CN103871780B - 温度熔断器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度熔断器，包括：绝缘基底；位于绝缘基底上的温度敏感层，所述温度敏感层为绝缘材料，其在受热时发生形变或熔化；形成于温度敏感层上的导电层，所述导电层在所述温度敏感层形变或熔化时切断；电性连接于所述导电层两端的第一电极和第二电极。熔断器在工作过程中由于温度敏感层的受热变形而导致导电层被切断，从而迅速失去导电性；该熔断器结构简单，制作工艺简便，成本低廉，利于与印刷电子产品的整合；该熔断器还具有较高的透光性，可用于对透光性有特定要求的电子产品。

Description

温度熔断器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电子器件，尤其涉及一种利用印刷法制作的高透光性温度熔断器，可以用于电子产品的温度监控，有效防止工作环境的温度过高。

背景技术

温度熔断器是一种温度敏感型电子元件，可以在环境温度高于特定温度时切断电子回路，并无法自动恢复。该类器件可以用于电子产品对工作环境温度的监控，保证产品在合适的温度下正常运行，避免因高温环境造成的损失。

印刷电子(printedelectronics)技术是指采用直接在基板上印刷导体、半导体、介电材料、绝缘材料等电子功能层的方法来制造电子产品的生产工艺。在过去的几十年里，降低成本、提高性价比始终是电子产业不断发展壮大的推动力。而相比较于传统电子行业刻蚀形成电路的减成法（subtractivemanufacturing），以印刷为代表的加成法（additivemanufacturing）将电子材料成膜与实现图案化两大过程合二为一，具有节约原料、工艺简单、绿色环保（所产生的工业废液少）等优势，而且易于配合新型材料实现大面积柔性器件，更加有利于满足电子产业降低成本、扩大市场的要求。目前印刷电子器件相关研究已经扩展到相当广泛领域的有机器件，涉及导体、半导体、介电材料、电解质等种类的材料。利用印刷方法生产电子产品可以有效降低生产成本，是目前世界各国的学术机构和企业研究的重点。鉴于传统的印刷工业已经非常成熟，一旦印刷电子产业的瓶颈得到解决，可望在相当短的时间内将电子制造业和印刷业相结合，从而带来电子产品成本的大幅下降和应用领域的极大扩展，并解决目前困扰电子行业的环境和资源问题以及可持续发展问题。

在印刷电子产业众多器件种类的开发中，温度熔断器作为一个比较少见的器件品种，尚未引起足够的重视。按照传统方法生产的温度熔断器，导电材料需要同时具备温度敏感和导电双重功能，可选择材料的范围比较狭窄。在现有的印刷电子产品中应用温度熔断器时确实存在着一系列问题：首先，如果在印刷电子产品中应用传统方法生产的温度熔断器，则该传统器件的高成本会削弱产品整体的成本竞争力；其次，由于印刷电子产品很难用焊接等传统方法连接，在印刷电子产品中应用传统的温度熔断器还存在整合的问题。另一方面，传统的温度熔断器所用的低熔点导体材料也很难实现印刷法制造，需要另行开发新结构的温度熔断器。

发明内容

针对上述提到的现有技术存在的问题，本发明提供了一种温度熔断器及其制备方法，该熔断器结构简单，制作工艺简便，成本低廉，利于与印刷电子产品相整合。

为了实现上述的目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种温度熔断器，包括：

绝缘基底；

位于绝缘基底上的温度敏感层，所述温度敏感层为绝缘材料，其在受热时发生形变或熔化；

形成于温度敏感层上的导电层，所述导电层在所述温度敏感层形变或熔化时切断；

电性连接于所述导电层两端的第一电极和第二电极。

具体的，所述绝缘基底的材料选自玻璃、陶瓷、无机氧化物、聚合物或复合材料；优选的，所述无机氧化物为二氧化硅、氧化铝，氧化锆或氧化铪；所述聚合物为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸酯或聚醛；所述复合材料为聚酰亚胺-二氧化硅复合材料或聚醛-玻璃纤维复合材料。

所述温度敏感层的材料选自聚合物、有机化合物以及复合材料中的任意一种或多种；优选的，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚烯烃或聚醛；所述有机化合物为固态烃类、固态醇类、石蜡或沥青；所述复合材料为聚甲基丙烯酸甲酯-二氧化硅复合材料或聚烯烃-氧化铝复合材料。

