TWI785017B - 印刷式溫度感測器及其製造方法 - Google Patents

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喬根 史威爾森
米蘭 賽爾明克
艾斯葛 史密茲
維爾罕 A. 葛若恩
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Abstract

一種印刷式溫度感測器，其包含具有一電路之一基材，該電路包含藉由一電極間隙分離之一對電極。一感測器材料係設置於該等電極之間以填充該電極間隙，其中該感測器材料包含半導電微粒子，該等微粒子包含具有一負溫度係數(NTC)之一NTC材料，其中該等微粒子係於一介電基質中混合，該介電基質作用為用於印刷該感測器材料之一黏合劑；其中該等微粒子彼此接觸，以透過該介電基質形成一互連網路，其中該微粒子互連網路作為介於該等電極之間具有負溫度係數之一導電路徑。

Description

印刷式溫度感測器及其製造方法
本揭露係有關於以具有負溫度係數(NTC)之電阻器為基礎之印刷式溫度感測器。
熱阻器是一種電阻器，其電阻具有一特定溫度相依性。該相依性若已知，可將該電阻當作一溫度衡量使用。溫度傳感電路通常使用NTC類型之一熱阻器，其電阻隨著溫度上升而降低，因為該等電路使電阻與溫度有一充分線性相依性。用於此類熱阻器之NTC材料一般包含一陶瓷材料。然而，此類材料需要特殊陶瓷基材(鋁土、石英)，其可耐受超過攝氏一千度下之燒結程序。施作適用於低溫處理之一基於陶瓷之NTC但不負面影響其熱電特性會有所困難。大致上，目前的高可靠度熱阻器需要高溫處理，使其不適用於在電子設備中廣泛的基材上進行印刷，例如：諸如PEN/PET之塑膠、諸如矽氧樹脂或聚氨酯之橡膠、諸如FR4之複合板、例如聚亞醯胺或玻璃之高溫箔。
因此，期望提供一種具有可靠熱電特性之可印刷溫度感測器，可在與常見工業及印刷式電子基材相容之溫度條件下將該可印刷溫度感測器直接塗敷至(撓性)基 材。
因此，本揭露提供一種可在一基材上被印刷之溫度感測器。該溫度感測器包含一電路。該電路包含一對電極。該等電極係藉由一電極間隙分離。一感測器材料係設置於該等電極之間，從而填充該電極間隙。該感測器材料包含半導電微粒子。該等微粒子包含具有一強NTC行為之一材料。在一不導電介電基質中混合該等微粒子。該介電基質可作用為一黏合劑，例如用來使其適用於印刷該感測器材料，並且使膜在固化之後有機械穩定性。有助益的是，該等微粒子可以是個別(未合併)但彼此接觸的微粒子，以透過該介電基質形成一互連網路。該微粒子互連網路在該等電極之間作為具有負溫度係數之一導電路徑。
藉由在一適合的介電基質中將該NTC材料混合為微粒子，該材料變成可印刷。可先在一高溫下處理該等陶瓷微粒子，再藉由與該基質混合來形成一墨水或膏狀物。該介電基質可與在低溫下塗敷該材料後才蒸發之一溶劑混合。藉由混合該等微粒子使其在塗敷之後彼此接觸以在該感測器材料中形成一互連網路，發現可保持該NTC材料之熱電特性而不需要藉由熔化或燒結來合併該等粒子。因此，一可印刷溫度感測器設置有可靠的熱電特性，例如，可在低溫條件下將其塗敷至習知基材。
藉由提供該等微粒子相對該介電基質遠高於一滲濾門檻之體積比，可確保該等微粒子在該介電基質 各處形成一連接組件，等級為該電極間隙之一大小。這一般可藉由使該等微粒子具有一較高填裝密度來實現，例如大於0.5(百分之五十)，較佳為大於0.7。亦可從該感測器材料之導電率或電阻行為採實驗方式測量最小所欲比率。舉例來說，該等微粒子相對該介電基質之比率較佳為高到足以使該感測器材料之一導電率趨近純NTC材料之導電率，例如在百分五十內，與該純NTC材料具有幾乎相同的導電率。對於一般材料，這可對應於該等微粒子相對該電介質基質大於三比一之一質量比。
較佳的是，該感測器材料之導電特性主要是由該等微粒子之NTC材料之強烈熱活化電子特性所支配，而不是藉由諸鄰近微粒子之間的穿隧或跳躍來支配。此外，微粒子到微粒子跳躍的數量較佳為保持低到足以對該等微粒子中NTC材料之整體導電率特性造成最小影響，例如對導電率的影響小於百分之十，較佳為小於百分之五，或甚至幾乎沒有影響。舉例而言，跨該間隙之粒子到粒子跳躍數平均較佳可介於五與二十之間或更少。
藉由使用在該等電極之間具有NTC材料一較窄間隙，可限制形成該導電路徑之微粒子數量。因此，該電極間隙之(最小)距離較佳為設定在該等微粒子之一平均直徑之一倍與十倍之間的一範圍內。一般而言，該等微粒子具有介於一微米與一百微米之間的一平均直徑，較佳為介於十微米與五十微米之間。因此，可例如在介於十微米與一千微米之間的一範圍內，較佳為介於二十微米與二 百微米之間，選擇該電極間隙之最小距離。
藉由使一綏靖層繞著其核心之一NTC材料形成，該等微粒子可變為對環境(例如濕氣)更有惰性(反應性更低)。但是，為了使諸接觸微粒子之間達到充分導通，令人期望的是，發現該NTC材料是藉由不超過五5奈米之一距離來分離，較佳為小於3奈米。因此，該綏靖層較佳為非常薄，例如小於二奈米。此類薄層實質可由單一分子層所組成，並且可例如藉由構圖至該粒子核心之一外表面的一自組裝單層來實現。
