复合热敏电阻元件制造技术

本公开的方面涉及一种复合热敏电阻元件(10)。所述元件包括设置在一对电极(2a，2b)之间的传感器材料(1)。所述传感器材料包括电介质基体(4)中的颗粒(3)。所述颗粒(3)具有芯(6)和由无机材料制成的覆盖层(7)，所述芯具有温度相关电阻。所述颗粒在所述电极(2a，2b)之间形成具有温度相关电阻和基线电阻的电子传导路径(5)。进一步的方面涉及制造热敏电阻的方法、已涂覆颗粒、用于制造包含所述颗粒的复合热敏电阻的组合物，以及包含本文公开的所述热敏电阻的温度传感器。敏电阻的温度传感器。敏电阻的温度传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合热敏电阻元件


[0001]本公开涉及包含分散在基体中的颗粒的复合热敏电阻元件、复合热敏电阻元件的制造、用于制造传感器材料的组合物，以及包含复合热敏电阻元件的温度传感器。

技术介绍

[0002]热敏电阻是一种其电阻值与温度具有特定相关性的电阻器。当相关性已知时，电阻值可用作温度的量度。通常，陶瓷主要包含具有特定的电阻温度系数的过渡元素(如锰(Mn)、锌(Zn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu))的氧化物。
[0003]已知制造陶瓷热敏电阻元件有两种主要途径。第一种途径涉及例如在模具中将前体材料的混合物烧结成预定的形式。烧结后，可以进一步(例如，通过锯切和/或机械铣削)将陶瓷加工成最终形式。第二种途径涉及通过沉积(例如，溅射或印刷)包含热阻颗粒的组合物来形成元件。WO2018164570公开了一种包括传感器材料的印刷温度传感器，传感器材料包含半导体微粒，半导体微粒包括具有负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)的陶瓷NTC材料。传感器材料是通过将电介质基体组合物(例如，包括聚合物)中具有强NTC行为的微粒与溶剂混合以形成作为油墨或浆料的传感器材料而形成的。通过交联电介质基体和/或蒸发溶剂而不熔化或烧结微粒来硬化或固化油墨或浆料。
[0004]与已知热敏电阻的制造途径无关，通过控制陶瓷传感材料的组合物(例如，掺杂水平)来控制热敏电阻材料的电特性(例如，电导率)。这样，材料的温度相关电阻率不能再改变，这限制了陶瓷颗粒的体陶瓷(bulk ceramic)在给定温度范围的传感应用的适用性。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在通过提供一种允许调节热阻陶瓷的电特性的方法和材料来改进上述内容。
[0006]本公开的方面涉及一种复合热敏电阻元件。复合热敏电阻元件可特别用于通过测量元件上的电阻来确定温度。该元件包括设置在一对电极之间的传感器材料。传感器材料包括分散在基体中的颗粒。颗粒彼此接触以在电极之间形成电子传导路径，例如沿着横跨传感器材料的接触颗粒的互连网络。
[0007]颗粒具有包含半导体陶瓷材料的芯，半导体陶瓷材料具有温度相关电阻，例如材料特定的电阻温度相关系数。颗粒具有由无机材料制成的覆盖层。覆盖层对颗粒施加电阻。因此，电阻覆盖物沿着电极之间的电子传导路径在传感器材料上施加电阻。厚度和/或电特性，例如电导，是根据横跨传感器材料的预定基线电阻。通常，覆盖层的厚度在能够在接触颗粒的芯之间实现电子隧穿的范围内。
[0008]接触颗粒，例如，互连网络，充当电极之间具有电导的温度相关系数的传导路径。包括覆盖物的颗粒可以理解为具有电阻温度相关系数的热阻颗粒。取决于芯的组合物，系数可以是负温度系数(NTC)或正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)。基体是不导电的，并作为颗粒的粘合剂。基体由电绝缘组合物(例如电介质)形成，并且通常由
(通常是交联的)聚合物组合物组成。路径的电阻具有基线电阻和温度相关分量，温度相关分量被认为由颗粒的芯控制。基线电阻由覆盖层控制，覆盖层作为接触颗粒的相邻颗粒之间的屏障。
[0009]有利地，由覆盖层施加的基线电阻对颗粒和/或热敏电阻的温度相关电阻系数没有显著影响。为颗粒提供覆盖层，覆盖层由具有电阻性的材料、半导电材料或甚至绝缘材料制成，以有利地允许调节横跨热阻颗粒的电导率，而不会对温度相关分量产生负面影响。通过控制覆盖层的特性(包括覆盖层的厚度和/或组合物(电阻))，可以有效地调节基线电阻。
[0010]控制基线电阻有利地允许选择或调节半导体陶瓷材料，以便获得具有所期望的电特性的热敏电阻，电特性包括特定的电阻温度相关系数(β)和在预定温度窗口上保持在实际检测范围内的总电阻。在实践中，检测范围的下限通常由电极材料和/或电线的电阻来定义。上限通常由读出电路的灵敏度定义。通常，将包括在热敏电阻中的传感器材料设计成具有如下电阻范围：传感器材料的电阻是在给定的操作温度范围内的布线和/或电极的电阻的大约10倍和大约10
