CN101553888A

CN101553888A - 多层导电结构和包括该结构的电位计

Info

Publication number: CN101553888A
Application number: CN200680056054.3A
Authority: CN
Inventors: J·特珀; F·科尼格; K·尼亚耶什; S·肖夫特
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2026-10-12
Also published as: EP2074637A1; CN101553888B; US7880582B2; US20090206979A1; WO2008043187A1

Abstract

本发明涉及一种包括导电层叠体(10)的电阻器(1)，该层叠体(10)包括多个第一金属层(12)和第二层(14)。该层叠体(10)使得可以制造高度各向异性的电阻器(1)，其中，在垂直于层(12，14)的方向上的电阻值大大高于层(12，14)的平面中的电阻值。即使电流以非均匀的方式输入到该层叠体(10)中，该各向异性也使得流经层叠体(10)的电流均匀化，即分布在整个叠层体的表面上。

Description

多层导电结构和包括该结构的电位计

技术领域

本发明属于导电材料领域并且一般地涉及电阻器。更具体的是，涉及具有导电层叠体(stack)的电阻器，该层叠体特别是包括多个金属层。

背景技术

许多电力和自动化技术应用都需要电阻值或电阻率可以调节的电阻材料。依据该应用，电阻材料应当承载例如高达至少几十kA或者更高的额定电流和故障电流，并支持超过1kV的电压。可能需要在1mΩ和几Ω之间变化的电阻，比如5Ω。

石墨材料具有可通过添加合适的材料进行调节的电阻率。然而，当被施加不均匀的电流时，石墨会局部地过热，因为石墨均匀地分配电流的能力很差。因此，会形成热点，并且材料恶化或者可能甚至破裂。

发明内容

因此需要一种材料，这种材料即使在被施加不均匀的电流时都能够支持高电流负载，并具有可在宽范围内调节的电阻值。

本发明试图克服至少一些上述难题。该目标通过根据权利要求1的电阻器，通过根据权利要求15的接触装置，和根据权利要求16的制造电阻器的方法解决。本发明的其它优点、特征、方面以及细节可以从从属权利要求、说明书以及附图中看出。

根据本发明的一个方面，该电阻器包括导电层叠体，该导电层叠层具有多个导电的第一金属层和多个导电的第二层。这些层以基本上交替的顺序设置。这意味着这些层中的至少一些层以交替的顺序设置，并且另外的层可以插入到该交替的顺序中。术语“导电的”一般指电阻率典型地小于大约10¹⁴Ωm的材料。需要指出，根据本发明，例如第三、第四等层的其它层也可以出现层叠体电阻器中。

层的存在使得可以对所述导电电阻器进行可变的设计，因此可以调整该电阻器以具有期望的性能。例如，通过选择层的恰当的厚度和/或材料，材料的电性能并且尤其是材料的电阻值可根据期望的应用进行调整或微调。另外，尤其是由于这些金属层，可以使通过该层叠体传输的电流更均匀。

根据本发明的另外一个方面，提供了一种制造电阻器的方法。在该方法中，提供了多个导电的第一金属层；提供了多个导电的第二层；并且这些第一层和第二层以基本上交替的顺序设置以形成该电阻器的导电层叠体。

附图说明

结合附图，通过参考以下对本发明的实施例的描述，将会更好的理解本发明，其中：

图1是根据本发明的导电电阻器的示意性的透视图；和

图2是根据本发明的可调电阻的示意性的侧视图，该可调电阻与电路连接。

具体实施方式

图1是根据本发明的导电电阻器1的透视图。该电阻器1具有底板2和顶板3。该电阻器1进一步具有导电层叠体10。该导电层叠体10包括多个导电的金属层12，和多个另外的导电层14。在图1中，层12、14设置在水平面上。该层叠体10使得可以产生高度各向异性的电阻器，其中沿着垂直于层12、14的方向上的电阻大大高于在层12、14的平面中的电阻。