用於與本發明方法組合之一有利NTC材料是在一半導電陶瓷(金屬氧化物)中發現，尤其是在具有諸如NiMn2O4、CuFe2O4、CoMn2O4、Fe2O3等尖晶石氧化物結構者中發現。包含錳尖晶石氧化物之微粒子尤其適合。任選地，可包括諸如Cu、Fe、Co、Ni、Zn等其他元素另外的氧化物。例如，錳尖晶石氧化物可藉由一金屬氧化物先驅物粉末之均勻分布來產生，該金屬氧化物先驅物粉末被壓成一托盤並且煅燒，較佳為在高於攝氏一千度下煅燒，例如攝氏1100度。可將該煅燒之托盤研磨並篩分成特定大小的微粒子，其大小範圍例如介於十微米與五十微米之間，較佳為介於十微米與二十微米之間。
為了允許使該感測器基材撓曲及/或拉伸某程度，該感測器材料較佳為具有一較低厚度，例如介於十五微米與一百微米之間。感測器材料之佈設可透過印刷來塗敷。舉例而言，該感測器材料可使用模版印刷來塗敷， 例如，其中一模板厚度設定在25微米至300微米之間，較佳為一百微米至一百五十微米。舉例而言，該感測器材料係使用網版印刷來塗敷，例如，其中所使用的是一網版，其具有網目尺寸小於二百微米之一網目。
藉由為該介電基質提供一電氣絕緣材料，可確保實質僅經由該等微粒子之NTC材料才發生導通。舉例而言，該介電基質可包含聚合或可交聯材料。藉由使用具有一中性pH(酸鹼值，酸度)之該介電基質之一材料，該基質一般帶中性電，確保該等微粒子不因基質酸度而劣化。藉由將對濕度親和力低的材料用於該介電基質，例如使用緻密及/或疏水材料，可避免環境效應影響導通行為。舉例而言，該介電基質可在交聯後才形成一緻密結構，例如，允許一最大吸水率小於一半(質量)百分比，較佳為低於百分之十。舉例而言，該介電基質包含具有一丙烯酸酯、環氧化物、異戊二烯或苯環丁烯部份體之一先驅物。舉例而言，該介電基質包含一介電聚合物，諸如聚氨酯醚、聚異戊二烯、硝化纖維素。
該等電極一般係由金屬所構成，並且可例如經由濺鍍諸如Al、Mo、Ag、Au、Cu等金屬來沉積。但較佳的是，亦可印刷該等電極，其例如係由銀漿或墨水、或銅所製成。舉例而言，該等電極可具有範圍介於0.1μm與10μm之間的一層厚度。藉由形成一交叉指狀電極(驅動器)，該電極間隙可相對較長地橫切該間隙距離，例如至少是一最小間隙距離的十倍。這可降低該感測器之總體電 阻，其較佳是在介於10kΩ與10MΩ之間的一範圍內。舉例而言，一感測器材料膜可在該等電極指狀物之間形成，有一大於0.01mm2之截面積。例如，該截面積為該膜之寬度與高度之一乘積。任選地，該感測器層之一電阻可例如藉由一雷射來修整，以使一預定值符合在某百分比內(例如10%)。
任選地，該等陶瓷粒子可在燒結成絲狀體期間成形。依此作法，可產生具有高長寬比之絲狀體或奈米線，在該等絲狀體之方向實現高導電率。
可使用各種基材類型。舉例而言，該基材可包括或實質由一陶瓷、聚合物或複合材所組成。舉例而言，該基材可包含由一玻璃(SiO2)、矽、鋁土所組成之一陶瓷。替代地，該基材包含一印刷電路板(PCB)，諸如一玻璃纖維強化環氧化物板、層壓型PCB。替代地，該基材包含塑膠，如聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對荼二甲酸乙二酯(PEN)、聚亞醯胺(PI)、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
較佳的是，該基材包含一撓性及/或可拉伸箔，其例如具有介於二十五微米與二百微米之間的一厚度。在一些實施例中，具有該感測器之該基材有撓性，舉例而言，允許小於五毫米之一撓曲半徑而未喪失實質功能。在其他或進一步實施例中，具有該感測器之該基材為可拉伸，舉例而言，允許拉長至少百分之十而未喪失實質功能。舉例而言，該基材包含一橡膠基材，其例如具有熱 聚氨酯或一矽氧樹脂。舉例而言，該基質包含一橡膠材料，其具有包含一可拉伸銀漿之電極。
1:基材
1a、1b:部分
2a、2b:電極
3:感測器材料
3c:核心
3m:介電基質
3p:微粒子
3s:綏靖層
4:包封層
10:感測器
本揭露之設備、系統及方法之這些及其它特徵、態樣、及優點將經由以下說明、隨附申請專利範圍、及附圖而更加瞭解，其中：圖1示意性繪示一感測器之一實施例的一俯視圖；圖2A至2D繪示與微粒子周圍之一綏靖層有關之各項細節；圖3A示意性繪示用於一感測器之一第二實施例的一側視圖；圖3B示意性繪示用於一感測器之一第三實施例的一側視圖；圖4A示意性繪示用於一感測器之一第四實施例的一俯視圖；圖4B示意性繪示用於具有感測器之一可撓基材之一實施例的一側視圖；圖5A至5D示意性繪示涉及一或多個感測器的各種電路圖；圖6A展示包含交結指狀物結構之感測器之兩項實施例的一照片；圖6B展示包含一印刷式溫度感測器網格之一可撓箔的一照片；圖7A展示微粒子之一例示性電子顯微鏡影像； 圖7B展示粒徑之所測得分布的一曲線圖；圖8A及8B展示以溫度及/或濕度為函數之電阻之測量結果的一曲線圖。
