用于加熱元件上的水垢防止的納米結(jié)構(gòu)化學(xué)機(jī)械拋光引起的活性納米結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于液體材料的加熱中的加熱元件(1)。具體而言，本發(fā)明涉及一種加熱元件(1)，其與液體接觸地操作，并且包括納米結(jié)構(gòu)(30)，所述納米結(jié)構(gòu)(30)能夠借助于自清潔的方法持續(xù)地防止加熱區(qū)(10)中的水垢(20)的累積。
【專利說明】
用于加熱元件上的水垢防止的納米結(jié)構(gòu)化學(xué)機(jī)械拋光引起的 活性納米結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及為了加熱液體的目的用于液體(特別是水）內(nèi)的加熱元件。本發(fā)明主要 聚焦于如下加熱元件，即：其與液體接觸地操作，并且包括化學(xué)機(jī)械拋光引起的納米結(jié)構(gòu)， 所述納米結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)地防止液體/加熱元件的界面處的水垢累積。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于加熱液體的加熱元件一般與液體環(huán)境直接接觸地操作，所述液體環(huán)境通常是 具有例如巧和儀之類的離子成分的水。如侶或不誘鋼之類的制成加熱元件的材料與水的雜 質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致水垢在加熱元件上形成。所產(chǎn)生的水垢通過隨時間推移顯著變厚 (達(dá)到毫米至厘米)阻止從加熱元件通過液體的熱交換，并且顯著地降低了操作效率。在水 垢持續(xù)累積的情況下，加熱元件不能實(shí)現(xiàn)加熱功能，并且由于材料表面的劣化也失去電氣 功能。
[0003] 電阻器被用作各種液體加熱產(chǎn)品中的加熱元件，例如，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電水壺、熱 水器、鍋爐或工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械和鍋爐。在上面所列的應(yīng)用中，電阻器一般與液體接觸W使得 能夠?qū)崿F(xiàn)熱交換。因此，包含高離子濃度的硬水趨于在電阻器上形成水垢層。電阻器上的微 米納米尺度的表面粗糖度產(chǎn)生用于水垢形成的成核點(diǎn)。常規(guī)加熱元件的表面粗糖度具有不 受控和不規(guī)則的表面微米/納米結(jié)構(gòu)(它可能在局部太粗糖或太光滑，或者它可能包括可變 的微米納米尺度的粗糖度-光滑度）。加熱元件的不受控的表面性質(zhì)導(dǎo)致通常觀察到的電阻 器表面上的不均勻的水垢生長。為了控制加熱元件的表面粗糖度并且使加熱元件的表面光 滑，常見的方法是在電阻器上施加涂層。然而，在加熱器表面上施加由另一材料制成的涂層 將導(dǎo)致多種問題，包括：（i)將暴露涂覆的材料的新的不受控的表面粗糖度；（ii)將產(chǎn)生制 成加熱元件的材料和涂層材料之間的附加的界面，從而引起額外的不平衡應(yīng)力層；W及 (iii)附加的涂層材料導(dǎo)致熱傳遞的低效。因此，涂覆加熱元件的表面不是防止水垢問題的 非常優(yōu)化或起作用的解決方案。
[0004] 除由于促進(jìn)表面上的粗糖度的成核而引起的沉積外，水垢還能由在電阻器的金屬 表面和水溶性離子之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)引起。因此，能夠說水垢形成的過程通過機(jī)械和 化學(xué)的因素二者驅(qū)動。在加熱元件上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)取決于材料/涂層的電化學(xué)性質(zhì)W 及表面粗糖的程度。
