TWI420557B - 溫控開關、其應用方法及使用該溫控開關之報警系統 - Google Patents

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溫控開關、其應用方法及使用該溫控開關之報警系統
本發明涉及一種溫控開關、應用該溫控開關之方法及使用該溫控開關之報警系統。
於一些要求工作溫度穩定之場合，如生產車間、反應爐等，需要一溫控開關來監控工作溫度之變化。該溫控開關不僅能感測該該工作溫度，還能夠根據該工作溫度之變化，於該工作溫度之變化大於或小於一設定值時，使該溫控開關保持於一個固定之工作狀態，從而使與該溫控開關連接之一報警系統能夠保持於報警狀態，即便該場合之工作溫度之變化消除。
為使該溫控開關能夠於監測到溫度變化時保持於固定之工作狀態，該溫控開關不僅包括一感測工作溫度之溫度感測器，還包括一具邏輯運算能力之集成晶片或電路。該集成晶片或電路根據溫度感測器感測到之溫度訊號判斷該工作溫度之變化是否大於等於該設定值。當該工作溫度之變化大於或小於該設定值時，該集成晶片發出操作指令並使該溫控開關保持於固定之工作狀態。
從上述描述可看出，為使該溫控開關能夠監測到工作溫度之變化而工作於固定之工作狀態，該溫控開關必須包括複雜之邏輯運算元件，如上述集成晶片，從而使得該溫控開關所包括之器件較多 ，結構比較複雜。
有鑒於此，提供一種結構簡單之溫控開關、應用該溫控開關之方法及使用該溫控開關之報警系統實為必要。
一種溫控開關，其包括一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒。該雙穩態電阻元件具有一低阻態與一高阻態兩個工作狀態。於低阻態，該複數金屬顆粒表面形成有金屬導電絲，該複數金屬顆粒通過該金屬導電絲形成一導電通路。於高阻態，該複數金屬顆粒表面之金屬導電絲斷裂，使該導電通路斷開。該低阻態之觸發訊號為一激勵電場。該高阻態之觸發訊號為一溫差訊號，該溫差訊號為該導電通路形成時直接作用於該雙穩態電阻元件之一初始溫度與該導電通路斷開時直接作用於該雙穩態電阻元件之一觸發溫度之絕對差值。
一種溫控開關，其包括一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒。一激勵電場產生單元，用於產生一激勵電場使該複數金屬顆粒形成一導電通路並記憶一初始溫度。一溫差訊號產生單元，用於產生一大於等於一最小溫差之溫差訊號使該導電通路斷開。
一種溫控開關，其包括一雙穩態電阻元件、一發出激勵電場之激勵電場產生單元及一發出溫差訊號之溫差訊號產生單元。該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒。該激勵電場作用於該雙穩態電阻元件使該複數金屬顆粒形成一導電通路並使該雙穩態電阻元件記憶一初始溫度；該溫差 訊號產生單元用於產生一大於等於一最小溫差之溫差訊號使該導電通路斷開。
一種應用溫控開關之方法，包括以下步驟：提供一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒；當需要監測該溫控開關所處環境之工作溫度變化時，於初始溫度T1施加一激勵電場作用於該雙穩態電阻元件，使該雙穩態電阻元件處於並維持低阻態；當該雙穩態電阻元件之溫度變化超過最小溫差△T時，該雙穩態電阻元件由低阻態變成高阻態並維持於高阻態。
