使用精密箔電阻的10個技術理由

   日期:2018-12-08     瀏覽:243    

從1962年物理學家 Felix Zandman博士發明第一顆箔電阻起,時間已經過去快六十年,Bulk metal®  Foil箔電阻科技在要求高精度,高穩定性,和高可靠性的應用方面仍然遠遠超越其他電阻科技,威士精密測量集團提供多種規格和包裝的精密箔電阻產品,以滿足各種應用需求。

2000年,威士精密測量集團實現了一項突破性的技術被稱為Bulk metal®  Z-Foil箔電阻科技。基于這種革命性技術做出的箔電阻,在-55℃~+125℃溫度范圍內、+25℃參考溫度下,Z箔電阻具有±0.2 ppm/°C 典型TCR,并且在0℃~60℃溫度范圍內、+25℃參考溫度下,Z箔電阻具有±0.05 ppm/°C  典型TCR,Z-Foil箔電阻科技比以前的箔電阻科技提供更高數量級的性能。溫度系數越低,電阻越好。溫度系數低的電阻,即使在環境溫度的波動和它通電時候產生的自熱影響下,仍能保持它原來的阻值。

憑借威士箔電阻全面的穩定性和可靠性優勢,設計人員可以明顯地減少電路的出錯情況并且可以極大地提高電路的整體性能。

金屬箔電阻科技允許威士箔電阻工廠生產以客戶為導向而設計的產品,以滿足設計人員具有挑戰性的設計要求。

我們的應用工程部門可以提供專業的技術咨詢和建議,如果您有特殊的定制要求,歡迎隨時和我們取得聯絡。

主要特點

●   溫度系數(TCR)

 ±0.05 ppm/oC 典型(0 oC to +60 oC, +25 oC ref.)

 ±0.2 ppm/oC 典型(-55 oC to +125 oC, +25 oC ref.)

●   功率系數

“?R 基于自身熱量”: ±5 ppm 額定功率

●   負載壽命穩定性: to ±0.005 % (50ppm) at +70 oC, 10,000 小時,額定功率

●   精度: to ±0.001 % (10 ppm)

●   阻值范圍: 0.5 mΩ to 3.3 MΩ

●   靜電放電負荷 (ESD) 至少25, 000 V

●   無感無容設計

●   上升時間: 1 ns 無振鈴

●   熱穩定時間< 1 sec  (常規阻值的穩態值在10ppm以內)

●   電流噪聲: 0.010 μV (RMS)/Volt 加載電壓(< - 40 dB)

●   熱EMF: 0.05 μV/oC

●   電壓系數: < 0.1 ppm/V

 調阻操作每一步都精確地從細微的位置增加阻值,所以蝕刻區域保持其可靠性和無噪音, (如圖4 和圖 5)

●   無鉛環保引腳,鉛錫合金引腳或金引腳

箔電阻產品范圍

●   表面貼裝電阻, 模壓電阻和網絡電阻

●   功率電阻和電流檢測電阻

●   符合軍標可靠性認證 ( QPL, DSCC, EEE-INST-002, ESA, CECC)

●   插件電阻

●   密封電阻

●   微調電位器

●   分壓電阻和網絡電阻

●   混合貼片電阻(可引線結合貼片電阻)

●   高溫電阻 (>220°C)

理由 1:

溫度系數(TCR)

“為何需要用非常低溫度系數的電阻?” 這是在評估電路系統性能和成本的時候可能會問的一個問題。 答案是由于多個電路系統組合。以下頁面討論對精密模擬電路非常重要的金屬箔電阻的10個不同的獨立技術性能。當每一個性能被獨立清晰地討論時,很多電路要求這些性能的特定組合,通常,所有的性能會被要求在同一個電阻裝置中測試。比如說,某個性能的測試要求使用一個運算放大器。

