CN103198910B - 热敏电阻元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热敏电阻元件，包括：第一导电构件、第二导电构件以及叠设于第一导电构件及第二导电构件之间的高分子材料层。该高分子材料层具有正温度系数的特性，该高分子材料层包含至少一结晶性高分子聚合物及散布于该结晶性高分子聚合物中的至少一导电填料，其中该导电填料的体积电阻值小于500mΩ，且该导电填料占该高分子材料层的重量百分比介于72％～96％。该热敏电阻元件具有一元件面积，于60℃时其对应的维持电流除以该元件面积的值介于0.16A/mm²～0.8A/mm²之间。该热敏电阻元件于60℃的维持电流与25℃的维持电流的比值介于65％～95％。

Description

热敏电阻元件

技术领域

本发明关于一种热敏电阻元件，且特别关于高温时具有高维持电流的热敏电阻元件。

背景技术

由于具有正温度系数(PositiveTemperatureCoefficient；PTC)或负温度系数(NegativeTemperatureCoefficient；NTC)特性的导电复合材料的电阻对温度变化具有反应敏锐的特性，可作为电流感测元件的材料。以PTC为例，由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少10²Ω以上)，而将过量的电流降低，以达到保护电池或电路元件的目的。

PTC导电复合材料由一种或一种以上具结晶性的聚合物及导电填料所组成。聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯，而导电填料一般为碳黑。然而，以碳黑作为导电填料的PTC元件因为受到材料热焓(thermalmass)不足且电阻较高的影响，导致其维持电流(holdcurrent)较低，特别是当温度升高时，其维持电流将迅速降低，故无法满足大电流的二次电池的保护使用。

发明内容

为了克服传统使用碳黑的PTC元件维持电流较低的问题，本发明使用不同的导电填料及成分比例，使得PTC元件于高温仍具有高维持电流。本发明的热敏电阻元件可搭配二次电池的电路设计，以满足大电流二次电池保护使用。

本发明一实施例的热敏电阻元件包括：第一导电构件、第二导电构件以及高分子材料层。该高分子材料层叠设于第一导电构件及第二导电构件之间，且具有正温度系数的特性，该高分子材料层包含至少一结晶性高分子聚合物及散布于该结晶性高分子聚合物中的至少一导电填料。该导电填料的体积电阻值小于500mΩ，且该导电填料占该高分子材料层的重量百分比介于72％～96％。该热敏电阻元件具有一元件面积，于60℃时，其对应的维持电流除以该元件面积的值介于0.16A/mm²～0.8A/mm²之间。其中该热敏电阻元件于60℃的维持电流与25℃的维持电流的比值介于65％～95％。

一实施例中，热敏电阻元件于60℃对应的维持电流的热切断温度(ThermalCut-Off；TCO)小于95℃。前述TCO温度并非限制于60℃所对应的维持电流。另外也可利用于温度T对应的维持电流加以定义如下：于温度T对应的维持电流的TCO温度小于T+35℃，其中T≥60℃。

一实施例中，本发明的热敏电阻元件系以焊接方式电气连接保护电路模块(ProtectionCircuitModule；PCM)及二次电池成串联或并联结构。其中焊接包含点焊、回焊、超音波焊接或激光焊接。

附图说明

图1为本发明一实施例的热敏电阻元件示意图；

图2为热敏电阻元件的维持电流与温度关系示意图；

图3为本发明第一实施例的热敏电阻元件于二次电池的应用示意图；以及

图4为本发明第二实施例的热敏电阻元件于二次电池的应用示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、20：热敏电阻元件

11：第一导电构件

12：第二导电构件

13：高分子材料层

22：金属电极片

30：保护电路模块

31、32：电池

33：负载

具体实施方式

为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

本发明热敏电阻元件所使用的高分子材料层的成份及重量(单位：公克)如表一所示。其中LDPE-1是低密度结晶性聚乙烯(密度：0.924g/cm³，熔点：113℃)；HDPE-1为高密度结晶性聚乙烯(密度：0.943g/cm³，熔点：125℃)；HDPE-2为高密度结晶性聚乙烯(密度：0.961g/cm³，熔点：131℃)。导电填料则选用碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)及碳化钼(MoC)等。本发明实施例中，导电填料占高分子材料层的重量百分比介于72％～96％，特别是介于75％～94％，较佳地介于78％～92％。导电填料占高分子材料层的重量百分比也可为74％、78％、80％、85％或90％。LDPE-1占该高分子材料层的重量百分比小于5％或较佳地小于3％。HDPE-1和HDPE-2的总和占该高分子材料层的重量百分比介于3％～25％或较佳介于5％～20％之间。特而言之，较低密度的HDPE-1占该高分子材料层的重量百分比约小于20％，较高密度的HDPE-2占该高分子材料层的重量百分比约小于20％。高密度聚乙烯HDPE-1和HDPE-2的熔点均大于115℃。

