中文/ENG
> 技术文章 > 技术文章

当代高精密电阻技术简述

作者:开步电子 发表日期:2017-06-15 15:04:19 浏览量:461


过去三十几年,电子工业取得了非常瞩目的发展成就。新技术使得设备的体积减小,并推动了分立电子元件厂商去开发更理想性能和稳定性更好的产品。随着各类精密电阻的使用越来越广泛,精密电阻的性能也变得更加重要。精密电阻的主要参数温飘包括温度系数(TCR) ,功率系数(PCR), 长期稳定性,抗静电能力 (ESD),热电势 (EMF), 噪声等。

系统整体性能的改进,是通过每一个电子元件或者子系统来实现的,整体性能是由电路系统中最薄弱的环节决定的。每一个元件都给整体电路系统带来一些性能上的限制。特别是短时过载,长期稳定性,频率响应,噪声。在分立电阻工业中,现有四种流行的电阻技术,线绕电阻,厚膜电阻,薄膜电阻,和箔电阻,为客户提供不同性能需求不同预算的方案。

表1简短地总结介绍了各种电阻科技的优点和缺点,热效应,机械应力,电气特性。




应力,不管是机械应力还是热应力,引起电阻电气性能的改变。 如果由于受到应力影响,引起电阻形状,长度,构造,或者分子结构的改变,电阻的电气性能也会发生改变。

当电流通过电阻元素时,产生自热,温度的改变会引起材料产生机械扩张或收缩。 理想的电阻元素具有自动平衡这些现象的能力,稳定性增强系统可以通过制造工艺保持电阻元素完整的物理特性,并且可以消除电阻使用过程中自热和应力所需的补偿。

我们将比较不同电阻科技的特点, 讨论各类电阻在精密电路中的使用情况。

精密线绕电阻

线绕电阻一般分为功率线绕电阻和精密线绕电阻。功率线绕电阻在使用期间会有很大改变,不能用于对电阻要求精密性能的应用。因此,我们不讨论功率线绕电阻。

在线绕电阻的制造工艺过程中,电阻丝的内表面 (接近绝缘骨架的那一边) 受到挤压, 同时它的外表面受到拉力作用。产生永久变形。

相对于弹性形变或者可逆形变,这种工序引起的形变并且在后续的电阻丝退火工序中产生的形变是人为的。不可预测的永久性机械形变,引起电阻丝电气特性和阻值的随机改变。结果是电阻丝有各种各样的性能参数。

线绕电阻器是用电阻丝绕在绝缘骨架上构成的。不同直径,不同长度的电阻丝提供预期阻值和特性。精密线绕电阻比薄膜电阻和厚膜电阻有更好的抗静电能力和更低的噪声。线绕电阻也有更低的温飘和更好的稳定性能。

线绕电阻的初始精度最低可以做到± 0.005 %。 温飘最小可以做到 3 ppm/°C 典型值; 但是对于低阻值线绕电阻一般在15 ppm/°C 到 25 ppm/°C。热噪音低, 跟踪温飘超出工作温度范围也可能达到 ± 2 ppm/°C。要明确的是线绕电阻没有贴片封装的产品,(贴片不是模压,部分模压的表面贴线绕电阻不属于贴片电阻),因此线绕电阻不能用在对电阻重量和体积有要求的场合。

不过因为线绕电阻的绕线结构,线绕电阻是有感的,并且相近的绕线产生电容。特殊的绕线科技可能被用于降低电感,以提高电阻使用期间的响应时间。由于固有的有感有容设计,线绕电阻没有很好的高频特性。特别是在50KHz以上的应用中。由于电感和价格因素,目前精密线绕电阻趋于被淘汰的边缘。

薄膜电阻

薄膜电阻器是用类蒸发的方法将一定电阻率50到250埃厚的膜材料蒸镀于陶瓷基板制成[1埃(A) = 10纳米]。薄膜电阻比线绕电阻和箔电阻在给定区域可以做出更高阻值也更便宜。这使得薄膜电阻在中级精度的高阻值电阻并且考虑空间效率的应用中是比较经济的选择。

薄膜电阻对温度敏感,可以选择恰当厚度的膜以做出各种阻值,但是特定的膜只能做出一定阻值范围的电阻。因此各种厚度的膜被用于制作各种阻值范围的电阻。

薄膜的稳定性受到温度升高的影响。薄膜的老化稳定性的变化过程取决于实现规定阻值的膜的厚度,因此阻值范围在不断变化。化学/机械的老化也包括温度升高引起电阻合金的氧化。

合适厚度的膜的温飘也会对阻值产生不利影响。高阻值薄膜电阻有更大的恶化率。因为膜越薄,越容易受到氧化。由于薄膜电阻很薄,很容易受静电的影响。

此外因为金属元素部分很小,薄膜电阻也很容易受潮湿引起的腐蚀。当水蒸汽通过电阻封装时,带来杂质,发展为化学腐蚀,引起电阻薄膜在加直流低压负载几个小时内损坏。

通过长时间多层的膜层沉积,高精密的调阻和后期的筛选,最优的精密薄膜电阻也可以达到±2ppm/°C的温飘和±0.01%的精度,以及很好的长期稳定性。但功率做不大,低阻值部分指标不好,不抗静电,功率系数差,很难满足小批量的供货,且不同批次的一致性不好等问题目前仍无法解决。

