热响应复合元件、相关器件以及包括结构应用的应用制造技术

根据本发明专利技术，提供了温度传感和温度控制器件以及制造这些器件的方法。所述温度传感和温度控制器件可包括复合元件，该复合元件包括非金属性粘合剂材料，以及布置在所述非金属性粘合剂材料中的一个或多个非金属性导电纤维。所述温度传感和温度控制器件也可包括布置在所述一个或多个非金属性导电纤维上的多个触头，其中所述复合元件的电阻随着温度的增加而基本连续地减小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的主题涉及热响应材料(thermally responsivematerials)。更具体而言， 本专利技术的主题涉及温度传感(sensing)和温度控制器件，以及制造热传感器和温度控制器 的方法。
技术介绍
热响应元件被用于各种现有器件，诸如热敏电阻；热电偶；热传感器；以及用于 温度传感、监测、控制和显示的检测器(detectors)。几乎所有现有的热响应元件已经并将 继续主要是金属性(metallic)的，包括金属、双金属、金属合金、金属氧化物陶瓷，以及金 属复合物。然而，作为金属和金属性特性(metallic-behavior)基础的许多基本性质—— 诸如密度(或比重)、热导率、热容量、磁性和腐蚀敏感性——会对性能参数——诸如热敏 性、响应速度和热拉伸(heatdraw)——产生严重限制。而且，由于金属通常呈现正热阻系数 (positive thermal resistance coefficient) (PTC材料的电阻随着温度的增加而增加)， 所述严重限制进一步转化到附属器件及相关电气器件、电子器件以及仪器的设计上。尽管 存在具有负热系数(negative thermal coefficient) (NTC) (NTC材料的热导率随着温度的 增加而增加)的热敏电阻器件，但它们也对敏感性、响应速度以及热拉伸有限制。因此，需要具有不同性质的新一代热响应元件，这转而可以允许实现新的器件、设 计和应用选择。
技术实现思路
根据各种实施方案，提供了一种包括复合元件(compositemember)的器件。所 述复合元件可包括非金属性粘合剂材料(non-metallic binder material)，以及布置在 所述非金属性粘合剂材料中的一个或多个非金属性导电纤维。所述器件还可包括布置在 所述一个或多个非金属性导电纤维上的多个触头，其中所述复合元件的电阻(electrical resistance)可以随着温度的增加而基本连续地减小。优选地，所述复合元件的电阻随着温度的增加而基本线性地减小。优选地，所述复合元件的电阻在小于约1秒的时间内随着温度的增加而基本连续 地减小。优选地，所述复合元件显示出的电阻减小量在约lmilliohms/。C到约 100megaohms/°C 的范围内。优选地，所述复合元件的电阻率在约1013到约10_5ohm-cm的范围内。优选地，所述一个或多个非金属性导电纤维中的至少一个在成分和/或厚度方面 不同于其余非金属性导电纤维。优选地，所述复合元件的电阻和电阻变化率与温度的函数关系由以下因素中的一 个或多个决定纤维的尺寸和面积、纤维的面积、纤维的长度、纤维与粘合剂的浓度比例、所 述一个或多个纤维中的每一个的成分、非金属性粘合剂材料的成分、复合元件的面积、以及复合元件的长度。优选地，所述复合元件至少是生物相容的和在腐蚀环境中稳定的之一。优选地，所述一个或多个非金属性导电纤维的重量占所述复合元件的总固体重量 的 约0. 到约99%。优选地，所述复合元件被布置成从如下项组成的组中选择的配置二维形状物体、 三维形状物体、阵列、束、片、圆柱体、锥式圆柱体、空心体、带缆状结构、以及同轴缆状结构。优选地，所述带缆状结构以及同轴缆状结构具有两个或更多个区域，其中所述两 个或更多个区域中的至少一个具有不同于其他区域的电阻率。优选地，所述复合元件的至少一个维度大于约5nm。优选地，所述复合元件的密度在约1. 0到约2. 5g/cm3的范围内。优选地，所述一个或多个非金属性导电纤维中的每一个是从如下项组成的组中选 择的局部碳化的聚丙烯腈、完全碳化的聚丙烯腈、碳化浙青、碳纳米管基纤维、由氮化硼制 成的纳米管状纤维、硅、以及金属原子掺杂硅。