專利名稱：用于波長特定的熱照射和處理的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
無
背景技術：
本發(fā)明涉及將選定的熱紅外(IR)波長輻射或能量直接注射到目標實體中以用于較廣范圍的加熱、處理或治療目的。如下文所描述，這些目的可包含在一系列不同的工業(yè)、醫(yī)學、消費或商業(yè)環(huán)境中加熱、提升或維持物件的溫度，或激勵目標項目。本文所述的方法和系統(tǒng)尤其適用于需要以特定選擇的波長進行照射或者脈沖或注射輻射的能力或從所述能力獲益的操作。在目標以較高的速度移動和與目標處于無接觸的環(huán)境中時，本發(fā)明特別有利。本發(fā)明提供具有選定的較窄波長的紅外系統(tǒng)，其對于較廣范圍的最終應用具有高度可編程性。本發(fā)明教示一種新的和新穎類型的紅外照射系統(tǒng)，其由最優(yōu)選的新的一類較窄波長固態(tài)輻射發(fā)射裝置(RED)的工程陣列組成，在此文檔中稍后將特定參考其一個變體。
更特定來說，本發(fā)明針對一種將最佳波長的紅外輻射注射到目標中以用于以某一方式影響目標溫度的新穎和有效方式。以少數(shù)實例樣本為例，紅外注射的“目標”可以是各種目標，從制造操作中的個別組件到對連續(xù)的材料卷的處理區(qū)，到烹飪過程中的食物，到醫(yī)療環(huán)境中的人類患者。
盡管下文描述的本發(fā)明的特定實施例是尤其涉及塑料瓶預成型件再加熱操作的實例，但其中所包含的原理也可應用于許多其它已知情形。其還應用于單階段塑料瓶吹塑操作，其中在吹塑模制操作之前連續(xù)執(zhí)行注射模制操作。舉例來說，在此部署中，本發(fā)明的方法和設備提供與已知技術相似的優(yōu)點，但將在工藝的再加熱部分的入口處使用不同的感測和控制來處理初始溫度中的變化。
一般來說，理想的紅外加熱系統(tǒng)通過最少的能量消耗最佳地提升目標的溫度。此種系統(tǒng)可包括這樣一種裝置其可將其電能輸入直接轉換為輻射電磁能輸出，且所述輻射電磁能輸出具有針對目標的選定的單一或窄帶的波長，使得包括照射的能量被目標部分或完全吸收并轉換為熱量。電輸入轉換為輻射電磁輸出的效率越高，系統(tǒng)可執(zhí)行的效率就越高。輻射電磁波對準僅暴露目標上的所需區(qū)域的效率越高，系統(tǒng)將完成此工作的效率就越高。選擇使用的輻射發(fā)射裝置應具有即時“開啟”和即時“關閉”特征，使得當不照射目標時，不會浪費輸入和輸出能量。被暴露的目標吸收輻射電磁能以將其直接轉換為熱量的效率越高，系統(tǒng)可運作的效率就越高。對于最佳系統(tǒng)來說，必須謹慎地進行適當選擇，使得一組系統(tǒng)輸出波長匹配目標的吸收性特征。將對于本發(fā)明的不同目標應用對這些可能的波長進行不同選擇，以在最大程度上適合不同材料的不同吸收性特征并適合不同的所需結果。
相比而言，使用一系列不同類型的輻射加熱系統(tǒng)來用于較廣范圍的工藝和治療在此項技術中和業(yè)界中是眾所周知的。先前可用于這類目的的技術產(chǎn)生相對廣的帶譜的發(fā)射的輻射電磁能。其可稱作紅外加熱、治療或處理系統(tǒng)，而實際上，其常產(chǎn)生紅外線譜外的輻射能。
光譜的紅外部分通常被劃分為三個波長類別。這些部分通常被分類為近紅外、中紅外和長紅外波長頻帶。雖然對于這些一般區(qū)域并沒有清楚建立確切的截止點，但一般認為近紅外區(qū)域橫跨可見光與1.5微米之間的范圍。中紅外區(qū)域橫跨從1.5到5微米的范圍。長波紅外區(qū)域通常被認為在5與14微米之間和以上。
先前已用于工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)學、熱處理或加工設備中的輻射紅外源產(chǎn)生廣頻帶的波長，其很少局限于紅外光譜的一個部分。盡管其廣頻帶輸出可能在紅外線譜的特定范圍中出現(xiàn)峰值，但其通常具有大量延伸到相鄰區(qū)域中的輸出尾端。
舉例來說，此項技術中眾所周知的且用于各種加工加熱操作的石英紅外加熱燈通常將在0.8到1微米范圍中產(chǎn)生峰值輸出。盡管輸出可能在0.8與1微米之間出現(xiàn)峰值，但這些燈有大量輸出處于從紫外線(UV)通過可見光且向外到中紅外中的約3.5微米的較寬的連續(xù)組的波長頻帶中。顯然，盡管石英燈的峰值輸出在近紅外范圍中，但有大量輸出是在可見范圍與中紅外范圍中。因此，現(xiàn)有的廣譜紅外源不可能被選擇為任何給定的加熱、處理或治療應用最需要的優(yōu)選波長。這在本質上是寬頻譜治療或工藝，且因為在本發(fā)明之前尚沒有實際的替代物，所以才被廣泛使用。許多目標中的主要的溫度上升是由于吸收具有一個或一個以上窄帶波長的熱IR能量。因此，浪費了許多廣帶IR能量輸出。
雖然如此，石英紅外燈仍廣泛用于離散的組件產(chǎn)業(yè)和連續(xù)的材料處理產(chǎn)業(yè)。通常用各種方法來輔助將來自石英燈的發(fā)射引導到加工中的目標，其中包含各種反射器類型。不管能量是如何集中在目標上的，通常連續(xù)為石英燈供能。不管加工中的目標是連續(xù)生產(chǎn)的物件還是離散的組件均為如此。此點的原因主要是由于石英燈相對低的熱響應時間，其熱響應時間通常以秒計。
特別需要改進的能量注射的領域涉及吹塑模制操作。更具體來說，塑料瓶拉伸吹塑模制系統(tǒng)在拉伸吹塑模制操作之前對預成型件進行熱調節(jié)。這個過程的一個方面在此項技術中稱為再加熱操作。在再加熱操作中，允許將通過注射模制或壓縮模制工藝形成的預成型件熱穩(wěn)定到室溫。隨后，將預成型件饋送到拉伸吹塑模制系統(tǒng)中，在所述系統(tǒng)的早先階段將預成型件加熱到一定溫度，其中熱塑預成型件材料處于最佳用于隨后的吹塑模制操作的溫度下。當將預成型件沿著路徑傳輸通過加熱部分到達機器的吹塑模制部分時符合此條件。在吹塑模制部分中，預成型件首先被機械拉伸，且接著被吹塑成較大容量的器皿或容器。
能量消耗成本占使用吹塑模制操作制造的完成物件的成本中的較大百分比。更具體地說，迄今為止的現(xiàn)有技術在拉伸吹塑模制機器的再加熱區(qū)段中將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)從環(huán)境溫度加熱或熱調節(jié)到105℃所需的能量相當大。從所有的高效制造措施來考慮，顯然，從經(jīng)濟和環(huán)境的立場來看，減少與拉伸吹塑模制系統(tǒng)的熱調節(jié)部分的操作相關聯(lián)的能量消耗率是有利的。
第5,322,651號美國專利描述一種在熱處理熱塑預成型件的方法方面的改進。在此專利中，描述使用寬頻帶紅外(IR)輻射加熱來進行塑料預成型件的熱處理的常規(guī)實踐。引用此專利中的文字，“與使用例如對流和傳導的其他加熱或熱處理方法相比，且考慮到材料的低導熱率，使用紅外輻射進行加熱給予有利的輸出，且允許增加的生產(chǎn)率”。
此專利中描述的對現(xiàn)有技術的特別的改進涉及對在預成型件的IR加熱期間發(fā)射的多余的能量加以管理的方式。特定來說，此專利關注于在加熱過程期間發(fā)射的能量(通過在預成型件之外的位置進行的吸收，傳導，且然后對流)，所述能量最終導致圍繞傳輸?shù)念A成型件的烤爐體積中的空氣溫度增加。事實證明，通過熱氣流對預成型件進行的對流加熱會導致預成型件的非均勻加熱，且因此對制造操作具有有害影響。專利5,322,651描述一種抵消在IR加熱操作期間圍繞預成型件的氣流的無意加熱的影響的方法。
可能預期，將熱能從歷史上的現(xiàn)有技術IR加熱元件和系統(tǒng)轉移到目標預成型件并不是完全有效的過程。理想上，消耗在對預成型件進行熱調節(jié)上的100％的能量將最終以熱能的形式處于預成型件的體積中。盡管在上文參考的專利中沒有特別提到，但當前的現(xiàn)有技術吹塑模制機器主張范圍在5％與10％之間的典型的轉換效率值(進入傳輸?shù)念A成型件中的能量/IR加熱元件消耗的能量)。改進轉換效率值的對與預成型件的紅外加熱相關聯(lián)的方法或構件的任何改進將是非常有利的，且對于拉伸吹塑成形機器的用戶代表能量成本上的實質性減少。
有許多因素一起作用以建立當前的現(xiàn)有技術吹塑模制機器中使用的IR加熱元件和系統(tǒng)的能量轉換效率性能。如上所述，例如PET預成型件的常規(guī)熱塑預成型件被加熱到約105℃的溫度。這通常是在現(xiàn)有技術吹塑模制機器中使用商業(yè)上可用的寬頻帶石英紅外燈實現(xiàn)的。在高速/高生產(chǎn)率機器中，這些通常采取大排的瓦數(shù)非常高的燈泡的形式。所有排的石英燈的合成的能量消耗變?yōu)榫薮蟮碾娏飨?，其在最快速的機器上高達數(shù)千千瓦。與對整個加熱系統(tǒng)的總能量轉換效率性能起作用的這些類型的IR加熱元件相關聯(lián)的兩個因素是燈絲的色溫和燈絲燈泡的光學透射特性。
對當前的現(xiàn)有技術吹塑模制機器的熱調節(jié)子系統(tǒng)的總能量轉換性能有顯著影響的另一因素是通量控制或透鏡化措施，其用于將加熱元件發(fā)射的IR輻射引導到被傳輸通過系統(tǒng)的預成型件的體積中。在大多數(shù)現(xiàn)有技術吹塑模制機器中，部署用以將石英燈發(fā)射的IR輻射通量引導到預成型件的體積中的某些措施。特定來說，金屬化的反射器對減少這些系統(tǒng)中浪費的所發(fā)射的IR輻射量起到有效作用。
對IR加熱子系統(tǒng)的能量轉換效率性能具有影響的又一因素是將能量輸入到通常靜止的IR加熱元件與移動通過加熱系統(tǒng)的預成型件的移動同步的程度。更具體來說，如果靜止的IR加熱元件連續(xù)消耗固定量的輸入能量，即使在由于預成型件連續(xù)移動通過系統(tǒng)而使得在加熱器的緊接鄰近處沒有預成型件的情況下也是如此，那么系統(tǒng)的能量轉換效率性能顯然沒有得到優(yōu)化。實際上，商業(yè)上的石英燈的低物理響應時間和現(xiàn)有技術吹塑模制機器中相對較快的預成型件傳遞速度排除了任何將燈輸入功率成功調制以使其與離散的部件移動同步的嘗試和因此實現(xiàn)總能量轉換效率性能上的改進。
第5,925,710號美國專利、第6,022,920號美國專利和第6,503,586 B1號美國專利都描述類似的方法來增加IR燈發(fā)射的能量中由吹塑模制工藝中使用的被傳輸預成型件吸收的百分比。所有這些專利都以不同量的細節(jié)描述現(xiàn)有技術再加熱吹塑模制機器中將石英燈用作IR加熱元件的一般實踐。在再加熱吹塑模制工藝中，先前經(jīng)注射模制且被允許穩(wěn)定到室溫的預成型件恰恰在吹塑模制操作之前被再加熱到吹塑溫度。這些上文參考專利描述可如何通過IR吸收比可能使用傳導或對流構件更有效地加熱一般的聚合物且特別是PET。這些專利文檔在圖式中將PET的經(jīng)測量的吸收系數(shù)作為波長的函數(shù)來表示。許多較強的分子吸收頻帶出現(xiàn)在PET中，主要在1.6微米以上的IR波長頻帶中。已知石英燈發(fā)射廣譜上的輻射，通過由普朗克定律界定的燈絲溫度來確定確切的發(fā)射光譜。
如現(xiàn)有的現(xiàn)有技術吹塑模制機器中所使用，石英燈在3000°K左右的燈絲溫度下操作。在此溫度下，燈具有0.8微米左右的峰值輻射發(fā)射。然而，因為所述發(fā)射是黑體型發(fā)射，如此項技術中已知，石英燈絲發(fā)射連續(xù)的能量光譜，從X射線到非常長的IR。在3000°K下，所述發(fā)射穿過可見區(qū)而上升，在0.8微米處達到峰值，且接著當其開始與始于1.6微米左右的顯著PET吸收區(qū)重疊而逐漸降低。
