專利名稱：過電流保護元件及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及過電流保護技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種將不同的具正溫度系數(shù)導(dǎo)電復(fù)合材料加以串聯(lián)所形成的過電流保護元件及其裝置。
習(xí)知的過電流保護元件10，包含一第一電極箔12、一第二電極箔13以及一電流感測層11，如

圖1所示。若該過電流保護元件10用于保護二次電池時，則在第一及第二電極箔12、13的表面上會進一步連接一第一金屬導(dǎo)電片14和第二金屬導(dǎo)電片15，以作為與二次電池的正負(fù)極電氣連接的導(dǎo)線。
目前，較常見的電流感測層11由一具有正溫度系數(shù)(Positive TemperatureCoefficientPTC)的導(dǎo)電材料所形成，包含一聚合物及一導(dǎo)電填料。由于該PTC導(dǎo)電材料的電阻值對溫度變化反應(yīng)敏銳，在正常使用狀況時，其電阻可維持極低值，使電路得以正常運作。但是，當(dāng)發(fā)生過電流或過高溫的現(xiàn)象而使溫度上升時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(tài)(例如104ohm以上)，而將過量的電流反向抵銷，以達(dá)到保護電池或電路元件的目的。
一般而言，PTC過電流保護元件可保護電池或電路元件的因素之一是其電阻值對溫度變化的彈跳反應(yīng)，彈跳反應(yīng)愈大，即電阻值在溫度高于轉(zhuǎn)換溫度(Ts)時，提升愈高，則過電流保護元件的耐壓愈高。所謂彈跳反應(yīng)是當(dāng)電流感測層的溫度因過電流現(xiàn)象而上升，其電阻由低電阻狀態(tài)(亦即起始電阻值(Rmin))瞬間上升至高電阻狀態(tài)(亦即尖峰電阻值(Rpeak))所表現(xiàn)的差異，差異愈大，表示彈跳反應(yīng)愈大，而轉(zhuǎn)換溫度(Ts)指PTC電流感測元件的電阻值增加至常溫電阻值的100倍時的溫度。
再者，由于過電流保護元件的消耗能量(Power DissipationPd)可以下列通式表示Pd＝V2/R，其中，V為其可承受的電壓，R為其尖峰電阻值。由上述通式可知，當(dāng)其尖峰電阻值愈高，其彈跳反應(yīng)愈大，相對地其可承受的電壓也愈高。
習(xí)知提高過電流保護元件的尖峰電阻值的方法是將導(dǎo)電填料(例如碳黑)的含量降低，然而，此一方法卻也會相對地提升其起始電阻值，而使其導(dǎo)電度降低。有鑒于此，本實用新型針對此一問題提供一新穎的可耐高電壓的過電流保護元件。
本實用新型的第二目的是提供一種過電流保護元件及其裝置，其電阻值可利用串聯(lián)不同電流感測層加以變化，使其達(dá)到耐壓需求。
本實用新型的第三目的是提供一種過電流保護元件及其裝置，其電阻值對溫度的變化可以藉由控制所串聯(lián)的各電流感測層的轉(zhuǎn)換溫度，使其達(dá)到對溫度及電阻的需求。
為達(dá)成上述目的并避免習(xí)知技藝的缺點，本實用新型揭示一過電流保護元件及其裝置。該過電流保護元件包含一第一電極箔、一第二電極箔及復(fù)數(shù)個高分子電流感測層，其特征在于該復(fù)數(shù)個高分子電流感測層以層疊形成并以電氣串聯(lián)方式組成，第一及第二電極箔設(shè)置于該復(fù)數(shù)個高分子電流感測層的相對應(yīng)的表面上，且每一高分子電流感測層轉(zhuǎn)換溫度相差至少5℃。