厚膜电阻

在前面的讨论中,我们说明线绕电阻因为尺寸,封装和重量的因素,不能用于贴片形式的场合。在比线绕电阻不那么精密的应用中,厚膜电阻则更常用,因为厚膜电阻阻值更密集, (高阻值/小尺寸) 并且更便宜。

厚膜电阻有更快的频率响应,类似于薄膜电阻和箔电阻,但是在各种电阻科技中,厚膜电阻是噪音最大的。当被用于不那么精密的场合,厚膜电阻会被讨论并被广泛使用于各种类型的电路,包括高精密电路中要求不那么精密的部分。

厚膜依赖于玻璃基质上微粒对微粒的接触形成电阻路径。这些接触点形成整个阻值 。但是这些微粒在电阻使用过程中会被热应力阻断。由于它们有很多平行的路径,电阻路径不会断路。但是随着时间的推移和温度的升高,阻值会增加。因此,厚膜电阻没有其他电阻技术稳定。

颗粒构造也说明厚膜电阻的噪音系数高,由于电阻电子的聚合和释放运动通过这种结构产生比较大的噪音. 给定尺寸的电阻,阻值越高,金属成分越低,噪音越大并且越不稳定。厚膜电阻的玻璃结构形成一个玻璃状的保护外套以在加工电阻过程中保护电阻,这也使得厚膜电阻比薄膜电阻具有更好的抗潮湿性能。

通过对厚膜电阻浆料的持续改进,最精密的厚膜电阻技术已经可以做到±5ppm/°C的温飘,甚至通过使用多个可以互相补偿的厚膜电阻芯片最终达到±2ppm/°C的温飘。其最高精度也可以达到±0.01%。在高压高阻值高精密的应用中精密厚膜电阻是主流的技术。厚膜电阻的缺点是在低阻值的部分很难做到高精密低温飘,噪声指标也不好,长期稳定性一般都是比其他精密电阻差。

箔电阻

可控制的特殊的箔电阻合金(镍/铬和附加剂) 被粘合在特殊的陶瓷基质上, 可以平衡由于热和机械产生的应力。 电阻路径图案通过激光蚀刻在箔电阻合金上. 这个工艺独特地整合了低温飘,长期稳定性,无感,对静电不敏感,低电容,快速热稳定性,和低噪音等重要特性在一个单一的电阻科技中。

这些特点给电路系统带来高稳定性和可靠性,不用再考虑电阻精度,稳定性和响应速度之间的折中方案,为获得精密的阻值, Bulk Metal Foil金属箔片被平衡地且有选择性地消除内部的短路带。在应对高阻需求时,在已知的阻值增额的情况下去有选择性地切割区域,逐步小幅增加阻值。

标准温度系数± 1 ppm/°C 0 °C to + 60 °C (0.05 ppm/°C Z-Foil), 采集自箔电阻合金和与其结合的热应力和机械应力平衡的基质 (表1)。

金属箔平面中,平行的电阻路径设计减小了电感,最大电感值  0.08 μH.最大电容0.5 pF。一个  1-kΩ电阻的响应时间小于1 ns 直到 100 MHz。上升时间由阻值决定,但是更高或者更低的阻值只会比中间阻值慢一点, 无振铃在高速转换的电路中是特别重要的,例如:信号转换器。

1-kΩ Bulk Metal Foil金属箔直流电阻 与它 100 MHz时的交流电阻比较可以用以下的公式表达:

交流电阻/直流电阻 = 1.001

箔电阻科技生产以前的技术做不到的和人们期待的特殊规格的电阻。这些包括温飘 0.2 ppm/°C , 精度低至 ±  0.001 % , 1000小时负载寿命稳定性 ± 0.005 % (50 ppm),抗静电至少25 kV。

好的产品到底需要多好的性能?

当然,不是每一个工程师设计的电路都需要整体的高性能。在很多应用中,低性能的电阻已经可以满足要求,所以答案分为四类。

1. 金属箔电阻可以提升设备的整体性能。

2. 一个或者几个金属箔电阻可以使得设备的某一项性能达到最好。

3. 金属箔电阻可以提高电路技术的发展水平,改进了精密电阻的很多有利性能。

4. 明确计划使用精密电阻的长远考虑(例如:金属箔电阻比额外增加昂贵的装置去少量提升电路性能以保持电路精度更加节省成本)。

在第二类中,例如, 单一参数必须权衡整体设计是否经济。使用比较高性能的电阻可以节省成本,因为可以减少补偿电路(并且节省了相关元件及其安装成本)。通过提高电阻精密度比改进装置更节省成本,因为改进装置提高部分性能比起精密电阻花费更多。

此外,采用高性能的电阻提升设备的整体性能可以提高设备的市场认可度,相信这也是毋庸置疑的。无论在任何时候产品的品质,客户的认可都是最好宣传。

上一篇> 为什么说电流检测需要使用四脚开尔文连接的电阻?

下一篇>如何选择一款更合适的功率电阻?