CN106679844A - 高分子ptc温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子PTC温度传感器，一种以导电高分子聚合物复合材料为主要材料的表面贴装高分子PTC(positive temperature coefficient)温度传感器，有别于传统陶瓷PTC温度传感器，采用便于安装的表面贴装形式，便于安装；采用具有电阻正温度系数效应的高分子导电复合材料层作为高分子PTC温度传感器的芯材。产品的成本相较陶瓷类PTC温度传感器低，加工更方便，更适用于小型化器件的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一高分子PTC温度传感器，属于以导电高分子聚合物复合材料为主要材料的电子元器件，尤其是涉及一种表面贴装型高分子PTC温度传感器。
背景技术
在现有公开的技术中，PTC温度传感器多为陶瓷基。
聚合物和分散在聚合物中的导电填料组成的导电聚合物以及由此导电性聚合物制备出的具有正温度系数(PTC)特征的电子元件，广泛用于电路保护。
如：申请号201010242175.5公开了一种具有正温度系数,高PTC强度高分子电发热复合材料,按重量百分比计:(1)35%-75%高密度聚乙烯,低密度聚乙烯,乙烯-醋酸乙烯共聚物,乙烯-丙烯酸乙酯共聚物,丁晴橡胶，环氧树脂,聚偏氟乙烯一种或几种混合物;(2)15%-55%碳黑,碳纳米管;(3)无机填充料3%-12%;(4)0.02%-0.1%抗氧化剂,将上述混合物采用密炼或双螺杆加工成型,经辐射交联,即可制得高PTC强度自控温高分子导电发热复合材料。该复合材料由于良好的PTC强度,漏电流非常小,良好的安全性及热稳定性，在电热取暖方面,自控温加热器,过流保护领域及温度传感器有着广泛的应用。
另外，本申请人有多个涉及PTC高分子电阻结构及制造方法方面的专利，具有正温度系数(PTC)特征的PTC高分子器件可作为发热元件，从理论上也可以作为温度传感器使用，但其受强度等因素限制，目前为目仍然是以PTC陶瓷材料为主。通常，高分子PTC器件在室温时具有相对低的电阻值，而当温度上升至一临界温度时，其电阻值可立刻跳升数千倍以上，藉此改变电流大小，已达到指示温度的目的。当温度下降至室温时，高分子PTC温度传感器可回复至低阻状态,电路电流恢复正常。此种可重复并在指定临界温度发生变化的特点，使高分子PTC温度传感器可广泛应用在电子电路中。
本发明旨在提供一种有别于传统陶瓷PTC温度传感器的高分子PTC温度传感器，并采用便于安装的表面贴装形式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面贴装型的高分子PTC温度传感器。
本发明的再一目的在于：提供所述高分子PTC温度传感器的制造方法。
为达上述目的，本发明采用下述方案：一种高分子PTC温度传感器，包括：
1）至少具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，该复合材料片材由具有第一、第二表面的电阻正温度系数效应的高分子导电复合材料层和相对于第一、第二表面紧密贴合的第一导电电极、第二导电电极构成，所述的高分子导电复合材料层由聚合物和分散于聚合物中的导电填料组成，其固定熔点在65-300℃之间；
2）第一导电端，与每个复合材料片材中的其中一个导电电极电气连接，与对应的另一个导电电极不电气连接；
第二导电端，与每个复合材料片材中的已经与第一导电端电气连接的导电电极不电气连接，与每个复合材料片材中与第一导电端不电气连接的导电电极电气连接；
3）第一端电极，位于整个元件的最外层的一面或两面上，连接第一导电端，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路一极电气相连；
第二端电极，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的同一面或两面上，连接第二导电端，并与第一端电极电气隔断，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；
4）绝缘层，贴覆于上述非同一复合材料片材上的第一导电电极和第二导电电极之间，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离。
本发明至少具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，当由两层或多层具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材时，采用复合片材并联，采用同样的导通方式实现，以达到调整产品阻值的目的。
所述的聚合物基导电复合材料层由聚合物和分散于聚合物中的导电填料组成，其中，聚合物占导电复合材料层的体积分数介于20%～75%之间，选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。
所述的导电填料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。