[0005] 電阻器由例如侶或不誘鋼之類的金屬材料制成，并且對于一些情況，它們經(jīng)受儀 擴(kuò)散或者涂覆有各種材料，例如金、侶、陶瓷和特氣隆，W便防止或減少水垢的形成。涂覆有 運(yùn)些替代性材料的加熱元件的光學(xué)顯微圖圖示了多變的表面形貌和表面粗糖度值。
[0006] 在所提及的涂層之中最有效的金涂層有助于減少水垢的累積;然而，它并不完全 防止水垢的形成。隨著時間的推移，由于過度生長的水垢層剝離從而暴露基體金屬，基材上 發(fā)生誘蝕和劣化。隨著水垢層從表面脫落，由于涂層和主鋼材二者的損傷而發(fā)生腐蝕。此 夕h利用金涂層會顯著地增加加熱元件的單價，并且因此，無法用于商業(yè)應(yīng)用。
[0007] 在本領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)下，加熱元件使用涂層材料來涂覆，從而累積較少的水垢W 便減少水垢的形成。然而，運(yùn)些涂層也會使加熱元件傳遞較少的熱。隨著時間的推移，仍會 觀察到在所施加的涂層上的不可避免的水垢形成。
[0008] 在本領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)下，為了改進(jìn)，通過借助于振動裝置對系統(tǒng)施加振動來實(shí)施 對水垢累積的清潔。然而，使用附加的裝置導(dǎo)致成本的增加，并且此外，還使加熱器單元在 它連接到器具的接觸點(diǎn)處的連接件隨時間的推移而磨損。
[0009] 目前，防水垢化學(xué)品也被用于系統(tǒng)中，W防止并減少水垢的形成。然而，大多數(shù)可 獲得的防水垢化學(xué)品并不是優(yōu)選的，運(yùn)是因?yàn)槌瘜W(xué)品導(dǎo)致環(huán)境污染之外，它們還導(dǎo)致附 加的成本、防止水垢形成方面的低效，或者僅僅因?yàn)榧訜岬乃恢苯佑糜诩矣玫哪康牟⑶?不能包含任何化學(xué)品的事實(shí)。
[0010] 綜上所述，由于上述缺陷和本領(lǐng)域中現(xiàn)有解決方案的不足，相關(guān)技術(shù)中的改進(jìn)是 必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明是基于來自水垢防止方面的現(xiàn)有缺陷的啟發(fā)而開發(fā)，并且尋求解決先前部 分中所提及的問題。
[0012] 本發(fā)明的主要目標(biāo)在于獲得一種能夠持續(xù)和積極地防止水垢累積的加熱元件。
[0013] 本發(fā)明旨在防止加熱元件上的水垢累積，而不相反地影響操作效率。
[0014] 本發(fā)明的目標(biāo)中的一個在于無需附加的涂層材料而通過直接在用于加熱元件的 基材上提供微米/納米尺度的光滑度/粗糖度來減少水垢的形成。
[0015] 此外，本發(fā)明意在形成更規(guī)則的成核點(diǎn)，從而借助于在加熱元件的表面上圖案化 的活性納米結(jié)構(gòu)激活在液體環(huán)境中操作的加熱元件上的水垢的形成，并且在加熱元件的操 作期間通過環(huán)境溫度的改變來激活形成的納米結(jié)構(gòu)，W便在加熱元件的標(biāo)準(zhǔn)操作期間消除 水垢的形成。
[0016] 本發(fā)明的另一目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)一種較為廉價的加熱元件，其能夠持續(xù)地清潔其表面 上的水垢累積，運(yùn)是通過基于兩種材料的熱膨脹系數(shù)的差異借助于納米結(jié)構(gòu)在加熱器表 面/水垢的界面處施加界面應(yīng)力，W在所形成的水垢層上引起應(yīng)力。
