专利名称：热响应复合元件、相关器件以及包括结构应用的应用的制作方法
技术领域：
本发明的主题涉及热响应材料(thermally responsivematerials)。更具体而言， 本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
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。本发明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，或者可从本发明的实践中得知。本发明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 求那样是对本发明的限制。
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、示出了另一个示例器件的示意图。图3至9根据本教导的各种实施方案、示出了图1和2所示的示例器件的示例复 合元件的示意图。图10根据本教导的各种实施方案、示出了金属和示例复合元件的电导 (conductance)及电阻与温度的函数关系。图11根据本教导的各种实施方案、示出了一个示例复合元件的电阻与温度的函 数关系。图12根据本教导的各种实施方案、示出了一个示例复合元件的热循环对电阻的 影响与温度的函数关系。图13根据本教导的各种实施方案、示出了一个示例复合元件的电阻与长度的函 数关系。
具体实施例方式现在将详细介绍本发明的实施方案，所述实施方案的实施例示于附图中。在可能 的情况下，相同的参考数字将贯穿所述附图、用于表示相同或相似的部件。尽管设定本发明范畴的数值范围和参数都是近似值，但在具体实施例中设定的数 值是尽可能精确地给出的。然而，任何数值本质上都含有一定程度的误差，这些误差是难以
5避免地由其各自的试验测量中的标准偏差导致的。而且，此处公开的所有范围都应被理解为囊括了其任何及所有子范围。例如，“小于10”的范围可包括在最小值零和最大值10之间 (包括端值)的任何及所有子范围，即，最小值等于或大于零且最大值等于或小于10的任何 及所有子范围，例如，从1到5。在特定情况下，为参数规定的数值可采用负值。在这种情况 下，规定为“小于10”的范围的示例值可被假设为包括负值，例如，-1、-2、-3、-10、-20、-30，寸。图IA和IB根据本教导的各种实施方案、各示出了器件100的示意图。器件100可 包括复合元件110，复合元件110包括非金属性粘合剂材料120以及布置在非金属性粘合剂 材料120中的一个或多个非金属性导电纤维130。器件100也可包括布置在所述一个或多 个非金属性导电纤维130上的多个触头140。在一些实施方案中，所述多个触头140可被布 置在同一端，如图IA所示。在其他实施方案中，所述多个触头140可被布置在对立的两端， 如图IB所示。在各种实施方案中，复合元件110的电阻可以随着温度的增加而基本连续地 减小，如图10所示。在一些实施方案中，器件100可被用于温度传感。在其他实施方案中， 器件100可被用于温度控制，所述温度控制可包括加热、冷却或者既加热又冷却，以保持期 望温度。在一些其他实施方案中，器件100还可包括多个复合元件110，其中所述多个复合 元件110中的每一个都可被用于温度传感和/或温度控制。在一些情况下，复合元件110的 电阻可以在小于约1秒的时间内随着温度的增加而基本连续地减小，在其他情况下在小于 约100毫秒的时间内，而在一些其他情况下在小于约50毫秒的时间内。在一些情况下，所 述复合元件可以具有在约IO13到约10_5ohm-cm的范围内的体电阻率(bulkresistivity)， 在其他情况下在约IO2到约IO-3Ohm-Cm的范围内。复合元件110对于所述一个或多个非金属性导电纤维中的每一个可包括任何合 适的材料。用于所述一个或多个非金属性导电纤维130中的每一个的示例材料可包括但 不限于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(carbon nanotube basedfiber)；由氮化硼制成的纳米管式纤维；硅；以及金属原子掺杂硅(metal atom doped silicon)。导电性聚丙烯腈(PAN)碳纤维可从犹他州Magna的Hexcel Corp购得。定制的电阻性PAN碳纤维可由佐治亚州Alpharetta的MTLS Corporation 提供。碳纳米管基细丝(filament)及相关的纱(yarn)由新罕布什尔州Concord的 NanocompTechnologies, Inc.制造。在各种实施方案中，复合元件110可包括任何合适的非 金属性粘合剂120材料，诸如热固性聚合物，包括但不限于聚酰亚胺(PI)、硅树脂；聚氨酯 (polyurethanes)、以及环氧树脂；热塑性聚合物，包括但不限于聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜 (PES)、聚醚醚酮(PEEK)；含氟聚合物(fluropolymers)；氟橡胶(f luroelastomers)，诸如 Viton (由特拉华州Wilmington的DuPont制造的产品)；以及可用作图1的非金属性主 体(host)或粘合剂相(phase) 120的其他材料，诸如石英玻璃(silica based glass)、硼硅
