專利名稱：儀表效果電池指示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能在電池單元上安裝的電池測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
置于電池上的已知類型電池測(cè)試儀是所謂的“熱色”類型。在熱色電池測(cè)試儀中可以有兩個(gè)電極，用戶通過手工按下開關(guān)而連接這兩個(gè)電極。一旦開關(guān)被按下，用戶就把電池的陽(yáng)極通過熱色測(cè)試儀連接到電池的陰極。熱色測(cè)試儀包括具有可變寬度的銀導(dǎo)體，從而導(dǎo)體的電阻也隨著其寬度而變化。當(dāng)電流流經(jīng)銀導(dǎo)體時(shí)，電流產(chǎn)生熱以改變覆蓋在銀導(dǎo)體上的熱色油墨顯示器的顏色。熱色油墨顯示器設(shè)置成指示電池相對(duì)容量的儀表。電流越大，產(chǎn)生的熱就越多并且儀表會(huì)改變?cè)蕉嘁燥@示電池良好。
有時(shí)候開關(guān)很難被按下去，并且不容易判斷測(cè)試儀是否工作或者電池是好還是壞。這使用戶感到迷惑。按下開關(guān)而在原電池的陽(yáng)極和陰極之間建立起直接的具有相對(duì)較高導(dǎo)電性的連接，這會(huì)抽運(yùn)很大的功率并且減少電池壽命。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，布置在電池上的電池測(cè)試儀包括連續(xù)指示電池電荷狀態(tài)的顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電池測(cè)試儀包括第一分壓器和多個(gè)并聯(lián)電池測(cè)試儀元件。每個(gè)元件包括其第一接線端耦合到第一分壓器的電壓控制顯示器、以及與第一分壓器并聯(lián)耦合并且耦合到電壓控制顯示器第二接線端的第二分壓器，其中第二分壓器包括非線性元件。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，電池測(cè)試儀包括含非線性器件的第一分壓器和多個(gè)電阻元件。包括第一接線端的電壓控制顯示器耦合到第一分壓器，并且顯示器的多個(gè)第二接線端耦合到多個(gè)電阻元件。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，電池測(cè)試儀包括電壓控制顯示器、其接線端與電壓控制顯示器的接線端耦合的第一分壓器、以及其接線端與電壓控制顯示器的第二接線端耦合的第二分壓器。第二分壓器包括耦合到電壓控制顯示器的開關(guān)器件，從而當(dāng)被觸發(fā)時(shí)，使電流流經(jīng)第二分壓器以在電壓控制顯示器上提供電勢(shì)差。
與其它測(cè)試儀相比，本測(cè)試儀的主要優(yōu)點(diǎn)在于用戶只需看電池上的測(cè)試儀就可判斷電池是否良好。本測(cè)試儀不必保持住電池和按開關(guān)來操作電池測(cè)試儀。本測(cè)試儀提供儀表效果以使用戶能判斷電池內(nèi)所剩余的相對(duì)容量。根據(jù)用戶按下多少次現(xiàn)有測(cè)試儀上的開關(guān)，本測(cè)試儀比現(xiàn)有測(cè)試儀更有效。在電池壽命方面，本測(cè)試儀使用更小的電流或者與現(xiàn)有方法不相上下。


圖1為M-I-M二極管結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。
圖1A為沿圖1中線1A-1A剖分的局部放大視圖。
圖2為替代M-I-M二極管結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。
圖2A為沿圖2中線2A-2A剖分的局部放大視圖。
圖3為另一替代M-I-M二極管結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。
圖4為制造圖1器件的工藝流程圖。
圖5A-5D為示出圖1-4中M-I-M二極管元件典型切換特性的電壓-電流曲線。
圖6為多個(gè)非線性元件分段顯示電池測(cè)試儀的示意圖。
圖7為多個(gè)電阻、可變顯示電池測(cè)試儀的示意圖。
圖8為圖6中多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀的構(gòu)造實(shí)例的示意透視圖。
圖9為圖6中多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀的構(gòu)造實(shí)例的示意圖。
圖10為圖7中多個(gè)電阻電池測(cè)試儀的構(gòu)造實(shí)例的示意圖。
圖11為電池單元的示意圖，其中在電池周圍布置有分段顯示電池測(cè)試儀。
圖12為電池單元的示意圖，其中在電池周圍布置有可變顯示電池測(cè)試儀。
圖13示出用于替代具有分段電池測(cè)試儀顯示器的電池的設(shè)置。
圖14為具有電池艙的且用電池工作的器件的示意圖。