一種報警系統，其包括一報警裝置及一溫控開關。該溫控開關用於控制該報警裝置報警。該溫控開關包括一雙穩態電阻元件、一激勵電場產生單元及溫差訊號產生單元。該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒。該激勵電場產生單元，用於施加一激勵電場使該雙穩態電阻元件工作於低阻態。該溫差訊號產生單元，用於產生一溫差訊號使該雙穩態電阻元件工作於高阻態。
相較於先前技術，該溫控開關中之雙穩態電阻元件通過該激勵電場與該溫差訊號於低阻態與高阻態之間進行轉換，且於感應到該溫差訊號後自動切換到高阻態。從而使該溫控開關不需要結構複雜之邏輯運算元件，僅需要一雙穩態電阻元件就能監測該溫控開關所處環境之工作溫度之變化，且能於監測到該工作溫度之變化時保持於固定之工作狀態，如高阻狀態，從而使得該溫控開關結構簡單。進一步地，該雙穩態電阻元件於該激勵電場作用下又工作於低阻態，可用來再次監測該溫差訊號。
100‧‧‧溫控開關
10‧‧‧雙穩態電阻元件
11‧‧‧金屬顆粒
12‧‧‧高分子載體
13‧‧‧金屬導電絲
20‧‧‧激勵電場產生單元
30‧‧‧溫差訊號產生單元
40‧‧‧電極
200‧‧‧報警系統
210‧‧‧電源
220‧‧‧報警裝置
圖1為本發明實施例提供之溫控開關之結構示意圖。
圖2為圖1中溫控開關中之雙穩態電阻元件之結構示意圖。
圖3為圖2中之雙穩態電阻元件形成有導電通路之結構示意圖。
圖4為圖3中之雙穩態電阻元件於導電通路斷開時之結構示意圖。
圖5為本發明實施例提供之初始工作溫度於24攝氏度之溫控開關外接一電源時之電流變化曲線示意圖。
圖6為本發明實施例提供之初始工作溫度於14攝氏度之溫控開關外接一電源時之電流變化曲線示意圖。
圖7為本發明實施提供之另一種溫控開關於未包括溫差產生裝置之結構示意圖。
圖8為應用本發明實施例提供之溫控開關之流程示意圖。
圖9為具本發明實施例提供之溫控開關之一種報警系統之連接示意圖。
以下將結合附圖對本發明實施例進行詳細說明。
請參見圖1，本發明實施例提供一種溫控開關100，其包括一雙穩態電阻元件10、一激勵電場產生單元20及一溫差訊號產生單元30。
請參見圖2至圖4，該雙穩態電阻元件10為一複合材料，其包括複數金屬顆粒11及一高分子載體12，該複數金屬顆粒11分散於高分子載體12中。該雙穩態電阻元件10具有一低阻態與一高阻態兩個 工作狀態。於低阻態，該複數金屬顆粒11表面形成有金屬導電絲13(Filament)，該複數金屬顆粒11通過該金屬導電絲13形成一導電通路。於高阻態，該複數金屬顆粒11表面之金屬導電絲13斷裂，使該導電通路斷開。該高分子載體12為具有明顯地熱脹冷縮效應之絕緣材料，用於支撐該金屬顆粒11，並於受熱或受冷時產生熱脹冷縮。於本實施例中，金屬顆粒11為粒徑於1微米~6微米左右之鎳顆粒，該鎳顆粒於該雙穩態電阻元件10中之體積比於9%~11%之間；該高分子載體12為具有較大熱膨脹係數之矽橡膠，用於支撐該金屬顆粒11，具體地，該高分子載體12為與鎳顆粒之熱膨脹係數之比值大於等於40之聚二甲基矽氧烷(PDMS：PolyDimethylsiloxane)；該雙穩態電阻元件10於高阻態時之電阻與於低阻態時之電阻之比值大致於103：1與104：1之間。
該激勵電場產生單元20用於產生一激勵電場，該激勵電場直接作用於雙穩態電阻元件10，使該雙穩態電阻元件10工作於低阻態，即該激勵電場為該雙穩態電阻元件10工作於低阻態之觸發訊號。具體地，請參閱圖3，該雙穩態電阻元件10種之複數金屬顆粒11於該激勵電場之激勵下從表面延伸出複數金屬導電絲13，從而使相鄰之兩個金屬顆粒11之間通過金屬導電絲相互連接，從而使相互電連接之金屬顆粒11之個數增多，進而形成一個導電通路，該雙穩態電阻元件10之電阻產生躍遷，使該雙穩態電阻元件10工作於低阻態。於本實施例中，該激勵電場產生單元20為一脈衝訊號產生裝置，該激勵電場為一脈衝電場。該脈衝電場之寬度於1毫秒~10秒之間，強度於0.3伏特每毫米~3伏特每毫米之間。該激勵電場可通過任意方式載入於該雙穩態電阻元件10，如將該雙穩態電阻元件10放置於一具有該激勵電場之環境中，如電容中。