所述导电层的材料选自碳纳米管、金属纳米线、金属氧化物纳米线、无机非金属纳米线和有机纳米线中的任意一种或多种。

优选的，所述绝缘基底、温度敏感层以及导电层均为透光材料；进一步的，该温度熔断器的透光率为55%以上。

所述导电层是通过印刷工艺形成于温度敏感层上；具体的，所述印刷工艺为喷墨打印工艺、气流喷印工艺、丝网印刷工艺、凹版印刷工艺、柔版印刷工艺以及胶版印刷中的任意一种。

所述温度敏感层是通过印刷工艺、真空沉积工艺、涂布工艺和旋涂工艺中的任意一种制备获得。

如上所述的温度熔断器的制备方法，其包括以下步骤：

S1：提供一绝缘基底，先后浸泡在乙醇、异丙醇和水中进行超声清洗；

S2：在绝缘基底上制备彼此相隔离的第一电极和第二电极；

S3：在绝缘基底上制备温度敏感层；所述温度敏感层是通过印刷工艺、真空沉积工艺、涂布工艺和旋涂工艺中的任意一种制备获得。

S4：应用印刷工艺在温度敏感层上制备导电层。所述导电层是通过印刷工艺形成于温度敏感层上；具体的，所述印刷工艺为喷墨打印工艺、气流喷印工艺、丝网印刷工艺、凹版印刷工艺、柔版印刷工艺以及胶版印刷中的任意一种。

相比于现有技术，本发明的有益效果主要体现在：（1）该温度熔断器通过温度敏感层形变或熔化使导电层切断，导电层的材料不需要同时具备温度敏感和导电双重功能的材料，可以选取的材料范围较现有熔断器更加广泛，有利于选取低成本的原料；（2）该温度熔断器采用印刷工艺制备导电层，导电层不经过高温烘烤或烧结处理即具有理想的导电性，并且该熔断器结构体积小，制作工艺简单，成本低廉，有利于与印刷电子产品相整合；（3）该温度熔断器的基底、温度敏感层以及导电层采用高透光率材料，最终产品具有较高的透光率，可以直接用于发光、显示等电子产品，或者以隐形温度熔断器的方式直接安装在玻璃上，从而减轻温度熔断器对产品整体外观的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中的温度熔断器的结构示意图；

图2是本发明实施例2中的温度熔断器的结构示意图；

图3是本发明实施例3中的温度熔断器的结构示意图。

具体实施方式

现有技术中，如果在印刷电子产品中应用传统方法生产的温度熔断器，则该传统器件的高成本会削弱产品整体的成本竞争力；其次，由于印刷电子产品很难用焊接等传统方法连接，在印刷电子产品中应用传统的温度熔断器还存在整合的问题。另一方面，传统的温度熔断器所用的低熔点导体材料也很难实现印刷法制造，需要另行开发新结构的温度熔断器。

在实际应用中，高透光性甚至全透明电子产品的需求正在逐步扩大，目前已经应用到显示、触摸屏、新概念窗户等方面。这些电子产品的温度保护装置自然也需要具有较高的透光性。而如果进一步要求温度熔断器具有较高的透光性的话，温度熔断器在印刷电子产品中的应用受到进一步的限制。

基于上述问题，本发明实施例公开了一种温度熔断器，包括：

绝缘基底；

位于绝缘基底上的温度敏感层，所述温度敏感层为绝缘材料，其在受热时发生形变或熔化；

形成于温度敏感层上的导电层，所述导电层在所述温度敏感层形变或熔化时切断；

电性连接于所述导电层两端的第一电极和第二电极。

相应地，本发明实施例还公开了一种温度熔断器的制备方法，其包括以下步骤：

S1：提供一绝缘基底，先后浸泡在乙醇、异丙醇和水中进行超声清洗；

S2：在绝缘基底上制备彼此相隔离的第一电极和第二电极；

S3：在绝缘基底上制备温度敏感层；所述温度敏感层是通过印刷工艺、真空沉积工艺、涂布工艺和旋涂工艺中的任意一种制备获得。

S4：应用印刷工艺在温度敏感层上制备导电层。

该温度熔断器通过温度敏感层形变或熔化使导电层切断，导电层的材料不需要同时具备温度敏感和导电双重功能的材料，可以选取的材料范围较现有熔断器更加广泛，有利于选取低成本的原料；该温度熔断器采用印刷工艺制备导电层，导电层不经过高温烘烤或烧结处理即具有理想的导电性，并且该熔断器结构体积小，制作工艺简单，成本低廉，有利于与印刷电子产品相整合。

