DE19720880A1 - Elektrisches Heizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement zur Erzeugung von Elektrowärme mit mindestens einer zum elektrischen Anschluß an mindestens zwei elektrische Kontakte vorgesehenen Heizlei­ terschicht.

Typische gattungsgemäße Heizelemente sind Dickschicht-Heiz­ elemente. Diese werden durch Beschichten eines elektrisch isolierenden Grundkörpers mit einer elektrisch leitenden Heizleiterschicht hergestellt, die als ohmscher Widerstand wirkt und die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die in elektrisch leitendem Kontakt mit der Heizleiter­ schicht stehenden Kontakte bzw. Elektroden erwärmt. Bei der Herstellung eines Dickschicht-Heizelementes wird im Sieb­ druckverfahren beispielsweise auf eine dünne keramische Trä­ gerplatten eine Schicht aus pastenförmigem Leitermaterial aufgedruckt. Durch anschließendes Erwärmen entstehen aus dem pastenförmigen Leitermaterial eine metallische Heizleiter­ schicht. Die Schichtdicken der durch Dickschichttechnik auf­ gebrachten Heizleiterschichten betragen in der Regel zwischen 5 µm und 50 µm.

Wegen des erforderlichen Druckschrittes ist die Dickschicht­ technik in der Regel auf die Herstellung von ebenen Heizlei­ terschichten auf makroskopisch ebenen Substraten beschränkt. Bei der Beheizung unebener Bauteile mit im wesentlichen ebe­ nen Heizleiterschichten können Wärmeverluste auftreten, die den Wirkungsgrad des Heizelementes herabsetzen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Heizelement zu schaf­ fen, das eine elektrische Beheizung beliebig geformter Bau­ teile mit gleichmäßig gutem Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Heizelement mit den Merk­ malen von Anspruch 1.

Ein Heizelement, dessen Heizleiterschicht im wesentlichen aus Halbleitermaterial besteht, kann durch in der Halbleiterindu­ strie bewährte Verfahren zur Herstellung dünner Schichten so­ wohl auf ebenen Substraten, als auch auf makroskopisch unebe­ nen, beispielsweise gekrümmten, stufigen oder andersartig re­ liefartig strukturierten, ggf. geometrisch unregelmäßig ge­ formten Oberflächen aufgebracht werden. Als Dünnschichtver­ fahren zur Herstellung der Heizleiterschicht können Vakuum­ verfahren, wie beispielsweise Physical Vapor Deposition, PVD, Ionenplattierung, Kathodenzerstäubung oder Polymerisa­ tion in Plasmen eingesetzt werden. Auch die Verwendung von Sprühverfahren, Tauchverfahren, stromloser Beschichtung, Aus­ laug- oder Ätzverfahren oder Ionentransport im Festkörper ist möglich.

Vorzugsweise wird die Heizleiterschicht durch chemische Ab­ scheidung aus der Dampfphase (Chemical Vapor Deposition, CVD) hergestellt. Bei dieser Fertigungstechnik wird in einem Ofen das Material der Heizleiterschicht auf ein Substrat aus elektrisch isolierendem Material aufgedampft. Das Substrat kann aus keramischem Material bestehen und beispielsweise eine Keramikplatte oder dergleichen sein, es kann auch aus beispielsweise Glas oder Kunststoff bestehen. Es kann auch eine elektrisch isolierende Oberfläche eines zu beheizenden Bauelementes sein oder eine elektrisch isolierende Ober­ flächenschicht auf einem ggf. elektrisch leitenden Bauele­ ment.

Die Substratoberfläche muß nicht eben sein. Es ist auch die Herstellung dreidimensionaler Heizleiterschichten möglich, die der Form des zu beheizenden Bauteils optimal angepaßt werden können. Eine Heizleiterschicht kann beispielsweise mindestens bereichsweise gekrümmt sein und/oder mindestens bereichsweise Stufen, Spitzen, Wölbungen oder dergleichen aufweisen. Es ist auch möglich, daß die Heizleiterschicht in mindestens einer Dimension im wesentlichen geschlossen ist, so daß ein zu beheizendes Element in dieser Dimension im wesentlichen vollständig durch die Heizleiterschicht um­ schlossen ist. Auf diese Weise ist eine Beheizung mit beson­ ders hohem Wirkungsgrad erreichbar.