圖15為包括電壓控制顯示器的開/關(guān)電池測(cè)試儀的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出金屬-絕緣體-金屬二極管10。金屬-絕緣體-金屬二極管10包括第一電極12，其中，電極12例如為銅箔基片；或另一導(dǎo)電材料如碳或金；或其它導(dǎo)電材料如鉻、鎢、鉬；或其它導(dǎo)電材料如彌散在諸如導(dǎo)電油墨的聚合物粘合劑中的金屬顆粒。金屬-絕緣體-金屬二極管10還包括復(fù)合金屬-絕緣體層14，其中，復(fù)合金屬-絕緣體層14包含懸浮在介電粘合層22中的金屬顆粒20。如圖1A所示，金屬顆粒20具有覆蓋在顆粒20表面上的內(nèi)征氧化物層20a。一種優(yōu)選的金屬是鉭，它易于形成內(nèi)在的、穩(wěn)定的且一般為均勻的內(nèi)征氧化物層20a。也可使用其它金屬如鈮。這些其它的金屬應(yīng)該形成自限制性的、穩(wěn)定的且對(duì)于應(yīng)用具有合適介電常數(shù)的氧化物。優(yōu)選鉭的一個(gè)原因是當(dāng)鉭暴露在空氣中時(shí)在鉭上容易形成本征氧化物層。
布置在復(fù)合金屬-絕緣層14上的是第二電極16，其中，電極16還例如包含銅；或另一導(dǎo)電材料如碳、鉻、鎢、鉬；或者金或其它導(dǎo)電材料。第二電極優(yōu)選直接布置在層12上，以與顆粒20上的本征氧化物層20a接觸。第二電極還可以是包含導(dǎo)電材料和粘合劑的復(fù)合層。通過改變電極層16的導(dǎo)電率，器件10的電氣特性可以改變。具體地，I-V特性曲線可制作得更尖銳從而獲得更陡峭的開/關(guān)特性。也就是說，導(dǎo)電率越高，曲線就越尖銳。
如以下在圖5A-5D中描述的，M-I-M器件具有表現(xiàn)出二極管類元件性質(zhì)的對(duì)稱電流-電壓(I-V)特性曲線。此器件也可制作得比其它方法具有更低的切換電壓，如小于10V并且更具體地小于1V-約0.5V，但同時(shí)具有相同的對(duì)稱性質(zhì)。通過改變鉭對(duì)粘合劑的比例以及鉭-粘合劑層的厚度，使I-V特性曲線對(duì)于相同材料能在正/負(fù) 50％或更大的范圍內(nèi)上下移動(dòng)。
器件10的切換電壓對(duì)于不同的器件可以是更一致的。部分原因是有更一致的氧化物層厚度和更一致的內(nèi)在形成氧化物的質(zhì)量。與熱退火或陽(yáng)極化的氧化物層相比，鉭氧化物層20a的厚度不會(huì)大幅度變化。相信本征層20a對(duì)于不同的鉭顆粒20也具有基本均勻的厚度，此厚度為單分子層厚度的數(shù)量級(jí)。鉭顆粒的特點(diǎn)是其粉末的粒徑在小于0.5微米到大約10微米的范圍內(nèi)。印刷層14的厚度小于0.5到8-10密耳。在這可使用其它的粒徑和厚度。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，二極管的另一實(shí)施例10′包括層14′，其中，層14′包含另一介電材料的惰性顆粒24(如圖2A所示)，此顆粒例如為彌散在聚合物粘合劑22和具有氧化物層20a的鉭顆粒20之中的二氧化鈦TiO2或碳酸鎂MgCO3的顆粒24。在此實(shí)施例中，一部分(如0％-75％)鉭顆粒20由諸如二氧化鈦或碳酸鎂的惰性介電材料顆粒24取代。盡管優(yōu)選單獨(dú)使用本征氧化物層20a，但鉭顆粒20也可選地具有分布在鉭附近的退火氧化物層或其它類型的氧化物層。
在聚合物粘合劑22和鉭顆粒20中添加介電顆粒，如二氧化鈦固體，可改進(jìn)層14′的印刷，使得能利用更少量的鉭顆粒但同時(shí)仍然保持高的固體含量，此高固體含量表現(xiàn)出良好的二極管性質(zhì)。對(duì)于非常薄的金屬/絕緣材料層尤其希望如此，以避免兩電極12和16通過層14′短路。包含惰性材料可降低短路的可能性并提供更一致的膜/涂層。
而且，在鉭濃度足夠低時(shí)，可提供給器件更高的切換電壓?？梢灶A(yù)料，不需在鉭顆粒周圍使用氧化物層作為絕緣體即作為電子為了導(dǎo)電而需要超越的勢(shì)壘，此勢(shì)壘將由惰性材料的介電性質(zhì)決定，在鉭濃度更低時(shí)此惰性材料例如為二氧化鈦和粘合劑。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，二極管的另一實(shí)施例10″具有第一電極12以及在第一電極上的金屬-絕緣層14或14′。當(dāng)對(duì)金屬-絕緣層14或14′制作連接28時(shí)，此結(jié)構(gòu)10″可得到相似的二極管性質(zhì)。通過取消第二電極，器件10″有更少的層，其制作工藝改變，但基本上不改變金屬絕緣體層的特性。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，圖1器件可以按如下制備工藝30包括把純度99.97％的鉭粉末與聚合物粘合劑以及觸變材料混合32，其中，鉭粉末具有本征氧化物層且粒徑例如小于5微米，聚合物粘合劑例如為Acheson，Electrodag 23DD146A或Acheson SS24686。這兩種聚合物粘合劑都是來自Acheson，Port Huron，MI。其它粘合劑與鉭可以形成鉭油墨。這些粘合劑應(yīng)該與鉭或其它所用金屬是電絕緣的且穩(wěn)定的，并且優(yōu)選具有相對(duì)較高的固體含量如15％-35％左右。鉭可在粘合劑總重的100％-39％范圍內(nèi)。也可采用其它范圍。鉭顆粒與粘合劑充分混合形成鉭油墨。鉭油墨印刷34在諸如為銅箔基片的第一電極上或在其它導(dǎo)電材料上。例如用收縮桿、絲網(wǎng)印刷、曲面或凹版印刷技術(shù)中的一種印刷該層。把此層烘干36，例如在烘爐中在120℃下烘干15-20分鐘。在鉭粘合劑層上印刷38第二導(dǎo)電層，第二導(dǎo)電層例如為以鉻顆粒形式混合在粘合劑材料中的鉻。此鉻層也例如在120℃下烘干15-20分鐘40，形成器件10。隨后，可測(cè)試42器件10。
