CN2519390Y - 过电流保护元件及其装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示一过电流保护元件及其装置;该过电流保护元件包含一第一电极箔、一第二电极箔及复数个电流感测层,其特征在于该复数个电流感测层以电气串联方式组成,且每一电流感测层的转换温度相差至少5℃,并利用控制每一电流感测层的电阻及厚度藉以使过电流保护元件达到耐高电压的目的;该过电流保护装置包含二种或二种以上的电流感测层,使其形成串联结构,因此其电阻值可根据耐压需求加以变化。

Description

过电流保护元件及其装置

技术领域

本实用新型涉及过电流保护技术领域，特别是一种将不同的具正温度系数导电复合材料加以串联所形成的过电流保护元件及其装置。

背景技术

随着目前可携式电子仪器的广泛应用，例如手机、笔记型电脑、手提式摄影机及个人数字助理器(PDA)等，为防止二次电池或电路元件发生过电流(over-current)或是过高温(over-temperature)现象而造成短路，使用过电流保护元件的重要性也愈来愈显著。

习知的过电流保护元件10，包含一第一电极箔12、一第二电极箔13以及一电流感测层11，如图1所示。若该过电流保护元件10用于保护二次电池时，则在第一及第二电极箔12、13的表面上会进一步连接一第一金属导电片14和第二金属导电片15，以作为与二次电池的正负极电气连接的导线。

目前，较常见的电流感测层11由一具有正温度系数(Positive TemperatureCoefficient：PTC)的导电材料所形成，包含一聚合物及一导电填料。由于该PTC导电材料的电阻值对温度变化反应敏锐，在正常使用状况时，其电阻可维持极低值，使电路得以正常运作。但是，当发生过电流或过高温的现象而使温度上升时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(例如10⁴ohm以上)，而将过量的电流反向抵销，以达到保护电池或电路元件的目的。

一般而言，PTC过电流保护元件可保护电池或电路元件的因素之一是其电阻值对温度变化的弹跳反应，弹跳反应愈大，即电阻值在温度高于转换温度(Ts)时，提升愈高，则过电流保护元件的耐压愈高。所谓弹跳反应是当电流感测层的温度因过电流现象而上升，其电阻由低电阻状态(亦即起始电阻值(R_min))瞬间上升至高电阻状态(亦即尖峰电阻值(R_peak))所表现的差异，差异愈大，表示弹跳反应愈大，而转换温度(Ts)指PTC电流感测元件的电阻值增加至常温电阻值的100倍时的温度。

再者，由于过电流保护元件的消耗能量(Power Dissipation：Pd)可以下列通式表示：Pd＝V²/R，其中，V为其可承受的电压，R为其尖峰电阻值。由上述通式可知，当其尖峰电阻值愈高，其弹跳反应愈大，相对地其可承受的电压也愈高。

习知提高过电流保护元件的尖峰电阻值的方法是将导电填料(例如碳黑)的含量降低，然而，此一方法却也会相对地提升其起始电阻值，而使其导电度降低。有鉴于此，本实用新型针对此一问题提供一新颖的可耐高电压的过电流保护元件。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种过电流保护元件及其装置，其将二种或二种以上具不同电阻值及厚度的电流感测层层叠形成串联结构，使起始电阻值降低并提高尖峰电阻值，以提高其耐电压。

本实用新型的第二目的是提供一种过电流保护元件及其装置，其电阻值可利用串联不同电流感测层加以变化，使其达到耐压需求。

本实用新型的第三目的是提供一种过电流保护元件及其装置，其电阻值对温度的变化可以藉由控制所串联的各电流感测层的转换温度，使其达到对温度及电阻的需求。

为达成上述目的并避免习知技艺的缺点，本实用新型揭示一过电流保护元件及其装置。该过电流保护元件包含一第一电极箔、一第二电极箔及复数个高分子电流感测层，其特征在于该复数个高分子电流感测层以层叠形成并以电气串联方式组成，第一及第二电极箔设置于该复数个高分子电流感测层的相对应的表面上，且每一高分子电流感测层转换温度相差至少5℃。

