專利名稱：熱響應復合元件、相關(guān)器件以及包括結(jié)構(gòu)應用的應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題涉及熱響應材料(thermally responsivematerials)。更具體而言， 本發(fā)明的主題涉及溫度傳感(sensing)和溫度控制器件，以及制造熱傳感器和溫度控制器 的方法。
背景技術(shù)：
熱響應元件被用于各種現(xiàn)有器件，諸如熱敏電阻；熱電偶；熱傳感器；以及用于 溫度傳感、監(jiān)測、控制和顯示的檢測器(detectors)。幾乎所有現(xiàn)有的熱響應元件已經(jīng)并將 繼續(xù)主要是金屬性(metallic)的，包括金屬、雙金屬、金屬合金、金屬氧化物陶瓷，以及金 屬復合物。然而，作為金屬和金屬性特性(metallic-behavior)基礎(chǔ)的許多基本性質(zhì)—— 諸如密度(或比重)、熱導率、熱容量、磁性和腐蝕敏感性——會對性能參數(shù)——諸如熱敏 性、響應速度和熱拉伸(heatdraw)——產(chǎn)生嚴重限制。而且，由于金屬通常呈現(xiàn)正熱阻系數(shù) (positive thermal resistance coefficient) (PTC材料的電阻隨著溫度的增加而增加)， 所述嚴重限制進一步轉(zhuǎn)化到附屬器件及相關(guān)電氣器件、電子器件以及儀器的設(shè)計上。盡管 存在具有負熱系數(shù)(negative thermal coefficient) (NTC) (NTC材料的熱導率隨著溫度的 增加而增加)的熱敏電阻器件，但它們也對敏感性、響應速度以及熱拉伸有限制。因此，需要具有不同性質(zhì)的新一代熱響應元件，這轉(zhuǎn)而可以允許實現(xiàn)新的器件、設(shè) 計和應用選擇。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)各種實施方案，提供了一種包括復合元件(compositemember)的器件。所 述復合元件可包括非金屬性粘合劑材料(non-metallic binder material)，以及布置在 所述非金屬性粘合劑材料中的一個或多個非金屬性導電纖維。所述器件還可包括布置在 所述一個或多個非金屬性導電纖維上的多個觸頭，其中所述復合元件的電阻(electrical resistance)可以隨著溫度的增加而基本連續(xù)地減小。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻隨著溫度的增加而基本線性地減小。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻在小于約1秒的時間內(nèi)隨著溫度的增加而基本連續(xù) 地減小。優(yōu)選地，所述復合元件顯示出的電阻減小量在約lmilliohms/。C到約 100megaohms/°C 的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻率在約1013到約10_5ohm-cm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述一個或多個非金屬性導電纖維中的至少一個在成分和/或厚度方面 不同于其余非金屬性導電纖維。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻和電阻變化率與溫度的函數(shù)關(guān)系由以下因素中的一 個或多個決定纖維的尺寸和面積、纖維的面積、纖維的長度、纖維與粘合劑的濃度比例、所 述一個或多個纖維中的每一個的成分、非金屬性粘合劑材料的成分、復合元件的面積、以及復合元件的長度。優(yōu)選地，所述復合元件至少是生物相容的和在腐蝕環(huán)境中穩(wěn)定的之一。優(yōu)選地，所述一個或多個非金屬性導電纖維的重量占所述復合元件的總固體重量 的 約0. 到約99%。優(yōu)選地，所述復合元件被布置成從如下項組成的組中選擇的配置二維形狀物體、 三維形狀物體、陣列、束、片、圓柱體、錐式圓柱體、空心體、帶纜狀結(jié)構(gòu)、以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述帶纜狀結(jié)構(gòu)以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)具有兩個或更多個區(qū)域，其中所述兩 個或更多個區(qū)域中的至少一個具有不同于其他區(qū)域的電阻率。優(yōu)選地，所述復合元件的至少一個維度大于約5nm。