用於說明特定實施例之術語非意欲限制本發明。單數形式的「一」及「該」於本文中使用時，係意欲同時包括複數形式，除非內容另有清楚指示。「及/或」一詞包括相關聯所列用語中一或多者之任何及全部組合。將瞭解的是，「包含」及/或其詞性變化規定所述特徵的存在，但未排除一或多個其他特徵的存在或新增。將進一步瞭解的是，當一方法之一特定步驟稱為繼一步驟之後時，除非另有指定，否則其可跟在該其他步驟之後，或者，可先實行一或多個中間步驟，再實行該特定步驟。同樣地，將瞭解的是，當說明介於諸結構或諸組件之間的一連接時，除非另有指定，否則此連接可直接或透過中間結構來建立。
本發明係參照附圖在下文作更完整的說明，本發明之實施例係於該等附圖中展示。在圖式中，系統、組件、層、及區域的絕對及相對大小可為求清楚而放大。實施例可參考本發明之可能理想化實施例及中間結構的示意圖及/或截面圖作說明。在本說明及圖式中，各處相似的數字符號意指為相似的元件。相對用語及其派生詞應視為意指當時說明之方位、或論述之圖式中所示之方位。這些相對用語僅是為了便於說明，系統不需要順著一特定 方位建構或運作，除非另有敍述。
圖1示意性繪示例如用於測量溫度之一感測器10之一實施例的一俯視圖。
在一項實施例中，感測器10包含一基材1或係形成於該基材上。一電路2係例如沉積在基材1上。電路2包含藉由一電極間隙G分離之一對電極2a、2b。一感測器材料3係設置於電極2a、2b之間以填充電極間隙G。如本文中所述，感測器材料3較佳為包含半導電微粒子3p，其包含NTC材料，即具有電阻之一負溫度係數。微粒子3p在不導電介電基質3m中混合。電氣絕緣基質3m可作用為一黏合劑。如所示，個別微粒子3p彼此接觸，以透過介電基質3m形成一互連網路。當然，本圖屬於二維，而實際上可形成一三維網路。微粒子3p之互連網路可在電極2a、2b之間形成具有負溫度係數之導電路徑。本圖示意性展示一條可能路徑，但可以有更多路徑。將了解的是，本揭露可提供個別或分離(未合併)微粒子之一網路，該等微粒子可彼此相距很近及/或彼此接觸，而不需要合併在一起以形成單塊(NTC)材料，即不需要高溫處理以將該等微粒子燒結或熔化在一起。
在一項實施例中，微粒子3p相對介電基質3m之體積比遠高於微粒子3p之一滲濾門檻，以在介電基質3m各處形成一連接組件，等級為電極間隙G之一大小。該滲濾門檻可視為與一滲濾理論有關之一數學概念，其為隨機系統中長距連接能力之形成。在該門檻以上，一巨大連 接組件一般是以系統大小等級存在。
在一些實施例中，感測器材料3中微粒子3p之填裝密度超過0.5，較佳為超過0.6，或甚至超過0.7。較佳的是，微粒子3p相對介電基質3m之比率高到足以使感測器材料3之一導電率趨近該NTC材料之導電率，舉例如在百分五十內，或甚至與該純NTC材料具有幾乎相同的導電率。在另一或進一步實施例中，微粒子3p相對介電基質3m之一質量比超過二比一，較佳為超過三比一。
在一項實施例中，電極間隙G之最小距離(以箭頭表示)在介於該等微粒子之一平均或最大直徑D之一倍與十倍之間的一範圍內。當然，儘管所示粒子係繪示為球狀，但大致可以呈現各種形狀。舉例而言，在介於十微米與一千微米之間的一範圍內，較佳為介於二十微米與二百微米之間，選擇電極間隙G之最小距離。舉例而言，微粒子3p具有介於一微米與一百微米之間的一直徑D，較佳為介於十微米與五十微米之間。在一項實施例中，該等陶瓷粒子是以直徑等級為0.1μm至10μm且長度為10μm至250μm之桿體或導線形式生長。藉由如此做，對於長電極間隙(G)，單一導線可橋接該間隙。
較佳的是，感測器材料3之導電特性主要是藉由透過該等微粒子之NTC材料進行電荷輸送來支配，而不是藉由諸鄰近微粒子之間的穿隧或跳躍來支配。因此，微粒子3p或至少該NTC材料之間較佳為低距離。在一項實施例中，接觸微粒子3p中具有負溫度係數NTC之材料3c 係藉由小於五奈米之一距離Dcc來分離，該距離較佳為小於三奈米。在另一或進一步實施例中，微粒子到微粒子跳躍的數量低到足以對該等微粒子中NTC材料之整體導電率特性造成最小影響，例如對導電率的影響小於百分之十，較佳為小於百分之五，或甚至無可辨別的影響。舉例而言，跨該間隙之跳躍數平均可介於五與二十之間或更少。
在所示實施例中，電極2a、2b及感測器材料3係沉積在基材1上。特別的是，感測器材料3係沉積於電極2a、2b之間。因此，電極間隙G之一距離可藉由感測器材料3沿著基材1之一截面尺寸來判定。
在一項實施例中，該感測器材料具有介於十五微米與一百微米之間的一乾層厚度，係例如透過印刷來塗敷。舉例而言，該感測器材料係使用模版印刷來塗敷，例如，其中一模板厚度設定在25微米至300微米之間，較佳為100微米至150微米。舉例而言，感測器材料3係使用網版印刷來塗敷，例如，其中所使用的是一網版，其具有網目尺寸小於200微米之一網目。
在一項實施例中，該等電極係由金屬所構成，例如係經由濺鍍諸如Al、Mo、Ag、Au、Cu等金屬來沉積。在另一或進一步實施例中，印刷電極2a，其例如係由諸如Ag、Cu之一金屬所製成。舉例而言，該等電極具有範圍介於0.1μm與10μm之間的一層厚度。在一項實施例中，其中該感測器材料所形成之一膜具有一大於0.01mm2之截面積。例如，該截面積為該膜之寬度與高度之一 乘積。該感測器之一電阻較佳是在介於10kΩ與10MΩ之間的一範圍內。任選地，該感測器層之電阻係藉由一雷射來修整，以使一預定值符合在10%內。