本實用新型可包含二種或二種以上的電流感測層，使其形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，此串聯(lián)結(jié)構(gòu)可經(jīng)由電流感測層彼此緊密分層接合，亦可以導(dǎo)電聯(lián)結(jié)機構(gòu)(如導(dǎo)電銀膠或金屬箔等)將電流感測層連結(jié)而成，而各層的PTC電流感測層可各具不同的厚度、電阻值及轉(zhuǎn)換溫度，如此，PTC過電流保護元件對其電阻值、耐壓、及溫度的需求可經(jīng)由各層的厚度、電阻值及轉(zhuǎn)換溫度加以變化。
本實用新型亦可包含復(fù)數(shù)個前述的過電流保護元件、一第一連接部、一第二連接部及至少一絕緣層。該第一連接部包含第一外層導(dǎo)電構(gòu)件和一第一導(dǎo)電孔，且該第一導(dǎo)電孔用以電氣連接該復(fù)數(shù)個過電流保護元件的第一電極箔和該第一外層導(dǎo)電構(gòu)件。該第二連接部包含第二外層導(dǎo)電構(gòu)件和一第二導(dǎo)電孔，且該第二導(dǎo)電孔用以電氣連接該復(fù)數(shù)個過電流保護元件的第二電極箔和該第二外層導(dǎo)電構(gòu)件。該絕緣層用于隔離相鄰的過電流保護元件及隔離過電流保護元件與第一和第二外層導(dǎo)電構(gòu)件，此過電流保護元件設(shè)計可用于表面黏著裝置使用。
具體實施方式
本實用新型揭示一種過電流保護元件，其包含二種或二種以上轉(zhuǎn)換溫度(Ts)相差至少5℃以上的電流感測層。本實用新型將每一電流感測層加以層疊使之形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可使尖峰電阻值可根據(jù)耐壓需求加以變化。
于本實用新型的過電流保護元件的起始電阻值(Rmin)及尖峰電阻值(Rpeak)可以下列通式計算而得Rmin＝R1min×(t1/t0)+R2min×(t2/t0)+R3min×(t3/t0)+…+Rimin×(ti/t0)…… (1)Rpeak＝R1peak×(t1/t0)+R2peak×(t2/t0)+R3peak×(t3/t0)+…+Ripeak×(ti/t0)…… (2)其中R1min、R2min、R3min…Rimin分別為第一、第二、第三至第i電流感測層于t0厚度的起始電阻值；R1peak、R2peak、R3peak、…Ripeak分別為第一、第二、第三至第i電流感測層于t0厚度的尖峰電阻值；t1、t2、t3、…ti分別A第一、第二、第三…第i電流感測層的厚度；且t0＝t1+t2+t3+…ti。
圖2是根據(jù)本實用新型的第一實施例的過電流保護元件20的剖面圖，包含一第一電流感測層21、一第二電流感測層21’、一第一電極箔23及一第二電極箔22，該第一電極箔23設(shè)置于該第一電流感測層21相對于第二電流感測層21’的表面，而第二電極箔22設(shè)置于該第二電流感測層21’相對于第一電流感測層21的表面上。該第一電極箔23及第二電極箔22為一金屬導(dǎo)電材質(zhì)，例如銅、鎳、鉑、金及其合金。
該第一電流感測層21及第二電流感測層21’皆由一具正溫度系數(shù)(PTC)的導(dǎo)電復(fù)合材料所形成。其中，該第一電流感測層21包含一第一聚合物及一第一導(dǎo)電填料，而該第二電流感測層21’包含一第二聚合物及一第二導(dǎo)電填料。且該第一聚合物及該第二聚合物為相同或不同的聚合物，例如聚烯烴類聚合物或環(huán)氧樹脂等。而該第一導(dǎo)電填料及該第二導(dǎo)電填料亦可為相同或不同的導(dǎo)電填料，例如碳黑、金屬粉末及陶瓷性粉末等。該第一電流感測層21的轉(zhuǎn)換溫度(Ts1)可設(shè)定為大于60℃，而該第二電流感測層21’的轉(zhuǎn)換溫渡(Ts2)與第一電流感測層21相差至少5℃以上(|Ts2-Ts1|＞5℃)。
進一步地，本實用新型的過電流保護元件20的第一電流感測層21的體積電阻值高于該第二電流感測層21’至少20％以上，而第一電流感測層21與第二電流感測層21’的厚度的比值介于0.01-0.96之間。