優(yōu)選地，所述復合元件的密度在約1. 0到約2. 5g/cm3的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述一個或多個非金屬性導電纖維中的每一個是從如下項組成的組中選 擇的局部碳化的聚丙烯腈、完全碳化的聚丙烯腈、碳化浙青、碳納米管基纖維、由氮化硼制 成的納米管狀纖維、硅、以及金屬原子摻雜硅。優(yōu)選地，所述非金屬性粘合劑材料是從如下項組成的組中選擇的熱固性聚合物、 熱塑性聚合物、硅樹脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、含氟聚合物、彈性體(elastomers)、石英玻璃、硼 硅玻璃、石英陶瓷、金屬陶瓷、以及膠結(jié)物。優(yōu)選地，所述器件還包括多個復合元件，其中所述多個復合元件中的每一個都被 用于溫度傳感和/或溫度控制。根據(jù)各種實施方案，提供了一種制造器件的方法。該方法可包括提供非金屬性粘 合劑材料；通過將一個或多個非金屬性導電纖維布置在所述非金屬性粘合劑材料中而形成 復合元件；并且在所述一個或多個非金屬性導電纖維上形成多個觸頭，其中所述復合元件 的電阻可以隨著溫度的增加而基本連續(xù)地減小。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻隨著溫度的增加而基本線性地減小。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻在小于約1秒的時間內(nèi)隨著溫度的增加而基本連續(xù) 地減小。優(yōu)選地，所述復合元件顯示出的每°C電阻減小量在約lmilli0hmS/°C到約 100megaohms/°C 的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻率在約IO13到約10_5ohm-cm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述通過將一個或多個非金屬性導電纖維布置在所述非金屬性粘合劑中 而形成復合元件的步驟還包括將所述一個或多個非金屬性導電纖維中的至少一個設(shè)置為 在成分和/或厚度方面不同于其余非金屬性導電纖維。優(yōu)選地，所述復合元件的電阻和電阻變化率與溫度的函數(shù)關(guān)系由以下因素中的一 個或多個決定纖維與粘合劑的濃度比例、所述一個或多個纖維中的每一個的成分、非金屬 性粘合劑材料的成分、復合元件的面積、以及復合元件的長度。優(yōu)選地，所述一個或多個非金屬性導電纖維的重量占所述復合元件的總固體重量 的約0. 到約99%。優(yōu)選地，所述形成一個或多個復合元件的步驟包括，形成具有從如下項組成的組 中選擇的配置的一個或多個復合元件二維形狀物體、三維形狀物體、陣列、束、片、圓柱體、 錐式圓柱體、空心體、帶纜狀結(jié)構(gòu)、以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述方法還包括在單個帶纜狀結(jié)構(gòu)以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)中形成兩個或更多 個區(qū)域，使得所述兩個區(qū)域中的每一個都具有不同于另一個區(qū)域的電阻率。優(yōu)選地，所述形成復合元件的步驟包括，在所述非金屬性粘合劑材料中布置從如 下項組成的組中選擇的一個或多個非金屬性導電纖維局部碳化的聚丙烯腈、完全碳化的 聚丙烯腈、碳化浙青、碳納米管基纖維、由氮化硼制成的納米管狀纖維、硅、以及金屬摻雜 娃。優(yōu)選地，所述提供非金屬性粘合劑材料的步驟包括，提供從如下項組成的組中選 擇的粘合劑熱固性聚合物、熱塑性聚合物、硅樹脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、含氟聚合物、彈性 體、石英玻璃、硼硅玻璃、石英陶瓷、金屬陶瓷、以及膠結(jié)物。優(yōu)選地，所述形成一個或多個復合元件的步驟使用了從如下項組成的組中選擇的 一種或多種技術(shù)拉擠、細絲纏繞、預浸料坯成形、粘著層壓、熱層壓、注射模塑、擠壓、共擠 壓、內(nèi)嵌模塑、以及注射吹塑。優(yōu)選地，所述形成復合元件的步驟包括形成多個復合元件，其中所述多個復合元 件中的每一個都被用于溫度傳感和/或溫度控制。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將部分在下文描述中闡明，而部分將是從該描述中顯而 易見的，或者可從本發(fā)明的實踐中得知。本發(fā)明的目的和優(yōu)點將通過所附權(quán)利要求中具體 指出的要素和組合而被認識及實現(xiàn)。應理解的是，前文的概述和下文的詳述僅是示例性和解釋性的，而不是如權(quán)利要 求那樣是對本發(fā)明的限制。


