CN1195989C - 合格/故障电池指示器 - Google Patents

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Abstract

一种电池测试仪包括电压控制显示器。此电池测试仪在电池上布置，其中，第一分压器具有与电压控制显示器的一个接线端耦合的接线端并且第二分压器具有与电压控制显示器的第二接线端耦合的接线端。第二分压器包括非线性元件。与其它测试仪相比，本测试仪的主要优点在于，用户只需看测试仪就可判断电池是否良好。本测试仪不必抓着电池和按开关来操作测试仪。

Description

合格/故障电池指示器
技术领域
本发明涉及能在电池封装上安装的电池测试仪。
背景技术
置于电池上的已知类型电池测试仪是所谓的“热色”类型。在热色电池测试仪中可以有两个电极，用户通过手工按下开关而连接这两个电极。一旦开关被按下，用户就把电池的阳极通过热色测试仪连接到电池的阴极。热色测试仪包括具有可变宽度的银导体，从而导体的电阻也随着其长度而变化。当电流流经银导体时，电流产生热以改变覆盖在银导体上的热色油墨显示器的颜色。热色油墨显示器设置成指示电池相对容量的仪表。电流越大，产生的热就越多并且仪表更会改变以显示电池良好。
有时候开关很难被按下去，并且不容易判断测试仪是否工作或者电池是好还是坏。这使用户感到迷惑。按下开关而在电池单元的阳极和阴极之间建立起直接的具有相对较高导电性的连接，这会抽运很大的功率并且减少电池寿命。电池发热还会给出电池电荷状态的错误指示。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供一种电池测试仪，其包括：电压控制显示器；其一个接线端与电压控制显示器的一个接线端耦合的分压器；以及与分压器和电压控制显示器的第二接线端耦合的金属-绝缘体-金属器件，其中所述金属-绝缘体-金属器件包括第一电极、金属-绝缘体层和设在与第一电极相对的金属-绝缘体层上的第二电极，所述金属-绝缘体层包括具有自限制性的、稳定的本征氧化物层的金属颗粒，所述颗粒悬浮在介电粘合层中且本征氧化物与该层接触，其中所述电池测试仪进一步包括电阻，该电阻与金属-绝缘体-金属器件串联耦合，其中，在显示器第一接线端的电势是电池单元电压的一部分；而在显示器第二接线端的电势由金属-绝缘体-金属器件和与金属绝缘体-金属器件串联耦合的电阻上的电压决定。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种电池，其中包括：具有外围的电池单元；以及布置在电池单元外围上的电池测试仪，所述电池测试仪包括：电压控制显示器；其一个接线端与电压控制显示器的一个接线端耦合的分压器；以及与分压器和电压控制显示器的第二接线端耦合的金属-绝缘体-金属器件，其中所述金属-绝缘体-金属器件包括第一电极、金属-绝缘体层和设在与第一电极相对的金属-绝缘体层上的第二电极，所述金属-绝缘体层包括具有自限制性的、稳定的本征氧化物层的金属颗粒，所述颗粒悬浮在介电粘合层中且本征氧化物与该层接触，其中所述电池测试仪进一步包括电阻，该电阻与金属-绝缘体-金属器件串联耦合，其中，在显示器第一接线端的电势是电池单元电压的一部分；而在显示器第二接线端的电势由金属-绝缘体-金属器件和与金属绝缘体一金属器件串联耦合的电阻上的电压决定。
与其它测试仪相比，本测试仪的主要优点在于：用户只需看电池上的测试仪就可判断电池是否良好。本测试仪不必抓着电池和按开关来操作电池测试仪。尽管本测试仪总是开着，但只使用很小的电流及功率。根据用户按下多少次现有测试仪上的开关，本测试仪比现有测试仪更有效。在电池寿命方面，本测试仪使用更小的电流或者与热色方法不相上下。