优选的，在上述温度熔断器中，绝缘基底、温度敏感层以及导电层的材料均为透光材料，所述温度熔断器的透光率优选为55%~88%

该温度熔断器的基底、温度敏感层以及导电层采用高透光率材料，最终产品具有较高的透光率，可以直接用于发光、显示等电子产品，或者以隐形温度熔断器的方式直接安装在玻璃上，从而减轻温度熔断器对产品整体外观的影响。

以下结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，以使本发明创新实质便于理解，但这些相关的实施例说明并不构成对本发明使用范围的限制。

通过本发明方法制作的温度熔断器，能够在温度达到特定数值时通过温度敏感层的形变实现导电层的破坏，从而实现器件电路的断开；具体处理实施例如下。

实施例1

如图1所示，将切割成长12毫米、宽8毫米、厚度为0.8毫米的高平整度石英片11先后浸泡在乙醇、异丙醇和水中各超声10-30分钟，取出后用高纯氮气吹干。然后利用气流喷印设备在石英片上打印以乙二醇和水为溶剂的商品化银墨水，获得一对宽长为1×6毫米、厚度为0.8-3.0微米、之间相距6毫米的电极12，并将电极12在120-180℃的温度下烧结10-30分钟。

在完成烧结的引线电极12之间利用匀胶机旋涂浓度为3-10%的低分子量聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，分子量6000-40000）甲苯溶液，在50-80℃的温度下加热促进溶剂挥发后获得6毫米见方、0.5-2.0微米厚的温度敏感层13，利用氯仿洗去引线电极上多余的PMMA。将样品进行0.5-2分钟的大气氧气等离子处理后，在温度敏感层13上利用喷墨打印设备打印银纳米线的乙醇分散体系，经过常温真空干燥处理后，在温度敏感层13上获得6毫米见方、0.4-1微米厚的导电层14，其中银纳米线的直径为30-100纳米，长度0.5-8微米。整个器件除引线电极12外均为高透光性材料，温度熔断器成品的可见光透过率达到70%-88%。

制备完成的温度熔断器在正常工作环境下电阻在1-20欧姆范围内，当遇到140℃以上的高温时，温度敏感层13的剧烈形变会导致导电层14的破坏，器件因此断开导电回路，对温度的急剧升高做出回应。

实施例2

如图2所示，将切割成长100毫米、宽40毫米、厚度为0.12毫米的无色透明聚酰亚胺薄膜21先后浸泡在乙醇、异丙醇和水中各超声10-30分钟，取出用高纯氮气吹干。采用商品化的pedot:pss浆料作为引线电极材料，并添加0.05%左右质量的金属性碳纳米管来提高材料的导电性。利用丝网印刷设备在无色透明聚酰亚胺薄膜上印刷前述的电极材料，获得一对宽长为3×20毫米、厚为0.8-4微米、之间相距25毫米的电极22，并将电极在120-150℃的温度下烘烤10-30分钟。然后在完成烘烤的电极22之间利用喷墨打印设备打印低密度聚乙烯的甲苯-氯代苯混合溶液，并在40-60℃的温度下加热促进溶剂挥发后获得宽长为25×22毫米、厚度与引线电极22一致的温度敏感层23。将样品进行1-3分钟的真空氧气等离子处理后，在温度敏感层23上利用小型凹版打样机印刷金属性碳纳米管的乙醇溶液，经过常温真空干燥处理后获得宽长为27×20毫米、0.5-1.5微米厚的导电层24，其中金属性碳纳米管的直径为1-40纳米，长度为0.3-4微米。器件完成后裁去多余的聚酰亚胺薄膜。整个器件除引线电极22外均为高透光性材料，温度熔断器成品的可见光透过率达到70%-85%。

制备完成的温度熔断器在正常工作环境下电阻在5-80欧姆范围内，当遇到120℃以上的高温时，温度敏感层23的剧烈形变会导致导电层24的破坏，器件因此断开导电回路，对温度的急剧升高做出回应。