于本實用新型的第一實施例的過電流保護元件20中，若第一電流感測層21的單體的體積電阻值為1.43歐姆公分(Ω.cm)，當(dāng)厚度為t0(0.21毫米(mm))時，其起始電阻值(R1min)為50毫歐姆(mΩ)，且其尖峰電阻值(R1peak)為100歐姆，第二電流感測層21’的單體的體積電阻值為3.14歐姆公分(Ω.cm)，當(dāng)厚度為t0時，其起始電阻值(R2min)為110毫歐姆，且其尖峰電阻值(R2peak)為100,000歐姆，當(dāng)電流感測層21和21’串聯(lián)貼合并控制總厚度仍然為t0，其中第一電流感測層21與第二電流感測層21’的厚度比為9∶1。由于電流感測層的電阻與其厚度成正比，所以，當(dāng)?shù)谝浑娏鞲袦y層21及第二電流感測層21’串聯(lián)時，依據(jù)方程式(1)及(2)的計算，其所形成的過電流保護元件的起始電阻值為56毫歐姆(Rmin＝50mΩ×0.9+110mΩ×0.1＝56mΩ)，而其尖峰電阻為10090歐姆(Rpeak＝100Ω×0.9+100,000Ω×0.1＝10090Ω)。由此可知，利用本實用新型的過電流保護元件，不僅可增加尖峰電阻值且不會犧牲其起始的較低電阻值。
圖3所示為本實用新型與習(xí)知的過電流保護元件的電阻-溫度曲線圖，其中，曲線A代表習(xí)知的具有單層電流感測層的過電流保護元件，其利用高電阻的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料(其起始電阻值為110mΩ，而尖峰電阻值為100,000Ω)所形成。曲線B代表另一習(xí)知的具有單層電流感測層的過電流保護元件，其利用低電阻的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料(其起始電阻值為50mΩ，而尖峰電阻值為100Ω)所形成。曲線C代表本實用新型的一實施例的具有雙層電流感測層的過電流保護元件，其中該雙層電流感測層將上述高電阻的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料(占總厚度的10％)與低電阻的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料(占總厚度的90％)層疊所形成。曲線D代表另一習(xí)知的具有單層電流感測層的過電流保護元件，惟其電流感測層是將上述高電阻的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料(體積百分比為10％)及低電阻的PTC導(dǎo)電復(fù)合材料(體積百分比為90％)加以混合的后所形成。
由圖3中可知，本實用新型的過電流保護元件不僅可降低高電阻的導(dǎo)電復(fù)合材料的起始電阻值，亦可增加低電阻的導(dǎo)電復(fù)合材料的尖峰電阻值及其斷電速度(對溫度的靈敏度)。再者，藉由比較曲線C及曲線D可知，本實用新型的雙層電流感測層的尖峰電阻值及斷電速度較直接將具有高電阻的導(dǎo)電復(fù)合材料與具有低電阻的導(dǎo)電復(fù)合材料加以混合后所形成的單層電流感測層高，且其轉(zhuǎn)換溫度也相對降低。亦即，本實用新型的過電流保護元件可使耐電壓提高且增加其對溫度的靈敏度。
進一步地，本實用新型的過電流保護元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)除了可藉由電流感測層彼此緊密分層接合而形成之外，亦可利用一導(dǎo)電聯(lián)結(jié)機構(gòu)(未圖示)將電流感測層連結(jié)而成，其中該導(dǎo)電連結(jié)機構(gòu)設(shè)置于二高分子電流感測層之間且為一具有高導(dǎo)電度材質(zhì)所形成，例如導(dǎo)電銀膠或金屬箔等，藉以電氣連結(jié)二相鄰的高分子電流感測層。