所述的金属粉末选自：铜、镍、钨、锡、银、金或其合金中的一种及其混合物。
所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。
所述的导电端位于元件内部，或者，位于元件侧面，通过激光钻孔或机械钻孔，且孔表面附着导电金属层构成。所述导电端的形状可以是任意规则的或不规则的形状。
所述的导电金属层是通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的导电金属层。
所述导电金属层，是由锌、铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物组成。本发明目的所采取的技术方案为：由高分子复合材料基层和紧密贴覆于上述高分子材料基层两面的第一导电电极和第二导电电极形成复合片材，对复合片材通过内层图形转移蚀刻技术使复合片材的导电电极蚀刻出绝缘槽，然后将两绝缘层叠放于完成蚀刻的复合片材两表面，并分别覆盖金属箔，进行高温压合，之后将压合后的基板经过后续的外层金属箔镀锡、蚀刻外层图形、印刷阻焊油墨、固化阻焊油墨、钻孔、沉铜、镀铜工艺等步骤，得到表面贴装形式的高分子PTC温度传感器。
本发明提供所述高分子PTC温度传感器的制备方法，按如下步骤：
第一，将导电高分子复合材料基层组分高分子聚合物、导电填料在高速混合机内混合，然后将混合物在100～200℃温度下混炼，然后用模压或挤出的方法制成面积为100～5000cm2，厚0.1～3.0mm的复合材料基层；再用热压的方法在热压机上把金属箔片复合于上述材料基层的第一第二两个表面，制成复合材料片材，然后再将此复合片材用γ射线（Co60）或电子束辐照交联，剂量为5～100Mrad，得到固定熔点在65-300℃之间且具有电阻正温度系数效应的复合材料片材；
第二，再采用印制线路板工艺制成表面贴装型高分子PTC温度传感器。
本发明有别于传统陶瓷PTC温度传感器，采用便于安装的表面贴装形式，便于安装；采用具有电阻正温度系数效应的高分子导电复合材料层作为高分子PTC温度传感器的芯材。产品的成本相较陶瓷类PTC温度传感器低，加工更方便，更适用于小型化器件的要求。
附图说明
图1：本发明实施例1整体立体视图；
图2：本发明实施例1单层片材剖面结构视图；
图3：本发明实施例2单层片材剖面结构视图；
图1、2中标号说明：
1、1a——上、下第一端电极；
2、2a——上、下第二端电极；
3、3a——上、下绝缘层；
4——第一导电电极；
5——高分子导电复合材料基层；
6——第二导电电极；
7——第一导电端；
8——第二导电端；
9、9a——阻焊层；
图3中：
1’、1a’——第一端电极；
2’、2a’——第二端电极；
3’、3a’——绝缘层；
4’——第一导电电极；
5’——高分子导电复合材料基层；
6’——第二导电电极；
7’——第一导电端；
8’——第二导电端；
9’、9a’——阻焊层。
具体实施方式
实施例1
图1本发明实施例1整体立体视图和图2本实施例单层复合片材剖面结构视图所示：
一种高分子PTC温度传感器，包括：
1）有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，该复合材料片材由具有第一、第二表面的电阻正温度系数效应的高分子导电复合材料层5和相对于第一、第二表面紧密贴合的第一导电电极4、第二导电电极6构成，所述的高分子导电复合材料层由聚合物高密度聚乙烯和分散于高密度聚乙烯中的导电填料金属硼化物组成，其固定熔点在65-300℃之间；
2）第一导电端7，与附在高分子导电复合材料层5上的第一导电电极4电气连接，与对应的第二导电电极6不电气连接；
第二导电端8，与附在高分子导电复合材料层5上第二导电电极6电气连接；与已经与第一导电端7电气连接的第一导电电极4不电气连接；
3）上、下第一端电极1、1a，位于整个元件的最外层的上、下面上，连接第一导电端7，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路一极电气相连；
上、下第二端电极2、2a，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的上、下两面上，连接第二导电端8，并与第一端电极7电气隔断，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；
4）上、下绝缘层3、3a，上绝缘层3贴覆于上述复合材料片材上的第一导电电极4上表面，和下绝缘层3a贴覆于上述复合材料片材上的第二导电电极6的下表面，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，用于电气隔离。
制法是：
