CN1011456B - 提供改进电阻分压器网络阻值比稳定性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种电阻分压器网络，它具有两个或两个以上的淀积在一块基片上的薄膜或厚膜电阻元件。每个电阻元件被分成许多个电阻子元件，它们交错地排列，以改善阻值比的温度系数(电阻温度系数统调)和热耦合。这就大大地改善了宽输入电压范围内的阻值比恒定性。电阻子元件的总数是个奇数，每个主元件的子元件都具有相等的电阻值。

Description

一般地说本发明涉及薄膜和厚膜电阻网络。具体地说，涉及改进电阻分压器网络阻值比的稳定性。

高精度电子测量和试验要求电阻分压器网络具有高的阻值比稳定性。这就是说，当网络受到诸如温度和电压变化等环境和工作的影响时，电阻阻值的比值应尽可能地保持稳定。

以往，高精度仪器不得不在它们的分压器网络中采用非常昂贵的、大体积的线绕电阻，满足低精度仪器使用要求的膜电阻网络，除非经过特别的挑选，一般都不具备所要求的阻值比稳定性，而特别挑选会使电阻网络变得很昂贵。此处所涉及到的阻值比稳定性的量级是：对环境温度变化来说，为每摄氏度百万分之0.5（0.5ppm/℃）;而对1000伏的输入电压变化而言则为百万分之2（2ppm）。

阻值比稳定性受三个主要因素的影响：

1、构成分压器的诸电阻的电阻温度系数（TCR）之差（即所谓的电阻温度系数统调TCR    Tracking）;

2、诸电阻的电阻电压系数（VCR）之差（即所谓的电阻电压系数统调VCR    Tracking）;

3、诸电阻的温差。

由于因素1的影响，TCR定义为：

TCR＝ (R2－R1)/(R1（t2-t1))

其中：R₂和R₁分别是温度t₂和t₁下，单个电阻的阻值。TCR可以是正值，也可以是负值。

构成网络的诸电阻的TCR的差异，即TCR统调，对阻值比稳定性的影响最为显著。在一个双电阻网络中，如果组成网络的二个电阻的TCR相等的话，那么当环境温度变化时，两者的阻值比保持不变。如果二个电阻的TCR不同，这是常见的情况，由于TCR的影响，阻值比将随环境温度的变化而改变。TCR可正可负，这意味着随着温度的增加，电阻值可能增加，也可能减小。二个电阻的TCR差别越大，阻值比的变化也将越大，或者说，阻值比的稳定性也就越差。

由于因素2的影响，VCR定义为：

VCR＝ (R₂－R₁)/(R₁（E₂-E₁))

其中：R₂和R₁分别是外加电压为E₂和E₁时，单个电阻的阻值。

以淀积方法制做膜电阻的VCR始终是负的。对于设计良好，精心制做的薄膜电阻来说，VCR一般都很小。例如，每平方面积材料100到200欧姆的薄膜电阻，其典型的VCR落在每伏百万分之0.001到0.01（0.001到0.01ppm/Volt）范围内。因此，加到电阻上的直流电压增加1000伏（例如从100伏升高到1100伏）时，一个10兆欧的电阻，其欧姆值将减小百万分之1到10（10到100欧姆）。

在电阻分压器网络的情况下，电压的变化与电阻阻值成正比。所 以，对分压比大于10比1的分压器而言，只有阻值较高电阻的VCR才起主要作用。

在时间方面，VCR对膜电阻绝对阻值的影响本质上是瞬时的，TCR对膜电阻绝对阻值的影响则取决于电阻的热时间常数，一般在一分钟之内就能达到90%的温升。VCR和TCR对阻值的综合效应称做电阻功率系数或PCR，它是两种阻值变化的代数和：一种是由VCR和外加电压的增加所引起的电阻元件阻值的变化（始终是负的），另一种是由TCR和同一外加电压的增加产生的自热所引起的同一电阻元件阻值的变化（可能是正值，也可能是负值）。综合效应（电阻功率系数（PCR））既可引起电阻值的增加，也可引起电阻值的减小，在极少数情况下，甚至维持阻值不变。

