專利名稱：用于構成對加熱元件電路非線性補償的可變電阻器的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及加熱元件的控制，尤其涉及改善對在包括加熱元件的電子電路中的非線性至少進行部分補償的可變電阻器。
背景技術：
采用相當緊湊合和簡單的無源元件來提供電阻性負載的控制是所期望的。例如，經常是采用可變電阻器來實現對加熱元件的某些測量，并且一般是將可變電阻器構成與適當電源的串連。這樣，可變電阻器就具有可控電壓分壓器的有效功能。
通過采用可變電阻器能夠補償在十分簡單的加熱電路中的非線性屬性，這可提供一些優點。也就是說，當流過電阻性加熱元件的總的電流以及在加熱元件兩端的電壓是可變電阻器的函數時，在加熱元件中所消耗功率之間的關系以一種不是普通方式與可變電阻器的位置有關。然而，這在許多應用中是難以滿足的，因為客戶或者用戶只是希望在應用中所配置的可變電阻器應該具有相對于可變電阻器(例如，滑桿、轉盤、旋鈕或者其它這類與可變電阻器機械耦合的用戶接口)位置的線性響應。
一種改善可變電阻器的這類應用將有利于蒸發擴散(播)裝置的領域。總的來說，蒸發擴散(播)產品一般都包括蒸發性材料以及構成便于蒸發性材料蒸發到周圍空氣中的傳輸系統。例如，在某些系統中，在容器瓶中包含液體；在其它一些系統中，可以使用蠟狀物材料。外殼，可以從外壁向外突出(并且可以提供電壓電源)，方便于蒸發材料蒸發到環境中。在這種設備中，加熱元件熱耦合蒸發材料和/或任何毛細或者其它材料傳輸元件。在這種情況下，希望蒸發速率至少是與可變電阻器的位置具有部分線性關系。
發明內容
以下將更詳細地討論本發明所針對的現有技術的不足，同時本發明提供了一種改善的電阻器，它可以構成至少部分補償在包含加熱元件的電子電路(例如，薄膜加熱元件)中的非線性。
根據本發明的一例實施例，可控加熱裝置包括一個加熱元件、一個與加熱元件相耦合的電壓電源(例如，標準AC電源插頭)，以及一個與加熱元件和電壓電源相耦合的可變電阻器。可變電阻器包括一個固定的電阻元件(例如，一個或多個薄膜電阻器)，以及一個諸如滑桿的可移動元件。可移動元件可以調節的方式在與位置相關的接觸點上接觸固定電阻元件，使得可變電阻器具有至少部分相對于位置的非線性的電阻，但是其中加熱元件所具有的消耗功率至少部分相對于可變電阻器的位置是線性的。
根據本發明一例實施例，固定元件可以包括一個或者多個薄膜電阻器，且薄膜電阻器所具有的寬度可隨著它的長度連續變化或者斷續變化。例如，這類加熱器可以結合蒸發擴散設備一起使用，這類設備是熱耦合加熱器，并且它可以包含各種蒸發材料，例如，油、蠟狀物或者其它等等。
通過參考附圖的詳細討論可以對本發明有更加完整的理解，在附圖中，類似的標號用于表示相同的元件；圖1顯示了本發明所配置的加熱元件；圖2圖示說明了在可變電阻和消耗功率之間的非線性關系；圖3是說明根據本發明一例實施例的加熱元件和可變電阻器的示意圖；圖4圖示說明了由一對具有變化寬度的薄膜電阻器所構成的固定電阻元件；圖5是舉例說明的薄膜電阻器的等距視圖；圖6圖示說明了由一對具有斷續或者“臺階”寬度的薄膜電阻器所構成的固定電阻元件；圖7A-7D是在消耗加熱器功率和滑桿位置之間典型關系的定性圖形；圖8是采用結合根據本發明的蒸發傳輸設備的可控加熱器的示意方框圖；和，圖9A和9B圖示說明了根據本發明另一實施例的薄膜電阻元件。
具體實施例方式
下列描述僅僅只是本發明的典型實施例，并不試圖以任何方法限制本發明的范圍、應用或者結構。相反，下列描述試圖對實現本發明的各種實施例提供一種簡單明了的說明。很顯然，對這些實施例中討論的元件功能和結構所進行的各種變化都不背離本文所闡述的本發明范圍。例如，在本發明內容中，可以發現本文所討論的方法和裝置特別適用于結合蒸發傳輸系統的使用，例如，氣體溶劑表面增粘劑以及其它等等。但是，一般來說，本發明可以結合任何應用來使用，例如，需要諸如薄膜電阻器加熱源之類可控加熱源的應用。