圖1A和1B根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了一個示例器件的示意圖。圖2A至2C根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了另一個示例器件的示意圖。圖3至9根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了圖1和2所示的示例器件的示例復 合元件的示意圖。圖10根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了金屬和示例復合元件的電導 (conductance)及電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系。圖11根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了一個示例復合元件的電阻與溫度的函 數(shù)關(guān)系。圖12根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了一個示例復合元件的熱循環(huán)對電阻的 影響與溫度的函數(shù)關(guān)系。圖13根據(jù)本教導的各種實施方案、示出了一個示例復合元件的電阻與長度的函 數(shù)關(guān)系。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細介紹本發(fā)明的實施方案，所述實施方案的實施例示于附圖中。在可能 的情況下，相同的參考數(shù)字將貫穿所述附圖、用于表示相同或相似的部件。盡管設(shè)定本發(fā)明范疇的數(shù)值范圍和參數(shù)都是近似值，但在具體實施例中設(shè)定的數(shù) 值是盡可能精確地給出的。然而，任何數(shù)值本質(zhì)上都含有一定程度的誤差，這些誤差是難以
5避免地由其各自的試驗測量中的標準偏差導致的。而且，此處公開的所有范圍都應被理解為囊括了其任何及所有子范圍。例如，“小于10”的范圍可包括在最小值零和最大值10之間 (包括端值)的任何及所有子范圍，即，最小值等于或大于零且最大值等于或小于10的任何 及所有子范圍，例如，從1到5。在特定情況下，為參數(shù)規(guī)定的數(shù)值可采用負值。在這種情況 下，規(guī)定為“小于10”的范圍的示例值可被假設(shè)為包括負值，例如，-1、-2、-3、-10、-20、-30，寸。圖IA和IB根據(jù)本教導的各種實施方案、各示出了器件100的示意圖。器件100可 包括復合元件110，復合元件110包括非金屬性粘合劑材料120以及布置在非金屬性粘合劑 材料120中的一個或多個非金屬性導電纖維130。器件100也可包括布置在所述一個或多 個非金屬性導電纖維130上的多個觸頭140。在一些實施方案中，所述多個觸頭140可被布 置在同一端，如圖IA所示。在其他實施方案中，所述多個觸頭140可被布置在對立的兩端， 如圖IB所示。在各種實施方案中，復合元件110的電阻可以隨著溫度的增加而基本連續(xù)地 減小，如圖10所示。在一些實施方案中，器件100可被用于溫度傳感。在其他實施方案中， 器件100可被用于溫度控制，所述溫度控制可包括加熱、冷卻或者既加熱又冷卻，以保持期 望溫度。在一些其他實施方案中，器件100還可包括多個復合元件110，其中所述多個復合 元件110中的每一個都可被用于溫度傳感和/或溫度控制。在一些情況下，復合元件110的 電阻可以在小于約1秒的時間內(nèi)隨著溫度的增加而基本連續(xù)地減小，在其他情況下在小于 約100毫秒的時間內(nèi)，而在一些其他情況下在小于約50毫秒的時間內(nèi)。在一些情況下，所 述復合元件可以具有在約IO13到約10_5ohm-cm的范圍內(nèi)的體電阻率(bulkresistivity)， 在其他情況下在約IO2到約IO-3Ohm-Cm的范圍內(nèi)。復合元件110對于所述一個或多個非金屬性導電纖維中的每一個可包括任何合 適的材料。用于所述一個或多個非金屬性導電纖維130中的每一個的示例材料可包括但 不限于局部碳化的聚丙烯腈；完全碳化的聚丙烯腈；碳化浙青；碳納米管基纖維(carbon nanotube basedfiber)；由氮化硼制成的納米管式纖維；硅；以及金屬原子摻雜硅(metal atom doped silicon)。導電性聚丙烯腈(PAN)碳纖維可從猶他州Magna的Hexcel Corp購得。