對(duì)于第一和/或第二電極可以使用替代的導(dǎo)電層或金屬，如銅、鎢、鉬、碳等。此層的導(dǎo)電率隨著導(dǎo)電材料對(duì)粘合劑相對(duì)濃度的改變而變化。導(dǎo)電材料的典型范圍是30％-39％。通過改變此層的導(dǎo)電率，電流-電壓特性曲線的形狀可以變化，使得該曲線稍微尖銳點(diǎn)，以生產(chǎn)具有更陡峭開/關(guān)響應(yīng)的二極管。
由于所用的鉭顆粒具有本征氧化物層20a，因此可以簡(jiǎn)化工藝。不需要對(duì)鉭粉末進(jìn)行熱退火或其它預(yù)先的熱處理。本征氧化物涂層在厚度和質(zhì)量上非常一致。這趨向于生產(chǎn)非常一致的金屬-絕緣體層材料以及其切換電壓在一系列二極管中具有相對(duì)較低標(biāo)準(zhǔn)偏差的二極管。
另一優(yōu)點(diǎn)在于，由于不需要對(duì)鉭粉末進(jìn)行熱退火，可調(diào)整油墨的性質(zhì)以實(shí)現(xiàn)各種二極管性質(zhì)從而適合不同的應(yīng)用。油墨形成是比鉭的熱處理更容易控制的工藝。
本器件也可被看作是壓敏電阻，即薄的印刷壓敏電阻。此M-I-M結(jié)構(gòu)有利于需要非線性元件的應(yīng)用中，其中非線性元件以較低的電壓及如果可能的話以較低的電流工作，此結(jié)構(gòu)可以不用半導(dǎo)體淀積技術(shù)印刷。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5A-5D，圖中示出圖1-5中M-I-M二極管器件典型切換特性的電壓-電流曲線。如圖5A所示，M-I-M二極管元件的電流電壓特性曲線44在大約1.8V的100na(納安)處表現(xiàn)出切換電壓，開/關(guān)比計(jì)算為約33。使用惠普半導(dǎo)體分析儀4155B型獲得電流電壓特性曲線44。
本器件所用的鉭層通過混合5克Alfa Aesar，Ward Hill，MA的粒徑小于2微米的鉭顆粒和20克Electrodag 23DD146A的聚合物而制備，此聚合物具有25％固體-75％揮發(fā)性化合物的組成。用15密耳的切口(cutout)把油墨涂敷到銅箔的導(dǎo)電表面上，即形成濕厚15密耳的層。把試樣在烘爐中在120℃下烘干20分鐘。用于二極管第二層的油墨通過混合5克Alfa Aesar的粒徑小于5微米的鉻粉末和4克Electrodag23DD146A而制備，并用5密耳的切口涂敷在鉭油墨層的頂部。此涂層在120℃下烘干20分鐘。
如圖5B所示，基于不同的“P∶B”比例，即金屬(如鉭)顆粒對(duì)粘合劑的比例，M-I-M二極管可表現(xiàn)出不同的切換電壓。如圖5B所示，對(duì)于相同的15密耳厚度，P∶B比例分別為5、2和1時(shí)，器件在100納安表現(xiàn)出的切換電壓大約為9V(曲線45a)、5.3V(曲線45b)和3.8V(曲線45c)。
另外如圖5C所示，改變鉭層的濕厚也可形成不同的切換電壓。對(duì)于鉭對(duì)粘合劑比例(P∶B)為8∶1的鉭層，具有15密耳厚鉭層的M-I-M二極管表現(xiàn)出的切換電壓為大約9V(曲線46a)；具有10密耳厚鉭層的M-I-M二極管表現(xiàn)出的切換電壓為大約7.8V(曲線46b)；具有5密耳厚鉭層的M-I-M二極管表現(xiàn)出的切換電壓為大約4.6V(曲線46c)。每個(gè)切換電壓都是在100納安下測(cè)量的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5D，在鉭層中添加碳酸鎂可形成具有一貫較高的開/關(guān)比例并且對(duì)切換電壓的影響最小的M-I-M二極管。如圖5D所示，隨著碳酸鎂的量增加，切換電壓特性變得更陡峭。曲線46a示出，對(duì)于P∶B比例1∶1的100％鉭層，切換電壓為1.8V。曲線47b-47d示出當(dāng)碳酸鎂的量增加時(shí)，切換特性變得更陡峭，因此表示更好的開/關(guān)比例。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出連接到電池51的多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀50。多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀50包括多個(gè)獨(dú)立的非線性元件電池測(cè)試儀52a-52e，這些獨(dú)立的測(cè)試儀耦合形成并聯(lián)電路。每個(gè)獨(dú)立的非線性元件電池測(cè)試儀電路52a-52e包括非線性元件，如分別為M-I-M二極管54a-54e；以及分別為56a-56e的膜電阻。電池測(cè)試儀50包括由兩個(gè)電阻58和60形成的分壓器，電阻58和60與多個(gè)獨(dú)立的非線性元件電池測(cè)試儀52a-52e并聯(lián)耦合。每個(gè)獨(dú)立的非線性元件電池測(cè)試儀52a-52e包括一個(gè)相應(yīng)的顯示器62a-62e，多個(gè)顯示器62a-62e置于電極55(電勢(shì)VF)和非線性元件的各個(gè)并聯(lián)電路52a-52e的公共連接之間，非線性元件的各個(gè)并聯(lián)電路52a-52e即為M-I-M二極管54a-54e和膜電阻56a-56e。
