(57)【要約】【課題】複合材料、これらの材料を製造し処理するための方法及び複合材料を用いるためのシステムを提供する。【解決手段】複合材料、これらの材料を製造し処理するための方法、及び複合材料を用いるためのシステムを提供する。複合材料（又は複合部材）は、ファイバ状又はバインダポリマ内に組み入れられる粒子状の材料を含むことができる。例えば、複合部材は、特定の抵抗値を実現するのに好適なバインダポリマに含まれるフィブリル形状の半導電型素子を含むことができ、フィブリルは、関連デバイスを通る電流の流れを精密に定義して制御する抵抗素子のアレイを生成するように、統合し相互連結することができる。複合部材は、よって、抵抗性特徴を有し、容量性又は誘導性特徴は全くないか無視できるほど少量である。複合部材は、例えば周波数又は複雑な混合周波数信号のための高性能な動的プローブ／センサとして電気試験市場で用いることができる。【選択図】図５
2009238749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダポリマと、
一次電気伝導長さを与えるように、前記バインダポリマ内に配置された複数の連続フィラメントと、
を含み、前記複数の連続フィラメントは、複合部材を通して変換される電流レベルを制御する二次電気伝導経路を生成するようにさらに相互連結される、
ことを特徴とする複合部材。
【請求項２】
前記複数の連続フィラメントは、前記二次電気伝導経路と同等であるか又はこれより低い抵抗率を有しており、各々の連続フィラメントは、約０．０１から約１０００メガオーム／ｃｍまでの範囲に及ぶ抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の部材。
【請求項３】
前記複数の連続フィラメントを相互連結するように、前記バインダポリマ内に分布された１つ又はそれ以上の導電性充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の部材。
【請求項４】
各々の導電性充填剤は、カーボンナノチューブ、ドープ・シリコン・ナノワイヤ、及びナノ視的黒鉛プレート、非黒鉛小プレート、ナノロッド、カーボンナノファイバ、非カーボンナノファイバ、又は他の導電ナノ構造体から選択される１つ又はそれ以上のナノ視的材料を含むことを特徴とする請求項３に記載の部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、非金属電気コンタクト、及び高性能の複合プラスチックコンタクト及び関連エレメントに関し、より具体的には、制御された電気伝導経路を特色とするセンサ及び計器プローブ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子産業における種々のデバイス用途のために、導電性複合プラスチックを、電気試験、測定、及び制御用途の広範囲において用いられる、急速に新興しつつある、高性能で高い値のコンタクト、相互接続部、センサ、プローブ、及び同様の物と併せて用いることに、かなりの関心が持たれている。これら複合プラスチックをベースとするデバイスにおいては、抵抗素子は、多くの場合、機械的特徴及び電気的特徴の独特な組み合わせと結合した特定の大きさ及び形状を含む機能的装置を形成するように、バインダポリマ内で用いられる。
【０００３】
電気コンタクトは、電流又は信号が通り抜けることができる２つの導電体の間の接合部として説明することができる。センサは、物理的、電気的、又は電子的な刺激に応答し、測定又は制御のために、結果としてもたらされる信号又はインパルスを伝送するデバイスとして説明することができる。しかしながら、複合プラスチックの導電素子又は抵抗素子を保証するため、及び電気コンタクトを統合された固体に固定するために用いられる典型的なバインダポリマの電気的絶縁特徴のために、問題が生じる。バインダポリマ（例えば樹脂）は、典型的には、抵抗素子の間及び周りの空間を充填する。従って、絶縁性樹脂は、導電ファイバを分離する薄絶縁層としての機能を果たすことができ、恐らくはそれにより、デバイスの動作中、容量性回路素子としての機能を果たすことができる。結果は、複合プラスチックをベースとしたデバイスの周波数応答における低下、及び／又は、デバイスからの波形の修正とすることができる。例えば、高周波ＡＣ回路におけるコンタクト又はセンサに用いられる一方向導電ファイバ充填プラスチックを通る信号伝送は、問題である。重要なことには、問題は、例えば、微視的な組成における多大な変動、精密に定められた電流経路の欠如、動作デバイス内の不均一なフィールド、及び上述のように、不要な容量性及び誘導性（漏れ及び寄生）効果の存在、を含む種々の根本原因に関連する可能性がある。これらの各々は、バインダ樹脂のタイプ、量、及び位置に、及び／又は、樹脂及び充填剤が処理されるプロセスに関連することができ、これは次いで、コンタクトのバルク及び微視的な電気的特性並びにその機械的特性に、及び対象デバイスの周波数応答又は出力のいくらか又は全てに、悪影響を与える可能性がある。従って、高周波スペクトルのある領域においてより大きい障害又は摂動を有し、他においてはより少ない障害を有する非線形電気的応答が生成され、多くの導電性複合プラスチック素子において観察されることができる。さらに、複合プラスチックにより又はこれを通して、及びとりわけ商業用製造ロットにおいて製造されたコンタクトの中で伝送される出力信号において多大な変動をもたらすことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
