以可控的传导通道为特征的复合塑料接触元件材料组合物及相关制备方法

专利名称：以可控的传导通道为特征的复合塑料接触元件材料组合物及相关制备方法
技术领域：
本发明总体上涉及非金属电接触件和高性能复合塑料接触件及相关 元件，并且更具体而言，涉及以可控的传导通道为特征的传感器和仪器 探针元件。
背景技术：
近来，对导电复合塑料在电子工业中的使用快发射(emerging)、 高性能和高位值的接触件、互连件、传感器、探针等多种装置应用中的 用途已引起广泛关注，所述接触件、互连件、传感器、探针等用于多种 电测试、测量和控制应用中。在这些基于复合塑料的装置中，在粘合剂 聚合物中经常使用电阻元件来形成具有特定大小和形状以及独特的机械 特征及电特征的结合的功能装置。
电接触件可描述为两个电导体之间的电流或电信号可通过的连接 物。传感器可描述为响应物理、电或电子刺激并传送得到的信号或脉冲 以用于测量或控制的装置。但是由用于保护复合塑料的传导元件或电阻 元件和确保与集成固体的电连接的常用粘合剂聚合物的电绝缘特性可导 致许多问题的产生。粘合剂聚合物(例如树脂)通常填充在电阻元件之 间及周围的空间中。因此，绝缘树脂可成为使导电纤维分隔的薄绝缘层 并因此可能会成为装置运行过程中的电容性电路元件。结果可能会导致 基于复合塑料的装置的频率响应的降低和/或从装置中发出的波形的改 变。例如，通过高频AC电路中接触件或传感器所用的单向传导纤维填 充的塑料制品进行的信号传输是有问题的。重要的是，这些问题可能涉 及许多原因，所述原因包括，例如，微观组成的较大改变；缺乏精确限 定的电流通道；运行的装置中的非均匀场；及以上提及的不良电容效应 和电感(泄漏和寄生)效应的存在。所述每一种原因均可能与粘合剂树 脂的类型、用量和位置和/或处理该树脂及填充剂的方法有关，而这又会 不利地影响接触件的本体和微观电性能，以及该接触件的机械性能和目标装置的一些或全部的频率响应或输出。因此在射频谱的一些区域中具
许多传导性复合塑料元件中产生并被观测到。此外，可导致通过或经过 复合塑料制品以及特别是以商业规模的生产批量制备的接触件传送的输 出信号的大的改变。
因此，需要克服现有技术中的这些及其他问题并提供以可控的传导 通道为特征的复合元件以克服频率空间中的非线性响应，和提供电测试 设备、测量装置、仪器等的电接触件、互连件、传感器及探针中所用的 零件至零件的精密度高的复合塑料元件。

发明内容
根据多个实施方案，本发明教导的内容包括一种复合元件。所述复 合元件可包括一种粘合剂聚合物和多个放置在所述粘合剂聚合物中以提 供初级电传导长度的连续纤丝。此外，所述多个连续纤丝可以能产生次 级电传导通道的方式互连，该通道控制通过该复合元件传输的电流水平。
根据多个实施方案，本发明教导的内容还包括通过将复合元件成型 成一个或多个探针顶端而形成复合探针的方法。所述复合元件可通过将 多个连续纤丝放置在粘合剂聚合物中以提供初级电传导长度而形成。所 述复合元件的多个连续纤丝还可以某一方式互连从而产生所述一个或多 个探针顶端的次级电传导通道。
根据多个实施方案，本发明教导的内容还包括通过将复合元件塑造 成一个或多个探针顶端而形成复合探针的方法。所述复合元件可以通过 将多个连续纤丝和一种或多种导电填充剂放置在粘合剂聚合物中而形 成。所述多个连续纤丝可在所述一个或多个探针顶端中通过所述一种或 多种导电填充剂互连。
本发明的其他目的及优点， 一部分将在以下说明书中描述， 一部分 将从说明书中明显看出，或者可通过本发明的实施而获悉。本发明的目 的及优点将通过所附权利要求书中具体指出的要素及组合而实现和达 到。
应当理解的是，以上一般描述及以下详细描述均仅为示例性和说明 性的而不是对要求保护的本发明的限制。


被纳入并构成本申请一部分的

了本发明的几种实施方案， 并与说明书 一起用于说明本发明的主旨。
图1A-1C描绘了本发明教导的示例性复合元件的一部分。