圖1圖示說明了根據本發明的典型電路108。總的來說，電壓源102是一個具有電壓V的電壓源(例如，AC或者DC電壓源)，它串連連接著一個電阻性加熱元件106(具有相關的電壓VH和電阻RH)和一個可變電阻器104(具有相關的電壓VS和電阻RS)。電流I對應于總的電路電阻，即，RS+RH。
該電路的屬性是加熱器106所消耗的電源功率與可變電阻器104的電阻是非線性的。這是由于事實上加熱器106的消耗功率是電路總的電流以及加熱器106兩端電壓的函數，這些兩個數值都是可變電阻器104的電阻的函數。更具體地說，加熱器106的消耗功率可以由下列公式給出PH＝IVH＝I(V-VS) (1)而總的電路電流可以由下列公式給出I=VRS+RH---(2)]]>將公式(2)代入公式(1)并進行簡化，由加熱器所產生和消耗的功率可以由下列公式以顛倒的多項式來表示PH=G1[1RS2+C2RS+C3]---(3)]]>式中C1＝V2RH，C2＝2RH，C3＝RH2考慮到公式(3)相當復雜，它難以產生與可變電阻器104的位置線性變化的消耗功率PH。更具體的說，現在參考圖2所示的定性圖形說明，由加熱器106(曲線202)所消耗的功率隨著可變電阻的增加而下降，而且曲線率(或者斜率)也下降。正是如此，在低的電阻數值處只能提供消耗功率的較小控制(或者較粗的控制)，而在高的電阻數值處可提供消耗功率的的較大控制(或者較精細的控制)。相類似，由可變電阻器104所消耗功率在它自身電阻數值內也是非線性變化的。
圖2所示的非線性會在用戶所希望的控制具有線性行為的內容中產生不滿意的結果。也就是說，可變電阻器104一般可以包括滑桿、旋鈕、轉盤或者其它由用戶產生特殊加熱器設置所需維持的這類用戶接口。這些設置可以采用文字、符號、條形標記或者其它這類標識來表示。例如，可以在滑桿的一端(或者在旋鈕的一端設置)上可以提供“H”，以表示“高的”設置(即，具有低的可變電阻數值)，以及可以在滑桿或者旋鈕的另一端提供“L”，以表示“低的”設置(即，具有高的可變電阻束之后)。假定電阻數值RS是沿著滑桿的特性距離d的函數，使得RS＝f(d)，d的尺寸參數范圍是從0至1.0，如果可變電阻器的電阻數值可隨著位置線性變化，即，RS＝Rmaxd (4)式中，Rmax是器件的最大電阻，于是加熱器所消耗的功率隨著滑桿設置也是非線性變化的。
例如，認為在圖1所示系統中，電壓源102是標準的115VAC的電壓源，加熱器106的電阻是一個4852歐姆的相當穩定的電阻器，并且隨著滑桿(或者其它界面)從“H”設置移動到“L”設置，可變電阻器104的電阻可以從8232.0歐姆變化到0.0歐姆。使用以上公式(3)，可以顯示出加熱器106所消耗的功率可以從2.73瓦變化到0.37瓦。然而，沿著加熱曲線的中間點，((2.73+0.37)/2)＝1.55瓦，大約是在滑桿的四分之三點的位置上，接近于在“高的”和“低的”設置之間的“高的”設置而不是在中間。
然而，根據本發明，可變電阻器包括固定電阻元件和移動元件，構成了可變電阻器具有至少部分非線性對應于可變電阻器的位置的電阻以及具有至少部分線性對應于位置的消耗功率。
參考圖3，可控制的加熱裝置300可適當地包括與可變電阻器308串連工作的加熱元件306。提供一對端子302和304，用于連接所適用的功率電源(未顯示)。可變電阻器308包括可移動元件310和固定電阻元件308。可移動元件310(例如，諸如銅、鋼或者相類似的導電材料)構成沿著固定電阻元件308從低的設置314橫向移動至高的位置312，并且根據移動元件310可以產生位置的數量，在一點或多點上與電阻元件308相接觸。也就是說，移動元件310可以沿著電阻元件308連續移動，或者可以沿著電阻元件308的長度方向上具有多個離散確定的位置。例如，可移動元件310可以簡單地具有兩個離散的位置(在位置312上的“高”，以及在位置314上的“低”)；三個離散的位置(在上述結構中具有另一個設置在位置312和314之間的大約一半的“中間”)，或者在沿著電阻元件308的長度方向上以任意方式所定義的任何數量的離散位置。
