專利名稱：對電路保護器件的改進的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種對電路過電流保護器件的改進，該改進的過電流保護器件包括一個電流集聚導(dǎo)體(current-concentratingconductor)，該導(dǎo)體用物理的方法集成到一個PTC過電流傳感器器件上，并與之熱耦合。
發(fā)明介紹正溫度系數(shù)(PTC)電路保護器件是眾所周知的。該器件與一個負載串聯(lián)使用，在正常的操作條件下處于低溫、低電阻的狀態(tài)。但是如果通過PTC器件的電流過載和/或周圍溫度增加過大，且無論那種情況持續(xù)的時間超過正常的操作時間時，該PTC器件將會“突變”，即轉(zhuǎn)換到高溫度、高電阻狀態(tài)以使電流降到足夠低。一般來說，該PTC器件將會保持“突變”的狀態(tài)，即使電流和/或溫度降低到正常水平也是如此，直到將該PTC器件斷開電源并冷卻。尤其有用的PTC器件包含一個PTC元件，該元件由一個PTC導(dǎo)電聚合體構(gòu)成，即一種混合體包含了(1)有機聚合體，及(2)一種顆粒狀的導(dǎo)電填料，最好是碳黑和/或一種導(dǎo)電無機填料，例如，陶瓷氧化物或金屬碳化物、金屬氮化物或金屬硼化物，如碳化鈦，這些填料在該聚合體內(nèi)分散或以其他方式分布。PTC導(dǎo)電聚合體及包括這種導(dǎo)電聚合體的器件在以下專利文件中有描述，例如，美國專利4237441、4238812、4315237、4317027、4426633、4545926、4689475、4724417、4774024、4780598、4800253、4845838、4857880、4859836、4907340、4924074、4935156、4967176、5049850、5089801和5378407，以及國際專利公開號WO94/01876、WO95/08176和WO95/31816，這些公開的內(nèi)容為全部發(fā)明目的作為參考資料合并進來。陶瓷PTC材料在本領(lǐng)域也是為人熟知的。包含陶瓷負溫度系數(shù)(NTC)材料的NTC電路保護器件在該技術(shù)領(lǐng)域也是眾所周知的。
國際PCT申請公開號WO98/02946(Raychem公司，1998年1月11日公布)公開的內(nèi)容作為參考資料包括進來，它公開了一種過電流保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于即使相對較小的過電流也有迅速的響應(yīng)。在該系統(tǒng)中，一個傳感器元件和一個電路中斷元件串聯(lián)在電源與電負載之間。該傳感器元件通過一個控制元件功能性地連接到該電路中斷元件，因此，當電路中的電流超過一預(yù)定值時，該傳感器元件探測到過電流并將信息傳遞給控制元件?？刂圃闺娐分袛嘣恼２僮鳡顟B(tài)變成故障狀態(tài)。正常狀態(tài)可以是導(dǎo)電或者是非導(dǎo)電的狀態(tài)，故障狀態(tài)與正常狀態(tài)相反，即分別是非導(dǎo)電狀態(tài)(包括完全斷開狀態(tài))或是導(dǎo)電狀態(tài)，這取決于特定的過載保護電路的布置。在一個優(yōu)選的實施例中，該傳感器元件包含一個與負載串聯(lián)連接的電阻器件，該控制元件包含一個PTC器件，該PTC器件熱接合于電阻器件并電連接于該電路中斷元件。當一過電流通過該系統(tǒng)時，電阻器件的溫度上升使PTC器件受熱并突變到高電阻狀態(tài)。因為PTC器件連接電路中斷元件，所以PTC器件電阻的增加導(dǎo)致電路中斷元件切換到故障狀態(tài)。由于該PTC器件不與負載串聯(lián)，因此在PTC器件上起作用的電流遠小于流過負載的正常電路電流。
國際PCT申請公開號WO98/56014(Raychem公司，1998年12月10日公布)公開的內(nèi)容也作為參考資料合并進來，它公開了一種對過電流保護器件的重要改進，該申請公開的這種保護器件包含一個一般為矩形的呈現(xiàn)PTC特性的材料平板，該PTC材料平板包含一個有機聚合體，有一種顆粒狀的導(dǎo)電填料散布在該聚合體內(nèi)。該約為矩形的平板有一個第一主表面和一個與之相對的第二主表面。有關(guān)本發(fā)明的主旨，該申請公開了一個第一導(dǎo)電層，第一導(dǎo)電層包含一個鏤刻的單金屬箔，該金屬箔熱接合并電連接到該PTC板的第一主表面。該鏤刻金屬箔限定了一個電流導(dǎo)體，包括位于該板一端的第一端電極區(qū)、位于該板第二端的第二端電極區(qū)以及一個大致是窄的電流集聚區(qū)或者在第一、二電極區(qū)之間延伸的部分。正如該在先專利申請中描述的，該金屬箔的第二導(dǎo)電層基本完全延伸過PTC板的相對第二主表面。該在先方法的一個缺陷是該鏤刻金屬箔的電流集聚區(qū)聚集的熱量來源于通過該PTC板表面區(qū)域一個小部分的過電流，由于電流梯度存在且熱量將在整個PTC板的相對第二主表面聚集，導(dǎo)致PTC過電流傳感器的靈敏度比期望的低。該在先方法的另一個缺陷是必需有一個控制電流從鏤刻金屬箔穿過PTC板流到第二導(dǎo)電層，因而在一些電控制電路中就需要有單獨的電路。最后的一個缺陷是該器件針對多數(shù)過載電流情況對電路提供保護時，一個極度的過電流會導(dǎo)致該器件過熱，如果過熱一直延續(xù)一段時間，該器件將自毀。