本测试仪包括电压敏感显示器和为金属-绝缘体-金属二极管(M-I-M二极管)或晶体管的非线性元件。电压敏感显示器使用基于电压切换的材料。此显示器不需大量的电流，因此它不会很大消耗作为显示器电源的电池。当然，本电池测试仪不必是“常开”测试仪。非线性元件使显示器切换以指示良好或不良状态。
附图说明
图1为包括低功率电压控制显示器的电池测试仪的示意图。
图2为安装有图1电池测试仪的电池的示意图。
图3为用于图1测试仪中的M-I-M二极管结构的横截面视图。
图3A为沿图3中线3A-3A剖分的局部放大视图。
图4为替代M-I-M二极管结构的横截面视图。
图4A为沿图4中线4A-4A剖分的局部放大视图。
图5为另一替代M-I-M二极管结构的横截面视图。
图6为制造图3元件的工艺流程图。
图7A-7D为示出图3-6中M-I-M二极管器件典型切换特性的电压-电流曲线。
具体实施方式
现在参照图1，电池测试仪10耦合到电池11。电池测试仪10包括含置于两并联电极12、14之间的显示器16的并联电路。电极12在由两电阻18和20形成的分压器处连接到电路10。电极14连接到并联电路的另一侧。并联电路的另一侧具有非线性元件，即开关22，以及第三电阻24。
显示器16是超低电流的电压控制型显示器。该显示器的一种类型是电泳显示器，如在Massachusetts Institute of Technology 1998年6月“全印刷的双稳态反射显示器：可印刷的电泳油墨和全印刷的金属-绝缘体-金属二极管”中描述且由E-INK Inc.Cambridge，Ma提供的显示器。此种显示器基于所谓的“电子油墨”，如基于施加的电压而改变其性质的电泳材料。使用诸如电子油墨的电泳材料，平板显示器可印刷在基体材料上。这些显示器抽运非常小的电流，因而消耗非常小的功率。任何电压敏感材料可用作显示器。另一种具有相似性质的材料在Scientific American 1998年9月的“纸的再发明”中描述并称为“Gyricon”。Gyricon也是电压敏感材料。显示器16需要的工作电压在测试仪10正监视的电池的电压范围内。
非线性元件22可以是任何非线性元件。优选实例是所谓的金属-绝缘体-金属二极管，(M-I-M二极管)也在上述论文中进行了概括性描述。
以下结合图3-6描述优选的M-I-M二极管。
如果电阻18的值等于电阻20的值，在接线端12的电势就总是电池单元电压的一半。电极14的电势由非线性元件22和电阻24上的电压决定。根据电阻18、20和24的值，在接线端12的电压会从已知的值开始。当因电池使用或泄漏而从电池抽运电流时，电极12的电压会相对于电极14的电压而变化。由于元件22是非线性的，有时它会切换使电极12的电压相对于电极14的电压而变为负的。当非线性元件切换时，这会翻转显示器的极性，使显示器改变颜色，指示电池不再在某些确定的规范内。显示器可接入电路中，以便显示器可打开或关闭以指示电池不再在某些确定的规范内。理论上，在电池测试仪工作的任一情况下，当电池单元的状态改变即良好或不良时，显示器表现出颜色上的改变。
由于电池测试仪10是印刷器件，非线性元件可安装基于碳油墨的电极，这将在以下描述。电阻也可以是基于碳的，并且包含填充物以降低电阻的导电性而使它们更具电阻性。理想地，整个电池测试仪10应具有非常高的总电阻，如为15兆欧数量级。对于1.5V电池单元，设置抽运100纳安(na)电流的测试仪10，此电流值是足够低的电流水平而使对电池寿命的影响最小。例如，对于具有7年寿命的“双A”电池单元，100na抽运仅消耗电池容量的大约0.5％。
