專利名稱：在絕緣基底上沉積薄膜來制造加熱元件的方法以及由此獲得的元件的制作方法
在絕緣基底上沉積薄膜來制造加熱元件的方法以及由此獲
得的元件本發(fā)明涉及在絕緣基底上沉積薄膜以制造加熱元件的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在為表面(比如汽車工業(yè)中的反射面或航空工業(yè)中的機翼的前緣)除霧或 除冰的領(lǐng)域中具有有利的應(yīng)用。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，加熱元件由以下區(qū)域構(gòu)成被稱作“冷區(qū)”的由低電阻表 征的區(qū)域，以及構(gòu)成實際的加熱部分的具有高得多的電阻的區(qū)域。在加熱元件的一種設(shè)計中，兩個冷區(qū)是通過串聯(lián)連接來與熱帶相連接的，從而流 經(jīng)每個帶的電流密度相同。冷區(qū)的作用是連接從外部電源獲得的電流供給并且將電流均勻地分配給加熱部 分的終端。要提醒讀者的是，功率等于電阻與電流平方的乘積，并且電流的流動在具有較高 電阻并且被稱作熱帶的區(qū)域中引起顯著的溫度上升。相反地，考慮到冷區(qū)具有盡可能低的 電阻的事實，因此最小的熱功率從電連接處產(chǎn)生。此外，因為電阻等于電阻率乘以導體長度除以導體的截面面積，因此可以通過改 變?nèi)我馍鲜鰠?shù)(電阻率、長度、截面面積)來改變電阻值。在例如采用真空沉積技術(shù)的薄膜加熱元件的一種實施方式中，可以使用至少兩種 電阻率不同的材料，它們各自通過特定掩膜而被沉積以便相繼地以跡線形式構(gòu)成(熱帶) 加熱部分以及一個或更多個集電極或漏極。所述兩種材料是根據(jù)它們的本征電阻率來選擇 的，而它們的截面面積是根據(jù)冷區(qū)所要求的電導值和加熱部分所要求的電阻值來確定的。如果加熱覆層并不能通過調(diào)整所述覆層的厚度來獲得足夠高的電阻，則必須改變 以跡線形式沉積的電阻的長度，以因此增大電流流經(jīng)的距離。如上所述，高導電的第二材料被沉積在電阻的端部，以起到漏極的作用。可以引用 例如專利JP7226301和JP8124707中的公開內(nèi)容。在另一實施方式中，如果沉積的電阻不是以跡線形式，則通過以被稱為漏極的 條帶形式制造的導電覆層可以在電阻覆層的兩側(cè)都形成電連接。這種解決方案在文獻 WOO158213、W003095251和US4543466中得到公開。如文獻W00158213中所公開的，加熱 層由透明導電材料制成并與銀制成的高導電層相連接，以實現(xiàn)漏極的功能而不引起溫度升
尚ο由于這一現(xiàn)有技術(shù)，通過沉積薄膜來制造加熱元件包括兩個步驟-第一步驟在以跡線形式的電阻的情況下通過掩膜來沉積電阻，或者將電阻直 接沉積在基底的整個表面上。應(yīng)注意，跡線還可以通過選擇性地去除電阻性沉積物來制 造；-第二步驟通過另一掩膜沉積另一覆層來制造漏極。因此，必須使用兩種不同的材料并且在這兩種沉積步驟之間對掩膜進行操作。在

圖1中示意性地圖示了這一現(xiàn)有技術(shù)，圖1示出了用兩個步驟制造的加熱元件。 加熱元件由基底(C)構(gòu)成，基底(C)由比如陶瓷、玻璃或塑料等電絕緣材料制成。在基底(C)的整個表面上沉積弱導電覆層(B)。掩膜例如以如下方式位于覆層(B)上使得掩膜不 覆蓋覆層(B)的端部以能夠沉積高導電的第二覆層，以便制造用于連接比如發(fā)電機(G)等 電源的漏極㈧?；谶@一現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的問題是使用單一材料通過單一沉積步驟來制 造薄膜加熱元件。為了解決該問題，設(shè)想并完善了一種在絕緣基底上沉積薄膜來制造加熱元件的方 法，通過該方法可以-改變基底的表面狀態(tài)，以獲得至少一個具有低表面粗糙度Ra的平滑區(qū)域以及至 少一個具有更高表面粗糙度Rax的區(qū)域；-在上述各種區(qū)域上施加高導電材料；