這些專利中的任一專利中沒有描述的是石英燈泡對燈的發(fā)射光譜的影響。用于制造商用石英燈的燈泡的石英材料具有約3.5微米的透射上限。超過這個波長，由封圍的燈絲發(fā)射的任何能量的大部分被封圍燈絲的石英玻璃外殼吸收，且因此不可直接用于預成型件加熱。
出于上文概括的原因，在現(xiàn)有的使用石英燈將PET預成型件再加熱到吹塑溫度的現(xiàn)有技術吹塑模制機器中，吸收性加熱的范圍在1微米與3.5微米之間發(fā)生。上文參考的一組專利(5,925,710、6,022,920和6,503,586 B1)都描述用于改變預成型件的天然吸收特性的不同方法和構件，進而改進再加熱過程的總能量轉換效率性能。在所有這些專利中，外來材料被描述為添加到PET預成型件原料中，目的僅在于增加混合物的吸收系數(shù)。這些所述的方法和構件旨在在從0.8微米左右的近IR向外到3.5微米的范圍中影響材料光學吸收特性。雖然是增加再加熱過程的總能量轉換效率性能的可行構件，但在減少容器的制造成本方面非常有益的預成型件的吸收特性方面的改變還會對完成的容器的外觀產(chǎn)生有害影響。容器的光學清晰度方面的降低(有時稱作容器的朦朧化)使得這種一般方法是對這種制造難題的非最佳解決方案。
第5,206,039號美國專利描述一種一階段注射模制/吹塑模制系統(tǒng)，其由改進的將預成型件從工藝的注射階段調節(jié)和傳輸?shù)酱邓茈A段的構件組成。在此專利中，注射模制機器和吹塑模制機器的獨立操作(其每一者均向熱調節(jié)熱塑材料的過程中添加大量能量)被描述為浪費的。此專利教示使用單階段制造工藝會減少總的能量消耗率和制造成本。能量消耗上的此減少主要是因為需用來進行吹塑模制操作的熱能中的大多數(shù)被注射模制階段之后的預成型件保持。更具體來說，在′039專利中描述的一階段工藝中，不允許預成型件在注射模制工藝后穩(wěn)定到室溫。相反，預成型件從注射模制階段直接移動到熱調節(jié)部分，且接著繼續(xù)移動進入吹塑模制部分。
′039專利中描述的熱調節(jié)部分具有以下特性能夠添加較少量的熱能，并且使預成型件經(jīng)受受控的穩(wěn)定周期。這與再加熱吹塑模制機器的2階段過程中的熱調節(jié)部分的要求不同，在這種要求中，需要較大量的能量來將預成型件加熱到吹塑溫度。盡管單階段模制/吹塑模制機器的操作在此項技術中是已知的，完成的容器的質量問題對于這些機器持續(xù)存在。當預成型件的流進入吹塑階段時，這些質量問題關聯(lián)到預成型件之間的溫度變化。盡管有′039專利中描述的優(yōu)勢，但通過使用迄今為止的現(xiàn)有技術IR加熱和溫度感測構件和方法，在緊接著從注射模制工藝中移除預成型件之后對預成型件進行熱調節(jié)的過程仍導致具有變化的熱容量的預成型件進入吹塑階段。進入的預成型件的熱容量的變化導致完成的容器具有變化的特性和質量。由于在逐預成型件基礎上定制調整IR加熱過程的能力方面的低效，所以制造商選擇使用再加熱吹塑模制方法來實現(xiàn)所需的質量水平。出于此原因，對于最高生產(chǎn)率的應用，業(yè)界對于再加熱方法的依賴持續(xù)存在。同樣，因為通常通過商用轉換器制造預成型件，且將其出售給將吹塑并填充容器的最終用戶，所以再加熱工藝一直較普遍。
從操作成本以及產(chǎn)品質量的觀點來看，整體改進吹塑模制機器的IR加熱部分的效率和/或功能性的前景顯然是有利的。盡管已進行若干嘗試來呈現(xiàn)現(xiàn)有技術IR加熱子系統(tǒng)的改進，但仍然存在明顯的缺陷。通過引入新穎的IR加熱元件和方法，本發(fā)明的目的是克服這些缺陷。
在固態(tài)電子元件領域中，固態(tài)反射器或LED在此項技術中是眾所周知的。已知這種類型的光子或通量發(fā)射器可在市場上購得，且在從紫外線(UV)到近紅外的各種波長下操作。LED是由經(jīng)過適當?shù)腘和P摻雜的半導體材料構造的。為一定體積的經(jīng)適當處理以含有與由相同材料形成的N摻雜區(qū)直接接觸的P摻雜區(qū)的半導體材料給予通用名稱“二極管”。二極管具有此項技術中眾所周知的許多重要的電特性和光電特性。舉例來說，此項技術中眾所周知的是，在形成的半導體二極管的N摻雜區(qū)與P摻雜區(qū)之間的物理界面處，在材料中存在特征性帶隙。這個帶隙涉及到位于N區(qū)中的傳導頻帶中的電子的能級與較低的有效的P區(qū)軌道中的電子的能級的不同。當誘導電子流動越過PN結時，電子能級從N區(qū)傳導軌道到較低的P區(qū)軌道的躍遷開始發(fā)生，導致因每一這種電子躍遷而發(fā)射一光子。所發(fā)射的光子的確切的能級或波長對應于所傳導的電子的能量下降。
簡而言之，LED作為直接的電流到光子發(fā)射器而操作。不同于燈絲或其他黑體類型發(fā)射器，在能夠析出輸出光子之前，不需要將輸入能量轉變?yōu)橹虚g的熱量形式。因為這種直接的電流到光子的行為，LED具有極快作用的特性。LED已用于需要產(chǎn)生極高的脈沖速率的UV、可見和/或近IR光的許多應用中。LED的高脈沖速率特性特別有用的一個特定應用是在自動化離散部分視覺感測應用中，其中使用可見或近紅外光來形成透鏡聚焦的圖像，接著在計算機中觀測所述圖像。
與基于燈絲的源不同的是，LED在對應于所使用的半導體材料的特定帶隙的相對有限的波長范圍上發(fā)射。在需要例如組件照明、狀態(tài)指示或光學通信的波長選擇性操作的應用中，LED的這種特性特別有用。最近，將大群LED用于較大規(guī)模的可見照明形式，乃至用于例如汽車尾燈或交通信號燈的發(fā)信號燈。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供對少量或大量紅外輻射裝置的構建，所述紅外輻射裝置具有高度的波長可選擇性，且可有助于將紅外輻射用于過去尚未可用的全新類型的應用和技術。
本發(fā)明的目的是提供一種具有熱IR加熱系統(tǒng)的模制或其它加工或治療系統(tǒng)，所述熱IR加熱系統(tǒng)擁有改進的IR能量轉換效率性能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有根據(jù)待處理或作為目標的特定材料而調諧的IR透深性能的IR加熱系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種可合并有RED的工程混合物的熱IR輻射系統(tǒng)，所述RED可在對于某類應用是最佳的那些選定的窄波長頻帶中產(chǎn)生IR輻射。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能以脈沖模式被驅動的IR加熱系統(tǒng)；所述脈沖模式特別適于在離散制造的部件在制造過程期間被傳輸時向其提供IR熱量，或便于對照射目標的同步追蹤。
本發(fā)明的另一目的是提供可更容易經(jīng)由金屬化的反射器元件來導向的IR加熱元件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能結合預成型件溫度測量系統(tǒng)一起協(xié)作以提供預成型件特定的IR加熱能力的IR加熱系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供IR加熱元件，其被制造成直接的電流到光子IR固態(tài)發(fā)射器或輻射發(fā)射二極管(RED)的陣列。
本發(fā)明的又一優(yōu)勢是提供一種實質上在高度針對性的單個或多個窄波長頻帶處具有大量輻射輸出的紅外照射系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一優(yōu)勢是針對位置、強度、波長、開啟/關閉率、方向性、脈沖頻率和產(chǎn)品追蹤中的至少一者而產(chǎn)生強大的熱紅外輻射且具有高度可編程性的功能性。
本發(fā)明的又一優(yōu)勢是相比于當前的廣頻帶源，有助于一種用于注射熱能的使輸入能量更為有效的方法。
本發(fā)明在加熱瓶預成型件方面的又一優(yōu)勢在于維持有效加熱的能力，而不需要會降低完成的容器的可見清晰度和外觀質量的添加物。
本發(fā)明的又一目的是組合可編程能力和脈沖能力向其可適用的廣泛的應用提供一般的輻射加熱系統(tǒng)，以提供波長選擇性紅外輻射的增加的功能性。
本發(fā)明的又一優(yōu)勢是促進具有比穩(wěn)定狀態(tài)強度高得多的即時強度的極快極高的強度的突發(fā)脈沖的能力。
本發(fā)明的又一優(yōu)勢是可容易地將廢熱傳導到另一位置，在所述位置處需要所述熱量或可將所述熱量傳導出使用環(huán)境以減少無目標的加熱。
本發(fā)明的又一優(yōu)勢在于可以高密度封裝RED裝置以產(chǎn)生迄今為止實踐上尚不能實現(xiàn)的固態(tài)的熱IR輸出功率級。


圖1是本發(fā)明的一個實施例中構建的示范性半導體裝置的一部分的橫截面圖。
圖2是本發(fā)明的一個實施例中構建的示范性半導體裝置的緩沖層的橫截面圖。
圖3是本發(fā)明的一個實施例中構建的示范性半導體裝置的量子點層的橫截面圖。
圖4是本發(fā)明的一個實施例中構建的包含量子點層的輻射發(fā)射二極管的橫截面圖。
圖5是本發(fā)明的一個實施例中構建的包含量子點層的輻射發(fā)射二極管的橫截面圖。
圖6是本發(fā)明的一個實施例中構建的包含量子點層的輻射發(fā)射二極管的橫截面圖。
圖7是本發(fā)明的一個實施例中構建的包含量子點層的激光二極管的橫截面圖。
圖8展示單個RED半導體裝置的圖解表示。
圖9和10展示作為波長的函數(shù)的傳輸穿過PET的10mil厚部分的紅外能量的相對百分比。
圖11a、11b和11c展示一起封裝成RED加熱器元件的個別RED發(fā)射器的典型集合。
圖12a和圖12b展示吹塑模制機內的RED加熱器元件的優(yōu)選部署。
圖13展示本發(fā)明所描述的預成型件的熱處理的優(yōu)選方法。
圖14-16展示根據(jù)本發(fā)明的熱塑預成型件的熱處理的替代方法。
圖17展示有利地應用于動態(tài)傳輸?shù)牟考腞ED加熱器元件。
具體實施例方式
可通過參看假設的輻射加熱實例來說明提供波長特定照射的益處。假設一種對于從可見范圍到中紅外范圍的電磁輻射大體上透明的材料需要工藝加熱以支持某種制造操作。同樣假設這種大體上透明的材料具有處于3.0與3.25微米之間的窄但具有顯著分子吸收性的頻帶。上文描述的實例對于目前描述的實施例可如何最有利地應用于工業(yè)內具有代表性。如果此特定工藝加熱應用的參數(shù)規(guī)定使用輻射加熱技術，那么當前的現(xiàn)有技術將要求使用在3000°K的燈絲溫度下操作的石英燈。在此燈絲溫度下，基本的物理計算產(chǎn)生以下結果石英燈的總的發(fā)射輻射能量中僅約2.1％屬于3.0到3.25微米的頻帶內，其中將出現(xiàn)有利的能量吸收。本揭示內容中描述的僅產(chǎn)生波長特定的輻射能量輸出的能力具有在很大程度上改進各種工藝加熱應用的效率的前景。
本發(fā)明直接涉及一種能夠直接輸出大量具有選定波長的紅外輻射的新穎且新的方法，以用于代替此類廣頻帶類型裝置。