图2A描绘了本发明教导的示例性的l代复合元件的侧视图在提高
的放大率下的示例性SEM图<象。
图2B描绘了本发明教导的示例性的1代复合元件的端视图在提高的
放大率下的示例性SEM图像。
图3为展示本发明教导的示例性仪器探针组件的示意图。
图4描绘了由本发明教导的复合元件形成的探针得到的示例性结果。
图5为具有本发明教导的1代设计和组成的探针元件的电路模型的 筒化方框图。
具体实施例方式
现将详细参照本发明的实施方案(示例性实施方案)，实施方案的 实例在附图中进行了说明。如果可能，相同的参考编号在全部附图中使 用以指代相同或类似的部分。在以下说明中，参照构成本说明书一部分 的附图，并且附图的展示是为了说明可实施本发明的具体示例性实施方 案。对这些实施方案进行了充分详细的描述，以使本领域技术人员能实 施本发明，应当理解的是，在不偏离本发明范围的情况下，可使用其他 实施方案并且可进行改变。因此，以下描述仅为示例性的。
虽然对本发明的一种或多种实现方式进行了描述，但是在不偏离所 附权利要求书的主旨和范围的情况下可以对所说明的实例进行改变和/ 或改进。此外，虽然本发明的某一具体特征可能仅以几种实现方式中的 一种进行了公开，但是按所希望的并且对任意给定功能或特定功能有利 的，所述特征可以与其他实现方式中的一个或多个其他特征相结合。此 外，只要在详细描述和权利要求书中使用术语"包括"、"含有"、"具 有，，、"有"、"带有"或其变形，所述术语即意欲以类似于术语"包 含，，的方式表示包括的。本文在列举条目例如A和B时所用的术语"一个或多个"，意指单独A，单独B，或者A和B。术语"至少一个，，用 于意指可选择所列条目中的一个或多个。
虽然描述本发明广泛范围的数值范围和参数为近似值，但具体实 例中所述数值尽可能精确地报道。然而，任意数值都固有地含有由它 们各自的试验测量中存在的标准偏差所必然产生的一定的误差。而 且，本文公开的所有范围应理解为包括其中所包含的任意及所有的亚 范围。例如，"小于10"的范围可以包括最小值0和最大值之间(并 且包括该最小值和最大值)的任意及所有的亚范围，即具有等于或大 于0的最小值和等于或小于10的最大值的任意及所有的亚范围，例 如1至5。在某些情形下，参数的数值可以为负值。在此情况下，表 述为"小于10"的实例数值范围可采用之前限定的值加上负值，例 如匪l、 -1.2、 -1.89、 -2、 -2.5、 -3、 -10、 -20、 -30等。
示例性实施方案提供复合材料、制备和加工这些材料的方法，及 使用所述复合材料的体系。公开的复合材料(本文中也称为复合塑料 或复合元件)可包括掺入粘合剂聚合物中的纤维样材料和/或颗粒材 料。例如，复合元件可包括包含在适宜的粘合剂聚合物中以达到特定 的本体、表面或端到端电阻值的微丝形半导电性元件，其中所述微丝 可以一定的方式进行集成和互连，从而产生精确限定并控制流经相关 装置的电流的电阻元件阵列。因此所述复合元件可具有电阻特征，而 没有或具有可忽略的少量电容特征或电感特征。所述复合元件可在电 测试、传感或控制领域中^f吏用，例如作为用于中频至极高频的AC或 RF信号和/或复杂的混合频信号的高性能动态探针/传感器。
除非另有指明，本文所用术语"复合元件"或"复合材料"指的 是在粘合剂聚合物中放置有一个或多个连续纤丝以提供一个沿指定 (通常为长度方向)方向的初级电传导长度的电阻值的部件或元件。 此外，所述连续纤丝可以某一方式互连或互接，从而产生至少一条次 级电传导通道，所述次级电传导通道精确限定和控制经过所述复合元 件传送到例如探针接触件中的电流或电荷的水平。
