專利名稱：導(dǎo)電聚合物ptc電池保護(hù)裝置及其制備方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請根據(jù)35U.S.C.§119(e)，要求1998年10月6日提交的共同未決臨時申請No.60/103,256的權(quán)益。
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要涉及具有正溫度系數(shù)電阻率的電子元件或裝置，通常稱為“PTC”裝置。本發(fā)明尤其涉及聚合物PTC裝置，特別構(gòu)成該裝置來防止電池過充電或漏電流。
層壓的聚合物電子元件包括層壓在上下金屬箔片層之間的一層聚合物材料，這已在本領(lǐng)域中公知。例如，參見Taylor的美國專利No.4,426,633，Chan等的No.5,089,801，Plasko的No.4,937,551，Nagahori的No.4,787,135和Hogge等的No.5,802,707；以及國際公開No.WO97/06660。在此類裝置中，金屬箔片層通常形成電極，電觸點(diǎn)或引線固定到電極上。
變得日益普遍的一種聚合物電子元件是采用具有PTC特性的聚合物。聚合物PTC元件的具體應(yīng)用是在電池保護(hù)裝置中。在該裝置中，過充電或漏電流導(dǎo)致聚合物PTC材料的溫度升高到“轉(zhuǎn)換溫度”之上，此時其電阻急劇地增加，防止電流流過，從而防止電池被破壞。
多種電子設(shè)備由AA或AAA型號的干電池供電。有利的是提供結(jié)構(gòu)上該類電池能使用的電池保護(hù)裝置。具體地，該裝置使電池能有效地封裝在設(shè)備內(nèi)并且為電池端子提供可焊接的觸點(diǎn)。
發(fā)明綜述概括地，本發(fā)明主要是電池保護(hù)裝置，包括層壓在上下金屬箔片電極之間的一層導(dǎo)電聚合物PTC材料；與上電極電接觸而與下電極電絕緣的第一接觸部件；以及與第一接觸部件在基本上相同的平面內(nèi)直接與下電極機(jī)械和電接觸的第二接觸部件。具體地，通過聚合物層和上下電極形成的通孔所提供的導(dǎo)電通路把第一接觸部件電連接到上電極。
在特定優(yōu)選實(shí)施例中，將上電極層壓到導(dǎo)電聚合物PTC層的上表面，將下電極層壓到導(dǎo)電聚合物PTC層的下表面。通過去除下電極的預(yù)定環(huán)狀部分來形成下電極的隔離部分，從而形成把隔離部分與下電極的其余部分分離的環(huán)狀隔離間隔。第一通孔穿過上電極、聚合物PTC層和下電極的隔離部分形成，開孔被環(huán)狀隔離間隔同心地包圍。第一通孔的直徑小于下電極的隔離部分內(nèi)徑，這樣在開孔和環(huán)狀隔離間隔之間留下隔離電極部分的環(huán)狀區(qū)域。第一通孔的內(nèi)壁表面和環(huán)狀隔離電極區(qū)域鍍覆有導(dǎo)電金屬化層。金屬化層在環(huán)狀隔離電極區(qū)域上形成第一環(huán)狀接觸基座，借助第一通孔的金屬化表面與上電極導(dǎo)電連接。第一接觸部件導(dǎo)電粘結(jié)到第一環(huán)狀接觸基座。
與隔離部分間隔開的下電極的預(yù)定圓形區(qū)域鍍覆有導(dǎo)電金屬化層。與第一通孔間隔開的第二通孔穿過上電極、聚合物PTC層和下電極的金屬鍍覆圓形區(qū)域形成，開孔在金屬鍍覆圓形區(qū)域。第二通孔的直徑小于金屬鍍覆圓形區(qū)域的直徑，這樣第二環(huán)狀接觸基座限定在圍繞金屬鍍覆圓形區(qū)域中第二通孔的開孔。第二接觸部件導(dǎo)電粘結(jié)到第二環(huán)狀接觸基座。
第一、第二接觸部件的尺寸加工成與典型的AA或AAA電池的正極和/或負(fù)極端子形成電接觸。而且，接觸部件的材料和結(jié)構(gòu)使電池端子能焊接到接觸部件表面。
本發(fā)明提供在正常充電和漏電流下穿過聚合物PTC層在上下電極之間的導(dǎo)電通路。在該電流下，聚合物PTC層具有相對低的電阻，這因?yàn)榫酆衔颬TC層的電流產(chǎn)生的熱量不足以使其達(dá)到它的轉(zhuǎn)換溫度。響應(yīng)于過充電或漏電流，電流產(chǎn)生的熱量使聚合物PTC層升溫到高于其轉(zhuǎn)換溫度，在該溫度其電阻突然增加3個或更多個數(shù)量級，從而實(shí)質(zhì)上降低通過電池的電流，防止電池在過電流狀態(tài)。當(dāng)由于電流降低，聚合物PTC層的溫度降低到低于轉(zhuǎn)換溫度時，聚合物PTC層的電阻回復(fù)到正常的低值，由此使電池正常充電和漏電。