在運算放大器中,增益是由反饋電阻對輸入電阻的比例確定的。不同放大器的共模抑制比是基于四個電阻的比例確定。在兩種情況下,這些電阻比例的任何改變都會直接影響電路的性能。這些比例可能由于電阻不同的溫度系數,在經歷不同的加熱影響而改變(無論是內部還是外部)。不同的環境溫度變化跟蹤,對不同的相位輸入或者高頻信號的響應時間,由于不同功率水平產生的微分焦耳加熱, 超出設計壽命后阻值改變量的不同等等。所以我們很容易看到很多電路都依靠很多相關應用的穩定性能是很平常的情況。 — 所有都在同一時間,同一裝置上。Bulk metal®  Foil 金屬箔電阻科技是唯一一種在同一電阻裝置中提供所有這些嚴密特性的電阻科技。低噪音是箔電阻科技固有的,可以適合低噪音要求的特殊應用場合。所有這些特性都是箔電阻科技固有的。并且所有箔電阻產品都自動地具有這些特性。

解決這些問題的方案就是使用低溫度系數的電阻以保持使溫度變化的影響降到最低。

初始溫度系數

兩個可預計的和相對的物理現象,電阻內部合金的合成結構和它的基質是Bulk metal®  Foil金屬箔電阻獲得低溫度系數的關鍵因素。

金屬箔電阻的溫度系數通過匹配兩種相反的作用效果來實現。- 由于溫度的增加引起內部阻抗的增加 vs. 壓縮- 阻抗的減小與同一溫度增加相關。兩種作用同時發生引起一個通常低的,可以預計的,可重復的,可控的溫度系數結果。

由于威士精密集團的Bulk metal®  Foil 金屬箔電阻設計,這種溫度系數 TCR會自動實現,不用篩選,不用注意阻值或者制造日期 — 甚至是很多年以后!

改進的金屬箔電阻Bulk metal® Z-Foil 溫度系數可以做到 ±0.2 ppm/°C

箔電阻科技每過幾年就會進步,溫度系數會有重大改進。

圖 1 顯示威士箔電阻工廠用于生產金屬箔電阻的各種合金的典型溫度系數特性。

初始的C合金展示的是在冷端部分是一條對溫度負響應的的正斜率的弦,熱端部分是一條對溫度的正斜率的弦。

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接下來是K合金,在冷端部分是一條對溫度的負的弦的斜率,熱端部分是一條對溫度的正的弦的斜率。事實上,它提供了一條溫度系數曲線近似C合金的一半。

最新的發展是Z合金和Z1合金箔電阻科技,突破了類似于K合金的箔技術,提供的溫度系數曲線比C合金好很多倍,比K合金好五倍。

利用這種技術,可以做出非常低溫飄的電阻,并且這種電阻對溫度的反饋接近于零。

這種技術的發展的結果是,相對于以前的技術,以及其他電阻技術,這種技術極大地提高了電阻溫飄性能。

典型溫度系數TCR

箔電阻典型溫飄被定義為阻值改變的相關曲線 vs 溫度曲線(RT) curve, 單位為ppm/°C (百萬分之一每攝氏度)。斜率定義在0 °C to + 25 °C 和 + 25 °C to + 60 °C (儀器溫度范圍);  - 55°C to + 25 °C 和 + 25 °C to+ 125 °C (軍標范圍)。

這些規定的溫度和定義的典型溫飄弦的斜率適用于所有阻值電阻包括低阻值電阻。注意,盡管如此 , 除了四腳的開爾文連接低阻值電阻,引腳阻值和關聯溫飄可能必須考慮。所有類型引腳阻值和溫飄的測量是以引腳的1/2” 為參考點進行的。低阻值電阻的溫飄預期增加值請和我們的應用工程部門聯系。

