TW201842515A - 包含負溫度係數/正溫度係數裝置的混合裝置結構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種混合裝置，包括：第一電極，安置於混合裝置之第一側上；第二電極，安置於混合裝置之第二側上，第二側與第一側相對。混合裝置可更包含安置於第一電極與第二電極之間的至少一個層，至少一個層包括負溫度係數材料及多個導電粒子，其中混合裝置呈現正溫度係數特性及負溫度係數特性。

Description

包含負溫度係數/正溫度係數裝置的混合裝置結構

實施例是關於電湧保護裝置領域，且更特定言之，是關於過電壓保護裝置以及可重置熔絲。

習知正溫度係數（positive temperature coefficient；PTC）材料用於藉由依賴於包含導電粒子的聚合物複合物來提供t保護。在加熱至給定溫度時，歸因於聚合物基質之變化，複合材料自低電阻狀態轉化至高電阻狀態，諸如熔融轉化或玻璃轉化。在通常高於室溫的此轉化溫度下，聚合物基質可膨脹並且打擾亂導電網路，使複合物顯現更少導電。電阻之此改變將熔絲類特性賦予PTC材料，當PTC材料冷卻回至室溫時其改變可為可逆的。此簡單PTC行為適用於諸如可重置熔絲的應用，其中在高於臨限值溫度下將阻止組件之操作。舉例而言，一旦在高於轉化溫度下PTC材料轉化為高電阻狀態，組件即可藉由PTC熔絲而缺乏電流。當在高溫下此類行為保護組件時，此類PTC材料可能未理想用於其中在低溫下保護操作為所需的應用。此結果是因為在低溫下此類PTC材料保持低電阻狀態。

關於這些及其他考慮因素，提供本揭露。

例示性實施例涉及基於PTC材料及NTC材料的改良材料及裝置。

在一個實施例中，一種混合裝置可包含安置於混合裝置之第一側上的第一電極，安置於混合裝置之第二側上的第二電極，所述第二側與所述第一側相對。混合裝置可更包含安置於第一電極與第二電極之間的至少一個層，所述至少一個層包括負溫度係數材料及多個導電粒子，其中混合裝置呈現正溫度係數特性及負溫度係數特性。

在另一實施例中，一種混合裝置可包含安置於混合裝置之第一側上的第一電極；安置於混合裝置之第二側上的第二電極，所述第二側與所述第一側相對；以及安置於第一電極與第二電極之間的中央層，中央層包括：聚合物基質；及分散於聚合物基質內的多個半導體粒子，其中混合裝置呈現負溫度係數特性。

現將在下文參看繪示例示性實施例的隨附圖式更全面地描述本發明實施例。實施例不應被理解為受限於本文所闡述之實施例。實情為，提供這些實施例，以使得本揭露將為透徹且完整的，且將向本領域的技術人員充分傳達本揭露的範疇。在圖式中，相同編號通篇指相同元件。

在以下描述及/或申請專利範圍中，術語「在……上」、「上覆於……」、「安置於……上」以及「在……上方」可使用於以下描述以及申請專利範圍中。「在……上」、「上覆於……」、「安置於……上」以及「在……上方」可用以指示兩個或大於兩個元件彼此直接物理接觸。並且，術語「在……上」、「上覆於……」、「安置於……上」以及「在……上方」可意謂兩個或大於兩個元件不彼此直接接觸。舉例而言，「在……上方」可意謂一個元件在另一元件上方但並不彼此接觸且在所述兩個元件之間可具有另外一或多個元件。此外，術語「及/或」可意謂「及」、可意謂「或」、可意謂「互斥或」、可意謂「一個」、可意謂「一些，但並非所有」、可意謂「皆不」、以及/或可意謂「兩者皆」，但所主張主題之範疇不限於這方面。

在各種實施例中，提供新穎裝置結構及材料用於形成混合裝置，其中混合裝置可具有正溫度係數（PTC）特性以及負溫度係數（negative temperature coefficient；NTC）特性。本發明實施例之混合裝置可具有共用已知PTC裝置之一些特徵的結構。舉例而言，混合裝置可包含安置於混合裝置之第一側上的第一電極，安置於混合裝置之第二側上的第二電極，所述第二側與所述第一側相對，以及負溫度係數材料及導電粒子，其中這些材料安置於第一電極與第二電極之間。