[0017] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明設(shè)及一種與液體接觸地操作的加熱元件，其中，它包括 表面納米結(jié)構(gòu)，所述納米結(jié)構(gòu)使得能夠通過在加熱元件表面和水垢的界面處產(chǎn)生界面應(yīng) 力，并且因此，導(dǎo)致均勻形成的水垢結(jié)構(gòu)破裂，來去除在加熱區(qū)上形成的水垢。
[0018] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，所述納米結(jié)構(gòu)的粗糖度值(rms)被設(shè)計為處于20nm和20皿之 間的范圍。此外，所提及的納米結(jié)構(gòu)借助于CMP過程形成。
[0019] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和特性特征W及所有優(yōu)點(diǎn)將通過附圖及其描述利用下面的部 分更清楚地詳述。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)通過考慮所給出的附圖及其詳細(xì)描述來評價。
【附圖說明】
[0020] 圖1為能夠與本發(fā)明一起使用的合理的加熱元件的示圖。
[0021] 圖2a為表面上沒有產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的加熱元件的表面的示意圖。
[0022] 圖化為具有納米結(jié)構(gòu)的加熱元件的表面的示意圖。
[0023] 圖2c為圖示了在具有納米結(jié)構(gòu)的加熱元件的表面上累積的水垢的示意圖。
[0024] 圖2d為圖示了由具有納米結(jié)構(gòu)的加熱元件和形成的水垢的膨脹/收縮引起的金 屬/水垢界面處的界面應(yīng)力形成的示意圖，具有納米結(jié)構(gòu)的加熱元件和形成的水垢的所述 膨脹/收縮是由于它們的熱膨脹系數(shù)的差異造成。
[0025] 圖2e為圖示了借助于水垢層因在界面處形成的應(yīng)力而破裂的活性納米結(jié)構(gòu)的自 清潔能力的示意圖。
[0026] 附圖沒有按比例繪制，而是展示本發(fā)明的圖示。另外，相同或次要（less subs化nt ial)的部分利用相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)示。
[0027] 附圖標(biāo)記說明 [002引1.加熱元件
[0029] 5.加熱元件表面
[0030] 10.加熱區(qū)
[003。 20.水垢
[0032] 30.納米結(jié)構(gòu)
[00削 35.界面
[0034] 40.裂縫
【具體實(shí)施方式】
[0035] 在此詳細(xì)說明中，根據(jù)本發(fā)明的加熱元件（1)及其優(yōu)選實(shí)施例僅被描述用于更好 地理解主題，而不構(gòu)成任何限制。
[0036] 本發(fā)明包括具有表面納米結(jié)構(gòu)（30)的加熱元件（1)，所述納米結(jié)構(gòu)（30)主要利用 有規(guī)則地引起的成核點(diǎn)(nucleation point)來增加加熱區(qū)（10)上水垢(20)的累積，并且隨 后，通過因制成加熱元件的基材和水垢層自身的熱膨脹系數(shù)的差異而在界面(35)處產(chǎn)生應(yīng) 力，來積極地清潔形成的水垢(20)。在圖1中，圖示了適于本發(fā)明的加熱元件（1)的視圖。如 圖中所示，加熱元件（1)為在各種電氣用具中與液體接觸地操作的電阻器，所述電氣用具例 如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電水壺、加熱液體的工業(yè)機(jī)械和鍋爐。在圖2a-b中，圖示了不具有和具有 納米結(jié)構(gòu)(30)的加熱元件(1)的表面的示意圖。