 跟蹤溫飄

“跟蹤溫飄” 是兩個或者更多電阻的穩定性的比較。當超過一個電阻在同一個基質上時, (如圖2),假設是兩個分立電阻,溫飄跟蹤比溫飄更好描述同一批的不同科技制作的電阻阻值隨溫度的增加或者減少,阻值跟蹤比率受外部熱量的影響。 (如環境溫度的上升或者臨近的溫度更高的元件) 也包括內部熱量(由于功率損耗產生的自熱)。在同一溫度下,電阻可能經過篩選,具有好的溫飄。但是變化是由于不同的內部溫度不同(比如:功率損失不同) 或者不同的位置溫度不同(比如,來自周圍元件的不同熱量) 會逐層地跟蹤,并產生額外的溫度-關聯錯誤。因此在精密應用領域,低的絕對溫飄是非常重要的。

最好的模擬設計將被用于低絕對TCR電阻的基礎,因為它可以使得環境溫度和自熱溫度對電阻的影響最小化。

這對于高溫飄的電阻> 5 ppm/°C是不可能的。即使電阻具有很好的內部跟蹤溫飄小于2 ppm/°C。

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理由 2:

電阻功率系數 (PCR)

電阻溫飄TCR 通常會給出一個溫度范圍,這個溫度范圍是通過測量阻值在兩種不同環境溫度情況下獲得: 室內溫度和冷卻空間溫度或者是高溫空間溫度。阻值改變的比率和不同溫度會產生一條斜率曲線?R/R = f (T) 。 這個斜率通常表達為百萬分之一每攝氏度T (ppm/°C)。在這種情況下,統一了測量阻值的溫度標準.實際情況中,無論如何,電阻溫度的上升也是一部分,由于電阻加載功率部分功率會浪費在產生自熱 。根據焦耳效應,當電流通過電阻時,電阻會產生相關的熱量,因此,對于精密電阻,獨立的溫飄TCR不能表示實際的阻值改變量,因此,另外一種參數被用于描述包含這種固有的電阻特性–阻值功率系數(PCR)。 功率系數(PCR )是表示每一百萬分之一每瓦或者額定功率下的一百萬分之一。Z-foil 金屬箔功率電阻,額定功率下的功率系數PCR是5ppm典型值,或者4ppm每瓦典型值。例如:金屬箔功率電阻,溫飄 TCR 是 0.2 ppm/oC 功率系數PCR 是4 ppm/W, 溫度改變量50 oC (從 + 25 oC 到 + 75 oC)  0.5 W 產生的?R/R 是50 x 0.2 + 0.5 x 4 = 12 ppm 改變量。

理由 3:

熱穩定性

電阻通電壓后,產生自熱。箔電阻低溫飄和功率因素使自熱對電阻影響最小。但是為了達到高精密的效果,電阻對環境條件改變或者其他刺激因素的快速響應也很必要 。當功率改變,人們希望電阻的值可以快速調整到穩定值。快速的熱穩定性在一些應用中很重要。電阻必須根據內外因素的變化迅速達到穩定的標稱值,并且偏差在幾百萬分之一的數量級。

多數的電阻科技可能花幾分鐘時間才可以達到它的熱穩定狀態,箔電阻可以立即達到穩定狀態,并且在一秒鐘以內,阻值偏差在幾百萬分之一的數量級內。電阻根據環境溫度和功率的改變準確響應。電阻加功率后產生自熱,引起電阻元素上產生機械應力結果導致逆溫現象。不管怎樣,箔電阻的性能都遠遠超過其他電阻科技。 (如圖 3)

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理由 4:

阻值精度

為何人們要選用非常精密的電阻?一個電路系統或者一個裝置或者一個特殊的電路必須運行預定的一段時間。并且在服務期限的末期,它還可以正常工作。在這個服務壽命期間,它可能已經受到不利條件的影響,因此電阻可能不再保持原來的精度。一個原因是給電阻指定一個比預期到電阻壽命末期精度更嚴格并且可跟蹤的精度,以允許電阻服務期間精度漂移在可以接受的范圍內。另外一個原因是對將電阻精度的要求比對其他電阻原件的要求更加嚴格。