在一項實施例中，介電基質3m包含一電氣絕緣材料，例如一聚合或可交聯材料。在另一或進一步實施例中，介電基質3m之材料具有一中性pH。在一些實施例中，該介電基質之材料對濕度具有一低親和力，例如，緻密及/或疏水材料，舉例而言，允許小於一半(質量)百分比之一最大吸水率，較佳為低於百分之十，舉例而言，允許小於一半(質量)百分比之一最大吸水率，較佳為低於百分之十，舉例而言，允許小於一半(質量)百分比之一最大吸水率，較佳為低於百分之十，舉例而言，允許小於一半(質量)百分比之一最大吸水率，較佳為低於百分之十，舉例而言，允許小於一半(質量)百分比之一最大吸水率，較佳為低於百分之十。較佳的是，介電基質3m在交聯之後形成一緻密結構。舉例而言，介電基質3m包含具有一丙烯酸酯、環氧化物、異戊二烯或苯環丁烯部份體之一先驅物。舉例而言，介電基質3m包含一介電聚合物，諸如聚氨酯醚、聚異戊二烯、硝化纖維素。
在一項實施例中，該基材包括或實質由一陶瓷、聚合物或複合材所組成。舉例而言，該基材包含由一玻璃(SiO2)、矽、鋁土所組成之一陶瓷。在另一實施例中，該基材包含一印刷電路板(PCB)，諸如一玻璃纖維強化環氧化物板FR4、層壓型PCB。在另一實施例中，該基材包 含塑膠，如聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯[PET]、聚對荼二甲酸乙二酯[PEN]、聚亞醯胺[PI]、聚碳酸酯、聚[甲基丙烯酸甲酯][PMMA]。在一較佳實施例中，該基材包含一撓性箔，其例如具有介於二十五微米與二百微米之間的一厚度。
用於製造一溫度感測器之一較佳實施例包含將一介電基質中之微粒子與一溶劑混合，以將該感測器材料形成為一墨水或膏狀物。舉例而言，該膏狀物具有範圍介於10至100Pa．s^-1之間的一黏度；在另一或進一步實施例中，在一電路之諸電極之間將感測器材料3塗敷至一基材。在另一或進一步實施例中，該膏狀物係例如藉由使該溶劑交聯及/或蒸發來硬化。將了解的是，這不需要熔化、燒結、或按其他方式合併該等微粒子，其例如形成單一冶金網路，所以，該程序可在較低溫度下進行。其也不需要任何進一步金屬(燒結)材料作為黏合劑。較佳的是，該等感測器與基材是在低溫下被處理，例如，低於攝氏二百五十度，較佳為低於攝氏一百五十度。舉例而言，該硬化程序是在低於攝氏一百五十度的一高溫下進行。舉例而言，該等微粒子之熔化溫度(例如>500℃或>1000℃)可遠高於處理溫度(<250℃)。
在一項實施例中，一墨水係藉由將金屬氧化物粉末及黏合劑以一3：1比率與隨後混合成一同質一致性膏狀物混合所取得。舉例而言，微粒子係藉由將例如MnO、Co3O4、NiO、CuO、ZnO等卑金屬氧化物粉末混 合成一均勻混合物內所取得。接著，可例如一般在950℃左右將這些火燒2小時。在一些實施例中，將該金屬氧化物粉末壓成小球，並且再以1100℃火燒24小時，接著冷卻1小時至950℃，然後進行淬火以產出已燒結尖晶石氧化物托盤。在其他或進一步實施例中，該等托盤係採用機械方式壓碎成更小塊體，並隨後研磨成一更小尺寸。
在一項實施例中，透過若干篩子將該等粒子篩分，以提供一更窄的粒度大小分布。舉例而言，進行篩分以獲得低於10μm、介於10μm與20μm之間、以及高於20μm之粒子大小分布。在一些實施例中，藉由將粒子浸沒在一鈍化劑中來使該等粒子鈍化，例如浸沒在膦酸之一50mM異丙醇溶液中。
圖2A-2D繪示與微粒子3p之一核心3c周圍之一任選綏靖層3s有關之各項細節。
圖2A示意性繪示一介電基質3m中之兩個接觸微粒子3p，如本文中所述。在根據所示圖之實施例中，微粒子3p包含一外綏靖層3s，例如用來使該等微粒子有惰性及/或防止(環境)衰減。舉例而言，微粒子3p之一核心3c周圍形成綏靖層3s。較佳的是，核心3c實質由該NTC材料所組成。
圖2B示意性繪示圖2A之一放大部分。在一項實施例中，舉例而言，如圖示，綏靖層3s實質由單一分子層所組成，該分子層係經構圖以形成微粒子3p之一外表面。舉例而言，綏靖層3s係由構圖至粒子核心3c之一外表 面的一自組裝單層所組成。
圖2C示意性繪示用於形成綏靖層3s之一種例示性分子之一化學式。在一較佳實施例中，該自組裝單層係由膦酸(亞磷酸)基團與一疏水鏈所組成。舉例而言，該疏水鏈係由一脂族鍊或氟化脂族鏈所組成。一碳原子長度介於三與十八個原子之間，較佳為六到八個原子長。
圖2D展示以該鏈中碳原子數N為函數之綏靖層3s之預期層厚度Ds的一曲線圖。在一較佳實施例中，綏靖層厚度Ds小於五奈米，更佳為小於兩奈米。
圖3A示意性繪示用於一感測器10之一第二實施例的一側視圖。在所示實施例中，感測器10係由基材1上之一垂直疊所形成。該堆疊包含在形成底端電極2a與頂端電極2b之諸層之間沉積之一層感測器材料3。因此，電極間隙G之一距離可藉由感測器材料3之一層厚度來判定。