該溫差訊號產生單元30用於產生一溫差訊號使該雙穩態電阻元件10發生溫度變化。該溫差訊號為直接作用於該雙穩態電阻元件10之熱量變化。當該溫差訊號超過一最小溫差時，即該雙穩態電阻元件10之溫度變化的絕對值大於一預定值時，該雙穩態電阻元件10工作於高阻態，即該溫差訊號為使該雙穩態電阻元件10工作於高阻態之觸發訊號。定義該導電通路形成時該雙穩態電阻元件10之溫度為一初始溫度，該溫差訊號產生單元30產生溫差訊號，使該雙穩態電阻元件10工作於高阻態時，該雙穩態電阻元件10溫度為一觸發溫度，該溫差訊號為該觸發溫度與初始溫度之絕對差值。譬如於該導電通路形成時該初始溫度為20度，而溫差訊號產生單元30作用於該雙穩態電阻元件10後，使該雙穩態電阻元件10工作於高阻態，該觸發溫度為15度，則該溫差訊號為5度。即，該溫差訊號為該導電通路於形成與斷開時該雙穩態電阻元件10所處環境之溫度變化強度或溫度變化值。另外，依據形成導電通路時該雙穩態電阻元件10之溫度之不同，該雙穩態電阻元件10可具有不同之初始溫度，即上述該雙穩態電阻元件10形成導電通路時之初始溫度係可變化的。當該雙穩態電阻元件10於不同之溫度下被激勵電場多次觸發形成導電通路時，該雙穩態電阻元件10即可具有複數數值不等之初始溫度，又可具有複數數值相等之初始溫度。即當該雙穩態電阻元件10於高阻態與低阻態之間多次切換時具有之初始溫度之數值係可變的。譬如，該雙穩態電阻元件10於第一次工作於低阻態時之初始溫度為20度，切換到高阻態時之觸發溫度為15度。此時，若於15度時給該雙穩態電阻元件10施加一激勵電場使該雙穩態電阻元件10工作於低阻態，則該雙穩態電阻元件10第二次工作於低阻態時之初始溫度為15度。故，該初始溫度 是根據施加一激勵電場使該雙穩態電阻元件10工作於低阻態時雙穩態電阻元件10之溫度而確定之，係可變化的。另外，該溫差訊號之產生方式及其採用之溫差訊號產生單元30之構成不限，只要能使直接作用於該雙穩態電阻元件10溫度產生變化即可。譬如，該溫差訊號可為放置該雙穩態電阻元件10之空間內之環境溫度之變化，如反應爐中氣體溫度之變化、自然環境中氣溫之變化或生產車間之溫度變化等；也可為直接作用於該雙穩態電阻元件10上之熱源，該熱源包括靠近該雙穩態電阻元件10之電子元件、照射於該雙穩態電阻元件10之加熱燈或浸泡該雙穩態電阻元件10之液體等。
於工作時，該雙穩態電阻元件10於不同之初始溫度下對應有不同之最小溫差。當該雙穩態電阻元件10於一初始溫度接收到一激勵電場時，該複數金屬顆粒11形成一導電通路，此時，該雙穩態電阻元件10工作於低阻態。此時，該雙穩態電阻元件10於該初始溫度下具有一個對應之最小溫差。請參見圖4，當該雙穩態電阻元件10接收到一大於該最小溫差之溫差訊號時，該雙穩態電阻元件10於該溫差訊號之作用下產生熱脹冷縮，引起該雙穩態電阻元件10中分子鏈之滑動，從而破壞導電通路，使該雙穩態電阻元件10工作於高阻態。具體地，由於該高分子載體12之熱膨脹係數遠大於該金屬顆粒11之熱膨脹係數，該高分子載體12於該溫差訊號下產生熱脹冷縮效應，使該複數金屬顆粒11之間產生相對滑移，使該金屬顆粒11之間之距離產生變化，從而使該複數金屬導電絲13斷裂。且，該溫差訊號對該導電通路之作用為非可逆之，即便係該溫差訊號撤銷，或者再次施加不同之溫差訊號，該導電通路依然於斷開狀態，使該雙穩態電阻元件10依然工作於高阻態。