在圖3所示的移動元件310以滑桿說明的同時，本發明并不限制與此。可以結合移動元件310使用各種器件和接口，包括，各種旋鈕、刻盤、螺桿、撥輪開關和任何其它目前已知或者未來開發的這類元件。此外，在移動元件310的路徑是以卡笛爾(例如，沿著線路平移)坐標來說明的，可變電阻器308也可以極坐標空間方式構成，例如，采用具有給定半徑的移動元件310可以多個特征角度環繞著電阻元件和與電阻元件相接觸的刻盤。另外，可以使用任何任意路徑的移動元件310。
加熱元件306可適當包括一個或者多個加熱元件，例如，薄膜電阻器、線圈、和/或其它等等。在所說明的實施例中，加熱元件306包括蛇形圖形的薄膜電阻材料。可以選擇加熱元件306的電阻率和幾何形狀，以及通過元件310的移動施加在加熱元件306上的電流范圍，有利于任何所需的溫度數值范圍。在舉例說明的實施例中，加熱元件306具有下列熱特性在“高”設置的位置上溫度大約為140°F至160°F，在“中”設置的位置上溫度大約為100°F至130°F，在“低”設置的位置上溫度大約為110°F至120°F。
固定電阻元件308包括一個或者多個電阻元件，例如，線圈電阻、薄膜電阻器、或者任何目前已知或者未來開發的這類元件。在所說明的實施例中，電阻元件308包括兩個電阻器316和318，該電阻器基本構成了從沉積在適用基片402(例如，塑料或者印刷電路板(PCB)材料)的一端(314)并聯連接著另一端(312)。但是，應該理解的是，可以采用任何數量和任何組合的這類電阻元件。
薄膜電阻器316和318可適當地包括任何適用的薄膜材料，包括，例如，根據任何常規或者未來開發的沉積技術沉積在基片402上的TaN、NiCr、或任何其它這類材料。
圖3所說明的實施例可以下列方法進行工作。當移動元件310(或者任何類型與元件310相耦合的刻盤、滑桿或者其它元件)沿著電阻元件308定位(例如，當用戶希望變化加熱器的設置)時，移動元件310在各個所對應的位置上接觸薄膜電阻器316和318，使得電路從端子302，通過加熱元件306，通過移動元件310和另一部分薄膜電阻器316，并返回之端子304，該端子304和端子302一起接觸適當的電壓電源(未顯示)。隨后，可變電阻器308的電阻等于從移動元件310的接觸點延伸至“高的”設置點312的兩部分薄膜電阻器(316和318)的電阻之和。
隨著可變電阻器308的電阻增加，通過電路的總的電流減小，從而使得加熱元件306兩端的電壓下降。因此，由加熱元件306所消耗的熱量就減小。這樣，加熱元件306所消耗的功率可以由移動元件310的位置來控制。
正如以上所簡要討論的那樣，本發明提供了一種可變電阻器，該可變電阻器可以呈現出至少部分相對于可變電阻器位置的非線性，并且具有至少部分相對于可變電阻器位置線性的消耗功率。這樣，可變電阻器可以部分補充電路中的非線性屬性。根據本發明的一個方面，薄膜電阻器316和/或318的一種或多種屬性可以沿著其長度方向變化，以提供所需的位置和電阻之間的關系。
例如，部分薄膜材料的電阻可以為 式中ρ是薄膜電阻率，以Ω.cm表示；d是電阻器的長度；w是薄膜的寬度，以及t是薄膜的厚度，正如圖5所示。因此，它可以適用于隨著其長度改變薄膜電阻器的寬度、厚度和/或電阻率。
現在，參考圖4，根據本發明一個實施例的可變電阻器包括一對在基片402上科改變其寬度的薄膜電阻器部分316和318。移動元件310可以定位在表面電阻器的端點312和314之間距離x的位置上，它可以具有長度L。尺寸參數d＝x/L表示元件310從“高”到“低”的相對位置。
