专利名称：印刷温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度感应器件以及一种生产此器件的方法。具体地，本发明涉及一种负温度系数热敏电阻器。
背景技术：
功能墨的印刷是电子设备领域中的长期传统。例如，基于颜料的墨用来在印刷电路板上丝网印刷内部连线和电阻器。在这些应用中，所采用的厚膜墨分别包括银和碳的载体和颜料，其中颜料颗�？梢跃哂心擅追段У某叽�。传统地，已经通过诸如丝网印刷的传统印刷技术印刷大多数功能材料。最近的技术开发旨在印刷电路的不仅无源元件，而且有源元件。例如，在国际专利申请案W02004/068536中公开了纳米颗粒硅印刷元件，其公开了半导体层在如太阳能电池和晶体管的有源器件中的印刷。然而，对于半导体厚膜糊剂的应用的一个公知示例是依赖于温度的电阻器的制造，已知的如热敏电阻器。这种器件通常被认定为无源电子元件。当然这里具体相关的是具有电阻的负温度系数的热敏电阻器，已知的如NTC热敏电阻器，意味着它们的电阻随着温度增加而大致按指数规律地降低。这种常用类型的现有热敏电阻器由包括化合物半导体材料粉末和粘合剂材料的糊剂组成，诸如玻璃粉。这种糊剂可以丝网印刷至陶瓷衬底上也可以铸造以形成生还，形成生坯后其被高温烧结以形成半导体材料大体积浇筑层或体。不变地，由于热处理期间的变形，在厚膜热敏电阻器的情况下，在金属化之前需要对该材料进一步修坯以获取正确电阻。所采用的制造工艺对可以使用的衬底材料具有限制，不包括诸如纸张或者聚合体膜的多种轻质柔性材料的使用。传统地，用于制造热敏电阻器的厚膜墨由诸如硫化铅的重金属硫化物和/或碲化物组成，并且不符合诸如欧洲有害物质的限制使用(ROHS)的当代立法。近来引入的可选材料包括稀土和过渡金属氧化物的化学混合物，诸如二氧化锰。硅基热敏电阻器通过是从重掺杂硅晶片上切割下来，并且具有电阻的正温度系数。本发明的目的在于提供一种可选温度感应器件和一种制造这些器件的方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种生成温度感应器件的方法，所述方法包括形成至少一个硅层和至少两个导电电极或接触件以限定热敏电阻器结构，至少所述硅层通过印刷形成，而所述硅层和导电电极或接触件中的至少一个在其印刷期间由一衬底材料支撑。温度感应器件可以是负温度系数(NTC)热敏电阻器。为了本发明的目的，“印刷”应该以它的广义进行解释，如任何将液体或者胶粒混合物沉积在固态衬底上的方法，并且因此包括诸如滴铸、窄缝涂敷、旋转涂敷和喷敷的涂敷方法。虽然以通过模版印刷设计或者涂层的方式直接图案化是理想的，但是如果衬底材料具有正确的尺寸和形式则这不是必要的。
具体地，印刷的定义应该包括所有类型的:包括但不限于苯胺印刷和凸版印刷的凸版印刷术，诸如凹版印刷的凹版印刷术，以及诸如平版印刷、静电复印和凹凸印刷的平版印刷术。所预期的平版印刷术方法包括所有胶印工艺，其中设计首先被传输至橡皮布辊，诸如胶平版印刷或者胶凹版印刷，或者被传输至如压印中的棉球。最后，术语印刷应该包含传统模版方法，这些方法通常被定义为印刷，和具体地丝网印刷，以及诸如喷墨印刷、气溶胶喷涂、和电液动态喷涂的非接触印刷方法。至少硅层，并且优选地多个电极或接触件，应该通过如上所述的印刷沉积。所述至少一个硅层和至少两个导电电极或接触件可以被直接应用至温度待测量的对象物，从而对象物自身形成衬底。可选地，衬底可以是任何金属的，或者其它电传导本体，这样衬底形成用于热敏电阻器的接触件中的一个。另外的，衬底可以是任何材料或者其上可以沉积接触件和硅层的材料的组合。在一个优选实施例中，衬底包括柔性片，柔性片可以例如包括诸如金属箔或聚合物片材的固态膜、诸如纸片或者毡类材料的纤维材料、或者织物。