半導體處理技術上的最近進步使得可使用直接的電子到光子固態(tài)發(fā)射器，所述發(fā)射器在1微米(1,000納米)以上的一般中紅外范圍中操作。這些固態(tài)裝置以類似于普通發(fā)光二極管(LED)的方式操作，區(qū)別僅在于其并不發(fā)射可見光，而是發(fā)射較長的中紅外波長的真實的熱IR能量。這些是利用量子點技術的全新類型的裝置，其打破了不能生產(chǎn)出可用的合算的固態(tài)裝置的屏障，所述固態(tài)裝置可充當直接的電子到光子轉換器，其輸出為偽單頻的且處于中紅外波長頻帶中。
為了區(qū)分這種新的類別的裝置與常規(guī)的波長較短的裝置(LED)，更適宜將這些裝置描述為輻射發(fā)射二極管(RED)。所述裝置具有發(fā)射處于受緊密限制的波長范圍中的輻射電磁能的特性。此外，通過合適的半導體處理操作，RED可經(jīng)調諧而以最有利于特定的輻射處理應用的特定波長進行發(fā)射。
另外，RED技術方面已發(fā)展出涉及以下方面的革新形成與相對摻雜的區(qū)接觸的摻雜平面區(qū)，所述區(qū)形成為小面積的材料或量子點的隨機分布的陣列，以用于產(chǎn)生目標IR范圍中和可能超過所述范圍的光子。充分應用此制造技術或例如新穎半導體化合物的開發(fā)的其它技術，將會為本發(fā)明產(chǎn)生合適的偽單頻固態(tài)中紅外發(fā)射器。替代的半導體技術也可用于中紅外中，以及用于將為實踐本發(fā)明的合適的構造塊的長波長紅外中。
所描述的這些實施例內預期的直接的電子(或電流)到光子的轉換發(fā)生在較窄的波長范圍(常稱作偽單頻)內，所述波長范圍與此制造的二極管發(fā)射器的固有帶隙和量子點幾何形狀相一致。預期候選RED發(fā)射器的半功率帶寬將屬于20-500納米的范圍中。此類型紅外發(fā)射器的較窄寬度應支持此整份揭示內容的內容中識別的各種波長特定的照射應用。一個系列的RED裝置和制造這些裝置的技術是以下單獨的專利申請案的主題Samar Sinharoy和Dave Wilt為指定發(fā)明者的在2004年11月16日申請的題為“QuantumDot Semiconductor Device”(代理人案號ERI.P.US0002；快遞郵件標簽號EL 726091609US)的第60/628,330號美國申請案，所述申請案以引用的方式并入本文中。
根據(jù)此“Quantum Dot Semiconductor Device”申請案，半導體裝置在此項技術中是已知的。其用于將電磁輻射轉換為電力的光電電池中。這些裝置還可用作發(fā)光二極管(LED)，其將電能轉換為電磁輻射(例如，光)。對于大多數(shù)半導體應用來說，是針對所需的帶隙(電子伏特)或所需的波長(微米)，且以使半導體可符合所述所需的帶隙范圍或波長范圍的方式制備半導體。
實現(xiàn)特定波長的發(fā)射或電子伏特的能量的能力并不是微不足道的。實際上，半導體會受到特定材料的選擇、特別材料的能隙、其晶格常數(shù)和其固有發(fā)射能力的限制。一種用來調整半導體裝置的技術是使用二元或三元化合物。通過改變裝置的成分特征，可設計出技術上有用的裝置。
還可操縱半導體裝置的設計以調整裝置的行為。在一個實例中，可在半導體裝置內包含量子點。這些點被認為是量子限制載體，且因此與相同半導體的一塊樣本相比，改變了光子發(fā)射的能量。舉例來說，第6,507,042號美國專利教示包含量子點層的半導體裝置。具體來說，其教示沉積在砷化銦鎵(InxGal-xAs)層上的砷化銦(InAs)量子點。此專利揭示可通過控制量子點(即，InAs)與上面沉積有所述點的層(即，InxGal-xAs)之間的晶格失配量，來控制與量子點相關聯(lián)的光子的發(fā)射波長。此專利還揭示可通過改變InxGal-xAs襯底內的銦的含量，來控制InxGal-xAs襯底與InAs量子點之間的晶格失配的事實。隨著InxGal-xAs襯底內的銦的量的增加，失配度降低，且與光子發(fā)射相關聯(lián)的波長增加(即，能隙降低)。實際上，此專利揭示襯底內銦的量從約10％增加到約20％可使相關聯(lián)的光子的波長從約1.1μm增加到約1.3μm。
雖然第6,507,042號美國專利中揭示的技術可證實可用于提供可發(fā)射或吸收波長為約1.3μm的光子的裝置，但增加InxGal-xAs襯底內的銦的量的能力是有限的。換句話說，隨著銦的含量增加到高于20％、30％乃至40％，晶體結構內的瑕疵或缺陷的程度成為限制。在將InxGal-xAs襯底沉積在砷化鎵(GaAs)襯底或晶片上時尤其如此。因此，通過使用第6,507,042號美國專利中揭示的技術不能實現(xiàn)發(fā)射或吸收波長更長(能隙較低)的光子的裝置。
因此，因為需要具有發(fā)射或吸收波長長于1.3μm的光子的裝置，所以仍需要具有這種性質的半導體裝置。
一般來說，RED提供包括InxGal-xAs層的半導體裝置，其中x是從約0.64到約0.72重量％的銦的摩爾份數(shù)，且量子點位于所述InxGal-xAs層上，其中量子點包括InAs或AlzInl-zAs，其中z是小于約5重量％的鋁的摩爾份數(shù)。
本發(fā)明還包含包括量子點(包括InAs或AlzInl-zAs)的半導體裝置，其中z是小于5重量％的鋁的摩爾份數(shù)，和覆蓋層，其接觸量子點的至少一部分，其中量子點和所述覆蓋層的晶格常數(shù)失配至少1.8％且小于2.4％。
半導體裝置包含量子點層，其包括砷化銦鎵(InxGal-xAs)層上的砷化銦(InAs)或砷化鋁銦(AlzInl-zAs，其中z小于等于0.05)量子點，所述砷化銦鎵(InxGal-xAs)層可稱作InxGal-xAs矩陣覆蓋層。所述點和InxGal-xAs矩陣層的晶格常數(shù)是失配的。所述晶格失配可能至少為1.8％，在其它實施例中至少為1.9％，在其它實施例中至少為2.0％，且在其它實施例中至少為2.05％。有利地，所述失配可小于3.2，在其它實施例中小于3.0％，在其它實施例中小于2.5％，且在其它實施例中小于2.2％。在一個或一個以上實施例中，InxGal-xAs矩陣覆蓋層的晶格常數(shù)小于所述點的晶格常數(shù)。
在點位于InxGal-xAs覆蓋層矩陣上的那些實施例中，銦在此覆蓋矩陣層內的摩爾濃度(即，x)可為從約0.55到約0.80，視情況從約0.65到約0.75，視情況從約0.66到約0.72，且視情況從約0.67到約0.70。
在一個或一個以上實施例中，InxGal-xAs覆蓋層矩陣位于與InxGal-xAs覆蓋層矩陣晶格匹配的砷化銦磷(InPl-yAsy)層上。在一個或一個以上實施例中，上面沉積有InxGal-xAs覆蓋層的InPl-yAsy層是InxGal-xAs覆蓋層與上面支撐半導體的襯底之間存在的多個分級的(連續(xù)的或離散的)InPl-yAsy層中的一者。在一個或一個以上實施例中，所述襯底包括磷化銦(InP)晶片。半導體還可包含位于InxGal-xAs覆蓋層與襯底之間的一個或一個以上其它層，例如InxGal-xAs層。
圖1中展示一個實施例。圖1以及其它圖式是示意性表示，且并沒有關于每一層或組件的厚度或比較性地關于每一層之間的相對厚度或尺寸按比例繪制。
裝置1000包含襯底1020、可選的傳導層1025、緩沖結構1030、覆蓋層1040和點層1050。如所屬領域技術人員所了解，某些半導體裝置通過將電流轉換為電磁輻射或將電磁輻射轉換為電流來操作。在這些裝置內控制電磁輻射或電流的能力在此項技術中是已知的。本揭示內容不必要改變這些常規(guī)的設計，其中許多設計在制造或設計半導體裝置的領域中是已知的。
在一個實施例中，襯底1020包括磷化銦(InP)。InP襯底1020的厚度可大于250微米，在其它實施例中大于300微米，且在其它實施例中大于350微米。有利地，所述厚度可小于700微米，在其它實施例中小于600微米，且在其它實施例中小于500微米。
在一個或一個以上實施例中，所構想的半導體裝置可視情況包含磷化銦(InP)的外延生長層。此外延生長的磷化銦層的厚度可為從約10nm到約1微米。
在一個實施例中，可選的傳導層1025包括砷化銦鎵(InxGal-xAs)。銦在此層內的摩爾濃度(即，x)可為從約0.51到約0.55，視情況從約0.52到約0.54，且視情況從約0.53到約0.535。在一個或一個以上實施例中，傳導層1025與InP襯底晶格匹配。
傳導層1025可被摻雜到給定值且具有適當?shù)暮穸龋员銥榻o定的裝置提供充分的導電性。在一個或一個以上實施例中，厚度可為從約0.05微米到約2微米，視情況為從約0.1微米到約1微米。
在一個或一個以上實施例中，緩沖層1030包括砷化銦磷(InPl-yAsy)。在特定實施例中，緩沖層1030包括至少兩個，視情況至少三個，視情況至少四個，且視情況至少五個InPl-yAsy層，其中每一層的晶格常數(shù)隨著所述層與襯底1020的距離的增加而增加。舉例來說，且如圖2中所描述，緩沖結構1030包含第一緩沖層1032、第二緩沖層1034和第三緩沖層1036。緩沖結構1030的底層表面1031鄰近襯底1020，且緩沖結構1030的頂部平面表面1039鄰近阻擋層1040。第二層1034的晶格常數(shù)大于第一層1032，且第三層1036的晶格常數(shù)大于第二層1034。
如所屬領域的技術人員所了解，通過改變連續(xù)層的成分可增加緩沖結構1030的個別層的晶格常數(shù)。在一個或一個以上實施例中，砷在InPl-yAsy緩沖層內的濃度在每一連續(xù)層中增加。舉例來說，第一緩沖層1032可包含約0.10到約0.18摩爾份數(shù)的砷(即，y)，第二緩沖層1034可包含約0.22到約0.34摩爾份數(shù)的砷，且第三緩沖層1036可包含約0.34到約0.40摩爾份數(shù)的砷。
在一個或一個以上實施例中，相鄰的緩沖層之間(例如，在層1032與層1034之間)的砷的增加小于0.17摩爾份數(shù)。相信由于砷含量的增加而導致的晶格常數(shù)的改變可能會引起的在連續(xù)的緩沖層之間形成的任何缺陷不會對半導體有害。如第6,482,672號美國專利所述，已知以此方式使用臨界成分分級的技術，所述專利以引用的方式并入本文中。
在一個或一個以上實施例中，第一緩沖層1032的厚度可為從約0.3到約1微米。在一個或一個以上實施例中，頂部緩沖層通常較厚，以確保晶格結構完全松弛。
在一個或一個以上實施例中，緩沖結構1030的頂部1039處或附近的個別的緩沖層(例如，緩沖層1036)經(jīng)設計以具有從約5.869到約5.960，視情況從約5.870到約5.932的晶格常數(shù)。
在一個或一個以上實施例中，緩沖結構1030的底部1031處或附近的個別的緩沖層(例如，緩沖層1032)優(yōu)選經(jīng)設計而位于臨界成分分級技術的界限內。換句話說，因為第一緩沖層(例如，緩沖層1032)沉積在InP晶片上，所以第一緩沖層(例如，層1032)內存在的砷的量小于17摩爾份數(shù)。
覆蓋層1040包括InxGal-xAs。在一個或一個以上實施例中，此層優(yōu)選晶格匹配于緩沖結構1030的頂部1039處或附近的頂部緩沖層的平面中晶格常數(shù)。術語“晶格匹配”是指特征為晶格常數(shù)彼此相差在每一百萬份中500份(即，0.005％)以內的連續(xù)層。
在一個或一個以上實施例中，覆蓋層1040可具有從約10埃到約5微米，視情況從約50nm到約1微米，且視情況從約100nm到約0.5微米的厚度。