顯示器62a-62e是超低電流和低電壓的電壓控制顯示類型。顯示器62a-62e的一種類型是電泳顯示器，如對(duì)在Massachusetts Institute ofTechnology 1998年6月“全印刷的雙穩(wěn)態(tài)反射顯示器可印刷的電泳油墨和全印刷的金屬-絕緣體-金屬二極管”中描述且由E-INK Inc.Cambridge，Ma提供的顯示器進(jìn)行改變而包括如上圖1-5D所述的低切換電壓元件。
此種顯示器基于所謂的“電子油墨”，如基于施加的電壓而改變其性質(zhì)如顏色的電泳材料。使用諸如電子油墨的電泳材料，平板顯示器可印刷在基體材料上。這些顯示器抽運(yùn)非常小的電流，因而消耗非常小的功率。任何電壓敏感材料可用作顯示器。另一種在Scientific American1996年9月的“紙的再發(fā)明”中描述并稱為也是電壓敏感的材料的“Gyricon”。顯示器需要的工作電壓在電池的電壓范圍內(nèi)。
非線性元件54a-54e可以是以上結(jié)合圖1-5A-5D描述的M-I-M二極管10。
多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀50具有在五個(gè)并聯(lián)通路內(nèi)的五個(gè)不同的二極管。如果二極管構(gòu)造得在不同的電壓時(shí)切換，顯示器會(huì)在不同的電壓改變狀態(tài)，從而形成分段顯示或形成會(huì)指示電池電荷狀態(tài)的儀表效果。
多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀50的每個(gè)顯示器62a-62e都具有一個(gè)耦合到標(biāo)為VF的公共電勢(shì)的接線端。電勢(shì)VF取自兩電阻58和60之間的點(diǎn)，如果電阻58和60相等，電勢(shì)VF就是電池單元電壓的一半。不同的并聯(lián)段52a-52e在點(diǎn)A-E有各自的電壓值，點(diǎn)A-E的電壓幅值由二極管54a-54e和電阻元件56a-56e設(shè)定。不同的并聯(lián)段52a-52e在點(diǎn)A-E可設(shè)為具有單調(diào)增長(zhǎng)或減小的電壓值。例如，對(duì)于9V電池，一個(gè)二極管54a可選擇在8V時(shí)切換，二極管54b可選擇在7V時(shí)切換，而二極管54c可選擇在6V時(shí)切換等等，從而隨著電池電壓的下降，關(guān)閉顯示器62a-62e的不同段。
二極管54a-54e可設(shè)定為在不同的電壓切換以“打開”或“關(guān)閉”顯示器，即根據(jù)顯示器如何連接到電路而從一種顏色變到另一種顏色。段的數(shù)量只受二極管如何能很好地區(qū)分不同電壓的限制。在9V實(shí)例中，采用一個(gè)伏特的電壓差。但如果二極管制作得精確產(chǎn)生1/10V的電壓差，電池測(cè)試儀就可具有1/10V的切換電壓差，并且電池測(cè)試儀可擴(kuò)展到15或60個(gè)段或者更多的段。
根據(jù)電阻58和60分壓器的電阻值，可選擇從電池抽運(yùn)的電流。顯示器62a-62e抽運(yùn)非常小的電流。
由于二極管54a-54e是非線性的，有時(shí)隨著二極管54a-54e的切換，它們會(huì)使電極55的電壓相對(duì)于耦合到點(diǎn)A-E的各個(gè)電極的電壓變?yōu)樨?fù)值。這會(huì)使顯示器62a-62e的極性產(chǎn)生相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)或改變，使顯示器62a-62e改變顏色，指示電池正釋放電荷。當(dāng)最后一個(gè)顯示器如62e改變顏色，它會(huì)指示電池51不再在某些特定的規(guī)范內(nèi)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7，示出連接到電池51的多個(gè)非線性元件電池測(cè)試儀50的替代實(shí)施例50′。在此電池測(cè)試儀50′中，通過使用不同的電阻和公共的分段顯示器78來提供分段，即儀表效果。電池測(cè)試儀50′包括并聯(lián)電路。在并聯(lián)電路的一側(cè)上是諸如M-I-M二極管72的非線性元件與電阻74。在另一側(cè)，與圖1中電池測(cè)試儀50僅使用兩個(gè)電阻元件分隔電流不一樣，電池測(cè)試儀50′包括多個(gè)電阻，如五個(gè)電阻76a-76e。多個(gè)電阻76a-76e耦合到顯示器78的相應(yīng)電極76a-76d，顯示器78具有在非線性元件72和電阻74的連接處耦合的第二電極80，連接處電勢(shì)為E。在沿著顯示器78的任一點(diǎn)A-D上的電壓等于到此點(diǎn)之前的電阻值之和除以總電阻值，如以下公式1-4所示。
E點(diǎn)的電壓VE在電池單元整個(gè)壽命中相對(duì)不變，電壓VA、VB、VC和VD會(huì)相對(duì)于E點(diǎn)電壓VE而變化。會(huì)有不同的點(diǎn)，在這些點(diǎn)上，點(diǎn)A、B、C和D的電壓值相對(duì)于點(diǎn)E是正的或是負(fù)的。當(dāng)有極性改變時(shí)，顯示器有相應(yīng)的顏色變化。電阻76a-76e電阻值的差別可以通過印刷不同寬度的導(dǎo)電材料而容易變化。
