CN1331844A - 导电聚合物ptc电池保护装置及其制备方法 - Google Patents

导电聚合物ptc电池保护装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

电池保护装置包括层压到导电聚合物PTC层(12)的上表面的上箔片电极(56)和层压到PTC层(12)的下表面的下箔片电极(58)。通过在下电极(58)中产生环状隔离间隔(20)来形成下电极的隔离部分。形成穿过上电极、PTC层和下电极的隔离部分的第一通孔(27)。第一通孔(27)的直径小于隔离电极部分的直径,使隔离电极部分的环状区域在开孔和隔离间隔之间。第一通孔的内壁表面和环状电极区域镀覆有导电金属化层(32A),导电金属化层(32A)形成第一接触基座(36),第一接触基座(36)通过第一通孔的金属化表面与上电极(56)导电连接。第一接触部件(52)被固定到第一接触基座(36)。与隔离部分间隔开的下电极区域镀覆有金属。形成穿过上电极(56)、PTC层(12)和下电极的金属镀覆区域的第二通孔(38),在金属镀覆区域中有开孔。第二通孔(38)的直径小于金属镀覆区域的直径,这样第二接触基座(40)围绕第二通孔的开孔限定在金属镀覆区域内,第二接触部件(54)被固定到此。

Description

导电聚合物PTC电池保护装置及其制备方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)，要求1998年10月6日提交的共同未决临时申请No.60/103,256的权益。
背景技术
本发明主要涉及具有正温度系数电阻率的电子元件或装置，通常称为“PTC”装置。本发明尤其涉及聚合物PTC装置，特别构成该装置来防止电池过充电或漏电流。
层压的聚合物电子元件包括层压在上下金属箔片层之间的一层聚合物材料，这已在本领域中公知。例如，参见Taylor的美国专利No.4,426,633，Chan等的No.5,089,801，Plasko的No.4,937,551，Nagahori的No.4,787,135和Hogge等的No.5,802,707；以及国际公开No.WO97/06660。在此类装置中，金属箔片层通常形成电极，电触点或引线固定到电极上。
变得日益普遍的一种聚合物电子元件是采用具有PTC特性的聚合物。聚合物PTC元件的具体应用是在电池保护装置中。在该装置中，过充电或漏电流导致聚合物PTC材料的温度升高到“转换温度”之上，此时其电阻急剧地增加，防止电流流过，从而防止电池被破坏。
多种电子设备由AA或AAA型号的干电池供电。有利的是提供结构上该类电池能使用的电池保护装置。具体地，该装置使电池能有效地封装在设备内并且为电池端子提供可焊接的触点。
发明综述
概括地，本发明主要是电池保护装置，包括：层压在上下金属箔片电极之间的一层导电聚合物PTC材料；与上电极电接触而与下电极电绝缘的第一接触部件；以及与第一接触部件在基本上相同的平面内直接与下电极机械和电接触的第二接触部件。具体地，通过聚合物层和上下电极形成的通孔所提供的导电通路把第一接触部件电连接到上电极。
在特定优选实施例中，将上电极层压到导电聚合物PTC层的上表面，将下电极层压到导电聚合物PTC层的下表面。通过去除下电极的预定环状部分来形成下电极的隔离部分，从而形成把隔离部分与下电极的其余部分分离的环状隔离间隔。第一通孔穿过上电极、聚合物PTC层和下电极的隔离部分形成，开孔被环状隔离间隔同心地包围。第一通孔的直径小于下电极的隔离部分内径，这样在开孔和环状隔离间隔之间留下隔离电极部分的环状区域。第一通孔的内壁表面和环状隔离电极区域镀覆有导电金属化层。金属化层在环状隔离电极区域上形成第一环状接触基座，借助第一通孔的金属化表面与上电极导电连接。第一接触部件导电粘结到第一环状接触基座。