故に、従来技術のこれら及び他の問題を克服すること、及び、周波数空間において非線形応答を克服する制御された電気伝導経路を特色とする複合部材を提供すること、及び、電気コンタクト、相互接続部、電気試験機器、測定装置、器具、及び同様の物のセンサ及びプローブに用いられる複合プラスチック部材の高度な部品間の精度を提供することに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
種々の実施形態によれば、本教示は、複合部材を含む。複合部材は、バインダポリマと、一次電気伝導長さを与えるように、バインダポリマ内に配置された複数の連続フィラメントとを含む。さらに、複数の連続フィラメントは、複合部材を通して変換される電流レベルを制御する、二次電気伝導経路を生成するようにさらに相互連結されることができる。
【０００６】
種々の実施形態によれば、本教示はまた、複合部材を１つ又はそれ以上のプローブ先端部に成形することによって、複合プローブを形成するための方法を含む。複合部材は、一次電気伝導長さを与えるように、バインダポリマ内に複数の連続フィラメントを配置することによって形成することができる。複合部材の複数の連続フィラメントは、さらに、１つ又はそれ以上のプローブ先端部のための二次電気伝導経路を生成するようにさらに相互接続されることができる。
【０００７】
種々の実施形態によれば、本教示は、さらに、複合部材を１つ又はそれ以上のプローブ先端部に成形することによって、複合プローブを形成するための方法を含む。複合部材は、バインダポリマ内に、複数の連続フィラメントと１つ又はそれ以上の導電性充填剤とを配置することによって形成することができる。複数の連続フィラメントは、１つ又はそれ以上のプローブ先端部における１つ又はそれ以上の導電性充填剤によって相互連結されることができる。
【０００８】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は両方とも、例示的及び説明的なものにすぎず、特許請求される本発明を制限するものでないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本教示による例示的な複合部材の一部分を示す。
【図１Ｂ】本教示による例示的な複合部材の一部分を示す。
【図１Ｃ】本教示による例示的な複合部材の一部分を示す。
【図２Ａ】倍率を上げた例示的なＳＥＭ画像を示す、本教示による例示的な世代−１複合部材の側面図である。
【図２Ｂ】倍率を上げた例示的なＳＥＭ画像を示す、本教示による例示的な世代−１複合部材の端面図である。
【図３】本教示による、例示的な計器プローブ組立体を表す概略図である。
【図４】本教示による複合部材から形成されたプローブの例示的な結果を示す。
【図５】本教示による世代−１設計及び組成を有する、プローブ素子の回路モデルの簡略化されたブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書に組み入れられ、その一部を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を図解し、この説明と共に、本発明の原理を説明する役目を果たす。
本発明は１つ又はそれ以上の実施に関して説明されるが、添付の特許請求の範囲の精神と範囲からかけ離れることなく、図示される例に代替及び／又は修正を加えることができる。さらに、本発明の特定の特性は、いくつかの実施のうち１つのみに関して開示されているが、そのような特性は、いずれの所与の又は特定機能に望ましい及び有利であるように、他の実施の１つ又はそれ以上の特性と組み合わせることができる。さらに、“含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”、“含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）”、“有している（ｈａｖｉｎｇ）”、“有する（ｈａｓ）”、“もつ（ｗｉｔｈ）”、又はその変形の用語が、詳細な説明及び特許請求の範囲のいずれかにおいて用いられる範囲では、そのような用語は、“含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”という用語と同じように包含的であることを意図する。ここで用いられるように、例えば、Ａ及びＢといったように、項目の列挙に関する“〜の１つ又はそれ以上”という用語は、Ａだけ、Ｂだけ、又はＡ及びＢを意味する。“〜の少なくとも１つ”という用語は、列挙された項目の１つ又はそれ以上を選択できることを意味するように用いられる。
【００１１】