本实用新型可包含二种或二种以上的电流感测层，使其形成串联结构，此串联结构可经由电流感测层彼此紧密分层接合，亦可以导电联结机构(如导电银胶或金属箔等)将电流感测层连结而成，而各层的PTC电流感测层可各具不同的厚度、电阻值及转换温度，如此，PTC过电流保护元件对其电阻值、耐压、及温度的需求可经由各层的厚度、电阻值及转换温度加以变化。

本实用新型亦可包含复数个前述的过电流保护元件、一第一连接部、一第二连接部及至少一绝缘层。该第一连接部包含第一外层导电构件和一第一导电孔，且该第一导电孔用以电气连接该复数个过电流保护元件的第一电极箔和该第一外层导电构件。该第二连接部包含第二外层导电构件和一第二导电孔，且该第二导电孔用以电气连接该复数个过电流保护元件的第二电极箔和该第二外层导电构件。该绝缘层用于隔离相邻的过电流保护元件及隔离过电流保护元件与第一和第二外层导电构件，此过电流保护元件设计可用于表面黏着装置使用。

附图说明

图1为习知的过电流保护元件的剖面图；

图2为根据本实用新型的第一实施例的过电流保护元件的剖面图；

图3为本实用新型与习知的过电流保护元件的电阻-温度曲线图；

图4为根据本实用新型的第二实施例的过电流保护元件的剖面图；

图5为根据本实用新型的第三实施例的过电流保护元件的剖面图；

图6为根据本实用新型的一实施例的过电流保护装置的剖面图。

具体实施方式

本实用新型揭示一种过电流保护元件，其包含二种或二种以上转换温度(Ts)相差至少5℃以上的电流感测层。本实用新型将每一电流感测层加以层叠使之形成串联结构，可使尖峰电阻值可根据耐压需求加以变化。

于本实用新型的过电流保护元件的起始电阻值(R_min)及尖峰电阻值(R_peak)可以下列通式计算而得：

R_min＝R1_min×(t₁/t₀)+R2_min×(t₂/t₀)+R3_min×(t₃/t₀)+…

      +Ri_min×(t_i/t₀)……       (1)

R_peak＝R1_peak×(t₁/t₀)+R2_peak×(t₂/t₀)+R3_peak×(t₃/t₀)+…

      +Ri_peak×(t_i/t₀)……      (2)

其中R1_min、R2_min、R3_min…Ri_min分别为第一、第二、第三至第i电流感测层于t₀厚度的起始电阻值；R1_peak、R2_peak、R3_peak、…Ri_peak分别为第一、第二、第三至第i电流感测层于t₀厚度的尖峰电阻值；t₁、t₂、t₃、…t_i分别A第一、第二、第三…第i电流感测层的厚度；且t₀＝t₁+t₂+t₃+…t_i。

图2是根据本实用新型的第一实施例的过电流保护元件20的剖面图，包含一第一电流感测层21、一第二电流感测层21’、一第一电极箔23及一第二电极箔22，该第一电极箔23设置于该第一电流感测层21相对于第二电流感测层21’的表面，而第二电极箔22设置于该第二电流感测层21’相对于第一电流感测层21的表面上。该第一电极箔23及第二电极箔22为一金属导电材质，例如：铜、镍、铂、金及其合金。

该第一电流感测层21及第二电流感测层21’皆由一具正温度系数(PTC)的导电复合材料所形成。其中，该第一电流感测层21包含一第一聚合物及一第一导电填料，而该第二电流感测层21’包含一第二聚合物及一第二导电填料。且该第一聚合物及该第二聚合物为相同或不同的聚合物，例如：聚烯烃类聚合物或环氧树脂等。而该第一导电填料及该第二导电填料亦可为相同或不同的导电填料，例如碳黑、金属粉末及陶瓷性粉末等。该第一电流感测层21的转换温度(Ts1)可设定为大于60℃，而该第二电流感测层21’的转换温渡(Ts2)与第一电流感测层21相差至少5℃以上(|Ts2-Ts1|＞5℃)。

进一步地，本实用新型的过电流保护元件20的第一电流感测层21的体积电阻值高于该第二电流感测层21’至少20％以上，而第一电流感测层21与第二电流感测层21’的厚度的比值介于0.01-0.96之间。