"复合元件，，可以采用包括但不限于棒、轴、板、柱、管、中空 体或由多种复合材料成型技术制备的其他半成品或成品的形式。在一 个示例性实施方案中，"复合元件"可以是具有例如约0.01 mm至约100 mm或者例如0.0004英寸至约4英寸直径的复合材料棒。在另一 实施例中，所述复合材料棒可以具有约0.010英寸(0.25 mm)至约 0.025英寸(0.63 mm)范围内的直径。当拟将该复合材料棒用于高性 能接触传感器或探针时，可以采用约0.05至约0.5英寸的较短长度。 例如，高性能探针可由具有士O.OOl英寸或更小的长度公差的约0.070 英寸的较短长度的复合材料棒制成。
除非另有指明，本文所用术语"连续纤丝"(本文中也称为"连 续纤维")指的是沿主轴连续延长的纤丝/纤维/纤维束，所述主轴可以 是复合元件的纵向轴(即延伸方向)，以便提供初级电传导通道。所 述连续纤丝通常在商业上已制得并以称为"束"的单位出售。束中各 纤维可以集中在复合元件中，位于粘合剂聚合物中并通过该粘合剂聚 合物相互分开，或者可以在该粘合剂聚合物中紧紧地聚在一起。在多 个实施方案中，连续纤丝或纤丝束的阵列可以被包括在粘合剂聚合物 中，并且以具有宏观规模或宏观尺寸的物理、机械、电、光和/或其 他性能为特征，所述性能代表目标组合物所关注的特征。或者，可以 微观规模检测和表示所述性能。例如，树脂中所分布纤维的相对质量 或负载量可视为宏观规模性能，而该复合材料物的样品横截面中纤维 的分布可认为是微观规模性能。所述宏观和微观的差别通常不是任意 的并且是重要的，因为本文所述的实施方案可以利用对微观规模组合 物的改进来影响整个组分的可宏观规模测量的输出特性。
可以指定连续纤维/纤丝的类型、大小、形状和它们所含的纤维 数目。例如，复合元件可以包括例如约10至100,000或更多的纤维 数。在一个示例性实施方案中，复合元件中的连续纤维/纤丝的数量 可以为约100至约10,000个纤维。在多个实施方案中，每一个纤维/ 纤丝可以包括或掺杂有例如硅、掺杂硅、碳、硼、硼-碳、硼-氮化物、 金属氧化物、掺杂金属氧化物或其他适宜成分。例如，连续纤维/纤 丝可以包括碳化合成纤维，例如碳化聚苯醚(PPO)纤维或聚丙烯腈 (PAN)碳纤维、沥青碳纤维、部分碳化的PAN纤维，及类似的其 他碳化合成纤维，包括石墨。此外，每一个纤维/纤丝可以为包括但 不限于须晶、纤维、丝状、针状、钉状、线状、纱状、织物状或它们 的结合的示例的形式。在多个实施方案中，纤维/纤丝可以具有至少一个纳米级的小尺寸，例如约100纳米或更小的宽度或直径。此外，
粘合剂聚合物中的每一个连续纤维/纤丝可以具有取决于例如纤维/纤 丝所用材料的特定电阻。实践中，单个纤维或纤维束的单位长度电阻
(R/L)通常由所选原材料和由纤维制造商实施的工艺预先决定。或 者，可以在纤维上使用涂层例如薄金属层涂层来改变纤维的电性能或 其他性能。此外，可以使用具有小于复合元件的连续长度的纤维，例 如"纺丝断掉(spun画broken)，，或"切段长度(staple-length)，，纤 维。在一个示例性实施方案中，每一个纤维可以具有约0.01至约1000 兆欧/cm范围内的电阻。
可使用多种复合及成型技术形成位于粘合剂聚合物中的连续纤丝/ 纤维，所述技术包括但不限于拉挤、压塑、传递模塑、长丝缠绕、预浸 成形、纤维放置操作(fiber placing operation )、注塑、嵌件模塑、挤 出、注射吹塑、溶液浇铸，或其他成形和/或成型技术。例如，在拉挤过 程中，连续纤维/纤丝/纤维束可被引入树脂液相由适宜的基体树脂浸渍， 以大量生产复合材料。在多个实施方案中，所公开的具有恒定截面的复 合元件可通过牵拉增强纤维使其穿过树脂、接着穿过一个独立的预成形 体系、并进入其中树脂进行聚合的加热模具中而形成。根据多个实施方 案，本文所用树脂可以是导电性的或绝缘性的。