本発明の広義な範囲を説明する数値域とパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の例で説明される数値は、可能な限り精密に報告される。しかしながら、いずれの数値も、それらの各試験測定に見られる標準偏差により必然的に生じる一定の誤差を、本質的に含む。さらには、本明細書に開示される全域は、そこに組み込まれたあらゆる及び全ての部分的範囲を包含することを理解すべきである。例えば、“１０より少ない”範囲は、最低値ゼロと最大値１０との間（及び、これを含む）のあらゆる及び全ての部分的範囲を含むことができ、すなわち、ゼロと等しい又はそれよりも大きい最小値、及び、１０と等しい又はそれよりも小さい最大値を有するあらゆる及び全ての部分的範囲、例えば１から５を含むことができる。特定の場合には、パラメータについて記述された数値は、負の値をとることができる。この場合には、“１０より小さい”と記述された例の値域は、先に示したのにさらに負の値、例えば−１、−１．２、−１．８９、−２、−２．５、−３、−１０、−２０、−３０、その他を仮定することができる。
【００１２】
例示的な実施形態は、複合材料、これら材料を製造及び処理するための方法、及び、複合材料を用いるためのシステムを提供する。開示される複合材料（ここでは複合プラスチック又は複合部材とも呼ばれる）は、バインダポリマ内に組み入れられたファイバ状の及び／又は粒子状の材料を含むことができる。例えば、複合部材は、特定のバルク、表面、又は端部間抵抗値を実現するのに好適なバインダポリマに含まれるフィブリル形状をした半導電型素子を含むことができ、フィブリルは、関連デバイスを通る電流の流れを精密に定義して制御する抵抗素子のアレイを生成するように、統合し、相互連結することができる。それ故に複合部材は抵抗特徴を有し、容量性又は誘導性特徴は全くない又は無視できるほど少量である。複合部材は、例えば、中から超高の周波数ＡＣ又はＲＦ信号、及び／又は複雑な混合周波信号のための高性能な動的プローブ／センサとして、電気試験、感知、及び／又は制御市場に用いることができる。
【００１３】
ここで用いられるように、そして他に特定されない限り、“複合部材”又は“複合材料”という用語は、特定の（通常は細長い）方向に沿った一次電気伝導長のための抵抗値を与えるようにバインダポリマ内に配置された、１つ又はそれ以上の連続フィラメントを含む構成部品又は素子を指す。さらに、連続フィラメントは、複合部材を通して、例えばプローブコンタクトに変換される電流又は電荷のレベルを精密に定義し制御する少なくとも１つの二次電気伝導経路を生成するように、相互連結又は相互接続されることができる。
【００１４】
“複合部材”は、種々の複合成形技術から、ロッド、シャフト、シート、ピラー、パイプ、チューブ、中空体又は他の半仕上げ製品、又は完成品を含むがそれらに限られない形態をとることができる。例示的な実施形態では、“複合部材”は、例えば約０．０１ｍｍから約１００ｍｍまで、又は例えば０．０００４インチから約４インチまでの直径を有する複合材ロッドとすることができる。付加的な例では、複合材ロッドは、約０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）から約０．０２５インチ（０．６３ｍｍ）の範囲にわたる直径を有することができる。複合材ロッドが高性能コンタクトセンサ又はプローブのために設定されているときには、約０．０５から約０．５インチの短い長さを用いることができる。例えば、高性能プローブは、±０．００１インチ又はそれより短い長さの許容差を有する、約０．０７０インチの短い長さを有する複合材ロッドから製造することができる。
【００１５】
ここで用いられるように、そして他に特定されない限り、“連続フィラメント”（ここでは、また“連続ファイバ”とも呼ばれる）という用語は、一次電気伝導経路を与えるために、複合部材の縦方向軸（すなわち細長い方向において）とすることができる主軸に沿って連続的に延びるフィラメント／ファイバ／ファイバ・トウを指す。連続フィラメントは、典型的には、市販で、“トウ”と呼ばれる単位で製造され、販売されている。トウのうちの個々のファイバは、バインダポリマによって及びその中で互いに離れるように、複合部材内で組み立てることができ、又は、バインダポリマ内で緊密に一つに束ねることができる。種々の実施形態では、連続フィラメント又はフィラメント束のアレイは、バインダポリマ内に含まれることができ、物理的、機械的、電気的、光学的、及び／又は対象組成物の関心ある特性を表すマクロスケール又はマクロ規模を有する他の特性によって特徴づけられる。或いは、これらの特性は、マクロスケールで調査され表される。例えば、樹脂内に分布されたファイバの相対的な塊又は装填量は、マクロスケール特性として見ることができ、複合材のサンプル断面内のファイバの分布は、マイクロスケール特性として考えることができる。このマクロ及びマイクロの区別は、一般的には、任意的なものではなく、本明細書に説明される実施形態は、マイクロスケール組成物への改質を採用して、構成部品全体のマクロスケールで測定できる出力特徴に影響を及ぼすことができるため、重要である。
【００１６】