-將平滑區(qū)域與電源連接。通過該方法，加熱元件可以通過單一沉積步驟來制造，以便同時制造電阻和漏極， 在此情況下所述漏極由低粗糙度的區(qū)域構(gòu)成。因此，不再需要使用兩種不同的材料或者在制造覆層的過程中使用不同的掩膜。與本領(lǐng)域技術(shù)人員的常識相反的是，根據(jù)本發(fā)明，高導電材料不只用于較冷部分 或漏極，而且還用于加熱部分?；谶@種基本設(shè)計_在整個基底上沉積高導電材料層，以覆蓋所有平滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，或者_沉積高導電材料層，以形成覆蓋部分平滑區(qū)域以及部分粗糙區(qū)域的跡線。在一種實施方式中，在兩個平滑區(qū)域之間制造凸出的粗糙區(qū)域。本發(fā)明還涉及通過在絕緣基底上沉積薄膜而獲得的加熱元件，其具有利用焦耳效 應(yīng)的至少一個加熱部分以及至少一個電連接部分，所述至少一個電連接部分由至少一個具 有更高粗糙度Rax的區(qū)域和至少一個具有低粗糙度Ra的平滑區(qū)域構(gòu)成，所述區(qū)域覆有高導 電材料的薄膜，并且電源與平滑區(qū)域連接?？墒褂玫母邔щ姴牧习?僅作為舉例而絕非限制性地)鋁、銅、銀、金，以及，更 一般地說，包括室溫下本征電導率超過30X IO6S. πΓ1的任何材料。根據(jù)另一方面，平滑區(qū)域的粗糙度Ra小于0. 5 μ m。在一種實施方式中，基底具有位于具有更高粗糙度Rax的區(qū)域旁邊的具有低粗糙 度Ra的平滑區(qū)域。在另一實施方式中，基底具有位于具有更高粗糙度Rax的區(qū)域的兩側(cè)的具有低粗 糙度Ra的兩個平滑區(qū)域?；谠摲椒?，顯而易見有-高導電材料的薄膜被沉積在基底的整個表面上，以覆蓋各個區(qū)域，或者-高導電材料的薄膜以覆蓋各個區(qū)域的跡線的形式沉積。當電阻比值R2/R1大于系數(shù)α 1和α 2的平方的比值(即R2/R1 > ( α 2)7( α 1)2) 時，實現(xiàn)了特別有利的結(jié)果，其中Rl =具有低粗糙度(Ra)的平滑區(qū)域的以歐姆為單位的阻值；R2 =具有較高的粗糙度(Rax)的區(qū)域的以歐姆為單位的阻值；α 1 =平滑區(qū)域的展開長度除以由輪廓曲線儀(表面光度儀)掃描得到的它的長度；α 2 =具有更高粗糙度的區(qū)域的展開長度除以由輪廓曲線儀掃描得到的它的長度。下面參照附圖更詳細地解釋本發(fā)明，在附圖中-圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的加熱元件的示意圖；-圖2是等效于圖1的俯視圖；-圖3是類似于圖1的示意性截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明獲得的加熱元件；-圖4是對應(yīng)于圖3的俯視圖；-圖5和圖6是加熱元件的其它實施方式的示意性俯視圖，其中高導電覆層以跡線 形式沉積；-圖7是具有平滑區(qū)域和粗糙區(qū)域的元件的示意性透視圖；-圖8是在覆層沉積在圓柱形區(qū)域外部之后的對應(yīng)于圖7的視圖。圖3和圖4示出了在任何已知的適當類型的電絕緣基底(1)上的根據(jù)本發(fā)明的方 面獲得的加熱元件的第一實施方式。根據(jù)本發(fā)明的一個基本方面，改變基底(1)的表面狀態(tài)，從而獲得具有低粗糙度 Ra (通常小于0.5 μ m)的平滑區(qū)域(Ia)和(Ib)以及具有必須大于0. 5 μ m的更高粗糙度 Rax的區(qū)域(Ic)。由高導電材料構(gòu)成的覆層(2)被沉積在基底⑴的與區(qū)域(la)、(lb)和(Ic)相 同的一側(cè)的整個表面區(qū)域上。該高導電材料的電導率在室溫下超過30X 106S/m2。因此，在 基底(1)的平滑區(qū)域(Ia)和(Ib)之上的區(qū)域(2a)和(2b)構(gòu)成用于連接電源(比如發(fā)電 機(3))的漏極，而在具有更高粗糙度的區(qū)域(Ic)之上的區(qū)域(2c)構(gòu)成元件的加熱部分。