一個例子就是一個繼電器帶負載的觸點由上述器件保護，當該繼電器在一過電路條件下熔合或燒焊在一起時，會引起潛在毀壞性的極度電流。如果觸點熔合或燒焊的情況發(fā)生，即使繼電器線圈電路斷開，過電流仍然會繼續(xù)在電源與負載間流動。在這種狀況下，鏤刻金屬箔的電流集聚區(qū)產(chǎn)生的熱會導(dǎo)致PTC板發(fā)生熱解反應(yīng)，從而導(dǎo)致潛在的毀壞性的電火災(zāi)。這些缺陷將被本發(fā)明所提出的改進方案克服。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個最主要方面涉及對電子器件的結(jié)構(gòu)上的改進和的優(yōu)化，該電子器件包含一個電流集聚帶負載的導(dǎo)電元件；一個傳感器元件，傳感器元件熱連接到該導(dǎo)電元件，并呈不規(guī)則電阻/溫度特性，如PTC性能。
在第一方面，本發(fā)明提供了一種一般為矩形、平面的電子過電流傳感器件，該器件有一個平的基層，該基層有一個上主表面和一個下主表面，還包括一層限定于上主表面的鏤刻(patterned)金屬箔導(dǎo)體，該金屬箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)，在相對的另一個端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)，和一個在第一電極部分與第二電極部分之間延伸的電流集聚區(qū)。在一個實施例中，該基層由呈現(xiàn)PTC特性的混合物構(gòu)成，該混合物包含一個有機聚合體，有機聚合體內(nèi)散布著一種顆粒狀的導(dǎo)電填料。在另外一個實施例中，基層由不導(dǎo)電的印刷電路板構(gòu)成，并有一個PTC器件連接到或作為它的一部分鄰接該電流集聚區(qū)。該基層包括一個熱連接橋式部分(bridging portion)的第一主表面和一個相對的第二主表面。至少有一個第三鏤刻金屬箔控制電極固定在基層的第二主表面上，與電流集聚區(qū)成一直線，因而因為過電流流經(jīng)金屬箔導(dǎo)體而在橋式部分(bridging portion)產(chǎn)生的熱被傳遞到具有PTC特性的電路元件，其結(jié)果是一個來自第一和第二電極中至少一個的控制電流經(jīng)PTC元件流向該第三鏤刻金屬箔電極。
在第二方面中，本發(fā)明提供了一種一般為矩形、平面的電子過電流傳感器件，該器件有上主表面和下主表面，還包括一層限定在上主表面的鏤刻金屬箔導(dǎo)體，該金屬箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)，在相對的第二個端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)，有一個電流集聚區(qū)在第一電極部分與第二電極部分之間延伸。該器件還包括一個平板層式結(jié)構(gòu)，包括一層不導(dǎo)電的物質(zhì)和一層具有PTC特性的混合物，該混合物包含一個有機聚合體，有機聚合體內(nèi)散布著一種顆粒狀的導(dǎo)電填料。該平板層式結(jié)構(gòu)有一個熱連接到橋式部分的第一主表面和一個相對的第二主表面。一個第二鏤刻金屬箔結(jié)構(gòu)限定了固定在PTC層的第二主表面的兩個被分開的觸點墊，與電流集聚區(qū)成一直線并分別擴展為第三和第四個電極區(qū)，因而因為過電流流經(jīng)金屬箔導(dǎo)體而在電流集聚區(qū)產(chǎn)生的熱被傳遞到具有PTC特性的平板層，并能使一個改變了的控制電流在上述第三和第四個電極區(qū)之間流動以表明并阻止過電流流過金屬箔導(dǎo)體。
在第三方面，本發(fā)明提供了一種一般為矩形、平面的電子過電流傳感器件，該器件具有上主表面和下主表面，還包括一層限定于上主表面的鏤刻金屬箔導(dǎo)體，該金屬箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)，在相對的第二個端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)，有一個電流集聚區(qū)在第一電極部分與第二電極部分之間延伸。該器件還包括一個平板式呈現(xiàn)PTC特性的混合物層，該混合物包含一個有機聚合體，有機聚合體內(nèi)散布著一種顆粒狀的導(dǎo)電填料。該平板層有一個熱連接到橋式部分的第一主表面和一個相對的第二主表面。一個第三金屬箔電極固定在PTC平板的第二主表面，因而因為過電流流經(jīng)金屬箔導(dǎo)體而在橋式部分產(chǎn)生的熱被傳遞到具有PTC特性的平板層，其結(jié)果是一個控制電流流向上述第三鏤刻金屬箔電極。在本發(fā)明的這個方面，鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)特有過電流自動防故障性能，能使電流集聚區(qū)碎裂并斷開，來影響在溫度低于有機聚合物PTC材料層熱解或燃燒的溫度下時的持續(xù)電流狀態(tài)。