在各種實施例中，正溫度係數特性可衍生自包含聚合物基質及多個導電粒子之結構，其中所述多個導電粒子類似於已知PTC材料分散於聚合物基質內。在一些實施例中，多個導電粒子可由金屬、金屬陶瓷或其他導電材料形成，所述其他導電材料包含（例如）碳化鎢、碳化鈦、碳、鎳、TiB2、TiN、ZrC、ZrB2、ZrN或NbC。實施例在此上下文中不受限制。在特定非限制性實施例中，多個導電粒子可具有介於0.1微米與100微米之間的粒度。在各種實施例中，PTC材料之聚合物基質可由以下各者形成：半結晶材料，諸如聚偏二氟乙烯（polyvinylindene difluoride）、聚乙烯、聚乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯（ethylene-vinyl acetate）或乙烯丙烯酸丁酯（ethylene butyl acrylate）或具有類似特性之其他材料，包含PFA（全氟烷氧基烷烴；perfluoroalkoxyalkane）、ETFE（乙烯四氟乙烯；ethylene tetrafluoroethylene）以及ECTFE（乙烯氯三氟乙烯；ethylene chlorotrifluoroethylene）。實施例在此上下文中不受限制。

在一些實例中，負溫度係數（NTC）材料可包括具有負溫度係數之多個粒子。在特定實例中，NTC材料之多個粒子為半導體粒子。在各種實施例中，負溫度係數材料包括多個陶瓷粒子。在一些實施例中，多個陶瓷粒子包括尖晶石晶體結構氧化物。更特定言之，多個陶瓷粒子可包括Ni-Mn-O材料、Ni-Mn-Cu-O材料、Ti-Fe-O材料、Al改性尖晶石結構或Si改性尖晶石結構。實施例在此上下文中不受限制。在各種實施例中，多個NTC粒子（諸如陶瓷粒子）可分散於聚合物基質中且可具有0.01微米至100微米之直徑。實施例在此上下文中不受限制。

圖 1 呈現根據本揭露之實施例的混合裝置100之示意圖。在混合裝置100中，中央層102安置於第一電極104與第二電極106之間。在此實施例中，中央層102可包含負溫度係數材料及正溫度係數材料兩者。換言之，中央層102可包含充當負溫度係數材料及正溫度係數材料兩者之材料，即使在不同溫度範圍中。舉例而言，中央層102可包括由第一聚合物材料形成的聚合物基質108，所述聚合物基質包含前述聚合物材料中之任一者。中央層102亦可包含安置於聚合物基質108中繪示為空心圓的多個負溫度係數粒子。根據各種實施例，中央層102亦可包含安置於聚合物基質108中之多個導電粒子，所述粒子繪示為深色橢圓形。在圖1之實例中，導電粒子109及負溫度係數粒子110可分散於整個聚合物基質108，且可呈顯微大小，諸如具有100微米或更小之粒徑。在各種實施例中，NTC粒子之體積分率可介於5%至70%的範圍內，導電粒子109之體積分率可介於5%至70%的範圍內，同時NTC粒子及導電粒子109之總和之體積分率可介於10%至70%的範圍內。

如所提及，負溫度係數粒子可為半導體粒子、陶瓷粒子或呈現負溫度係數行為之其他粒子。圖 2 呈現根據本揭露之實施例的例示性NTC粒子之電特性的實例。電阻繪示為隨用於置放於樣品單元中之陶瓷NTC粉末（Ni-Mn-O）之溫度變化而變化。如所繪示，在-40℃與140℃之間，電阻隨著溫度增加大約40倍而減小。當此類陶瓷粉末分散於在適當濃度或體積分率下之聚合物基質中時，所得電特性亦可繪示NTC行為。圖 3 呈現根據本揭露之實施例的例示性NTC材料之實驗上所量測之電特性的實例。在此實例中，NTC材料由48%聚偏二氟乙烯之聚合物基質形成。按體積計50%NTC陶瓷分散於包含額外2%添加劑之聚合物基質中。顯而易見，在-40℃與200℃之間，電阻亦隨著溫度增加大約兩個數量級倍數而大幅度減小。

