準加熱器電路的厚度或修改比電阻(specific resistance)。這種寬度或厚度的改變可以透過雷射剝蝕、機械剝蝕（如研磨、銑削、微爆破）和混合水射流等方式來達成。另一方面，寬度/厚度可以透過添加材料到後續基準加熱器電路20’的部段來增加。或者，或除了上述方式以外，還可以透過修改後續基準加熱器電路20’的比電阻（例如，透過熱處理方法修改其微結構，如透過雷射方法添加局部氧化物）來修改薄膜電阻率。由此產生的電阻加熱器在目標表面70上展現出所需的熱圖，且隨後可以連續生產任意數量n 的後續熱裝置60。

除非另有明確的指示，所有指示機械/熱性能、組成百分比、尺寸和/或公差或其他特性的數值在描述本揭露的範圍時應被理解為使用「大約」或「近似」等詞進行了修改。由於各種原因，包含工業實施、製造技術和測試能力，需要進行這樣的修改。

「A、B及C中至少一個」這個片語用於本文中應該被解釋為邏輯與（A OR B OR C），使用一個非排他性的邏輯與OR，不應被解釋為「至少一個A、至少一個B，和至少一個C」。

本揭露的描述在本質上僅僅是例示性的，因此，與本揭露的實質不相背離的變化應在本揭露的範圍內。這些變化不應被視為背離本揭露的精神和範圍。

20:基準加熱器電路 20’:後續基準加熱器電路 22:彎折部分 24:終端 30:檢測電路 30’:後續檢測電路 40:基準熱圖 50:標稱熱圖 60:後續熱裝置 62:卡盤裝置 64:冷卻板 66:陶瓷球 68:電極 70:目標表面 80:實際熱圖 90:減法熱影像 W1:跡線部段 W2:跡線部段

為使本揭露可以被充分理解，現將經由實例對本揭露的各種態樣加以描述，同時參考附圖，其中：

圖1是根據本揭露之一基準加熱器電路的平面圖；

圖2是根據本揭露之與圖1的基準加熱器電路重疊的檢測電路的平面圖；

圖3A是根據本揭露之一製得的圖2的檢測電路的平面圖；

圖3B是根據本揭露之一製得的圖3A的檢測電路的基準熱圖的平面圖；

圖4A是由圖3A的檢測電路製得的基準加熱器電路的平面圖；

圖4B是圖4A之製得的基準加熱器電路的標稱熱圖的平面圖；

圖5是根據本揭露的教示組裝到一熱裝置上的圖4A的基準加熱器電路的剖面圖；

圖6是說明圖1到圖5步驟的流程圖，該等步驟依需要被重複執行以獲得所需的溫度輪廓；

圖7是說明本揭露之方法的進一步步驟的示意圖；以及

圖8是說明本揭露之方法的更進一步步驟的示意圖。

此處所描述的圖示僅用於說明目的，並不欲以任何方式限制本揭露的範圍。

20:基準加熱器電路

22:彎折部分

24:終端

W1:跡線部段

W2:跡線部段

Claims (19)