在移動元件310所接觸的電阻元件的長度上，薄膜電阻器部分316和318的組合電阻等于公式(5)所給出關系中的積分即，R(x)=2ρt∫0x1w(x)dx---(6)]]>
利用公式(6)，可以選擇寬度函數w(x)，以便于提供任何在滑桿位置(例如，移動元件310的位置)和消耗功率之間所適用的關系。在這一關系中，w(x)可以是連續的函數，如圖4所示，還可以是斷續的函數。參考圖6，例如，電阻元件316和318可以由從一端(312)到另一端(314)相串連的多個相鄰矩形形狀特性的“臺階”結構來形成。在所說明的實施例中，例如，薄膜電阻器316和318各自在沿著長度方向上的不同點上具有四種離散的寬度。
根據本發明的一個實施例，可變電阻與滑桿位置的平方根成比例，即，Rs=Rmaxd.]]>在特殊內容中希望具有多種其它算術關系，例如，對數函數、多項式函數、或者及其合組。另外，各種薄膜電阻器的寬度可以根據經驗以及/或者通過諸如有限元分析之類迭代技術的使用來確定。此外，各種薄膜電阻器都可以在原位進行激光精調，以進一步定制它們的特性。
在圖4和圖6所示的實施例說明具有基本相同形狀的薄膜電阻器的同時，應該意識到的是，本發明試圖包含形狀和類型不同的薄膜電阻器的實施例。例如，薄膜電阻器316可以具有一系列不同的寬度，同時薄膜電阻器可以具有連續變化的寬度。此外，正如圖9A和9B，薄膜電阻器316可以包括能夠獲得所需電阻變化的任何數量的幾何變化。例如，參考圖9A，薄膜電阻器316可以包括逐漸縮小部分的蛇形圖形薄膜材料。另外，正如圖9B所示，一個或多個薄膜電阻器的形狀可以改變，以便于在兩個曲線之間的幾何關系可以在移動元件310的位置和總的電阻之間產生所需要的關系。在所說明的實施例中，例如，薄膜電阻元件318可根據指數或者多項式函數與元件318相分離。
薄膜電阻器316和318的結構可以選擇，以便于在多個方面產生至少部分線性的功率/位置曲線。現在，參考圖7A至7D所示的典型圖形，固定電阻元件可以構成在消耗功率和滑桿位置之間產生任何適當的關系。例如，正如圖7A所示，功率/位置曲線702在它的操作范圍內基本上是線性的。也就是說，在上述公式(3)本身是非線性的同時，它是連續的，因此可以保持著(通過對RS適當關系的選擇)，以便于產生在所需范圍內具有線性特性的曲線。
圖7B顯示了一例功率/位置曲線是非線性的實施例，但是該實施例包括對應于所消耗功率712和基本符合所需線性關系的滑桿位置710的預定位置704。也就是說，正如圖7B所示，消耗功率(712)的一半點對應于滑桿位置(710)的一半點，即使曲線706和708在點704兩側都是非線性的。該實施例在包括“高”、“低”和中間設置的系統中特別需要。
另外，正如圖7C所示，曲線可以是斷續的，在該情況下，可以包括多個被斷續716所分割非線性部分714。圖6所示的實施例可以構成呈現出這類關系。相類似，正如圖7D所示，曲線可以是斷續的，在這種情況下，可以包括多個被斷續720所分割的離散恒定功率區域。
在圖7A至7D所示的曲線都是單調減小的同時，本發明試圖所消耗的功率在曲線的一個或者多個區域中實際上是簡潔上升的。也就是說，只要所消耗的功率曲線至少在系統在特殊范圍內或者對特殊數值呈現出基本線性的行為的背景下是部分線性的，隨之可變電阻器可以構成所消耗的功率具有周期性的或者其它非單調的特性。
圖8表示了根據本發明一項應用的系統方框圖，在該應用中，諸如油，蠟狀物或者其它等等的可揮發性材料可通過典型的材料傳輸系統800傳輸至環境808中。如圖所示，材料傳輸系統110可以適用地包括耦合著揮發性材料802的毛細結構804和排泄結構806。毛細結構804熱耦合加熱元件106(例如，上述所討論的各種電阻元件)，可以通過可變電阻器104來適當控制其溫度。加熱元件506是電耦合著電源功率102，其中，電源功率102包括任何能夠提供上述加熱元件106所需要的電流和電壓的電壓/電流源。所適用的電源包括，例如，標準家用AC電源插頭，一個或者多個電池，太陽能電源，以及其它等等。