为产生次级电传导通道，可使用多种材料/方法来形成新的所公开的 复合元件。在一个实施方案中，半导电或导电的非绝缘性粘合剂聚合物 可与连续纤丝/纤维相掺合来形成复合元件(如图1A中所示)。在另一 个实施方案中，半导电或导电的非绝缘性填充剂可被引入在整个长度上 含有一条或多条连续纤丝/纤维的绝缘性粘合剂聚合物中(如图1B中所 示)。在又一个实施方案中，可插入或原位形成纳米级非绝缘性填充剂 从而使绝缘性粘合剂聚合物中的一条或多条连续纤丝/纤维互连(如图1C 中所示)。本文所用术语"非绝缘性"或"导电性的"指的是材料(例 如填充剂颗粒或粘合剂聚合物)的例如部分导电的、半导电的或导电的 电性能。
图1A-1C描绘了本发明教导的示例性复合元件的一部分。对本领域 普通技术人员来说容易明白的是，图1A-1C中描绘的复合元件100A-C表示概括的示意说明，并且可以添加其他的纤维/纤丝/填充剂/粘合剂聚 合物或者可以除去或改变现有的纤维/纤丝/填充剂/粘合剂聚合物。
如所示，图1A包括含有连续纤丝110和非绝缘性粘合剂聚合物132 的第一示例性复合元件100A。所述连续纤丝110可以沿延伸方向总体均 匀地分布在整个非绝缘性粘合剂聚合物132中，其中所述聚合物环绕纤 维并将其粘合在一起从而形成实体结构。
连续纤丝110可以包括一个或多个本文所7>开的纤丝或纤丝阵列。 非绝缘性粘合剂聚合物132可以是例如半导电的或导电的，并且具有适 当选择的以实现目标应用需求的电导率或电阻率。可将电阻率调节成等 于或稍大于连续纤丝110的电阻率，以便使连续纤丝110作为所公开复 合元件100A及进一步的任何相关传感器或探针装置的主电流导线。
非绝缘性粘合剂聚合物132可以包括例如单相的本质上导电的聚合 物，其也被称为有机聚合物半导体和有机半导体。非绝缘性粘合剂聚合 物132可以包括例如聚吡咯、聚苯胺或它们的衍生物。在多个实施方案 中，非绝缘性粘合剂聚合物132在示例性的聚吡咯和/或聚苯胺中可以包 括金属掺杂剂从而形成其有效电阻率稍大于连续纤丝110的基体。
在图1B中，示例性复合元件100B可以包括连续纤丝110、非绝缘 性填充剂124和绝缘性粘合剂聚合物134。连续纤丝110可以沿延伸方 向分布在整个绝缘性粘合剂聚合物134中。非绝缘性填充剂124可以分 布在整个绝缘性粘合剂聚合物134中从而在多个位置处使连续纤丝110 互连。
非绝缘性填充剂124(本文中也称为导电性填充剂124)可以至少是 半导电的并且可以包括尺寸比连续纤丝110小得多的颗粒。可使用该导 电性填充剂124来至少部分地填充粘合剂聚合物134中例如紧紧堆积的 纤丝110之间天然存在的空隙体积。该导电性填充剂124可以是堆积在 粘合剂聚合物134中纤维之间空间中的纳米可控导电颗粒。适宜的纳米 颗粒可以包括但不限于，纳米管、纳米棒、纳米线、纳米纤维等，并且 进一步包括但不限于碳纳米管、硼掺杂的碳纳米管、硼-氮化物纳米管、 膨胀石墨片晶(exfoliated graphine platelet)、非石墨片晶、掺杂硅的纳 米线、碳纳米纤维、金纳米线，含铜或其他金属/金属氧化物的纳米线、 非碳纳米纤维，或它们的结合。示例性的导电性填充剂124可以具有较小的负载量，例如基于复合 元件100B的总重量计约10重量％或更少，在某些情况下，甚至约2重 量％或更少。可以使用合适的浓度沿平行延伸的电阻性纤丝110的长度 建立足够数目和充分分布的互连，以便提供与连续纤丝/纤维110相匹配 或稍超过的电阻率。导电性填充剂124可以具有相对大的长宽比，以俊_ 沿连续纤丝/纤维110的长度提供大量的控制电阻的电互连。在多个实施 方案中，导电性填充剂124可以具有约l.O至约IO或更大的长宽比。
绝缘性粘合剂聚合物134可以包括例如热固性或热塑性树脂。例如， 可以使用许多树脂，包括聚酯、聚氨酯、乙烯基酯、聚丙烯、聚醚砜、 聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或环氧树脂。绝缘性粘合剂聚合物134 可以使连续纤丝/纤维110和导电性填充剂124固化成一个固体块。在一 个示例性实施方案中，导电性填充剂124可以作为粘合剂相中的填充剂 相。粘合剂聚合物中含有导电性填充剂的这类预复合聚合物的适宜实例 可以包括由Acheson Colloid. Co.以商标Electrodag出售并且具有例如 PR-401A、 PR-402A、 PR-403A和PR-404A的产品编号的那些聚合物。