在第四方面，本發(fā)明提供了一種電子過電流傳感器件，該器件包括一個單面或雙面印刷電路板的基層，基層具有的上主表面包含一層鏤刻金屬箔導(dǎo)體，該金屬箔導(dǎo)體有一個電流源區(qū)，一個電流負載區(qū)和一個在電流電源連接區(qū)和電流負載連接區(qū)之間延伸的電流集聚區(qū)。在這個方面，PTC電阻在電流集聚區(qū)由基層的上表面或下表面支持。該PTC電阻電連接到過電流傳感區(qū)，因而因為過電流流經(jīng)金屬箔導(dǎo)體而在電流集聚區(qū)產(chǎn)生的熱被傳遞到PTC電阻，其結(jié)果是一個控制電流流到過電流傳感區(qū)。在需要與金屬箔導(dǎo)體的電路電隔離時，要設(shè)置第二個過電流傳感區(qū)。該電流集聚區(qū)可以有一個窄的蝕刻寬度，或可以有一個小的高度尺寸。該基體可由有機聚合體構(gòu)成，在電流集聚區(qū)可提供一或多種降低熔點的合金球，這些合金球可引起該有機基層材料在低于燃點的溫度熔化。
本發(fā)明的這種器件尤其用于(a)第一、第二電極和電流集聚區(qū)與負載串聯(lián)的電路，且(b)有機聚合體PTC元件電極與控制元件串聯(lián)，該控制元件耦合在電路中斷元件上，因此，當過電流流過負載時，通過控制元件的電流降低使電路中斷元件中斷或者充分降低通過負載的電流。如果過電流的狀態(tài)持續(xù)相當長的時間并且電流不變時，這種情況會發(fā)生在電路中斷元件的繼電器觸點焊合或熔合時，此時電流集聚區(qū)將以安全方式，且在低于PTC層有機聚合體熱解或燃燒的溫度下碎裂并斷開。
本發(fā)明的這種器件在用于保護經(jīng)常在電子-機械環(huán)境中遇到的較高直流電流、較低電壓負載的保護電路中尤其有用，如摩托車中包括電子負載例如燈和用于啟動和操作窗子、座椅、無線電天線和冷卻扇等的馬達，其在發(fā)動機啟動和停止時呈現(xiàn)過電流或經(jīng)受/出現(xiàn)故障狀態(tài)。這些用途的操作電流一般需要達到1或幾安培，甚至高達100安培，或者更高。例如摩托車中的電散熱器風扇馬達正常的操作電流可以是30安培，截止電流為70安培，此時包含一個本發(fā)明器件的過電流保護電路啟動并截斷負載電流。
本發(fā)明還包括可以劃分成一些獨立的本發(fā)明的器件的電子組件，其連接方法在國際公開號WO98/56014中有描述，可結(jié)合上述內(nèi)容進行參考。
本發(fā)明的主旨是以提供獨立器件為基礎(chǔ)進行的，或以提供電路板或子組件為基礎(chǔ)進行的，該電路板或子組件包含過電流保護印刷軌跡區(qū)或不從其它區(qū)域獨立出來的區(qū)域或電路。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以結(jié)合附圖，參考下面的優(yōu)選實施例的具體說明，更全面地理解本發(fā)明的這些和其它目的、優(yōu)點、各方面以及特點。
附圖簡要說明對本發(fā)明參照附圖進行說明，附圖中

圖1為有關(guān)本發(fā)明主旨的一種過電流保護器件的放大和分解視圖；圖2為有關(guān)本發(fā)明主旨的另外一種過電流保護器件的放大和分解視圖；圖3為沿圖2的3-3線所取的橫剖面圖；圖4為包含本發(fā)明過電流保護器件的電路的示意圖；圖5為有關(guān)本發(fā)明主旨的另外一種過電流保護器件的放大和分解視圖；圖6為有關(guān)本發(fā)明主旨的進一步的一種過電流保護器件的放大和分解視圖；圖7為有關(guān)本發(fā)明主旨的更進一步的過電流保護器件的放大和分解視圖；圖8A和圖8B分別為有關(guān)本發(fā)明主旨的另一種過電流保護器件的放大分解視圖和經(jīng)8-8的橫剖面圖。
具體實施例方式
有關(guān)本發(fā)明主旨的器件100如圖1所示。該器件100包含一個第一平面層，第一平面層包含一個導(dǎo)體10，導(dǎo)體10有一個寬的輸入端區(qū)12、一個寬的輸出終端區(qū)14和一個窄的電流集聚橋式部分16?？刂齐姌O18和18’也在第一平面層。例如，導(dǎo)體10和控制電極18和18’最好通過從一塊單一金屬片的中央部分上除去部分金屬構(gòu)成，如(a)通過刻蝕掉已經(jīng)按常規(guī)方法固定在PTC材料層20(PTC材料層不會因為蝕刻過程而改變)上的金屬層(例如金屬箔)，或(b)通過將一金屬片在其連接至該器件的剩余部分之前先壓印，或(c)通過壓印一金屬層和一個PTC層的疊層(在此情形下，該疊層的PTC層和其它層，例如在該疊層的相對著的表面上的集電控制層32，假設(shè)是相同形狀的)。電流集聚橋式部分16(與電流方向成直角)的橫剖面面積最好是每個終端區(qū)域12和14的橫剖面面積的0.1～0.8倍，尤其是0.15～0.5倍。經(jīng)過電鍍的導(dǎo)電通道22和22’穿過PCT層20使控制電極18和18’直接與集電層32互相連接。