優(yōu)選地，所有電阻76a-76e都用透明導(dǎo)電材料如ITO(銦錫氧化物)印刷并懸浮在聚合物粘合劑材料中。印刷層的導(dǎo)電率可通過改變彌散在聚合物粘合劑中的ITO的量來改變，低濃度的ITO產(chǎn)生高電阻值的膜。陽(yáng)極和陰極之間的總電阻值為15兆歐的電路會(huì)產(chǎn)生100納安(na)的電流抽運(yùn)。此相對(duì)較低的電流抽運(yùn)只對(duì)約0.5％的電池單元容量產(chǎn)生影響。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8和9，示出電池測(cè)試儀50(圖6)的實(shí)例。在電池單元或電池51的標(biāo)牌上印刷透明導(dǎo)體94，例如，諸如ITO(銦錫氧化物)油墨的材料或用于靜電散逸的透明涂層。透明導(dǎo)體材料的實(shí)例包括靜電涂層。透明導(dǎo)體94不需載運(yùn)高電流，因?yàn)轱@示器62a-62e(圖1)是電壓敏感顯示器。透明導(dǎo)體僅僅是電流載運(yùn)材料。透明導(dǎo)體94連接到電阻58和60，而電阻58和60連接到陽(yáng)極或陰極，所以透明導(dǎo)體94連接到陽(yáng)極和陰極之間。通過膠合、壓接或其它方法可使電阻58、60分別與電池51的陽(yáng)極和陰極相連。
電阻58-60由具有不同寬度或厚度的材料條形成，以提供不同的電阻值。顯示器在透明導(dǎo)體94的頂部上印刷。此顯示器可以是上述的電泳油墨顯示器、或是基于Gyricon的顯示器、或是任何其它的通過改變所施加的電壓而改變其顏色的電壓敏感材料。
顯示器包括在透明導(dǎo)體94上印刷的電泳油墨材料96。顯示器的第一導(dǎo)體98在電泳油墨材料96的頂部上印刷。根據(jù)顯示器如何被初始切換，此導(dǎo)體98把顯示器的一側(cè)耦合到電池的一極，如陽(yáng)極或陰極。此導(dǎo)體98還分段印刷并耦合到電阻56a-56d(圖6，在此實(shí)例中只使用4個(gè))。如果導(dǎo)體98印刷成一個(gè)固體導(dǎo)體，導(dǎo)體就會(huì)承載均勻的電壓。分區(qū)印刷導(dǎo)體可獲得分段，如儀表效果。
二極管54a-54d(圖6，在此實(shí)例中只使用4個(gè))通過淀積鉭層段100而印刷，此鉭層段100具有上述在介電粘合劑中的鉭顆粒和本征氧化物涂層。本征氧化物有足夠的厚度以形成M-I-M二極管。為了改變并聯(lián)通路的特性，這些段可為不同的厚度，以得到不同的二極管性質(zhì)。這為每個(gè)二極管提供不同的切換電壓。
在鉭層的頂部上印刷第二電極102如鉻層。第二電極102被可選的介電涂層104包圍，以確保避免短路。在第二電極102的頂部上印刷第二導(dǎo)體106，以把所有的鉻層連接在一起。根據(jù)第一導(dǎo)體98的極，第二導(dǎo)體106從第一導(dǎo)體94連接到電池的相反極，如陽(yáng)極或陰極。
現(xiàn)在參照?qǐng)D10，示出多個(gè)電阻電池測(cè)試儀50′的實(shí)例。電池測(cè)試儀50′設(shè)計(jì)成與電池測(cè)試儀50非常相似。透明導(dǎo)體110在不同的區(qū)110a-110d上印刷，以提供分段，即電池電荷儀表。印刷透明導(dǎo)體110，以包括楔形導(dǎo)體部分110e，形成電阻76a-76e。楔形導(dǎo)體部分110e具有隨著導(dǎo)體長(zhǎng)度而變化的電阻特性，因此，在更狹窄端它有更高的電阻值同時(shí)在更寬的端它有更低的電阻值。導(dǎo)體部分110e還可以是單一寬度，在導(dǎo)體中任何點(diǎn)的電阻值取決于此點(diǎn)距電池的一極有多遠(yuǎn)。有可能采用其它的布置。
楔形導(dǎo)體部分110e例如通過膠合、壓接或其它方法連接到電池51的陽(yáng)極和陰極。在透明導(dǎo)體110的頂部上印刷顯示器材料112，如E-Ink或Gyricon或其它電壓敏感材料。在顯示器材料112上印刷另一導(dǎo)體114。導(dǎo)體114的一端經(jīng)電阻115連接到電池單元的一極，如陽(yáng)極或陰極。在此導(dǎo)體的頂部上印刷鉭氧化物/鉭金屬層116，并在鉭氧化物/鉭金屬層116的頂部上印刷第二電極118如鉻層。第二電極118連接到電池單元的相反極。
由于電池測(cè)試儀50或50′是印刷元件，因此非線性元件可以安裝有上述基于碳油墨的電極。電阻也可以是基于碳的，并且有介電填充物以降低電阻的導(dǎo)電率，使它們更具電阻性。理想地，整個(gè)電池測(cè)試儀50應(yīng)具有非常高的總電阻，如為15兆歐數(shù)量級(jí)。對(duì)于1.5V電池單元，設(shè)置抽運(yùn)100納安電流的測(cè)試儀50或50′，此電流值是足夠低的電流水平而使對(duì)電池壽命的影響最小。例如，對(duì)于具有7年壽命的“雙A”電池單元，100納安抽運(yùn)僅消耗電池容量的大約0.5％。
電池測(cè)試儀中層的典型厚度如下透明導(dǎo)體的厚度在0.1-0.2密耳之間；顯示器介質(zhì)1.0密耳；電極層0.1-0.2密耳；M-I-M二極管的鉭層0.5-1.0密耳以及各種介電層0.2-0.5密耳。也可替代使用其它的厚度。
現(xiàn)在參照?qǐng)D11，示出具有電池測(cè)試儀150的電池51′，電池測(cè)試儀150具有分段顯示器。電池測(cè)試儀150包括沿著電池51′長(zhǎng)度方向布置在第二多列156a-156g中的第一多段154a-154g。電池測(cè)試儀150可使用一個(gè)布置在電池51′周圍的測(cè)試儀來形成。在電池測(cè)試儀150中，電池測(cè)試儀150繞著電池51′側(cè)向布置。安排電池測(cè)試儀150以便連續(xù)各個(gè)段154a-154g在不同的電壓水平打開或關(guān)閉，獲得電池51′中所余電量的指示。