在多个实施方案中，含有可溶性或液相热塑性或热固性聚合物(例 如图1B中的134)和至少一种细小的、颗粒大小的导电性填充剂(例如 图1B中的124)的分散系、混合物和/或乳状液可用于示例性的拉挤过 程从而形成所/>开的复合元件100B。
在一个示例性实施方案中，导电性填充剂124可通过将一个或多个 (如连续纤丝110所使用的)连续纤丝例如电阻性碳纤维磨碎或研磨成 具有适宜大小的颗粒而形成。导电性填充剂124可以具有显著小于母体 纤丝/纤维110的大小。例如，该导电性填充剂可以在至少一个维度上比 母体纤丝/纤维小约10至约1,000倍。在此情况下，导电性填充剂124可 以具有母体纤维110的电阻特性。在一个示例性的拉挤过程中，得到的 导电性填充剂124和母体连续纤丝可相容地与绝缘性粘合剂聚合物134 混合从而形成具有所需电性能的复合元件。实践中，由于存在示例性电 阻性碳纤维的来源和库存，该示例性实施方案可容易地实现。
在图1C中，示例性复合元件100C可以包括连续纤丝110、原位导 电性填充剂126和绝缘性粘合剂聚合物134。所述一个或多个连续纤丝 110可以沿延伸方向分布在整个绝缘性粘合剂聚合物134中从而提供初级电传导通道。导电性填充剂124可以分布在整个绝缘性粘合剂聚合物 134中使连续纤丝110互连从而提供次级电传导通道。
所述原位导电性填充剂126可以包括可插入或原位形成从而在多个 特定位置处使连续纤丝/纤维110互连的任何导电性填充剂(例如图1B 中描绘的填充剂124)。例如原位导电性填充剂126可以是例如宏观纤 维内的纳米级联接，其可以通过使用例如出现的附于纤丝/纤维表面的催 化金属(例如金)原子成像及已知的化学气相生长法而形成图样和原位 生长。化学气相生长法可以在所述复合成形工艺(例如拉挤)之前或之 后实施。原位导电性填充剂126可以包括例如原位形成的碳纳米管、掺 杂硅的纳米线，以及纳米级石墨烯片晶、非石墨片晶、纳米#"、碳纳米 纤维、非碳纳米纤维，或其他纳米传导结构，从而使粘合剂聚合物基体 124中的连续纤丝110互连。因此这些纤维间的联接可以沿着纤维在特 定的精确控制的位置和以特定的精确控制的数目生长，从而产生并控制 连续纤丝/纤维110之间纳米级互连的数目和位置。或者，所述互连可以 沿着该元件的长度通过任何适宜的方法物理地插入特定位置中，所述方 法包括，例如在所述复合元件成形过程中和该元件最终固化成最终的固 体形式之前，沿着该元件的长度在多个位置处注射微观量的适宜的纳米 纤维填充的树脂。
因此，所公开的复合元件(例如图1A-1C中所示的复合元件100A-C)
;导通道和通过使用非绝缘'i粘合剂聚;物和/或用作粘合剂基体中的 纤维间联接的多种导电性填充剂而形成的次级电传导通道。所公开的复 合元件当用于传感器或仪器测试探针时可具有许多优点。
例如，所公开的复合元件可与早于它们的一代相比较(本文中也称 为l代复合元件)。l代复合元件通常仅包括绝缘性粘合剂聚合物(例 如图1B-1C中的134)，用于电绝缘电阻性纤丝/纤维(例如图1A-1C中 的110)使其不能与临近的纤维建立电接触和用于将纤维粘合成固化块。 除了电阻性纤维外，l代复合元件不含有其他导电性填充剂(例如图 1B-1C中的124)或导电性粘合剂聚合物(例如图1A中的132)。图2A 描绘了本发明教导的示例性1代复合元件的侧视图在提高的放大率下的 示例性SEM显微照片。示例性1代复合元件是电阻性碳纤维填充的复合元件。图2B描绘了本发明教导的示例性1代复合元件的端视图在提高 的》文大率下的示例性SEM显樣t照片。如所示，图2B图示出了嵌入并祐: 绝缘性环氧粘合剂树脂包围的电阻性纤维相(如圆形部分所示)之间的 关系。相比之下，图2A作为复合元件纵向视图的示例性SEM说明了聚 集在固体复合元件中的纤维的连续长度。为在l代复合元件和改进的复 合元件之间进行比较，例如，当在粘合剂聚合物基体134中使用小尺寸 电阻性填充剂颗粒例如导电性填充剂124时，改进的复合元件100B中可 以包括图1B中所示的位于连续纤丝110之间的横穿纤维的可控电阻性 桥联。