連続ファイバ／フィラメントは、タイプ、サイズ、形状、及びそれらが含むファイバの数により指定することができる。例えば複合部材は、約１０から１００，０００又はそれより多い数のファイバを含むことができる。例示的な実施形態では、連続ファイバ／フィラメントは、複合部材において数にして約１００から約１０，０００ファイバとすることができる。種々の実施形態では、各々のファイバ／フィラメントは、例えば、シリコン、ドープ・シリコン、炭素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、金属酸化物、ドープ金属酸化物、又は他の好適な素子を含むことができる又はこれらでドープすることができる。例えば、連続ファイバ／フィラメントは、炭化ポリフェニレン酸化物（ＰＰＯ）ファイバ又はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）炭素ファイバ、ピッチ系炭素ファイバ、部分炭化ＰＡＮファイバ、及び他の黒鉛を含む同類の物といった、炭化合成ファイバを含むことができる。さらに、各々のファイバ／フィラメントは、ウィスカ、ワイヤ、針、ツメ、糸、編み糸、布地、又はそれらの組み合わせを含むが、これらに限られない例示的な形態をとることができる。種々の実施形態では、ファイバ／フィラメントは、例えば、約１００ナノメートル又はそれよりも小さい幅又は直径のナノスケールで、少なくとも１つの小さい規模を有することができる。さらに、バインダポリマ内の各々の連続ファイバ／フィラメントは、例えばファイバ／フィラメントに用いられる材料によって、特定の抵抗をもつことができる。実際は、個々のファイバ又はファイバ・トウの長さ毎の抵抗（Ｒ／Ｌ）は、しばしば、選択される原材料及びファイバ製造者によって実行されるプロセスにより、予め決められる。代替的には、薄金属層コーティングといったファイバ上のコーティングは、ファイバの電気的又は他の特性を改質するのに用いることができる。さらに、例えば“スパン・ブロークン”又は“ステープル長”のような複合部材の連続長さよりも短いファイバを用いることができる。例示的な実施形態では、各々のファイバは、約０．０１から約１０００メガオーム／ｃｍの範囲の抵抗を有することができる。
【００１７】
連続フィラメント／ファイバは、引き抜き成形、圧縮成形、伝達モデリング、フィラメント巻き、プリプレグ成形、ファイバ配置工程、射出成形、挿入成形、押し出し、射出吹込み、溶液流延又は他の形成及び／又は成形技術を含むがこれらに限られない技術を用いて、バインダポリマ内に形成することができる。例えば、引き抜き成形プロセスでは、連続ファイバ／フィラメント／ファイバ・トウは、複合材料の大量生産のために好適な母材樹脂を用いて、注入のために樹脂液相に入るよう向けられることができる。種々の実施形態では、一定の断面をもつ開示される複合部材は、補強ファイバを、樹脂を通して引き込むことにより形成することができ、この後で別個の予備成形システムが続き、加熱金型の中に引き込み、ここで樹脂は重合を受ける。ここで用いられる樹脂は、種々の実施形態によれば、導電性又は絶縁性とすることができる。
【００１８】
二次電気伝導経路を作成するために、種々の材料／方法を、新規な開示される複合部材を形成するために採用することができる。１つの実施形態では、半導電性又は導電性である非絶縁バインダポリマは、（図１Ａに表されるように）複合部材を形成するように、連続フィラメント／ファイバと組み合わせることができる。別の実施形態では、半導電性又は導電性である非絶縁充填剤は、（図１Ｂに表されるように）全長を通して１つ又はそれ以上の連続フィラメント／ファイバを含む絶縁バインダポリマに導入することができる。付加的な実施形態では、ナノスケールの非絶縁充填剤を挿入して又は原位置で形成して、（図１Ｃに表されるように）絶縁バインダポリマ内で、１つ又はそれ以上の連続フィラメント／ファイバが相互連結するようにすることができる。ここで用いられるように、“非絶縁”又は“導電性”という用語は、例えば部分的に導電性である、半導電性である、又は導電性であるといった、材料（例えば充填剤粒子又はバインダポリマ）の電気的特性を指す。
【００１９】
図１Ａ乃至図１Ｃは、本教示による例示的な複合部材の一部分を示す。図１Ａ乃至図１Ｃに示される複合部材１００Ａから１００Ｃは、一般化した概略図を表しており、他のファイバ／フィラメント／充填剤／バインダポリマを加えること又は既存のファイバ／フィラメント／充填剤／バインダポリマを除去又は改質できることが当業者には容易に理解できるであろう。
【００２０】
表されるように、図１Ａは、連続フィラメント１１０と非絶縁バインダポリマ１３２とを含む、第１の例示的な複合部材１００Ａを含む。連続フィラメント１１０は、一般的には均一な分布で、細長い方向に沿って、非絶縁バインダポリマ１３２にわたって分布させることができ、ポリマは、固体構造を形成するようにファイバを囲んで拘束する。
【００２１】
連続フィラメント１１０は、本明細書に開示されるように、１つ又はそれ以上のフィラメント又はフィラメント・アレイを含むことができる。非絶縁バインダポリマ１３２は、例えば、半導電性又は導電性であることができ、意図される用途の要件を満たすように好適に選択された導電率又は抵抗率を有する。抵抗率は、開示される複合部材１００Ａ及びさらに別のあらゆる関連センサ又はプローブ・デバイスのための主要な電流導管として連続フィラメント１１０を有するために、連続フィラメント１１０の抵抗率と等しく又はそれよりもわずかに大きくなるように調整することができる。
【００２２】