由于因素3的影响，两个电阻的相对温度取决于三个参数：

1、每个电阻单位面积耗散的功率;

2、两个电阻之间的距离;

3、基片的热导率。

首先考虑第一个参数，单位面积的功率耗散。网络中每个电阻所耗散的功率是已知的，正比于每个电阻的欧姆数。假如网络面积为无限大，那么各网节的温升，由此引起的各网节之间的温差将完全等于零。假如网络面积为无限小，温升将会很高，但由于所有电阻均占有同样的空间，各网节之间亦不会有温差。显然，这两种情况都是不可能出现的，而仅仅是理论边界条件。实际的网络平均大约为1/2吋×1吋×0.025吋厚，基片上一个接一个地排列着独立的电阻元件。总耗散功率越大，单独的电阻所耗散的功率的差异越大，诸电阻间的温差也就越大。

暂先不考虑第二个参数，下面先考虑第三个参数-基片的导热率。当今普遍采用的大多数材料-滑石、玻璃、氧化铝等，它们的导热率与铜比相差很远。因此，高功耗散网节和低功率耗散网节的平均温度之间总会有差别。

现在只剩下参数2，基片上诸电阻之间的距离。不幸的是，在传统的一个挨一个排列的结构中，不管电阻放得如何近，高功率耗散网节和低功率耗散网节的平均温度总有一个差异;这就又回到了基片热导率不佳的问题。

因此，即使是两个电阻的TCR相等，当外加电压升高时，阻值比仍会发生变化（除非每个电阻的TCR均为零，而这事实上是不可能的）。此外，不管采用什么方法在基片上淀积电阻材料，在膜的生成中总会有一些随机变化。所以，最后形成的金属膜的TCR，从基片的一端到另一端，随着到参考端距离的不同而呈现出平缓的变化，虽然不一定是线性变化。因此，实际上是不可能有TCR完全一致的电阻的。

长期以来，感到需要有一种薄膜电阻分压器网络。在这种网络中，各个电阻的电阻温度系数的差别在工作温度范围内趋于零，而各个电阻的温度在工作电压范围内也趋于零。

本发明的优点在于提供一种电阻分压器网络，其中各个电阻的TCR的差别在工作温度范围内趋于零，而各个电阻的温差在工作电压范围内也趋于零。

在本发明中，电阻分压器的每一个元件作成很多个隔开一定距离从基片的一头到另一头配置的子元件，这些子元件可互相联接成分立的电阻元件。耗散较小功率的电阻元件之子元件，交错在耗散较高功 率的电阻元件的子元件之间。对每个子元件事先进行电阻微调，有可能得到所要求的绝对值和阻值比。

本发明进一步能提供一种改进的电阻分压器网络，它的TCR统调的改善一般超过1，000%。

结合附图阅读下列详细说明之后，对本领域的技术人员来说，本发明的上述优点及附加优点就变得更为明显了。

图1是表示一种典型的双电阻分压器网络的电路示意图;

图2是先有技术的电阻分压器网络的平面图;

图3是本发明的电阻分压器网络的平面图。

现参阅图1，图中示出了电阻分压器网络10的线路图。网络10有一个可联接到第一个电阻元件14上的输入端12。第一个电阻元件14可联接到输出端16和第二个电阻元件18，后者又可联接到接地端20。

本领域的技术人员都清楚，标出诸端子仅仅是为了便于说明起见，因为分压器网络可以和其他电路做成一个整体，这样就没有端子了。类似地，术语输入、输出、和接地也只是为了便于说明而设的，因为多电阻网络可以有多个输入、输出和接地。此外，诸元件被看成是“可联接的”，因为制作一个完整的网络时，这些元件可以不联接到端子上;除网络本身之外完成所有的联接是可能的。