在多个实施方案中，所公开的改进的复合元件(例如图1A-1C中的 100A-C)可用于制备高性能仪器探针装置和传感器。探针装配过程可以 包括例如制备连续纤丝/纤维；将包括所制得的连续纤丝、粘合剂聚合物 和/或导电性填充剂的复合元件成型；和由成型的复合元件制备用于传感 器或探针顶端的探针接触件。
为装配功能装置，可以首先制备大量连续纤丝、纤维或纤维束以提 供所需电阻率。例如，可通过本领域技术人员已知的方法进行纤维的受 控碳化而制得大量的电阻性碳纤维。该电阻性碳纤维可以包括例如约100 至约10， 000条纤维，其中每一条纤维具有约0.01至约1,000兆欧/cm范 围内的电阻。
然后根据本发明多个实施方案，可以将所制得的连续纤丝、纤维或 纤维束与绝缘性或导电性的适宜粘合剂聚合物通过复合成型技术结合。 例如可以使用拉挤过程作为主要工艺来获得圆形复合元件的长的连续长 度(例如约500英尺或更长)。在某些实施方案中，例如由Hexion Specialty Chemicals, Inc， Houston TX生产的产品编号为Epon 862、 Epon 868或 Epon 863的与适宜交联剂反应的环氧树脂可用作粘合剂聚合物来形成棒 形固体塑料制品，其中纤维沿该复合棒的纵向轴方向连续延伸。或者可 以使用其他成型技术，包括但不限于例如注塑、压塑或传递模塑来形成 所需形状的较短长度。
然后可以对较长的复合元件进行处理并定制成所需接触件、传感器 或仪器探针。图3为展示本发明教导的示例性仪器探针的示例性组件300 的示意图。该探针组件300可以包括例如接触顶端330、柱塞或弹簧元件320、支撑架或固定元件310和测试主体340。所述接触顶端330或探 针顶端可与柱塞元件320相连接，该柱塞元件320还与固定元件310相 连接。测试主体340可》文在接触顶端330的下面。
接触顶端330可以是小型的探针顶端，例如图3中所示的短复合棒， 该短复合棒通过例如水喷射方法从以上公开的较长复合元件上切割下 来。探4f顶端330可以具有例如约0.070英寸至约0.100英寸的长度和例 如约0.010英寸至约0.025英寸的直径。探针顶端330，例如短复合才奉， 可以具有大小、形状、表面状况、形貌和组成受良好控制的棒端。所述 棒端可以用作例如探针顶端330的接触面从而提供可靠的具有高接触面 积的探针和传感器接触件。
然后，可通过将例如合适的金属互连柱塞元件320与微型探针顶端 330的接触面(即棒端)经由例如金属对塑料巻边和/或本领域普通技术 人员已知的导电粘合剂相连接而制得具有适宜机电性能的接触件。然后 接触件——具体地为与探针顶端相连的柱塞元件320——可以通过常规 装配方法装配到支撑架元件310中。
在一个示例性实施方案中，柱塞元件320可以配置一个适宜的弹簧 元件(图3中未示出，但可以含在主体310中)，该弹簧元件在探针顶 端330和测试主体340之间施加所需的接触压力。测试主体340可以可 包括但不限于IC (集成电路)、半导体、组件、互连件、电路通道及相 关电路元件。与测试主体340例如与IC组件的管脚的电接触可以为与探 针330的"顶端，，或者在沿探针330周缘的任意点处，其中电阻性纤维 具有沿棒状探针330的整个周缘从一个接触面连续延伸至另 一接触面的 受控的电阻。