Die Dimensionen der Heizleiterschicht können durch Steuerung des Beschichtungsprozesses der Geometrie des zu beheizenden Bauteils optimal angepaßt werden. Typische Einsatzgebiete erfindungsgemäßer Heizelemente liegen im Bereich der Haus­ haltsgeräte beispielsweise bei Flüssigkeits-Durchlauferhit­ zern bzw. Durchflußheizern für Waschmaschinen oder Geschirr­ spüler, oder bei Glaskeramik-Koch- oder Warmhalteflächen. Im Automobilbau sind erfindungsgemäße Heizelemente beispiels­ weise bei beheizbaren Heck- und Frontscheiben, beheizbaren Türschlössern oder zur Heizung von Katalysatoren einsetzbar. Einsatzmöglichkeiten bestehen auch in der Medizin- und Labor­ technik, beispielsweise bei Temperiereinrichtungen für Flüs­ sigkeiten. Entsprechend können typische Heizleiterschichten eine laterale Ausdehnung haben, die mindestens in einer Rich­ tung senkrecht zur Schichtdicke größer als einen Millimeter ist, wobei die laterale Ausdehnung in mindestens einer Rich­ tung senkrecht zur Schichtdicke vorzugsweise zwischen 10 mm und 300 mm liegt. Auch eine Miniaturisierung erfindungsgemä­ ßer Heizelemente, beispielsweise zur punktgenauen Beheizung oder Beheizung entlang von schmalen Linien, die ggf. Durch­ messer deutlich unterhalb einem Millimeter haben, ist mög­ lich.

Insbesondere wenn die Heizleiterschicht mindestens bereichs­ weise, vorzugsweise vollständig, eine Schichtdicke zwischen 0,1 µm und 5 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 4 µm, vor­ zugsweise von etwa 3 µm hat, ist die Heizleiterschicht ge­ eignet, die für die Beheizung notwendigen Ströme praktisch ohne Veränderung ihrer elektrischen Eigenschaften dauerhaft zu tragen. Schichten dieser Dicken sind auch wenig anfällig gegen mechanische Beschädigungen.

Heizleiterschichten aus Halbleitermaterial sind bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften in weiten Grenzen einstell­ bar, was einen weiteren Vorteil erfindungsgemäßer Heizelemen­ te darstellt. Eine Heizleiterschicht kann im wesentlichen aus Germanium oder einer III-V-Verbindung bestehen. Bei einer Weiterbildung der Erfindung besteht sie vorzugsweise im we­ sentlichen aus Silizium, insbesondere aus polykristallinem Silizium. In das Halbleitermaterial können Dotierungsatome wie Phosphor, Arsen, Antimon oder Bor eingebettet sein, um die Heizleiterschicht n-leitend bzw. p-leitend zu machen. Bei der CVD-Technik können die Dotierungsstoffe in exakter Dosie­ rung entweder dem Trägergas oder ggf. einer flüssigen Aus­ gangsverbindung beigemischt werden.

Es ist beispielsweise möglich, eine Heizleiterschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten zu erzeugen, der für die Heizung und die Temperaturregelung besonders vorteilhaft ist. Eine Heizleiterschicht kann einen Temperaturkoeffizien­ ten des elektrischen Widerstandes zwischen 10 und ca. 2000 ppm/°C haben, vorzugsweise zwischen 500 und 1500 ppm/°C, insbesondere von ca. 900 ppm/°C haben.

Zur Einstellung der Heizleistung der Heizleiterschicht kann die Heizleiterschicht an eine elektrische Steuereinrichtung oder an eine elektrische Regeleinrichtung angeschlossen sein, die zur Erzeugung einer an der Heizleiterschicht anliegenden Spannung ausgebildet ist. Diese Einrichtung kann beispiels­ weise in Hybrid-Technik oder SMD (surface mounted device)- Technik oder in Form einer diskreten Schaltung vorliegen, die elektrisch leitend mit der Heizleiterschicht verbunden ist. Da die Heizleiterschicht im wesentlichen aus Halbleitermate­ rial besteht, ist es möglich, die Steuereinrichtung oder die Regeleinrichtung in die Heizleiterschicht zu integrieren. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Heizleiterschicht bereichsweise nach Art einer integrierten Schaltung aufgebaut ist. Diese integrierte Schaltung kann die Steuer- bzw. Regel­ einrichtung darstellen.

Wenn nahe bei der Heizleiterschicht oder in Berührungskontakt mit der Heizleiterschicht mindestens ein Sensor angeordnet ist, der geeignet ist, einen Betriebszustand der Heizleiter­ schicht zu detektieren, läßt sich die Heizleistung der Heiz­ leiterschicht besonders genau steuern oder regeln. Vorzugs­ weise ist der Sensor ein Temperatursensor. Der Sensor kann als Meßglied eines elektronischen Regelkreises geschaltet sein, wodurch ein geregeltes Heizelement realisiert werden kann. Besonders kurze Regelstrecken ergeben sich, wenn der Sensor in die Heizleiterschicht integriert ist. Dies ermög­ licht eine besonders genaue Temperaturerfassung und ggf. eine besonders feinfühlige Regelung der Heizleistung. Der Sensor kann ein Halbleiter-Bauelement sein.