圖4為根據(jù)本實用新型的第二實施例的過電流保護元件40的剖面圖。該過電流保護元件40包含一第一電流感測層41、一第二電流感測層41’、一第三電流感測層41”、一第一電極箔43及一第二電極箔42，其中該第一電流感測層41的轉(zhuǎn)換溫度(Ts1)可設(shè)定為大于60℃以上，且該第二電流感測層41’的轉(zhuǎn)換溫度(Ts2)與第一電流感測層41相差至少5℃以上(|Ts2-Ts1|＞5℃)，而該第三電流感測層41”的轉(zhuǎn)換溫度(Ts3)與第二電流感測層41’的轉(zhuǎn)換溫度相差至少5℃以上(|Ts3-Ts2|＞5℃)。該第二電極箔42設(shè)置于該第一電流感測層41相對于第二電流感測層41’的表面上，而第一電極箔43設(shè)置于該第三電流感測層41”相對于第二電流感測層41’的表面上。
本實用新型的過電流保護元件不僅可作為二次電池的電路保護之用，亦可黏著于電路板表面以作為保護電路元件之用。當(dāng)用于二次電池的電路保護時，本實用新型的過電流保護元件可進一步包含一第一導(dǎo)電機構(gòu)54及一第二導(dǎo)電機構(gòu)55，其分別設(shè)置于該第一電極箔23和第二電極箔22相對于電流感測層21和21’的表面上，如圖5所示，該第一導(dǎo)電機構(gòu)54及第二導(dǎo)電機構(gòu)55的設(shè)置方向為相同或相反，且該第一導(dǎo)電機構(gòu)54及第二導(dǎo)電機構(gòu)55為一金屬導(dǎo)電片或一導(dǎo)線，以便電氣連接至二次電池的正負(fù)極或是可直接插入電路板中。
另外，本實用新型可將復(fù)數(shù)個過電流保護元件20利用一導(dǎo)電材質(zhì)的第一連接部63及第二連接部63’并聯(lián)形成一過電流保護裝置60，用以黏著于一電路板(未圖示)上，其中該第一連接部63包含一第一外層導(dǎo)電構(gòu)件64和一第一導(dǎo)電孔(未圖示)，該第一導(dǎo)電孔用以電氣連接該復(fù)數(shù)個過電流保護元件20的第一電極箔23和該第一外層導(dǎo)電構(gòu)件64；該第二連接部包含第二外層導(dǎo)電構(gòu)件65和一第二導(dǎo)電孔(未圖示)，該第二導(dǎo)電孔用以電氣連接該復(fù)數(shù)個過電流保護元件的第二電極箔22和該第二外層導(dǎo)電構(gòu)件65，如圖6所示。每一過電流保護元件20的第一電極箔23的一端利用蝕刻等方式形成一第一絕緣區(qū)66’，而其第二電極箔22相對應(yīng)于該絕緣區(qū)66’的另一端亦利用蝕刻方式形成一第二絕緣區(qū)66。并聯(lián)后的過電流保護元件可進一步包含至少一絕緣層62。其中該外層導(dǎo)電構(gòu)件可利用蝕刻方法形成二導(dǎo)電端64’、64”及65’、65”。此外，相鄰的電極箔及電極箔與外層導(dǎo)電構(gòu)件之間利用一絕緣層62以作為阻絕。并且利用該外層導(dǎo)電構(gòu)件64、65所形成的導(dǎo)電端64’、64”及65’、65”電氣連接至外部電路板(圖未示出)的電路元件，以保護該電路元件。
本實用新型的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點已揭示如上，然而熟悉本項技術(shù)的人士仍可能基于本實用新型的教示及揭示而作種種不背離本實用新型精神的替換及修飾。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)不限于實施例所揭示者，而應(yīng)包括各種不背離本實用新型的替換及修飾，并為權(quán)利要求書的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種過電流保護元件，包含一第一電極箔、一第二電極箔及復(fù)數(shù)個高分子電流感測層，其特征在于該復(fù)數(shù)個高分子電流感測層以電氣串聯(lián)方式組成，且每一高分子電流感測層的轉(zhuǎn)換溫度相差至少5℃。