[0037] 通過納米結(jié)構(gòu)化，利用CMP技術(shù)(1)在電阻器的加熱區(qū)（10)上形成任意的納米結(jié)構(gòu) (30)，納米結(jié)構(gòu)(30)基于金屬和水垢(20)的熱膨脹系數(shù)的差異起作用。在圖2c中，示意圖圖 示了具有納米結(jié)構(gòu)(30)的加熱元件（1)的表面(5)上的水垢(20)的累積，并且通過在電阻器 (1)的標(biāo)準(zhǔn)操作(加熱/冷卻）期間呈現(xiàn)出比積聚的水垢(20)高的膨脹/收縮，從而隨著電阻 器（1)水垢(20)的界面(35)上的溫度改變而引起的高界面應(yīng)力，納米結(jié)構(gòu)（30)使水垢(20) 破裂并且從表面剝離。在圖2d中，示意圖圖示了由于材料之間的熱膨脹系數(shù)差異的W不同 速率的具有納米結(jié)構(gòu)(30)的加熱元件（1)及其表面(5)上的水垢(20)的累積的膨脹/收縮所 弓旭的界面(35)處的應(yīng)力形成。在圖2e中，給出了示意圖，其圖示了借助于水垢(20)因所述 界面處的應(yīng)力形成而破裂和脫落的加熱元件（1)的自清潔。如圖2e中所示，由于界面(35)處 的應(yīng)力的形成，在水垢(20)上形成裂縫(40)。
[0038] 在加熱/冷卻循環(huán)期間形成在水垢(20)上的應(yīng)力幫助積聚的水垢（20)的層破裂， 并且與加熱元件（1)分離。持續(xù)去除積聚在加熱區(qū)（10)中的水垢(20)防止金屬表面的變形。 在不具有涂層和具有涂層(侶、金、特氣隆涂層等)的加熱元件（I)上形成納米結(jié)構(gòu)(30)是可 能的。
[0039] 納米結(jié)構(gòu)(30)借助于化學(xué)和機(jī)械拋光（"CMP")過程來形成。在該過程中，
[0040] -施加70N至150N的向下的力，W及 [0041 ] -Suba IV或聚合物的子墊，
[0042] -基于聚合物的頂墊，其與待拋光的材料(IC1000等)相容，
[0043] -砂紙（具有45皿和90皿的平均粒徑(average particle size))，
[0044] -水基化學(xué)懸浮液，其包括利用氧化劑和穩(wěn)定劑化學(xué)物質(zhì)（Stabilizerchemical) 配制的由氧化侶、二氧化娃等制成的納米粒子；
[0045] -使用氧化劑、pH調(diào)節(jié)劑等。
[0046] 利用CMP過程，能夠在加熱元件（1)的表面(5)上提供納米/微米尺度的光滑度或納 米/微米尺度的粗糖度(30)。此外，表面(5)還能形成自保護(hù)的氧化層。
[0047] 防止了加熱元件（1)上的水垢(20)的累積而無需涂層。水垢(20)的累積持續(xù)增加， 并且當(dāng)所提及的水垢層(20)未過度生長時，它能夠借助于形成的界面(35)的應(yīng)力自發(fā)地清 潔。納米結(jié)構(gòu)（30)被直接形成在鋼制電阻器（1)的表面(5)上。所形成的納米結(jié)構(gòu)(30)的粗 糖度值(rms)在20納米(nm)和20微米(皿)之間變化。
[0048] 除CMP過程之外，納米結(jié)構(gòu)（30)還能夠借助于溶膠凝膠過程或光刻法來形成。但 是，CMP過程是所有可用的方法中最經(jīng)濟(jì)的。CMP過程的基本原理是在表面上形成經(jīng)歷化學(xué) 變化的膜，并且機(jī)械研磨該膜。因此，在表面上提供了微/納米尺度的圖案結(jié)構(gòu)。此方法開始 于在待圖案化的層上形成化學(xué)改性的納米膜，并且通過考慮到選擇來圖案化的層的特性， 該納米膜使用例如氧化劑、抑調(diào)節(jié)劑和表面活性劑之類的化學(xué)品來形成。此剖面借助于CMP 方法在微/納米尺度中形成圖案。