在没有使接触件中的一个形成至器件的金属或导电衬底的情况中，通过以油漆、墨、清漆或光漆的形式或者通过诸如氧化、渗碳、渗氮或阳极氧化的公知表面处理工艺敷用中间绝缘层，衬底的表面可以被认为是非导电的。在另一个优选实施例中，衬底包括刚性片，所述刚性片包括诸如金属片、玻璃或者聚合物片材或者半导体晶片的固体材料、诸如纸片和毡类材料的含有纤维或颗粒材料的复合物、或者含有织物的复合物。仅以示例的方式，可以构成衬底的可行材料包括铜、铝、金、银、以及它们的合金、硅、锗、金刚砂、含铅玻璃、冕玻璃、硼硅玻璃、石英、纸板、棉、玻璃纤维、聚酰亚胺、聚酯及其衍生物、其它塑料、纤维素、以及许多其它材料。在本体的待测量温度的地方不会形成衬底，该衬底可以形成用于热敏电阻器结构的永久支撑件。可选地，衬底可以在热敏电阻器结构的生产期间形成用于热敏电阻器结构的临时支撑件或者模板。在此情况下，衬底可以是保护性的并且在所述热敏电阻器结构的印刷之后通过化学方式、热方式或者机械方式移除，或者它可以形成可重复使用的模板。在一个优选实施例中，硅层由包括硅颗粒以及由粘合剂和合适的溶剂构成的液态载体的墨形成。在一些情况中，取决于印刷工艺，可以省略溶剂，或者可以添加在墨的配方中常用的额外化合物，诸如干燥剂或稳定剂。硅颗粒的尺寸范围应该在10纳米至100微米，并且优选应该在50纳米和250纳米之间的特性尺寸。硅颗粒优选应该具有允许在颗粒之间传递电荷的表面。这可以通过如国际专利申请案W02007/004014中的氧物种、羟基物种或氢物种的表面悬浮结合物的适当终止而实现。通过形成在印刷硅层之内的硅纳米颗粒网络的电传导假设是通过跳频渗流过程发生的，其中单个颗粒或者颗粒堆之间、或者半导体材料和导电电荷之间电荷的传输限于热激活方法。因此电阻的温度系统主要由颗粒特性(特别是它们的表面和界面)决定。通过吸收易被离子化的其它物质(特别是小分子)引入或去除捕获状态的表面的变化，或者由其它材料(特别是大有机分子)的部分氧化或吸收所引起的界面势垒的厚度的变化，因此也可以被用来改变材料的温度反应。另一种公知有助于电阻的温度依赖性的机理是载体在本征半导体或者微掺杂半导体中的热生成。因此理想的是通过用常规掺杂N型和P型材料制造它们或者在表面上吸收权离子化离子物种而选择硅颗粒的适宜掺杂水平，正如在国际专利申请案W02007/023362中所描述的。通过硅块的机械属性或者诸如包括甲硅烷和乙硅烷以及它们的衍生物的任何硅烷气体的高温分解的任何其它方法，可以生产合适的硅纳米颗粒，其中通过排除氧气或者减少副化学计量氧化物防止全氧化，正如在国际专利申请案W02009/125370中所描述的。通过硅层的电流的全面传输沿着互连颗�：涂帕６阎涞挠馍�。因此，主要通过硅层的微观结构(更具体的是互连颗粒的数量)控制标称或者室温、电阻性。这不仅可以通过选择印刷工艺及其参数而且可以通过经变化硅与粘合剂的比率或者添加诸如硅石或其它陶瓷纳米颗粒的绝缘阶段或者导电金属纳米颗粒以改变墨的组分而改变。本方法可以包括:通过改变墨的成分、通过变化硅与粘合剂之间的比例、或者增加诸如硅石或其它陶质纳米颗粒的绝缘相或者导电或半导电相至所述墨，增加至硅颗粒的至少一个额外的导电路径，从而有效增加相对不依赖于温度的内部电阻，所述内部电阻与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻并联。将额外导电路径增加到硅颗粒层中具有增加与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻并联的相对不依赖于温度的内部电阻的效果。这种结合还可以被用来改变器件的温度传感性能。在此理念的扩展下，额外的相可以包括不同掺杂硅的纳米颗粒或者另一个半导体材料的纳米颗粒。