PTC層20最好由具有第一和第二主表面的平板構(gòu)成。平面導(dǎo)體10固定在第一主表面，集電層32固定在相對的第二主表面。該PTC材料最好包含一種有機聚合體，一種散布在其中的顆粒狀的導(dǎo)電填料。但是，也可以采用其它具有預(yù)期的PCT特性的材料，包括著名的PCT陶瓷。該PTC材料的電阻系數(shù)和厚度以及電流集聚橋式部分16與PTC層20之間的熱耦合應(yīng)這樣選擇從而可獲得(a)在正常工作期間，在導(dǎo)體10和集電控制電極18和18’之間的預(yù)期電流(例如通過PTC層20提供的電阻)，以及(b)當出現(xiàn)過電流的故障狀態(tài)時，電流有預(yù)期的減少。如果需要，一種熱絕緣和電絕緣材料可置于至少部分的，通常是全部的，導(dǎo)體10和集電控制電極18和18’上；和/或一個導(dǎo)熱(可選為導(dǎo)電)材料層可置于電流集聚橋式部分16和PTC層20之間，用以修正(通常是增加)傳送到由PTC層20構(gòu)成的電阻的熱量。通?？梢灶A(yù)期到，故障狀態(tài)應(yīng)將導(dǎo)體10和控制電極18和18’之間的電流減少到小于通過控制電路的正常工作電流的0.6倍，尤其是小于通過控制電路的正常工作電流的0.4倍。
作為器件100的補充物還有一同樣形狀的保護層，該保護層用來覆蓋全部外部區(qū)域，除了用于電連接的直接連接接口。該保護材料，一般稱為“焊接外罩”，是一種適當?shù)木酆蠘渲牧希淇梢跃W(wǎng)狀覆蓋或者以其它方式有選擇性地沉積在完成的整個器件100上。
如圖1所示，當超量的電流集聚在導(dǎo)體10的電流集聚橋式部分16時會造成發(fā)熱。這個位于橋式部分16鄰近部分的發(fā)熱會在附近產(chǎn)生熱量梯度，熱耦合的PTC層20從熱源向外輻射熱，在圖1中用一系列同心圓環(huán)表示從橋式部分16鄰近部分向的外輻射。由于整個PTC層20具有預(yù)定的共同的PTC特性，所以該特性隨熱梯度而變化。根據(jù)本發(fā)明的主旨，及為了提高靈敏度并控制PTC的觸點，一個第三電極做成與PTC層20主要是在鄰近熱梯度部分而不是通過整個PTC層的表面電連接的形狀，如參考國際申請公開號WO98/56014所指出的。
在某些應(yīng)用中，期望能將流過PTC層的控制電流與流過導(dǎo)體10的主電流電路中絕緣開。圖2表示另一種保護器件200，該器件提供了這種絕緣并包含了對國際申請公開號WO98/56014所作的改進。圖2中同樣的元件和部分采用了與圖1相同的引用編號。在該保護器件200中，一個電絕緣層40插入導(dǎo)體10和控制電極18和19所在層與PTC層之間。該絕緣層40最好由一個高溫高電阻的高分子膜構(gòu)成，例如PVDF或一種高溫高電阻的尼龍的派生物(合成的帶有循環(huán)氨基的長鏈氨聚合物)。該絕緣層40應(yīng)當有足夠的厚度以便可實際制造并有足夠的電絕緣性以免在操作環(huán)境中由于電流變化造成電壓擊穿。在汽車領(lǐng)域應(yīng)用時，該高分子膜層最好有至少約0.001英寸的厚度并可以承受峰值100伏特的擊穿電壓。與圖1所示器件100的單個集電控制層32相比，圖2所示的器件200有兩個集電控制部分32和33，二者被一個窄縫隙34隔開，該縫隙最好位于PTC層20熱梯度的中心位置。器件200中，控制電阻35主要由位于控制部分32和33之間的PTC層20的區(qū)域構(gòu)成。至少有一個通道22將部件32連接到電極18，且至少有一個通道23將部件33連接到電極19。
圖4是包含了本發(fā)明一個器件200的保護電路400。在該電路中，一個主電流源402通過器件200的導(dǎo)電板10提供主操作電流。當保護繼電器404的觸點412和414閉合時，該主操作電流到達并流過負載406，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用時，這個相對較大的直流電流用于啟動馬達。電流通過一個普通或接地線路401回到主電源401。一個與主電流電源402分開的控制電流源408連接電極18并提供流過PTC電阻35的控制電流。該控制電阻的電極18為繼電器404的一個線圈410提供控制電流并在一般情況下使觸點412和414閉合，接通主電源402和負載406的電流。如果在負載406的情況下出現(xiàn)過電流狀態(tài)，比如馬達突然熄火，平板金屬導(dǎo)電體10的電流集聚橋式部分16A升溫。這個熱量傳遞到PTC層20，并由于熱梯度的原因在PTC層20內(nèi)輻射。由于電阻35充分位于熱梯度中心的區(qū)域34處，當電阻35的電阻值增大到停止向線圈410輸送足夠使觸點412和414閉合的電流時，出現(xiàn)故障狀態(tài)。在正常情況下，觸點412和414斷開，斷開主電流，使負載406出現(xiàn)過電流故障狀態(tài)。
在過電流故障狀態(tài)確實很少出現(xiàn)繼電器的觸點412和414同時焊合或熔合在一起。一個致使繼電器觸點焊合的原因是高電流繼電器啟動或停止工作。無論什么原因，如果繼電器的觸點412和414因為某種原因熔合在一起，斷開通過繼電器線圈410的控制電流也不能使觸點412和414斷開，橋式部分16A繼續(xù)集聚電流并發(fā)熱。另一需要過電流保護的情況是因為線圈過熱引起繼電器框架和底板變形。斷開通過繼電器線圈的電流后，這種變形會使繼電器觸點無法斷開。
在過電流強度很大的情況下，電流集聚橋式部分16A僅僅靠碎裂和自動保護裝置消除負載的過電流狀態(tài)。但是，還存在著有中等過電流的狀態(tài)，中等過電流不能使電流集聚橋式部分16A立即受損。當該金屬箔導(dǎo)體10僅由銅構(gòu)成時，除非達到相當高的溫度(即，純銅在約1083℃時達到融化狀態(tài))，它無法融化并斷開主電流電路。