使用標(biāo)準(zhǔn)光刻膠和蝕刻方法對層壓體10的上下箔片層14、16構(gòu)圖，刻劃出分立的區(qū)域18陣列，每個分立的區(qū)域確定一個單獨(dú)的裝置，如圖4A和7A所示，隨后的描述將指單個區(qū)域18，應(yīng)當(dāng)理解所有的區(qū)域18同時進(jìn)行同樣的制造步驟。
在刻劃區(qū)域18的同時，采用光刻膠和蝕刻技術(shù)通過去除下箔片層16的預(yù)定環(huán)狀部分在聚合物PTC層12的下表面上，產(chǎn)生環(huán)狀隔離間隔20(圖2)。環(huán)狀隔離間隔20包圍并隔離第一圓形區(qū)域，第一圓形區(qū)域形成下箔片層16的隔離部分21。接著，如圖3所示，將上絕緣層22施加于上箔片層14，并將下絕緣層24施加于下箔片層16。將最好由熱固玻璃層或聚合物材料構(gòu)成的絕緣層22、24通常絲網(wǎng)印刷在各個箔片層上，然后固化。對上絕緣層22構(gòu)圖，露出上箔片層14的圓形區(qū)域25。上箔片層14的裸露的圓形區(qū)域25與下箔片層16的隔離部分21同軸地對準(zhǔn)。對下絕緣層24構(gòu)圖，以便覆蓋聚合物層12的下表面的環(huán)狀隔離間隔20和下箔片層16的隔離部分21的圓周環(huán)狀部分。因此，露出下箔片層16的隔離部分21的主要中心部分。被下絕緣層24露出的還有下箔片層16的第二圓形區(qū)域26，第二圓形區(qū)域26與第一圓形區(qū)域21間隔開。除了固定接觸部件(如下所述)的地方外，絕緣層22、24在裝置的兩個側(cè)面上提供絕緣表面。
圖4A和4B示意說明第一通孔27的形成，穿過上箔片層14的裸露的圓形區(qū)域25、聚合物層12、和下箔片層16的隔離部分21形成通孔27，從而圓形開孔被限定在下箔片層16的隔離部分21內(nèi)。第一通孔27優(yōu)選由鉆孔形成，但也可以由沖孔形成。最好如圖4B所見，第一通孔27的直徑小于下箔片層16的隔離部分21的直徑，這樣箔片材料的第一環(huán)狀下接頭環(huán)28保留在下箔片層16的隔離部分21中的第一通孔27的下開孔周圍。類似地，第一通孔27的直徑小于上箔片層14的裸露的圓形區(qū)域25的直徑，這樣裸露的箔片的環(huán)狀上接頭環(huán)29保留在上箔片層14的暴露出的圓形區(qū)域25中的第一通孔27的上開孔周圍。盡管如此，第一通孔27的直徑應(yīng)當(dāng)足夠大(例如，約5mm)，以便容納把電池端子(未示出)焊接到接觸部件的焊接探頭，接觸部件固定在第一通孔27的下開孔上，如下所述。
接著，如圖5所示，優(yōu)選電鍍銅或鎳的第一金屬化層包括第一部分30A，第一部分30A形成在第一通孔27的內(nèi)壁表面上、第一環(huán)狀下箔片接頭環(huán)28上和上環(huán)狀箔片接頭環(huán)29上。第一金屬化層還包括第二部分30B，第二部分30B形成在下箔片層16的第二圓形裸露的區(qū)域26上。第一金屬化層的第一部分30A在上箔片層14和第一下環(huán)狀箔片接頭環(huán)28之間形成物理、電接觸，第一下環(huán)狀箔片接頭環(huán)28通過環(huán)狀隔離間隔20與下箔片層16隔離。
然后形成第二金屬化層，如圖6所述。優(yōu)選是焊料并且能由任何適當(dāng)方法施加的第二金屬化層具有兩部分第一部分32A，它與第一金屬化層30的第一部分30A相一致并且覆蓋在其上；以及第二部分32B，它施加在第一金屬化層的第二部分30B上，第一金屬化層的第二部分30B覆蓋下箔片層16的第二圓形箔片區(qū)域26。如果第二金屬層32A、32B是焊料層，它將不能很好地附著到聚合物材料。因此，第一金屬化層30A、30B提供一種介質(zhì)，借助于該介質(zhì)第二金屬化層的對應(yīng)部分32A就能附著到第一通孔27的內(nèi)壁表面。
顯然，第一和第二金屬化層提供在上箔片層14的上環(huán)狀箔片接頭環(huán)29和下箔片層16的第一下環(huán)狀接頭環(huán)28之間的導(dǎo)電通路。鍍金屬的第一下環(huán)狀接頭環(huán)由此確定第一環(huán)狀接觸基座36，第一環(huán)狀接觸基座36電連接到上箔片層14，同時通過環(huán)狀隔離間隔20與下箔片層16隔離。