在一个可选方法中，使用导电墨印刷可以制造具有与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻并联印刷的不依赖于温度的内部电阻的印刷温度传感器。类似地，印刷温度传感器的标称电阻可以通过印刷与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻串联的不依赖于温度的内部电阻而提高。采用的墨中的硅粉末与粘合剂的比率应该足以实现器件的标称运行范围中的可测量电导性。墨中的纳米颗粒的百分比可以是从5 %至95 %的范围，但是在纳米颗粒的浓度明显大于较低浸透阈值(实践中的极限是25%左右)时实现上述的最佳性能，在上浸透阈值和下浸透阈值之间，可以通过改变墨中硅纳米粉末的百分比而简单调节电阻。我们的实验结果显示这个范围广泛地相当于墨中硅纳米颗粒的体积百分比在25%和60%之间。对于高的颗粒与粘合剂的比率来说，在其中材料性能随着硅在墨中的百分比仅微弱变化的更高的浸透阈值以上，获得最佳重复生产能力。这可以用在60%以上并且优选超过80%的硅百分比实现。
膜载体可以包括任何商业采用墨基，包括有机粘合剂及其适当溶剂。粘合剂可以是诸如聚苯乙烯或乙酸丁酸纤维素的可溶性聚合体、或者诸如丙烯酸乳液的自聚合单体、或者在W02007/072162中描述的天然油，诸如亚麻仁油或金盏草油、或脂肪酸。在一个示例中和在如下所示的多个示例中，所采用的粘合剂是商业丝网印刷墨基，包括水基丙烯酸乳液、而溶剂为丙二醇。显示合适的其它粘合剂和溶剂结合物包括:具有商业光漆稀释剂的精炼亚麻仁油、丙酮或类似物；具有氯仿的聚苯乙烯；以及具有氯仿的醋酸丁酸纤维素。除了其中衬底形成电接触件中的一个的器件之外，优选的是以如硅层的类似方式生成电接触件，从而它们可以通过印刷直接图案化。为了实现此目的，可以使用任何通�？苫竦玫牡嫉缒钊缫⒔鸹蚴客∷⒑夯蚪鹗裟擅卓帕；�。可选地，可以通过诸如溅射、蒸发、或者化学汽相沉积的多种已有薄膜沉积工艺形成接触件。相等地，可以采用电镀或者非电镀。在这些情况中，可以通过化学或者电化学蚀刻、激光划线或者其它去除材料的方式使得接触件图案化成正确的形式以形成理想形状。在一个优选实施例中，接触件具有圆形几何形状，这样热敏电阻器结构的径向电路径确保所测量的电阻在相对于印刷方向的所有方向上是平均的，因而在印刷过程中消除侧向各向异性效应。大体地，由于印刷硅材料的高电阻性，热敏电阻器器件的纵横比应该是低的，这样用来将电流供给至热敏电阻器器件的任何两个接触件之间的距离与接触件之间的半导体路径的宽度相比是小的。优选地，热敏电阻器器件的纵横比小于1/30，并且更优选小于1/1000。在一个实施例中，这可以通过在两个导电材料层之间包括一个印刷娃材料层的多层结构实现，正如附图中的图1所示的。在这种器件中，通过硅层的厚度测量在垂直于硅层平面的方向上的电阻。结果，这种温度传感器的区域可以几乎不确定地延伸并且可以采用任何任意形状。然而，总体地，优选是一系列共面电极或接触件，原因在于制造工艺简单。在此情况中，采用任何合适工艺将至少两个导电接触件沉积在硅层上、或者首先沉积在衬底上而随后用硅层重复印刷。这两个几何形式可以被分别称为顶部接触或者底部接触器件。对于具有共面接触件的器件，可以应用下面图2至8中所示的具体几何形状以提高宽长比。在一个实施例中，并排延伸的两个细长平行接触件沉积在限定螺旋或者弯曲路径的图案中以覆盖相对大的区域，从而使得衬底的相应形状的区域的平均温度被监控。在另一个实施例中，每个具有并行延伸并且彼此相邻以限定蛇形间隙的多个细长条或指状物的两个相互交叉的电接触件通过印刷颗粒硅层连接或者桥接。印刷颗粒硅层可以被构建成沿着电极之间的蛇形间隙，或者可以形成覆盖在电极之间的蛇形间隙之上的连续层。在另一个实施例中，四个电接触件以常规线性四点几何形状或者任何通常采用的范德瓦尔斯几何形状沉积以获取更高精确度，在所述四个电接触件中，两个用来将电流供给至温度感应器件，两个用来监控使用中的电压。本发明扩展至由上述限定的方法生产的温度感应器件。