在精密电阻分压器中，常常需要：（1）在工作温度范围内，阻值比的变化不得超过每度百万分之0.5（0.5ppm/℃），（2）在工作电压范围内不超过百万分之2.0（2.0ppm）。过去，这样苛刻的要求只有通过采用几个仔细配做的线绕电阻才能得到满足，这些线绕电阻十分昂贵，尺寸也相当大。

现参阅图2，其中示出了一个先有技术的膜电阻分压器网络，它的阻值比稳定性适合于某些，但不是所有先前要求使用线绕电阻的应用。

膜电阻22包含一块基片24。基片24可以是玻璃或其他材料，但最好是热导率约为铜热导率5%的氧化铝（Al₂O₃）。通常，它长3/4吋，宽1/2吋，厚0.025吋。

用溅射、真空蒸涂或其他方法把电阻材料淀积在基片24上，在紧接的工序中，电阻材料上再复上一层光敏电阻材料，加上光掩模，紫外曝光，然后化学刻蚀，去掉不需要的材料，以盘旋状的形式留下所需要的电阻元件26和28。此电路图形是如此之精细，以致对于一个观察者来说，可以把它视为一个完整的矩形。盘旋状电路图形一般也包含有一些分路，正如本领域的技术人员所熟知的，在“激光调整”工序期间，用激光把这些分路蒸发掉，从而得到精确的阻值和阻值比。几乎普遍使用的电阻材料是镍克罗姆（Nicrome）（Driver    Harris公司的一种注册商标）合金，它含有60%镍，24%铁，16%铬和0.1%碳。由于淀积到基片上的膜冶金的变化，最终形成的金属膜的TCR从基片的一端到另一端是变化的。TCR随越过基片的距离呈平缓的，但不一定是线性的变化。第一个电阻元件26是两个电阻元件中耗散功率较高的一个。

第一个电阻元件26可联接到输入端30和输出端32，后者可联接到第二个电阻元件28。第二个电阻元件28还可联接到接地端34。

虽然两个电阻元件26和28之间的热传导效率随两元件尺寸的减小和元件之间间隔的减小而增加，但由于一系列因素的影响，对尺 寸是有个限制的。

现参阅图3，其中示出一种改进了的电阻分压器网络40，网络40被淀积在基片42上。与传统的类似电阻分压器网络相比，基片42稍许大一些，长1 1/2 吋（1- 1/2 ″），宽 5/8 吋，而厚为0.025吋。淀积在基片42上的电阻材料，被分成许多区段。一个区段定义为第一个电阻元件，它由第一组电阻子元件46到50组成。交错在第一组子元件46到50之间的是第二个电阻元件，它由第二组电阻子元件52到55组成。

第一组电阻子元件46到50被互相联接成等效于图2的第一个电阻元件26。类似地，第二组电阻子元件52到55也互相联接成等效于图2的第二个电阻元件28。

在基片一边的第一个电阻子元件46可联接到输入端56，而另一边的最后一个电阻子元件50则可联接到输出端58。在一边的第一个电阻子元件52可联接到接地端60，而最后一个电阻子元件55则可联接到输出端58。

比较图2和图3的电阻分压器网络可以发现，阻值比稳定性实质性的改善正由于TCR统调才能获得。

例如，假定电阻材料的TCR从基片左边缘处的每度百万分之10变到基片右边缘处的每度百万分之6，这对图2和图3中的基片都适用。

对网络22来说，元件26右边缘的TCR近似为每度百万分之6.50。那么显然，电阻元件26的平均TCR是每度百万分之（10.00+6.50）/2即8.25ppm/℃。由于第二个电阻元件28的左边近似为每度百万分之6.40，第二个电阻元件 28的平均TCR每度百万分之（6.40+6.00）/2即6.20ppm/℃。那么显然，TCR之差，或称TCR统调乃是每度百万分之（8.25-6.20）即2.05ppm/℃。