现在参照图2，所示的电池11具有包括在标牌32内电池测试仪10，标牌32环绕电池30的外围。测试仪10的元件，如电阻18、20和24以及非线性元件22(在图2中都未示出)，可以用丝网印刷或收缩杆印刷技术在标牌32下面印刷，另一方面，显示器16可在标牌32上面或在标牌32的透明部分下印刷。仅通过视觉检查，用户就可由显示器的状态或者一种颜色或其它颜色判断电池30是否满足特定的规范如充电或放电。充电状态会由一种颜色指示，而放电状态由不同的颜色指示。
可替换地，测试仪可以是使用电压控制显示器的手工启动的测试仪，此测试仪可安装在电池单元上且通过压力接触而启动，或者可装入电池封装中。
现在参照图3，示出金属-绝缘体-金属二极管40。金属-绝缘体-金属二极管40包括第一电极42，其中，电极42例如为铜箔基片；或另一导电材料如碳或金；或其它导电材料如铬、钨、钼；或其它导电材料如弥散在诸如导电油墨的聚合物粘合剂中的金属颗粒。金属-绝缘体-金属二极管40还包括复合金属-绝缘体层44，其中，复合金属-绝缘体层44包含悬浮在介电粘合层52中的金属颗粒50。如图3A所示，金属颗粒50具有覆盖在颗粒50表面上的本征氧化物层50a。一种优选的金属是钽，它易于形成内在的、稳定的且一般为均匀的本征氧化物层50a。也可使用其它金属如铌。这些其它的金属应该形成自限制性的、稳定的且对于应用具有合适介电常数的氧化物。优选钽的一个原因是当钽暴露在空气中时在钽上容易形成本征氧化物层。
布置在复合金属-绝缘层44上的是第二电极46，其中，电极46还例如包含铜；或另一导电材料如碳、铬、钨、钼；或者金或其它导电材料。第二电极优选直接布置在层42上，以与颗粒50上的本征氧化物层50a接触。第二电极还可以是包含导电材料和粘合剂的复合层。通过改变电极层46的导电率，元件40的电气特性可以改变。具体地，I-V特性曲线可制作得更尖锐从而获得更陡峭的开/关特性。也就是说，导电率越高，曲线就越尖锐。
如以下在图7A-7D中描述的，M-I-M元件具有表现出二极管类元件性质的对称电流-电压(I-V)特性曲线。此元件也可制作得比其它方法具有更低的切换电压，如小于10V并且更具体地小于1V-约0.5V，但同时具有相同的对称性质。通过改变钽对粘合剂的比例以及钽-粘合剂层的厚度，使I-V特性曲线对于相同材料能在正/负50％或更大的范围内上下移动。
元件40的切换电压对于不同的元件可以是更一致的。部分原因是有更一致的氧化物层厚度和更一致的内在形成氧化物的质量。与热退火或阳极化的氧化物层相比，钽氧化物层50a的厚度不会大幅度变化。相信本征层50a对于不同的钽颗粒50也具有基本均匀的厚度，此厚度为单分子层厚度的数量级。钽颗粒的特点是其粉末的粒径在小于0.5微米到大约10微米的范围内。印刷层44的厚度小于0.5到8-10密耳。在这可使用其它的粒径和厚度。
现在参照图4，二极管的另一实施例40′包括层44′，其中，层44′包含另一介电材料的惰性颗粒54(如图4A所示)，此颗粒例如为弥散在聚合物粘合剂52和具有氧化物层50a的钽颗粒50之中的二氧化钛TiO2或碳酸镁MgCO3的颗粒54。在此实施例中，一部分(如0％-75％)钽颗粒50由诸如二氧化钛或碳酸镁的惰性介电材料颗粒54取代。尽管优选单独使用本征氧化物层50a，但钽颗粒50也可选地具有分布在钽附近的退火氧化物层或其它类型的氧化物层。
在聚合物粘合剂52和钽颗粒50中添加介电颗粒，如二氧化钛固体，可改进层44′的印刷，使得能利用更少量的钽颗粒但同时仍然保持高的固体含量，此高固体含量表现出良好的二极管性质。对于非常薄的金属/绝缘材料层尤其希望如此，以避免两电极42和46通过层44′短路。包含惰性材料可降低短路的可能性并提供更一致的膜/涂层。