图1是根据本发明的多层温度感应器件的侧面示意图；图2是显示根据本发明的印刷热敏电阻器的第一实施例的布局的示意图，其具有螺旋型配置；图3是显示根据本发明的印刷热敏电阻器的第二实施例的布局的示意图，其具有相互交叉配置；图4和5是显示根据本发明的印刷热敏电阻器的第三和第四实施例的布局的示意图，其具有同心布置的接触件；图6是显示根据本发明的印刷热敏电阻器的第五实施例的布局的示意图，其具有四电极型配置；图7是显示根据本发明的印刷热敏电阻器的第六实施例的布局的示意图，其具有能够采用范德瓦尔斯方法以确定电阻、通过颗粒硅印刷层连接的四个电接触件；图8是显示根据本发明的印刷热敏电阻器的第六实施例的布局的示意图，与图7的实施例类似但是具有延伸的触臂；图9是显示图6中所示的这种设计的印刷热敏电阻器的示例的阿列纽斯曲线的曲线图；图10是显示图5中所示的这种设计的底部接触的印刷热敏电阻器的示例的阿列纽斯曲线的曲线图；图11是根据本发明的方法形成的负温度系数热敏电阻器的实施例的照片图；以及图12是图11中所示的相互交叉热敏电阻器的变化例的照片图。
具体实施例方式图1显示根据本发明的一个示例实施例的基础多层热敏电阻器结构的侧面截面示意图。热敏电阻器结构形成在衬底10上并且包括第一金属层12、印刷在第一金属层上的颗粒硅层14、以及沉积在颗粒硅层14上的第二金属层16。如上所示的，衬底10可以采用多种形式，但是典型地会包括柔性片，该柔性片可以例如由诸如金属箔或聚合物片材的固态膜、诸如纸张和毛毡材料的纤维材料、或者织物组成。这些例子仅提供用于示例的目的并且并不旨在进行限制。金属层和颗粒硅层优选地通过如上所限定的印刷进行沉积。在图1的实施例中，衬底10可以是不导电的，或者，如果导电的话，不用作至热敏电阻器结构的电接触件。在此实施例中，第一和第二金属层12和16用作导通多个电极或接触件，其可以连接至每条电线或者其它导体18和20。下面结合图2至8描述通过本发明的方法生产的热敏电阻器的若干示例实施例。如图2中所示的，第一实施例为底部接触双终端热敏电阻器。本实施例包括形成在衬底26上的两个细长形导电接触件22和24，其并排延伸并且可以布置在诸如螺旋的图案中以覆盖相对大的区域。接触件通过具有细长形螺旋状并且与每个接触件重叠的印刷颗粒硅层28连接或桥接，整个结构由衬底支撑。如有需要，可以进行接触件22和24之间的电连接。取代所示的方形螺旋形状，接触件和颗粒硅桥接层可以采用另外的平行弯曲或曲线螺旋路径。热敏电阻器结构可以覆盖相对大的区域，以允许监控衬底26 (或者衬底26所连接的对象物)的大而可能不规则形状的区域的平均温度。通过简单地颠倒沉积顺序，即首先印刷颗粒硅层并且在其上沉积接触件，可以制造类似的顶部接触器件。在一个可选方法中，硅条可以形成沉积在接触条上或者之下的连续层。图3是相互交叉双终端热敏电阻器的示意图，包括由印刷颗粒硅层34连接或桥接的两个相互交叉电接触件30和32。接触件30和32中的每个具有多个细长形条或指部36和38，它们平行延伸并且彼此邻近以限定蛇形间隙，硅墨层印刷在蛇形间隙之上以形成层34并且连接两组电极。接触件或者电极以及它们的指部的数量和长度可以是不同的，从而覆盖任何理想区域。热敏电阻器印刷在衬底40上。如图所示，此硅层34可以构建成跟随电极之间的间隙、或者可以形成连续层。器件可以是底部接触或者是顶部接触器件，取决于如上所述的材料的沉积顺序。图4显示其中热敏电阻器的电路径处于具有内电接触件42和同心环形外接触件或电极44的圆形结构的径向方向中的实施例。接触件通过印刷颗粒硅环形层46连接。