玻璃(borosilicate glass)、石英陶瓷(silica based ceramics)、胶结物(cements)--
包括但不限于硫铝酸钙胶结物、以及金属陶瓷(cermet)。用在此处，术语“金属陶瓷”指的 是由陶瓷(cer)材料和金属性(met)材料组成的复合材料。金属陶瓷一般被设计为兼备陶 瓷的优越性质(诸如高耐热性及高硬度)和金属的优越性质(诸如塑性变形能力)，因此可 以成为最合适的粘合剂材料120。尽管金属陶瓷使用金属作为其成分的一部分，但当用作陶 瓷(诸如氧化物、硼化物、碳化物或者氧化铝)粘合剂时，其复合性质常常效仿陶瓷而非金属。在金属陶瓷中通常使用的金属包括但不限于镍、钼、钛和钴。取决于材料的物理结构， 金属陶瓷也可以是金属基质复合物(metal matrixcomposites)，但是金属陶瓷中的金属所 占体积通常小于20%。铝酸钙胶结物也可以是粘合剂120材料的一种选择，其用于高温传 感应用，以能够在通常可能非常困难的环境下进行实时温度测量和控制。此外，由于复合元 件110的响应时间，以铝酸钙胶结物作为粘合剂120材料的传感器通过对可严重损坏高温 熔炉(high temperature furnace)的温度迅速升高或降低发出警报，可以能够更快地诊断 潜在的严重温度偏差。图2A至2C各示出了器件200的另一个示例实施方案。器件200可包括复合元件 210，该复合元件包括非金属性粘合剂材料220 ；布置在非金属性粘合剂材料220中的一个 或多个非金属性导电纤维231、232、233;以及多个触头240。在一些实施方案中，所述多个 触头240可被布置在同一端，如图2A所示。在其他实施方案中，所述多个触头240可被布置 在对立的两端，如图2B所示。在一些其他实施方案中，所述多个触头240可被沿着侧面布 置，如图2C所示。在一些实施方案中，所述一个或多个非金属性导电纤维231、232、233中的 至少一个232可以在成分和/或厚度方面不同于其余非金属性导电纤维231、233。尽管不 意在被任何具体理论约束，但人们相信，复合元件110、210的电阻和电阻变化率与温度的 函数关系可由如下的一项或多项控制每个纤维的直径、每个纤维的长度、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。在一些实施方案中，复合元件110、210可以是生物相容的， 使得器件100可被用来进行用于生物应用的温度传感。在其他实施方案中，复合元件110、 210可以是在腐蚀环境中稳定的，所述腐蚀环境诸如高湿度和/或温度、盐水、或者酸性或 碱性环境。复合元件110、210可被布置成任何合适的配置，诸如二维形状——或本质上平 坦或非常薄的——物体110、210 ；三维形状物体310 ；圆柱体410 ；锥式圆柱体510、610 ；带 缆状结构(ribbon cablelike structure) 710 ；阵列810 ；同轴缆状结构910 ；束(未示出)； 片(未示出)；以及空心体(未示出)。在各种实施方案中，带缆状结构710和同轴缆状结 构910可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可具有不同于 其他区域的电阻率。然而，任何其他配置的复合元件110、210、310、410、510、610、810都可 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可具有不同于其他区域 的电阻率。复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910可具有从纳米尺寸到宏观 尺寸的任何合适的尺度，同时至少一个维度大于约5nm。在一些情况下，所述一个或多个非 金属性导电纤维130、231、232、233、330、430、530、630、730、830、930的重量可以占复合元 件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 的总固体重量的约 0. 001%至约 99%，在其他 情况下，占复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910的总固体重量的约10%至约 90%。在特定实施方案中，复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910可以具有约 1. 0至约2. 