CN108806904B - 包括负温度系数/正温度系数装置的混合型装置结构 - Google Patents
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Abstract
一种混合型装置，所述混合型装置包括：设置在所述混合型装置的第一侧上的第一电极；设置在与所述第一侧相反的所述混合型装置的第二侧上的第二电极。所述混合型装置还可以包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的至少一个层，所述至少一个层包括负温度系数材料和多个导电粒子，其中所述混合型装置呈现正温度系数特性和负温度系数特性。
Description
技术领域
实施方案涉及电涌保护装置(surge protection device)，并且更特别地涉及过电压保护装置和可重置熔断器(resettable fuse)。
背景技术
常规的正温度系数(PTC)材料被用来通过依赖于包含导电粒子的聚合物复合物来提供t保护。在加热至给定温度时，由于聚合物基体(聚合物基质，polymer matrix)的变化，如熔融转变或玻璃转变，复合材料从低电阻状态转变到高电阻状态。在这样的转变温度(通常高于室温)下，聚合物基体会膨胀并且破坏导电网络，使得该复合物更不导电。此电阻方面的变化为PTC材料赋予熔断器样特性，当PTC材料冷却回到室温时该变化可以是可逆的。这种简单的PTC行为可用于诸如可重置熔断器的应用，其中防止部件的运行高于阈值温度。例如，一旦PTC材料在高于转变温度下转变至高电阻状态，部件可以通过PTC熔断器而缺乏电流。尽管这样的行为在高温下保护部件，但是这样的PTC材料对于其中期望保护免于在较低的温度下运行的应用可能不是理想的。此结果是因为这样的PTC材料在较低的温度下保持低电阻状态。
对于这些和其他考虑，提供了本公开内容。
发明内容
示例性实施方案涉及基于PTC材料和NTC材料的改进的材料和装置。
在一个实施方案中，混合型装置(混合式器件，hybrid device)可以包括：设置在所述混合型装置的第一侧上的第一电极；设置在与所述第一侧相反 (相对，opposite)的所述混合型装置的第二侧上的第二电极。所述混合型装置还可以包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的至少一个层，所述至少一个层包括负温度系数材料和多个导电粒子，其中所述混合型装置呈现(exhibit)正温度系数特性和负温度系数特性。
在另一个实施方案中，混合型装置可以包括：在所述混合型装置的第一侧上的第一电极；设置在与所述第一侧相反的所述混合型装置的第二侧上的第二电极；和设置在所述第一电极和所述第二电极之间的中心层，所述中心层包括：聚合物基体；和分散在所述聚合物基体内的多个半导体粒子，其中所述混合型装置呈现负温度系数特性。
附图简述
图1显示了根据本公开内容的实施方案的混合型装置的示意图；
图2显示了根据本公开内容的实施方案的示例性NTC粒子的电学性质的实例；
图3显示了根据本公开内容的实施方案的示例性NTC材料的电学性质的实例；
图4提供了PTC材料的特征电学行为；
图5描绘了示例性曲线，其示出了具有在图1所示构造中一起形成的 PTC材料和NTC材料的混合型装置的电学行为；
图6显示了根据本公开内容的实施方案的另一种混合型装置的示意图；
图7显示了根据本公开内容的另外的实施方案的另一种混合型装置的示意图；和
图8显示了根据本公开内容的另外的实施方案的另一种混合型装置的示意图。
具体实施方式
现在将参照其中示出了示例性实施方案的附图，在下文中更充分地描述本发明实施方案。这些实施方案不应解释为局限于本文中所提出的实施方案。相反，提供这些实施方案以使得本公开内容将是充分和完整的，并且将充分地将它们的范围传达给本领域技术人员。在附图中，相同的标号始终指代相同的要素(元件，element)。