热敏电阻器印刷在衬底48上。图5显示与图4相同的类似实施例，其中两个接触件包括固态内圈50和以同轴几何形状沉积的同心外环52。印刷颗粒硅层54形成第二同心环，以桥接这两个接触件。然而，在图5的器件中，内电接触件50通过外接触件52中的间隙径向向外延伸至第一电接触垫。外接触件也向外延伸至第二电接触垫58。此结构印刷在衬底60上。桥接两个接触件之间的环状间隙的由印刷颗粒硅层54限定的同心环可以是完整地，也可以是断续的(如图所示)。可以制造顶部接触器件或者底部接触器件的图4和5的示例实施例具体适用于印刷工艺。这些热敏电阻器结构的径向电路径确保在相对于印刷方向的所有方向上平均所测量的电阻，从而消除沉积工艺中任何侧边各向异性效应。为了更高的精确度，热敏电阻器器件适于在公知四点电阻测量技术中使用可能是理想的。这可以通过如图6中所示的具有四个共面电极的器件实现。该器件具有两个精细构建的内电极62和64，在两者之间确定电位差并且电流通过此两者供给至两个附加电极66和68。所有四个电极通过印刷颗粒硅全印刷层70连接。器件形成在衬底72上。内电极62和64中的每一个在其每个端部具有加大的接触垫。两个内电极62和64用来测量颗粒硅层中的电位差，并且可以非常精细的印刷。外电极66和68用来供给激励电流并且与内电极相比可以相对大。在这种几何形状的最简易变化例中，如图所示，硅层70作为桥接器件中心区域的四个电极的厚条进行简单印刷。作为四点电阻方法的替换例，是采用任何公知的范德瓦尔斯几何形状，诸如图7中所示的圆形设计或图8中所示的“希腊式十字架”几何形状。在图7的印刷热敏电阻器器件中，提供通过具有固体圆形的印刷颗粒硅层82连接的四个均布楔形电接触件74，76，78和80。器件印刷在衬底84上。四个接触件在圆形图案中对称布置，而该图案的中心处的间隙中填充印刷硅层。为了获得最高精确度，后者那层应该具有圆形形状并且居中定位。然而，这不是本质的，并且通过在电极之上或者之下印刷连续硅层可以产生合适的器件。在图8的器件中，四个电极86，88，90和92对称地沉积在衬底94中。颗粒硅层96沉积在器件的接触件之间的中心区域。层96具有希腊式十字架式几何形状，十字架的支臂的顶端与每个电极部分重叠并且在电极之间限定两个垂直的硅路径。可以通过本发明的热敏电阻器限定的范德瓦尔斯几何形状的其它公知变化例包括结合这两个基本形式的几何形状特征的结构，诸如三叶草或者马尔他十字型。一种可以通过采用印刷以制造器件实现的新的确定依赖于温度的电阻(temperature dependent resistance)的方法是通过使得相同对称电极结构形成顶部接触件和底部接触件而拓展范德瓦尔斯技术的原理。上述呈现的任何两个接触件设计可以用来通过一种标准四点范德瓦尔斯技术的模拟方法中的硅层的大小确定电阻。类似地，作为顶部接触件和底部接触件应用的四电极构造会取得更高的精确度以及电阻测量的稳定性。此外，任何电极的上述设计、或者类似布局可以布置成衬底的大区域之上的阵列，以形成像素化传感器，其会实现既定区域之上温度分布的绘制地图。示例 I在第一示例中，根据如图6中所示的设计生产负温度系数热敏电阻器。通过采用Du Pont5000银导体进行丝网印刷，在80g/m2的非木质纸片衬底上沉积四个银电极或接触件。任何两个相邻电极之间的间隔为2_。在外部条件下使得银墨干燥大约一整天，硅墨被滴铸以形成器件的所有四个电极之间的连接。根据W02009/125370中公开的方法，墨中所使用的硅纳米颗粒是由掺硼P型硅晶片研磨而成的。这些颗粒与商业上可获得的丙烯酸丝网印刷基材以95%的硅的重量百分比而进行混合，并且通过稀释丙二醇而调节墨的浓度。从较大的纸片中剪裁出完成后的器件，以形成尺寸大约为15mm乘以IOmm的小的柔性器件。