 Bulk metal Foil 金屬箔電阻通過在光刻電阻箔片上選擇性的刻出各種不同的調節點,精度可以做到0.001% , (如表 4)。它們提供可預測的逐步的增加阻值達到期望的精度水平。調阻圖案在這些調節點上進行,改變電流通過更長的路徑,因此阻值是按特殊的百分比增加。調阻工藝在不同的位置精密的增加阻值。所以蝕刻格子內部分區域保持其可靠性和無噪音。在完好的調阻區域,調阻通過細微的變化來達到最終的阻值,精度可以達到0.001%,最終精度0.0005%(5ppm),這是調阻分辨率(如圖5)。

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理由 5:

負載壽命穩定性

為何設計人員關注加負載后的穩定性?負載壽命穩定性可以典型的說明電阻的長期可靠性能。 軍標測試要求10,000 小時內有限數量的飄移和有限數量的失效率。 精密箔電阻有最嚴格的測試要求。無論是否經過軍標測試,箔電阻的負載壽命穩定性無可比擬的,并且確保長期正常使用。

箔電阻具有如此穩定性能是由于它本身的材料結構。Bulk metal®  Foil 金屬箔和高純度的氧化鋁基質。 例如, S102C 和 Z201 電阻 的功率為  0.3 W,125 °C時,2000小時負載壽命測試,阻值最大改變量150 ppm 并且10,000小時負載壽命測試,阻值最大改變量500 ppm (看表 6 和表 7 ) 相反,功率減小使得阻值改變量減小,降低了箔電阻內部電阻元素的溫度升高。表6 表明箔電阻由于負載壽命測試產生的飄移。

圖 7 說明由于功率降低的負載壽命測試產生的漂移。降低環境溫度對負載壽命測試結果會產生影響,圖8說明在額定功率下,不同環境溫度的負載壽命測試產生的漂移。圖9說明在低功率,低溫條件下S102C箔電阻的負載壽命測試結果。

我們的工程人員確保金屬箔電阻的穩定性經過幾種試驗和測試。圖10 顯示金屬箔電阻在29年中的穩定性測試結果。50 個S102C 10 kΩ電阻樣品在70 °C溫度環境, 0.1 W 功率全部持續測試。平均阻值改變量只有60ppm。

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圖11是客戶提供的VHP101系列箔電阻超過8年的貨架壽命測試結果。平均阻值改變量不超過1ppm。

為評估負載壽命穩定性,必須提到有兩個參數,功率和溫度,對于給定的電阻可以合并一個參數。如果電阻在穩定狀態確定溫度上升, 這個上升溫度可以加進環境溫度內,它們表現為組合溫度,(負載引進溫度+環境溫度)。例如, S102C系列威士箔電阻加功率時每 0.1 W升溫9 °C。這會導致以下的計算結果:

如果T = 75 °C, P = 0.2 W,  t = 2000 小時

自熱= 9 °C x 2 = 18 °C

18 °C上升溫度 + 75 °C環境溫度= 93 °C ?R

R max = 80 ppm,如圖12的曲線。

圖12 說明,對于給定的持續負載壽命測試,因組合溫度的增加產生的電阻漂移情況。正如以上解釋的,組合溫度包括因功率加載引起的溫度上升和環境溫度。 曲線表示最大漂移。

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理由 6:

快速響應時間

電阻等效電路,如圖 13,組合了電阻電感和電容,電阻可以被看作R/C電路,濾波器或者電感,取決于它們的幾何形狀。線繞電阻,電抗由線圈和繞線形成的螺旋空隙產生。圖14說明由于持續增加繞線圈數以增加阻值,引起電容和電感的增加 。這種組裝科技試圖減小線繞電阻的電感,但是效果有限。另一方面,在平面形的電阻中,比如Bulk metal®  Foil金屬箔電阻,電阻路徑圖案有意設計成為平行的幾何直線以抵消電抗。

圖15說明一種典型的蛇形的平面電阻阻值路徑圖 。臨近的反方向電流較小了相互的電感,也減小了電容。

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電感和電容對工作頻率產生成比例的電抗,它改變了電阻的效果和電流與電壓在電路中的相位。

