一种微型加热器

1.本发明涉及微型加热器领域，特别是涉及一种微型加热器。


背景技术：

2.微型加热器件因具有功率低、体积小、响应迅速、价格低以及易于集成等诸多优点，是气体传感器、微热量计、气体流量计、红外光源等传感器和测量仪器中的一种关键元器件，在环境监测、生产安全、智能终端、可穿戴产品等行业和领域都发挥着关键的作用。
3.制备微型加热器的关键在于结构设计和材料的选择。其中材料的选取主要包括基底材料和加热电阻材料。为了提高微型加热器的性能，所采用的材料必须耐高温、耐腐蚀，且能承受热应力带来的变化。以微机电系统(micro electro mechanical systems，mems)微型加热器为例，它主要由衬底材料和加热电阻两部分组成。其中衬底材料起机械支撑作用，通常使用绝缘和机械性能都较好的材料。加热电阻的作用是提供热源，通过给加热电阻通电，电流流经电阻，产生焦耳热使加热器升温，达到预定的温度。当前，市场上的微型加热器的加热电阻大多采用金属材料和半导体材料，应用比较多的是钨、钛、铂、镍、多晶硅或合金材料。这种微型加热器普遍存在稳定性差、寿命短、制作工艺复杂等缺点。其中的金属加热元件在空气环境或某些化学氛围条件下，或在温度较高的环境中很容易被氧化或腐蚀而导致微加热器寿命变短或稳定性变差。另外，这类金属加热元件通常采用镀膜或电镀的方式将加热元件覆盖在衬底材料上。为制作出特定结构的加热元件，还需要采用掩模板和光刻工艺，制作方法和流程较为复杂，成本较高。通常情况下，为了更好地控制加热温度，微型加热器还需要一个温度传感器以实现温度测量和反馈的目的。


技术实现要素：

4.针对以上所述现有微型加热器的缺点和存在的问题，本发明提供一种简单可靠、性能优良的微型加热器及其制备方法。所述微型加热器的衬底材料为人造金刚石材料。人造金刚石具有良好的机械性能、耐腐蚀性和耐高温的性能。加热电阻为激光诱导金刚石所形成的具有导电性的石墨材料。这种石墨材料由激光作用在金刚石衬底上制备而成，工艺较为简单，无需复杂的流程和昂贵的设备。所述微型加热器为全碳材料，不需要金属或合金的加热元件，可有效避免金属元件的缺点和弊端，提高器件的稳定性和使用寿命。同时，由于石墨加热元件是一种热电阻敏感材料，其电阻值随温度呈规律的变化，在标定加热元件的电阻与温度之间的关系的基础上，通过测试加热元件的电阻，所述微型加热器还可兼具温度传感器的功能。
5.根据本技术的一个方面，提供一种微型加热器，
6.包括电极、金刚石衬底和嵌入所述金刚石衬底的石墨电阻；
7.所述石墨电阻为通过激光作用由金刚石材料原位转化得到；
8.所述嵌入所述金刚石衬底的石墨电阻为连续的线条形；
9.所述电极与所述嵌入所述金刚石衬底的石墨电阻的两端接触以形成回路。
10.所述金刚石衬底选自单晶或多晶金刚石；
11.所述金刚石衬底的厚度为0.05～5mm；
12.可选地，所述金刚石衬底的厚度为0.1～2mm。
13.可选地，所述金刚石衬底通过化学气相沉积工艺生长制备；
14.可选地，所述金刚石衬底通过高温高压工艺生长制备；
15.所述线条形为折线形或曲线形；
16.可选地，所述折线形包括齿形或锯齿形；
17.可选地，所述曲线形包括螺旋形。
18.包括以下步骤：
19.用激光扫描所述金刚石衬底，扫描的路径为所述连续的线条形，使所述扫描的路径经过的所述金刚石衬底表面的金刚石转化为石墨，将电极放置于金刚石衬底表面，所述电极与所述线条形两端的石墨电阻接触以形成回路，得到所述微型加热器。
20.发出所述激光的激光器选自连续激光器、纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器中的一种；
21.所述激光的波长选自355nm、532nm、800nm、1064nm或10600nm中的一种。
22.所述使所述金刚石衬底表面的金刚石转化为石墨的温度为700～3550℃。
23.所述金刚石衬底放置于移动平台上；
24.所述激光的光束是固定的；
25.通过移动平台的移动实现激光扫描所述金刚石衬底的位置的移动。
26.可选地，所述金刚石衬底是固定的；
27.所述激光的光束通过光学振镜照射在所述金刚石衬底上；
28.通过调整所述光学振镜实现激光扫描所述金刚石衬底的位置的移动。
29.具体地，本技术所述的微型加热器通过以下过程得到：
30.(1)准备一种金刚石衬底。
31.(2)设计加热电阻的形状。典型地，加热电阻为蜿蜒曲折形状。
32.(3)按照所设计的加热电阻形状，有选择地在金刚石衬底上进行激光诱导石墨化。将激光作用区域的金刚石转化为石墨材料，形成所需形状的加热电阻。
33.(4)激光诱导金刚石材料石墨化过程通过在金刚石表面扫描激光来实现。
34.(5)激光作用于金刚石使其发生相变化，转化为石墨材料。
35.(6)在加热元件两端制作电极，用于加热电源接入。
36.(7)标定石墨加热元件的电阻值与温度之间的关系。
37.根据本技术的另一个方面，提供一种上述的微型加热器或上述的制备方法制备的微型加热器的应用，用于环境监测、生产安全、智能终端、可穿戴产品领域。
38.本技术的优势在于：本技术所述的微型加热器基于全碳材料，不含金属，所采用的金刚石衬底可提供快速的热响应和热传导能力。这种微型加热器还同时具备测温功能，无需另外配置温度传感器。
附图说明
39.图1为实施例1中的微型加热器的结构示意图(俯视)；
40.图2为实施例1中的微型加热器的结构示意图(侧视)；
41.图3为实施例1中的微型加热器的实物图；
42.图4为实施例1中微加热器温度随电极两端电压变化关系图；
43.图5为实施例1中的微型加热器的温度与电阻值的关系图。
44.部件和附图标记列表：1：金刚石衬底、2：嵌入金刚石衬底的石墨电阻、3、电极。
具体实施方式
45.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
46.实施例1
47.以355nm纳秒激光器作为激光光源，利用光学振镜实现激光扫描。首先设计石墨电阻的形状，如图1所示折线形状。将一块厚度为1mm的化学气相沉积(cvd)金刚石放置在一个载物平台上，然后利用光学振镜按所设计的形状扫描金刚石表面，将激光作用区域的金刚石材料由金刚石相转化为石墨相，即在金刚石原位形成一个如图1形状的石墨加热电阻，图3显示了激光扫描后形成的实际电阻形状。在石墨电阻的两端通过镀膜或涂覆导电材料的方式制作电极。
48.在电极两端接入直流电源，调节电源电压，同时测量加热器温度，可以标定该加热器温度随所施加电压的关系，如图4所示。
49.同时测量通过石墨电阻的电流以及施加在电极两端的电压，可以计算出石墨电阻的阻值，不同温度下测量并计算阻值，可以标定出电阻随温度变化的关系曲线，如图5所示。依据此曲线可通过测量电阻来实现测温的功能。
50.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。