在前期测试中，通过四点技术和两点技术两者确定室温电流/电压特性。为了测试其温度响应，此器件用胶粘带固定至直径为65mm的玻璃烧杯的外侧，这样纸衬底在印刷热敏电阻器器件和玻璃之间，并且使得器件的轴线与玻璃的圆周相符。为了校准电阻的温度依赖性，用冰水注满烧杯并且将烧杯放在电热板上加热，同时用数字温度计测量水温。便利地，用数字万用表简单测量电阻。图9显示热敏电阻器在阿仑尼乌斯量表上的电阻温度反应。在所示的温度范围中，器件表现出2210±30K的对数温度系数，通常被称为P值。示例 2在第二示例中，也根据如图5中所示的设计生产负温度系数热敏电阻器。通过采用Du Pont5000银导体进行丝网印刷，在包括80g/m2的非木质纸片的衬底上沉积多个银接触件。内部电极的直径为5_，两个电极之间的间隔为0.5_。在外部条件下使得银墨干燥大约一整天，采用根据W02009/125370中公开的方法由2503级冶金硅研磨而成的硅纳米颗粒，在电极之间的间隙之上丝网印刷硅层。这些纳米颗粒与商业上可获得的丙烯酸丝网印刷基材以88%的硅的重量百分比而进行混合，并且通过稀释丙二醇而调节墨的浓度。从较大的纸片中剪裁出完成后的器件，以形成尺寸大约为20mm乘以15mm的小的柔性器件。银导线被焊接至接触垫以形成永久固定连接。在50K至350K的温度范围中，采用Lake Shore7700Hall测量系统以及相关联的低温保持器，在零磁场状态下，测量装置的电流/电压特性。在图10中作为示例显示的电阻/温度特性由在低激励电流下的电流/电压特性的斜线确定。在扩充的温度范围上，至少有两个阿仑尼乌斯系数，在液态氮温度下典型地为1000K而在大约室温下为2000K。对类似器件的进一步研究表示大约为10000K的第三P值，其显然处于350K以上的温度。这些不同的P值在不同范围中的结合实现了在大的温度范围上应用印刷硅热敏电阻器。示例3图11是根据图3中所示的设计的负温度系数热敏电阻器的照片图。在此情况下，硅作为固态块被印刷在相互交叉银接触件之上，但是仅硅的沉积在接触件之间的区域有助于依赖于温度的电阻。为了低的电阻，硅半导体的长宽纵横比例应该是低的，理想地少于1/1000。在此示例中，银接触件包括25个单独的电极，在相邻电极之间的24个间隙，每个间隙具有16mm的长度并且每个间隙的宽度(相邻间隙之间的间隔)为0.25mm。与示例2中的为高电阻器件并且具有(通过图5中的导体之间的横向间隙与限定导体之间的间隙的圆的周边之间的比例给出的)大约1/30的长宽纵横比例的器件相反的，本示例中的设计具有1/1600的纵横比，以及对于相同硅层厚度来说相应更低的电阻。通过采用Du Pont5000银导体在160gsm纸板衬底上进行丝网印刷而沉积银接触件。在外部条件下使得银墨干燥大约一整天之后，采用根据W02009/125370中公开的方法由2503级冶金硅研磨而成的硅纳米颗粒，电极之间的间隙之上丝网印刷硅层。这些颗粒与商业上可获得的丙烯酸丝网印刷基材以80%的硅的重量百分比而进行混合，并且通过稀释丙二醇而调节墨的浓度。接着根据南非临时专利说明书2010/06533中公开的方法作为分立元件包装最终热敏电阻器，使得银接触件从塑料叠片中突出。多数这种器件的测试在烤箱中以从20°C至60°C的温度范围上进行，得出统计变化幅度为±100K的2000K的一致的P值。取决于硅层的厚度的典型电阻为IOOkQ。采用Lake Shore7700系统在从15K至350K的扩充温度范围的低温测量中得出电导系数的详细分析，显示大约为20K，650K和1900K的三个特性3值。示例 4图12是根据图3的基本设计、在示例3中所描述的相互交叉热敏电阻器的变化例的照片图，其在更大的区域上扩展，并且其根据平面设计得出它的形状。作为一个示例，将整个人体手印选为该设计，但是可以不受限制地选择任何其它抽象或者形象设计。