而且，在钽浓度足够低时，可提供给元件更高的切换电压。可以预料，不需在钽颗粒周围使用氧化物层作为绝缘体即作为电子为了导电而需要超越的势垒，此势垒将由惰性材料的介电性质决定，在钽浓度更低时此惰性材料例如为二氧化钛和粘合剂。
现在参照图5，二极管的另一实施例40″具有第一电极42以及在第一电极上的金属-绝缘层44或44′。当对金属-绝缘层44或44′制作连接58时，此结构40″可得到相似的二极管性质。通过取消第二电极，器件40″有更少的层，其制作工艺改变，但基本上不改变金属绝缘体层的特性。
现在参照图6，图3元件可以按如下制备：工艺60包括把纯度99.97％的钽粉末与聚合物粘合剂以及触变材料混合62，其中，钽粉末具有本征氧化物层且粒径例如小于5微米，聚合物粘合剂例如为Acheson，Electrodag 23DD146A或Acheson SS24686。这两种聚合物粘合剂都是来自Acheson，Port Huron，MI。其它粘合剂可以用于与钽形成钽油墨。这些粘合剂应该与钽或其它所用金属是电绝缘的且稳定的，并且优选具有相对较高的固体含量如15％-35％左右。钽可在粘合剂总重的100％-39％范围内。也可采用其它范围。钽颗粒与粘合剂充分混合形成钽油墨。钽油墨印刷64在诸如为铜箔基片的第一电极上或在其它导电材料上。例如用收缩杆、丝网印刷、曲面或凹版印刷技术中的一种印刷该层。把此层烘干66，例如在烘炉中在120℃下烘干15-20分钟。在钽粘合剂层上印刷68第二导电层，第二导电层例如为以铬颗粒形式混合在粘合剂材料中的铬。此铬层也例如在120℃下烘干15-20分钟40，形成元件40。随后，可测试42器件40。
对于第一和/或第二电极可以使用替代的导电层或金属，如铜、钨、钼、碳等。此层的导电率随着导电材料对粘合剂相对浓度的改变而变化。导电材料的典型范围是30％-39％。通过改变此层的导电率，电流-电压特性曲线的形状可以变化，使得该曲线稍微尖锐点，以生产具有更陡峭开/关响应的二极管。
由于所用的钽颗粒具有本征氧化物层50a，因此可以简化工艺。不需要对钽粉末进行热退火或其它预先的热处理。本征氧化物涂层在厚度和质量上非常一致。这趋向于生产非常一致的金属-绝缘体层材料以及其切换电压在一系列二极管中具有相对较低标准偏差的二极管。
另一优点在于，由于不需要对钽粉末进行热退火，可调整油墨的性质以实现各种二极管性质从而适合不同的应用。油墨形成是比钽的热处理更容易控制的工艺。
本元件也可被看作是压敏电阻，即薄的印刷压敏电阻。此M-I-M结构有利于需要非线性元件的应用中，其中非线性元件以较低的电压及如果可能的话以较低的电流工作，此结构可以不用半导体淀积技术印刷。
现在参照图7A-7D，图中示出图3-6M-I-M二极管元件典型切换特性的电压-电流曲线。如图7A所示，M-I-M二极管元件的电流电压特性曲线74在大约1.8V的100na(纳安)处表现出切换电压，开/关比计算为约33。使用惠普半导体分析仪4155B型获得电流电压特性曲线74。
本元件所用的钽层通过混合5克Alfa Aesar，Ward Hill，MA的粒径小于2微米的钽颗粒和20克Electrodag 23DD146A的聚合物而制备，此聚合物具有25％固体-75％挥发性化合物的组成。用15密耳的切口(cutout)把油墨涂敷到铜箔的导电表面上，即形成湿厚15密耳的层。把试样在烘炉中在120℃下烘干20分钟。用于二极管第二层的油墨通过混合5克AlfaAesar的粒径小于5微米的铬粉末和4克Electrodag 23DD146A而制备，并用5密耳的切口涂敷在钽油墨层的顶部。此涂层在120℃下烘干20分钟。
如图7B所示，基于不同的“P∶B”比例，即金属(如钽)颗粒对粘合剂的比例，M-I-M二极管可表现出不同的切换电压。如图7B所示，对于相同的15密耳厚度，P∶B比例分别为5、2和1时，元件在100纳安表现出的切换电压大约为9V(曲线75a)、5.3V(曲线75b)和3.8V(曲线75c)。