定制的電阻性PAN碳纖維可由佐治亞州Alpharetta的MTLS Corporation 提供。碳納米管基細絲(filament)及相關(guān)的紗(yarn)由新罕布什爾州Concord的 NanocompTechnologies, Inc.制造。在各種實施方案中，復合元件110可包括任何合適的非 金屬性粘合劑120材料，諸如熱固性聚合物，包括但不限于聚酰亞胺(PI)、硅樹脂；聚氨酯 (polyurethanes)、以及環(huán)氧樹脂；熱塑性聚合物，包括但不限于聚醚酰亞胺(PEI)、聚醚砜 (PES)、聚醚醚酮(PEEK)；含氟聚合物(fluropolymers)；氟橡膠(f luroelastomers)，諸如 Viton (由特拉華州Wilmington的DuPont制造的產(chǎn)品)；以及可用作圖1的非金屬性主 體(host)或粘合劑相(phase) 120的其他材料，諸如石英玻璃(silica based glass)、硼硅
玻璃(borosilicate glass)、石英陶瓷(silica based ceramics)、膠結(jié)物(cements)--
包括但不限于硫鋁酸鈣膠結(jié)物、以及金屬陶瓷(cermet)。用在此處，術(shù)語“金屬陶瓷”指的 是由陶瓷(cer)材料和金屬性(met)材料組成的復合材料。金屬陶瓷一般被設(shè)計為兼?zhèn)涮?瓷的優(yōu)越性質(zhì)(諸如高耐熱性及高硬度)和金屬的優(yōu)越性質(zhì)(諸如塑性變形能力)，因此可 以成為最合適的粘合劑材料120。盡管金屬陶瓷使用金屬作為其成分的一部分，但當用作陶 瓷(諸如氧化物、硼化物、碳化物或者氧化鋁)粘合劑時，其復合性質(zhì)常常效仿陶瓷而非金屬。在金屬陶瓷中通常使用的金屬包括但不限于鎳、鉬、鈦和鈷。取決于材料的物理結(jié)構(gòu)， 金屬陶瓷也可以是金屬基質(zhì)復合物(metal matrixcomposites)，但是金屬陶瓷中的金屬所 占體積通常小于20%。鋁酸鈣膠結(jié)物也可以是粘合劑120材料的一種選擇，其用于高溫傳 感應用，以能夠在通?？赡芊浅＠щy的環(huán)境下進行實時溫度測量和控制。此外，由于復合元 件110的響應時間，以鋁酸鈣膠結(jié)物作為粘合劑120材料的傳感器通過對可嚴重損壞高溫 熔爐(high temperature furnace)的溫度迅速升高或降低發(fā)出警報，可以能夠更快地診斷 潛在的嚴重溫度偏差。圖2A至2C各示出了器件200的另一個示例實施方案。器件200可包括復合元件 210，該復合元件包括非金屬性粘合劑材料220 ；布置在非金屬性粘合劑材料220中的一個 或多個非金屬性導電纖維231、232、233;以及多個觸頭240。在一些實施方案中，所述多個 觸頭240可被布置在同一端，如圖2A所示。在其他實施方案中，所述多個觸頭240可被布置 在對立的兩端，如圖2B所示。在一些其他實施方案中，所述多個觸頭240可被沿著側(cè)面布 置，如圖2C所示。在一些實施方案中，所述一個或多個非金屬性導電纖維231、232、233中的 至少一個232可以在成分和/或厚度方面不同于其余非金屬性導電纖維231、233。盡管不 意在被任何具體理論約束，但人們相信，復合元件110、210的電阻和電阻變化率與溫度的 函數(shù)關(guān)系可由如下的一項或多項控制每個纖維的直徑、每個纖維的長度、纖維與粘合劑的 濃度比例、所述一個或多個纖維中的每一個的成分、非金屬性粘合劑材料的成分、復合元件 的面積、以及復合元件的長度。在一些實施方案中，復合元件110、210可以是生物相容的， 使得器件100可被用來進行用于生物應用的溫度傳感。在其他實施方案中，復合元件110、 210可以是在腐蝕環(huán)境中穩(wěn)定的，所述腐蝕環(huán)境諸如高濕度和/或溫度、鹽水、或者酸性或 堿性環(huán)境。復合元件110、210可被布置成任何合適的配置，諸如二維形狀——或本質(zhì)上平 坦或非常薄的——物體110、210 ；三維形狀物體310 ；圓柱體410 ；錐式圓柱體510、610 ；帶 纜狀結(jié)構(gòu)(ribbon cablelike structure) 710 ；陣列810 ；同軸纜狀結(jié)構(gòu)910 ；束(未示出)； 片(未示出)；以及空心體(未示出)。在各種實施方案中，帶纜狀結(jié)構(gòu)710和同軸纜狀結(jié) 構(gòu)910可具有兩個或更多個區(qū)域，其中所述兩個或更多個區(qū)域中的至少一個可具有不同于 其他區(qū)域的電阻率。