根據所舉例的實施例，材料傳輸系統800和揮發性材料802形成了一個自包含單元，該單元包括一個或者多個插頭，構成了可插入電源插座，例如，雙口AC電源接頭。加熱元件106隨后可間接地從AC插頭接受電源，即，可通過適當固定的和/或可變電阻器。可以包括一個或者多個熔斷器，以便于電路可避免過電流條件所引起的潛在損壞。
此外，根據所舉例的實施例，毛細結構804包括凸出的焊盤(或者簡單的“焊盤”)，該焊盤可以或者不可以包括其它毛細結構502的元件所使用的相同材料，它可以熱耦合薄膜電阻元件，該元件能夠將凸出焊盤加熱到表面溫度的范圍內。熱耦合毛細結構804和加熱元件106可以具有傳導屬性、轉換屬性、輻射屬性，以及其組合屬性。在一例實施例中，例如，在毛細結構804和加熱元件106之間的熱轉換基本上是通過熱傳導來實現的。也就是說，毛細結構804可以直接接觸加熱元件106(通過，例如，干涉配合和/或加壓負載)或者通過一層或者多層塑料或其它材料的中間層熱耦合加熱元件106。
總之，本發明提供了一種適用于改善可變電阻器的方法和裝置，伽可變電阻器可以構成至少可補償在包含加熱元件的電路中的非線性。
以上已經提供參考各種典型實施例討論了本發明。然而，可以在不背離本發明范圍的條件下對所舉例的實施例進行許多變化、組合和改進。例如，可以采用其它方法來實現各種元件。可以根據特殊的應用或者考慮與系統操作相關的任何數量的因素來適當選擇這些替代實施例。此外，本文所討論的技術也可以延伸或者改進應用于其它類型的設備。
權利要求
1.一種可控加熱裝置，其特征在于，它包括一個加熱元件；一個耦合所述加熱元件的電壓源；一個耦合所述加熱元件和所述電壓源的可變電阻器，所述可變電阻器包括一個固定電阻元件和一個移動元件，所述移動元件具有一個位置，并且可在與所述位置有關的接觸點上調整接觸所述固定電阻元件；所述可變電阻器具有一個至少部分與所述位置非線性相關的電阻；所述加熱元件具有一個至少部分與所述位置線性相關的消耗功率。
2.如權利要求1所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件包括一個薄膜電阻器。
3.如權利要求2所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述加熱元件包括一個具有蛇形圖形的薄膜電阻器。
4.如權利要求1所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述電壓源包括一個AC功率電源。
5.如權利要求1所述的可控加熱裝置，其特征在于，還包括一個熱耦合所述加熱元件的蒸發擴散設備，所述蒸發擴散設備構成了可以所述消耗功率作為函數的速率將蒸氣釋放進環境中。
6.如權利要求1所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述移動元件包括一個選自包括滑桿開關、刻盤、旋鈕、螺桿和撥輪開關組的元件。
7.如權利要求1所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述固定電阻元件包括至少一個薄膜電阻器。
8.如權利要求7所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述至少一個薄膜電阻器具有一個第一端，一個第二端，以及在第一端和第二端之間非線性變化的屬性，所述屬性可選自包括寬度、厚度材料以及片電阻的組。
9.如權利要求1所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述固定電阻元件具有一個長度，并且包括一個第一薄膜電阻器和一個基本上與所述第一薄膜電阻器并行的第二薄膜電阻器，所述第一和第二薄膜電阻器具有隨著所述長度而非線性變化的寬度。