在這種中等電流狀況下，銅的電流集聚橋式部分16A開始發(fā)熱但是不破裂。當該包含層20和40的有機聚合體達到高溫熱解溫度時(典型的在400～500℃范圍內(nèi))。如果該溫度遠高于該高溫熱解溫度時，該層20和40能燃起火焰并在要保護的環(huán)境內(nèi)(例如汽車引擎部分)引起電子火災(zāi)。本發(fā)明的更進一步的實施例可以消除或大大減少這種危險。
我們知道，如果把另一種金屬，例如錫，與銅做成合金，其熔點將會從高于1000℃降低到200～300℃。在常規(guī)的保險絲設(shè)計中使用著一種Metcalf在1940年發(fā)現(xiàn)的已知技術(shù)，即在銅保險絲的電流集聚區(qū)域提供錫金屬球。當過電流使銅達到高溫時，該錫金屬球融化并與銅混合成為合金，生成的該合金可在比銅的熔點低的多的溫度下碎裂。同時，除非該錫金屬球融化，它不會對該銅保險絲連線進行電流傳輸?shù)男阅茉斐纱笥绊憽?br> 本發(fā)明將Metcalf發(fā)明的主旨結(jié)合進金屬膜導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域16A。參見圖1，該橋式部分16提供了一個中央通道60和兩個分開的通道62和64，每個通道中包含或包容一個錫金屬球。當圖1中器件100的橋式部分16在過電流狀態(tài)下達到合金溫度，該錫金屬球融化并與橋式部分內(nèi)鄰近的銅生成合金。該銅錫合金繼而融化并碎裂以斷開主電流電路，這個可控制的較低溫度遠遠低于組成PTC層的有機聚合體的燃燒溫度。主電流金屬膜導(dǎo)體10的這個類似保險絲的性質(zhì)在圖4中有所示意。
圖5表示有關(guān)本發(fā)明主旨的器件金屬層的另外一個形狀。該器件可以是如圖1所示的只有一個PTC層的三端的器件，也可以是如圖2所示的四端的器件，有一個絕緣層40將PTC層20與金屬導(dǎo)體層分開。在圖5所示的器件中，金屬箔導(dǎo)體510包括一個輸入端部分512，一個輸出端部分514，和一個彎曲的橋式部分516?？刂齐姌O518和519在空間上位于不被彎曲的橋式部分516占據(jù)的區(qū)域。該控制集電箔層532和533定出一個縫隙534，該縫隙通常與橋式部分516的彎曲路線成一直線。通道522連接層532和電極518，通道523連接層533和電極519。PTC電阻535主要處于在PTC層20的縫隙534區(qū)域。一個中央通道560被限定在彎曲的橋式部分516處，兩個通道562和564包含錫金屬球，用于使彎曲的橋式部分在可控制的相對較低的溫度成為一個自動防故障裝置的保險絲。
現(xiàn)在參考圖6，器件600是本發(fā)明的另一個實施例。該器件600包含一個雙面的印刷電路板，該板有一個絕緣的核心層610，并在每個主表面都覆銅。一個主表面611包括鏤刻銅覆層限定的寬輸入端區(qū)612、一個寬的輸出端區(qū)614和一個橋接著端區(qū)612、614的窄的電流集聚部分616?？刂齐姌O618和619也限定在一個主表面611上。另一個主表面630包括鏤刻銅覆層限定的一個第一結(jié)合區(qū)632和第二結(jié)合區(qū)633，第一結(jié)合區(qū)632和第二結(jié)合區(qū)633一般與控制電極區(qū)618和619成一直線，并分別通過通道622、623相互連接。一個小的矩形PTC元件620橫在第一結(jié)合區(qū)632和第二結(jié)合區(qū)633之間并電連接該第一和第二結(jié)合區(qū)632和633。該PTC元件620可以沉積、層壓、涂覆、壓印、熔合或形成為表面安裝獨立器件焊接或者邊接合于結(jié)合區(qū)632和633。無論采用下述哪種構(gòu)成/接合方式，該PTC元件620熱接合于該絕緣的基層610，位于主表面611電流集聚橋式區(qū)域616的正上方，因而因為過電流狀態(tài)在電流集聚區(qū)域616產(chǎn)生的熱有效傳遞給PTC元件620并產(chǎn)生一個控制信號通過電極618和619，如上文所述。理想的情況，該印刷電路板的基層610應(yīng)盡可能地薄，整體厚度最優(yōu)選為約0.013毫米(0.005英寸)或更薄。構(gòu)成基層的絕緣材料可以是薄的聚酯材料例如MylarTM或其它適合的薄的柔性材料。也可以是一種薄但是相當硬的玻璃纖維加強樹脂也可使用。每個主表面最好涂覆一層厚度為0.034毫米(0.00135英寸)的銅(即每平方英尺約涂一盎司銅)。銅覆層鏤刻可以采用傳統(tǒng)的光刻膠和已經(jīng)成熟的化學蝕刻技術(shù)。
圖7是有關(guān)本發(fā)明主旨的更進一步的實施例。過電流保護器件700由一個單面印刷電路板構(gòu)成，該印刷電路板有一個絕緣的支持基層710和一個單面帶同形銅材涂料的主表面。該銅表面層適于鏤刻，限定出寬的輸入端區(qū)712、一個寬的輸出端區(qū)714和一個窄的電流集聚區(qū)域716，如前一實施例所述。控制電極718和719也在單面銅覆層表面被限定。一個PTC元件720沉積到，或單獨構(gòu)成并且連接到該印刷電路板，用于與控制電極718、719直接電接觸，并熱連接到電流集聚區(qū)域716。一個薄的電絕緣材料層740可插入在PTC器件720和電流集聚區(qū)域716之間，用于提供控制電流與帶負載導(dǎo)體之間的電絕緣。該帶負載導(dǎo)體包含區(qū)域712、714和716。