然而，任何其他配置的復合元件110、210、310、410、510、610、810都可 具有兩個或更多個區(qū)域，其中所述兩個或更多個區(qū)域中的至少一個可具有不同于其他區(qū)域 的電阻率。復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910可具有從納米尺寸到宏觀 尺寸的任何合適的尺度，同時至少一個維度大于約5nm。在一些情況下，所述一個或多個非 金屬性導電纖維130、231、232、233、330、430、530、630、730、830、930的重量可以占復合元 件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 的總固體重量的約 0. 001%至約 99%，在其他 情況下，占復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910的總固體重量的約10%至約 90%。在特定實施方案中，復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910可以具有約 1. 0至約2. 5g/cm3的范圍內(nèi)的密度。回頭參照圖10，其示出了金屬——諸如鋁、銅和金——與本公開文本的復合 元件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 的熱-電導特性(thermo-conductance behavior)的比較。具體而言，金屬與復合元件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 的 熱-電導特性之間存在三個重要區(qū)別。首先，金屬與復合元件110、210、310、410、510、610、710,810,910的電導率存在一個重疊區(qū)域，在該區(qū)域中，復合元件110、210、310、410、510、 610、710、810、910中的一些可具有l(wèi)O+^ho-cnT1數(shù)量級的電導率，或者約略是鋁的電導率。 實際重疊區(qū)域被認為大于圖10所示的重疊區(qū)域，尤其是當所述一個或多個非金屬性導電 纖維130、231、232、233、330、430、530、630、730、830、930的成分包括導電性碳納米管時。盡 管如此，更具導電性的金屬——諸如銅、鎳、銀、金及類似物——的電導率通常可以高于大 多數(shù)導電性非金屬性復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910約一個或兩個數(shù) 量級。直到金屬與復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910的差距消除、同時保 留復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910的NTC特性之前，某些特定應用—— 諸如高功率傳輸(high powertransmission)——很可能將繼續(xù)是金屬的排他領(lǐng)域。然而， 對于許多其他應用——諸如電子水平信號傳輸(electronic level signaltransmission) 和傳感以及溫度傳感和控制——而言，復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910 顯示出技術(shù)進步和功能優(yōu)勢?；仡^參照圖10，金屬與復合元件110、210、310、410、510、610、 710,810,910的熱-電導特性之間的第二個區(qū)別是，金屬通常顯示出PTC特性，而復合元件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 顯示出 NTC 特性。PTC 禾口 NTC 特性都可以適于用 作溫度傳感器和熱敏電阻，但是，對特定應用——諸如中等或低水平功率傳輸(moderateor low level power transmission)——而言NTC特性可以是優(yōu)選的，此時應使用具有NTC型 特性的合適的高電導率復合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910。金屬與復合元 件110、210、310、410、510、610、710、810、910的熱-電導特性之間的第三個區(qū)別是，金屬的 電導率范圍相當窄(例如，從約10+3到約lC^mho-cnT1)，但通過所公開的非金屬組分的復合 元件110、210、310、410、510、610、710、810、910可以實現(xiàn)的電導率范圍非常寬(例如，從約 10+3到約lOMmho-cnr1或更大)。該范圍顯著寬于由目前可購得的熱敏電阻材料提供的范 圍。