在一個或一個以上實施例中，量子點層1050包括砷化銦(InAs)。層1050優(yōu)選包括潤濕層1051和量子點1052。潤濕層1051的厚度可以是一個或兩個單層。在一個實施例中，從層1050的底部1053和點1055的峰頂測量的點1052的厚度可為從約10nm到約200nm，視情況從約20nm到約100nm，且視情況從約30nm到約150nm。同樣，在一個實施例中，點1052的平均直徑可大于10nm，視情況大于40nm，且視情況大于70nm。
在一個或一個以上實施例中，量子層1050包含多個點層。舉例來說，如圖3中所示，量子點1050可包含第一點層1052、第二點層1054、第三點層1056和第四點層1058。每一層均包括砷化銦InAs，且分別包含潤濕層1053、1055、1057和1059。每一點層同樣包含點1055。每一點層(包含潤濕層和點)的特征大體上是類似的，不過它們無需是相同的。
設置在點層1052、1054、1056和1058中的每一者之間的分別是中間覆蓋層1062、1064、1066和1068。這些中間覆蓋層包括InxGal-xAs。在一個或一個以上實施例中，InxGal-xAs中間覆蓋層大體上類似于或等同于覆蓋層1040。換句話說，中間覆蓋層優(yōu)選與阻擋層1040晶格匹配，阻擋層1040優(yōu)選與頂部緩沖層1036晶格匹配。在一個或一個以上實施例中，中間層1062、1064、1066和1068的厚度可為從約3nm到約50nm，視情況從約5nm到約30nm，且視情況從約10nm到約20nm。
如上所述，圍繞量子點層的各種層可經(jīng)正摻雜或經(jīng)負摻雜以操縱電流。如在例如第6,573,527號、第6,482,672號和第6,507,042號美國專利中所描述，此項技術者已知用于在半導體裝置內操縱電流的技術，所述專利以引用方式并入本文中。舉例來說，在一個或一個以上實施例中，可通過使用鋅、碳、鎘、鈹或鎂將區(qū)或層摻雜為“p型”。另一方面，可通過使用硅、硫、碲、硒、鍺或錫將區(qū)或層摻雜為“n型”。
可通過使用此項技術中已知的技術來制備所構想的半導體裝置。舉例來說，在一個或一個以上實施例中，可通過使用有機金屬氣相外延生長(OMVPE)來制備各種半導體層。在一個或一個以上實施例中，通過使用例如Stranski-Krastanov模式(S-K模式)的自形成技術來制備點層。在第6,507,042號美國專利中描述了這種技術，其以引用的方式并入本文中。
圖4中展示包含量子點層的輻射發(fā)射二極管(RED)的一個實施例。RED 1100包含基底接觸部分1105、紅外反射器1110、半絕緣半導體襯底1115、n型橫向傳導層(LCL)1120、n型緩沖層1125、覆蓋層1130、量子點層1135、覆蓋層1140、p型層1145、p型層1150和發(fā)射器接觸部分1155?；捉佑|部分1105、紅外反射器1110、半絕緣半導體襯底1115、n型橫向傳導層(LCL)1120、n型緩沖層1125、覆蓋層1130、量子點層1135和覆蓋層1140與上文所述的半導體層類似。
基底接觸部分1105可包含許多高度傳導的材料。示范性材料包含金、金鋅合金(尤其當鄰近p區(qū)時)、金鍺合金或金鎳合金、或鉻金(尤其當鄰近n區(qū)時)。基底接觸部分1105的厚度可為從約0.5到約2.0微米。鈦或鉻薄層可用于增加金與介電材料之間的粘附性。
紅外反射器1110包括反射性材料，且視情況為介電材料。舉例來說，氧化硅可用作介電材料，且可在上面沉積金作為紅外反射性材料。反射器1110的厚度可為從約0.5到約2微米。
襯底1115包括InP。襯底1115的厚度可為從約300到約600微米。
橫向傳導層1120包括InxGal-xAs，其與InP襯底1115晶格匹配(即，在500ppm內)。同樣，在一個或一個以上實施例中，摻雜層1120經(jīng)n摻雜。優(yōu)選的摻雜劑是硅，且摻雜濃度的優(yōu)選程度可為從約1到約3 e19/cm3。橫向傳導層1120的厚度可為從約0.5到約2.0微米。
緩沖層1125以與上文所述的方式一致的方式包括InPl-yAsy的三個分級層。層1125優(yōu)選經(jīng)n摻雜。優(yōu)選的摻雜劑是硅，且摻雜密度可為從約0.1到約3e9/cm3。
覆蓋層1130包括InxGal-xAs，其與緩沖層1125的頂部(即，其第三級或子層)的平面內晶格常數(shù)晶格匹配(即，在500 ppm內)。在一個或一個以上實施例中，InxGal-xAs覆蓋層1130包括從約0.60到約0.70摩爾份數(shù)％的銦。覆蓋層1130的厚度為約0.1到約2微米。
量子點層1135包括以上關于本發(fā)明的教示所述的InAs點。與前述實施例一樣，每一點層之間的中間層包含與覆蓋層1130類似的InxGal-xAs覆蓋層(即，晶格匹配)。在一個或一個以上實施例中，一個或一個以上連續(xù)的中間覆蓋層中的銦的量可少于覆蓋層1130或之前或較低的中間層所包含的銦。
覆蓋層1140包括InxGal-xAs，其與緩沖層1125的頂部(即，其第三級或子層)晶格匹配(即，在500 ppm內)。
限制層1145包括InPl-yAsy，其與InxGal-xAs層1140晶格匹配。此外，在一個或一個以上實施例中，層1145經(jīng)p摻雜。優(yōu)選的摻雜劑為鋅，且摻雜濃度可從約0.1到約4 e19/cm3。限制層1145的厚度可為從約20 nm到約200 nm。
接觸層1150包括InxGal-xAs，其與限制層1145晶格匹配。接觸層1150優(yōu)選經(jīng)p摻雜(例如，用鋅摻雜)。摻雜濃度可從約1到約4e19/cm3。接觸層1150的厚度為從約0.5到約2微米?？蓮恼麄€表面移除接觸層1150，除了層1155下方之外。
發(fā)射器接觸部分1155可包含任何高度傳導的材料。在一個或一個以上實施例中，傳導材料包含金/鋅合金。
圖5中展示另一實施例。半導體裝置1200配置為輻射發(fā)射二極管，其中在p區(qū)內具有隧道結。此設計有利地提供較低的電阻接觸部分和較低的電阻電流分配。半導體1200的許多方面與圖4所示的半導體1100相似。舉例來說，接觸部分1205可與接觸部分1105相似，反射體1210可與反射體1110相似，襯底1215可與襯底1115相似，橫向傳導層1220可與傳導層1120相似，緩沖層1225可與緩沖層1125相似，覆蓋層1230可與覆蓋層1130相似，點層1235可與點層1135相似，覆蓋層1240可與覆蓋層1140相似，且限制層1245可與限制層1145相似。
隧道結層1247包括InxGal-xAs，其與限制層1245晶格匹配。隧道結層1247的厚度為約20到約50nm。隧道結層1247優(yōu)選經(jīng)p摻雜(例如，用鋅摻雜)，且摻雜濃度可為從約1到約4e19/cm3。隧道結層1250包括InxGal-xAs，其與隧道結1247晶格匹配。隧道結層1250的厚度為從約20到約5,000nm。隧道結層1250優(yōu)選經(jīng)p摻雜(例如，硅)，且摻雜濃度為從約1到約4e19/cm3。
發(fā)射器接觸部分1255可包含多種傳導材料，但優(yōu)選包括優(yōu)選用于n區(qū)的那些材料，例如鉻金合金、金鍺合金或金鎳合金。
圖6中展示RED的另一實施例。半導體裝置1300以類似于圖5所示的RED的方式被配置為輻射發(fā)射二極管，區(qū)別在于，至少部分由于缺乏基底反射體(例如，缺乏例如圖5中所示的1210的發(fā)射體)而可通過半導體裝置的襯底發(fā)射電磁輻射。此外，圖6中展示的半導體裝置1300包含發(fā)射器接觸部分/紅外反射體1355，其為覆蓋裝置的整個表面(或大致整個表面)的“全接觸”。
在其它方面中，裝置1300與裝置1200類似。舉例來說，接觸部分1305可與接觸部分1205相似，襯底1315可與襯底1215相似，橫向傳導層1320可與傳導層1220相似，緩沖層1325可與緩沖層1225相似，覆蓋層1330可與覆蓋層1230相似，點層1335可與點層1235相似，覆蓋層1340可與覆蓋層1240相似，且限制層1345可與限制層1245相似，隧道結層1347可與隧道結層1247相似，隧道結層1350可與隧道結層1250相似。
預想中的半導體技術還可在制造激光器二極管時使用。圖7中展示示范性激光器。激光器1600包含接觸部分1605，其可包括任何傳導材料，例如金鉻合金。接觸層1605的厚度為從約0.5微米到約2.0微米。
襯底1610包括磷化銦，其優(yōu)選以約5到約10 e18/cm3的濃度經(jīng)n摻雜。襯底1610的厚度為從約250到約600微米。
可選的外延磷化銦層1615優(yōu)選以約0.24e19/cm3到約1e19/cm3的濃度經(jīng)n摻雜。外延層615的厚度為從約10nm到約500nm。
點陣InPl-yAsy層1620與圖2所示的點陣InPl-yAsy緩沖部分相似。緩沖部分1620優(yōu)選以約1到約9e18/cm3的濃度經(jīng)n摻雜。
層1625和1630形成波導1627。層1625包括銦鎵砷磷(Inl-xGAxAszPl-z)。層1630類似地包括Inl-xGAxAszPl-z。層1625和1630均與層1620的頂部晶格匹配。換句話說，層1625和1630包括約0到約0.3摩爾份數(shù)的鎵和0到約0.8摩爾份數(shù)的砷。層1625為約0.5到約2微米厚，且以約1-9e18/cm3的濃度經(jīng)過n摻雜。層1630為約500到約1,500nm厚，且以約0.5到1e18/cm3的濃度經(jīng)n摻雜。
限制層1635、點層1640和限制層1645與以上關于其它實施例描述的點和限制層類似。舉例來說，限制層1635與限制層1040相似，且點層1640與圖3所示的點層1050相似。在一個或一個以上實施例中，在激光器裝置的點區(qū)域內使用的點層的數(shù)目超過5個點層，視情況超過7個點層，且視情況超過9個點層(例如，循環(huán))。限制層1635和1645可具有從約125到約500nm的厚度且與波導晶格匹配。層1635、1640和1645優(yōu)選不經(jīng)摻雜(即，其是本征的)。
層1650和1655形成波導1653。以與層1625和1630相似的方式，層1650和1655包括Inl-xGAxAszPl-z，其與緩沖部分1620的頂部晶格匹配。層1650為約500到約1,500nm，其以約0.5到約1e18/cm3的濃度經(jīng)過p摻雜。層655為約1到約2微米厚，且以約1到約9e18/cm3的濃度經(jīng)p摻雜。
在一個實施例中，層1660為緩沖層，其與緩沖層1620相似。也就是說，砷的摩爾份數(shù)隨著每與量子點的距離增加一級而降低。層1660優(yōu)選以1-9e18/cm3的濃度經(jīng)p摻雜。
層1665包括磷化銦(InP)。層1665的厚度為約200到約500nm厚，且優(yōu)選以約1到約4e19/cm3的濃度經(jīng)p摻雜。
層1670為接觸層，其與上述實施例中描述的其它接觸層相似。
在其它實施例中，層1660、1665和1670可與關于其它實施例描述的其它配置相似。舉例來說，這些層可與圖4中所示的層1145、1150和1155相似?；蛘撸捎门c圖5所示的1245、1247、1250和1255相似的層來代替層1660、1665和1670。所屬領域的技術人員將容易了解不偏離這些裝置實施例的范圍和精神的各種修改和更改。
當然，應了解，在一種形式中，本發(fā)明如上所述并入有RED元件。然而，應了解，可使用各種其它裝置技術。舉例來說，已知在1.6微米到5.0微米范圍中操作的實驗性中IR LED，但其不符合商業(yè)現(xiàn)實。此外，可使用具有適當修改的各種半導體激光器和激光器二極管。當然，可開發(fā)出其它實現(xiàn)技術，以便有效地制造具有有利波長的有限帶寬照射。