非絶縁バインダポリマ１３２は、例えば、有機ポリマ半導体及び有機半導体とも呼ばれる、単相の、本質的には導電性ポリマを含むことができる。非絶縁バインダポリマ１３２は、例えば、ポリピロール、ポリアニリン、又はそれらの誘導体を含むことができる。種々の実施形態では、非絶縁バインダポリマ１３２は、連続フィラメント１１０のそれよりもわずかに大きい、効果的な抵抗率を有する母材を形成するように、例示的なポリピロール及び／又はポリアニリンに金属ドーパントを含むことができる。
【００２３】
図１Ｂでは、例示的な複合部材１００Ｂは、連続フィラメント１１０と、非絶縁充填剤１２４と、絶縁バインダポリマ１３４とを含むことができる。連続フィラメント１１０は、細長い方向に沿って、絶縁バインダポリマ１３４にわたって分布されることができる。非絶縁充填剤１２４は、種々の位置で連続フィラメント１１０を相互連結するように、絶縁バインダポリマ１３４にわたって分布されることができる。
【００２４】
非絶縁充填剤１２４（ここでは導電性充填剤１２４とも呼ばれる）は、少なくとも半導電性とすることができ、連続フィラメント１１０のサイズよりも本質的には小さいサイズを有する粒子を含むことができる。導電性充填剤１２４は、例えばバインダポリマ１３４内で緊密に詰められたフィラメント１１０の間に自然に存在する、空隙体積を少なくとも部分的に充填するのに用いることができる。導電性充填剤１２４は、バインダポリマ１３４内のファイバ間空間に詰められる、ナノ視的で制御される導電性粒子とすることができる。好適なナノ視的粒子は、ナノチューブ、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノファイバ、及びその同類の物を含むがそれらに限られるものでなく、さらに、カーボンナノチューブ、ホウ素ドープ・カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ、剥離黒鉛小プレート、非黒鉛小プレート、ドープ・シリコン・ナノワイヤ、カーボンナノファイバ、金ナノワイヤ、銅又は他の金属／金属酸化物含有ナノワイヤ、非炭カーボンナノファイバ、又はそれらの組み合わせを含むがそれらに限られるものでない。
【００２５】
例示的な導電性充填物１２４は、複合部材１００Ｂの全重量に基づいて、例えば約１０重量％又はそれより少ない、時には約重量２％又はそれより少ない、少量の装填量を有することができる。連続フィラメント／ファイバ１１０と適合する又はこれをわずかに上回る抵抗率を与えるために、適切な濃度を用いて、並行に延びる抵抗性フィラメント１１０の長さに沿った相互接続部の十分な数及び分布を構築することができる。導電性充填物１２４は、連続フィラメント／ファイバ１１０の長さに沿って、多数の抵抗制御電気相互接続部を与えるために、比較的大きいアスペクト比を有することができる。種々の実施形態では、導電性充填物１２４は、約１．０から約１０まで、又はこれより高いアスペクト比を有することができる。
【００２６】
絶縁バインダポリマ１３４は、例えば、熱硬化性又は熱可塑性樹脂を含むことができる。例えば、ポリエステル、ポリウレタン、ビニール・エステル、ポリプロピレン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、又はエポキシを含む多くの樹脂を用いることができる。絶縁バインダポリマ１３４は、連続フィラメント／ファイバ１１０と導電性充填剤１２４を、固体の塊に凝固させることができる。例示的な実施形態では、導電性充填剤１２４は、バインダ相において充填剤相として機能することができる。バインダポリマにおいて導電性充填剤を含むそのような前複合ポリマの好適な例は、Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇの商標の下で、Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄ．  Ｃｏ．により販売されており、例えば製品番号ＰＲ−４０１Ａ、ＰＲ−４０２Ａ、ＰＲ−４０３Ａ、及びＰＲ−４０４Ａを有する物を含むことができる。
【００２７】
種々の実施形態では、分散、混合、及び／又は、可溶性又は液相の熱可塑性又は熱硬化性ポリマ（例えば図１Ｂの１３４）にさらに、少なくとも１つの、細かい、粒子サイズの導電性充填剤（例えば図１Ｂの１２４）を含む乳濁液を用いて、開示される複合部材１００Ｂを形成する例示的な引き抜き成形プロセスに用いることができる。
【００２８】
例示的な実施形態では、導電性充填剤１２４は、（連続フィラメント１１０に用いられたような）１つ又はそれ以上の連続フィラメント、例えば抵抗性炭素ファイバを、好適なサイズの粒子に摩滅させること又は研磨することによって形成することができる。導電性充填剤１２４は、親フィラメント／ファイバ１１０よりも大幅に小さいサイズを有することができる。例えば、導電性充填剤は、約１０から約１，０００倍だけ小さい範囲を有する少なくとも１つの面において、親フィラメント／ファイバよりも小さくてよい。この場合、導電性充填剤１２４は、親ファイバ１１０の抵抗特徴を有することができる。例示的な引き抜き成形プロセスでは、結果として生じる導電性充填剤１２４と親連続フィラメントとは、絶縁バインダポリマ１３４と両立性をもって混じり合い、所望の電気特性を有する複合部材を形成することができる。実際には、例示的な抵抗性炭素ファイバの源及び在庫が存在するため、この例示的な実施形態は容易に実施できる。
【００２９】