因而，對(duì)于電池51′的既定條件，例如，電池測(cè)試儀150可使在所有列156a-156g中的段154a和154b都打開，以指示電池已消耗“七分之二”(2/7)的使用壽命。電池測(cè)試儀150安裝在電池51′的整個(gè)周圍上。因此，用戶不必只在一個(gè)方向上保持電池看顯示器，因?yàn)轱@示器從所有方向都能看見。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12，示出包括電池測(cè)試儀162的電池51″，此電池測(cè)試儀162具有可變的顯示器。電池測(cè)試儀162包括在繞著電池51″周圍布置的列166a-166g中印刷的單個(gè)電池測(cè)試儀164。因而，與電池測(cè)試儀150(圖11)不一樣，即，電池測(cè)試儀150繞著整個(gè)電池單元展開，而電池測(cè)試儀162包括在沿著電池51″高度方向的垂直列166a-166g中排列的一系列電池測(cè)試儀164。
參照?qǐng)D13，示出對(duì)于具有分段電池測(cè)試儀顯示器172的電池51′的替代布置170。分段電池測(cè)試儀顯示器172包括在圍繞電池51′上部的帶中并在多個(gè)行176a-176d中布置的多個(gè)段174a-174d。分段電池測(cè)試儀顯示器172可通過使用一個(gè)圍繞電池51′布置的分段測(cè)試儀來形成。在分段電池測(cè)試儀顯示器172中，分段電池測(cè)試儀顯示器172繞著電池51′側(cè)向布置。分段電池測(cè)試儀顯示器172安排得使連續(xù)的各段174a-174d在不同的電壓水平打開或關(guān)閉，獲得電池51′中所余電量的指示。此種安排可用于替換DuracellGillette，Inc.Boston Ma.的電池上部周圍的金帶。隨著電池容量消耗，此金帶可轉(zhuǎn)變成不同的顏色或消失，以指示剩余容量。
現(xiàn)在參照?qǐng)D14，電子器件180包括具有電池艙184的主體182，電池艙184具有門186。如圖所示，電池可放置在電池艙內(nèi)。門186有透明窗188，通過此窗，用戶可看到電池51′或11″，并且對(duì)于那些被認(rèn)為是無源測(cè)試儀的測(cè)試儀而言，用戶可讀電池測(cè)試儀150或162的顯示，無源測(cè)試儀即為不需要用戶做任何動(dòng)作來啟動(dòng)62(圖6)或78(圖7)的測(cè)試儀。電子器件可以是任何類型的用戶器件，無限制地包括計(jì)算器、蜂窩電話、玩具、收音機(jī)等。透明窗口可以是門的一部分或者甚至是整個(gè)門。
可替換地，電池測(cè)試儀150(圖6)或電池測(cè)試儀162(圖7)可以用有源電池測(cè)試儀來實(shí)現(xiàn)，有源電池測(cè)試儀即為那些需要一些用戶動(dòng)作，如手工關(guān)閉開關(guān)，以把測(cè)試儀電連接到電池電極。為了允許在電子器件的電池艙內(nèi)進(jìn)行檢查，電池艙可安裝有外部手柄或連桿(未示出)，允許用戶測(cè)試具有手動(dòng)型測(cè)試儀的電池。
雖然已描述的電池測(cè)試儀顯示器150或162是沿著整個(gè)周圍布置的，但也可采用其它的布置。例如，它們可以布置在電池整個(gè)圓周的1/4內(nèi)或者甚至在大約2/3到3/4內(nèi)。而且，為了容納標(biāo)牌上的其它信息，它們不必在電池全部或幾乎全部的長(zhǎng)度或圓周上延伸，只需在一部分長(zhǎng)度或圓周上延伸。
而且，可使用其它類型的測(cè)試儀。例如，不需使用獲得儀表效果的測(cè)試儀，也可使用僅給出好與壞指示的測(cè)試儀，這在以下描述。
現(xiàn)在參照?qǐng)D15，好/壞指示器電池測(cè)試儀200耦合到電池51。電池測(cè)試儀200包括含置于兩并聯(lián)電極202、204之間的顯示器206的并聯(lián)電路。電極202在由兩電阻208和210形成的分壓器處連接到電路200。電極204連接到并聯(lián)電路的另一側(cè)。并聯(lián)電路的另一側(cè)具有非線性元件，即開關(guān)212，以及第三電阻214。顯示器206超低電流的電壓控制型顯示器。非線性元件212為上述M-I-M二極管。
如果電阻208的值等于電阻20的值，在接線端202的電勢(shì)就總是電池單元電壓的一半。電極204的電勢(shì)由非線性元件212和電阻214上的電壓決定。根據(jù)電阻208、210和214的值，在接線端202的電壓會(huì)從已知的值開始。當(dāng)因電池使用或泄漏而從電池抽運(yùn)電流時(shí)，電極202的電壓會(huì)相對(duì)于電極204的電壓而變化。由于元件212是非線性的，有時(shí)它會(huì)切換使電極202的電壓相對(duì)于電極214的電壓而變?yōu)樨?fù)的。當(dāng)非線性元件切換時(shí)，這會(huì)翻轉(zhuǎn)顯示器的極性，使顯示器改變顏色，指示電池不再在某些確定的規(guī)范內(nèi)。顯示器可接入電路中，以便顯示器的一種顏色可以指示電池不再在某些確定的規(guī)范內(nèi)。理論上，在電池測(cè)試儀工作的任一情況下，當(dāng)電池單元的狀態(tài)改變即好或壞時(shí)，顯示器表現(xiàn)出顏色上的改變。