表一

制作过程如下：将批式混炼机(Haake-600)进料温度定在160℃，进料时间为2分钟，进料程序为按表一所示的重量，加入定量的结晶性高分子聚合物，搅拌数秒钟，再加入导电碳化陶瓷填料碳化钛粉末(其粒径大小介于0.1μm至50μm之间)。混炼机旋转的转速为40rpm。3分钟之后，将其转速提高至70rpm，继续混炼7分钟后下料，而形成一具有PTC特性的导电复合材料。

将上述导电复合材料以上下对称方式置入外层为钢板，中间厚度为0.33mm及0.2mm的模具中，模具上下各置一层铁弗龙脱模布，先预压3分钟，预压操作压力50kg/cm²，温度为180℃。排气之后进行压合，压合时间为3分钟，压合压力控制在100kg/cm²，温度为180℃，之后再重复一次压合动作，压合时间为3分钟，压合压力控制在150kg/cm2，温度为180℃，之后形成一高分子PTC材料层。一实施例中，该PTC材料层的厚度大于0.1mm，较佳地大于0.2mm或0.3mm。

将该PTC材料层裁切成20×20cm²的正方形，再利用压合将二金属箔片直接物理性接触于该PTC材料层上下表面，其系于该PTC材料层表面以上下对称方式依序覆盖金属箔片。接着，压合专用缓冲材、铁弗龙脱模布及钢板而形成一多层结构。该多层结构再进行压合形成致密结构，压合时间为3分钟，操作压力为70kg/cm²，温度为180℃。之后，以模具冲切形成晶片状热敏电阻元件10，如图1所示。热敏电阻元件10的晶片尺寸小于25mm²，或较佳地小于20mm²。

申言之，热敏电阻元件10包含相当于前述金属箔片的第一导电构件11、第二导电构件12以及高分子材料层13。较佳地，热敏电阻元件10工艺中可经热压，以形成致密结构。热敏电阻元件10中该高分子材料层13与同体积的该结晶性高分子聚合物的重量比值(即两者的密度比值)介于2.5～12之间，较佳地介于3～10之间。

依工艺需要，可再将二金属电极片22以锡膏(solderpaste)借着回焊方式上下连接于该二导电构件11和12上，制成轴状式的热敏电阻元件20。

除上述表列的材料外，高分子材料层可选用具结晶性的聚烯烃类聚合物(例如高密度聚乙烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、乙烯聚合物、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等)、烯烃类单体与压克力类单体的共聚合物(例如乙烯-压克力酸共聚合物、乙烯-压克力脂共聚合物)或烯烃类单体与乙烯醇类单体的共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，并且可以选用一种或多种聚合物材料。该低密度聚乙烯可用传统Ziegler-Natta催化剂或用Metallocene催化剂聚合而成，也可经由乙烯单体与其它单体(例如：丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylicacid)或醋酸乙烯酯(vinylacetate))共聚合而成。

导电填料可选自金属粉末或导电碳化陶瓷粉末。其中该金属粉末可选自：镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂、钒中的一种或其合金；该导电碳化陶瓷粉末可选自：碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化硼、碳化锆、碳化铌、碳化钽、碳化钼、碳化铪中的一种或其组合。导电碳化陶瓷填料外型包含破碎状、多角型、球形或片状，粒径大小介于0.1μm至50μm之间。

表二

参照表二，一实施例中，热敏电阻元件10进行维持电流(I-hold)测试。在此，维持电流表示在某一温度下不造成热敏电阻元件10触发(trip)的最大电流。于60℃时，I-hold/晶片面积的值约为0.16～0.8A/mm²，特别是0.18～0.75A/mm²，较佳为0.2～0.7A/mm²之间。I-hold/晶片面积的值也可为0.3A/mm²、0.4A/mm²、0.5A/mm²或0.6A/mm²等。通常在较小的元件面积尺寸下，具有较大的I-hold。故热敏电阻元件10的元件面积以小于25mm²为较佳。采用碳黑系统作为导电填料的比较例1和2的维持电流均小于0.05A/mm²，不适合大电流的应用。