図１Ｃでは、例示的な複合部材１００Ｃは、連続フィラメント１１０と、原位置導電性充填剤１２６と、絶縁バインダポリマ１３４とを含むことができる。１つ又はそれ以上の連続フィラメント１１０は、一次電気伝導経路を与えるように、細長い方向に沿って、絶縁バインダポリマ１３４全体にわたり分布させることができる。導電性充填剤１２４は、二次電気伝導経路を与える連続フィラメント１１０を相互連結させるように、絶縁バインダポリマ１３４全体にわたり分布させることができる。
【００３０】
原位置導電性充填剤１２６は、種々の特定位置において連続フィラメント／ファイバ１１０を相互連結するように、挿入する又は原位置に形成することができる、何らかの導電性充填剤（例えば図１Ｂに説明される充填剤１２４）を含むことができる。例えば、原位置導電性充填剤１２６は、例えばフィラメント／ファイバの表面上に取り付けられた触媒金属（例えば金）原子の出現しつつあるイメージング、及び、既知の化学気相成長法を用いて、元位置でパターン形成し成長させることができるナノ視的の巨視的ファイバ間の連結とすることができる。化学気相成長法は、複合材形成プロセス（例えば、引き抜き成形）の前に又は後で実行することができる。原位置導電性充填剤１２６は、例えば、カーボンナノチューブ、ドープ・シリコン・ナノワイヤ、及び、ナノスケール黒鉛プレート、非黒鉛小プレート、ナノロッド、カーボンナノファイバ、非カーボンナノファイバ、又はバインダポリマ母材１２４内で連続フィラメント１１０を相互連結するように原位置に形成された他の非導電構造体を含むことができる。これらのファイバ間の連結は従って、ファイバに沿った、特定の精密に制御された場所及び数で成長させて、連続フィラメント／ファイバ１１０間のナノ視的な相互接続部の数及び位置を生成し制御することができる。或いは、相互接続部は、例えば、その形成プロセス中で、最終固体形態への部材の最終凝固の前に、複合部材の長さに沿った種々の点で、微視的な量の好適なナノファイバ充填樹脂を注入することを含むあらゆる好適な方法により、部材の長さに沿った特定の位置に物理的に挿入することができる。
【００３１】
開示される複合部材（例えば図１Ａ乃至図１Ｃに表される１００Ａから１００Ｃ）は、従って、抵抗性連続フィラメント／又はファイバ又はそれらのアレイを用いることにより一次電気伝導経路を有し、非絶縁バインダポリマ及び／又はバインダ母材においてファイバ間連結として機能する種々の導電性充填剤を用いることにより二次電気伝導経路を有することができる。開示される複合部材は、センサ又は計器試験プローブに用いられるときに、多くの利点を提供することができる。
【００３２】
例えば、開示される複合部材は、それらの前の世代（ここでは世代−１複合部材としても呼ばれる）と比較することができる。世代−１複合部材は、典型的には、抵抗性フィラメント／ファイバ（例えば図１Ａ乃至図１Ｃにおける１１０）が、隣接するファイバと電気コンタクトを確立しないように電気的に絶縁し、ファイバを凝固された塊に拘束するために、絶縁バインダポリマ（例えば図１Ｂ乃至図１Ｃにおける１３４）のみを含む。抵抗性ファイバに以外は、世代−１複合部材は、付加的な導電性充填剤（例えば図１Ｂ乃至図１Ｃにおける１２４）又は導電性バインダポリマ（例えば図１ａＡにおける１３２）をもたない。図２Ａは、本教示による例示的な世代−１複合部材の側面図の、倍率を引き上げた例示的なＳＥＭ顕微鏡写真を示す。例示的な世代−１複合部材は、抵抗性炭素ファイバを充填した複合部材である。図２Ｂは、本教示による例示的な世代−１複合部材の端面図の、倍率を引き上げた例示的なＳＥＭ顕微鏡写真を示す。表されるように、図２Ｂは、絶縁エポキシバインダ樹脂に組み込まれ囲まれた、抵抗性ファイバ（円形の素子として表わされる）間の関係を示す。対照的に、図２Ａは、固形複合部材を表わすファイバの連続長さを図解する例示的なＳＥＭの複合部材の縦方向図である。世代１の複合部材と改質された複合部材との間を比較する目的で、例えば、図１Ｂに図解されるように、連続フィラメント１１０の間の、交差ファイバ及び制御された抵抗性ブリッジは、小さいサイズの抵抗性充填剤粒子、例えば導電性充填剤１２４がバインダポリマ母材１３４に採用されるときに、改質複合部材１００Ｂに含まれることができる。
【００３３】
種々の実施形態では、開示される改質複合部材（例えば図１Ａ乃至図１Ｃにおける１００Ａから１００Ｃ）は、高性能計器プローブ・デバイス及びセンサを提供するのに用いることができる。プローブ組み立てプロセスは、例えば、連続フィラメント／ファイバを準備し、準備された連続フィラメント、バインダポリマ及び／又は導電性充填剤を含む複合部材の形状を形成し、成形した複合部材からセンサ又はプローブ先端部に対するプローブ接触を為すこと、を含むことができる。
【００３４】
機能デバイスを組み立てるために、多数の連続フィラメント、ファイバ、又はファイバ・トウが、必要な抵抗率を与えるように最初に準備することができる。例えば、多数の抵抗性炭素ファイバは、当業者には既知のプロセスにより、ファイバの制御された炭化によって準備することができる。抵抗性炭素ファイバは、例えば、約１００から約１０，０００ファイバを含むことができ、各々のファイバは、約０．０１から約１，０００メガオーム／ｃｍの範囲の抵抗を有する。
【００３５】