為了針對特定應用來實踐本發(fā)明，將通常需要部署許多合適的裝置，以便具有充分的照射振幅。此外，在一種形式中，這些裝置將為RED裝置。在本發(fā)明的大多數(shù)加熱應用中，這類裝置將通常以某種高密度x×y陣列或多個x×y陣列部署，其中有些采取個別RED裝置的定制布置的形式。陣列可從單個裝置到更常見的數(shù)百、數(shù)千或無限數(shù)目的裝置陣列，這取決于針對本發(fā)明的特定實施方案所使用的裝置的類型和大小、需要的輸出和需要的波長。RED裝置常被安裝在具有至少一個散熱能力的電路板上，如果不需要專用的散熱的話。RED裝置將通常以非常高的密度/緊密靠近的部署安裝在此類電路板上?？赡芾媒鼇碓陔娐沸∑惭b和電路板建造方面的創(chuàng)新在需要高功率應用的情況下將密度最大化。舉例來說，此類與倒裝芯片一起使用的技術對于此類用途是有利的。雖然RED裝置的效率有利于此唯一類別的二極管裝置，但大多數(shù)電能量輸入會直接轉換成局部熱量。這種廢熱必須被導出半導體結，以防個別裝置過熱和燒壞。對于最高密度的陣列，其可類似地通過主動和/或被動冷卻來使用倒裝芯片和板上芯片封裝技術。出于實用性和定位靈活性目的，常將使用多個電路板。x×y陣列還可包括RED裝置的混合，其代表至少(例如)1微米到5微米范圍內的兩個不同選定波長的紅外輻射。
對于大多應用，RED裝置將有利地以各種大小的陣列部署，其中有些本質上可為三維或非平面，以便更好地照射特定類型的目標。這樣做至少是因為以下原因1.為了通過組合多個裝置的輸出來提供充分的輸出功率。
2.為了在比單個裝置更大的表面上提供輸出的足夠“擴展”而可適當照射。
3.為了提供RED裝置陣列的可編程性可帶給應用的功能性。
4.為了允許混合成陣列裝置，所屬陣列裝置針對本文檔中描述的許多功能性原因而被調諧到不同的指定波長。
5.為了便于使輸出的“幾何形狀”與特定應用需求匹配。
6.為了便于使裝置安裝位置、輻射角度和經(jīng)濟性與應用需求匹配。
7.為了便于使輸出與移動目標或另一“輸出動作”同步。
8.為了協(xié)調裝置的驅動群組與共同控制電路。
9.為了采用多階段加熱技術。
因為二極管的典型最終用途，其通過降低結的大小來最小化成本，以此方式來制造二極管。因此，要求較小的半導體晶片面積(其與成本直接相關)。RED裝置的最終用途常需要實質上以更多光子形式的輻射能量輸出。已建立理論，可使用形成較大的產(chǎn)生光子的覆蓋結區(qū)域的創(chuàng)新方式來制造RED。通過此種方式，將可能生產(chǎn)能夠維持遠遠更高的中紅外、輻射輸出的RED裝置。如果可使用此類裝置，那么便可降低實踐本發(fā)明所需要的RED裝置的絕對數(shù)目。然而，考慮到與本發(fā)明的許多應用相關聯(lián)的高功率輸出，將裝置數(shù)目減少為單個裝置未必是所需的或現(xiàn)實的?？舍槍Φ凸β蕬?、單波長應用，或者如果可制造具有充分的輸出能力的RED裝置，可用單個裝置來實踐本發(fā)明。
類似地，可能將RED裝置陣列制造成集成電路。在此類實施方案中，將RED排列在單片的硅或其他合適的襯底的邊界內，但具有多個充當芯片上的光子轉換輻射點的結。其可類似于使用球形柵格陣列來進行電連接的其他集成電路封裝。于是，此類裝置封裝可用作陣列，從而便于連接到控制系統(tǒng)且受控制系統(tǒng)控制所需的電連接。同樣，一個設計參數(shù)是結溫度的控制，在當前化學性質下不應允許結溫度達到約100到105℃，否則就會開始引起損壞。可預測，未來的化學化合物可能具有增加的耐熱性，但熱量必須始終保持在所使用的裝置的臨界損壞范圍以下。其可進一步單個或多個地部署在電路板上，或者其可排列成較高級的裝置陣列，這取決于應用和經(jīng)濟性。
在設計用于將RED裝置部署成照射陣列的最佳配置時，不論裝置的形態(tài)因素如何，設計者必須考慮到變量的整個范圍。鑒于目標應用應考慮的一些變量包含封裝、便于部署、成本、電連接、對可編程考慮的控制、冷卻、部署環(huán)境、功率傳遞、功率供應、串電壓、串幾何形狀、照射需求、安全性和所屬領域的技術人員將了解的其他許多因素。
所有用來制造產(chǎn)品的原材料均與電磁波譜內的各種波長的特定吸收和透射特征相關聯(lián)。每種材料還具有特征紅外反射和發(fā)射特性，但我們將不再花費時間來論述這些，因為本發(fā)明的實踐在更大程度上取決于吸收/透射特性。可針對任何特定材料來測量和描繪任何給定波長下的吸收百分比。接著，如同本文檔中稍候將更詳細地解釋和例示，可以圖表形式展示廣泛范圍的波長下的吸收百分比。因為每種類型的材料均具有不同波長下的特征性吸收或透射特性，所以優(yōu)化最佳的熱過程，知道這些材料特性將受益匪淺。應認識到，如果特定材料在特定范圍的波長內高度透射，那么試圖在該波長范圍內加熱該材料將是非常低效的。相反，如果材料在特定波長下具有過大的吸收性，那么施加輻射加熱將會導致材料表面加熱。
在此項技術中，許多年來眾所周知各種材料在各種波長下具有特定的吸收或透射特征。然而，因為可在特定波長或波長組合下指定的高功率紅外源不可用，所以過去不可能完全優(yōu)化許多現(xiàn)有的加熱或處理操作。由于將特定波長的紅外輻射傳遞給產(chǎn)品是不能實現(xiàn)的，所以許多制造商并不知道加熱或處理他們的特定產(chǎn)品最需要的波長。
通過塑料工業(yè)的實例來說明這一現(xiàn)象。參看圖9和10，通過查看聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET樹脂材料，如工業(yè)中已知的)(用其來拉伸吹塑模制塑料飲料容器)的透射曲線，可觀察到PET材料在長波長區(qū)中具有高度吸收性，且在可見和近紅外波長區(qū)中具有高度的透射性。其透射在1微米與5微米之間有很大變化。其透射不僅在該范圍內有很大變化，而且有時在0.1微米內頻繁、突然且通常有相當大的程度的變化。
舉例來說，在2.9微米下，PET具有非常強的吸收性。這意味著，如果將2.9微米的紅外輻射引入到PET中，則其會被材料表面或外表層幾乎完全吸收。如果僅需要加熱材料的外表面，則可使用此波長。因為PET是非常差的熱導體(具有較低的導熱系數(shù))，且因為在拉伸吹塑模制操作中更需要從內部深度加熱PET材料，且在其整個體積上均勻加熱，這在實踐中是恰當加熱PET的較差波長。
請看另一情形，在PET材料1.0微米(1000納米)具有高度透射性。這意味著，此波長處較大百分比的輻射(其會影響PET的表面)將會被透射穿過PET且將從中離開，而不會傳遞任何優(yōu)選的加熱，因此將被大量浪費。重要的是，注意到電磁能量的透射作為所有介電材料的厚度的函數(shù)呈指數(shù)降低，因為材料厚度對于給定材料的最佳波長的選擇具有實質性的影響。
應了解，雖然此處使用PET熱塑材料為例，但所述原理對于不同工業(yè)中使用的大范圍的不同類型的材料且對于不同類型的工藝均適用。作為迥然不同的實例，膠粘或粘合疊層系統(tǒng)具有說明性。在此實例中，假設待膠粘的母材在選定的紅外波長處具有非常高的透射性。待使用的熱固化粘膠劑可能在相同波長處具有非常大的吸收性。通過用此特定的有利波長照射膠粘/疊層夾層結構，所述工藝進一步優(yōu)化，因為會加熱粘膠，而不是相鄰的母材。通過選擇性地選擇這些波長的相互作用，會在工業(yè)內的多種廣泛不同類型的處理或加熱應用中發(fā)現(xiàn)最佳點。
過去，工業(yè)中根本不可應用以特定波長產(chǎn)生相對較高的紅外輻射密度的能力。因此，由于此類型的加熱或處理優(yōu)化不可用，所以大多制造尚未考慮這種優(yōu)化?？深A測，此類波長特定的紅外輻射功率的可用性將全面開啟新的方法和工藝。本發(fā)明將使得此類新工藝可得以實踐，且將提供對于廣泛范圍的應用具有非常大的靈活性的實施技術。可預測，本發(fā)明的初步利用將是在工業(yè)中，還可認識到，將在商業(yè)、醫(yī)學、消費和其他領域中存在許多應用。
可預測，本發(fā)明作為目前廣泛使用的寬帶石英紅外加熱燈泡或其他常規(guī)的加熱裝置的替代物將是非常有用的。此類石英燈泡用于多種情況，其中包含在準備熱成形操作時加熱塑料材料的薄片。不但可將本發(fā)明用作石英紅外燈或其他常規(guī)加熱裝置的現(xiàn)有功能性的替代物，而且還可構想添加大量附加功能性。
相比而言，本發(fā)明可以連續(xù)激勵或者脈沖方式產(chǎn)生輻射能量。因為本發(fā)明的基本RED裝置具有以微秒計的極快的響應時間，所以其可具有更高的能量效率，以在需要時或者目標組件處于目標區(qū)域內時開啟能量，并且當組件不再位于目標區(qū)域中時關閉能量。
能夠以脈沖形式激勵紅外源的附加功能性可導致許多輻射加熱應用的總體能量效率具有可觀的改進。舉例來說，通過適當?shù)卣{制個別或成陣列的紅外輻射發(fā)射裝置(RED)的激勵時間，可能在個別目標移動經(jīng)過大型紅外陣列源時跟蹤個別目標。換言之，最靠近目標裝置的紅外發(fā)射裝置將是被激勵的裝置。當目標組件或區(qū)域向上移動時，“激勵波”可沿陣列向下傳遞。
在將被熱成形的加熱材料的情況下，可能需要將更多的熱量輸入施加到與將較適度成形或者根本不成形的區(qū)域相比會更強烈成形的區(qū)域。通過正確地設計紅外發(fā)射器陣列的配置，不僅可以不使所有裝置同時被激勵，而且可能以非常戰(zhàn)略性的方式將其激勵以對應于待加熱的區(qū)域的形狀。舉例來說，對于連續(xù)移動的生產(chǎn)線，可能最理想的是編程具有所要熱曲線的特別成形的區(qū)域，所述區(qū)域可以與待加熱的目標區(qū)域同步的運動可編程地運動。考慮圖17所示的需要加熱的畫框形狀的區(qū)域。在此情況下，將可能在所要的輻射強度下具有類似的圖片框形狀的裝置陣列(402)，其將可編程地沿陣列向下移動，與目標熱成形薄板(401)的運動同步。通過使用編碼器來跟蹤產(chǎn)品(例如(401)熱成形薄片)的移動，可使用眾所周知的電子學同步技術來根據(jù)可編程控制器或計算機的指令以所要的強度開啟正確的裝置?？梢浴斑B續(xù)”模式或“脈沖”模式通過控制系統(tǒng)開啟陣列內的裝置以實現(xiàn)其所要的輸出強度。這兩種模式均可將強度作為時間的函數(shù)來調制成最需要的輸出條件。這種控制可以是對成組裝置的控制，或者可以是對個別RED裝置的控制。對于特定應用，可能不需要對個別RED裝置進行精細控制。在此情況下，可以最需要的幾何形狀將RED裝置連接成串。接著，可根據(jù)應用指定的要求對這些串或串的群組進行可編程地控制。實踐上有時將要求以群組或串的形式驅動RED裝置，以便實現(xiàn)最便利的電壓并降低個別裝置控制的成本。
可僅通過以開環(huán)配置供應電流來控制成串的或成陣列的RED，或者可使用更加復雜的控制。對任何特定應用的事實密集型評估將指定適當?shù)募t外輻射控制數(shù)量和級別。由于要求復雜或精確的控制，所以控制電路可連續(xù)監(jiān)視和調制輸入電流、電壓或特定輸出?？赏ㄟ^直接測量紅外陣列的輸出或與紅外輻射的目標對象相關聯(lián)的一些參數(shù)，來實施對最合需要的輻射輸出或結果的監(jiān)視。這可通過從并入簡單的熱耦或高溫計到更加高級的技術(其采用如紅外照相機的形式)的一系列不同技術來執(zhí)行。所屬領域的技術人員將能夠推薦對于本發(fā)明的特定應用在經(jīng)濟上明智且合理的特定的閉環(huán)監(jiān)視技術。