通过采用Du Pont5000银导体在各种颜色的180gsm纸板上丝网印刷多个银轨迹，使它们的共同连接部形成手的外形，从而形成相互交叉电极。电极之间的间隙被调整以适应该设计的外形以及从0.5mm至Imm的范围。包括重量百分比为80%的根据W02009/125370中公开的方法由2503级冶金硅研磨而成的硅纳米颗粒的硅墨被印刷在不同位置中以形成平面设计以及并排连接的一组热敏电阻器两者。手的相等的整个区域印刷硅，但是这样做不是显示热敏电阻器的构造和操作的原理。印刷后，根据南非临时专利说明书2010/06533中公开的方法作为分立元件包装热敏电阻器，使得银接触件从塑料叠片中突出。对于这种设计来说，取决于硅层的厚度的典型电阻在20kQ和40kQ之间，并且3值一致在2000±100K。
权利要求
1.一种生产温度感应器件的方法，所述方法包括步骤:形成至少一个硅层和至少一个电极或接触件以限定热敏电阻器结构，至少所述硅层通过印刷形成，而所述硅层和所述至少一个电极或接触件中的至少一种在其印刷期间由衬底支撑。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个电极或接触件通过印刷形成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一个硅层和至少两个导电电极或接触件被直接应用至温度待测量的对象物，从而对象物自身形成用于热敏电阻器结构的衬底 。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述衬底包括电传导本体，从而衬底形成热敏电阻器结构的电极或接触件。
5.根据权利要求1至4中任一所述的方法，其中所述衬底包括柔性片。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述柔性片包括固态膜、纤维材料、或者织物。
7.根据权利要求1至4中任一所述的方法，其中所述衬底包括刚性片。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述刚性片包括固体材料、含有纤维或颗粒材料的复合物、或者含有织物的复合物。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述衬底在热敏电阻器结构的生产期间形成用于热敏电阻器结构的临时支撑件或模板。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述衬底是保护性的，并且在所述热敏电阻器结构的印刷之后通过化学方式、热方式或者机械方式移除。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述衬底形成可重复使用的模板。
12.根据权利要求1至11中任一所述的方法，其中所述硅层由包括硅颗粒以及由粘合剂和合适的溶剂构成的液态载体的墨形成，所述娃颗粒的尺寸范围在10纳米至100微米并且具有允许电荷在颗粒之间传递的表面。
13.根据权利要求13所述的方法，包括步骤:通过改变墨的成分、通过变化硅与粘合剂之间的比例、或者增加诸如娃石或其它陶质纳米颗粒的绝缘相或者导电或半导电相至所述墨，增加至硅颗粒的至少一个额外的导电路径，从而有效增加相对不依赖于温度的内部电阻，所述内部电阻与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻并联。
14.根据权利要求13所述的方法，包括步骤:使用导电墨印刷与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻并联的基本不依赖于温度的内部电阻器，以降低印刷温度传感器的标称电阻。