请看改进的分压器网络40，假定当我们从左移到右，有一个非线性的，但单调下降的TCR，那么对第一个电阻元件的不同电阻子元件来说，其平均TCR典型地可能是：子元件46为10.00;子元件47为8.50;子元件48为8.00;子元件49为7.00;子元件50为6.20。那么第一个电阻元件的平均TCR则为每度百万分之（10.00+8.50+8.00+7.00+6.20）/5即7.94ppm/℃。对第二个电阻元件来说，子元件TCR的内插值将是：子元件52为9.25;子元件53为8.25;子元件54为7.50;子元件55为6.60。这样一来，第二个电阻元件的平均电阻温度系数将是每度百万分之（9.25+8.25+7.50+6.60）/4即7.90ppm/℃。那么电阻网络40的平均TCR之差，即TCR统调则为每度百万分之（7.94-7.90）即0.04ppm/℃。

新的交错设计，其TCR统调比过去的先有技术设计改善了2.05ppm/℃÷0.04ppm/℃＝51比1。这样一来，优选实施例表明有约为5，100%的改善。

回顾以上所述，十分明显，随着子元件数目的增加，阻值比的温度系数将得到改善，并趋于零。而且，如果从基片的一边到另一边，TCR的变化是线性的话，只要子元件的总数是个奇数，那么不管所用的子元件的数目是多少，双电阻分压器的温度系数统调将始终是理想的（等于零）。

除此以外，显然由于温度与每个电阻元件单位面积耗散功率直接有关，先有技术具有沿电阻元件温度分布不均匀的缺点。将高、低功率耗散元件的子元件交错排列，以及将耗散较高功率的电阻元件的子元件放在基片的边上，使它们有效地围住耗散较低功率的电阻元件的子元件，沿基片可以得到均匀得多的温度。

为了评估本发明，用在高纯氧化铝基片上溅散一层镍克罗姆薄膜的方法，制做了17个分压比为64（64比1）的薄膜电阻器网络。

五个子元件46到50用激光调整到近似相等的阻值，而子元件52到55也调整到近似相等的阻值。子元件46到50的总电阻是9.84500兆欧±0.1%。子元件52到55的总电阻则是0.15619兆欧±0.1%。标称分压比是 (9.84500+0.15619)/0.15619 ＝ 64/1 （即64比1）。计算机通过软件指令控制激光调整机，使得此比值落在标称值的±0.05%以内。

在摄氏18度到58度的温度范围内测试了两组子元件的TCR，而且为每个网络列出了差值表。绝对TCR分布大约在每度百万分之1到6的范围内，而阻值比的TCR则分布在每度百万分之0.02到0.30的范围内，其平均值为每度百万分之0.12，此值比予定目标每度百万分之0.50好4倍。

对输入电压变化1000伏（100伏到1100伏）来说，PCR（阻值比的功率系数）分布在百万分之0.09到0.44的范围内。平均阻值比功率系数是百万分之0.27。此值比予定目标百万分之2.0好8倍。

通过比较，先有技术网络22的典型特性指标是百万分之2的温 度系数统调和百万分之10的阻值比功率系数。

鉴于从本发明可以作出很多可能的实施例，而不超越本发明的范围，不言而论，所有以前所给出的内容只是为了说明起见而示于附图之中，本发明不局限于这些内容。

Claims (19)

1、一个电阻网络包含有：

一块基片；

一个配置在该基片上的第一电阻元件和一个配置在该基片上的第二电阻元件；

其特征在于，所述第一电阻元件有两个根据所加电压功耗基本相同的互相联接的区段，其中一个区段可联接到输入端，另一个区段可联接到输出端；所述第二电阻元件基本上等距离地处于所述的第一电阻元件的一个区段和另一区段之间，该第二电阻元件有一端可联接到接地端部，而另一端可联接到输出端。

2、根据权利要求1的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件具有相同于或高于所述第二电阻元件的电阻值。