公开的探针组件300可在电子工业中用于表征部件的动态行为(例 如在高频率和复杂的混合频率下)。为比较之目的，图4描绘了由本发 明教导的复合元件形成的探针所得到的示例性结果。在该实例中，将一 段复合棒(即包括电阻性纤维和一种粘合剂聚合物)切割成所需长度并 使用银盐感光照片(silver print)作为粘合剂安装在试验装置中。将试 样棒(探针)切割成约0.60英寸长，并且镀金属端之间的间隙为约0.50 英寸。测得的端到端的DC电阻为约575欧姆。测试过程中，使用具有 约50Q输出量的正弦波发生器来测量穿过该装置的响应损耗和同等系列的阻抗随频率的变化。具体而言，图4包括常规金属探针的作为频率函 数的损耗曲线410。如所示，频率依赖性损耗以某一量值起始，在中频 处增加，并在高射频(RF)处减少。相比而言，在整个宽频谱上，图4 中曲线430所示的理想探针元件在作为频率的函数的损耗方面的行为没 有改变。所公开探针接触件的行为如图4中曲线420所示，显然，该行 为相对于常规金属接触件的损耗行为有改进并且该行为接近理论上的理 想接触材料的行为。
注意到， 一定水平的量值损耗可以是某些电子测试用探针的所需特 征。损耗的量值可以通过在探针元件和测试主体(即DUT)之间接触点 处直接分布特定的电阻特性而提供所需功能。因此优选可预计的损耗， 特别是当该损耗在整个DC至RF频域上为常数或为线性并且在整个接 触元件的面积内恒定时。重要的是，该损耗特性可以緩冲运行电路和 DUT使其免于发生不良的电流浪涌、稳态寄生电流消耗(current draw )， 和大多数其他不良的噪音。因此，具有l代复合元件和改进的复合元件 (例如，图1A-1C中100A-C)的仪器探针可以提供所述有益特性。
但是，再参照图4，在输出信号中可以发现近3db量值的改变(即 曲线420的损耗信号)，该输出信号为频率的非线性函数。此外，其他 数据(未示出)在DC至低频过渡区域也显示出类似的但较小的不稳定 性。因此，所公开的复合元件可以提供对常规金属探针的改进并可接近 理想的损耗行为。
已知电子工业中表征测试部件的动态行为所使用的常规探测方法和
置(DUT)。在过去几十年中，工业上采用了许多可接受程度较低的反 测量(counter-measurement)措施试图来解决该问题。例如， 一种传统 的解决方案依赖于复杂的高阻抗探针元件，该探针元件试图使测试过程 中从DUT中引出的电流最小化。其他反测量措施试图电子过滤或补偿由 探测有源器件引起的感应变形。另一方面，随着对新的探测/传感方法的 兴趣和需求的增长，需要跨越整个频谱而无干扰的接触探测信号。
对1代复合元件及本发明复合元件特别关注的一点可包括非线性频 率响应，这归因于示例性碳纤维棒探针元件中较低(可能极低)水平的 电容效应或电感效应。而该非线性响应又可造成电流非均匀地流经示例性的碳纤维的阵列和绝缘粘合剂树脂中的空隙。流经附近纤维的电流的 非线性分布可产生较小却显著的电场改变并产生附近的相邻纤维之间的 相关磁场，使从探针顶端传输到测试电路的电路产生电感。此外，非线 性频谱响应的第二个原因是由于1代复合材料的介电常数，该1代复合 材料以沿电阻性纤维长度通过绝缘聚合物而分开的电阻性纤维的排列为 基础。该介电常数可通过探针顶端中一个微小但显著的电容效应促使时 域的缩短、电荷的保持。目标问题中的许多——如果不是全部的话——
电感效应的改变而得以克月l。
图5为据信存在于具有复合塑料组合物的装置中的探针元件电路模 型的简化方框图。如图5中所示，多个小电容和/或电感可以与复合材料 的大型电阻元件并联。这是因为纤维和/或纤维束之间的粘合剂聚合物的 电绝缘特性由于邻近的纤维与邻近的载流纤维的电阻的有限差异而可固 有地限制这类复合材料的频率响应。所述差异可随着频率的增加而变得 更显著。
由于以上原因，可以改进l代复合元件从而形成例如图1A-1C中所 示复合元件100A-C。所述改进可通过例如以下步骤实现通过使用导电 性粘合剂聚合物调整本体电导率；掺入一种纳米颗粒导电填充剂材料来 改变电阻率；或原位生长(例如化学气相沉积，CVD)可使主载流纤维 互连的纳米微丝。因此所公开的复合元件(例如100A-C)可以通过在纤 维之间并沿纤维的延伸方向在一个或多个位置处产生并利用次级电通道 以减少或消除促使所观察到的信号失真的电容区域和/或电感区域，从而 克服量值损耗。