2.如權(quán)利要求1所述的過電流保護元件，其特征是其中至少一個高分子電流感測層的轉(zhuǎn)換溫度大于60℃。
3.如權(quán)利要求1所述的過電流保護元件，其特征是其中該第一電極箔及第二電極箔為金屬導(dǎo)電材質(zhì)，并可電氣連結(jié)于電源端。
4.如權(quán)利要求1所述的過電流保護元件，其特征是進一步包含一導(dǎo)電連結(jié)機構(gòu)，設(shè)置于二相鄰的電流感測層之間，藉以電氣連結(jié)二相鄰的高分子電流感測層。
5.如權(quán)利要求4所述的過電流保護元件，其特征是其中該導(dǎo)電連結(jié)機構(gòu)為導(dǎo)電膠或金屬箔。
6.如權(quán)利要求1所述的過電流保護元件，其特征是其中該復(fù)數(shù)個高分子電流感測層包含一聚合物及一導(dǎo)電填料。
7.如權(quán)利要求4所述的過電流保護元件，其特征是其中每一高分子電流感測層所包含的聚合物為相同或不同種類。
8.如權(quán)利要求4所述的過電流保護元件，其特征是其中每一高分子電流感測層所包含的導(dǎo)電填料為相同或不同種類。
9.如權(quán)利要求1所述的過電流保護元件，其特征是其中每一高分子電流感測層的體積電阻值相差至少20％。
10.如權(quán)利要求1所述的過電流保護元件，其特征是進一步包含一第一導(dǎo)電機構(gòu)及一第二導(dǎo)電機構(gòu)，分別設(shè)置于該第一電極箔及第二電極箔表面。
11.如權(quán)利要求10所述的過電流保護元件，其特征是其中該第一導(dǎo)電機構(gòu)及第二導(dǎo)電機構(gòu)的設(shè)置方向為相同或相反。
12.如權(quán)利要求10所述的過電流保護元件，其特征是其中該第一及第二導(dǎo)電機構(gòu)為一導(dǎo)電片或?qū)Ь€。
13.一種過電流保護裝置，其特征是包含至少一個如權(quán)利要求1的過電流保護元件；一第一連接部，包含第一外層導(dǎo)電構(gòu)件和一第一導(dǎo)電孔，該第一導(dǎo)電孔用以電氣連接該至少一個過電流保護元件的第一電極箔和該第一外層導(dǎo)電構(gòu)件；一第二連接部，包含第二外層導(dǎo)電構(gòu)件和一第二導(dǎo)電孔，該第二導(dǎo)電孔用以電氣連接該至少一個過電流保護元件的第二電極箔和該第二外層導(dǎo)電構(gòu)件；及至少一絕緣層，用于隔離相鄰的過電流保護元件及隔離過電流保護元件與第一和第二外層導(dǎo)電構(gòu)件。
14.如權(quán)利要求13所述的過電流保護裝置，其特征是其中該第一和第二連接部利用一導(dǎo)電材質(zhì)所形成。
專利摘要本實用新型揭示一過電流保護元件及其裝置;該過電流保護元件包含一第一電極箔、一第二電極箔及復(fù)數(shù)個電流感測層,其特征在于該復(fù)數(shù)個電流感測層以電氣串聯(lián)方式組成,且每一電流感測層的轉(zhuǎn)換溫度相差至少5℃,并利用控制每一電流感測層的電阻及厚度藉以使過電流保護元件達(dá)到耐高電壓的目的;該過電流保護裝置包含二種或二種以上的電流感測層,使其形成串聯(lián)結(jié)構(gòu),因此其電阻值可根據(jù)耐壓需求加以變化。
文檔編號H01C7/13GK2519390SQ01270789
公開日2002年10月30日 申請日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月23日
發(fā)明者朱復(fù)華, 王紹裘, 馬云晉 申請人:聚鼎科技股份有限公司