Durch die Integration einer Leistungsregelung und ggf. eines Meßgliedes kann ein "intelligentes Heizelement" aufgebaut werden, das vorteilhaft in der Technik der integrierten Schaltung hergestellt werden kann.

Wenn es beispielsweise erforderlich ist, Teile der Heizlei­ terschicht elektrisch von anderen Elementen des Heizelemen­ tes, beispielsweise einem Temperatursensor, zu isolieren, dann kann das Heizelement mindestens bereichsweise mindestens eine Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material auf­ weisen. Diese kann vorzugsweise im wesentlichen aus Silizium­ oxid bestehen. Die Isolierschicht kann beispielsweise durch Niedrigtemperaturoxidation (LCO-Prozeß) hergestellt werden.

Ein Heizelement, dessen Heizleiterschicht im wesentlichen aus Halbleitermaterial besteht, hat weitere signifikante Vorteile gegenüber herkömmlichen Heizelementen. Es ist möglich, daß die Heizleiterschicht eine erste Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial und mindestens eine zweite Schicht aus einem von dem ersten Halbleitermaterial elektrisch verschie­ denen zweiten Halbleitermaterial aufweist, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht unter Bildung eines flächen­ haften p-n-Überganges aneinander angrenzen. Der p-n-Übergang kann eine laterale Ausdehnung haben, die mindestens in einer Richtung parallel zur Schicht größer als 1 mm ist und die vorzugsweise zwischen 10 mm und 1000 mm beträgt. Die Heizlei­ terschicht kann auch mindestens eine an die erste Schicht oder die zweite Schicht unter Bildung eines flächenhaften p-n-Überganges angrenzende dritte Schicht aus einem dritten Halbleitermaterial haben, das sich elektrisch von dem Halb­ leitermaterial der angrenzenden Schicht unterscheidet. Auch Heizleiterschichten mit vier oder mehr Schichten und einer entsprechenden Anzahl von p-n-Übergängen können hergestellt werden. Die Schichten und die entsprechenden p-n-Übergänge können derart zueinander angeordnet bzw. verschaltet werden, daß ein elektrisch steuerbares Heizelement entsteht, das be­ züglich der elektrischen Steuerung wie eine Diode, ein Tran­ sistor oder ein Triac oder ein anderer Thyristor wirkt und welches gleichzeitig aufgrund seiner Wärmeverluste in den Schichten und den stark verlustbehafteten p-n-Übergängen eine Heizleiterschicht darstellt, die, ggf. unter Zwischenschal­ tung einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Isolier­ schicht an einem zu beheizenden Bauelement angebracht sein kann.

Die Erfindung löst somit zum einen das technische Problem der Erzeugung von Heizleiterschichten auf ggf. unebenen, makro­ skopisch strukturierten Oberflächen. Andererseits kann die Heizleistung einer mehrschichtigen Heizleiterschicht aus Halbleitermaterial durch Anlegen von Steuerspannungen an die entsprechenden Kontakte bzw. Elektroden von p-n-Übergänge bildenden, aneinander angrenzenden Schichten genau einge­ stellt werden.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu meh­ reren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungs­ form der Erfindung oder auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungen darstellen können. Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Heizelement mit einer auf einer Keramikplatte abgeschiedenen Heizleiter­ schicht aus polykristallinem Silizium, die über einen diskreten Leistungshalbleiter an eine Leistungsversorgung angeschlossen ist,

Fig. 2 das Heizelement aus Fig. 1 mit einem auf dem Substrat neben der Heizleiterschicht angeord­ neten Temperatursensor und einer auf dem Sub­ strat angeordneten Regelelektronik,

Fig. 3 eine auf einem Substrat aufgebrachte Heiz­ leiterschicht mit drei Schichten aus Halblei­ termaterial und mit zwischen den Schichten ausgebildeten, flächenhaften p-n-Übergängen,

Fig. 4 eine auf einer unregelmäßig gekrümmten Ober­ fläche aufgebrachte Heizleiterschicht, und

Fig. 5 eine ein Keramikrohr umschließende Heizleiter­ schicht eines Heizelementes für einen Durch­ lauferhitzer.