在以下描述和/或权利要求中，术语“在……上(on)”、“覆在……上(overlying0”、“设置在……上(disposed on)”和“在……上方(over)”可能在以下描述和权利要求中使用。“在……上”、“覆在……上”、“设置在……上”和“在……上方”可以用于指示两个以上的要素彼此直接物理接触。而且，术语“在……上”、“覆在……上”、“设置在……上”和“在……上面”可以意指两个以上的要素彼此不直接接触。例如，“在……上方”可以意指一个要素在另一个要素上方而彼此不接触，并且可以在所述两个要素之间具有另一个要素或多个要素。此外，术语“和/或”可以意指“和”，其可以意指“或”，其可以意指“互斥-或(exclusive-or)”，其可以意指“一个”，其可以意指“一些，单不是全部”，其可以意指“两个都不(neither)”，和/或其可以意指“两者 (both)”，但是所要求的主题的范围在此方面不受限制。
在多个实施方案中，提供新的装置结构和材料用于形成混合型装置，其中混合型装置可以具有正温度系数(PTC)特性，以及负温度系数(NTC) 特性。本发明实施方案的混合型装置可以具有与已知PTC装置共有的一些特征的结构。例如，混合型装置可以包括：设置在所述混合型装置的第一侧上的第一电极；设置在与所述第一侧相反的所述混合型装置的第二侧上的第二电极；以及负温度系数材料和导电粒子，其中这些材料设置在第一电极和第二电极之间。
在多个实施方案中，正温度系数特性可以来源于包括聚合物基体和多个导电粒子的结构，其中多个导电粒子分散在聚合物基体内，类似于已知的PTC材料。在一些实施方案中，多个导电粒子可以由金属、金属陶瓷或其他导电材料(包括例如碳化钨、碳化钛、碳、镍、TiB2、TiN、ZrC、ZrB2、 ZrN或NbC)形成。实施方案关于这方面没有限制。在特别的、非限制性实施方案中，多个导电粒子可以具有0.1μm至100μm的粒度。在多个实施方案中，PTC材料的聚合物基体可以由半结晶材料(如聚偏二氟乙烯、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(ethylene butyl acrylate))或其他具有类似特性的材料(包括PFA(全氟烷氧基烷烃)、 ETFE(乙烯四氟乙烯)和ECTFE(乙烯氯三氟乙烯))形成。实施方案关于这方面没有限制。
在一些实例中，负温度系数(NTC)材料可以包括多个具有负温度系数的粒子。在特别的实例中，NTC材料的多个粒子是半导体粒子。在多个实施方案中，负温度系数材料包含多个陶瓷粒子。在一些实施方案中，多个陶瓷粒子包含尖晶石晶体结构氧化物(spinelcrystal structure oxide)。更特别地，多个陶瓷粒子可以包含Ni-Mn-O材料、Ni-Mn-Cu-O材料、Ti-Fe-O材料、Al-改性的尖晶石结构或Si-改性的尖晶石结构。实施方案关于这方面没有限制。在多个实施方案中，多个NTC粒子如陶瓷粒子可以分散在聚合物基体中并且可以具有0.01μm至100μm的直径。实施方案关于这方面没有限制。