圖3B示意性繪示用於一感測器10之一第三實施例的一側視圖。在所示實施例中，介於電極2a、2b之間的感測器材料3係藉由一包封層4來包封。在一項實施例中，基材1係由感測器材料3之兩側邊上之兩個部分1a、1b所形成。
圖4A示意性繪示用於一感測器10之一第四實施例的一俯視圖。在所示實施例中，電極2a、2b形成交結之指狀物結構，其界定與其之間具有感測器材料3之一細長蜿蜒間隙G。在一項實施例中，該細長間隙具有橫切 該等電極表面之一間隙長度，其中該間隙長度至少為一最小間隙距離之十倍。
圖4B示意性繪示用於一可撓基材1之一實施例的一側視圖，在這種狀況中，該可撓基材具有多個感測器10。在一項實施例中，具有一或多個感測器10之基材1有撓性，例如允許一撓曲半徑「r」小於5毫米而(該等感測器)未喪失實質功能。在另一或進一步實施例中，具有一或多個感測器10之基材1為可拉伸，舉例而言，允許拉長至少百分之十而未喪失實質功能。舉例而言，該基材包含一橡膠基材，其例如具有聚氨酯(TPU)或一矽氧樹脂。舉例而言，介電基質3m包含一橡膠基質。例如，該等電極包含可拉伸銀漿。
圖5A至5E示意性繪示涉及一或多個感測器10的各種電路圖。一感測器之一項實施例包含諸網版印刷式銀電極，該等電極之間具有溫度敏感材料。該膜提供兩條外部引線，其可直接連接至一萬用表，或替代地使用一分壓器原理圖以一ADC讀出。舉例來說，如圖5A所示，感測器10之溫度相依電阻Rt可以導致一對應之可變輸出電壓Vout。替代地，圖5B繪示如何藉由提供一高輸入緩衝級來將一運算放大器用於信號放大及/或降低雜訊。在這些實作態樣中，該感測器係藉由施加一定電壓Vin來驅動。替代地，一定電流源可與一電流搭配用於電壓電路組態。舉例而言，對該感測器施加範圍在1伏特與5伏特之間的一電壓。藉由使用Steinhart-Hart方程式，可從該感測器提 取出該等感測器之溫度。舉例而言，該等參數可針對該感測器材料之一特定墨水組成來提取。替代地或另外，耐溫相依性係例如使用諸如R=R0 exp(β/T)之公式來計算。
圖5C繪示一溫度感測器陣列之一實例，可在藉以於一被動矩陣陣列中連接各感測器之一方法中讀出該溫度感測器陣列。舉例而言，一個溫度感測器係位於各列與行之一交叉處。在一項實施例中，來自該陣列中其他感測器之串擾可藉由將未選擇之列及/或行接地來抑制。
圖5D繪示提供一溫度感測器陣列之一實例，其中各溫度感測器與一薄膜電晶體串聯整合。這可允許個別地定址各感測器。在一項實施例中，一溫度敏感陣列係由基材1上之複數個感測器10所形成，如本文中所述。
圖6A展示包含交結指狀物結構之感測器之兩項實施例的一照片，該等交結指狀物結構係藉由本文中所述之方法來產生。將了解的是，該感測器之總電阻可藉由改變該結構之參數來改變，例如指狀物之數量、該等指狀物之長度、該等指狀物之間的間隙大小、材料(例如感測器層)之厚度等等。
圖6B展示包含一印刷式溫度感測器網格之一可撓箔的一照片，該印刷式溫度感測器網格係藉由本文中所述之方法來產生。
圖7A展示微粒子3p之一例示性電子顯微鏡影像。圖7B展示粒徑D之所測得分布的一曲線圖。在一較佳實施例中，微粒子3p包含一陶瓷氧化物材料。舉例而 言，微粒子3p包含一尖晶石氧化物結構，諸如NiMn2O4、CuFe2O4、CoMn2O4、Fe2O3。在一甚至更較佳實施例中，微粒子3p包含錳尖晶石氧化物(Mn2O3)。任選地，可包括諸如Cu、Fe、Co、Ni、Zn等其他元素另外的氧化物。舉例而言，一錳或其他尖晶石氧化物可藉由該等金屬氧化物先驅物粉末之均勻分布來產生，該等金屬氧化物先驅物粉末被壓成一托盤並且煅燒，較佳為在高於攝氏一千度下煅燒，例如攝氏1100度。可將該煅燒之托盤研磨並篩分成特定大小的微粒子，其大小(例如平均或最大直徑)範圍例如介於十微米與五十微米之間，較佳為介於十微米與二十微米之間。
圖8A針對根據本文中所述方法製造之一感測器的不同相對濕度H，展示以溫度T為函數之電阻R之測量結果的一曲線圖。插圖展示不同濕度的線條非常接近，展現該感測器對濕度的相依性非常低。在一較佳實施例中，感測器10在室溫(例如攝氏20度)下具有超過每克耳文百分之三的一溫度係數(α)、或大於2500克耳文之一貝他(β)係數。
圖8B展示利用如本文中所述之感測器、以及一參考感測器對一變動溫度進行測量所得結果的一曲線圖。該曲線圖中線條重疊，所以此圖片中無法區別。該曲線圖展現該感測器幾乎不受相對濕度H影響，並且在各種溫度循環之後仍然保持不變。
為求清楚及一簡潔的說明，特徵在本文中係 描述為相同或分離實施例之部分，然而，將了解的是，本發明之範疇可包括具有所述特徵之全部或一些之組合之實施例。舉例而言，儘管所示實施例係針對一感測器布局，但是所屬技術領域中具有通常知識者仍可設想出受益於本揭露之替代方式來實現一類似功能及結果。舉例而言，可將電子設備及/或感測器材料組合成或分成一或多個替代組件。該等實施例之各種元件如所述及所示，提供某些優點，諸如一可印刷NTC感測器材料。當然，要了解，上述實施例或程序中任何一者可與一或多項其他實施例或程序相組合，以在尋找及比對設計及優點方面提供更進一步改善。原則上，該等感測器之所有部分都可被印刷，或僅一些部分(例如感測器材料)可被印刷，而其他部分(例如電極)可藉由其他手段來沉積或置放。該感測器可完全地或部分地位在一基材上，可在印刷之後保持或移除該基材。據了解，本揭露對溫度感測器提供特定優點，並且大致可應用於列印類似感測器材料之其他類型感測器。