電感和電容產生的電抗會干擾輸入信號,尤其在脈沖設備里. 圖16 電流對電壓脈沖響應的比較。金屬箔電阻的響應很快,線繞電阻響應慢。

這里脈沖寬度是十億分之一秒,圖上已顯示線繞電阻會使信號嚴重失真,金屬箔電阻分段完全再現了信號。

在頻率設備中, 這種扭曲反應會引起明顯的阻值改變(阻抗)并引起頻率改變。圖17 說明金屬箔電阻的在不同頻率下交流阻抗對直流阻抗的曲線。金屬箔電阻 在100Ω范圍內,頻率100M,具有很好的響應。1M頻率內所有阻值金屬箔電阻都具有很好的響應。其他科技電阻的性能曲線比金屬箔電阻的曲線會更偏移。 (特別是線繞電阻)。

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理由 7:

噪音: “聽出不一樣”

由于聲音再現的需求越來越多,電路元件的選擇變得更為嚴格,信號線路中的電阻選擇更關鍵。基于低水平輸入信號和高增益放大器的測量儀器在測量微伏特范圍的信號時,不能接受微伏特水平的背景噪音。盡管音頻電路,信號的純正最重要,很明顯的要使用無噪音的電子元件。其他工業和科技也同樣關注這個特性。

電阻由于它自身的結構,可以是噪音來源。這種無意的信號增加是可以測量的并且獨立于已經存在的基本信號。圖19和圖20電阻噪音對基本信號的作用。由可導性的材料黏合在絕緣基質材料中制造的電阻最容易產生噪音。碳膜電阻和厚膜電阻, 電流傳導發生在基質材料和電阻材料之間的接觸點,這些接觸點對電流傳導產生很大的阻礙作用,是噪音的來源。這些位置對任何因不匹配產生的形變,潮濕產生的變形,機械應力,和電壓輸入水平都很敏感。在電流通過基質時,對這些外部影響的響應是不需要的信號。圖20說明電流路徑。

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金屬合金制成的電阻, 比如金屬箔電阻, 產生的噪音最小。電流通過金屬合金的內部微粒邊界導通電路。微粒間的電流路徑經過一個或者更多的金屬晶體包括多層,更長的路徑穿過分界線,減少了噪音產生的幾率。圖22說明電流路徑。

另外,金屬箔電阻的光刻和制造科技使箔電阻具有比其他電阻結構更一致的電流路徑。螺旋形結構的電阻,會有更大的幾何形變,產生更多的噪音信號。金屬箔電阻比其他科技的電阻有最低的噪音。金屬箔電阻的噪音水平幾乎無法測出。通過選擇電阻,前置放大器可以獲得純正的信號。威士金屬箔電阻為低噪音音頻產品提供最佳的性能。

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理由  8:

熱電勢  EMF

兩個不同的金屬連接,加熱會產生電壓,因為金屬的感應水平不同。這種由溫度引起的電測壓力,稱為熱電勢,通常以微伏特表示。熱電勢的一個有利作用是用熱電偶和微伏特記測量溫度。

在電阻中, 熱電勢被認為是對純電阻的寄生干擾。(特別是對低阻值直流電阻)。經常是由于電阻結構中的不同材料產生,特別是在電阻材料和引腳材料的連接點上。電阻的熱電勢性能可以通過兩個連接點之間的內部溫度。電阻材料上不對稱的功率分布, 金屬材料分子復雜的活動差異降低。

威士金屬箔電阻的其中一個特點是低熱電勢設計。扁平的槳狀引腳(直插設計)緊密的連接電阻箔片,由此熱傳導最大化,溫度變動最小,金屬箔電阻設計成消除功率而不產生熱點效應,引腳材料跟電阻材料協調.這些設計做出低熱電勢的電阻。

圖23 和圖 24 各種特殊設計使金屬箔電阻具有極低的熱電勢。

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理由 9:

靜電放電負荷 (ESD)