于本实用新型的第一实施例的过电流保护元件20中，若第一电流感测层21的单体的体积电阻值为1.43欧姆公分(Ω.cm)，当厚度为t₀(0.21毫米(mm))时，其起始电阻值(R1_min)为50毫欧姆(mΩ)，且其尖峰电阻值(R1_peak)为100欧姆，第二电流感测层21’的单体的体积电阻值为3.14欧姆公分(Ω.cm)，当厚度为t₀时，其起始电阻值(R2_min)为110毫欧姆，且其尖峰电阻值(R2_peak)为100,000欧姆，当电流感测层21和21’串联贴合并控制总厚度仍然为t₀，其中第一电流感测层21与第二电流感测层21’的厚度比为9∶1。由于电流感测层的电阻与其厚度成正比，所以，当第一电流感测层21及第二电流感测层21’串联时，依据方程式(1)及(2)的计算，其所形成的过电流保护元件的起始电阻值为56毫欧姆(R_min＝50mΩ×0.9+110mΩ×0.1＝56mΩ)，而其尖峰电阻为10090欧姆(R_peak＝100Ω×0.9+100,000Ω×0.1＝10090Ω)。由此可知，利用本实用新型的过电流保护元件，不仅可增加尖峰电阻值且不会牺牲其起始的较低电阻值。

图3所示为本实用新型与习知的过电流保护元件的电阻-温度曲线图，其中，曲线A代表习知的具有单层电流感测层的过电流保护元件，其利用高电阻的PTC导电复合材料(其起始电阻值为110mΩ，而尖峰电阻值为100,000Ω)所形成。曲线B代表另一习知的具有单层电流感测层的过电流保护元件，其利用低电阻的PTC导电复合材料(其起始电阻值为50mΩ，而尖峰电阻值为100Ω)所形成。曲线C代表本实用新型的一实施例的具有双层电流感测层的过电流保护元件，其中该双层电流感测层将上述高电阻的PTC导电复合材料(占总厚度的10％)与低电阻的PTC导电复合材料(占总厚度的90％)层叠所形成。曲线D代表另一习知的具有单层电流感测层的过电流保护元件，惟其电流感测层是将上述高电阻的PTC导电复合材料(体积百分比为10％)及低电阻的PTC导电复合材料(体积百分比为90％)加以混合的后所形成。

由图3中可知，本实用新型的过电流保护元件不仅可降低高电阻的导电复合材料的起始电阻值，亦可增加低电阻的导电复合材料的尖峰电阻值及其断电速度(对温度的灵敏度)。再者，藉由比较曲线C及曲线D可知，本实用新型的双层电流感测层的尖峰电阻值及断电速度较直接将具有高电阻的导电复合材料与具有低电阻的导电复合材料加以混合后所形成的单层电流感测层高，且其转换温度也相对降低。亦即，本实用新型的过电流保护元件可使耐电压提高且增加其对温度的灵敏度。

进一步地，本实用新型的过电流保护元件的串联结构除了可藉由电流感测层彼此紧密分层接合而形成之外，亦可利用一导电联结机构(未图示)将电流感测层连结而成，其中该导电连结机构设置于二高分子电流感测层之间且为一具有高导电度材质所形成，例如：导电银胶或金属箔等，藉以电气连结二相邻的高分子电流感测层。

图4为根据本实用新型的第二实施例的过电流保护元件40的剖面图。该过电流保护元件40包含一第一电流感测层41、一第二电流感测层41’、一第三电流感测层41”、一第一电极箔43及一第二电极箔42，其中该第一电流感测层41的转换温度(Ts1)可设定为大于60℃以上，且该第二电流感测层41’的转换温度(Ts2)与第一电流感测层41相差至少5℃以上(|Ts2-Ts1|＞5℃)，而该第三电流感测层41”的转换温度(Ts3)与第二电流感测层41’的转换温度相差至少5℃以上(|Ts3-Ts2|＞5℃)。该第二电极箔42设置于该第一电流感测层41相对于第二电流感测层41’的表面上，而第一电极箔43设置于该第三电流感测层41”相对于第二电流感测层41’的表面上。