最後，上述討論旨在說明本發明之系統及/或方法而已，而不應視為使隨附申請專利範圍受限於任何特定實施例或實施例群組。本說明書及附圖從而應視為說明性，而且非意欲限制隨附申請專利範圍之範疇。在解譯隨附申請專利範圍時，應瞭解的是，「包含」一詞不排除存在一給定請求項中所列者除外之其他元件或動作；一元件前之「一」或「一個」用字不排除存在複數個此類元件；請求項中的任何參考符號未限制其範疇；數種「手段」可 由相同或不同之項目或所實施之結構或功能來表示；所揭示裝置中任何一者或其部分可組合在一起或分成更多部分，除非另有具體敍述。在互不相同之請求項中明載某些量測的唯一事實不在於指出這些量測之一組合無法用於產生利益。特別的是，請求項之所有工作組合係視為固有地被揭示。
1:基材
2a、2b:電極
3:感測器材料
10:感測器

Claims (15)

  1. 一種印刷式溫度感測器，其包含一電路，包含由一電極間隙隔開的一對電極；以及一感測器材料，被設置在該等電極之間以填充該電極間隙，其中，該感測器材料包含半導電微粒子，該等半導電微粒子包含具有負溫度係數(NTC)的一NTC材料，其中，該等半導電微粒子被混合在一介電基質中，該介電基質具有作為用於印刷該感測器材料的一黏合劑的作用；其中，該等半導電微粒子彼此接觸，以通過該介電基質形成一互連網路，其中，該微粒子互連網路作用為在該等電極間之具有負溫度係數的一導電路徑，其中，該等半導電微粒子為彼此接觸以形成該互連網路但不合併的個別粒子。
  2. 如請求項1之感測器，其中，該等半導電微粒子之相對於該介電基質的體積比高於該等半導電微粒子之一滲濾門檻，俾以該電極間隙之大小的等級形成遍布該介電基質的一連接組件。
  3. 如請求項1或2之感測器，其中，該等半導電微粒子在該感測器材料中的一填裝密度大於0.5。
  4. 如請求項1或2之感測器，其中，該等半導電微粒子相對於該介電基質的一比率高到在百分之五十的範圍內足以使該感測器材料之導電率趨近該NTC材料本身之導電率。
  5. 如請求項1或2之感測器，其中，該電極間隙之一最小距離是在介於該等半導電微粒子之平均直徑之 一倍與十倍之間的一範圍內。
  6. 如請求項1或2之感測器，其中，該等半導電微粒子具有介於十微米與五十微米之間的一直徑。
  7. 如請求項1或2之感測器，其中，該等半導電微粒子包含具有一尖晶石結構的一陶瓷氧化物材料。
  8. 如請求項1或2之感測器，其中，該等半導電微粒子包含圍繞該等半導電微粒子之一核心而形成的一外綏靖層，其中，該核心實質上係由該NTC材料組成，並且其中，該綏靖層實質上係由形成該等半導電微粒子之一外表面的單一分子層組成。
  9. 如請求項中1或2之感測器，其中，該等半導電微粒子包含長寬比大於十的細長粒子。
  10. 如請求項1或2之感測器，其中，該介電基質包含一電氣絕緣材料，該電氣絕緣材料包含一聚合或可交聯材料。
  11. 如請求項1或2之感測器，其中，該介電基質在交聯之後形成一緻密結構，而允許小於0.5%之一最大吸水率。
  12. 如請求項1或2之感測器，其中，具有該感測器之一基材具有下列其中至少一種特性：具有彈性、可拉伸。
  13. 一種用於製造溫度感測器的方法，該方法包含：將一介電基質中之半導電微粒子與一溶劑混合，以形 成一感測器材料，該感測器材料被形成為具有在10至100Pa．s^-1間之範圍內之黏度的一墨水或膏狀物，該等半導電微粒子包含具有負溫度係數(NTC)的一NTC材料；將該感測器材料印刷至在一電路之電極之間的一基材上；在低於攝氏一百五十度之低溫下處理該等感測器與基材，以藉由使該介電基質交聯及使該溶劑蒸發來讓該膏狀物硬化而不使該等半導電微粒子熔化或燒結，其中，該等半導電微粒子保持為彼此接觸以通過該介電基質形成一互連網路但不合併的個別粒子，其中，該微粒子互連網路作用為在該等電極間之具有負溫度係數的一導電路徑。
  14. 如請求項13之方法，其中，該等半導電微粒子包含具有一尖晶石結構的一陶瓷氧化物材料。
  15. 如請求項13或14之方法，其中，該等半導電微粒子包含圍繞該等半導電微粒子之一核心而形成的一外綏靖層，其中，該核心實質上係由該NTC材料組成，並且其中，該綏靖層實質上係由單一分子層組成，該單一分子層經構圖以形成該等半導電微粒子之一外表面。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019090785A (ja) * 2017-09-05 2019-06-13 リテルヒューズ・インク 温度感知テープ
JP7200028B2 (ja) * 2019-03-29 2023-01-06 住友化学株式会社 温度センサ素子
JP7464399B2 (ja) * 2019-03-29 2024-04-09 住友化学株式会社 温度センサ素子