与隔离部分间隔开的下电极的预定圆形区域镀覆有导电金属化层。与第一通孔间隔开的第二通孔穿过上电极、聚合物PTC层和下电极的金属镀覆圆形区域形成，开孔在金属镀覆圆形区域。第二通孔的直径小于金属镀覆圆形区域的直径，这样第二环状接触基座限定在围绕金属镀覆圆形区域中第二通孔的开孔。第二接触部件导电粘结到第二环状接触基座。
第一、第二接触部件的尺寸加工成与典型的AA或AAA电池的正极和/或负极端子形成电接触。而且，接触部件的材料和结构使电池端子能焊接到接触部件表面。
本发明提供在正常充电和漏电流下穿过聚合物PTC层在上下电极之间的导电通路。在该电流下，聚合物PTC层具有相对低的电阻，这因为聚合物PTC层的电流产生的热量不足以使其达到它的转换温度。响应于过充电或漏电流，电流产生的热量使聚合物PTC层升温到高于其转换温度，在该温度其电阻突然增加3个或更多个数量级，从而实质上降低通过电池的电流，防止电池在过电流状态。当由于电流降低，聚合物PTC层的温度降低到低于转换温度时，聚合物PTC层的电阻回复到正常的低值，由此使电池正常充电和漏电。
附图的简要说明
图1-3是包括在上下箔片层之间的导电聚合物PTC层的层压体的部分横截面图，表示按照本发明的优选实施例在制造电池保护装置的方法中的最初三个主要步骤；
图4A是完成制造方法中的第四个主要步骤后的层压体平面图；
图4B是沿图4A的线4B-4B剖开的横截面图；
图5和6是类似于图1-3的横截面图，表示制造方法中第五和第六个主要步骤；
图7A是类似于图4A的平面图，表示制造方法中的第七个主要步骤后的层压体；
图7B是沿图7A的线7B-7B剖开的横截面图；
图8是沿图7B的线8-8剖开的平面图；
图9是按照本发明的优选实施例已完成的电池保护装置的横截面图；以及
图10是图9的电池保护装置的透视图。
优选实施例的详细描述
现在参照附图，图1-9示意说明按照本发明的优选实施例制造电池保护装置的方法。首先参照图1，层压体10由夹在上箔片层14和下箔片层16之间的一层导电聚合物PTC材料12形成。聚合物层12由任何适当的导电聚合物组分，例如在其中混合适量碳黑的高密度聚乙烯构成，碳黑导致所要的工作特性，包括PTC性能。例如参见都已转让给本发明受让人的国际公开No.WO97/06660和美国专利No.5802709，该公开在此完全引用供参考。箔片层14、16优选是镍或镀镍的铜，其球状表面与聚合物层12接触以提高粘合力，正如现有技术所公知的。在上述国际公开No.WO97/06660和美国专利No.5802709中披露了形成层压体10的方法。最好以每边约10cm或更大的方形片(图4A，7A)形成层压体10。
使用标准光刻胶和蚀刻方法对层压体10的上下箔片层14、16构图，刻划出分立的区域18阵列，每个分立的区域确定一个单独的装置，如图4A和7A所示，随后的描述将指单个区域18，应当理解所有的区域18同时进行同样的制造步骤。
在刻划区域18的同时，采用光刻胶和蚀刻技术通过去除下箔片层16的预定环状部分在聚合物PTC层12的下表面上，产生环状隔离间隔20(图2)。环状隔离间隔20包围并隔离第一圆形区域，第一圆形区域形成下箔片层16的隔离部分21。接着，如图3所示，将上绝缘层22施加于上箔片层14，并将下绝缘层24施加于下箔片层16。将最好由热固玻璃层或聚合物材料构成的绝缘层22、24通常丝网印刷在各个箔片层上，然后固化。对上绝缘层22构图，露出上箔片层14的圆形区域25。上箔片层14的裸露的圆形区域25与下箔片层16的隔离部分21同轴地对准。对下绝缘层24构图，以便覆盖聚合物层12的下表面的环状隔离间隔20和下箔片层16的隔离部分21的圆周环状部分。因此，露出下箔片层16的隔离部分21的主要中心部分。被下绝缘层24露出的还有下箔片层16的第二圆形区域26，第二圆形区域26与第一圆形区域21间隔开。除了固定接触部件(如下所述)的地方外，绝缘层22、24在装置的两个侧面上提供绝缘表面。
