正溫度系數(shù)元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為關(guān)于一種正溫度系數(shù)（positivetemperaturecoefficient;PTC)元件， 具有隨著溫度上升而電阻值增大的正溫度系數(shù)特性，可應(yīng)用于溫度感測器（temperature sensor)和過電流保護(hù)（over-currentprotection)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于具有PTC特性的導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻具有對溫度變化反應(yīng)敏銳的特性，可作 為電流或溫度感測元件的材料，且目前已被廣泛應(yīng)用于過電流保護(hù)元件或電路元件上。由 于PTC導(dǎo)電復(fù)合材料在正常溫度下的電阻可維持極低值，使電路或電池得W正常運(yùn)作。但 是，當(dāng)電路或電池發(fā)生過電流（over-current)或過高溫（over-temperature)的現(xiàn)象時(shí)， PTC導(dǎo)電復(fù)合材料中的結(jié)晶性高分子會隨著烙解而膨脹，而切斷大部分導(dǎo)電性粒子的導(dǎo)電 路徑，使得電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(tài)，即發(fā)生觸發(fā)（trip)現(xiàn)象，從而降低流過的 電流值。
[0003] PTC材料應(yīng)用于過電流和過溫度保護(hù)元件時(shí)，特別要求在室溫下有低電阻值、大的 室溫電阻值與觸發(fā)時(shí)的電阻值變化率W及重復(fù)觸發(fā)后優(yōu)良的電阻再現(xiàn)性等。
[0004] 傳統(tǒng)上，PTC元件的導(dǎo)電性粒子主要使用碳黑和石墨等碳系導(dǎo)電性粒子。但是，為 因應(yīng)低電阻需求，必須使用大量的導(dǎo)電性粒子。此時(shí)，觸發(fā)時(shí)的電阻變化率減少，而不足W 有效提供過電流和過溫度保護(hù)。
[0005] 此缺點(diǎn)可使用比碳系導(dǎo)電粒子更低比電阻的金屬導(dǎo)電性粒子予W改善，例如使用 儀金屬粉。但是，使用運(yùn)些金屬導(dǎo)電性粒子的PTC元件的室溫電阻值會隨著時(shí)間會慢慢上 升，故其長期保存的可靠性差，原因被認(rèn)為是金屬導(dǎo)電性粒子的表面被氧化導(dǎo)致導(dǎo)電率降 低。
[0006] 美國專利US6, 778, 062掲示一種聚合物型PTC熱敏電阻（thermistor)，其特征為 含有高分子聚合物基材與散布于高分子聚合物基材中的導(dǎo)電性金屬粒子。該導(dǎo)電性金屬粒 子表面附近具有與高分子聚合物基材不同材料的有機(jī)物層，其不與該導(dǎo)電性金屬粒子共價(jià) 鍵結(jié)，且與該高分子有機(jī)基材無分子程度的相溶性。經(jīng)由有機(jī)物層預(yù)先處理于導(dǎo)電性金屬 粒子的表面，可抑制氧化而令電阻值安定。不過該等技術(shù)需要預(yù)先針對導(dǎo)電性金屬進(jìn)行處 理，制程較為復(fù)雜，而且導(dǎo)電性金屬的處理穩(wěn)定性和品質(zhì)不易控制，也有可能影響PTC熱敏 電阻的電性表現(xiàn)。
[0007] 美國專利US5, 945, 034、US6, 143, 206、US6, 299, 801 及US6, 452, 476 均有掲示一種 聚合物型PTC熱敏電阻（thermistor)，其特征為含有高分子聚合物基材、低分子量有機(jī)化 合物、與散布于高分子聚合物基材中的導(dǎo)電性金屬粒子，其中低分子量有機(jī)化合物的烙點(diǎn) 在40~100°C。美國專利US6, 607, 679掲示在聚合物型PTC熱敏電阻的組成成份中，含有 蠟類（wax)、醋類（fat)、或油類（oil)的低分子量有機(jī)化合物。不過所有上述技術(shù)，其PTC 效應(yīng)主要還是來自于高分子聚合物基材，并沒有教導(dǎo)如何透過低分子量有機(jī)化合物的烙解 膨脹產(chǎn)生PTC效應(yīng)，也沒有教導(dǎo)如何借著縮小低分子量有機(jī)化合物的烙點(diǎn)分布范圍，也就 是借著提升烙解溫度的集中度，來達(dá)到高的維持電流與降低的PTC的觸發(fā)溫度。