实施例3

如图3所示，将切割成长40毫米、宽25毫米、厚度为1.0毫米的商品化ITO玻璃31利用盐酸在玻璃片中间腐蚀部分ITO层，露出宽长为30×25毫米的无ITO空白区域。两侧各留10×25毫米的ITO导电层作为电极32。

完成刻蚀的样品先后浸泡在乙醇、异丙醇和水中各超声10-30分钟，取出用高纯氮气吹干。然后在ITO玻璃片上用线棒涂布器涂布一层熔点为60-70℃的商品化石蜡的三氯甲烷溶液，在35-50℃的温度下加热促进溶剂挥发后去除电极32上方多余的石蜡，获得宽长为32×25毫米、0.3-1.5微米厚的石蜡温度敏感层33。将样品进行1-2分钟的真空氧气等离子处理后，在温度敏感层33上利用气流喷印设备打印分散在水中的银纳米线，经过常温真空干燥处理后获得宽长为36×25毫米、0.5-1.5微米厚的导电层34，其中银纳米线的直径为80-180纳米，长度1-10微米。整个器件均使用高透光性材料，温度熔断器成品的可见光透过率达到55%-80%。

制备完成的温度熔断器在正常工作环境下电阻在2-60欧姆范围内，当遇到70℃以上的高温时，温度敏感层33的形变会导致导电层34的破坏，器件因此断开导电回路，对温度的急剧升高做出回应。

综上所述，本技术方案的温度熔断器具有以下优点：

（1）该温度熔断器通过温度敏感层形变或熔化使导电层切断，导电层的材料不需要同时具备温度敏感和导电双重功能的材料，可以选取的材料范围较现有熔断器更加广泛，有利于选取低成本的原料；

（2）该温度熔断器采用印刷工艺制备导电层，导电层不经过高温烘烤或烧结处理即具有理想的导电性，并且该熔断器结构体积小，制作工艺简单，成本低廉，有利于与印刷电子产品相整合；

（3）该温度熔断器的基底、温度敏感层以及导电层采用高透光率材料，最终产品具有较高的透光率，可以直接用于发光、显示等电子产品，或者以隐形温度熔断器的方式直接安装在玻璃上，从而减轻温度熔断器对产品整体外观的影响。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种温度熔断器，其特征在于，包括：

绝缘基底；

位于绝缘基底上的温度敏感层，所述温度敏感层为绝缘材料，其在受热时发生形变或熔化；

形成于温度敏感层上的导电层，所述导电层在所述温度敏感层形变或熔化时切断；

电性连接于所述导电层两端的第一电极和第二电极。

2.根据权利要求1所述的温度熔断器，其特征在于，所述温度敏感层的材料选自聚合物、有机化合物、复合材料中的任意一种或多种，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚烯烃或聚醛；所述有机化合物为固态烃类、固态醇类、石蜡或沥青；所述复合材料为聚甲基丙烯酸甲酯-二氧化硅复合材料或聚烯烃-氧化铝复合材料。

3.根据权利要求1所述的温度熔断器，其特征在于，所述导电层的材料选自碳纳米管、金属纳米线、金属氧化物纳米线、无机非金属纳米线和有机纳米线中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的温度熔断器，其特征在于，所述绝缘基底的材料选自玻璃、陶瓷、无机氧化物、聚合物或复合材料。

5.根据权利要求1所述的温度熔断器，其特征在于，所述导电层是通过印刷工艺形成于温度敏感层上。

6.根据权利要求1所述的温度熔断器，其特征在于，所述绝缘基底、温度敏感层以及导电层的材料均为透光材料，所述温度熔断器的透光率为55%~88%。

7.权利要求1至6任一所述的温度熔断器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提供一绝缘基底；

S2：在绝缘基底上制备第一电极和第二电极；

S3：在绝缘基底上制备温度敏感层；

S4：应用印刷工艺在温度敏感层上制备导电层。

8.根据权利要求7所述的温度熔断器的制备方法，其特征在于，所述温度敏感层是通过印刷工艺、真空沉积工艺、涂布工艺和旋涂工艺中的任意一种制备获得。

9.根据权利要求7所述的温度熔断器的制备方法，其特征在于，所述印刷工艺为喷墨打印工艺、气流喷印工艺、丝网印刷工艺、凹版印刷工艺、柔版印刷工艺以及胶版印刷中的任意一种。