5g/cm3的范围内的密度。回头参照图10，其示出了金属——诸如铝、铜和金——与本公开文本的复合 元件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 的热-电导特性(thermo-conductance behavior)的比较。具体而言，金属与复合元件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 的 热-电导特性之间存在三个重要区别。首先，金属与复合元件110、210、310、410、510、610、710,810,910的电导率存在一个重叠区域，在该区域中，复合元件110、210、310、410、510、 610、710、810、910中的一些可具有lO+^ho-cnT1数量级的电导率，或者约略是铝的电导率。 实际重叠区域被认为大于图10所示的重叠区域，尤其是当所述一个或多个非金属性导电 纤维130、231、232、233、330、430、530、630、730、830、930的成分包括导电性碳纳米管时。尽 管如此，更具导电性的金属——诸如铜、镍、银、金及类似物——的电导率通常可以高于大 多数导电性非金属性复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910约一个或两个数 量级。直到金属与复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910的差距消除、同时保 留复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910的NTC特性之前，某些特定应用—— 诸如高功率传输(high powertransmission)——很可能将继续是金属的排他领域。然而， 对于许多其他应用——诸如电子水平信号传输(electronic level signaltransmission) 和传感以及温度传感和控制——而言，复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910 显示出技术进步和功能优势。回头参照图10，金属与复合元件110、210、310、410、510、610、 710,810,910的热-电导特性之间的第二个区别是，金属通常显示出PTC特性，而复合元件 110、210、310、410、510、610、710、810、910 显示出 NTC 特性。PTC 禾口 NTC 特性都可以适于用 作温度传感器和热敏电阻，但是，对特定应用——诸如中等或低水平功率传输(moderateor low level power transmission)——而言NTC特性可以是优选的，此时应使用具有NTC型 特性的合适的高电导率复合元件110、210、310、410、510、610、710、810、910。金属与复合元 件110、210、310、410、510、610、710、810、910的热-电导特性之间的第三个区别是，金属的 电导率范围相当窄(例如，从约10+3到约lC^mho-cnT1)，但通过所公开的非金属组分的复合 元件110、210、310、410、510、610、710、810、910可以实现的电导率范围非常宽(例如，从约 10+3到约lOMmho-cnr1或更大)。该范围显著宽于由目前可购得的热敏电阻材料提供的范 围。在一些实施方案中，复合元件110的电阻可以随着温度的增加而基本线性地减 小。在其他实施方案中，该复合元件的电阻可以在小于约1秒的时间内随着温度的增加而 基本连续地减小。实施例实施例1——复合元件的制备通过如下过程制造复合元件使用常规的拉挤(pultrusion)工艺将约3，000根 细丝状聚丙烯腈(PAN)基电阻性碳纤维丝束(tow)与经催化(catalyzed)的EP0N Resin 862 (俄亥俄州Columbus的Hexion Specialty Chemicals)相结合。用在此处，术语“丝束” 指的是一捆无捻的连续纤维或细丝。该纤维_环氧树脂复合物接下来通过商业拉挤工艺 (北卡罗来纳州Hickory的DFI)被拉挤，与此同时该复合物被形成为圆形(round shape), 其在约100°C到约130°C的范围内的高温下固化。一旦固化，就制造出一个连续长度约100 英尺、直径约0.020英寸的棒。该棒状复合元件被标记为批号(lot no.) 043-0. 8T，其中 0. 8T表示纤维丝束全长的每英寸的捻回数为0. 8。在开始拉挤工艺之前，沿着该连续细丝 (PAN基电阻性碳纤维)丝束的长度引入捻。然后切割约1英尺长度，并将其在约200°C的 循环空气烘箱(circulating air oven)内二次固化(post cure)约1小时，然后冷却至室 此外，实施例1的复合元件的剪应强度(shear strength)被确定为在约21MPa到约36MPa的范围内，相当于许多金属，而显著强于大多数商业热敏电阻材料。