图1显示了根据本公开内容的实施方案的混合型装置100的示意图。在混合型装置100中，中心层102设置在第一电极104和第二电极106之间。在此实施方案中，中心层102可以包括负温度系数材料和正温度系数材料两者。换言之，中心层102可以包括充当负温度系数材料和正温度系数材料两者(尽管在不同的温度范围)的材料。例如，中心层102可以包括由第一聚合物材料形成的聚合物基体108，所述第一聚合物材料包括前述聚合物材料中的任一种。中心层102还可以包括设置在聚合物基体108中的多个负温度系数粒子(作为空心圆示出)。根据多个实施方案，中心层102 还可以包括设置在聚合物基体108中的多个导电粒子，所述粒子作为黑色椭圆示出。在图1的实例中，导电粒子109和负温度系数粒子110可以分散在整个聚合物基体108中，并且可以为微观尺寸，如具有100μm以下的粒径。在多个实施方案中，NTC粒子的体积分数可以为5％至70％，导电粒子109的体积分数可以为5％至70％，而NTC粒子和导电粒子109的总和的体积分数可以为10％至70％。
如所述的，负温度系数粒子可以是半导体粒子、陶瓷粒子或呈现负温度系数行为的其他粒子。图2显示了根据本公开内容的实施方案的示例性 NTC粒子的电学性质的实例。电阻作为放置在样品池(样品室，sample cell) 中的陶瓷NTC粉末(Ni-Mn-O)的温度的函数示出。如所示的，在-40℃至 140℃之间，电阻随着温度升高降低大约40倍。当这样的陶瓷粉末以适当的浓度或体积分数分散在聚合物基体中时，得到的电学性质也可以显示 NTC行为。图3显示了根据本公开内容的实施方案的示例性NTC材料的实验测量的电学性质的实例。在此实例中，NTC材料由48％聚偏二氟乙烯的聚合物基体形成。50体积％的NTC陶瓷分散在聚合物基体中，包括另外的2％添加剂。明显的，在-40℃至200℃之间，电阻也随着温度升高急剧降低大约两个数量级。
当将PTC材料或形成PTC的材料如导电粒子加入至具有NTC粒子的聚合物基体中时，如图1中总体示出的所得到的混合型装置可以呈现PTC 装置以及NTC材料两者的特性。作为实例，图4提供了PTC材料的特征电学行为。如所示的，在较低的温度下，在低电阻状态，电阻相对较低，并且作为温度升高的函数而增大得非常小。在给定的温度下，作为温度升高的函数发生电阻的快速增大，其中PTC材料进入高电阻状态。在高电阻状态，电阻比在低电阻状态高得多，如高两个数量级、三个数量级或四个数量级。一旦在高电阻状态，PTC材料的电阻就可以随着温度升高而慢得多地增大，或在一些情况下完全不增大。当PTC材料从低电阻状态转变至高电阻状态时(所述转变的特征在于取决于用于形成PTC材料的材料的温度)，PTC材料在高温的电流限制作用相应地受挫(受阻，tripped)。例如，聚合物基体材料可能在小的温度范围内经历熔融或玻璃转变，其中聚合物基体快速膨胀。此温度范围可以根据聚合物材料和PTC材料的应用设定。对于一些应用，可用的转变温度可以在160℃至180℃的范围内。实施方案关于这方面没有限制。
图5描绘了曲线500，其示出了具有如在图1所示构造中一起形成的 PTC材料和NTC材料的混合型装置的电学行为。曲线500示出了作为温度的函数的装置的相反电极(opposite electrodes)之间的电阻，所述温度包括低温阶段(范围或情形，regime)502，中温阶段504和高温阶段506。如所例示的，在低温阶段502中，电阻随着温度升高而下降，这是NTC材料的特性。电阻降低直至大约-10℃，高于该温度，电阻相对没有变化。换言之，当温度降低至低于-10℃时，电阻经历急剧增大。在中温阶段504(在 -10℃至130℃)中，电阻低并且随着温度升高变化很小。在高温阶段506 (高于130℃)中，电阻急剧升高，这是PTC装置的特性。