圖7A和7B示意說明經(jīng)過層壓體10形成第二通孔38的步驟，第二通孔38從上箔片層14中的上開孔到被第一、第二金屬化層的第二部分30B、32B分別覆蓋的下箔片層16的第二圓形區(qū)域26中的下開孔。第二通孔38像第一通孔27一樣，優(yōu)選由鉆孔形成，但也可以由沖孔形成。第二通孔38的直徑小于第二圓形區(qū)域26的直徑，這樣第二環(huán)狀接觸基座40被金屬化圓形箔片區(qū)域26的環(huán)狀剩余部分確定，金屬化圓形箔片區(qū)域26圍繞第二通孔38的下開孔。而且，與第一通孔27一樣，第二通孔38的直徑應(yīng)當(dāng)足夠大(例如，約5mm)，以便容納把電池端子(未示出)焊接到接觸部件的焊接探頭，接觸部件固定在第二通孔38的下開孔上，如下所述。
圖9和10表示第一、第二盤形導(dǎo)電接觸部件52、54已分別固定到第一、第二環(huán)狀導(dǎo)電位置36、40，從而分別覆蓋第一、第二通孔27、38的下開孔后已完成的電池保護(hù)裝置50。優(yōu)選通過第二金屬化層焊料的回流來完成接觸部件52、54的固定，第二金屬化層形成第一、第二導(dǎo)電位置36、40。接觸部件52、54優(yōu)選由鎳、或鍍鎳的銅、或能由焊接固定的一些其它耐用的導(dǎo)電金屬構(gòu)成。
在固定接觸部件52、54后，通過傳統(tǒng)方法例如鋸法從片10單個分開單個裝置50。在每個單個電池保護(hù)裝置50中，如圖9和10所示，上箔片層在層壓的導(dǎo)電聚合物PTC元件12的上表面上提供上電極56，以及下箔片層在PTC元件12的下表面上提供下電極58。第一接觸部件52經(jīng)過第一通孔27分別通過第一環(huán)狀接觸基座36和第一、第二金屬化層的第一部分30A、32A電連接到上電極56，然而，第一接觸部件52通過隔離間隔20與下電極58隔離。第二接觸部件54通過第二環(huán)狀接觸基座40電連接到下電極。
構(gòu)成第一、第二接觸部件52、54，使通常小型單個電池的電池組(例如AA或AAA電池)的端子通過經(jīng)通孔27、38插入的焊接探頭能直接焊接到第一、第二接觸部件52、54，如上所述。而且，選擇裝置50的總尺寸，以便容納電池在最小實(shí)際空間中。例如，構(gòu)成為容納兩個AAA電池的長約20mm、寬約10mm的裝置50。
在上面描述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的同時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行各種變化和改型。認(rèn)為各種變化和改型在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池保護(hù)裝置，包括層壓在上下金屬電極之間的一層導(dǎo)電聚合物PTC材料；與上電極電接觸而與下電極電絕緣的第一接觸部件；以及與第一接觸部件在基本上相同的平面內(nèi)直接與下電極機(jī)械和電接觸的第二接觸部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中穿過聚合物PTC層和上下電極形成的導(dǎo)電通路把第一接觸部件電連接到上電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中導(dǎo)電通路包括穿過聚合物PTC層和上下電極形成的金屬化通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中導(dǎo)電聚合物PTC層具有上表面和下表面，其中上電極被層壓到上表面并且下電極被層壓到下表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，還包括在下電極中限定該下電極的隔離部分的環(huán)狀隔離間隔；以及穿過上電極、導(dǎo)電聚合物PTC層和下電極的隔離部分延伸的通孔，其中導(dǎo)電通路包括金屬化層，金屬化層穿過通孔將上電極與下電極的隔離部分連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中金屬化層在下電極的隔離部分上形成環(huán)狀導(dǎo)電接觸基座，并且其中第一接觸部件固定到該接觸基座。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中將第二接觸部件固定到下電極的與隔離部分借助于隔離間隔而電絕緣的位置處。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中通孔是第一通孔并且接觸基座是第一接觸基座，該裝置還包括穿過上電極、導(dǎo)電聚合物PTC層和下電極形成的第二通孔，從而第二環(huán)狀導(dǎo)電接觸基座圍繞第二通孔形成在下電極上；其中第二接觸部件固定到第二接觸基座。