Die nicht maßstabsgetreue, schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt ein Heizelement 1 zur Erzeugung von elektrischer Wärme. Das Heizelement hat eine rechteckige, ebene Heizleiterschicht 2, die im wesentlichen aus polykristallinem Silizium besteht und eine Schichtdicke von ca. 3 µm hat. Die Heizleiterschicht 2 ist auf einem plattenförmigen Substrat 3 aufgebracht, das aus Aluminiumnitrid besteht, senkrecht zu der die Heizleiter­ schicht 2 tragenden Oberfläche eine Dicke von 0,7 mm auf­ weist und ca. 5 mm breit und etwa 50 mm lang ist. Die Heiz­ leiterschicht hat eine laterale Ausdehnung von ca. 3 mm in der Breite (parallel zu den kurzen Seiten des Substrates 2) und ca. 10 mm in der Länge. Im Bereich der Schmalseiten der rechteckigen Heizleiterschicht sind auf dieser elektrische Kontakte 4, 5 in Form von langgestreckten, metallischen Kon­ taktpads aufgebracht, die sich jeweils über die gesamte Schmalseite der Heizleiterschicht 2 erstrecken und eine Dicke von ca. 0,3 µm haben. Die Kontakte sind derart an der Heiz­ leiterschicht angebracht, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein Strom im wesentlichen parallel zur Heizleiter­ schicht fließt.

Die Heizleiterschicht 2 wurde durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bei niedrigem Druck (Low pressure chemical vapor deposition, LPCVD-Prozeß) hergestellt. Dazu wurde das Aluminiumnitrid-Substrat 2 in ein Reaktionsgefäß aus Quarz­ glas eingebracht. In dieses wurde bei einem Unterdruck und einer bestimmten Temperatur ein Reaktionsgas, nämlich Silan (SiH₄) eingeleitet. Auf dem durch eine Maske entsprechend teilweise abgedeckten Substrat 2 bildet sich aus dem sich zersetzenden Reaktionsgas eine feste Schicht aus polykristal­ linem Silizium, das kurz auch als Polysilizium bezeichnet wird. Die gezeigte Schicht 2 ist mit Fremdatomen dotiert. Die Reaktionsvorrichtung weist dazu Gaszuleitungen für eine Do­ tierung der Halbleiterschicht 2 auf. Durch eine Variation der Prozeßgaszusammensetzung aus Reaktionsgas und Dotierungs­ material läßt sich die Dotierung einstellen und durch eine Veränderung der Reaktionstemperatur kann die Korngröße des Polysiliziums eingestellt werden. Auf diese Weise sind die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht 2 in weiten grenzen einstellbar.

Wenn ein Substrat aus elektrisch leitendem Material mit einer Heizleiterschicht versehen werden soll, so kann das elek­ trisch leitende Substrat, beispielsweise ein zu beheizendes Bauteil, zunächst mit einer Isolierschicht beispielsweise aus Siliziumoxid beschichtet werden, auf die dann die Heizleiter­ schicht aufgebracht wird. Zur Herstellung der Isolierschicht kann eine ähnliche Vorrichtung wie zur Herstellung der Heiz­ leiterschicht verwendet werden. In einen Reaktionsbehälter wird bei einem bestimmten Unterdruck und einer Temperatur das zu oxidierende Gas, beispielsweise Silan (SiH₄) sowie Sauerstoff (O₂) eingeleitet. Auf der Oberfläche des zu be­ schichtenden Substrats bildet sich eine glasartige Schicht aus Siliziumoxid, die elektrisch isolierend, aber bei ent­ sprechender geringer Dicke von wenigen µm ausreichend wärme­ leitend ist.

Die Heizleiterschicht 2 hat bei 25°C einen elektrischen Wi­ derstand von ca. 85 Ω und bei 430°C einen elektrischen Wider­ stand von 170 Ω. Dies ergibt einen durchschnittlichen Tempe­ raturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von ca.

900 ppm/°C, im Gegensatz zu etwa 2000 bis 3000 ppm/°C bei metallischen Heizleiterschichten, die durch Dickschichttech­ nologie hergestellt werden.