在一些實施方案中，復合元件110的電阻可以隨著溫度的增加而基本線性地減 小。在其他實施方案中，該復合元件的電阻可以在小于約1秒的時間內(nèi)隨著溫度的增加而 基本連續(xù)地減小。實施例實施例1——復合元件的制備通過如下過程制造復合元件使用常規(guī)的拉擠(pultrusion)工藝將約3，000根 細絲狀聚丙烯腈(PAN)基電阻性碳纖維絲束(tow)與經(jīng)催化(catalyzed)的EP0N Resin 862 (俄亥俄州Columbus的Hexion Specialty Chemicals)相結(jié)合。用在此處，術(shù)語“絲束” 指的是一捆無捻的連續(xù)纖維或細絲。該纖維_環(huán)氧樹脂復合物接下來通過商業(yè)拉擠工藝 (北卡羅來納州Hickory的DFI)被拉擠，與此同時該復合物被形成為圓形(round shape), 其在約100°C到約130°C的范圍內(nèi)的高溫下固化。一旦固化，就制造出一個連續(xù)長度約100 英尺、直徑約0.020英寸的棒。該棒狀復合元件被標記為批號(lot no.) 043-0. 8T，其中 0. 8T表示纖維絲束全長的每英寸的捻回數(shù)為0. 8。在開始拉擠工藝之前，沿著該連續(xù)細絲 (PAN基電阻性碳纖維)絲束的長度引入捻。然后切割約1英尺長度，并將其在約200°C的 循環(huán)空氣烘箱(circulating air oven)內(nèi)二次固化(post cure)約1小時，然后冷卻至室 此外，實施例1的復合元件的剪應強度(shear strength)被確定為在約21MPa到約36MPa的范圍內(nèi)，相當于許多金屬，而顯著強于大多數(shù)商業(yè)熱敏電阻材料。棚列2——棚列1細將實施例1的復合元件切割成約14cm的長度，并將銀印刷(silver print)(伊利 諾州Rockford的GC Electronics)電極施加至該復合元件的每一端。然后，用適當?shù)膶Ь€ 連接引導件(wire hookup leads)(觸頭140，如圖1所示)將該復合元件安裝在循環(huán)空氣 烘箱中，所述導線連接引導件穿過該烘箱的壁中的窗口而連接至常規(guī)歐姆計。商業(yè)溫度監(jiān) 測器(熱電偶型的)被用于設(shè)置并監(jiān)測實驗期間的烘箱溫度。該復合元件經(jīng)受以約5°C到 約10°C為增量跨越從約20°C到約80°C的范圍的溫度，并被容許在這些溫度下達到平衡。圖 11示出了該復合元件的電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系。應注意的是，該復合元件的電阻在所研究 的溫度范圍(即，60°C的溫度范圍)內(nèi)顯示出頗大的變化(1.58kohmS的變化量)，這相當 于-25ohms/°C的斜率且負熱系數(shù)(NTC)。此外，對上述復合元件的響應時間進行有規(guī)律的觀察，并將其與用于設(shè)置并控制 烘箱溫度的商業(yè)熱電偶的響應時間進行比較。在約100個比較點中的每一個處，該復合元 件的響應時間顯現(xiàn)為瞬時的，而該熱電偶的響應時間在幾秒到許多秒的范圍內(nèi)。由此，近似 的估計是，該復合元件的響應時間比商業(yè)熱電偶快了至少100至1000倍。實施例3——熱循環(huán)對實施例2的復合元件的電陽的影口向通過如下方法對實施例2的復合元件進行熱循環(huán)試驗在約20°C到約80°C的范圍 內(nèi)以約5°C至10°C的增量將烘箱溫度循環(huán)上升和下降幾次，并記錄該復合元件的電阻。圖 12示出了隨著溫度在60°C的溫度窗口內(nèi)循環(huán)上升或循環(huán)下降而測得的電阻。數(shù)據(jù)表明，輸 出在小于約士 的精度內(nèi)是可重復的，同時沒有顯著的滯后。實施例4——實施例1的復合元件的電阻與該復合元件的長度的函數(shù)關(guān)系將實施例1的復合元件切割成14cm長的樣品，然后以10cm和2cm的間隔施加銀 印刷電極，并且在這些較短的間隔距離進行電阻測量。在恒定的溫度和濕度下，在0. 1至8V 直流的范圍內(nèi)，在每個長度共進行12次測量。圖13示出了所測量的電阻與長度或間隔的 函數(shù)關(guān)系。圖13清晰地示出了電阻與復合元件長度之間的線性關(guān)系。而且，在任何溫度傳 感器都可被暴露的所施加的電壓的工作范圍內(nèi)，該復合元件顯示出經(jīng)典的歐姆特性(ohmic behavior)0本公開文本的復合元件還顯示出三個附加特征和/或特性。首先，給定該復合 元件具有有限制的初始電阻，則有可能使電流流過該復合元件并借此實現(xiàn)電阻性加熱 (resistive heating)。