請參閱圖5，為本實施例中雙穩態電阻元件10電連接一電源時之電流變化曲線示意圖。具體之，於一個初始溫度大致為24攝氏度時給該雙穩態電阻元件10一激勵電場使該雙穩態電阻元件10工作於低阻態，此時，該雙穩態電阻元件10之電流大於等於0.15毫安培，輸出一個高電平訊號；同時，記錄該初始溫度，此時，與初始溫度對應之最小溫差為1.4攝氏度。而當作用於該雙穩態電阻元件10之溫度升高或降低1.4攝氏度以上時，即該溫差訊號大於等於最小溫差時，該雙穩態電阻元件10工作於高阻態，此時，該雙穩態電阻元件10之電流基本為0毫安培培，輸出一個低電平訊號。請參閱圖6，與圖5中之雙穩態電阻元件10之測試原理相似，用一激勵電場使該雙穩態電阻元件10工作於低阻態時，該初始溫度大致為14度，此時，與初始溫度對應之最小溫差為2攝氏度。當該雙穩態電阻元件10所處環境之溫度升高或降低2攝氏度以上時，該雙穩態電阻元件10中之導電通路斷開，工作於高阻態。從上述描述還可看出，該最小溫差為使該導電通路斷開之最小溫差訊號。
除了本實施例中所列舉之材料及結構，該雙穩態電阻元件10中金屬顆粒11之種類、粒徑、於該雙穩態電阻元件10中之體積比及該高分子載體12之種類並沒有特別限制。只要能滿足該金屬顆粒11於一激勵電場下才能形成導電通路，且該導電通路於該高分子載體12之熱脹冷縮下能夠斷開即可。具體之，該金屬顆粒11還可為金、銀、錫、鐵、銅或鉑等，該金屬顆粒11之粒徑範圍可為2奈米到20微米，該金屬顆粒11於雙穩態電阻元件10中所佔之體積比可為5%到40%。該高分子載體12還可為除聚二甲基矽氧烷外之其他矽橡膠系列；該高分子載體12還可為聚合物，如聚乙烯乙二醇 、聚丙烯；該高分子載體12還可為聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列等。該雙穩態電阻元件10於高阻態時之電阻與於低阻態時之電阻之比值大於102：1。進一步地，請參見圖7，該溫控開關100還可包括兩個電極40，該兩個電極40分佈於該雙穩態電阻元件10相對之兩個表面，如該雙穩態電阻元件10為一膜狀結構時，該兩個電極40可將該膜狀結構夾持形成一三明治結構。該溫控開關100可通過該兩個電極與外部電路電連接，如一控制電路或一報警裝置等。為操作方便，該激勵電場產生單元20可通過該兩個電極40與該雙穩態電阻元件10電連接。該電極40之材料不限，包括金屬、導電膠或金屬性奈米碳管等。
該溫控開關100中之雙穩態電阻元件10通過該激勵電場與該溫差訊號於低阻態與高阻態之間進行轉換，且於感應到該溫差訊號後自動切換到高阻態。從而使該溫控開關100不需要結構複雜之邏輯運算元件，僅需要一雙穩態電阻元件10就能監測該溫控開關100所處環境之工作溫度之變化，且能於監測到該工作溫度之變化時保持於固定之工作狀態，如高阻狀態，從而使得該溫控開關100結構簡單。進一步地，該雙穩態電阻元件10於該激勵電場作用下又工作於低阻態，可用來再次監測該溫差訊號。
請參見圖8，為應用該溫控開關100之方法，包括以下步驟。
步驟S101，提供一雙穩態電阻元件10，該雙穩態電阻元件10包括一高分子載體12及分散於該高分子載體12中之複數金屬顆粒11。
步驟S102，當需要監測該溫控開關100所處環境之工作溫度變化時，於初始溫度T1施加一激勵電場作用於該雙穩態電阻元件10，使該雙穩態電阻元件10處於並維持低阻態。該初始溫度T1為施加 該激勵電場時該雙穩態電阻元件10之溫度。