靜電放電負荷(ESD)定義為 不同電勢的物體之間快速地轉移電荷–無論是直接接觸,電弧或者電磁感應–趨向于達到電勢平衡。人體感應的靜電放電負荷 ESD 是 3000 V, 所以任何超過這個電壓的靜電放電負荷都可被人體感覺到。因為持續的高壓伏特數小于一百萬分之一秒,人體的體積較大,這種能量在人體很快傳播,變得很小。對人體來說,靜電放電負荷是無害的。但是這種靜電放電負荷通過很小的電子元件時,相對的能量比較密集,3000V甚至500V的靜電放電符合足以破壞很多電子元件。

靜電放電負荷的危害一般分為3種:

●   參數失效–靜電放電負荷 ESD事件可能改變電子元件的阻值,引起電阻阻值精度漂移。.這種危害不會直接影響電阻功能,因此參數失效可能存在于正常工作的電阻。

●   災難性的破壞–靜電放電負荷 ESD事件引起電子元件立即停止工作, 這個可能發生在幾個靜電放電負荷脈沖之后,可能是有很多原因造成,比如人體靜電放電負荷或者僅僅是原來存在的靜電。

●   潛在的損壞–靜電放電負荷 ESD事件電子元件未被察覺的中度的損壞,電子元件還能正常工作.盡管如此,電子元件的負載壽命已經極大的減少,因為后續工作期間的應力可能引起電子元件更多的損害,使電子元件在壽命期間失效,這種潛在的損壞是最需要關注的,因為這種損壞不能被察覺或者測量出來。

電阻對靜電的敏感跟它的體積有關,體積越小的電阻,分散靜電脈沖能量的空間越小。區域的電阻材料上的這種能量集中會產生熱量上升,導致不可逆轉的破壞。日益增長的小型化的趨勢,電子元件,包括電阻, 使得它們更容易受到靜電損害。

因此,Bulk metal®  foil金屬精密箔電阻的比薄膜電阻在抗靜電方面更有優勢,主要由于金屬箔電阻的電阻材料更厚,(金屬箔比薄膜厚100倍)因此金屬箔比薄膜的耐熱能力更高。

薄膜電阻材料是由微粒構成。(通過蒸發或者噴濺工藝), 金屬箔合金類似于晶體結構,通過熱和冷的揉壓工藝制作。

測試證明,貼片金屬箔電阻能夠抗靜電至少25,000 V (有資料證明),  薄膜和厚膜貼片電阻只能抗3000 V 靜電(實際的數據可能更低)。如果設備要求使用抗巨大靜電脈沖電壓的電阻,金屬箔電阻是最好的選擇。

理由 10:

測不到的電壓系數     

      正如我們在電阻噪音部分提到的,電阻阻值可能由于加載電壓而改變。電壓系數描述阻值對電壓的變化而改變的情況。不同結構的電阻有不同的電壓系數。舉個比較極端的例子,電壓系數的作用在碳膜電阻中很顯著,阻值會隨著加載電壓變化而發生明顯改變。Bulk metal®  Foil 金屬箔電阻材料對電壓波動不敏感,設計人員可以依靠箔電阻在各種電壓水平的電路中取得相同的阻值。金屬箔電阻合金固有的性能提供技術不能測量的電壓系數。


      總結

      一個電阻集中所有特性

      10個技術理由詳細介紹了箔電阻內在的特殊設計,而非制作工藝或篩選方式。這種特殊性能的組合是其他電阻科技不具備的。威士箔電阻提供獨一無二的,內在的特性決定它無可比擬的性能,它的高可靠性可以滿足當今市場需求。


      特殊訂制

      考慮客戶對箔電阻低溫飄等參數的特殊要求。可以特殊訂制低溫飄,低阻值的電阻和嚴格溫飄跟蹤的分立電阻或網絡電阻組合。我們的應用工程部門可以提供專業的技術咨詢和建議,如果你有特殊的訂制要求,歡迎隨時和我們取得聯絡。



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