準備された連続フィラメント、ファイバ、又はファイバ・トウは、次いで、複合材成形技術によって、本発明による好適な絶縁又は導電性のバインダポリマと組み合わせることができる。例えば、引き抜き成形プロセスは、円い複合部材の長い連続長さ（例えば約５００フィート又はそれより長い）を作る主流プロセスとして用いることができる。特定の実施形態では、例えばテキサス州ヒューストン所在のＨｅｘｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  Ｉｎｃ社で製造される製品番号Ｅｐｏｎ８６２、Ｅｐｏｎ８６８、又はＥｐｏｎ８６３を有する、好適な架橋剤と反応させられるエポキシ樹脂は、ロッド形状の固形プラスチックを形成するようにバインダポリマとして用いることができ、ファイバは、複合材ロッドの縦方向軸に沿って連続して延びる。代替的には、例えば、所望の形状で短い長さを形成するには、射出成形、圧縮、又はトランスファ成形を含むがそれに限られない他の成形技術を用いることができる。
【００３６】
長い複合部材は、次いで、所望のコンタクト、センサ、又は計器プローブに処理しカスタマイズすることができる。図３は、本教示により、例示的な計器プローブの例示的な組立体３００を表す概略図である。プローブ組立体３００は、例えば、コンタクト先端部３３０、プランジャ又はばね要素３２０、ホルダ又は取り付け要素３１０、及び試験対象３４０を含むことができる。コンタクト先端部３３０又はプローブ先端部は、取り付け要素３１０とさらに接続されるプランジャ要素３２０と接続されることができる。試験対象３４０は、コンタクト先端部３３０の下に配置することができる。
【００３７】
コンタクト先端部３３０は例えば、上記に開示されたように、例えばジェット水流プロセスにより長い複合部材から切断される、図３に表される短い複合材ロッドといった小型サイズのプローブ先端部とすることができる。プローブ先端部３３０は、例えば約０．０７０インチから約０．１００インチまでの長さと、例えば０．０１０インチから約０．０２５インチまでの直径を有することができる。プローブ先端部３３０、例えば短い複合材ロッドは、良好に制御されたサイズ、形状、トポグラフィ、形態、及び組成を有するロッド端を有することができる。そのようなロッド端は、例えば、信頼性のある高接触領域プローブ及びセンサ接触を与えるプローブ先端部３３０に対する接触面として用いることができる。
【００３８】
好適な電気機械的特性を有する接触は、次いで、例えば、当業者に知られる金属とプラスチックとの間のクリンプ及び／又は導電性接着により、例えば、適切な金属相互接続プランジャ要素３２０を、小型プローブ先端部３３０の接触面（すなわちロッド端）と接合することにより為される。コンタクト、及び具体的には先端部と接続したプランジャ要素３２０は、次いで、通常の組み立て方法によって、ホルダ要素３１０に組み立てることができる。
【００３９】
例示的な実施形態では、プランジャ要素３２０は、プローブ先端部３３０と試験対象３４０との間に所望の接触圧力を加える好適なばね要素（図３には表されないが、本体３１０の中に収容されることができる）で構成することができる。試験対象３４０は、ＩＣ、半導体、パッケージ、相互接続部、回路経路、及び関連する回路部材を含むことができるが、これらに限られるものでない。試験対象３４０への電気コンタクト、例えばＩＣパッケージの脚部は、プローブ３３０の“先端部”にしてもよいし、或いは、プローブ３３０の周縁部に沿ったあらゆる点にしてもよく、抵抗性ファイバは、ロッド・プローブ３３０の周縁部全体に沿って、一方の接触面から他方の接触面へと連続的にわたる、制御された電気抵抗を有する。
【００４０】
開示されるプローブ組立体３００は、電子産業において、（例えば高周波及び複合混合周波数で）構成部品の動的挙動を特徴づけるために用いることができる。比較の目的で、図４は、本教示による、複合部材から形成されたプローブの例示的な結果を示す。この例では、複合材ロッドの一片（すなわち抵抗性ファイバとバインダポリマを含む）は、所望の長さに切られ、接着剤として銀プリントを用いる試験固定具に取り付けられる。サンプル・ロッド（プローブ）は、長さ約０．６０インチに切断され、金属化された端部間の間隙は、約０．５０インチである。端部から端部まで測定されるＤＣ抵抗は、約５７５オームである。試験中、約５０Ω出力の正弦波ジェネレータは、周波数にわたるこの固定具を通る等価直列インピーダンスと併せて、損失応答を測定するのに用いられる。具体的には、図４は、従来の金属プローブに対する周波数の関数としての損失曲線４１０を含む。表されるように、周波数依存損失はあるマグニチュードさで始まり、中間周波数で増加し、高比率周波数（ＲＦ）で減少する。相対的に、図４に曲線４３０として表される理想的なプローブ素子の挙動は、周波数の広域スペクトルにわたり、周波数の関数として、損失の変形がない。開示されるプローブ接触の挙動は、図４に曲線４２０として表され、従来の金属接触の損失挙動と比べて明らかに改善されており、理論上理想的なコンタクト材料の挙動に接近する。
【００４１】