热敏电阻元件10于60℃和25℃的维持电流比值(I-hold60℃/I-hold25℃)介于65％～95％之间，也即I-hold随温度升高时的下降速率较慢，相较于传统碳黑系统的比较例1和2，I-hold60℃/I-hold25℃均小于30％。由此可见，本发明的热敏电阻元件10可于高温时仍具有高维持电流，也即其I-hold的随温度升高的降幅可大幅降低，如图2的示意图所示。

另外，本发明将热敏电阻元件于烘箱内通以I-hold相关电流进行热切断温度(ThermalCut-Off；TCO)测试。当烘箱内温度逐渐升高至热敏电阻元件触发大幅限制电流时所对应的温度即为TCO温度。

表三

本实施例中，利用60℃下对应的I-hold进行测试，其结果如表三所示。以I-hold60℃进行测试，各晶片的TCO温度均小于95℃，特别是小于90℃，甚至小于85℃。就范围而言，I-hold60℃对应的TCO温度范围介于60～95℃，特别是介于65～85℃。实际上，TCO温度也可于其他大于等于60℃对应的维持电流进行量测，其需符合于温度T对应的维持电流的热切断温度小于T+35℃，其中T≥60℃。

以下将热敏电阻元件10于二次电池保护的应用实施例进行说明。

参照图3，该热敏电阻元件10可串接形成于保护电路模块(ProtectiveCircuitModule；PCM)30上，再以串联二次电池31、32及负载33形成回路，藉此当过电流发生时，热敏电阻元件10可即时降低电流，而对于二次电池31和32进行过电流保护。一实施例中，热敏电阻10与二次电池31和32或PCM30间以点焊、回焊、超音波焊接、激光焊接进行电气连接。

参照图4，本实施例并联二次电池31和32，二次电池31和32各自串联一热敏电阻元件10，提供较大电流的过电流保护。一实施例中，热敏电阻10与二次电池31和32或PCM30间以点焊、回焊、超音波焊接、激光焊接进行电气连接。

综上，本发明的热敏电阻元件的维持电流具有较低的温度依存性，也即维持电流随温度上升而下降的幅度较小，故于高温时其仍具有高维持电流，从而本发明的热敏电阻元件可搭配二次电池的电路设计，以满足大电流二次电池保护使用。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的申请专利范围所涵盖。

Claims (14)

1.一种热敏电阻元件，包括：

一第一导电构件；

一第二导电构件；以及

一高分子材料层，该高分子材料层叠设于第一导电构件及第二导电构件之间，且具有正温度系数的特性，该高分子材料层包含至少一结晶性高分子聚合物及散布于该结晶性高分子聚合物中的至少一导电填料，其中该导电填料的体积电阻值小于500mΩ，且该导电填料占该高分子材料层的重量百分比介于72％～94％；

其中该结晶性高分子聚合物包含高密度聚乙烯及低密度聚乙烯，且该高密度聚乙烯的熔点大于115℃，该高密度聚乙烯占该高分子材料层的重量百分比介于3％～25％，该低密度聚乙烯占该高分子材料层的重量百分比小于5％；

其中该热敏电阻元件具有一元件面积，于60℃时，其对应的维持电流除以该元件面积的值介于0.16A/mm²～0.8A/mm²之间；

其中该热敏电阻元件于60℃的维持电流与25℃的维持电流的比值介于65％～95％。

2.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中于温度T对应的维持电流的热切断温度小于T+35℃，其中T≧60℃。

3.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中该高密度聚乙烯包含两种密度不同的高密度聚乙烯。

4.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中该导电填料为金属粉末或导电碳化陶瓷粉末。

5.根据权利要求4的热敏电阻元件，其中该金属粉末为镍、钴、铜、铁、锡、铅、银、金、铂、钒或其合金。

6.根据权利要求4的热敏电阻元件，其中该导电碳化陶瓷粉末为碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化锆、碳化铌、碳化钽、碳化钼、碳化铪。

7.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中该元件面积小于25mm²。

8.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中该高分子材料层包含经热压的致密结构。

9.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中该高分子材料层与同体积的该结晶性高分子聚合物的重量比值介于2.5～12之间。

10.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中该导电填料占该高分子材料层的重量百分比介于75％～94％。

11.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中于60℃时，其对应的维持电流除以该元件面积的值介于0.18～0.75A/mm²之间。

12.根据权利要求1的热敏电阻元件，其中于60℃对应的维持电流的热切断温度介于65℃～85℃。

13.根据权利要求1的热敏电阻元件，其系以焊接方式电气连接保护电路模块及二次电池成串联或并联结构。

14.根据权利要求13的热敏电阻元件，其中焊接包含点焊、回焊、超音波焊接或激光焊接。