[0049] 在CMP的半導(dǎo)體應(yīng)用中，能夠保護(hù)金屬免受腐蝕的自然氧化膜應(yīng)當(dāng)形成在待拋光 的金屬材料上。W運(yùn)種方式，能夠建立稱為全面平坦化(global planarization)的系統(tǒng)，所 述全面平坦化即當(dāng)在晶片上執(zhí)行平坦化時使整個表面平坦化，所述系統(tǒng)在高區(qū)域化igh areas)中提供材料研磨，同時防止在金屬面(metal level)低的溝槽結(jié)構(gòu)上的腐蝕。運(yùn)些膜 自然地形成，并且它們具有自限性的生長能力，運(yùn)是因?yàn)槠湫纬墒峭ㄟ^使氧化層通過擴(kuò)散 形成到金屬原子中來實(shí)現(xiàn)。自保護(hù)的氧化膜與外延應(yīng)變(epitaxial strain)的需求相符。 因?yàn)榫Ц癯?shù)接近主材料(設(shè)有氧化膜形成的金屬）的晶格常數(shù)。此外，運(yùn)些膜的生長是自 限的，運(yùn)是因?yàn)樵谕Ｖ寡鯏U(kuò)散時，氧化物形成在超過臨界厚度(critical thickness)之前 就停止。運(yùn)些膜是連續(xù)、無孔、帶粘性、持久和不反應(yīng)的。因此，它們能夠防止腐蝕，并且能夠 被有效地用作涂覆層。運(yùn)些膜的另一重要特性在于，當(dāng)金屬暴露于由各種化學(xué)組分制成的 介質(zhì)時，它們自然地形成。
[0050] 金屬氧化膜保護(hù)金屬免于氧化的趨向還取決于氧化物和金屬的體積。當(dāng)氧化膜形 成在金屬/氧化物的界面處時，由于氧化物形成引起的體積改變能夠借助于通過W下公式 表示的Pi 11 Ing-Bedworth(P-B)比（在高溫下測量)來解釋，即：
[0化1 ]
[0052] 在該公式中，Ad是氧化物的分子量或化學(xué)式量，并且Am是金屬的原子量。PD和PM分 別是氧化物和金屬的密度。如果P-化k<i，即氧化物體積小于金屬體積(或氧化膜的晶格常 數(shù)a小于金屬的晶格常數(shù)），則在氧化膜中產(chǎn)生(arise)拉伸應(yīng)力。隨著氧化層的厚度增加， 氧化膜開始破裂W便補(bǔ)償該應(yīng)力，并且變得多孔。因此，化學(xué)反應(yīng)、即氧化持續(xù)，并且膜失去 其保護(hù)性或無法限制其生長。另一方面，如果氧化物的體積遠(yuǎn)大于金屬的體積(P-B比>1)， 則隨著膜生長壓應(yīng)力開始出現(xiàn)。氧化膜試圖通過破壞金屬氧化物界面處的鍵合(bond)來釋 放應(yīng)力能。理想的保護(hù)性氧化物當(dāng)P-B比在1和2之間時獲得。在運(yùn)種情況下，形成在金屬表 面上的氧化物保持完整。其生長受金屬離子在氧化膜中的擴(kuò)散率限制。當(dāng)存在經(jīng)歷氧化的 金屬時，P-B比用作用于估計在膜結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和氧化膜的形態(tài)的方法。
[0053] 在空氣中的氧化中，侶(Al)、銅(化)和鶴(W)的膜的P-B比分別為1.28、1.68和3.4。 換言之，Al和Cu在空氣中形成保護(hù)性氧化物，而W的氧化物不是保護(hù)性的，并且預(yù)期當(dāng)超過 臨界厚度時它會剝離。然而，觀察到發(fā)生的是，用于化學(xué)和機(jī)械平坦化應(yīng)用中的液體介質(zhì)在 W的表面上形成保護(hù)性的金屬氧化膜。因此，根據(jù)含水介質(zhì)的組分，也預(yù)期了 P-B比的變化。
[0054] 金屬表面上的氧化膜的厚度取決于金屬氧化物鍵合的強(qiáng)度。在薄膜的形成期間， 當(dāng)它們達(dá)到臨界厚度時，介質(zhì)提供熱力學(xué)條件，所述熱力學(xué)條件能夠使膜由于膜與主材料 聯(lián)接的界面處的原子位錯而部分或完全地松弛。因此，在該臨界厚度之上，膜無法維持其強(qiáng) 度。當(dāng)膜生長時，在金屬氧化膜的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力利用通過W下公式確定的金屬氧化物 鍵強(qiáng)度杳補(bǔ)借.即.