本实用新型的过电流保护元件不仅可作为二次电池的电路保护之用，亦可黏着于电路板表面以作为保护电路元件之用。当用于二次电池的电路保护时，本实用新型的过电流保护元件可进一步包含一第一导电机构54及一第二导电机构55，其分别设置于该第一电极箔23和第二电极箔22相对于电流感测层21和21’的表面上，如图5所示，该第一导电机构54及第二导电机构55的设置方向为相同或相反，且该第一导电机构54及第二导电机构55为一金属导电片或一导线，以便电气连接至二次电池的正负极或是可直接***电路板中。

另外，本实用新型可将复数个过电流保护元件20利用一导电材质的第一连接部63及第二连接部63’并联形成一过电流保护装置60，用以黏着于一电路板(未图示)上，其中该第一连接部63包含一第一外层导电构件64和一第一导电孔(未图示)，该第一导电孔用以电气连接该复数个过电流保护元件20的第一电极箔23和该第一外层导电构件64；该第二连接部包含第二外层导电构件65和一第二导电孔(未图示)，该第二导电孔用以电气连接该复数个过电流保护元件的第二电极箔22和该第二外层导电构件65，如图6所示。每一过电流保护元件20的第一电极箔23的一端利用蚀刻等方式形成一第一绝缘区66’，而其第二电极箔22相对应于该绝缘区66’的另一端亦利用蚀刻方式形成一第二绝缘区66。并联后的过电流保护元件可进一步包含至少一绝缘层62。其中该外层导电构件可利用蚀刻方法形成二导电端64’、64”及65’、65”。此外，相邻的电极箔及电极箔与外层导电构件之间利用一绝缘层62以作为阻绝。并且利用该外层导电构件64、65所形成的导电端64’、64”及65’、65”电气连接至外部电路板(图未示出)的电路元件，以保护该电路元件。

本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本实用新型的教示及揭示而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰。因此，本实用新型的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为权利要求书的范围所涵盖。

Claims (14)

1.一种过电流保护元件，包含一第一电极箔、一第二电极箔及复数个高分子电流感测层，其特征在于：该复数个高分子电流感测层以电气串联方式组成，且每一高分子电流感测层的转换温度相差至少5℃。

2.如权利要求1所述的过电流保护元件，其特征是：其中至少一个高分子电流感测层的转换温度大于60℃。

3.如权利要求1所述的过电流保护元件，其特征是：其中该第一电极箔及第二电极箔为金属导电材质，并可电气连结于电源端。

4.如权利要求1所述的过电流保护元件，其特征是：进一步包含一导电连结机构，设置于二相邻的电流感测层之间，藉以电气连结二相邻的高分子电流感测层。

5.如权利要求4所述的过电流保护元件，其特征是：其中该导电连结机构为导电胶或金属箔。

6.如权利要求1所述的过电流保护元件，其特征是：其中该复数个高分子电流感测层包含一聚合物及一导电填料。

7.如权利要求4所述的过电流保护元件，其特征是：其中每一高分子电流感测层所包含的聚合物为相同或不同种类。

8.如权利要求4所述的过电流保护元件，其特征是：其中每一高分子电流感测层所包含的导电填料为相同或不同种类。

9.如权利要求1所述的过电流保护元件，其特征是：其中每一高分子电流感测层的体积电阻值相差至少20％。

10.如权利要求1所述的过电流保护元件，其特征是：进一步包含一第一导电机构及一第二导电机构，分别设置于该第一电极箔及第二电极箔表面。

11.如权利要求10所述的过电流保护元件，其特征是：其中该第一导电机构及第二导电机构的设置方向为相同或相反。

12.如权利要求10所述的过电流保护元件，其特征是：其中该第一及第二导电机构为一导电片或导线。

13.一种过电流保护装置，其特征是：包含：

至少一个如权利要求1的过电流保护元件；

一第一连接部，包含第一外层导电构件和一第一导电孔，该第一导电孔用以电气连接该至少一个过电流保护元件的第一电极箔和该第一外层导电构件；

一第二连接部，包含第二外层导电构件和一第二导电孔，该第二导电孔用以电气连接该至少一个过电流保护元件的第二电极箔和该第二外层导电构件；及

至少一绝缘层，用于隔离相邻的过电流保护元件及隔离过电流保护元件与第一和第二外层导电构件。

14.如权利要求13所述的过电流保护装置，其特征是：其中该第一和第二连接部利用一导电材质所形成。

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