JP7318022B2 (ja) * 2019-07-05 2023-07-31 ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト Ｎｔｃ薄膜サーミスタ及びｎｔｃ薄膜サーミスタの製造方法
EP3901115A1 (en) 2020-04-24 2021-10-27 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO A printable ntc ink composition and method of manufacturing thereof
WO2021261006A1 (ja) * 2020-06-26 2021-12-30 株式会社村田製作所 サーミスタ
US20220130204A1 (en) * 2020-10-28 2022-04-28 Aristocrat Technologies, Inc. (ATI) Electronic gaming cabinet with removable, protective and informational external surface layering
CN112880851B (zh) * 2021-01-17 2024-02-06 西北工业大学 一种可穿戴式温度传感器及其制备方法
EP4044201A1 (en) 2021-02-12 2022-08-17 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO A composite thermistor element
FI129739B (en) * 2021-06-08 2022-08-15 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Improved negative temperature coefficient thermistor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5980785A (en) * 1997-10-02 1999-11-09 Ormet Corporation Metal-containing compositions and uses thereof, including preparation of resistor and thermistor elements
US20020074657A1 (en) * 2000-10-11 2002-06-20 Murata Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor ceramic having a negative temperature coefficient of resistance and negative temperature coefficient thermistor
US20090165289A1 (en) * 2007-12-26 2009-07-02 Deng Wen-How Method for fabricating negative temperature coefficient thermistor
EP2866118A1 (en) * 2013-10-23 2015-04-29 Nano and Advanced Materials Institute Limited Thin film with negative temperature coefficient behavior and method of making thereof
TWI498567B (zh) * 2014-01-24 2015-09-01 King Yuan Electronics Co Ltd 具溫度感測器之探針卡印刷電路板及其測試系統與測試方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4961999A (en) * 1988-07-21 1990-10-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Thermistor composition
JP3007281B2 (ja) * 1995-03-31 2000-02-07 株式会社豊田中央研究所 サーミスタ材料およびその製造方法
FR2726001B1 (fr) * 1994-10-19 1996-11-29 Solaic Sa Encre conductrice comprenant des grains metalliques ayant des points de fusion differents
JP3000426B2 (ja) * 1994-10-21 2000-01-17 松下電器産業株式会社 高分子感温体およびそれを用いた感温素子