可并入直接和間接的監(jiān)視方法。舉例來說，如果對特定材料進行加熱以便達到可成形的溫度范圍，可能需要測量需要用來使材料成形的力，并使用該數(shù)據(jù)作為對紅外輻射陣列的調制的至少一部分反饋。可能存在其他許多直接或間接的反饋方式來促進對本發(fā)明的輸出的優(yōu)化和控制。
應清楚地了解，本文所述的本發(fā)明的輻射加熱源的形狀、強度和激勵時間是高度可編程的，且可接受非常高水平的可編程定制。在工業(yè)中，常針對特定組件來設計和構造加熱源的定制形狀或配置，以便將加熱引導到組件上的正確位置。通過本發(fā)明的靈活的可編程性，可以使單個可編程的加熱面板用作對幾乎無限數(shù)目的定制構造面板的靈活替代物。工業(yè)中具有廣泛范圍的紅外烤爐和處理系統(tǒng)。此類烤爐可用于各種種類和類型的固化涂料、涂層、漿料以及其他許多用途。其還可用于多種不同的疊層線，用于一起加熱熔化材料，或者用于固化粘膠、黏合劑、表面處理、涂層或其他可能添加到疊層“夾層結構”的各種層。
可針對多種干燥應用使用其他烤爐。舉例來說，在兩片飲料罐工業(yè)中，常見的是將涂層噴射到飲料罐內部中，且接著通過傳送裝置連續(xù)地將其“整體”地傳送通過較長的固化烤爐。未經(jīng)固化的內部涂層在涂覆時具有白色涂料的外表，但在固化之后變得幾乎透明。在通過本發(fā)明進行的這些各種干燥和固化應用中，將可能選擇最容易且最適當?shù)乇恍枰稍铩⑻幚砘蚬袒牟牧衔盏牟ㄩL或波長組合。在有些應用中，對改進的工藝來說，不存在的波長可能比存在的波長更加重要。不需要的波長可能會通過干燥、加熱、改變晶粒結構或其他許多有害結果而對材料造成負面影響，通過本發(fā)明可在更加優(yōu)化的工藝中避免這些有害結果。
通常需要在不會實質上影響襯底或母材的情況下提高待固化或干燥的目標的溫度。情況很可能是母材可能受到此類處理的損害。更需要的是不要將熱量引入母材中，同時仍然將熱量引入目標中。本發(fā)明有助于此種類型的選擇性加熱。
現(xiàn)在觀看本發(fā)明的另一應用領域，醫(yī)學工業(yè)中一直在使用大范圍的可見光和近紅外輻射處理來進行實驗。還已建立理論，特定波長的電磁能量會刺激和促進愈合。還假設具有特定波長的輻射可能刺激酶、荷爾蒙、抗體和身體內的其他化學物質的產(chǎn)生，并且刺激惰性器官中的活動。在本發(fā)明的范圍內無需考查特定細節(jié)或處理方法中的任一者或此類假設的優(yōu)點。然而，本發(fā)明可提供固態(tài)、波長可選擇且可編程的中紅外輻射源，其可有助于多種此類醫(yī)療器械。
然而，醫(yī)學工業(yè)在過去沒有用于產(chǎn)生中IR波長頻帶中的高功率、波長特定照射的實際方法。本發(fā)明將允許此類窄帶波長特定的紅外輻射，且其可以容易用于醫(yī)學應用的微弱、輕質、安全和方便的形態(tài)因素來實現(xiàn)。
對于醫(yī)療，能夠選擇用于照射的特定波長或波長組合有一些非常重要的優(yōu)點。與在工業(yè)制造材料中一樣，有機物質也具有特征性透射/吸收光譜曲線。動物、植物或人體組織展現(xiàn)出特定的吸收/透射窗，可對其進行充分利用。
人體中有非常高的百分比基本上是由水元素組成的，因此，水的透射/吸收曲線可能是對大量人體組織進行粗略估計的良好起點。通過大量研究，可能逐步推導出人類、動物和植物中的所有類型的組織的精確曲線。還可能推導出可能從器官或組織中獲得的各種類型的愈合或刺激之間的關系，并將所述關系與透射/吸收曲線相關聯(lián)。通過仔細地選擇波長或波長組合，將可能研發(fā)出可對大量疾病和病痛具有積極效果的治療方法。
有些需要治療的組織或器官非?？拷砻妫渌麆t位于身體內部的深處。由于人體組織的吸收特征，可能無法用非侵入性技術來到達此類較深的區(qū)域?？赡鼙仨毷褂媚撤N形式的侵入技術，以便使照射源靠近目標組織。可設計本發(fā)明的照射陣列，使其具有適當?shù)拇笮『?或形狀，以便用于多種侵入性或非侵入性治療。雖然治療技術、器械和配置超出本論述內容的范圍，但本發(fā)明是第一種使固態(tài)、波長選擇性輻射可用于中紅外波長頻帶的技術。其可針對多種器械和治療類型來配置。由于其高度靈活的形態(tài)因素和可編程性質，所以其能夠針對特定的身體大小和重量進行配置，以產(chǎn)生適當角度、強度和波長來用于常規(guī)治療。
紅外輻射正用于從痔瘡的治療到皮膚醫(yī)學的越來越多的醫(yī)學應用。目前用寬帶紅外源執(zhí)行的紅外治療的一個實例稱為紅外凝結治療。此外，有時用紅外燈治療來治療糖尿病周邊神經(jīng)病變。目前，通常也用寬帶紅外燈來治療肘部發(fā)炎和其他類似病痛。并入本發(fā)明的產(chǎn)生特定輻射波長的能力以及本發(fā)明的產(chǎn)生脈沖輻射的能力可在這些治療中提供實質上的改進。其還可為患者提供更好的耐約量和舒適性。本發(fā)明還有助于制造可用本質安全的電壓進行供電的醫(yī)學裝置。
事實可能證明，輻射能量的脈沖是與許多醫(yī)學治療應用相關聯(lián)的關鍵方面。連續(xù)性照射可能導致組織過熱，而事實可能證明，脈沖照射提供足夠的刺激，同時不會產(chǎn)生過熱、不適或組織損壞的有害效果。裝置/陣列可以極高速率(開啟時間以微秒計或更快)經(jīng)脈沖會提供另一有用特性?？深A期，如果極高強度的輻射脈沖在極短的工作循環(huán)被激活，則可忍受極高強度的輻射脈沖，因為在此種較短脈沖時間的情況下將不會有時間出現(xiàn)半導體結過熱。這將允許更大的總的瞬時強度，此可有助于穿過更多的組織。
事實還可能證明，出現(xiàn)脈沖的頻率較為重要。所屬領域中已知，對人類的特定頻率的照射可具有愈合或者有害效果。舉例來說，可見光的某些振幅調制頻率或頻率組合可導致人類變得惡心，且其他振幅調制頻率或頻率組合可導致癲癇發(fā)作。隨著進一步進行的醫(yī)學研究，其實際上可確定，脈沖頻率、波形形狀或頻率組合連同選定的波長或波長組合對各種輻射治療的成功具有實質上的影響。很可能因為研究者或實踐者尚不可使用本發(fā)明，所以將使用本發(fā)明的許多醫(yī)療器械尚未被了解或意識到。
本發(fā)明的另一應用是在食物的制備處理或制作中。當然，人類歷史上在制備食品時一直使用多種不同類型的烤爐或加熱系統(tǒng)。由于其中的大多數(shù)是眾所周知的，所以在本專利申請案的范圍內無需描述此類烤爐和加熱系統(tǒng)的全部范圍。除了明顯排除利用非紅外/非熱源烹飪技術的微波烹飪之外，事實上所有其它烹飪技術均利用各種類型的寬帶加熱源。在此類烤爐中使用的紅外加熱源和元件是寬帶源。其無法產(chǎn)生對于特定烹飪條件或被烹飪的產(chǎn)品來說是最有利的特定波長的紅外能量。
如上文針對其他材料所述，植物和動物產(chǎn)品具有特定吸收光譜曲線。這些特定的吸收曲線涉及特定食品在特定波長下具有多大程度的吸收性或透射性。通過選擇用于照射對象食物的特定波長或若干經(jīng)仔細選定的波長，可修改或優(yōu)化所要的烹飪特征。對輻射能量的最有效的使用可降低加熱或烹飪成本。
舉例來說，如果最需要加熱或烘焦特定食品的外表面，則本發(fā)明將允許選擇特定食品具有高度吸收性的波長。結果將是，當以選定波長照射時，紅外能量在非?？拷砻娴牡胤奖蝗课眨蚨沟盟募訜岷?或烘焦行為剛好在表面處發(fā)生。相反，如果需要不加熱表面而是從食物內部極深處開始烹飪食物，則可能選擇特定食物具有高得多的透射性的波長或選定波長的組合，以便可實現(xiàn)所要的烹飪結果。因此，輻射能量在穿透到所要深度時將被逐漸吸收。
重要的是要注意，對于行進通過非金屬材料的電磁波，此波I(t)的強度如下式所述作為行進距離t的函數(shù)而降低I(t)＝Io(e-αt)在此等式中，Io是光束的初始強度，且α是材料的特定吸收系數(shù)。隨著時間t增加，光束強度經(jīng)歷指數(shù)衰減，這是由主材料吸收了原來光束內的輻射能量而導致的。出于此原因，使用紅外輻射加熱來實現(xiàn)最佳的烹飪結果會必然導致食物物品的厚度、所施加的紅外輻射強度、照射波長和材料吸收系數(shù)之間的復雜的相互作用。
通過混合以不同波長照射的RED元件，可進一步優(yōu)化烹飪結果。在此種多波長陣列內，將在輻射能量吸收性較低的波長處選擇一種元件類型，因而允許出現(xiàn)深度加熱穿透。將選擇輻射能量吸收性較高的第二元件類型，因而有助于發(fā)生表面加熱。完成陣列后，可想象第三RED元件類型，將其選擇在吸收性方面位于這兩個極端的中間的波長處。通過控制此種陣列中含有的這3種類型的RED發(fā)射器的相對的輻射輸出水平，將可優(yōu)化所制備的食物物品的重要特性。
通過將色彩傳感器、溫度傳感器和可能的視覺傳感器連接到控制系統(tǒng)，可關閉環(huán)路并進一步優(yōu)化所要的烹飪結果。在此類環(huán)境下，能夠檢驗可能在討論中的確切參數(shù)，并允許控制系統(tǒng)通過以將最需要的適當波長、強度和方向發(fā)送照射來作出響應。通過利用和集成視覺傳感器，將可能實際上觀察待烹飪的食品的位置和大小，并接著如上所述相應地優(yōu)化烤爐的輸出。當結合濕度傳感器使用時，將可能用可維持所要濕度含量的組合來作出響應。因此，可能了解本發(fā)明結合適當?shù)膫鞲衅骱涂刂破鳌爸悄堋睂⑷绾文軌蛘嬲赜兄诖龠M將來的智能烤爐。當然，可能將本發(fā)明與常規(guī)烹飪技術(包含對流烤爐和微波爐能力)結合，以獲得這些技術成果中的每一者的最佳組合。智能控制系統(tǒng)可經(jīng)設計以最佳地優(yōu)化本發(fā)明技術與常規(guī)烹飪技術的組合。
通過選擇將被一種食物吸收而不會被另一種食物高度吸收的波長，還可能對在一盤混合食物中發(fā)生的加熱量具有非常的選擇性。因此可了解，通過改變可選擇的各種波長的組合和排列及強度，人們可實現(xiàn)廣泛范圍的特別設計的烹飪結果。
借助本發(fā)明的任何一種應用，可使用各種透鏡或光束引導裝置來實現(xiàn)照射能量的所要方向性。這可采用多種不同實施方案的形式--從分別透鏡化RED裝置到安裝在裝置附近的微透鏡陣列。所選的光束引導裝置必須經(jīng)適當選擇，以便以正被引導或定向的輻射波長發(fā)揮作用。通過利用眾所周知的衍射、折射和反射技術，可在所要方向上引導來自RED裝置陣列的不同部分的能量。通過以可編程方式控制開啟的特定裝置，并通過調制其強度，可能實現(xiàn)廣泛范圍的照射選擇性。通過選擇穩(wěn)態(tài)或脈沖模式，且通過進一步編程哪些裝置在哪一時刻被脈沖，可更進一步提高功能性。
雖然本揭示內容論述主要處于1.0到3.5微米范圍內的輻射能量的應用，但所屬領域的技術人員應明顯看出，可以其它操作波長(包含紅外線中的較長波長，或者向下直到可見區(qū)域的較短波長)實現(xiàn)類似的材料加熱效果。本發(fā)明的精神包括將直接的電子到光子固態(tài)發(fā)射器應用于輻射加熱目的，其中預想發(fā)射器可從可見光操作到遠紅外線。對于特定類型的應用，可能需要將以中紅外范圍外的其它波長進行照射的其它波長可選擇裝置組合到本發(fā)明中。
圖8給出單個RED組件10的圖表指示。RED 10包括堆疊20。堆疊20可采用多種配置，例如半導體層堆疊以及結合圖1-7說明的類似堆疊。在至少一種形式中，RED 10的接觸部分40(例如，對應于接觸部分1105、1205和1305)通過線80制造到堆疊20上。當使得電流60流過接合線80和堆疊20時，便發(fā)射出具有與堆疊20的配置相一致的特征能量或波長的光子70。