所產(chǎn)生的熱量的水平是所施加的電壓以及流經(jīng)該電阻性復合元件 的電流的函數(shù)。由于該復合元件顯示出經(jīng)典的i2R型加熱特性，所以該復合元件可被用于 雙目的，諸如間歇性傳感和加熱。相應地，本教導包括一種多功能器件，其可兼提供傳感和 加熱模式、溫度補償。其次，由于非金屬性導電填充物纖維通常以數(shù)千米長的連續(xù)長度被制 造和供應，所以可通過常規(guī)的導線制造和拉擠工藝，以非常低的成本容易地制造細長的復 合元件。短長度的棒狀復合元件可從較長長度切割而成，并可以被容易地制成本公開文本 的短長度成分傳感器，并以非常低的成本輸送。此外，所定義的制造工藝可被用于制造如下 的復絞配置(multiplestranded configuration)，其中可在單個帶纜狀結(jié)構(gòu)或同軸纜狀結(jié) 構(gòu)的橫截面內(nèi)形成兩個或更多個導電區(qū)域。這使得允許采用一個(或許是較大的)導電元 件來進行功率或信號水平傳輸(power or signallevel transmission)；連續(xù)地固定于其
9上的第二元件可以是本公開文本的熱響應元件，以監(jiān)測(并或許控制)該傳輸元件的溫度。 再次，相比于金屬(約6到8g/cm3)，本公開文本的復合元件具有非常低的密度(約1. 1到 2. Og/cm3)，并且在腐蝕環(huán)境中高度穩(wěn)定——這與大部分金屬不同。根據(jù)各種實施方案，提供了一種制造器件的方法。該方法可包括提供非金屬性粘 合劑材料，通過在該非金屬粘合劑中布置一個或多個非金屬性導電纖維而形成復合元件， 并且在所述一個或多個非金屬性導電纖維上形成多個觸頭，其中該復合元件的電阻可以隨 著溫度的增加而基本連續(xù)地減小。在一些實施方案中，該復合元件的電阻可以隨著溫度的 增加而基本線性地減小。在一些其他實施方案中，該復合元件的電阻可以在小于約1秒的 時間內(nèi)隨著溫度的增加而基本連續(xù)地減小。在特定實施方案中，該復合元件可以顯示出的 每。C電阻減小量在約lmilli0hms/°c到約lOOmegaohms/t的范圍內(nèi)。在各種實施方案中， 通過在非金屬性粘合劑中布置一個或多個非金屬性導電纖維而形成復合元件的步驟還 可 包括將所述一個或多個非金屬性導電纖維中的至少一個提供為在成分和/或厚度方面不 同于其余非金屬性導電纖維。在特定實施方案中，形成一個或多個復合元件的步驟可以包 括，形成具有從如下項組成的組中選擇的配置的一個或多個復合元件二維形狀一一或本 質(zhì)上薄的或平坦的——物體；三維形狀物體；陣列；束 ’片；圓柱體；錐式圓柱體；空心體； 帶纜狀結(jié)構(gòu)；以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)。在一些實施方案中，形成一個或多個復合元件的步驟還 可包括在單個帶纜狀結(jié)構(gòu)以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)中形成兩個或更多個區(qū)域，使得這兩個區(qū)域 中的每一個都具有不同于另一個的電阻率?？墒褂萌魏魏线m的技術(shù)來形成所述一個或多個 復合元件，諸如拉擠、細絲纏繞(filament-winding)、預浸料坯成形(pr印reg-forming)、 粘著層壓(adhesive laminating)、熱層壓(thermal laminating)、注身寸模塑(injection molding)、擠壓(extrusion)、共擠壓(coextrution)、內(nèi)嵌模塑(inset molding)以及注射 吹塑(injection blowing)。為本發(fā)明設(shè)想了眾多用途——其包括但不限于溫度傳感，尤其是在需要高敏感 性、快響應速度、和/或?qū)鞲协h(huán)境幾乎沒有或沒有影響(無干擾傳感)的情況下，或者是 在環(huán)境是高度腐蝕性的從而折損常規(guī)器件的性能或壽命的情況下。本發(fā)明可用于在附加的 結(jié)構(gòu)強度對目標應用(end application)至關(guān)重要的情況下的溫度傳感。本發(fā)明可用于 用在例如需要最高精度水平的原位(in-situ)電氣或其他性質(zhì)測量的高精度測量器件—— 諸如數(shù)字儀器的和高速示波器的測試探針——中的溫度補償。另一種器件用于那些需要許 多相互協(xié)同作用的探針的應用，諸如用在特定的“針床(bed-of-nails) ”測試儀中，其中探 針的由任何原因引起的任何變化——尤其是探針的溫度變化——都是不可接受的。