15.根据权利要求13所述的方法，包括步骤:使用导电墨印刷与热敏电阻器结构的依赖于温度的电阻串联的基本不依赖于温度的内部电阻器，以增加印刷温度传感器的标称电阻。
16.根据权利要求12至15中任一所述的方法，其中墨中的硅颗粒的比率在从5%至95%的范围中。
17.根据权利要求16所述的方法，包括步骤:通过使墨中的硅颗粒的比率以硅颗粒的体积百分比计在25%至60%的范围之内变化来调节印刷温度传感器的电阻。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述墨具有60%以上并且优选80%以上的硅颗粒比率。
19.根据权利要求1至18中任一所述的方法，包括步骤:通过使用导电墨印刷、通过薄膜沉积工艺、或通过电镀或者非电镀的方式形成导电电极或接触件中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的方法，包括步骤:通过化学或者电化学蚀刻、激光划线或者其它去除材料的方式使得所述至少一个接触件图案化成正确的形式以形成理想形状。
21.根据权利要求1至20中任一所述的方法，其中所述接触件具有圆形几何形状，这样热敏电阻器结构的径向电路径确保所测量的电阻在相对于印刷方向的所有方向上是平均的，因而在印刷过程中消除侧向各向异性效应。
22.根据权利要求1至21中任一所述的方法，其中所述热敏电阻器器件的纵横比低，优选小于1/30，并且更优选小于1/1000，这样用来将电流供给至热敏电阻器器件的任何两个接触件之间的距离与接触件之间的半导体路径的宽度相比是小的。
23.根据权利要求1至20或22中任一所述的方法，其中并排延伸的两个细长平行接触件沉积在限定螺旋或者弯曲路径的图案中以覆盖相对大的区域，从而使得衬底的相应形状的区域的平均温度被监控。
24.根据权利要求1至20或22中任一所述的方法，其中两个相互交叉的电接触件通过印刷颗粒硅层连接或者桥接，所述两个相互交叉的电接触件中的每个具有并行延伸并且彼此相邻以限定蛇形间隙的多个细长条或指状物。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述印刷颗粒硅层被构建成沿着电极之间的蛇形间隙。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述印刷颗粒硅层形成覆盖在电极之间的蛇形间隙之上的连续层。
27.根据权利要求1至22中任一所述的方法，其中，四个电接触件以常规线性四点几何形状或者任何通常采用的 范德瓦尔斯几何形状沉积以获取更高精确度，在所述四个电接触件中，两个用来将电流供给至温度感应器件，两个用来监控使用中的电压。
全文摘要
提供一种生成温度感应器件的方法。该方法包括至少一个硅层和至少一个电极或接触件以限定热敏电阻器结构。至少所述硅层通过印刷形成，而所述硅层和所述电极或接触件中的至少一个在其印刷期间由一衬底支撑。优选地，采用包括尺寸范围在10纳米至100微米中的硅颗粒以及由粘合剂和合适的溶剂构成的液态载体的墨，通过印刷形成多个电极或接触件。在一些实施例中，衬底为其温度待测量的对象物。替换地，衬底可以是模板，可以是保护性地，或者可以是柔性或者刚性的材料。公开了各种器件的几何形状。
文档编号G01K7/22GK103210290SQ201180054592
公开日2013年7月17日 申请日期2011年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者大卫·托马斯·布里顿, 马尔吉特·黑廷 申请人:Pst传感器(私人)有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