當將PTC材料或諸如導電粒子之PTC形成材料添加至具有NTC粒子之聚合物基質時，如圖1中大體描繪之所得混合裝置可呈現PTC裝置以及NTC材料兩者的特性。作為一實例，圖 4 提供PTC材料之電特性行為。如所繪示，在低溫下，在低電阻狀態下，電阻相對更低且隨溫度增加而增大很小。在給定溫度下，隨著溫度增加出現電阻快速增大，其中PTC材料進入高電阻狀態。在高電阻狀態下，電阻遠高於低電阻狀態下之電阻，諸如兩個數量級、三個數量級或四個數量級更高。一旦呈高電阻狀態，PTC材料之電阻可隨著溫度增加而更緩慢地增大，或在一些情況下所述電阻一點都不增大。當PTC材料自低電阻狀態轉化至高電阻狀態時，在高溫下因此PTC材料之限流作用（current-limiting action）跳脫，轉化之特徵在於取決於用於形成PTC材料之材料的溫度。舉例而言，聚合物基質材料可歷經較小溫度範圍內的熔融或玻璃轉化，其中聚合物基質快速膨脹。此溫度範圍可根據聚合物材料及PTC材料之應用來設置。對於一些應用，有效轉化溫度可介於160℃至180℃的範圍內。實施例在此上下文中不受限制。

圖 5 描繪繪示混合裝置的電行為的曲線500，所述混合裝置具有諸如在圖1中所繪示之設置中共同形成的PTC材料及NTC材料。曲線500繪示隨溫度變化而變化的裝置之相對電極之間的電阻，包含低溫方案502、中間溫度方案504以及高溫方案506。如所示出，在低溫方案502中，電阻隨著溫度增加而下降，表徵NTC材料。電阻減小直至大約-10℃，在高於-10℃之溫度下，電阻相對不變。換言之，當溫度減小低於-10℃時，電阻經歷急劇增大。在中間溫度方案504中，在-10℃與130℃之間，電阻較低且隨著溫度增加幾乎不發生變化。在高溫方案506中，高於130℃，電阻急劇增大，表徵PTC裝置。

因此，曲線500中所呈現的電行為在自-10℃延伸至130℃之窗口中提供較低電阻，且在低於或高於所述窗口中之溫度的溫度下提供較高電阻。當體現於混合裝置（諸如混合裝置100）中時，此電行為可用來保護組件免於在極低溫度，諸如低於大約-40℃下，或在極高溫度，諸如高於大約150℃下操作。不限於任何特定理論，圖5中所繪示之電行為可以下列方式解釋。在中間溫度方案504中，混合裝置100之NTC粒子具有相對較低電阻，同時導電粒子109亦自第一電極104至第二電極106在聚合物基質108內提供較低電阻電力路徑。總之，NTC粒子及導電粒子109將整體上較低電阻提供至混合裝置100。在低溫方案中，（半導電）NTC粒子之電阻隨溫度降低而增大，促使第一電極104與第二電極106之間的電阻的整體增大。在高溫方案中，當NTC粒子可呈現較低電阻時，聚合物基質108之改變（諸如玻璃轉化或熔融轉化）使得由第一電極104與第二電極106之間的導電粒子109（以及NTC粒子）定義之電力路徑被擾亂，導致電阻率的整體上增大。

在本揭露之其他實施例中，混合裝置可包含電極之間的多個層。舉例而言，在一些實施例中，混合裝置可包含鄰近於第一電極安置的第一層，其中所述第一層包括聚合物基質以及分散於聚合物基質中的多個負溫度係數粒子，所述聚合物基質包括第一聚合物材料。第一層亦可包含分散於聚合物基質中的多個導電粒子。混合裝置可更包含安置於第一層與第二電極之間的第二層，其中第二層包括正溫度係數層。因此，第二層可由分散於聚合物基質中的導電粒子組成。換言之，此實施例之第一層可類似圖1之實施例之中央層，而第二層可類似於已知PTC層，所述PTC層僅具有分散於聚合物基質中的導電粒子集合。

圖 6 描繪根據本揭露之其他實施例的混合裝置200，其中所述混合裝置200含有電串聯地配置於第一電極104與第二電極106之間的第一層202及第二層204。在此實施例中，第一層202可具有與上文所描述之中央層102相似的設置，包含NTC粒子、導電粒子109以及聚合物基質206。第二層204可包含聚合物基質208，所述聚合物基質含有導電粒子109，但不含NTC粒子。因此，忽略第一層202之特性，第二層204可呈現類似於基於已知聚合物的PTC裝置的特性。總之，第一層202及第二層204可賦予大體上如圖5中所繪示及上文所描述之電特性。特別地，混合裝置200提供藉由調節一或多個參數來促進電特性之調諧的設置。舉例而言，第一層202及第二層204之相對厚度可經調節以優化混合裝置200之電特性。在一個實例中，第一層202之厚度可為大約1密耳，而第二層204之厚度為10密耳至20密耳。另外，用於聚合物基質206的第一聚合物材料可（但不必）不同於用於聚合物基質208的第二聚合物材料。