通过思忖本文所公开的本发明的具体说明和实施情况，本发明的其 他实施方案对本领域技术人员来说将变得显而易见。所述说明和实施例 应被认为仅是示例性的，本发明的真正范围和主旨通过以下权利要求书 指明。
权利要求
1. 一种复合元件，含有一种粘合剂聚合物；和多个放置在粘合剂聚合物中以提供初级电传导长度的连续纤丝，其中所述多个连续纤丝以可产生次级电传导通道的方式进一步互连，所述次级电传导通道控制通过所述复合元件传输的电流水平。
2. 权利要求l的元件，其中所迷多个连续纤丝具有等于或小于所述 次级电传导通道的电阻率，其中每一个连续纤丝具有约0.01至约1000 兆欧/cm范围内的电阻。
3. 权利要求l的元件，还包括分布在粘合剂聚合物中从而使所述多 个连续纤丝互连的一种或多种导电性填充剂。
4. 权利要求3的元件，其中每一种导电性填充剂包括一种或多种选 自碳纳米管、掺杂硅的纳米线，以及纳米级石墨烯片晶、非石墨片晶、 纳米棒、碳纳米纤维、非碳纳米纤维或其他导电性纳米结构的纳米材料。
5. —种包含权利要求1的复合元件的用于测量装置的动态行为的仪 器探针，所述装置选自集成电路(IC)、半导体、组件、互连件、电路通 道或相关电路。
6. —种形成复合探针的方法，包括 提供多个连续纤丝；形成在粘合剂聚合物中含有多个连续纤丝以提供初级电传导长度的 复合元件，其中所述多个连续纤丝以可产生次级电传导通道的方式进一 步互连；和将所述复合元件成型成一个或多个探针顶端。
7. 权利要求6的方法，还包括通过磨碎一个或多个连续纤丝来形成一种或多种导电性填充剂，其 中所述一种或多种导电性填充剂具有至少 一个比所述多个连续纤丝小约 10倍至约l，OOO，OOO倍的维度。
8. 权利要求6的方法，还包括将所述一个或多个探针顶端装配到探针支撑架中，其中每一个探针 顶端具有一个接触面；和通过将金属互连柱塞与每个探针顶端的接触面相连接而形成探针接触件。
9. 一种形成复合探针的方法，包括 提供一种或多种导电性填充剂；形成在粘合剂聚合物中放置有多个连续纤丝和一种或多种导电性填 充剂的复合元件，其中所述多个连续纤丝还通过所述一种或多种导电性 填充剂互连；和将所述复合元件成型成一个或多个探针顶端。
10. 权利要求9的方法，其中形成所述复合元件还包括 将一种或多种导电性填充剂与粘合剂聚合物以液相混合， 用所述混合液相拉挤所述多个连续纤丝，和固化拉挤出的混合液相。
11. 权利要求9的方法，其中形成所述复合元件还包括 使一种催化金属附着到所述多个连续纤丝中的一个纤丝上，和 通过所述催化金属原位生长纳米线，从而使多个连续纤丝中的一个纤丝与其上具有催化金属的另一个纤丝互相连接。
全文摘要
示例性实施方案提供了复合材料、制备和加工这些材料的方法，和使用所述复合材料的体系。所公开的复合材料(或复合元件)可包括掺入粘合剂聚合物中的纤维样材料和/或颗粒材料。例如，所述复合元件可包括含在适宜的粘合剂聚合物中以达到特定的电阻值的微丝形半导电性元件，其中所述微丝可以某一方式集成并互连，从而产生精确限定和控制流经相关装置的电流的电阻元件阵列。所述复合元件因此可具有电阻特性，而没有或具有可忽略的少量电容特性或电感特性。所述复合元件可在电测试领域中用作例如极高频和/或复杂的混合频信号的高性能动态探针/传感器。
文档编号H01R13/03GK101546618SQ20091013230
公开日2009年9月30日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月26日
发明者J·A·斯威夫特, R·L·布洛克, S·J·华莱士 申请人:施乐公司