因為在制造LED時了解的許多半導體經(jīng)驗均可應用于RED，所以提到可能有助于新RED裝置的發(fā)展的相似技術是有用的。自從LED引入到普遍市場中的這些年來，LED的能量轉換效率(光能輸出/電能輸入)方面具有極大的改進。在以光譜中的可見光和僅IR部分操作的市售LED中已實現(xiàn)了10％以上的能量轉換效率。本發(fā)明預期使用在1微米到3.5微米范圍內的某處操作的新RED作為各種加熱系統(tǒng)內的主要紅外加熱元件。本申請案描述了吹塑模制系統(tǒng)中的特定實施方案。
圖9和10將在PET的10密耳厚的部分內透射的IR能量的相對百分比展示為波長的函數(shù)。在石英透射范圍(達3.5微米)內，在包含2.3微米、2.8微米和3.4微米的若干波長處，強吸收性頻帶(具有較低或沒有透射性的波長帶)的存在是顯而易見的。與本發(fā)明相關聯(lián)的基本原理是使用經(jīng)設計和選擇以在1微米到3.5微米范圍內的選定波長處操作的RED元件，作為吹塑模制機器的熱調節(jié)部分內的基本加熱元件。
圖11a、11b和11c展示一起封裝成適當?shù)腞ED加熱器元件100的個別RED發(fā)射器10的實例集合。在本發(fā)明的本實施例中，RED 10以物理方式安裝，使得N摻雜區(qū)直接附接到陰極母線120。理想情況是，陰極母線120是由例如銅或金的既是良好的導電體又是良好的導熱體的材料制成的。RED 10的相應區(qū)經(jīng)由接合線80連接到陽極母線110。理想情況是，陽極母線將與陰極母線具有相同熱特性和電特性。在外部穿過2個母線條產(chǎn)生輸入電壓，其導致電流(I)在RED 10內流動，從而導致發(fā)射IR光子或輻射能量，例如170處所示。在優(yōu)選實施例中使用反射體130來將輻射能量引導到遠離RED加熱器元件100的優(yōu)選方向上。RED 10的較小物理范圍使得可更加容易地引導以優(yōu)選方向發(fā)射的輻射能量170。此陳述可同等地應用于大得多的螺旋燈絲的情況；發(fā)射器的物理大小與使用傳統(tǒng)透鏡化構件引導所得輻射通量的能力之間的關系在此項技術中是眾所周知的。
使用散熱器140來傳導形成IR輻射能量170的過程中產(chǎn)生的廢熱離開RED加熱器元件100。可使用工業(yè)內已知的各種構件來構建散熱器140。這些構件包含被動散熱、使用對流空氣冷卻的主動散熱和使用水或液體冷卻的主動散熱。(例如)通過液體護套進行的液體冷卻具有以下優(yōu)點能夠導出大量因未轉換成輻射光子的電能而產(chǎn)生的熱量。通過液體媒介，可將這種熱量傳導到戶外位置或者傳導到需要熱量的另一區(qū)域。如果將熱量從工廠中導出或者傳導到另一位置，那么便可大量減少空氣調節(jié)/冷卻能量。
此外，燈泡150在本發(fā)明的本實施例中得到最優(yōu)使用。此處應用的燈泡150的主要功能是保護RED 10和接合線80使其免受損壞。燈泡150優(yōu)選由石英構造，因為石英的透射范圍在從可見光延伸到3.5微米。然而，也可使用其他光學材料，其中包含透射范圍延伸超過RED 10的操作的波長的玻璃。
圖12a和12b描繪RED加熱器元件100在吹塑模制機中的一種部署。在此系統(tǒng)中，預成型件240經(jīng)由傳送系統(tǒng)220進入熱監(jiān)視和調節(jié)系統(tǒng)210。預成型件240在先前已經(jīng)在早先某一時間經(jīng)注射模制之后，可在室溫下進入熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210。或者，與單個階段注射模制吹塑模制系統(tǒng)中的做法一樣，預成型件240可直接來自注射模制過程?；蛘撸A成型件可由若干其他過程中的一種過程制成。不論預成型件制造的形式和時刻如何，以此方式進入的預成型件240中將含有不同量的潛熱。
一旦通過傳送系統(tǒng)220提供，便經(jīng)由傳送裝置250將預成型件240傳送穿過熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210，此類傳送裝置在工業(yè)中是眾所周知的。當預成型件240行經(jīng)通過熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210時，其經(jīng)受由一系列RED加熱器元件100發(fā)射的輻射IR能量170。由這些RED加熱器元件100發(fā)射的IR能量170被準備進入吹塑模制系統(tǒng)230的預成型件240直接吸收。應了解，能量可以是連續(xù)的或者是脈沖的，其是供應或驅動電流和/或其它設計目標的函數(shù)。例如控制系統(tǒng)280的控制系統(tǒng)以一種形式控制此功能性。作為一種選擇，控制系統(tǒng)經(jīng)操作以在實質上大于推薦的穩(wěn)態(tài)電流電平的電流電平處脈沖系統(tǒng)，以便在脈沖操作中實現(xiàn)更高的瞬時發(fā)射強度，并響應于來自相關聯(lián)的傳感器能力的輸入信號以確定脈沖操作的時刻。
在使用本發(fā)明所述的方法和構件的吹塑模制機的優(yōu)選實施例中，還優(yōu)選部署對流冷卻系統(tǒng)260。這一系統(tǒng)從被加工的預成型件240附近的空氣和機械設備中去除廢熱。也可使用傳導冷卻裝置來進行這一操作。此項技術中已知通過對流和/或傳導加熱預成型件對總的熱調節(jié)過程有害。這是因為PET是非常差的導熱體，且加熱預成型件的外邊緣會導致加熱不均，中心處過冷而外表處過熱。
優(yōu)選系統(tǒng)實施例中還含有溫度傳感器270和溫度控制系統(tǒng)280，其中溫度傳感器270可采用智能傳感器或照相機的形式，所述智能傳感器或照相機能夠在超出單點溫度測量傳感器的能力范圍之外的至少一個方面中監(jiān)視目標。優(yōu)選的吹塑模制機設計的這些方面尤其可應用于一階段的吹塑模制系統(tǒng)的屬性。在一階段的吹塑模制系統(tǒng)中，預成型件240在含有在注射模制階段期間獲得的潛熱能量的狀態(tài)下進入熱監(jiān)視和調節(jié)系統(tǒng)210。通過監(jiān)視進入的預成型件240(或此類預成型件的特定子部分中)的溫度且因此監(jiān)視其熱量含量，溫度監(jiān)視和控制系統(tǒng)280可能產(chǎn)生預成型件特定(或子部分特定)的加熱需求，且接著將這些需求以驅動信號的形式傳遞給個別的RED加熱器元件100。RED發(fā)射器10的固態(tài)性質和相關聯(lián)的快速響應時間使其特別適合于允許將電源電流或開啟時間作為時間或預成型件移動的函數(shù)來調制。此外，將了解，可對RED陣列的子部分進行控制。
用來進行此類輸出控制的溫度控制系統(tǒng)280可被實施為工業(yè)PC、實施為嵌入式邏輯、或實施為工業(yè)可編程邏輯控制器(PLC)，所有這三者的性質和操作在業(yè)界均是眾所周知的?？捎枚喾N方式配置控制系統(tǒng)(例如如280所示)以滿足此處的目標。然而，作為一些實例，系統(tǒng)可針對RED陣列中的每一波長來控制開/關狀態(tài)、電流流動和激活裝置的位置。
圖13-16說明根據(jù)本發(fā)明的方法。應了解，可使用適當?shù)能浖陀布M合和技術來實施這些方法。舉例來說，可通過由溫度控制系統(tǒng)280存儲和執(zhí)行的軟件例行程序來控制所提到的硬件元件。
現(xiàn)在參看圖13，展示熱塑預成型件的熱處理的優(yōu)選方法300，其中概述了操作的基本步驟。經(jīng)由傳送裝置250將預成型件240傳送穿過熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210(步驟305)。當然，應了解，對于展示傳送工具的所有實施例，可使用具有或不具有傳送工具的簡單的構件來定位待暴露的物品。使用熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210內含有的RED加熱器元件100來照射預成型件240(步驟310)。使用對流冷卻系統(tǒng)260從熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210內的空氣和機械組件中去除廢熱(步驟315)。
圖14中概述對熱塑預成型件進行處理的另一方法301。在方法301中，用步驟320來代替使用RED加熱器元件100照射預成型件240的過程(步驟310)。在方法301的步驟320期間，與預成型件240穿過熱監(jiān)視和調節(jié)系統(tǒng)210的移動同步地對其進行脈沖照射。這種同步的脈沖照射提供了實質上大量的額外能量效率，因為最靠近預成型件的RED裝置是僅在任何給定瞬間開啟的RED裝置。在一種形式中，脈沖能量的最大輸出與個別目標的傳輸同步定時。
圖15中概述對熱塑預成型件進行處理的又一方法302。在此方法302中，使用溫度傳感器270來測量進入的預成型件240的溫度。進行這一操作是為了在預成型件240進入系統(tǒng)中時測出預成型件240的潛熱能量(步驟325)。接著，經(jīng)由傳送裝置250將預成型件240傳送通過熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210(步驟305)。溫度控制系統(tǒng)280使用溫度傳感器270供應的溫度信息來產(chǎn)生優(yōu)選的控制信號，所述控制信號將施加到RED加熱器元件100(步驟330)。接著，將優(yōu)選的控制信號從溫度控制系統(tǒng)280傳遞到RED加熱器元件100(步驟335)。接著，使用熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210內含有的RED加熱器元件100來照射預成型件240(步驟310)。接著，使用對流冷卻系統(tǒng)260從熱監(jiān)視和控制系統(tǒng)210內的空氣和機械組件中去除廢熱(步驟315)。
圖16中概述對熱塑預成型件進行處理的又一方法303。在方法303中，用步驟320來代替使用RED加熱元件100進行的照射預成型件240的過程(步驟310)。在方法303的步驟320期間，與預成型件240穿過熱監(jiān)視和調節(jié)系統(tǒng)210的移動同步地對其進行脈沖照射。
以上描述僅提供對本發(fā)明的特定實施例的揭示，且不希望將本發(fā)明限制于所述特定實施例。同樣，本發(fā)明僅并不限于以上描述的應用或實施例。此揭示內容廣泛地針對本發(fā)明的許多應用且特別針對一個應用實施例。應認識到，所屬領域的技術人員可構思出屬于本發(fā)明范圍內的替代應用和特定實施例。
權利要求