In geringem Abstand von der in Fig. 1 rechten Schmalseite der Heizleiterschicht 2 ist auf dem Substrat 3 ein Halbleiterbau­ element 6 zur Steuerung des durch die Heizleiterschicht 2 fließenden elektrischen Stromes angeordnet. Das Halbleiter­ bauelement 6 ist ein bidirektionaler Thyristor (Triac). Die einzige Steuerelektrode des Halbleiterbauelementes 6 ist mit dem Steuereingang 7 des Heizelementes verbunden, der an den Steuerausgang einer (nicht gezeigten) Steuer- oder Regelelek­ tronik angeschlossen werden kann. Ein Leistungsversorgungs­ eingang 8 ist zum Anschluß an eine elektrische Leistungsver­ sorgung, beispielsweise an das Haushalts-Stromnetz vorge­ sehen. Ein Ausgang 9 des Triacs 6 ist mit den rechten Kon­ taktpad 5 elektrisch leitend verbunden. Das linke Kontaktpad 4 auf der gegenüberliegenden Schmalseite der Heizleiter­ schicht 2 ist über eine elektrische Leitung 10 mit der elek­ trischen Leistungsversorgung verbunden, die auch am Lei­ stungsversorgungseingang 8 des Triacs 6 angeschlossen ist. Durch Anlegen einer Steuerspannung an den Steuereingang 7 des Triacs 6 kann der durch die Heizleiterschicht 2 fließende Strom gesteuert und auf diese Weise eine gewünschte Heiz­ leistung der Halbleiterschicht 2 eingestellt werden.

In der schematischen Darstellung in Fig. 1 ist das Halblei­ terbauelement 6 zur Steuerung der Heizleistung räumlich ge­ trennt von der als Heizleiterschicht 2 wirkenden Halbleiter­ schicht 2 angeordnet und durch eine elektrische Leitung 11 über das Kontaktpad 5 mit dieser verbunden. Durch entspre­ chende Ausgestaltung des Herstellungsprozesses nach Art des Herstellungsprozesses für eine integrierte Schaltung ist es auch möglich, den Leistungshalbleiter 6 integral mit der Heizleiterschicht 2 und dem Kontaktpad 5 herzustellen. Zwi­ schen elektrisch voneinander zu isolierenden Bauteil-Berei­ chen können elektrisch isolierende Trennschichten ausgebildet werden. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung 6 in die Heizleiterschicht 2 integriert werden.

Der Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Heizelementes entspricht bezüglich der Heizleiterschicht, den Kontaktpads und den Halbleiterbauelement dem Aufbau des Heizelementes in Fig. 1. Die entsprechenden Elemente sind mit den gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet. Im Unterschied zu der Anordnung in Fig. 1 ist bei dem Heizelement in Fig. 2 im Bereich der hinteren Längsseite der Heizleiterschicht 2 mittig zwischen dem linken Kontaktpad 4 und dem rechten Kontaktpad 5 auf dem Substrat 3 ein flächiger Temperatursensor 12 aufgebracht. Der Tempera­ tursensor 12 erzeugt eine temperaturabhängige elektrische Spannung, die zwischen den Anschlüssen 13, 14 des Temperatur­ sensors 12 anliegt. Die Anschlüsse 13, 14 des Temperatursen­ sors 12 sind elektrisch leitend mit einer Steuer-/Regelelek­ tronik 15 verbunden, die ebenfalls auf dem Substrat 3 ange­ ordnet ist. Die Steuer-/Regelelektronik 15 ist im gezeigten Beispiel nach Art einer integrierten Schaltung aufgebaut. Bei anderen Heizelementen kann die Steuer-/Regelelektronik als Hybridschaltung, SMD-Schaltung oder als diskrete Schaltung ausgestaltet sein. Die Steuer-/Regelelektronik 15 ist über zwei Anschlüsse 16, 17 an eine Leistungsversorgung, bei­ spielsweise das Haushalts-Stromnetz anschließbar. Ein Ausgang der Elektronik 15 ist über eine elektrische Leitung 20 mit dem linken Kontaktpad 4 verbunden. Ein anderer Ausgang ist elektrisch leitend mit dem Leistungsversorgungseingang 18 des Halbleiterbauelementes 6 verbunden. Ein Steuerausgang der Steuer-/Regelelektronik 15 ist elektrisch leitend mit dem Steuereingang 21 des Halbleiterbauelementes 6 verbunden. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Temperatur­ sensor 12 als Meßglied eines elektronischen Regelkreises geschaltet, der die Steuer-/Regelelektronik 15 und den Lei­ stungshalbleiter 6 umfaßt. Mittels dieser Bauelemente wird der durch die Heizleiterschicht 2 fließende Strom abhängig von der Temperatur des in unmittelbarer Nähe der Heizleiter­ schicht angeordneten Temperatursensors 12 geregelt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des geregelten Heizelementes nur schematisch, um die Verschaltung der Funktionselemente zu verdeutlichen. Zur Verbesserung des Wärmekontaktes zwischen Heizleiter 2 und Temperatursensor 12 kann der Temperatursen­ sor 12 unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Isolierschicht direkt auf den Heizleiter 2 aufgebracht oder in diesem angeordnet sein. Wie bei der Ausführungsform in Fig. 1 kann der Leistungshalbleiter 6 ebenfalls integral mit der Heizleiterschicht 2 ausgebildet sein. Gleiches gilt für die Funktionselemente der Steuer-/Regelelektronik 15, die ebenfalls integral mit der Heizleiterschicht 2 ausgebildet und nach Art einer integrierten Schaltung aufgebaut sein kann.