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Ohm(大约10千兆欧姆)之间的范围内。通常，电阻在10Ω至10GΩ之间。优选电阻在100Ω以上，更优选在1kΩ以上。优选地，电阻低于1GΩ，例如在100ohm和1千兆欧姆之间的范围内。例如在NTC材料的情况下，在越来越高的温度下具有接近电线电阻的电阻降低了热敏电阻灵敏度。例如，对于PTC材料，在越来越高的温度下具有过高的电阻增加了读出噪声。
[0011]因此，无机覆盖层可以理解为将基本上与温度无关的基线电阻分量施加到颗粒的温度相关分量上。基线电阻对颗粒和传感器材料整体的总电阻的相对贡献可以通过选择覆盖材料的厚度和/或电阻率来调节。以这种方式，传感材料的基线电阻可以是根据所期望的温度范围，所期望的温度范围基本上与改变半导体陶瓷材料的特定温度相关系数不相关。该绝缘层有效地使得在半导体颗粒之间形成隧穿势垒，提高基线电阻，同时保持半导体颗粒的体传导机制不变。
[0012]应当理解，本文公开的无机覆盖层可以有利地是保形层，保形层包封形成基本上无缺陷壳的芯。通过提供保形绝缘壳，优选基本上无缺陷的壳，可以减轻或甚至避免相邻颗粒的热敏的芯之间的直接电接触。
[0013]本公开的进一步方面涉及制造本文公开的复合热敏电阻的方法。所述方法包括：提供具有温度相关电阻的半导体陶瓷粉末，通常，使用已知或目标的电阻温度相关系数(β)来选择温度相关电阻。所述方法还包括用无机材料涂覆粉末以形成颗粒，颗粒具有包含半导体陶瓷的芯和由无机材料制成的具有电阻性的覆盖层或绝缘覆盖层。所述方法还包括处理包含已涂覆颗粒和电绝缘基体材料或电绝缘基体材料的前体的组合物，以便在一对电极之间形成传感器材料，传感器材料包括分散在基体中的颗粒，其中，颗粒彼此接触以在电极之间形成电子传导路径。在优选实施例中，覆盖层的厚度是根据横跨传感器材料的预定基线电阻提供的。
[0014]在优选实施例中，处理组合物包括将组合物布置在一对电极之间，电极例如是沉积在衬底(优选柔性衬底，如聚合物膜)上的预制电极。可选地，可以将一个或多个电极提供到组合物的处理层上。
[0015]本公开的进一步方面涉及本文公开的颗粒，即具有无机覆盖层的半导体芯。进一步的方面涉及包含本文公开的颗粒的组合物。颗粒和组合物可特别用于制造本文公开的复
合热敏电阻元件的传感器材料。
[0016]更进一步的方面涉及根据本专利技术的包括热敏电阻元件的温度传感器。
附图说明
[0017]通过以下描述、所附权利要求和附图，将更好地理解本公开的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点，在附图中：
[0018]图1A示意性地描绘了复合热敏电阻元件的实施例的俯视图。
[0019]图1B示意性地描绘了温度传感器的实施例的横截面侧视图。
[0020]图2A描绘了比对颗粒的透射电子显微照片。
[0021]图2B描绘了根据本专利技术的颗粒的透射电子显微照片。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种复合热敏电阻元件(10)，所述复合热敏电阻元件包括：传感器材料(1)，设置在一对电极(2a，2b)之间，其中，所述传感器材料(1)包括分散在基体(4)中的颗粒(3)，所述颗粒彼此接触以在所述电极(2a，2b)之间形成电子传导路径(5)，其中，所述颗粒(3)具有芯(6)和由无机材料制成的绝缘覆盖层(7)，所述芯包含半导体陶瓷材料，所述半导体陶瓷材料具有温度相关电阻，所述温度相关电阻具有材料特定的电阻温度系数，所述绝缘覆盖层具有厚度(7t)和电阻率，所述厚度和所述电阻率是根据沿着所述电极之间的所述路径(5)横跨所述传感器材料的总电阻的预定基线电阻分量，所述总电阻还包括由所述颗粒的所述芯施加的温度相关分量。2.根据权利要求1所述的复合热敏电阻元件(10)，其中，所述无机材料具有大于2.0电子伏特的带隙。3.根据权利要求1或2所述的复合热敏电阻元件(10)，其中，所述覆盖层的厚度在能够在所述接触颗粒(3)的所述芯之间实现电子隧穿的范围内。4.根据前述权利要求中任一项所述的复合热敏电阻元件(10)，其中，所述覆盖层的厚度在1纳米至10纳米的范围内。5.根据前述权利要求中任一项所述的复合热敏电阻元件(10)，其中，所述覆盖层(7)包括氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅或氧化铝、氮化铝、氧化锆、氧化硅的混合物。6.根据前述权利要求中任一项所述的复合热敏电阻元件(10)，其中，围绕所述芯的所述覆盖层具有均匀的厚度。7.根据前述权利要求中任一项所述的复合热敏电阻元件(10)，其中，所述颗粒(3)的最大横截面尺寸在100纳米至45微米的范围内。8.一种制造复合热敏电阻元件(10)的方法，所述方法包括：提供具有温度相关电阻的半导体陶瓷的粉末；用无机材料涂覆所述粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得，
申请(专利权)人：荷兰应用自然科学研究组织TNO，
类型：发明
国别省市：