10.如權利要求9所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述寬度可以根據選自包含平方根函數、對數函數以及多項式函數組的幾何函數隨著所述長度連續變化。
11.如權利要求9所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述寬度可根據離散步驟的周期變化。
12.如權利要求9所述的可控加熱裝置，其特征在于，所述移動元件可以具有高的位置、低的位置，以及至少一個在所述高和低位置之間的之間位置，并且在所述高的、低的合中間位置上所述消耗功率可定義基本線性的曲線。
13.一種適用于控制與電壓源V串連耦合的加熱元件的可變電阻器，所述加熱元件是一類具有電阻RH和消耗功率PH＝IVH特性的元件，其中，I是流過加熱元件的電流，VH是在加熱元件兩端的電壓，所述可變電阻器包括一個具有長度為L的固定電阻元件；一個具有位置x的移動元件，它在與所述位置x相關的接觸點上可調整接觸所述固定電阻元件；所述固定電阻元件具有電阻為RS(x)；其中，相對于RS(x)的所述消耗功率可以由公式表示PH=C1[1RS2+C2RS+C3]]]>式中C1＝V2RH，C2＝2RH，且C3＝RH2，且式中RS(x)是非線性函數，而PH(x)至少部分是線性函數。
14.如權利要求14所述的可變電阻器，其特征在于，
15.如權利要求14所述的可變電阻器，其特征在于，所述固定電阻元件包括兩個基本并行的薄膜電阻器，該薄膜電阻器縮具有的寬度w是隨著x函數非線性變化。
16.如權利要求14所述的可變電阻器，其特征在于，
17.如權利要求14所述的可變電阻器，其特征在于，所述移動元件具有高的位置Xhigh，低的位置Xlow，以及至少一個中間點，其中，所述消耗功率PH具有沿著所述曲線在三個點上基本交叉由(Xhigh，PH(Xhigh))和(Xlow，PH(Xlow))所定義線的曲線。
18.一種構成連接包含電壓源的電插座的蒸發劑量設備，其特征在于，所述設備包括一個揮發性材料的容器；一個傳輸系統，與所述揮發性材料通訊，所述傳輸系統構成便于所述揮發性材料以蒸發速率蒸發進環境，所述傳輸系統包括一個加熱元件，可構成產生所消耗的功率，所述蒸發速率是所述消耗功率的函數；一個可變電阻器，它耦合所述加熱元件和所述電壓源，所述可變電阻器包括一個固定電阻元件和一個移動元件，所述移動元件具有一個位置且在與所述位置相關的接觸點上可調整接觸所述固定電阻元件；所述可變元件具有至少部分相對應于所述位置非線性的電阻；所述加熱元件具有至少部分相對于所述位置線性的消耗功率。
19.如權利要求19所述的蒸發擴散設備，其特征在于，所述加熱元件包括一個薄膜電阻器，所述可變電阻器包括至少一個具有在其長度方向上寬度可變的薄膜電阻器。
全文摘要
一種改善的可變電阻器至少能夠部分補充在包含諸如薄膜加熱元件之類加熱元件的電路中的非線性。一種可控加熱器包括一個加熱元件，一個耦合著加熱元件的電壓源(例如，標準AC電源插頭)，以及一個耦合著加熱元件和電壓源地可變電阻器。可變電阻器包括一個固定電阻元件(例如，一個或多個薄膜電阻器)已經一個諸如滑桿之類的移動元件。移動元件在位置有關的接觸點上可調整接受固定電阻元件，使得可變電阻器具有至少部分相對于位置非線性的電阻，而加熱元件具有至少部分相對于可變電阻器的位置線性的消耗功率。這類系統可以結合蒸發傳輸設備使用，以便于對環境中所具有的氣味密度提供更加線性的控制。
文檔編號H05B1/02GK1684715SQ03823523
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月26日 優先權日2002年8月30日
發明者M·P·赫, C·特里普利特, M·J·康韋, M·斯特拉瑟, D·里納爾迪斯 申請人:日晷公司