在其他實施例中，混合裝置可包含多個層，其中第一層中之粒子不同於第二層中之粒子。舉例而言，在一些實施例中，混合裝置可包含第一層，其中第一層鄰近第一電極安置且包含聚合物基質及安置於聚合物基質中之負溫度係數粒子。混合裝置亦可包含安置於第一層與第二電極之間的第二層，其中第二層包括正溫度係數層。因此，第一層可僅含有NTC粒子，而第二層僅含有導電粒子，亦即PTC形成粒子。

圖 7 描繪根據本揭露之其他實施例的混合裝置300，其中混合裝置300含有電串聯配置於第一電極104與第二電極106之間的第一層302及第二層304。在此實施例中，第一層302可由聚合物基質306組成，所述聚合物基質包含如由空心圓指示之NTC粒子但不具有導電粒子109。第二層304可由聚合物基質308組成，所述聚合物基質包含如由深色橢圓形指示之導電粒子109，但不具有NTC粒子。特別地，聚合物基質306可由第一聚合物材料組成，所述第一聚合物材料不同於形成聚合物基質308的第二聚合物材料。在操作中，混合裝置可呈現大體上如圖5中所繪示之電特性。在中間溫度方案504中，導電粒子109可橫跨第二層304（在垂直於混合裝置700之表面的方向上）形成連續、低阻值電路徑。類似地，NTC粒子可橫跨第一層302形成低阻值電路徑。在低溫方案502中，NTC粒子經歷電阻增大，橫跨第一層302賦予較高電阻，且因此增大第一電極104與第二電極106之間的整體電阻。在高溫方案506中，藉助於聚合物基質308之熔融或玻璃轉化，導電粒子109不再橫跨第二層304形成電連續路徑，橫跨第二層304賦予較高電阻，且因此增大第一電極104與第二電極106之間的整體電阻。

圖 8 描繪根據本揭露之其他實施例的混合裝置400，其中混合裝置400含有中央層402。在此實施例中，中央層402可具有與上文所描述之第一層302相似的設置，包含NTC粒子及聚合物基質404。在此實施例中，混合裝置400可充當「低溫熔絲」，賦予類似於圖3中所繪示之特性的電特性。此類型之操作可適合於保護裝置避免在低溫，諸如低於-40℃下操作。另外，聚合NTC裝置可充當溫度感測器，其中隨NTC裝置之溫度變化而變化的已知電阻改變可用於指示溫度。

在前述實施例中，雖然某些特定溫度範圍已根據不同實施例結合低溫方案、中間溫度方案以及高溫方案論述，但定義這些方案之精確溫度可藉由調節一或多個參數來調節。這些參數為導電粒子之體積分率；導電粒子之形狀；聚合物材料之類型，諸如熱固性、熱塑性、結晶、半結晶、非晶形；聚合物之轉移溫度；用於NTC粒子之陶瓷材料以及陶瓷組成物之類型、NTC粒子之形狀、使用諸如Si或Al的添加劑的陶瓷結構的摻雜，以及其他因素。類似地，中間溫度方案之電阻以及低溫方案以及高溫方案中之電阻的改變可藉由調節前述參數中之一或多者來調節。

儘管已參考某些實施例揭露本發明實施例，但對所描述實施例之多個修改、變更以及改變是可能的，而不脫離本揭露之領域以及範疇，如在所附申請專利範圍中所定義。因此，本發明實施例不限於所描述實施例，且可具有由以下申請專利範圍之語言及其等效物定義之完整範疇。

100、200、300、400、700‧‧‧混合裝置

102、402‧‧‧中央層

104‧‧‧第一電極

106‧‧‧第二電極

108、206、208、306、308、404‧‧‧聚合物基質

109‧‧‧導電粒子

110‧‧‧溫度係數粒子

202、302‧‧‧第一層

204、304‧‧‧第二層

500‧‧‧曲線

502‧‧‧低溫方案

504‧‧‧中間溫度方案

506‧‧‧高溫方案

圖 1 呈現根據本揭露之實施例的混合裝置之示意圖。圖 2 呈現根據本揭露之實施例的例示性NTC粒子之電特性的實例。圖 3 呈現根據本揭露之實施例的例示性NTC材料之電特性的實例。圖 4 提供PTC材料之電特性行為。圖 5 描繪繪示混合裝置之電行為的例示性曲線，所述混合裝置具有以圖1中所繪示之設置共同形成的PTC材料及NTC材料。圖 6 呈現根據本揭露之實施例的另一混合裝置的示意圖。圖 7 呈現根據本揭露之額外實施例的另一混合裝置的示意圖。圖 8 呈現根據本揭露之其他實施例的另一混合裝置的示意圖。