[0008]美國專利US8, 525, 636掲示一種聚合物型PTC熱敏電阻（thermistor)，其特征為 含有高分子聚合物基材與散布于高分子聚合物基材中的高導(dǎo)電性陶磁粒子。該P(yáng)TC熱敏 電阻在60°C的單位面積的維持電流（維持電流除W遮蓋面積（coveredarea))在0. 16~ 0. 8A/mm2,且60°C的維持電流是25°C的維持電流的40~95%。該技術(shù)并沒有教導(dǎo)如何透 過低分子量有機(jī)化合物的烙解膨脹產(chǎn)生PTC效應(yīng)，也沒有教導(dǎo)如何借著提升低分子量有機(jī) 化合物烙解溫度的集中度，同時(shí)達(dá)到在60°C有高的維持電流與降低的PTC的觸發(fā)溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明掲露一種PTC元件，具有精確的觸發(fā)溫度區(qū)間，亦即可精準(zhǔn)控制觸發(fā)溫度， 除了過電流的應(yīng)用外，也特別適于溫度感測器的應(yīng)用。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種PTC元件，包含二個(gè)電極層化及疊設(shè)于該二個(gè)電極層 之間的PTC材料層。該P(yáng)TC材料層的體積電阻值小于0. 2Q-cm,且包含結(jié)晶性高分子聚合 物、高導(dǎo)電陶瓷填料W及結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物。該結(jié)晶性高分子聚合物包含熱塑性 高分子、熱固性高分子或其組合。高導(dǎo)電陶瓷填料的體積電阻值小于500yQ-cm，占PTC 材料層的體積百分比在40%~70%的范圍，且散布于該結(jié)晶性高分子聚合物中。結(jié)晶性低 分子量有機(jī)化合物的分子量小于5000,且占PTC材料層的體積百分比在6-30%的范圍。該 PTC元件在60°C的維持電流除W其遮蓋面積（coveredarea)的值大于0. 2A/mm2,且其60°C 的維持電流是25°C的維持電流的40~95%。PTC元件的觸發(fā)溫度小于95°C。
[0011] 一實(shí)施例中，結(jié)晶性高分子聚合物中的熱塑性高分子系選自：聚締控、乙締-醋酸 乙締醋共聚物、乙締-丙締酸共聚物、面素系聚合物、聚酷胺、聚苯乙締、聚丙締臘、聚氧化 乙締、聚乙縮醒、熱塑性改質(zhì)纖維素、聚諷、熱塑性聚醋、聚丙締酸乙醋、聚甲基丙締酸甲醋、 熱塑性彈性體，及含離子，如：鋒、儀、銅、鐵、侶等的高分子聚合物。
[0012] 一實(shí)施例中，結(jié)晶性高分子聚合物中的熱固性高分子系選自：環(huán)氧樹脂、不飽和聚 醋樹脂、聚酷亞胺、聚氨醋、苯酪樹脂、聚娃氧樹脂。
[0013] 一實(shí)施例中，該結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物的烙點(diǎn)介于70~Iior之間，且具 備狹窄的烙解溫度分布范圍：例如小于20°C，較佳是小于10°C，最佳是小于6°C，該烙解 溫度分布范圍的定義是從該化合物起始烙解至結(jié)束烙解的溫度范圍。該起始烙解溫度 (onsetpoint)與結(jié)束烙解溫度（offsetpoint)是取決于示差掃描量熱儀值ifferential Scanning化Iorimetry;DSC)圖形中，從烙點(diǎn)頂端（peak)向烙化的吸熱曲線兩側(cè)所畫的切 線，與基礎(chǔ)線化aseline)形成的2個(gè)交叉點(diǎn)，所各別對應(yīng)的溫度。
[0014] 一實(shí)施例中，該結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物系選自：石蠟、微晶狀蠟、植物系蠟、動 物系蠟、礦物系蠟、脂肪酸、硬脂酸、棟桐酸、脂肪醋、脂肪酸醋、聚乙締蠟、酷胺、硬脂酷胺、 山齋酷胺、N，N'-乙締雙月桂酷胺、N，N'-二油基己二酷胺、N，N'-伸己基雙-12-徑基硬 脂酷胺或其組合。