1.一種用于在模制或處理操作之前對塑料目標組件進行非接觸式熱處理的系統(tǒng)，其包括構件，其可操作而以有利于施加輻射加熱的方式定位塑料目標組件；和熱監(jiān)視和控制部分，所述塑料組件被定位在其中以供暴露，所述熱監(jiān)視和控制部分包括一個或一個以上固態(tài)的基于RED的輻射加熱元件，其可操作以經(jīng)由直接的電流到光子的轉換過程而發(fā)射輻射能量。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述可操作以定位的構件是可操作以傳輸所述塑料目標組件的傳送構件。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中電源電流連續(xù)流入所述基于RED的輻射加熱元件，借此實現(xiàn)連續(xù)的輻射能量輸出。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述基于RED的輻射加熱元件可操作而以脈沖模式發(fā)射輻射能量，其中最大輸出的時間與個別經(jīng)模制的目標組件通過所述熱監(jiān)視和控制部分的傳輸同步定時。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其進一步包括對流冷卻裝置或傳導冷卻裝置中的至少一者，所述裝置經(jīng)配置以從所述熱監(jiān)視和控制部分內的空氣和機械組件中去除廢熱。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其進一步包括溫度傳感器，所述溫度傳感器經(jīng)配置以在個別的目標組件進入所述熱監(jiān)視和控制部分之前測量其溫度，借此可確定潛熱含量。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中溫度控制系統(tǒng)用于基于目標組件溫度而產(chǎn)生控制信號以施加到所述基于RED的輻射加熱元件。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述目標組件的子部分的溫度經(jīng)測量且用于產(chǎn)生控制信號以將基于RED的輻射加熱施加到目標組件的子部分。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述基于RED的輻射加熱元件可操作以發(fā)射波長在1到3.5微米范圍內的輻射能量。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述基于RED的輻射加熱元件可操作以發(fā)射根據(jù)特定目標組件應用的加熱需求而特別調諧的至少一個窄波長范圍內的輻射能量。
11.一種在拉伸吹塑模制操作之前對熱塑預成型件進行熱處理的方法，所述方法包括以下步驟將一系列預成型件傳輸通過吹塑模制機器的熱監(jiān)視和控制部分；使用基于RED的輻射加熱元件來照射所述預成型件；和使用冷卻系統(tǒng)從所述吹塑模制機器的所述熱監(jiān)視和控制部分的空氣和機械組件中去除廢熱。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中以同步于個別預成型件的傳輸?shù)拿}沖模式操作所述基于RED的輻射加熱元件。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其進一步包括以下步驟在進入的預成型件進入所述熱監(jiān)視和控制部分之前測量其溫度，以估測潛熱含量；基于所述進入的預成型件溫度產(chǎn)生控制信號以施加到所述基于RED的輻射加熱元件；和將這些控制信號傳遞到所述基于RED的輻射加熱元件。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其進一步包括測量目標組件的子部分的溫度和產(chǎn)生控制信號以將基于RED的輻射加熱施加到所述子部分。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中以同步于個別預成型件的傳輸?shù)拿}沖模式操作所述基于RED的輻射加熱元件。
16.一種用于將輻射熱量選擇性地注射到目標中的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個固態(tài)輻射發(fā)射裝置元件(RED)，所述至少一個RED元件是具有針對與所述目標相關聯(lián)的應用而選定的輻射熱量輸出波長的RED元件；安裝布置，其定位所述至少一個RED元件以使來自其的照射瞄準所述目標；和供應構件，其用于將電流供應到所述至少一個RED元件借此發(fā)生直接的電流到光子輻射的轉換過程。
17.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個RED元件采取個別RED裝置的x×y陣列的形式。
18.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個RED元件采取個別RED裝置的定制布置的形式。
19.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述陣列采取直接以板上芯片配置安裝的個別RED裝置的板上芯片x×y陣列的形式。
20.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中電路板上安裝有所述RED裝置的所述電路板經(jīng)選擇而可操作以將熱量傳導離開所述RED裝置。
21.根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，其中電路板上安裝有所述RED裝置的所述電路板具有與其關聯(lián)的散熱裝置，以用于將熱量傳導離開所述RED裝置和所述電路板。
22.根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，其中用于將熱量傳導離開的構件包含可操作以將所述熱量移離所述系統(tǒng)一較大距離的液體熱交換護套。
23.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述個別RED裝置的x×y陣列包括至少一些RED裝置，所述至少一些RED裝置可操作以產(chǎn)生范圍為從1微米到5微米的一個以上選定波長的紅外輻射。
24.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述x×y陣列包括RED裝置的混合體，所述RED裝置的混合體代表范圍為從1微米到5微米的至少兩個不同選定波長的紅外輻射。
25.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其進一步包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)經(jīng)配置以針對所述陣列中代表的每一波長來單獨控制開啟/關閉狀態(tài)、電流流動和激活裝置的位置中的至少一者。
26.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其進一步包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)經(jīng)配置以針對所述陣列內的位置和輸出強度中的至少一者來單獨控制所述陣列的子部分。
27.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其進一步包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)經(jīng)配置以供應電力驅動電流，以促進脈沖操作模式。
28.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)可操作而以實質上大于推薦的穩(wěn)態(tài)電流電平的電流電平脈沖所述系統(tǒng)，以在脈沖操作中實現(xiàn)較高的瞬間發(fā)射強度，且響應于來自關聯(lián)的傳感器能力的輸入信號而確定所述脈沖操作的定時。
29.根據(jù)權利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)進一步包括將所述脈沖操作與移動目標同步的能力。
30.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個RED元件包括多個RED裝置的陣列，所述多個RED裝置以大體上為非平面配置的布置而配置。
31.根據(jù)權利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述RED裝置部署在多個電路板上，所述多個電路板以三維布置而配置，借此實現(xiàn)對特定類型的目標的較佳照射。
32.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述陣列進一步包括可操作以產(chǎn)生范圍在1到5微米范圍之外的波長的RED裝置。
33.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述用于提供電流的構件是可操作以控制系統(tǒng)至少一個方面的照射輸出的可編程控制系統(tǒng)。
34.根據(jù)權利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述可編程控制系統(tǒng)包括來自溫度傳感器的至少一個輸入，且可操作以根據(jù)所述至少一個溫度傳感器輸入來改變至少一個輸出參數(shù)。
35.根據(jù)權利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述可編程控制系統(tǒng)進一步包括智能傳感器輸入以監(jiān)視關于所述目標的其它參數(shù)，以便提供用于修改所述系統(tǒng)照射輸出的至少一個方面的數(shù)據(jù)。
36.根據(jù)權利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述智能傳感器包括照相機系統(tǒng)。
37.根據(jù)權利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器包括熱紅外照相機，所述熱紅外照相機可操作以在單點溫度測量傳感器可監(jiān)視的方面之外的至少一個方面中監(jiān)視所述目標。
38.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述塑料目標組件包括PET預成型件或PET瓶中的至少一者。
39.一種應用到目標的熱量注射方法，所述方法包括定位所述目標以用于暴露于至少一個輻射發(fā)射裝置；將電流選擇性地供應到所述至少一個輻射發(fā)射裝置；和基于所述選定的供應電流，由所述輻射發(fā)射裝置將至少一個選定波長的熱量選擇性地注射到所述目標中。
40.根據(jù)權利要求39所述的方法，其中所述至少一個輻射發(fā)射裝置在脈沖模式下操作。
41.根據(jù)權利要求39所述的方法，其進一步包括測量所述目標的溫度，和基于所述溫度來控制電流的選擇性供應。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于將選定的熱紅外(IR)波長輻射或能量直接注射到物件中以用于廣闊范圍的處理目的的系統(tǒng)。這些目的可包含在一系列不同的工業(yè)、醫(yī)學、消費或商業(yè)環(huán)境中加熱、提升或維持物件的溫度，或激勵目標物品。所述系統(tǒng)尤其適用于需要以特定選擇的波長進行照射或者脈動或注射輻射的能力或從所述能力獲益的操作。所述系統(tǒng)在以較高的速度和處于與目標無接觸的環(huán)境中運作時特別有利。
文檔編號B29C49/64GK101084095SQ200580041030
公開日2007年12月5日 申請日期2005年12月5日 優(yōu)先權日2004年12月3日
發(fā)明者唐·W·科克倫, 史蒂文·D·切赫, 諾埃爾·E·小摩根 申請人:派拉斯科技術公司