[发明专利]硅加热元件

说明书

本发明涉及一种硅加热元件，正如南斯拉夫的申请号为1097/85、申请日为1985年6月28日的专利申请书所说明的那样，及其制造方法。

传统的电加热器具有丝加热元件，这种加热器效率低，尤其是在敞开结构（此时，不是强制将热量从热源传送到负载上）以及低的和中等的加热温度（直到400℃）时，效率低。其重要原因在于相对于所要求的工作温度，加热温度很高（大约800℃）：由于高温的加热器向四周辐射热量而损失大部分热能，结果只有一部分热能到达有效位置。

传统的加热元件由Cr-Ni-Fe-Al合金制成，其电阻大约为0.04Ω/cm。这种加热材料的较低的电阻率和差的导热性决定了其使用方式：加热器制成线圈形式，它必须用坚固的陶瓷或者相当的绝缘材料来绝缘，所用陶瓷或相当的绝缘材料本身也具有低的导热率。最后，用金属外壳将元件保护起来。这样的元件质量大，并由于导热率低而使它被加热到大约800℃时才能使热量尽可能快地到达加热位置。加热元件的高温导致热量向各个方向辐射并由此而使效率降低。这特别关系到较小的加热组件，如家用加热器具。

传统加热元件不可能获得较高的效率的本质问题在于热的传递方式是从加热-热源-直到工作区-负载。如此远的传递主要局限于辐射，从而效率必然相当低，并且能量损失相当大。如果满足下列条件，则可以获得高效率：

a、用作加热元件的工作部件的材料本身的热阻尽可能地低;

b、加热元件的质量尽可能地小;

c、从热源到负载的热阻也尽可能地低;

d、工作温度与加热温度之差尽可能地小。传统加热元件不可能满足这些要求。

用简单的工艺（例如将丝绕制成线圈）就能够容易地制成传统的金属丝加热器。在过去的六十年中，传统的加热元件被广泛应用，节约能量还没有成为进一步开发新型节能加热元件的动力。仅仅近几年，节约能量成为现代技术的重要课题，而且传统的加热器已不能有效地节约能量。如今，节约能源变得格外重要，全世界都期望开发一种加热元件使其能耗更经济的研究工作取得重大进展。

本发明提供一种由掺杂的多晶或非晶硅制成的新型加热元件，其加热温度直到400℃。多晶或非晶硅的导热率大约是传统加热器的丝材料的5倍。因此，热能可以以最小的能量损失传递到耗热位置。这种新型加热元件包括6个基本构形：

1、一种由具有高导热率的电绝缘基底构成的元件，其上涂敷一层掺杂的多晶或非晶硅的工作层，以及与工作电源连接的表面电极。

2、一种为使电阻达到最佳而将其中表面加热层制成波形状的元件。

3、一种用耐熔金属（Mo、Tu、W等）导体层加强的连接接点元件。

4、一种安置在合适的、由高导热性金属制成的基底上的元件。

5、一种在制成以后安置到由高导热性金属（Al、Cu或类似金属）制成的基底上的元件，它将热量从热源直接传导到热负载上。

6、一种由上述两个元件叠成“夹层”状并具有熔合的连接接点的元件，它可以形成串联结构或并联结构以适应电源电压并获得所需功率。这个派生的结构可以与具有高导热性基底的结构5组合，其三面封闭，引出连接线在第四面上。

本发明的重大意义是基于下列两点理由：

1、多晶或非晶硅比半导体单晶硅便宜50到100倍。

2、多晶或非晶硅能够以薄膜（膜厚范围从0.1到1μm）形式涂敷在基底上。利用选择蚀刻技术（例如公知的半导体工艺），就能将这种薄膜制成更合适的表面结构形状（例如曲波形），并且在选择令人满意的元件电阻方面提供了更好的可能性。

多晶或非晶硅的其它特性与半导体单晶硅非常相似。这特别涉及到高导热性和冶金的合金特性，这些就是为什么硅被选作新材料的主要原因。

下面叙述硅的一般特性和特殊特性，这些特性使得硅优于传统加热器所用的材料：

1、传统加热器的材料具有一个确定的电阻率，它不能改变。而具体所用的硅的电阻率可以在几个数量级的大范围内变化，既可以通过加工方法使其改变，也可以通过以后的热处理方法使其改变。这样就可以使加热器以最小的质量获得所需要的电阻。

2、硅的热阻比传统的加热丝材料低5倍。硅能够完全与金属熔合，因此，用其它材料熔焊或硬焊到加热器的工作层上就可制成连接引线。利用硅的熔接或熔合特性可以将热量以最小的能量损失直接传导到加热介质上。在传统的丝加热器中，这是不可能的。