图4A和4B示意说明第一通孔27的形成，穿过上箔片层14的裸露的圆形区域25、聚合物层12、和下箔片层16的隔离部分21形成通孔27，从而圆形开孔被限定在下箔片层16的隔离部分21内。第一通孔27优选由钻孔形成，但也可以由冲孔形成。最好如图4B所见，第一通孔27的直径小于下箔片层16的隔离部分21的直径，这样箔片材料的第一环状下接头环28保留在下箔片层16的隔离部分21中的第一通孔27的下开孔周围。类似地，第一通孔27的直径小于上箔片层14的裸露的圆形区域25的直径，这样裸露的箔片的环状上接头环29保留在上箔片层14的暴露出的圆形区域25中的第一通孔27的上开孔周围。尽管如此，第一通孔27的直径应当足够大(例如，约5mm)，以便容纳把电池端子(未示出)焊接到接触部件的焊接探头，接触部件固定在第一通孔27的下开孔上，如下所述。
接着，如图5所示，优选电镀铜或镍的第一金属化层包括第一部分30A，第一部分30A形成在第一通孔27的内壁表面上、第一环状下箔片接头环28上和上环状箔片接头环29上。第一金属化层还包括第二部分30B，第二部分30B形成在下箔片层16的第二圆形裸露的区域26上。第一金属化层的第一部分30A在上箔片层14和第一下环状箔片接头环28之间形成物理、电接触，第一下环状箔片接头环28通过环状隔离间隔20与下箔片层16隔离。
然后形成第二金属化层，如图6所述。优选是焊料并且能由任何适当方法施加的第二金属化层具有两部分：第一部分32A，它与第一金属化层30的第一部分30A相一致并且覆盖在其上；以及第二部分32B，它施加在第一金属化层的第二部分30B上，第一金属化层的第二部分30B覆盖下箔片层16的第二圆形箔片区域26。如果第二金属层32A、32B是焊料层，它将不能很好地附着到聚合物材料。因此，第一金属化层30A、30B提供一种介质，借助于该介质第二金属化层的对应部分32A就能附着到第一通孔27的内壁表面。
显然，第一和第二金属化层提供在上箔片层14的上环状箔片接头环29和下箔片层16的第一下环状接头环28之间的导电通路。镀金属的第一下环状接头环由此确定第一环状接触基座36，第一环状接触基座36电连接到上箔片层14，同时通过环状隔离间隔20与下箔片层16隔离。
图7A和7B示意说明经过层压体10形成第二通孔38的步骤，第二通孔38从上箔片层14中的上开孔到被第一、第二金属化层的第二部分30B、32B分别覆盖的下箔片层16的第二圆形区域26中的下开孔。第二通孔38像第一通孔27一样，优选由钻孔形成，但也可以由冲孔形成。第二通孔38的直径小于第二圆形区域26的直径，这样第二环状接触基座40被金属化圆形箔片区域26的环状剩余部分确定，金属化圆形箔片区域26围绕第二通孔38的下开孔。而且，与第一通孔27一样，第二通孔38的直径应当足够大(例如，约5mm)，以便容纳把电池端子(未示出)焊接到接触部件的焊接探头，接触部件固定在第二通孔38的下开孔上，如下所述。
图9和10表示第一、第二盘形导电接触部件52、54已分别固定到第一、第二环状导电位置36、40，从而分别覆盖第一、第二通孔27、38的下开孔后已完成的电池保护装置50。优选通过第二金属化层焊料的回流来完成接触部件52、54的固定，第二金属化层形成第一、第二导电位置36、40。接触部件52、54优选由镍、或镀镍的铜、或能由焊接固定的一些其它耐用的导电金属构成。
在固定接触部件52、54后，通过传统方法例如锯法从片10单个分开单个装置50。在每个单个电池保护装置50中，如图9和10所示，上箔片层在层压的导电聚合物PTC元件12的上表面上提供上电极56，以及下箔片层在PTC元件12的下表面上提供下电极58。第一接触部件52经过第一通孔27分别通过第一环状接触基座36和第一、第二金属化层的第一部分30A、32A电连接到上电极56，然而，第一接触部件52通过隔离间隔20与下电极58隔离。第二接触部件54通过第二环状接触基座40电连接到下电极。
构成第一、第二接触部件52、54，使通常小型单个电池的电池组(例如AA或AAA电池)的端子通过经通孔27、38插入的焊接探头能直接焊接到第一、第二接触部件52、54，如上所述。而且，选择装置50的总尺寸，以便容纳电池在最小实际空间中。例如，构成为容纳两个AAA电池的长约20mm、宽约10mm的装置50。