在這種 情況下，所公開的包括復合元件的器件可以通過如下方法用于感知和補償任何探針內(nèi)變化 (inter-probevariation)通過使用外部補償電子器件，或者通過將需要適當原位補償?shù)?那些探針進行可變的——或許是精細的——局部加熱，來使所有探針都能夠具有相同的輸 出電阻特性。包括所述復合元件的器件可以被使用的另一個領(lǐng)域是，低或中等功率及信號 水平傳輸，原因在于這些器件既顯示出導電性又顯示出NTC特性，這使得所述復合元件在 例如故障保護應用、腐蝕性和/或強輻射環(huán)境中成為常規(guī)金屬導線的理想替代物。所述示 例器件的附加用途包括用于生物相容性極為重要的生物應用的溫度傳感；集成傳感器網(wǎng) 絡(luò)，其中所述復合元件容納所組合的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并提供主動(active)溫度監(jiān)測；以 及與鐵流體(Ferro fluidic)或其他液體、氣體、固體熱傳導、環(huán)境或部件控制系統(tǒng)相結(jié)合的精度便宜的(precision inexpensive)主動切換溫度控制系統(tǒng)。盡管已通過一個或多個實施方式示出了本發(fā)明，但是在不脫離所附權(quán)利要求書的 主旨和范圍的前提下可以對所示出的實施例進行更改和/或修改。另外，盡管可能已通過 幾種實施方式中的僅一種公開了本發(fā)明的一個具體特征，但是在對于任何給定或特定功能 有需要或有利時，該特征可以與其他實施方式中的一個或多個其他特征相結(jié)合。此外，就 詳細說明書或者權(quán)利要求中所使用的術(shù)語“包含”、“含有”、“具有”或其變體而言，這些術(shù) 語意在類似于術(shù)語“包括”，都是指開放式的包括。用在此處，針對項目列舉——例如“A和 B”——而使用的術(shù)語“一個或多個”意味著僅A、僅B、或A和B?？紤]此處公開的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然 的。所述說明和實施例意在僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由以下權(quán)利要 求指示。
權(quán)利要求
一種器件，包括復合元件，所述復合元件包括非金屬性粘合劑材料，以及一個或多個非金屬性導電纖維，其被布置在所述非金屬性粘合劑材料中；以及多個觸頭，其被布置在所述一個或多個非金屬性導電纖維上，其中所述復合元件的電阻隨著溫度的增加而基本連續(xù)地減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述復合元件顯示出的電阻減小量在約 lmilliohms/°C 到約 100megaohms/°C 的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述復合元件被布置成從如下項組成的組中選擇 的配置二維形狀物體、三維形狀物體、陣列、束、片、圓柱體、錐式圓柱體、空心體、帶纜狀結(jié) 構(gòu)、以及同軸纜狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述一個或多個非金屬性導電纖維中的每一個是 從如下項組成的組中選擇的局部碳化的聚丙烯腈、完全碳化的聚丙烯腈、碳化浙青、碳納 米管基纖維、由氮化硼制成的納米管狀纖維、硅、以及金屬原子摻雜硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述非金屬性粘合劑材料是從如下項組成的組中 選擇的熱固性聚合物、熱塑性聚合物、硅樹脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、含氟聚合物、彈性體、石 英玻璃、硼硅玻璃、石英陶瓷、金屬陶瓷、以及膠結(jié)物。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，提供了溫度傳感和溫度控制器件以及制造這些器件的方法。所述溫度傳感和溫度控制器件可包括復合元件，該復合元件包括非金屬性粘合劑材料，以及布置在所述非金屬性粘合劑材料中的一個或多個非金屬性導電纖維。所述溫度傳感和溫度控制器件也可包括布置在所述一個或多個非金屬性導電纖維上的多個觸頭，其中所述復合元件的電阻隨著溫度的增加而基本連續(xù)地減小。
文檔編號G01K7/16GK101858794SQ20101012301
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者J·A·斯威夫特, R·L·布洛克, S·J·華萊士 申請人:施樂公司