3、根据权利要求1的电阻网络，其特征在于所述第二电阻元件大体上是矩形的，所述第一电阻元件的所述各区段大体上是矩形的，并邻近所述第二电阻元件的对面而配置。

4、根据权利要求1的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件的所述诸互相联接的区段具有大体上相等的电阻值。

5、一个电阻网络包含有：

一块基片;

一个由该基片所支持的第一电阻元件以及一个由该基片所支持的第二电阻元件;其特征在于，

所述第一电阻元件有一系列根据外加电压功耗基本相同的可互相联接的第一电阻子元件，所述第一子元件分开排列在所述基片上，所述一系列第一子元件中的第一个可接到输入端，而所述一系列第一子元件中的最后一个则可接到输出端;

所述第二电阻元件至少有一配置在所述基片上的等距离地位于一对所述第一电阻子元件之间的第二电阻子元件，所述第二电阻元件的所述至少一个第二电阻子元件，有一个区段能联接到所述第一电阻元件的所述一系列第一子元件中的所述最后一个上，以及有一个区段可联接到接地端。

6、根据权利要求5的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件具有相同于或高于所述第二电阻元件的电阻值。

7、根据权利要求5的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件的所述子元件都是矩形的，而所述第二电阻元件有多个分开排列在所述基片上的、可互相联接的电阻子元件，这些子元件和所述第一电阻元件的多个子元件交错排列在一起。

8、根据权利要求7的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件具有奇数个子元件，而所述第二电阻元件则具有偶数个子元件。

9、根据权利要求8的电阻网络，其特征在于所述第二电阻元件的诸子元件有大体上相等的电阻。

10、一个电阻网络包含有：

一块基片;

一个在该基片上淀积成盘旋状电路图形的第一个电阻元件和一个在该基片上淀积成盘状电路图形的第二个电阻元件;其特征在于，

所述第一电阻元件包含一系列根据外加电压功耗基本相同，可互相联接的第一电阻子元件，所述第一电阻子元件分开排列在所述基片上，所述一系列第一电阻子元件中的第一个可联接到输入端，所述一系列第一电阻子元件中的最后一个则可联接到输出端;

所述第二电阻元件有一系列分开排列在基片上的第二电阻子元件，这些子元件和所述第一电阻元件的第一电阻子元件交错排列在一起，所述一系列第二电阻子元件的第一可联接到接地端，而所述一系列第二电阻子元件的最后一个则可联接到输出端。

11、根据权利要求10的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件具有相同于或高于所述第二电阻元件的电阻。

12、根据权利要求10的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件的所述子元件是矩形的，所述第二电阻元件的所述子元件也是矩形的。

13、根据权利要求12的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件具有奇数个子元件，而所述第二电阻元件则具有偶数个子元件。

14、根据权利要求13的电阻网络，其特征在于所述第二电阻元件的所述诸子元件有相等的电阻。

15、根据权利要求10的电阻网络，其特征在于所述的电阻元件是由薄膜电阻器所组成的。

16、根据权利要求10的电阻网络，其特征在于所述的电阻元件是由厚膜电阻器所组成的。

17、根据权利要求10的电阻网络，其特征在于所述第一电阻元件的所述电阻子元件具有基本相同的电阻值。

18、一种制造电阻网络的方法其特征在于包含以下各工序：

a）在基片上淀积电阻材料;

b）去掉电阻材料的第一区段以确定有第一和第二子元件的第一电阻元件;

c）去掉电阻材料的第二区段以确定具有大体上等距离地位于所述第一电阻元件的所述第一和第二子元件之间的第三子元件的第二电阻元件;

d）对所述第一电阻元件的所述第一和第二子元件进行激光调整，使所述第一和第二子元件的电阻大体上相等。

19、根据权利要求18的方法，其特征在于包括对所述第二电阻元件的所述区段进行激光调整，以建立起所述第一和第二电阻元件之间的预定的电阻比值的步骤。

Images