1. 一種調整電阻加熱器的功率密度分佈之方法，包含：(a)設計一基準加熱器電路；(b)設計一具有恆定跡線功率密度的檢測電路，該檢測電路與該基準加熱器電路重疊，並包括一邊緣；(c)透過一選擇性去除程序製造該檢測電路；(d)對該檢測電路施加電力並獲得一基準熱圖；(e)透過一選擇性去除程序從該檢測電路製造該基準加熱器電路；(f)對該基準加熱器電路施加電力，並獲得一標稱熱圖；(g)將該基準加熱器電路組裝到一熱裝置上；(h)對該基準加熱器電路施加電力並獲得一目標表面的熱圖；重複步驟(a)至(h)，以沿該目標表面達到所需的溫度輪廓；(i)透過一選擇性去除程序製造一後續檢測電路；(j)對該後續檢測電路施加電力，並獲得一實際熱圖；(k)從該實際熱圖中減去該基準熱圖，從而產生一減法熱影像；以及(l)根據該減法熱影像修改一後續基準加熱器電路。
2. 如請求項1所述的方法，其進一步包含就數量為「n」的加熱器重複步驟(i)到(1)，其中「n」是一正整數。
3. 如請求項1所述的方法，其中該邊緣為跡線寬度的約1%至約50%。
4. 如請求項1所述的方法，其中該修改是透過更改該後續基準加熱器電路的跡線寬度、更改該後續基準加熱器電路的厚度、透過以熱處理程序修 改微觀結構來修改該後續基準加熱器電路的特定電阻、添加不同材料至該後續基準加熱器電路的部段，以及以上的組合中的至少一個而達成。
5. 如請求項1所述的方法，其中該等熱圖是由紅外線攝影機所得到的。
6. 如請求項1所述的方法，其中該選擇性去除程序是透過雷射剝蝕、機械剝蝕和混合水射流中的至少一種達成的。
7. 如請求項1所述的方法，其中該等電路是透過熱噴塗形成的。
8. 如請求項1所述的方法，其中該等電路是從層狀、箔狀和線狀電路組成的群組中挑選出來的。
9. 一種調整電阻加熱器的功率密度分佈之方法，包含：(a)設計一基準加熱器電路；(b)設計一具有恆定跡線功率密度的檢測電路，該檢測電路與該基準加熱器電路重疊，並包含一邊緣；(c)製造該檢測電路；(d)對該檢測電路施加電力並獲得一基準熱圖；(e)從該檢測電路製造該基準加熱器電路；(f)對該基準加熱器電路施加電力，並獲得一標稱熱圖；(g)將該基準加熱器電路組裝到一熱裝置上；(h)對該基準加熱器電路施加電力，並獲得一目標表面的熱圖；重複步驟(a)至(h)，以沿該目標表面達到所需的溫度輪廓；(i)製造一後續檢測電路；(j)對該後續檢測電路施加電力，並獲得一實際熱圖； (k)從該實際熱圖中減去該基準熱圖，從而產生一減法熱影像；以及(l)根據該減法熱影像修改一後續基準加熱器電路。
10. 如請求項9所述的方法，其中該檢測電路和該後續檢測電路中至少一個是使用一選擇性去除程序製造的。
11. 如請求項9所述的方法，其中該基準加熱器電路和該後續基準加熱器電路中至少一個是使用一選擇性去除程序製造的。
12. 如請求項9所述的方法，其中該後續基準加熱器電路透過一選擇性去除程序進行了修改。
13. 如請求項9所述的方法，其進一步包含對數量為「n」的加熱器重複步驟(i)到(1)，其中「n」是一正整數。
14. 如請求項9所述的方法，其中該等電路是透過熱噴塗形成的。
15. 如請求項9所述的方法，其中該等電路是從層狀、箔狀和線狀電路組成的群組中挑選出來的。
16. 一種調整電阻加熱器的功率密度分佈之方法，包括：(a)製造一檢測電路；(b)對該檢測電路施加電力，並獲得一基準熱圖；(c)從該檢測電路製造一基準加熱器電路；(d)對該基準加熱器電路施加電力，並獲得一標稱熱圖；(e)將該基準加熱器電路組裝到一熱裝置上；(f)對該基準加熱器電路施加電力，並獲得一目標表面的熱圖；重複步驟(a)至(f)，以沿該目標表面達到所需的溫度輪廓；(g)製造一後續檢測電路； (h)對該後續檢測電路施加電力，並獲得一實際熱圖；(i)從該實際熱圖中減去該基準熱圖，從而生成一減法熱影像；以及(j)根據該減法熱影像修改一後續基準加熱器電路。
17. 如請求項16所述的方法，其中該等電路中至少一個是透過一選擇性去除程序製造或修改。
18. 如請求項16所述的方法，其中該等電路是透過熱噴塗形成的。
19. 如請求項16所述的方法，其中該等電路是從層狀、箔狀和線狀電路組成的群組中挑選出來的。

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