In Fig. 3 ist eine prinzipiell andere Ausführungsform eines Heizelementes gemäß der Erfindung schematisch gezeigt. Das schichtförmige Heizelement 30, das auf einem plattenförmigen keramischen Substrat 31 großflächig aufgebracht ist, weist drei planparallele Schichten aus Halbleitermaterial auf. Das Heizelement 30 ist damit mehrschichtig, im gezeigten Bei­ spiels sandwichartig aufgebaut. Eine an das Substrat 31 an­ grenzende erste Schicht 32 aus einem ersten Halbleitermate­ rial (hier p-dotiertes Silizium) grenzt unter Bildung eines flächenhaften, verlustbehafteten p-n-Überganges an eine zwei­ te Schicht 33 aus einem zweiten Halbleitermaterial (hier n-dotiertes Silizium) an. Oberhalb der zweiten Schicht 33 ist, unter Bildung eines weiteren verlustbehafteten p-n-Über­ ganges, eine dritte Schicht 34 aus einem dritten Halbleiter­ material aufgebracht. Diese dritte Schicht besteht bei der Heizleiterschicht 30 in Fig. 3 aus p-dotiertem Silizium, wo­ bei die Dotierung der dritten Schicht 34 stärker ist als die Dotierung der ersten Schicht 32. Die Schichtdicke der zweiten Schicht 33 beträgt ca. 0,5 µm, die der ersten und der dritten Schicht 32 bzw. 34 liegt in der Größenordnung von 1 bis 2 µm.

Die drei Schichten 32, 33, 34 sind durch nicht näher darge­ stellte, auf den Schichten angebrachte, metallische Kontakt- Elektroden und entsprechende elektrische Leitungen mit elek­ trischen Anschlüssen 35, 36, 37 elektrisch leitend verbunden und können über diese Anschlüsse an eine elektrische Steuer­ einrichtung oder eine elektrische Regeleinrichtung ange­ schlossen werden. Durch die elektrische Steuer- oder Regel­ einrichtung kann die in Fig. 3 gezeigte Heizleiterschicht 30 nach Art eines Transistors ,derart angesteuert werden, daß die erste Schicht 32 als Kollektor, die zweite Schicht 33 als Basis und die dritte Schicht 34 als Emitter wirkt. Über einen zwischen Emitter 34 und Basis 33 fließenden Basisstrom kann der vom Emitter 34 zum Kollektor 32 fließende Hauptstrom durch die Heizleiterschicht, und damit der wesentliche Bei­ trag zur Heizleistung der Heizleiterschicht, gesteuert wer­ den. Die mehrschichtige Halbleiter-Heizschicht 30 ist somit derart ausgebildet, daß der zur Heizung beitragende Strom im wesentlichen senkrecht zur Schicht (und senkrecht zur Sub­ stratoberfläche) fließt. Dieser sandwichartige Aufbau ist für großflächige Beheizungen, auch für Niederspannungsanwendung besonders geeignet. Dort könnte eine der Kontaktschichten das zu beheizende Bauteil selbst sein. Beispielsweise könnte eine auf der oberen Schicht 34 aufgebaute, mit dem Anschluß 37 verbundene ebene Kontaktschicht eine Metallschicht eines be­ heizbaren Spiegels sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 erfüllt somit die Heiz­ leiterschicht 30 mehrere Funktionen. Zum einen wird in der Heizleiterschicht 30 die zur Heizung erforderliche elektri­ sche Wärme erzeugt. Zum anderen kann die Heizleiterschicht ein Teil der Steuer- oder Regelschaltung sein, die den Heiz­ strom steuert bzw. regelt.

Fig. 3 zeigt stark schematisch nur eine Möglichkeit der An­ ordnung mehrerer Halbleiterschichten in einer Heizleiter­ schicht gemäß der Erfindung. Ein elektrisch steuerbares Bau­ element, das gleichzeitig aufgrund seiner Wärmeverluste auch als Heizelement wirkt, kann auch nach Art anderer Halbleiter­ bauelemente, aufgebaut sein. Beispielsweise kann ein Heizele­ ment zwei Schichten aufweisen und nach Art einer Diode mit im wesentlichen zwei Betriebszuständen betrieben werden. Es ist auch möglich, eine Heizleiterschicht aus mehr als drei Schichten aufzubauen. Beispielsweise kann eine Heizleiter­ schicht nach Art eines Thyristors mit vier oder noch mehr Schichten aufgebaut und betrieben werden.