電阻主要是通過改變基底的區(qū)域(Ic)的表面粗糙度來調(diào)整的。還可以對粗糙特 性進行組合并改變覆層的厚度，以調(diào)整阻值。覆層(2)可以以跡線的形式例如通過在沉積所述覆層之前布置掩膜或者通過選 擇性移除該覆層來沉積。為制造跡線，已證實優(yōu)先選擇接近跡線的曲率半徑的低粗糙度的表面尤為重要， 因為低粗糙度的表面有利于低電阻，這使得能夠減小溫度的升高從而避免對沉積有害。在圖5中圖示了一種優(yōu)選的實施方式，其示出了基底(1)，基底(1)具有具有更 高粗糙度Rax的凸出的中央?yún)^(qū)域(lc)，以及具有低粗糙度(Ra)的兩個旁邊區(qū)域(Ia)和 (Ib)。區(qū)域(Ia)(低粗糙度的跡線(2)的曲率半徑(2d)位于其中)使得能夠以與在電連 接發(fā)電機(3)的漏極附近相同的方式避免過熱。在示出的圖中，基底具有位于具有更高粗糙度Rax的區(qū)域的兩側(cè)的具有低粗糙度 Ra的兩個平滑區(qū)域(Ia)和(lb)。該基底可以具有位于具有更高粗糙度Rax的區(qū)域旁邊的 具有低粗糙度Ra的單個平滑區(qū)域。類似地，由高導電覆層(2)構(gòu)成的跡線(2d)可以被制 造為不同的形狀。參見圖5和圖6。在圖7中，基底具有低粗糙度的區(qū)域(Ib)和粗糙度更高的區(qū)域(Ic)。在區(qū)域(2c) (粗糙度更高的區(qū)域)以及連接發(fā)電機(3)的區(qū)域(2b)(低粗糙度的區(qū)域)中，覆層(2)被 沉積在圓柱形表面的外部上。首先，有必要強調(diào)以下優(yōu)點根據(jù)本發(fā)明，在沉積導電覆層之前對基底表面狀態(tài)的局部改變使得能夠使用單一材料來制造加熱元件，而無論元件是否是以跡線形式。這種表面狀態(tài)的改變可以在制造基底之前產(chǎn)生，在聚合物基底的情況下，可以例 如通過注塑模具表面上的凸出部來產(chǎn)生。這種表面狀態(tài)的改變還可以利用被稱為噴砂的技術(shù)或者任何其它改變所討論的 基底的粗糙度的適當方式在沉積之前直接在基底上獲得。在基底導電的情況下，可在沉積加熱元件之前施加第一絕緣覆層。應(yīng)注意，為了實現(xiàn)加熱元件的基本特性，根據(jù)本發(fā)明，可以-采用具有低粗糙度Ra的基底，對其進行處理以例如得到在粗糙度為Ra的兩個平 滑區(qū)域之間的具有更高粗糙度Rax的區(qū)域，或者_采用具有更高粗糙度Rax的基底，對其進行處理以例如得到在具有更高粗糙度 Rax的區(qū)域的兩側(cè)的具有低粗糙度Ra的兩個區(qū)域。參見以下三個示例示例 1 在示例1中，利用真空沉積技術(shù)將銅沉積在聚碳酸酯基底上。以條帶形式的聚碳酸酯基底具有初始表面粗糙度值Ra = 0. 02 μ m。在真空沉積之 前對這些聚碳酸酯基底進行噴砂，這使其粗糙度提高到Ra = 4. 9 μ m。使條帶的端部保持平滑，以便確保電接觸功能并均勻地分配電流。在每個表面狀態(tài)上產(chǎn)生三種電阻。電阻的長度是98mm，而它們的寬分別是5mm、 12mm和24mm。粗糙度輪廓被用來計算每個表面狀態(tài)的展開長度。電阻通過施加電流并測量電阻兩端的電壓來表征。在真空沉積設(shè)備中同時覆上全 部基底。所述基底還相對于沉積源定位一致。在粗糙度Ra小于0.01 μ m的樣品玻璃基底上，所測得的沉積的銅的厚度是 1. 15 μ m。根據(jù)圖3和圖4中示出的原理來制備粗糙測試的樣件。
權(quán)利要求