[0015] 一實(shí)施例中，該結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物為控類、脂肪酸、脂肪酸醋、脂肪酷胺、 脂族胺、碳數(shù)12個(gè)W上的正燒醇、氯化石蠟。一實(shí)施例中，該脂族胺為碳數(shù)16個(gè)W上的脂 族一級胺。
[0016] 一實(shí)施例中，該結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物為具有單一烙點(diǎn)特性的再結(jié)晶臘。
[0017] 一實(shí)施例中，該低分子量有機(jī)化合物為具有W下分子式的材料：Ri-C(0) -NH-r2,其 中R\r2是具有4-24個(gè)碳原子的飽和烷基或芳香族徑基。
[001引一實(shí)施例中，該導(dǎo)電陶瓷填料則包含碳化鐵（TiC)、碳化鶴（WC)、碳化饑（VC)、碳 化錯(cuò)狂rC)、碳化妮（NbC)、碳化粗（TaC)、碳化鋼（MoC)、碳化給化fC)、棚化鐵（TiBz)、棚化 饑（VBz)、棚化錯(cuò)（ZrBz)、棚化妮（NbBz)、棚化鋼（MoBz)、棚化給化化)、氮化錯(cuò)紅腳、氮化 鐵（TiN)或其固溶體或其混合物。該導(dǎo)電陶瓷填料的粒徑大小系介于O.Olym至30ym之 間，較佳粒徑大小系介于0. 1ym至10Jim之間。
[0019] -實(shí)施例中，結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物的分子量小于3000。
[0020] 一實(shí)施例中，PTC元件的觸發(fā)溫度系于6V和IA的測試條件下測得。
[0021] 本發(fā)明的PTC元件利用結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物具有較高結(jié)晶度的特性，可W 在準(zhǔn)確的溫度區(qū)間內(nèi)使得元件的電阻急遽上升（觸發(fā)）。另外，本發(fā)明藉由縮小低分子量 有機(jī)化合物的烙點(diǎn)分布范圍，也就是借著提升烙解溫度的集中度，來同時(shí)達(dá)到在6(TC仍然 具有高維持電流與降低的PTC元件的觸發(fā)溫度的特性，因此非常適合作為溫度感測器的應(yīng) 用。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的正溫度系數(shù)元件的示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明正溫度系數(shù)元件的烙點(diǎn)溫度范圍示意圖。
[0024] 其中，附圖標(biāo)記說明如下： 陽0巧]10PTC元件
[0026] 11PTC材料層
[0027] 12電極層
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為讓本發(fā)明的上述和其他技術(shù)內(nèi)容、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出相關(guān) 實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。
[0029] 本發(fā)明的PTC元件的結(jié)構(gòu)例示如圖1，PTC元件10包含二個(gè)電極層12W及疊設(shè) 于該二個(gè)電極層12間的PTC材料層11。該P(yáng)TC材料層11包含結(jié)晶性高分子聚合物、導(dǎo) 電陶瓷填料W及結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物。結(jié)晶性高分子聚合物作為PTC材料層11的 基材，導(dǎo)電陶瓷填料和結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物系均勻散布于該結(jié)晶性高分子聚合物形 成的基材中。結(jié)晶性低分子量有機(jī)化合物的結(jié)晶度一般比高分子聚合物高，故隨著溫度增 加至其烙點(diǎn)，因該結(jié)晶性低分子