将高密度聚乙烯、金属硼化物按一定比例在高速混合器中混合10min。然后将混合物组分在180℃温度下于密炼机中混炼均匀，经冷却，粉碎后将其放在压模中，压力5Mpa，温度180℃条件下压制成面积200cm2，厚0.2mm高分子复合材料基层5。将表面粗化后的铜箔经平整后，在压力5Mpa，温度160℃条件下热压到高分子复合材料基层的双面，即得到高分子导电复合材料层5与第一导电电极4和第二导电电极6覆合成的一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，在真空烘箱中80℃热处理48小时后，用γ射线（Co60）辐照，剂量为15Mrad。之后将一个电阻正温度系数效应的复合材料片材通过图形转移蚀刻技术使第一导电电极4和第二导电电极6分别蚀刻出绝缘槽，然后将一绝缘层上绝缘层3叠加于第一导电电极4和一金属箔之间，同时将下绝缘层3a叠加于第二导电电极6和另一金属箔之间，然后进行高温压合，压合后的基板通过端电极镀锡、外层图形蚀刻，印刷阻焊油墨等步骤，形成上下第一端电极1、1a和上下第二端电极2、2a。
然后经过后续的钻孔、沉铜、镀铜，形成两个导电端，分别为第一导电端7和第二导电端8。从而制备出具有两个焊接面的高分子PTC温度传感器。
本发明也可由两层或多层复合片材并联，采用如下的导通方式：
第一导电端，与每个复合材料片材中的其中一个导电电极电气连接，与对应的另一个导电电极不电气连接；
第二导电端，与每个复合材料片材中的已经与第一导电端电气连接的导电电极不电气连接，与每个复合材料片材中与第一导电端不电气连接的导电电极电气连接；
第一端电极，位于整个元件的最外层的一面或两面上，连接第一导电端，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路一极电气相连；
第二端电极，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的同一面或两面上，连接第二导电端，并与第一端电极电气隔断，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连。
以达到调整产品阻值的目的。
所述的聚合物除聚乙烯外占所述导电复合材料基层的体积分数介于20%～75%之间，选自除聚乙烯外，还可以是：氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。
所述的导电填料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。
所述的金属粉末选自：铜、镍、钨、锡、银、金或其合金中的一种及其混合物。
所述的导电陶瓷粉末选自除金属硼化物外，还可以是：金属氮化物、金属碳化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。
所述的导电端由激光钻孔、机械钻孔等工艺形成，且孔表面附着导电金属层构成，所述导电端的形状可以是任意规则的或不规则的形状。
所述的导电金属层，是通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的。
所述导电金属层，是由锌、铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物组成。
实施例2
本实施例其他与实施例1相同，只是导电端位于元件内部。如图3所示，
一种高分子PTC温度传感器，包括：
1）有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，该复合材料片材由具有第一、第二表面的电阻正温度系数效应的高分子导电复合材料层5’和相对于第一、第二表面紧密贴合的第一导电电极4’、第二导电电极6’构成，所述的高分子导电复合材料层由聚合物高密度聚乙烯和分散于高密度聚乙烯中的导电填料金属硼化物组成，其固定熔点在65-300℃之间；
2）第一导电端7’，位于元件内部，与附在高分子导电复合材料层5’上的第一导电电极4’电气连接，与对应的第二导电电极6’不电气连接；
第二导电端8’，位于元件内部的另一侧，与附在高分子导电复合材料层5’上第二导电电极6’电气连接；与已经与第一导电端7’电气连接的第一导电电极4’不电气连接；
3）上、下第一端电极1’、1a’，位于整个元件的最外层的上、下面上，连接第一导电端7’，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路一极电气相连；
上、下第二端电极2’、2a’，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的上、下两面的另一侧上，连接第二导电端8’，并与第一端电极7’电气隔断，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；
4）上、下绝缘层3’、3a’，上绝缘层3’贴覆于上述复合材料片材上的第一导电电极4’上表面，和下绝缘层3a’贴覆于上述复合材料片材上的第二导电电极6’的下表面，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，用于电气隔离。
本发明技术内容及技术特点已揭示如上,然而本领域技术人员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,而应包括各种不背离本发明的替换及修饰,并为以上的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种高分子PTC温度传感器，包括：