因此，在曲线500中呈现的电学行为提供在从-10℃至130℃延续的窗口中的低电阻，以及在低于或高于该窗口中的温度的温度下的较高电阻。当在混合型装置如混合型装置100中具体体现时，此电学行为可以用于在过低的温度，如低于大约-40℃，或在过高的温度，如高于大约150℃下保护部件免于运行。不受任何特定理论限制，图5中所示的电学行为可以以以下方式解释。在中温阶段504中，混合型装置100的NTC粒子具有相对较低的电阻，而导电粒子109也提供从第一电极104到第二电极106 的在聚合物基体108内的低电阻电通路。总体地，NTC粒子和导电粒子 109向混合型装置100提供总体低的电阻。在低温阶段中，(半导体)NTC 粒子的电阻作为温度降低的函数而增大，有利于第一电极104和第二电极106之间的总体电阻增大。在高温阶段中，尽管NTC粒子可以呈现低电阻，但是聚合物基体108中的变化，如玻璃转变或熔融转变，引起第一电极104 和第二电极106之间的由导电粒子109(以及NTC粒子)限定的电通路被破坏，导致电阻率的总体增大。
在本公开内容的其他实施方案中，混合型装置可以包括在电极之间的多个层。例如，在一些实施方案中，混合型装置可以包括与第一电极相邻地设置(disposed adjacent)的第一层，其中第一层包括：包含第一聚合物材料的聚合物基体，以及分散在聚合物基体中的多个负温度系数粒子。第一层还可以包括分散在聚合物基体中的多个导电粒子。混合型装置还可以包括设置在第一层和第二电极之间的第二层，其中第二层包括正温度系数层。这样，第二层可以由分散在聚合物基体中的导电粒子组成。换言之，此实施方案的第一层可以类似于图1的实施方案的中心层，而第二层可以类似于仅具有一组分散在聚合物基体中的导电粒子的已知PTC层。
图6描绘了根据本公开内容的另外的实施方案的混合型装置200，其中混合型装置200含有电串联地布置在第一电极104和第二电极106之间的第一层202和第二层204。在此实施方案中，第一层202可以具有与上述的中心层102类似的构造，其包括NTC粒子、导电粒子109和聚合物基体206。第二层204可以包括含有导电粒子109但不含有NTC粒子的聚合物基体208。这样，忽略第一层202的性质，第二层204可以呈现类似于已知的基于聚合物的PTC装置的性质。总体地，第一层202和第二层 204可以赋予总体如图5中所示和上文描述的电学性质。值得注意地，混合型装置200提供有利于通过调整一个或多个参数来调节电学性质的构造。例如，可以调整第一层202和第二层204的相对厚度以优化混合型装置200 的电学性质。在一个实例中，第一层202的厚度可以是约1密耳(mil)，而第二层204的厚度是10密耳至20密耳。此外，在聚合物基体206中使用的第一聚合物材料可以但是不必需是不同于在聚合物基体208中使用的第二聚合物材料。
在其他实施方案中，混合型装置可以包括多个层，其中在第一层中的粒子不同于在第二层中的粒子。例如，在一些实施方案中，混合型装置可以包括第一层，其中第一层与第一电极相邻地设置，并且包括聚合物基体和设置在聚合物基体中的负温度系数粒子。混合型装置还可以包括设置在第一层和第二电极之间的第二层，其中第二层包括正温度系数层。这样，第一层可以仅含有NTC粒子，而第二层仅含有导电粒子，即形成PTC的粒子。
图7描绘了根据本公开内容的另外的实施方案的混合型装置300，其中混合型装置300含有电串联地布置在第一电极104和第二电极106之间的第一层302和第二层304。在此实施方案中，第一层302可以由包括NTC 粒子(如由空心圆指示)但是不含有导电粒子109的聚合物基体306组成。第二层304可以由包括导电粒子109(如由黑色椭圆指示)但是不含有NTC 粒子的聚合物基体308组成。值得注意地，聚合物基体306可以由不同于形成聚合物基体308的第二聚合物材料的第一聚合物材料组成。在运行中，混合型装置可以呈现总体如图5中所示的电学性质。在中温阶段504中，导电粒子109可以形成穿过(横跨或跨过，across)第二层304(在垂直于混合型装置700的表面的方向上)的连续的、低电阻电通路。类似地，NTC 粒子可以形成穿过第一层302的低电阻电通路。在低温阶段502中，NTC 粒子经历电阻增大，赋予穿过第一层302的较高电阻，并且相应地增大第一电极104和第二电极106之间的总体电阻。在高温阶段506中，凭借聚合物基体308的熔融或玻璃转变，导电粒子109不再形成穿过第二层304 的电连续的通路，赋予穿过第二层304的较高的电阻，并且相应地增大第一电极104和第二电极106之间的总体电阻。