由于電池測(cè)試儀200是印刷器件，非線性元件可安裝基于碳油墨的電極，這已在以上應(yīng)用中描述。電阻也可以是基于碳的，并且包含填充物以降低電阻的導(dǎo)電率而使它們更具電阻性。理想地，整個(gè)電池測(cè)試儀200應(yīng)具有非常高的總電阻，如為15兆歐數(shù)量級(jí)。對(duì)于1.5V電池單元，設(shè)置抽運(yùn)100納安(na)電流的測(cè)試儀200，此電流值是足夠低的電流水平而使對(duì)電池壽命的影響最小。例如，對(duì)于具有7年壽命的“雙A”電池單元，100na抽運(yùn)僅消耗電池容量的大約0.5％。
應(yīng)該理解，雖然本發(fā)明已結(jié)合其詳細(xì)描述進(jìn)行了說明，但前述描述只是示例性的，并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由后附書的范圍確定。其它方面、優(yōu)點(diǎn)、和變更都包括在后附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種置于電池上的電池測(cè)試儀，其中包括連續(xù)指示電池電荷狀態(tài)的顯示器。
2.如權(quán)利要求1所述的電池測(cè)試儀，其中，電池測(cè)試儀進(jìn)一步包括至少一個(gè)控制顯示器狀態(tài)切換的非線性器件。
3.如權(quán)利要求2所述的電池測(cè)試儀，其中，電池測(cè)試儀進(jìn)一步包括多個(gè)控制顯示器段切換的非線性器件。
4.如權(quán)利要求1所述的電池測(cè)試儀，其中，電池測(cè)試儀進(jìn)一步包括非線性器件；以及多個(gè)控制顯示器段的狀態(tài)切換的電阻。
5.一種電池測(cè)試儀，其中包括第一分壓器；以及多個(gè)并聯(lián)電池測(cè)試儀元件，每個(gè)元件包括其第一接線端耦合到第一分壓器的電壓控制顯示器；以及與第一分壓器并聯(lián)耦合并耦合到電壓控制顯示器第二接線端的第二分壓器，其中，第二分壓器包括非線性器件。
6.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，電壓控制顯示器是電泳顯示器。
7.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，非線性器件是金屬-絕緣體-金屬二極管。
8.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，第一分壓器包括一對(duì)具有相同電阻值的電阻。
9.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，第二分壓器包括與非線性器件串聯(lián)耦合的電阻。
10.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，測(cè)試儀在操作中是常開的。
11.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，在每個(gè)電池測(cè)試儀元件中顯示器第一接線端的電勢(shì)是電池單元電壓的大約一半，而在每個(gè)電池測(cè)試儀元件中顯示器第二接線端的電勢(shì)由非線性元件和電阻上的電壓決定。
12.如權(quán)利要求11所述的電池測(cè)試儀，其中，當(dāng)因電池使用或泄漏而從電池抽運(yùn)電流時(shí)，在每個(gè)電池測(cè)試儀元件中顯示器一個(gè)接線端的電壓會(huì)相對(duì)于每個(gè)電池測(cè)試儀元件中顯示器另一接線端的電壓而變化。
13.如權(quán)利要求12所述的電池測(cè)試儀，其中，M-I-M二極管會(huì)切換狀態(tài)，使每個(gè)電池測(cè)試儀元件中顯示器一個(gè)接線端的電壓相對(duì)于所述電池測(cè)試儀元件中顯示器另一接線端的電壓變?yōu)樨?fù)值，從而使顯示器的顏色改變以指示電池已釋放預(yù)定量的容量。
14.如權(quán)利要求5所述的電池測(cè)試儀，其中，非線性器件會(huì)切換狀態(tài)，使每個(gè)電池測(cè)試儀元件中顯示器一個(gè)接線端的電壓相對(duì)于所述電池測(cè)試儀元件中顯示器另一接線端的電壓變?yōu)樨?fù)值，從而使顯示器的顏色改變以指示電池已釋放預(yù)定量的容量。
15.如權(quán)利要求14所述的電池測(cè)試儀，其中，當(dāng)因電池使用或泄漏而從電池抽運(yùn)電流時(shí)，在電池測(cè)試儀元件中顯示器一個(gè)接線端的電壓會(huì)相對(duì)于電池測(cè)試儀元件中顯示器另一接線端的電壓而變化。
16.一種電池，其中包括具有外圓周的電池單元；以及電池測(cè)試儀，其中包括第一分壓器；以及多個(gè)并聯(lián)的電池測(cè)試儀元件，每個(gè)元件包括其第一接線端耦合到第一分壓器的電壓控制顯示器；以及與第一分壓器并聯(lián)耦合并耦合到電壓控制顯示器第二接線端的第二分壓器，其中，第二分壓器包括非線性器件。
17.如權(quán)利要求16所述的電池，其中，每個(gè)電池測(cè)試儀元件的顯示器是電泳顯示器。
18.如權(quán)利要求16所述的電池，其中，每個(gè)電池測(cè)試儀元件的非線性器件是金屬-絕緣體-金屬二極管。
19.如權(quán)利要求16所述的電池，其中，測(cè)試儀的第一分壓器包括一對(duì)具有相同電阻值的電阻。
20.如權(quán)利要求16所述的電池，其中，每個(gè)電池測(cè)試儀元件的每個(gè)第二分壓器包括與非線性器件串聯(lián)耦合的電阻。