如圖8A和8B所示的過電流保護器件800提供了有關(guān)本發(fā)明主旨更進一步的實施例。一個雙層的印刷電路板810包含一個帶負載的導(dǎo)體，該導(dǎo)體有一個電流源區(qū)域812，一個電流負載區(qū)域814和一個高度有所下降的、薄的電流集聚區(qū)域816?？刂齐姌O區(qū)域818和819構(gòu)成該帶負載導(dǎo)體的表面，并連接該高度降低的薄的電流集聚區(qū)域816。一個小的，一般為矩形的PTC元件820形成粘結(jié)或附著于該印刷電路板810的背面，與結(jié)合區(qū)832和834相連，結(jié)合區(qū)832和834通過鍍過金屬的通道822和823分別與區(qū)域818和819相連。該電流集聚區(qū)域816可包含一個金屬球860，該種金屬，例如錫，有一個比該帶負載導(dǎo)體的銅低的熔點溫度，因而使該電流集聚區(qū)域成為一個自動保護裝置保險絲，與上文所述圖5所示的實施例方法相同。提供一種焊接外套類的共形的套850封裝整個該印刷電路板810除了與其他電路元件電連接的部分。整個過電流保護器件800的操作方式與本說明書前面所述的其他實施例相同。
實現(xiàn)本發(fā)明主旨的該器件的特別的尺寸和形狀是用于操作件與該器件串聯(lián)的電路元件所需的預(yù)期的操作電流的函數(shù)。一般在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的該器件最大的尺寸為645平方毫米(一平方英寸)。一般來說，從輸入端部分到輸出端部分的電阻比從金屬箔導(dǎo)體到三端器件的控制電極的電阻低的多。該器件的電阻可由PTC混合物構(gòu)成的控制電阻的電阻率控制，也可由PTC器件層的厚度和電流集聚層的形狀控制。本發(fā)明的器件適用于正常操作電流，即從薄膜金屬導(dǎo)體的輸入端到輸出端的電流小于1安培到大于100安培。盡管不同的器件所適應(yīng)的應(yīng)用會具有較高或較低的電流。故障電流就是會導(dǎo)致電路的電源到其電流回流的節(jié)點間的任何一個部件發(fā)生破壞的電流。在常用的汽車過電流保護應(yīng)用中，故障電流一般至少是工作電流的1.35倍，優(yōu)選地至少為1.4倍，特別的至少為工作電流的1.5倍。
體現(xiàn)本發(fā)明主旨的獨立元件最好由作為參考的國際專利申請WO98/56014所描述的電子組件構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的主旨，除了本發(fā)明提供和排布的組件外，本發(fā)明還可用于更大的電路板排布和更多的組件。因而本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知道，在不偏離本發(fā)明主旨的情況下結(jié)合本發(fā)明前述的最佳實施例容易作出許多變化和修改方式，這些變化和修改都是顯而易見的，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該由下面的權(quán)利要求書指出。本說明書只是介紹并公開了本發(fā)明，而應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種電子過電流傳感器件包含一個上主表面和一個下主表面還包括一層限定在上主表面的鏤刻金屬箔導(dǎo)體，該金屬箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)，在另一個端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)域，有一個電流集聚區(qū)域在第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域之間延伸；一個呈現(xiàn)PTC特性的混合物平板層，該平板層有一個至少熱連接該鏤刻金屬箔導(dǎo)體橋式部分的第一主表面和一個相對的第二主表面；一個鏤刻金屬箔控制集電層連接PTC平板的第二主表面，該PTC平板有一個表面區(qū)域一般限定在電流集聚區(qū)域，并與電流集聚區(qū)域成一直線，因此因為過電流流過該金屬箔導(dǎo)體而在橋式部分產(chǎn)生的熱被傳遞到呈現(xiàn)PTC特性的板上，其結(jié)果是在電路的其它元件包括該器件在達到因過熱而被毀之前有一個突變狀態(tài)的控制電流流過所述的控制集電層。
2.如權(quán)利要求1所述的電子過電流傳感器件，其特征在于還包括形成在一個面上的鏤刻金屬箔控制電極，所述平面包含該鏤刻金屬箔導(dǎo)體和至少一個使控制電極與控制集電層相互連接的通道。
3.如權(quán)利要求1所述的電子過電流傳感器件，其特征在于所述的呈現(xiàn)PTC特性的混合體平板包含一個有機聚合體，其具有顆粒狀的導(dǎo)電填料散布在其中。
4.如權(quán)利要求1所述的電子過電流傳感器件，其特征在于在該金屬箔導(dǎo)體和所述的呈現(xiàn)PTC特性的混合體平板之間還包含一個電絕緣層，而該鏤刻金屬箔控制集電層包含由一般與該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域成直線的縫隙分隔開的第一和第二導(dǎo)電區(qū)。