另外如图7C所示，改变钽层的湿厚也可形成不同的切换电压。对于钽对粘合剂比例(P∶B)为8∶1的钽层，具有15密耳厚钽层的M-I-M二极管表现出的切换电压为大约9V(曲线76a)；具有10密耳厚钽层的M-I-M二极管表现出的切换电压为大约7.8V(曲线76b)；具有5密耳厚钽层的M-I-M二极管表现出的切换电压为大约4.6V(曲线76c)。每个切换电压都是在100纳安下测量的。
现在参照图7D，在钽层中添加碳酸镁可形成具有一贯较高的开/关比例并且对切换电压的影响最小的M-I-M二极管。如图7D所示，随着碳酸镁的量增加，切换电压特性变得更陡峭。曲线77a示出的开关特性，对于P∶B比例1∶1的100％钽层，切换电压为1.8V。曲线77b-77d示出当碳酸镁的量增加时，切换特性变得更陡峭，因此表示更好的开/关比例。
其它实施例
应该理解，虽然本发明已结合其详细描述进行了说明，但前述描述只是示例性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围由后附权利要求书的范围确定。其它方面、优点、和变更都包括在后附权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种电池测试仪，其包括：
电压控制显示器；
其一个接线端与电压控制显示器的一个接线端耦合的分压器；以及
与分压器和电压控制显示器的第二接线端耦合的金属-绝缘体-金属器件，其中所述金属-绝缘体-金属器件包括第一电极、金属-绝缘体层和设在与第一电极相对的金属-绝缘体层上的第二电极，所述金属-绝缘体层包括具有自限制性的、稳定的本征氧化物层的金属颗粒，所述颗粒悬浮在介电粘合层中且本征氧化物与该层接触，
其中所述电池测试仪进一步包括电阻，该电阻与金属-绝缘体-金属器件串联耦合，
其中，在显示器第一接线端的电势是电池单元电压的一部分；而在显示器第二接线端的电势由金属-绝缘体-金属器件和与金属绝缘体-金属器件串联耦合的电阻上的电压决定。
2.如权利要求1所述的电池测试仪，其中显示器是电泳显示器。
3.如权利要求1所述的电池测试仪，其中分压器包括一对具有相同电阻值的电阻。
4.如权利要求1所述的电池测试仪，其中工作中的测试仪总是与一电池耦合。
5.如权利要求1所述的电池测试仪，其中，当因电池使用或泄漏而从电池抽运电流时，显示器一个接线端的电压会相对于显示器另一接线端的电压而变化。
6.如权利要求5所述的电池测试仪，其中，金属-绝缘体-金属器件会切换状态使显示器一个接线端的电压相对于显示器另一接线端的电压变为负值，从而使显示器的颜色改变以指示电池是好还是坏。
7.一种电池，其中包括：
具有外围的电池单元；以及
布置在电池单元外围上的电池测试仪，所述电池测试仪包括：
电压控制显示器；
其一个接线端与电压控制显示器的一个接线端耦合的分压器；以及
与分压器和电压控制显示器的第二接线端耦合的金属-绝缘体-金属器件，其中所述金属-绝缘体-金属器件包括第一电极、金属-绝缘体层和设在与第一电极相对的金属-绝缘体层上的第二电极，所述金属-绝缘体层包括具有自限制性的、稳定的本征氧化物层的金属颗粒，所述颗粒悬浮在介电粘合层中且本征氧化物与该层接触，
其中所述电池测试仪进一步包括电阻，该电阻与金属-绝缘体-金属器件串联耦合，
其中，在显示器第一接线端的电势是电池单元电压的一部分；而在显示器第二接线端的电势由金属-绝缘体-金属器件和与金属绝缘体-金属器件串联耦合的电阻上的电压决定。
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