Claims (20)

1. 一種混合裝置，包括： 第一電極，安置於所述混合裝置之第一側上； 第二電極，安置於所述混合裝置之第二側上，所述第二側與所述第一側相對；以及 至少一個層，安置於所述第一電極與所述第二電極之間，所述至少一個層包括負溫度係數材料及多個導電粒子，其中所述混合裝置呈現正溫度係數特性及負溫度係數特性。
2. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，其中所述負溫度係數材料包括多個半導體粒子。
3. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，其中所述多個導電粒子分散於聚合物基質內。
4. 如申請專利範圍第3項所述的混合裝置，其中所述負溫度係數材料包括多個半導體粒子，所述多個半導體粒子分散於所述聚合物基質內。
5. 如申請專利範圍第3項所述的混合裝置，其中所述多個導電粒子包括碳化鎢、碳化鈦、碳或鎳、TiB₂ 、TiN、ZrC、ZrB₂ 、ZrN、NbC。
6. 如申請專利範圍第3項所述的混合裝置，其中所述多個導電粒子包括介於0.1微米與100微米之間的粒度。
7. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，其中所述負溫度係數材料包括多個陶瓷粒子。
8. 如申請專利範圍第7項所述的混合裝置，其中所述多個陶瓷粒子包括具有尖晶石晶體結構的氧化物。
9. 如申請專利範圍第8項所述的混合裝置，其中所述多個陶瓷粒子包括Ni-Mn-O材料、Ni-Mn-Cu-O材料、Ti-Fe-O材料、Al改性尖晶石結構或Si改性尖晶石結構。
10. 如申請專利範圍第7項所述的混合裝置，其中所述多個陶瓷粒子包括0.01微米至100微米之直徑。
11. 如申請專利範圍第4項所述的混合裝置，其中所述聚合物基質包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯或乙烯丙烯酸丁酯、PFA、ETFE以及ECTFE。
12. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，其中所述負溫度係數材料安置於中央層中，所述中央層安置於所述第一電極與所述第二電極之間；以及其中正溫度係數材料安置於所述中央層內。
13. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，包括： 第一層，鄰近於所述第一電極安置，所述第一層包括： 聚合物基質，包括第一聚合物材料； 多個負溫度係數粒子，分散於所述聚合物基質中；以及 第一多個導電粒子，分散於所述第一聚合物材料中；及 第二層，安置於所述第一層與所述第二電極之間，所述第二層包括： 聚合物基質，包括第二聚合物材料；及 第二多個導電粒子，分散於所述第二聚合物材料中。
14. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，包括： 第一層，所述第一層鄰近於所述第一電極安置，且包括： 第一聚合物材料；及 多個負溫度係數粒子，分散於所述第一聚合物材料中；以及 第二層，安置於所述第一層與所述第二電極之間，所述第二層包括： 第二聚合物材料；及 所述多個導電粒子，分散於所述第二材料中。
15. 如申請專利範圍第1項所述的混合裝置，所述至少一個層包括： 聚合物基質；及 多個負溫度係數粒子， 其中所述多個負溫度係數（NTC）粒子及所述多個導電粒子分散於所述聚合物基質中，以及 其中所述至少一個層包括所述負溫度係數粒子之體積分率與所述導電粒子之體積分率之總和，所述總和介於10%與70%之間。
16. 一種混合裝置，包括： 第一電極，安置於混合裝置之第一側上； 第二電極，安置於所述混合裝置之第二側上，所述第二側與所述第一側相對；以及 中央層，安置於所述第一電極與所述第二電極之間，所述中央層包括： 聚合物基質；及 多個半導體粒子，分散於所述聚合物基質內，其中所述混合裝置呈現負溫度係數特性。
17. 如申請專利範圍第16項所述的混合裝置，其中所述負溫度係數材料包括多個陶瓷粒子。
18. 如申請專利範圍第17項所述的混合裝置，其中所述混合裝置包括低溫熔絲或溫度感測器。
19. 如申請專利範圍第17項所述的混合裝置，其中所述多個陶瓷粒子包括0.01微米至100微米之直徑。
20. 如申請專利範圍第17項所述的混合裝置，其中所述多個陶瓷粒子包括所述中央層之10%至70%之體積分率。