[0化5;
[0056J 化巧公AT，bfiim巧不朕的5半性候重，丫 0耶丫 S巧不被有膜的位置和基底的表面 能，Ki。指示膜基底界面的斷裂初性，并且d指示膜厚度。當(dāng)保護(hù)性氧化膜形成時，由氧化物生 長引起的內(nèi)應(yīng)力(Ointemal)超過金屬氧化物鍵的強(qiáng)度。然而，由于P-B比在1-2之間，所W氧化 物結(jié)構(gòu)處于壓縮之下。在系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)考慮到膜所經(jīng)歷的外應(yīng)力(Oextemal), W便測量氧化膜 的強(qiáng)度，其中，所述平衡被表達(dá)為W下公式，即：
[0化7]
[005引通過該公式，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力的和超過鍵的強(qiáng)度時，氧化膜能夠通過破壞金屬 氧化物界面處的鍵合來去除。因此，膜能夠承受的最大壓縮水平或其穩(wěn)定能力能夠通過測 量界面處的應(yīng)力并且將結(jié)果與ObDnd進(jìn)行比較來確定。原則上，提出的公式適用于所有的納 米膜和涂層。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)(30)通過如下方式形成，即：如上所述調(diào)整應(yīng)力率(S化ess rates), W便產(chǎn)生相對于形成電阻器(1)的材料受控的界面(35)的應(yīng)力，并且使得水垢(20) 能夠通過破裂從電阻器(1)的表面(5)脫落。
[0060] 在當(dāng)前的電阻器(1)中，表面(5)的粗糖度是不受控制的和不規(guī)則的。由于本發(fā)明， 所形成的受控的納米/微米(nano/micro)粗糖度被加工到光滑的表面上。因此，提供了使得 水垢(20)能夠從電阻器（1)的表面(5)脫落的平衡和規(guī)則的應(yīng)力分布。由于所形成的納米/ 微米圖案(30)增加了將產(chǎn)生應(yīng)力的總表面區(qū)域，通過減小臨界應(yīng)力的量(導(dǎo)致脫落），從而 形成使得水垢(20)即使在只有少量的累積時也能夠脫落的應(yīng)力，所形成的納米/微米圖案 (30)設(shè)有自清潔特征。
[0061] 在當(dāng)前的電阻器（1)中，水垢（20)的累積在厘米(cm)的數(shù)量級上。由于本發(fā)明，當(dāng) 水垢(20)的累積在微米(WH)或毫米(mm)的數(shù)量級上時即會破裂，并且因此，水垢(20)從表 面(5)脫落。
[0062] 納米結(jié)構(gòu)（30)通過在CMP過程期間也存在于CMP懸浮液內(nèi)的納米尺寸的顆粒自然 地形成的在納米(皿)數(shù)量級上的金屬氧化保護(hù)膜的研磨而形成。納米結(jié)構(gòu)（30)通過呈現(xiàn)出 遠(yuǎn)大于在其上累積的水垢(20)結(jié)構(gòu)的膨脹/收縮，而在界面(35)處產(chǎn)生高的應(yīng)力。提供納米 或微米尺度的納米結(jié)構(gòu)(30)是可能的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種與液體接觸地操作的加熱元件（1)，其特征在于，包括納米結(jié)構(gòu)（30)，通過在所 述加熱元件(5)/水垢(20)的界面(35)上產(chǎn)生界面應(yīng)力，所述納米結(jié)構(gòu)(30)使得形成在加熱 區(qū)（10)上的水垢(20)能夠破裂和剝離。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件（1 )，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)（30)的粗糙度值 (rms)在 20nm 和 20μηι 之間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件（1)，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)(30)借助于CMP過程 形成，并且根據(jù)需要設(shè)有粗糙度控制。
【文檔編號】C23F15/00GK105874102SQ201380079019
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2013年12月31日
【發(fā)明人】G·B·巴思木
【申請人】安茲耶因大學(xué)