21.如權(quán)利要求16所述的電池，其中，測(cè)試儀在操作中是常開的。
22.如權(quán)利要求10所述的電池，其中，在每個(gè)測(cè)試儀元件中顯示器第一接線端的電勢(shì)是電池單元電壓的大約一半，而在每個(gè)測(cè)試儀元件中顯示器第二接線端的電勢(shì)由非線性元件和電阻上的電壓決定。
23.如權(quán)利要求22所述的電池，其中，當(dāng)因電池使用或泄漏而從電池抽運(yùn)電流時(shí)，在每個(gè)測(cè)試儀元件中顯示器一個(gè)接線端的電壓會(huì)相對(duì)于顯示器另一接線端的電壓而變化。
24.如權(quán)利要求23所述的電池，其中，非線性器件會(huì)切換狀態(tài)，使每個(gè)測(cè)試儀元件中顯示器一個(gè)接線端的電壓相對(duì)于每個(gè)測(cè)試儀元件中顯示器另一接線端的電壓變?yōu)樨?fù)值，從而使顯示器的顏色改變以指示電池已釋放預(yù)定量的容量。
25.如權(quán)利要求23所述的電池，其中，非線性器件是晶體管。
26.一種電池測(cè)試儀，其中包括包括非線性器件的第一分壓器；多個(gè)電阻元件；以及電壓控制顯示器，其中，第一接線端耦合到第一分壓器，并且多個(gè)第二接線端耦合到多個(gè)電阻元件。
27.如權(quán)利要求26所述的電池測(cè)試儀，其中，電壓控制顯示器是電泳顯示器。
28.如權(quán)利要求26所述的電池測(cè)試儀，其中，非線性器件是金屬-絕緣體-金屬二極管。
29.如權(quán)利要求26所述的電池測(cè)試儀，其中，第一分壓器包括耦合到非線性器件的電阻。
30.如權(quán)利要求26所述的電池測(cè)試儀，其中，測(cè)試儀在操作中是常開的。
31.如權(quán)利要求26所述的電池測(cè)試儀，其中，顯示器第一接線端的電勢(shì)是電池單元電壓的大約一半，而顯示器的多個(gè)第二接線端的電勢(shì)由多個(gè)電阻元件的相應(yīng)電阻上的電壓決定。
32.如權(quán)利要求31所述的電池測(cè)試儀，其中，當(dāng)因電池使用或泄漏而從電池抽運(yùn)電流時(shí)，顯示器的一個(gè)接線端的電壓會(huì)相對(duì)于顯示器多個(gè)第二接線端的電壓而變化。
33.如權(quán)利要求32所述的電池測(cè)試儀，其中，非線性器件會(huì)切換狀態(tài)，使顯示器一個(gè)第二電極的電壓相對(duì)于顯示器第一接線端的電壓變?yōu)樨?fù)值，從而使顯示器的顏色改變以指示電池已釋放預(yù)定量的容量。
34.一種電池測(cè)試儀，其中包括電壓控制顯示器；其一個(gè)接線端耦合到電壓控制顯示器接線端的第一分壓器；以及其一個(gè)接線端耦合到電壓控制顯示器第二接線端的第二分壓器，其中，第二分壓器包括耦合到電壓控制顯示器的切換器件，從而當(dāng)被觸發(fā)時(shí)，使電流流經(jīng)第二分壓器以在電壓控制顯示器上提供電勢(shì)差。
35.如權(quán)利要求34所述的電池測(cè)試儀，其中，顯示器是電泳顯示器。
36.如權(quán)利要求34所述的電池測(cè)試儀，其中，切換器件是手工觸發(fā)的開關(guān)。
37.一種制作在電池上的電池測(cè)試儀的方法，其中包括在電池側(cè)壁上形成第一分壓器；以及形成多個(gè)并聯(lián)的電池測(cè)試儀元件，此電池測(cè)試儀元件包括其第一接線端耦合到第一分壓器的電壓控制顯示器；以及形成與第一分壓器并聯(lián)耦合并耦合到電壓控制顯示器第二接線端的第二分壓器，其中，第二分壓器包括非線性器件以控制顯示器中電池容量指示的變化。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，形成第一分壓器包括在電池側(cè)壁上印刷具有電阻率特性的材料。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，形成測(cè)試儀元件包括在電阻性材料上布置導(dǎo)電層；以及在導(dǎo)電材料上形成電泳材料；在電泳材料上形成第二導(dǎo)體。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，形成具有非線性元件的第二分壓器包括在電池側(cè)壁上形成金屬-絕緣體-金屬二極管。
全文摘要
一種電池包括具有外圓周的電池單元和電池測(cè)試儀。電池測(cè)試儀可以是不同的類型。一種分段顯示的測(cè)試儀包括:第一分壓器;多個(gè)并聯(lián)的電池測(cè)試儀元件,其中每個(gè)電池測(cè)試儀元件包括其第一接線端耦合到第一分壓器的電壓控制顯示器以及與第一分壓器并聯(lián)耦合并耦合到電壓控制顯示器第二接線端的第二分壓器。第二分壓器還包括非線性元件。本文也描述第二種類型的電池測(cè)試儀。此種類型是可變的類型,并且包括具有耦合到多個(gè)電阻元件的非線性元件的第一分壓器、以及其第一接線端耦合到第一分壓器且多個(gè)第二接線端耦合到多個(gè)電阻元件的電壓控制顯示器。
文檔編號(hào)H01M6/50GK1347504SQ00806317
公開日2002年5月1日 申請(qǐng)日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月16日
發(fā)明者安妮·T·林奇, 馬克·卡克普勞伊茲, 杰弗里·S·修斯 申請(qǐng)人:吉萊特公司