步驟S103，當該雙穩態電阻元件10之溫度變化超過最小溫差△T時，該雙穩態電阻元件10由低阻態變成高阻態並維持於高阻態。即，當該雙穩態電阻元件10之溫度變化∣T2-T1∣△T時，該雙穩態電阻元件10之工作狀態發生變換並固定工作於高阻態。
由上述描述可看出，於應用該溫控開關100時，可先確定一個最佳工作溫度，如20攝氏度。於該最佳工作溫度對該雙穩態電阻元件10進行電場激勵使其工作於低阻態。此時，該溫控開關100即可用來監控所處環境之工作溫度變化。而，當該工作溫度上升或者下降之幅度大於△T時，該雙穩態電阻元件10自動切換到高阻態，直到下一個激勵電場之激勵。
請參見圖9，為使用本發明實施例提供之溫控開關100之一種報警系統200，該報警系統200還包括一電源210及一報警裝置220。
該電源210分別與該溫控開關100及報警裝置220電連接組成一回路。該電源210用於為該回路提供電壓，且該電源210於該雙穩態電阻元件10所產生之電場不會觸發該雙穩態電阻元件10使該雙穩態電阻元件10工作於高阻態。
該溫控開關用於控制該報警裝置220報警。具體地，當該激勵電場產生單元20產生一激勵電場使該溫控開關100工作於低阻態時，該報警裝置220用來監控溫差訊號產生單元30之溫差變化。當該溫差訊號產生單元30產生一溫差訊號使該溫控開關100工作於高阻態時該報警裝置220發出一報警訊號。即該報警裝置220僅於該溫控開關100記憶有溫差訊號時發出報警訊號，直到該溫控開 關100接收到一激勵電場。
該報警裝置220與該溫控開關100可串聯於該回路中，也可並聯於該回路中。於本實施例中，該報警裝置220可與該溫控開關100串聯，當該溫控開關100工作於高阻態時，該回路電流降低，從而使該報警裝置220發出報警訊號。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧雙穩態電阻元件
11‧‧‧金屬顆粒
12‧‧‧高分子載體
13‧‧‧金屬導電絲

Claims (19)

  1. 一種溫控開關，其包括一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒；該雙穩態電阻元件具有一低阻態與一高阻態兩個工作狀態；於低阻態，該複數金屬顆粒表面形成有金屬導電絲，該複數金屬顆粒通過該金屬導電絲形成一導電通路，該低阻態之觸發訊號為一激勵電場；於高阻態，該複數金屬顆粒表面之金屬導電絲斷裂，使該導電通路斷開，該高阻態之觸發訊號為一溫差訊號，該溫差訊號為該導電通路形成時直接作用於該雙穩態電阻元件之一初始溫度與該導電通路斷開時直接作用於該雙穩態電阻元件之一觸發溫度之絕對差值。
  2. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該激勵電場為0.1伏特每厘米到100伏特每厘米。
  3. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該雙穩態電阻元件工作於低阻態時之初始溫度對應有一最小溫差，該溫差訊號大於等於該最小溫差。
  4. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該雙穩態電阻元件於高阻態時之電阻與於低阻態時之電阻之比值大於等於102。
  5. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該高分子載體之熱膨脹係數與該金屬顆粒之熱膨脹係數之比值大於等於5。