1）至少具有一个电阻正温度系数效应的复合材料片材，该复合材料片材由具有第一、第二表面的电阻正温度系数效应的高分子导电复合材料层和相对于第一、第二表面紧密贴合的第一导电电极、第二导电电极构成，所述的高分子导电复合材料层由聚合物和分散于聚合物中的导电填料组成，其固定熔点在65-300℃之间；
2）第一导电端，与每个复合材料片材中的其中一个导电电极电气连接，与对应的另一个导电电极不电气连接；
第二导电端，与每个复合材料片材中的已经与第一导电端电气连接的导电电极不电气连接，与每个复合材料片材中与第一导电端不电气连接的导电电极电气连接；
3）第一端电极，位于整个元件的最外层的一面或两面上，连接第一导电端，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路一极电气相连；
第二端电极，与第一端电极同样位于整个元件的最外层的同一面或两面上，连接第二导电端，并与第一端电极电气隔断，作为焊盘使用，焊接至电路中后使元件与外电路另一极电气相连；
4）绝缘层，贴覆于上述非同一复合材料片材上的第一导电电极和第二导电电极之间，以及元件最外层的导电电极和端电极之间，并用于电气隔离。
2.根据权利要求1所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于，所述的聚合物基导电复合材料层由聚合物和分散于聚合物中的导电填料组成，其中，聚合物占导电复合材料层的体积分数介于20%～75%之间，选自聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。
3.根据权利要求1或2所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于，所述的聚合物基导电复合材料层中导电填料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物。
4.根据权利要求3所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于，所述的金属粉末选自：铜、镍、钨、锡、银、金或其合金中的一种及其混合物。
5.根据权利要求3所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于，所述的导电陶瓷粉末选自：金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于，所述的导电端位于元件内部，或者，位于元件侧面，通过激光钻孔或机械钻孔，且孔表面附着导电金属层。
7.根据权利要求6所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于，所述的导电金属层是通过化学沉积、喷涂、溅射、电镀或是这几种工艺复合使用形成的导电金属层。
8.根据权利要求7所述的高分子PTC温度传感器，其特征在于所述导电金属层，是由锌、铜、镍、钴、铁、钨、锡、铅、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物组成。
9.根据权利要求1至8之任一项所述的高分子PTC温度传感器的制造方法，按照如下步骤：
第一，将导电高分子复合材料基层组分高分子聚合物、导电填料在高速混合机内混合，然后将混合物在100～200℃温度下混炼，然后用模压或挤出的方法制成面积为100～5000cm2，厚0.1～3.0mm的复合材料基层；再用热压的方法在热压机上把金属箔片复合于上述材料基层的第一第二两个表面，制成复合材料片材，然后再将此复合片材用γ射线（Co60）或电子束辐照交联，剂量为5～100Mrad，得到固定熔点在65-300℃之间且具有电阻正温度系数效应的复合材料片材；
第二，再采用印制线路板工艺制成表面贴装型高分子PTC温度传感器。
10.根据权利要求9所述的高分子PTC温度传感器的制造方法，其特征在于，所述的电阻正温度系数效应的复合材料片材的的制法是：
先将高密度聚乙烯、金属硼化物按比例在高速混合器中混合10min得到混合物，然后，将混合物在180℃温度、密炼机中混炼均匀，经冷却、粉碎后放在压模内压力5Mpa、温度180℃条件下模压成型，压制成200cm2，厚0.2mm高分子复合材料基层，将表面粗化后铜箔在压力5Mpa，温度160℃条件下热压到高分子复合材料基层的双面，在真空烘箱中80℃热处理48小时后，用γ射线（Co60）辐照，剂量为15Mrad制得具有电阻正温度系数效应的复合材料片；
具有两个焊接面的高分子PTC温度传感器的制法是：
将复合片材通过图形转移蚀刻技术使第一导电电极和第二导电电极分别蚀刻出绝缘槽，然后将一绝缘层叠加于第一导电电极和一金属箔之间，同时将另一绝缘层叠加于第二导电电极和另一金属箔之间，然后进行高温压合，压合后的基板通过端电极镀锡、外层图形蚀刻，印刷阻焊油墨步骤，形成上、下第一端电极和上、下第二端电极，然后，经过钻孔、沉铜、镀铜，形成两个导电端，分别为第一导电端和第二导电端，制得具有两个焊接面的高分子PTC温度传感器。
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