5.如權(quán)利要求4所述的電子過電流傳感器件，其特征在于還包括(a)在一個面上形成的由第一鏤刻金屬箔控制電極，該面包含該鏤刻金屬箔導(dǎo)體和至少一個將第一控制電極與該第一導(dǎo)電區(qū)相互連接的第一通道，和(b)在該面上形成的由第二鏤刻金屬箔控制電極和至少一個將第二控制電極與該第二導(dǎo)電區(qū)相互連接的第二通道。
6.如權(quán)利要求3所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域包含可使熔點溫度降低的合金，用于降低該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的熔化/碎裂溫度，將其降低到低于該有機聚合體在過電流狀態(tài)下的燃燒溫度的某一控制下的溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該鏤刻金屬箔導(dǎo)體包含銅，且而可使熔點溫度降低的合金器件中包含至少一個連接該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域的可以形成合金的錫金屬球，最好該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域在第一電極與第二電極之間彎曲地延伸。
8.如權(quán)利要求1所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該器件一般為矩形和平板狀，最好在電流集聚區(qū)域包含一個處于第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域之間的足夠窄的大致條狀的區(qū)域。
9.如權(quán)利要求4所述的電子過電流傳感器件，其特征在于在該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域在第一電極與第二電極之間彎曲地延伸，且在分開第一和第二導(dǎo)電區(qū)的間隔處至少有該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域的一彎曲通路經(jīng)過。
10.一種電子過電流傳感器件包含一個上主表面和一個下主表面；一層限定在上主表面的鏤刻金屬箔導(dǎo)體，該金屬箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)，在相對的端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)域，有一個電流集聚區(qū)域延伸在第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域之間；一個薄片結(jié)構(gòu)包含一個對著上主表面和鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電絕緣層和呈現(xiàn)PTC特性的混合物平板層，該薄片結(jié)構(gòu)有一個熱連接至少為該鏤刻金屬箔導(dǎo)體橋式部分的第一主表面和一個相對的第二主表面；一個鏤刻金屬箔控制集電層包含由間隔分開的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域，一般與鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域成一直線，因此因為過電流流過該金屬箔導(dǎo)體而在橋式部分產(chǎn)生的熱被傳遞到位于第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間鄰近電流集聚區(qū)域的由呈現(xiàn)PTC特性板構(gòu)成的電阻上，其結(jié)果是有一個控制電流流過所述的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域之間并通過所述的電阻。
11.如權(quán)利要求10所述的電子過電流傳感器件，其特征在于還包括在一個面上形成的第一鏤刻金屬箔控制電極，該面包含該鏤刻金屬箔導(dǎo)體和至少一個將第一控制電極與第一導(dǎo)電區(qū)相互連接的第一通道，以及在一個面上形成的第二鏤刻金屬箔控制電極，和至少一個內(nèi)連接第二控制電極與第二導(dǎo)電區(qū)相互連接的第二通道。
12.一種電子過電流傳感器件包含一個上主表面和一個下主表面；一層限定在上主表面的第一鏤刻銅箔導(dǎo)體，該銅箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)，在相對的另一個端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)域，有一個電流集聚區(qū)域延伸在第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域之間；一個呈現(xiàn)PTC特性的混合物平板層，該混合物包含一個有機聚合體并有顆粒狀的導(dǎo)電填料在其中擴散，該平板有一個熱連接電流集聚區(qū)域的第一主表面和一個相對的第二主表面；一個金屬箔電極固定在該PTC層的第二主表面，因此因為過電流流過該金屬箔導(dǎo)體而在橋式部分產(chǎn)生的熱被傳遞到呈現(xiàn)PTC特性的平板上，其結(jié)果是有一個控制電流流到所述的第三金屬箔電極；該鏤刻銅箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域包含至少一個在維持過電流狀態(tài)下能與電流集聚區(qū)域的銅熱結(jié)合成合金的錫金屬球，因而該部分可在可控制的低于該PTC層材料的有機聚合體的燃燒溫度的情況下碎裂并起自動保護作用。