マグニチュード損失の特定のレベルは、特定の電気試験プローブの所望の特徴とすることができることに留意されたい。損失のマグニチュードは、プローブ素子と試験対象（すなわちＤＵＴ）との間の接触点に直接、特定の抵抗特徴を分布させることによって、所望の機能を果たすことができる。予見できる損失は従って、とりわけ、ＤＣからＲＦ周波数領域にわたり一定又は線形であるとき、及び接触要素の領域にわたり一定であるときに好ましい。重要なことには、損失特徴は、望まない過電流、定常状態の寄生電流の引き込み、及びほとんどの他の望ましくないノイズから、動作回路及びＤＵＴをバッファすることができる。結果として、世代―１複合部材及び改質複合部材（例えば図１Ａ乃至図１Ｃの１００Ａから１００Ｃ）を有する計器プローブは、そのような有益な特徴を提供することができる。
【００４２】
しかしながら、図４に戻って参照すると、ほぼ３ｄｂマグニチュードの変動を、周波数の非線形関数として、出力信号（すなわち曲線４２０の損失信号）に見ることができる。さらに、他のデータ（図示せず）は、低周波遷移に、ＤＣにおいて、小さいものではあるが同様な不安定性を示す。故に、発見された複合部材でも、従来の金属プローブに改善を与えることができ、理想的な損失挙動に近づくことができる。
【００４３】
試験構成部品の動的挙動を特徴づけるために電子産業で用いられる通常のプローブ方法及び材料は、その動作中の挙動の測定において、試験下デバイス（ＤＵＴ）に大きい度合いで干渉することが知られている。長年、業界は、この問題を解決しようとして、多くの辛うじて許容できる対策に適応してきた。例えば、１つの通常の解決策は、試験イベント中、ＤＵＴから抽出される電流を最小化しようとする、複合高インピーダンス・プローブ素子に依存する。他の対策は、能動デバイスをプローブすることによって引き起こされる誘起歪みを、電子的にフィルタ処理するか又そうでなければ補償しようとする。一方、新しいプローブ方法／感知方法において関心及び要求が大きくなるにつれて、干渉のない接触プロービング信号が、全体の周波数スペクトルを補うのに必要とされる。
【００４４】
世代―１及び本発明の複合部材の特定の関心は、非線形周波数応答を含むことができ、それは、例示的な炭素ファイバ・ロッド・プローブ素子内での、低い（おそらく非常に低い）レベルの容量性又は誘導性効果に帰する。非線形応答は、次には、例示的な炭素ファイバのアレイ及び絶縁バインダ樹脂における空間の間を通る一様でない電流を引き起こす。近くのファイバを通って流れる電流の非線形分布は、小さいが重要な電界、並びに、プローブ先端部が試験回路に伝送する電気回路にインダクタンスを加える機能を果たす、近くの隣接するファイバ間にある関連する磁界において変動を生成する。付加的に、非線形スペクトル応答に対する第２の原因は、世代―１複合材の誘電率に起因しており、絶縁ポリマによりその長さに沿って分離された抵抗性ファイバの配列に基づいている。誘電率は、短時間領域、プローブ先端部内のわずかであるが重要な容量性効果を通して電荷保持を促すことができる。対象の問題の全てではなくても多くは、有害な容量性又は誘導性効果に変化を生じる、制御された電気伝導経路を有する本発明の複合材を用いて克服することができるであろう。
【００４５】
図５は、複合プラスチック組成を有するデバイスに存在すると信じられている、プローブ素子の回路モデルの簡略化したブロック図である。図５に表されるように、小さい電気容量及び／又はインダクタンスは、複合材の大きい抵抗素子と並列であることができる。これは、ファイバ及び／又はファイバ束の間のバインダポリマの電気絶縁特徴が、隣接するファイバ及び隣接する通電ファイバの抵抗における限りのある差異のために、複合材料のこのクラスの周波数応答を、生得的に限定できるためである。そのような差異は、周波数が上がるに伴い、より大きくなることができる。
【００４６】
上記の理由のために、世代―１複合部材は、例えば図１Ａ乃至図１Ｃに表されるような複合部材１００Ａから１００Ｃを形成するように改質することができる。改質は、例えば、導電性バインダポリマを用いることにより大量の導電性をように調整し、抵抗を修正するようにナノ視的の粒子状導電性充填剤材料を組み込み、又は主要な通電ファイバを相互接続できるナノフィブリルを原位置成長（例えば化学気相堆積、ＣＶＤ）させることによって、実行することができる。開示される複合部材（例えば１００Ａから１００Ｃ）は、よって、観察される信号歪みの一因となる容量性及び／又は誘導性領域を縮小する又は排除するように、ファイバ間及び１つ又はそれ以上の位置においてファイバの長い方向に沿って、二次電気経路を生成して採用することによって、大きい損失を克服することができる。
【００４７】
本発明の他の実施形態は、本明細書に開示される発明の仕様及び実施の検討から、当業者には明らかになるであろう。仕様及び例は、特許請求の範囲に示される、本発明の真の範囲と精神と共に、例示的なものとしてのみ検討されることが意図される。
【符号の説明】
【００４８】
１００Ａ：複合部材
１００Ｂ：複合部材
１００Ｃ：複合部材
１１０：連続フィラメント
１２４：非絶縁充填剤
１２６：原位置導電性充填剤
１３２：非絶縁バインダポリマ
１３４：絶縁バインダポリマ
３００：プローブ組立体
３１０：取り付け要素
３２０：プランジャ又はばね要素
３３０：コンタクト先端部
３４０：試験対象
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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