In eine mehrschichtige Halbleiter-Heizschicht der Art, wie sie in Fig. 3 beispielsweise dargestellt ist, können weitere Funktionselemente elektrischer Steuer- und Regelelektronik als Halbleiterbauelemente integriert sein, beispielsweise ein Temperatursensor und/oder ein Leistungshalbleiter.

In Fig. 4 ist ein Heizelement mit einer Heizleiterschicht 40 gezeigt, die auf einer unregelmäßig gekrümmten Oberfläche 41 eines elektrisch isolierenden Materials aufgebracht ist. Die an zwei gegenüberliegenden Enden der etwa quadratischen Heiz­ leiterschicht 40 über die gesamte Breite der Enden verlaufen­ den Kontaktpads 42, 43 sind ebenfalls gekrümmt und elektrisch leitend mit der gekrümmten Heizleiterschicht 40 verbunden. Die Heizleiterschicht 40 besteht, wie die Heizleiterschicht 2 in den Fig. 1 und 2, aus polykristallinem Silizium und hat eine Schichtdicke von ca. 3 µm. Die Kontaktpads 42, 43 haben etwa die gleiche Dicke. Die in Dünnschichttechnik aufgebrach­ te Heizleiterschicht 40 schmiegt sich problemlos an die ge­ krümmte Oberfläche 41 großflächig an. Im Mittelbereich der hinteren gezeigten Kante der Oberfläche 41 hat diese einen Krümmungsradius von etwa dem Zehnfachen der Schichtdicke der Heizleiterschicht 40. Heizleiterschichten nach der Erfindung können problemlos auf gekrümmten Oberflächen angebracht wer­ den, deren Krümmungsradius in der Größenordnung der Schicht­ dicke liegt und beispielsweise zwischen 10 und 1000 µm betra­ gen kann. Es können auch schwächer gekrümmte Oberflächen bis hin zu Ebenen beschichtet werden. Die Heizleiterschicht 40 in Fig. 4 ist über die Kontaktpads 42, 43, ähnlich wie die Heizleiterschicht 2 in Fig. 1, elektrisch verschaltet.

In Fig. 5 ist ein dünnwandiges Keramikrohr 50 aus Aluminium­ oxid gezeigt, dessen äußere Oberfläche in einem axialen Ab­ schnitt mit einer Heizleiterschicht 51 aus polykristallinem Silizium derart ummantelt ist, daß die Heizleiterschicht 51 in Umfangsrichtung des Keramikrohres 50 auf ihrer gesamten axialen Länge geschlossen ist. Die Heizleiterschicht 51 bil­ det selbst einen rohrförmigen Körper mit rundem Querschnitt, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Keramikroh­ res 50 entspricht. An beiden axialen Enden der Heizleiter­ schicht 51 sind ringförmige Kontaktpads 52, 53 auf das Heiz­ leiterschicht-Rohr aufgedampft. Der Heizstrom durch die Heizleiterschicht 51 fließt im wesentlichen in axialer Rich­ tung zwischen den mit den Kontakten 52, 53 beschichteten Enden.

Das Heizelement in Fig. 5 ist nicht maßstabsgerecht darge­ stellt. Die Schichtdicke der Polysilizium-Schicht 51 beträgt einige Mikrometer und entspricht etwa der radialen Dicke der Kontaktpads 52, 53. Die Dicke der Rohrwandung 50 kann in der gleichen Größenordnung liegen, sie kann aber auch um Größen­ ordnungen größer sein und beispielsweise zwischen 100 und 1000 µm betragen. In einer Dimension geschlossene Heizleiter­ schichten der in Fig. 5 gezeigten Art können vorteilhaft bei Durchlauferhitzern eingesetzt werden, bei denen durch das Rohr 50 ein zu beheizendes, vorzugsweise flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, fließt. Mit erfindungsgemäßen Heizlei­ terschichten lassen sich Durchlauferhitzer zweckmäßig minia­ turisieren, wodurch neue Anwendungsfelder erschlossen werden können. Es ist noch zu erwähnen, daß die Kontaktpads 52, 53, ähnlich wie die Kontaktpads in den Fig. 1 bis 4, an elek­ trische Steuer- und/oder Regeleinrichtungen angeschlossen werden können.

Ein Fachmann wird ohne weiteres für die jeweilige Anwendung geeignete Schichtgeometrien, Schichtaufbauten und Schaltungen erkennen, mit denen erfindungsgemäße Heizleiterschichten aus Halbleitermaterial vorteilhaft eingesetzt werden können.