9.一種電池保護(hù)裝置，包括具有上、下表面的聚合物PTC元件；層壓到上表面的平面狀上電極；層壓到下表面的平面狀下電極；在下電極中限定電隔離部分的隔離間隔；穿過PTC元件、上電極和下電極的隔離部分的通孔；金屬化層，它穿過通孔將上電極與下電極的隔離部分連接，并且在通孔周圍在下電極的隔離部分上形成環(huán)狀導(dǎo)電接觸基座；在接觸基座上的第一接觸部件；以及在下電極上的第二接觸部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中接觸基座是第一接觸基座，并且第二接觸部件是在形成在下電極上的第二導(dǎo)電接觸基座上，第一、第二接觸基座相互電絕緣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中通孔是第一通孔，接觸基座是第一接觸基座，該裝置還包括穿過上電極、導(dǎo)電聚合物PTC層和下電極形成的第二通孔，從而第二環(huán)狀導(dǎo)電接觸基座圍繞第二通孔形成在下電極上；其中第二接觸部件固定到第二接觸基座。
12.一種制造電池保護(hù)裝置的方法，包括步驟(A)在上、下金屬箔片層之間層壓一層導(dǎo)電聚合物材料；(B)在下箔片層中形成環(huán)狀隔離間隔以產(chǎn)生下箔片層的隔離部分；(C)形成穿過導(dǎo)電聚合物層、上箔片層和下箔片層的隔離部分的通孔；(D)形成穿過通孔的金屬化層，以便將上箔片層與下箔片層的隔離部分連接，并且以便圍繞通孔在下箔片層的隔離部分上形成環(huán)狀導(dǎo)電接觸基座；(E)將第一接觸部件固定到接觸基座；以及(F)將第二接觸部件固定到下箔片層的與隔離部分以隔離間隔隔開的位置上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中形成金屬化層的步驟包括步驟(D)(1)形成穿過通孔的第一金屬化層，以便將上箔片層連接到下箔片層的隔離部分，并且以便圍繞通孔在下箔片層的隔離部分上形成環(huán)狀第一導(dǎo)電接觸基座；以及(D)(2)在下箔片層的與隔離部分以隔離間隔隔離的位置上形成第二金屬化層部分，以便在第二金屬化層部分上形成第二導(dǎo)電接觸基座；其中固定第二接觸部件的步驟包括將第二接觸部件固定到第二接觸基座的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中形成通孔的步驟包括形成第一通孔的步驟，并且形成金屬化層的步驟后跟著形成穿過上箔片層、導(dǎo)電聚合物PTC層和第二金屬化部分的第二通孔的步驟，從而由圍繞第二通孔的、第二金屬化層部分的環(huán)狀部分來限定第二接觸基座。
全文摘要
電池保護(hù)裝置包括層壓到導(dǎo)電聚合物PTC層(12)的上表面的上箔片電極(56)和層壓到PTC層(12)的下表面的下箔片電極(58)。通過在下電極(58)中產(chǎn)生環(huán)狀隔離間隔(20)來形成下電極的隔離部分。形成穿過上電極、PTC層和下電極的隔離部分的第一通孔(27)。第一通孔(27)的直徑小于隔離電極部分的直徑,使隔離電極部分的環(huán)狀區(qū)域在開孔和隔離間隔之間。第一通孔的內(nèi)壁表面和環(huán)狀電極區(qū)域鍍覆有導(dǎo)電金屬化層(32A),導(dǎo)電金屬化層(32A)形成第一接觸基座(36),第一接觸基座(36)通過第一通孔的金屬化表面與上電極(56)導(dǎo)電連接。第一接觸部件(52)被固定到第一接觸基座(36)。與隔離部分間隔開的下電極區(qū)域鍍覆有金屬。形成穿過上電極(56)、PTC層(12)和下電極的金屬鍍覆區(qū)域的第二通孔(38),在金屬鍍覆區(qū)域中有開孔。第二通孔(38)的直徑小于金屬鍍覆區(qū)域的直徑,這樣第二接觸基座(40)圍繞第二通孔的開孔限定在金屬鍍覆區(qū)域內(nèi),第二接觸部件(54)被固定到此。
文檔編號H01M2/34GK1331844SQ99811800
公開日2002年1月16日 申請日期1999年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月6日
發(fā)明者史蒂文D·霍格, 安德魯B·巴雷特 申請人:伯恩斯公司