图8描绘了根据本公开内容的另外的实施方案的混合型装置400，其中混合型装置400含有中心层402。在此实施方案中，中心层402可以具有与上述的第一层302类似的构造，其包括NTC粒子和聚合物基体404。在此实施方案中，混合型装置400可以充当“低温熔断器”，赋予类似于图 3中所示的性质的电学性质。此类型的运行可以适合于保护装置，其中要防止在低温如低于-40℃下运行。此外，聚合物NTC装置可以充当温度传感器，其中作为NTC装置的温度的函数的已知电阻变化可以用于指示温度。
在前述实施方案中，尽管已经结合低温阶段、中温阶段和高温阶段讨论了某些特定温度范围，但是根据不同的实施方案，可以通过调整一个或多个参数来调整限定这些阶段的确切温度。这些参数中是导电粒子的体积分数；导电粒子的形状；聚合物材料的类型，如热固性、热塑性、晶体、半结晶、非晶体；聚合物的转变温度；陶瓷材料的类型和用于NTC粒子的陶瓷的组成，NTC粒子的形状，用添加剂如Si或Al对陶瓷结构的掺杂等等。类似地，可以通过调整前述参数中的一个或多个来调整中温阶段的电阻以及在低温阶段和高温阶段中的电阻变化。
尽管已经参照某些实施方案公开了本发明实施方案，但在不脱离如在所附权利要求中所限定的本公开内容的范围的同时，对所述实施方案的多种改进、变更和变化是可能的。因此，本发明实施方案不限于所描述的实施方案，并且可以具有由所附权利要求的语言所限定的全部范围及其等同物。
Claims (9)
1.一种混合型装置，所述混合型装置包括：
设置在所述混合型装置的第一侧上的第一电极；
设置在与所述第一侧相反的所述混合型装置的第二侧上的第二电极；和
与所述第一电极相邻地设置的第一层，所述第一层包括：
包含第一聚合物材料的聚合物基体；
分散在所述聚合物基体中的多个负温度系数粒子；和
分散在所述第一聚合物材料中的第一多个导电粒子；以及
设置在所述第一层和所述第二电极之间的第二层，所述第二层包括：
包含第二聚合物材料的聚合物基体；和
分散在所述第二聚合物材料中的第二多个导电粒子，其中所述第二层不含任何负温度系数粒子；
其中所述混合型装置呈现正温度系数特性和负温度系数特性，其中所述第一多个导电粒子和第二多个导电粒子为形成正温度系数材料的材料。
2.根据权利要求1所述的混合型装置，其中所述负温度系数粒子包含多个半导体粒子。
3.根据权利要求1所述的混合型装置，其中所述多个导电粒子包括碳化钨、碳化钛、碳、镍、TiB2、TiN、ZrC、ZrB2、ZrN或NbC。
4.根据权利要求1所述的混合型装置，其中所述多个导电粒子包括0.1μm至100μm的粒度。
5.根据权利要求1所述的混合型装置，其中所述负温度系数粒子包含多个陶瓷粒子。
6.根据权利要求5所述的混合型装置，其中所述多个陶瓷粒子包括具有尖晶石晶体结构的氧化物。
7.根据权利要求6所述的混合型装置，其中所述多个陶瓷粒子包括Ni-Mn-O材料、Ni-Mn-Cu-O材料、Ti-Fe-O材料、Al-改性的尖晶石结构或Si-改性的尖晶石结构。
8.根据权利要求5所述的混合型装置，其中所述多个陶瓷粒子包括0.01μm至100μm的直径。
9.根据权利要求1所述的混合型装置，其中所述聚合物基体包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸丁酯、PFA、ETFE或ECTFE。
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