  6. 如請求項1所述之溫控開關，其中，於高阻態時，該高分子載體於該溫差訊號作用下產生熱脹冷縮效應，使該複數金屬顆粒之間產生相對滑移，從而使該導電通路斷裂。
  7. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該金屬顆粒於該雙穩態電阻元件中之體積分數為5%到40%。
  8. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該金屬顆粒之粒徑範圍為2奈米到20微米。
  9. 如請求項1所述之溫控開關，其中，該金屬顆粒為粒徑於1微米到6微米之間之鎳顆粒，該高分子載體為矽橡膠，該鎳顆粒於該雙穩態電阻元件中之體積分數為於8%到12%之間。
  10. 如請求項1所述之溫控開關，其中，當該雙穩態電阻元件於高阻態與低阻態之間多次切換時，該雙穩態電阻切換到低阻態時所對應之複數初始溫度相等。
  11. 如請求項1所述之溫控開關，其中，當該雙穩態電阻元件於高阻態與低阻態之間多次切換時，該雙穩態電阻切換到低阻態時所對應之複數初始溫度中，至少有兩個初始溫度之差值大於0。
  12. 一種溫控開關，其中，該溫控開關包括一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒；當該雙穩態電阻元件接收到一激勵電場時，該複數金屬顆粒形成一導電通路，且該雙穩態電阻元件記憶一初始溫度；當直接作用於該雙穩態電阻元件之溫度與該初始溫度之絕對差值大於等於一最小溫差時，該導電通路斷開。
  13. 一種溫控開關，其中，其包括：一雙穩態電阻元件，其包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒；一發出激勵電場之激勵電場產生單元，該激勵電場作用於該雙穩態電阻元件使該複數金屬顆粒形成一導電通路並使該雙穩態電阻元件記憶一初始溫度；以及一發出溫差訊號之溫差訊號產生單元，用於產生一大於等於一最小溫差之溫差訊號使該導電通路斷開。
  14. 如請求項13所述之溫控開關，其中，該雙穩態電阻元件為一膜狀結構。
  15. 如請求項14所述之溫控開關，其中，該溫控開關進一步包括兩個電極，該兩個電極設置於該雙穩態電阻元件相對之兩端且與該雙穩態電阻元件電連接。
  16. 如請求項15所述之溫控開關，其中，該兩個電極分別設置於該雙穩態電阻元件相對之兩個表面。
  17. 如請求項16所述之溫控開關，其中，該激勵電場產生單元通過該兩個電極與該雙穩態電阻元件電連接。
  18. 一種應用溫控開關之方法，包括以下步驟：提供一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒；當需要監測該溫控開關所處環境之工作溫度變化時，於初始溫度T1施加一激勵電場作用於該雙穩態電阻元件，使該雙穩態電阻元件處於並維持低阻態；當該雙穩態電阻元件之溫度變化超過最小溫差△T時，該雙穩態電阻元件由低阻態變成高阻態並維持於高阻態。
  19. 一種報警系統，其中，其包括：一報警裝置；一溫控開關，用於控制該報警裝置報警，該溫控開關包括一雙穩態電阻元件，該雙穩態電阻元件包括一高分子載體及分散於該高分子載體中之複數金屬顆粒；以及一激勵電場產生單元，用於施加一激勵電場使該雙穩態電阻元件工作於低阻態；以及一溫差訊號產生單元，用於產生一溫差訊號使該雙穩態電阻元件工作於高阻態。
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