JP2863835B2 (ja) * 1996-11-25 1999-03-03 科学技術庁金属材料技術研究所長 Ｖ型電気抵抗温度特性材料
US6114413A (en) * 1997-07-10 2000-09-05 International Business Machines Corporation Thermally conducting materials and applications for microelectronic packaging
US7049929B1 (en) * 2001-05-01 2006-05-23 Tessera, Inc. Resistor process
JP2004335738A (ja) 2003-05-07 2004-11-25 Shin Etsu Polymer Co Ltd 有機ｎｔｃ組成物及びそれを用いた有機ｎｔｃ素子
JP2006024863A (ja) 2004-07-09 2006-01-26 Shin Etsu Polymer Co Ltd 過電流保護素子及びその製造方法
US20080009578A1 (en) * 2006-07-10 2008-01-10 General Electric Company Composition and associated method
US20080023665A1 (en) * 2006-07-25 2008-01-31 Weiser Martin W Thermal interconnect and interface materials, methods of production and uses thereof
DE102008009817A1 (de) * 2008-02-19 2009-08-27 Epcos Ag Verbundwerkstoff zur Temperaturmessung, Temperatursensor aufweisend den Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs und des Temperatursensors
WO2011078918A2 (en) * 2009-11-05 2011-06-30 Ormet Circuits, Inc. Preparation of metallurgic network compositions and methods of use thereof
KR20130128383A (ko) * 2010-09-13 2013-11-26 피에스티 센서스 (피티와이) 리미티드 프린팅된 온도 센서
WO2017022373A1 (ja) 2015-07-31 2017-02-09 株式会社村田製作所 温度センサ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5980785A (en) * 1997-10-02 1999-11-09 Ormet Corporation Metal-containing compositions and uses thereof, including preparation of resistor and thermistor elements
US20020074657A1 (en) * 2000-10-11 2002-06-20 Murata Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor ceramic having a negative temperature coefficient of resistance and negative temperature coefficient thermistor
US20090165289A1 (en) * 2007-12-26 2009-07-02 Deng Wen-How Method for fabricating negative temperature coefficient thermistor
EP2866118A1 (en) * 2013-10-23 2015-04-29 Nano and Advanced Materials Institute Limited Thin film with negative temperature coefficient behavior and method of making thereof
TWI498567B (zh) * 2014-01-24 2015-09-01 King Yuan Electronics Co Ltd 具溫度感測器之探針卡印刷電路板及其測試系統與測試方法

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Publication number Publication date
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