优选地，所述非金属性粘合剂材料是从如下项组成的组中选择的热固性聚合物、 热塑性聚合物、硅树脂、聚氨酯、环氧树脂、含氟聚合物、弹性体(elastomers)、石英玻璃、硼 硅玻璃、石英陶瓷、金属陶瓷、以及胶结物。优选地，所述器件还包括多个复合元件，其中所述多个复合元件中的每一个都被 用于温度传感和/或温度控制。根据各种实施方案，提供了一种制造器件的方法。该方法可包括提供非金属性粘 合剂材料；通过将一个或多个非金属性导电纤维布置在所述非金属性粘合剂材料中而形成 复合元件；并且在所述一个或多个非金属性导电纤维上形成多个触头，其中所述复合元件 的电阻可以随着温度的增加而基本连续地减小。优选地，所述复合元件的电阻随着温度的增加而基本线性地减小。优选地，所述复合元件的电阻在小于约1秒的时间内随着温度的增加而基本连续 地减小。优选地，所述复合元件显示出的每°C电阻减小量在约lmilli0hmS/°C到约 100megaohms/°C 的范围内。优选地，所述复合元件的电阻率在约IO13到约10_5ohm-cm的范围内。优选地，所述通过将一个或多个非金属性导电纤维布置在所述非金属性粘合剂中 而形成复合元件的步骤还包括将所述一个或多个非金属性导电纤维中的至少一个设置为 在成分和/或厚度方面不同于其余非金属性导电纤维。优选地，所述复合元件的电阻和电阻变化率与温度的函数关系由以下因素中的一 个或多个决定纤维与粘合剂的浓度比例、所述一个或多个纤维中的每一个的成分、非金属 性粘合剂材料的成分、复合元件的面积、以及复合元件的长度。优选地，所述一个或多个非金属性导电纤维的重量占所述复合元件的总固体重量 的约0. 到约99%。优选地，所述形成一个或多个复合元件的步骤包括，形成具有从如下项组成的组 中选择的配置的一个或多个复合元件二维形状物体、三维形状物体、阵列、束、片、圆柱体、 锥式圆柱体、空心体、带缆状结构、以及同轴缆状结构。优选地，所述方法还包括在单个带缆状结构以及同轴缆状结构中形成两个或更多 个区域，使得所述两个区域中的每一个都具有不同于另一个区域的电阻率。优选地，所述形成复合元件的步骤包括，在所述非金属性粘合剂材料中布置从如 下项组成的组中选择的一个或多个非金属性导电纤维局部碳化的聚丙烯腈、完全碳化的 聚丙烯腈、碳化浙青、碳纳米管基纤维、由氮化硼制成的纳米管状纤维、硅、以及金属掺杂 娃。优选地，所述提供非金属性粘合剂材料的步骤包括，提供从如下项组成的组中选 择的粘合剂热固性聚合物、热塑性聚合物、硅树脂、聚氨酯、环氧树脂、含氟聚合物、弹性 体、石英玻璃、硼硅玻璃、石英陶瓷、金属陶瓷、以及胶结物。优选地，所述形成一个或多个复合元件的步骤使用了从如下项组成的组中选择的 一种或多种技术拉挤、细丝缠绕、预浸料坯成形、粘着层压、热层压、注射模塑、挤压、共挤 压、内嵌模塑、以及注射吹塑。优选地，所述形成复合元件的步骤包括形成多个复合元件，其中所述多个复合元 件中的每一个都被用于温度传感和/或温度控制。本专利技术的其他目的和优点将部分在下文描述中阐明，而部分将是从该描述中显而 易见的，或者可从本专利技术的实践中得知。本专利技术的目的和优点将通过所附权利要求中具体 指出的要素和组合而被认识及实现。应理解的是，前文的概述和下文的详述仅是示例性和解释性的，而不是如权利要 求那样是对本专利技术的限制。附图说明图1A和1B根据本教导的各种实施方案、示出了一个示例器件的示意图。图2A至2C根据本教导的各种实施方案、示出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种器件，包括：　　复合元件，所述复合元件包括　　非金属性粘合剂材料，以及　　一个或多个非金属性导电纤维，其被布置在所述非金属性粘合剂材料中；以及　　多个触头，其被布置在所述一个或多个非金属性导电纤维上，其中所述复合元件的电阻随着温度的增加而基本连续地减小。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JA斯威夫特，SJ华莱士，RL布洛克，
申请(专利权)人：施乐公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]