棚列2——棚列1細将实施例1的复合元件切割成约14cm的长度，并将银印刷(silver print)(伊利 诺州Rockford的GC Electronics)电极施加至该复合元件的每一端。然后，用适当的导线 连接引导件(wire hookup leads)(触头140，如图1所示)将该复合元件安装在循环空气 烘箱中，所述导线连接引导件穿过该烘箱的壁中的窗口而连接至常规欧姆计。商业温度监 测器(热电偶型的)被用于设置并监测实验期间的烘箱温度。该复合元件经受以约5°C到 约10°C为增量跨越从约20°C到约80°C的范围的温度，并被容许在这些温度下达到平衡。图 11示出了该复合元件的电阻与温度的函数关系。应注意的是，该复合元件的电阻在所研究 的温度范围(即，60°C的温度范围)内显示出颇大的变化(1.58kohmS的变化量)，这相当 于-25ohms/°C的斜率且负热系数(NTC)。此外，对上述复合元件的响应时间进行有规律的观察，并将其与用于设置并控制 烘箱温度的商业热电偶的响应时间进行比较。在约100个比较点中的每一个处，该复合元 件的响应时间显现为瞬时的，而该热电偶的响应时间在几秒到许多秒的范围内。由此，近似 的估计是，该复合元件的响应时间比商业热电偶快了至少100至1000倍。实施例3——热循环对实施例2的复合元件的电阳的影口向通过如下方法对实施例2的复合元件进行热循环试验在约20°C到约80°C的范围 内以约5°C至10°C的增量将烘箱温度循环上升和下降几次，并记录该复合元件的电阻。图 12示出了随着温度在60°C的温度窗口内循环上升或循环下降而测得的电阻。数据表明，输 出在小于约士 的精度内是可重复的，同时没有显著的滞后。实施例4——实施例1的复合元件的电阻与该复合元件的长度的函数关系将实施例1的复合元件切割成14cm长的样品，然后以10cm和2cm的间隔施加银 印刷电极，并且在这些较短的间隔距离进行电阻测量。在恒定的温度和湿度下，在0. 1至8V 直流的范围内，在每个长度共进行12次测量。图13示出了所测量的电阻与长度或间隔的 函数关系。图13清晰地示出了电阻与复合元件长度之间的线性关系。而且，在任何温度传 感器都可被暴露的所施加的电压的工作范围内，该复合元件显示出经典的欧姆特性(ohmic behavior)0本公开文本的复合元件还显示出三个附加特征和/或特性。首先，给定该复合 元件具有有限制的初始电阻，则有可能使电流流过该复合元件并借此实现电阻性加热 (resistive heating)。所产生的热量的水平是所施加的电压以及流经该电阻性复合元件 的电流的函数。由于该复合元件显示出经典的i2R型加热特性，所以该复合元件可被用于 双目的，诸如间歇性传感和加热。相应地，本教导包括一种多功能器件，其可兼提供传感和 加热模式、温度补偿。其次，由于非金属性导电填充物纤维通常以数千米长的连续长度被制 造和供应，所以可通过常规的导线制造和拉挤工艺，以非常低的成本容易地制造细长的复 合元件。短长度的棒状复合元件可从较长长度切割而成，并可以被容易地制成本公开文本 的短长度成分传感器，并以非常低的成本输送。此外，所定义的制造工艺可被用于制造如下 的复绞配置(multiplestranded configuration)，其中可在单个带缆状结构或同轴缆状结 构的横截面内形成两个或更多个导电区域。这使得允许采用一个(或许是较大的)导电元 件来进行功率或信号水平传输(power or signallevel transmission)；连续地固定于其
9上的第二元件可以是本公开文本的热响应元件，以监测(并或许控制)该传输元件的温度。 再次，相比于金属(约6到8g/cm3)，本公开文本的复合元件具有非常低的密度(约1. 1到 2. Og/cm3)，并且在腐蚀环境中高度稳定——这与大部分金属不同。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，通过在该非金属粘合剂中布置一个或多个非金属性导电纤维而形成复合元件， 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，其中该复合元件的电阻可以随 着温度的增加而基本连续地减小。在一些实施方案中，该复合元件的电阻可以随着温度的 增加而基本线性地减小。在一些其他实施方案中，该复合元件的电阻可以在小于约1秒的 时间内随着温度的增加而基本连续地减小。在特定实施方案中，该复合元件可以显示出的 每。C电阻减小量在约lmilli0hms/°c到约lOOmegaohms/t的范围内。在各种实施方案中， 通过在非金属性粘合剂中布置一个或多个非金属性导电纤维而形成复合元件的步骤还 可 包括将所述一个或多个非金属性导电纤维中的至少一个提供为在成分和/或厚度方面不 同于其余非金属性导电纤维。