Claims (24)

1. Heizelement (1) zur Erzeugung von Elektrowärme mit mindestens einer zum elektrischen Anschluß an min­ destens zwei elektrische Kontakte (4, 5; 35, 36, 37; 42, 43; 52, 53) vorgesehenen Heizleiterschicht (2; 30; 40; 51), dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht im wesentlichen aus Halbleiter­ material besteht.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (2; 30; 40; 51) mittels eines Dünnschichtverfahrens hergestellt ist, insbesondere durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (Chemical Vapor Deposition, CVD).

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizleiterschicht (2; 30; 40; 51) auf einem Substrat (3; 31; 41; 50) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, wobei das Substrat (3; 31; 50) vorzugsweise aus keramischem Material besteht.

4. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (40; 51) mindestens bereichsweise gekrümmt ist und/oder mindestens bereichsweise Stufen aufweist.

5. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (51) in mindestens einer Dimension geschlossen ist.

6. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (2; 30; 40; 51) eine laterale Ausdehnung hat, die in minde­ stens einer Richtung größer als 1 mm ist, wobei die la­ terale Ausdehnung vorzugsweise zwischen 10 mm und 300 mm beträgt.

7. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (2; 30; 40; 51) mindestens bereichsweise, vorzugsweise vollständig, eine Schichtdicke zwischen 0,1 µm und 5 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 4 µm, vorzugsweise von etwa 3 µm, hat.

8. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (2; 40; 51) im wesentlichen aus Silizium besteht, insbeson­ dere aus polykristallinem Silizium.

9. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (30) im wesentlichen aus dotiertem n-leitenden oder p-leiten­ den Halbleitermaterial besteht.

10. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (2; 40; 51) einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zwischen 10 und ca. 2000 ppm/°C hat, vor­ zugsweise zwischen 500 und 1500 ppm/°C, insbesondere von ca. 900 ppm/°C.

11. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht an eine elektrischen Steuereinrichtung (6) oder an eine elektrische Regeleinrichtung (6, 15) angeschlossen ist.

12. Heizelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung oder die Regeleinrichtung in die Heizleiterschicht integriert ist.

13. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nahe bei der Heizleiter­ schicht (2) oder in Berührungskontakt mit der Heizlei­ terschicht (2) mindestens ein Sensor, vorzugsweise ein Temperatursensor (12), angeordnet ist, wobei der Sensor vorzugsweise als Meßglied eines elektronischen Regel­ kreises geschaltet ist.

14. Heizelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in die Heizleiterschicht integriert ist.

15. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht be­ reichsweise nach Art einer integrierten Schaltung auf­ gebaut ist.

16. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement mindestens bereichsweise mindestens eine Isolierschicht aus elek­ trisch isolierenden Material aufweist.

17. Heizelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht im wesentlichen aus Siliziumoxid besteht.

18. Heizelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht durch Niedrigtempera­ turoxidation (LTO) hergestellt ist.

19. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (30) eine erste Schicht (32) aus einem ersten Halbleitermate­ rial und mindestens eine zweite Schicht (33, 34) aus einem von dem ersten Halbleitermaterial elektrisch ver­ schiedenen zweiten Halbleitermaterial aufweist, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht unter Bildung eines flächenhaften p-n-Überganges aneinander angrenzen.

20. Heizelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterschicht (30) mindestens eine an die erste Schicht oder an die zweite Schicht (33) unter Bildung eines flächenhaften p-n-Überganges angrenzende dritte Schicht (34) aus einem dritten Halbleitermaterial aufweist, das sich elektrisch von dem Halbleitermaterial der angrenzenden Schicht unterscheidet.

21. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der elektri­ schen Kontakte als flächenhafte Kontaktschichten ausge­ bildet sind und daß die Heizleiterschicht derart zwi­ schen den Kontaktschichten angeordnet ist, daß ein Stromfluß durch die Heizleiterschicht mindestens be­ reichsweise im wesentlichen senkrecht zur Heizleiter­ schicht, insbesondere senkrecht zur Oberfläche des Sub­ strats, gerichtet ist.

22. Verwendung einer im wesentlichen aus Halbleitermaterial bestehenden, zum elektrischen Anschluß an mindestens zwei elektrische Kontakte vorgesehenen Halbleiterschicht als Heizleiterschicht eines Heizelementes zur Erzeugung von Elektrowärme.

23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht auf einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist und daß die Halb­ leiterschicht zur Beheizung des Substrats oder zur Be­ heizung eines mit dem Substrat wärmeleitend verbundenen Bauteils verwendet wird.

4. Verwendung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleiterschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 aufgebaut ist.