在上面描述本发明优选实施例的同时，本领域技术人员可以进行各种变化和改型。认为各种变化和改型在所附权利要求所限定的本发明精神和范围内。

Claims (14)

1.一种电池保护装置，包括：
层压在上下金属电极之间的一层导电聚合物PTC材料；
与上电极电接触而与下电极电绝缘的第一接触部件；以及
与第一接触部件在基本上相同的平面内直接与下电极机械和电接触的第二接触部件。
2.根据权利要求1的装置，其中穿过聚合物PTC层和上下电极形成的导电通路把第一接触部件电连接到上电极。
3.根据权利要求2的装置，其中导电通路包括穿过聚合物PTC层和上下电极形成的金属化通孔。
4.根据权利要求1的装置，其中导电聚合物PTC层具有上表面和下表面，其中上电极被层压到上表面并且下电极被层压到下表面。
5.根据权利要求2的装置，还包括：
在下电极中限定该下电极的隔离部分的环状隔离间隔；以及
穿过上电极、导电聚合物PTC层和下电极的隔离部分延伸的通孔，
其中导电通路包括金属化层，金属化层穿过通孔将上电极与下电极的隔离部分连接。
6.根据权利要求5的装置，其中金属化层在下电极的隔离部分上形成环状导电接触基座，并且其中第一接触部件固定到该接触基座。
7.根据权利要求6的装置，其中将第二接触部件固定到下电极的与隔离部分借助于隔离间隔而电绝缘的位置处。
8.根据权利要求7的装置，其中通孔是第一通孔并且接触基座是第一接触基座，该装置还包括：
穿过上电极、导电聚合物PTC层和下电极形成的第二通孔，从而第二环状导电接触基座围绕第二通孔形成在下电极上；
其中第二接触部件固定到第二接触基座。
9.一种电池保护装置，包括：
具有上、下表面的聚合物PTC元件；
层压到上表面的平面状上电极；
层压到下表面的平面状下电极；
在下电极中限定电隔离部分的隔离间隔；
穿过PTC元件、上电极和下电极的隔离部分的通孔；
金属化层，它穿过通孔将上电极与下电极的隔离部分连接，并且在通孔周围在下电极的隔离部分上形成环状导电接触基座；
在接触基座上的第一接触部件；以及
在下电极上的第二接触部件。
10.根据权利要求9的装置，其中接触基座是第一接触基座，并且第二接触部件是在形成在下电极上的第二导电接触基座上，第一、第二接触基座相互电绝缘。
11.根据权利要求10的装置，其中通孔是第一通孔，接触基座是第一接触基座，该装置还包括：
穿过上电极、导电聚合物PTC层和下电极形成的第二通孔，从而第二环状导电接触基座围绕第二通孔形成在下电极上；
其中第二接触部件固定到第二接触基座。
12.一种制造电池保护装置的方法，包括步骤：
(A)在上、下金属箔片层之间层压一层导电聚合物材料；
(B)在下箔片层中形成环状隔离间隔以产生下箔片层的隔离部分；
(C)形成穿过导电聚合物层、上箔片层和下箔片层的隔离部分的通孔；
(D)形成穿过通孔的金属化层，以便将上箔片层与下箔片层的隔离部分连接，并且以便围绕通孔在下箔片层的隔离部分上形成环状导电接触基座；
(E)将第一接触部件固定到接触基座；以及
(F)将第二接触部件固定到下箔片层的与隔离部分以隔离间隔隔开的位置上。
13.根据权利要求12的方法，其中形成金属化层的步骤包括步骤：
(D)(1)形成穿过通孔的第一金属化层，以便将上箔片层连接到下箔片层的隔离部分，并且以便围绕通孔在下箔片层的隔离部分上形成环状第一导电接触基座；以及
(D)(2)在下箔片层的与隔离部分以隔离间隔隔离的位置上形成第二金属化层部分，以便在第二金属化层部分上形成第二导电接触基座；
其中固定第二接触部件的步骤包括将第二接触部件固定到第二接触基座的步骤。
14.根据权利要求13的方法，其中形成通孔的步骤包括形成第一通孔的步骤，并且形成金属化层的步骤后跟着形成穿过上箔片层、导电聚合物PTC层和第二金属化部分的第二通孔的步骤，从而由围绕第二通孔的、第二金属化层部分的环状部分来限定第二接触基座。
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