13.一種電子過電流傳感器件包含一個基層，基層的上主表面包含一層鏤刻金屬箔導(dǎo)體，該導(dǎo)體有一個電流源區(qū)域、一個電流負載區(qū)域和一個在電流源連接區(qū)域與電流負載連接區(qū)域之間延伸的電流集聚區(qū)域，一個由基層支撐的PTC電阻位于該電流集聚區(qū)域，并至少有一個過電流傳感區(qū)域，該PTC電阻與該至少一個過電流傳感區(qū)域電連接，因而因為過電流流過該金屬箔導(dǎo)體而在電流集聚區(qū)域產(chǎn)生的熱被傳遞到PTC電阻，其結(jié)果是有一個控制電流流過所述的過電流傳感區(qū)域。
14.如權(quán)利要求13所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該基層中包含一種絕緣材料。
15.如權(quán)利要求14所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該基層中包含一個有機聚合體，最好該基層是柔性的。
16.如權(quán)利要求14所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該基層有足夠的硬度。
17.如權(quán)利要求14所述的電子過電流傳感器件，其特征在于包含兩個限定于基層上表面的過電流傳感區(qū)域，和兩個限定于基層下表面的PTC電阻結(jié)合區(qū)，該結(jié)合區(qū)在一個大致平的面中與兩個過電流傳感區(qū)成一直線并分別通過通道與過電流傳感區(qū)電連接，PTC電阻設(shè)于電流集中區(qū)上方并以橋式連接兩個PTC電阻結(jié)合區(qū)。
18.如權(quán)利要求14所述的電子過電流傳感器件，其特征在于包含兩個限定于基層上表面的過電流傳感區(qū)域，該PTC電阻有一個絕緣層并用熱連接的方式排布并連接兩個過電流傳感區(qū)域，并與電流集聚區(qū)域電絕緣。
19.如權(quán)利要求13所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該電流集聚區(qū)域包含該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的一個寬度變窄部分或一個高度變低部分。
20.如權(quán)利要求13所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該基層中包含一個有機聚合體材料，在該電流集聚區(qū)域包含一個可使熔點溫度降低的合金材料的球，用于降低該金屬箔導(dǎo)體的熔化/碎裂溫度，將其降低到某一控制下的低于該基層在過電流狀態(tài)下的燃燒溫度。
21.如權(quán)利要求18所述的電子過電流傳感器件，其特征在于該鏤刻金屬箔導(dǎo)體包含銅，且可使熔點溫度降低的合金材料包含至少一個熱連接該鏤刻金屬箔導(dǎo)體的電流集聚區(qū)域的錫金屬球。
22.如權(quán)利要求13所述的電子過電流傳感器件，其特征在于還包括一個防護材料的外罩。
全文摘要
一種一般為矩形，平板的電子過電流傳感器件(100)，該器件有一個上主表面和一個下主表面，有一層鏤刻的金屬箔導(dǎo)體(10)限定在該上主表面。該金屬箔導(dǎo)體在一個端部區(qū)域有一個第一電極區(qū)(12)，在相反的端部區(qū)域有一個第二電極區(qū)域(14)，有一個電流集聚區(qū)域(16)延伸在第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域之間，該器件更進一步包括一個呈現(xiàn)PTC特性的混合物平板層(20)，該平板層最好包含一個有機聚合體，并有顆粒狀的導(dǎo)電填料散布在其中，該平板層有一個與橋式部分熱連接的第一主表面還有一個與之相對的第二主表面。一個第三鏤空金屬箔電極(30)固定在該PTC層的第二主表面，其按電流集聚區(qū)域確定尺寸并與電流集聚區(qū)域成一直線，因此因為過電流流過該金屬箔導(dǎo)體而在電流集聚區(qū)域產(chǎn)生的熱被傳遞到呈現(xiàn)PTC特性的平板上，其結(jié)果是有一個控制電流流到所述的第三金屬箔電極。一個絕緣層(40)可插在該鏤刻金屬箔導(dǎo)體和該PTC平板層中間，在本例中，該第三金屬箔電極被一個縫隙分為兩個導(dǎo)體區(qū)域并與該電流集聚區(qū)域成一直線。因而提供了一個四端的器件。在該電流集聚區(qū)域還可包含錫金屬球，用于將其熔化/碎裂溫度降低到低于構(gòu)成PTC層的有機聚合體的燃燒溫度。
文檔編號H01C1/14GK1413350SQ00813287
公開日2003年4月23日 申請日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月24日
發(fā)明者I·米翁, W·蒙托亞, J·托斯 申請人:泰科電子有限公司