在特定实施方案中，形成一个或多个复合元件的步骤可以包 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一一或本 质上薄的或平坦的——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。在一些实施方案中，形成一个或多个复合元件的步骤还 可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，使得这两个区域 中的每一个都具有不同于另一个的电阻率。可使用任何合适的技术来形成所述一个或多个 复合元件，诸如拉挤、细丝缠绕(filament-winding)、预浸料坯成形(pr印reg-forming)、 粘着层压(adhesive laminating)、热层压(thermal laminating)、注身寸模塑(injection molding)、挤压(extrusion)、共挤压(coextrution)、内嵌模塑(inset molding)以及注射 吹塑(injection blowing)。为本发明设想了众多用途——其包括但不限于温度传感，尤其是在需要高敏感 性、快响应速度、和/或对传感环境几乎没有或没有影响(无干扰传感)的情况下，或者是 在环境是高度腐蚀性的从而折损常规器件的性能或寿命的情况下。本发明可用于在附加的 结构强度对目标应用(end application)至关重要的情况下的温度传感。本发明可用于 用在例如需要最高精度水平的原位(in-situ)电气或其他性质测量的高精度测量器件—— 诸如数字仪器的和高速示波器的测试探针——中的温度补偿。另一种器件用于那些需要许 多相互协同作用的探针的应用，诸如用在特定的“针床(bed-of-nails) ”测试仪中，其中探 针的由任何原因引起的任何变化——尤其是探针的温度变化——都是不可接受的。在这种 情况下，所公开的包括复合元件的器件可以通过如下方法用于感知和补偿任何探针内变化 (inter-probevariation)通过使用外部补偿电子器件，或者通过将需要适当原位补偿的 那些探针进行可变的——或许是精细的——局部加热，来使所有探针都能够具有相同的输 出电阻特性。包括所述复合元件的器件可以被使用的另一个领域是，低或中等功率及信号 水平传输，原因在于这些器件既显示出导电性又显示出NTC特性，这使得所述复合元件在 例如故障保护应用、腐蚀性和/或强辐射环境中成为常规金属导线的理想替代物。所述示 例器件的附加用途包括用于生物相容性极为重要的生物应用的温度传感；集成传感器网 络，其中所述复合元件容纳所组合的传感器网络结构，并提供主动(active)温度监测；以 及与铁流体(Ferro fluidic)或其他液体、气体、固体热传导、环境或部件控制系统相结合的精度便宜的(precision inexpensive)主动切换温度控制系统。尽管已通过一个或多个实施方式示出了本发明，但是在不脱离所附权利要求书的 主旨和范围的前提下可以对所示出的实施例进行更改和/或修改。另外，尽管可能已通过 几种实施方式中的仅一种公开了本发明的一个具体特征，但是在对于任何给定或特定功能 有需要或有利时，该特征可以与其他实施方式中的一个或多个其他特征相结合。此外，就 详细说明书或者权利要求中所使用的术语“包含”、“含有”、“具有”或其变体而言，这些术 语意在类似于术语“包括”，都是指开放式的包括。用在此处，针对项目列举——例如“A和 B”——而使用的术语“一个或多个”意味着仅A、仅B、或A和B。考虑此处公开的说明和实践，本发明的其他实施方案对本领域技术人员将是显然 的。所述说明和实施例意在仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和精神由以下权利要 求指示。
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的器件，其中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。
3.根据权利要求1所述的器件，其中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。
4.根据权利要求1所述的器件，其中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。
5.根据权利要求1所述的器件，其中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、石 英玻璃、硼硅玻璃、石英陶瓷、金属陶瓷、以及胶结物。
全文摘要
根据本发明，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。
文档编号G01K7/16GK101858794SQ20101012301
公开日2010年10月13日 申请日期2010年3月1日 优先权日2009年3月2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