一種通過在絕緣基底(1)上沉積薄膜來制造加熱元件的方法，其中 改變基底(1)的表面狀態(tài)，以獲得至少一個具有低粗糙度Ra的平滑區(qū)域(1a) (1b)以及至少一個具有更高粗糙度Rax的區(qū)域(1c)； 在所述各個區(qū)域(1a)、(1b)、(1c)上施加高導電材料(2)； 將所述材料(2)的平滑區(qū)域(2a)和(2b)與電源(3)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在整個所述基底(1)上沉積所述高導電材料 (2)的層，從而覆蓋所有平滑區(qū)域(Ia)和(Ib)以及粗糙區(qū)域(Ic)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，沉積所述高導電材料(2)的層，從而形成覆 蓋部分平滑區(qū)域(Ia)和(Ib)以及部分粗糙區(qū)域(Ic)的跡線。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在兩個平滑區(qū)域(Ia)與(Ib)之間 制造凸起的粗糙區(qū)域(Ic)。
5.一種通過在絕緣基底(1)上沉積薄膜而獲得的加熱元件，具有至少一個電加熱部 分以及至少一個電連接部分，其特征在于所述部分由至少一個具有低粗糙度Ra的平滑區(qū) 域(Ia)和(Ib)以及至少一個具有更高粗糙度Rax的區(qū)域(Ic)以及構(gòu)成，所述區(qū)域(la)、 (lb)、(Ic)覆有高導電材料(2)的薄膜，電源(3)與覆層(2)的平滑區(qū)域(2a)和(2b)連 接。
6.如權(quán)利要求5所述的元件，其特征在于，所述平滑區(qū)域的所述粗糙度Ra小于 0. 5 μ m0
7.如權(quán)利要求5所述的元件，其特征在于，所述基底(1)具有在具有更高粗糙度Rax的 區(qū)域旁邊沉積的具有低粗糙度Ra的平滑區(qū)域。
8.如權(quán)利要求5所述的元件，其特征在于，所述基底具有在具有更高粗糙度Rax的區(qū)域 的兩側(cè)沉積的具有低粗糙度Ra的兩個平滑區(qū)域。
9.如權(quán)利要求5至8之一所述的元件，其特征在于，所述高導電材料(2)的薄膜被沉積 在所述基底的整個表面之上，從而覆蓋所述各個區(qū)域(la)、(lb)、(Ic)。
10.如權(quán)利要求5至8之一所述的元件，其特征在于，所述高導電材料(2)的薄膜以覆 蓋所述各個區(qū)域(la)、(lb)、(Ic)的跡線的形式被沉積。
11.如權(quán)利要求5至10之一所述的元件，其特征在于，所述高導電材料的電導率在室溫 下超過 30X 106S/m2。
12.如權(quán)利要求5至11之一所述的元件，其特征在于，所述高導電材料(2)是銅、鋁、銀或金。
13.如權(quán)利要求5至11之一所述的元件，其特征在于，所述基底(1)由絕緣材料制成。
14.如權(quán)利要求5至11之一所述的元件，其特征在于，所述基底(1)由覆有絕緣層的導 電材料制成。
15.如權(quán)利要求5至14之一所述的元件，其特征在于，電阻比值R2/R1大于系數(shù)α1和 α 2的平方的比值，即R2/R1 > ( α 2) 7 ( α 1)2，其中:Rl =所述具有低粗糙度(Ra)的平滑區(qū)域的以歐姆為單位的阻值； R2 =所述具有更高粗糙度(Rax)的區(qū)域的以歐姆為單位的阻值； α 1 =所述平滑區(qū)域的展開長度除以由輪廓曲線儀掃描得到的它的長度； α2 =所述具有更高粗糙度的區(qū)域的展開長度除以由輪廓曲線儀掃描得到的它的長度。
16.如權(quán)利要求5至15之一所述的加熱元件用于為反射面除霧或除冰的用途。
全文摘要
根據(jù)本方法改變基底(1)的表面狀態(tài)，以獲得至少一個具有最低限度的粗糙度Ra的平滑區(qū)域(1a)-(1b)以及至少一個具有更高粗糙度Rax的區(qū)域(1c)；在上述各個區(qū)域(1a)、(1b)、(1c)上施加高導電材料(2)；將材料(2)的平滑區(qū)域(2a)和(2b)與電源(3)連接。
文檔編號H05B3/84GK101939164SQ200980104511
公開日2011年1月5日 申請日期2009年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月6日
發(fā)明者伯努瓦·泰爾姆, 克里斯托弗·埃奧, 菲利普·毛林-佩里耶 申請人:H.E.F.公司