在示范配置中，在垂直于层12、14的方向上的高电阻可能是由于相邻层之间高的接触电阻。高的接触电阻可能是由高的集中电阻导致的，如果电流从一层流到另一层所穿过的有效接触表面小的话；由于表面污染或者表面涂层，例如氧化物涂层(所谓的薄膜电阻)而产生的电阻，可能出现额外作用。

为了产生高的集中电阻，层12、14被提供为分离的薄层，这些薄层通过压力F_p相互机械地对压。优选这些薄层中的一个薄层-例如所述的另外的层14-比其它的薄层-例如金属层12-柔软很多。此外，可以施加相对高的压力F_p。由于较柔软的表面适应较硬的表面的微凸起或微凹，于是层12、14相互对压时的共用机械表面变得较大。因此，机械应力和热量可在大面积上分布。因此，即使该表面的一部分由于过热而软化，有效的接触表面基本上没有变化。总之，该大的机械表面能够产生长时间稳定的、支持大电流的配置。虽然是大的机械表面，但是有效的接触表面可能是小的，例如如果该机械表面的一部分被氧化并因此导致导电不好的话。

高的接触电阻一般导致层叠体10的高度各向异性的电阻。即，在平行于层平面的方向上，这些层是并联的。因此，该层叠体电阻是最小层电阻的数量级(例如是金属层12的电阻)。相反，在垂直于层平面的方向上，这些层是串连的。因此，该层叠体电阻是相邻层之间的接触电阻的数量级。因此，例如，最大电阻值方向上的电阻与最小电阻值方向上的电阻的比值大于2，或者大于10，或者甚至大于50。

在可替换的配置中，电阻器的各向异性可能是由于该另外的层14具有大大高于金属层12和/或相邻层之间的接触电阻的电阻值而产生的。在这种情形下，在垂直于层平面方向上的层叠体电阻大体上是最高层电阻的数量级，例如是该另外的层14的电阻值。

在任一配置中，所述的各向异性使得电流均匀分布，即分布在整个层表面上，即使该电流是以不均匀的方式输入到层叠体中的，如结合图2要更详细示出的。

接下来，更详细地说明图1的电阻器的配置。底板2由导体(例如铜)制成，顶板3由绝缘体制成。但是，不依赖于所示实施例，底板2和顶板3中的每一个都可以由任何其它的固体导电材料或绝缘材料制成。底板2和顶板3中的每一个都具有平坦的顶表面和平坦的底表面，并且底板2和顶板3被相互平行地设置。更一般的是，这些板可以具有任何形状，虽然优选底板2具有至少基本上平坦的顶表面，而顶板3具有至少基本上平坦的底表面。底板2和顶板3可具有相互不同的形状和尺寸。底板2、顶板3或者所有这两个板也可以被省略掉。

金属板12可由铝、铜、钢、银、锡或者任何其它的金属制成。金属被定义为具有金属元素的材料。这里，金属元素不包括准金属。根据这个定义，例如所谓的金属聚合物或者有机金属不被认为是金属。

该另外的层14由导电材料制成。该另外的层14优选具有高于金属层12的电阻值。不依赖于所示实施例，该另外的层14可由

——金属，

——非金属，

——比金属层材料基本上上具有更多电阻性或者基本上具有更少电阻性的材料，或者

——比金属层材料基本上更柔软或者基本上更硬的材料

制成。

例如，不依赖于所示的实施例，该另外的层14可由在维氏硬度(Vickershardness)方面不同于金属层材料的材料制成，该材料比金属层12的维氏硬度低20％。另外，该另外的层14的材料可具有与金属层12的维氏硬度不同的维氏硬度，优选比金属层12的维氏(Vickers)硬度高20％。优选地，该另外的层14具有比金属层12低的维氏硬度。

该另外的层14可以包括导电材料，该导电材料选自由下列材料构成的组：碳，例如石墨；金属，优选软金属，例如铅和铝；导电塑料，例如碳纤维增强塑料；导电环氧树脂；和/或导电陶瓷，例如碳化硼和碳化钨；包括合金的金属，例如钢、钛合金或镍合金；烧结材料，特别是烧结金属；康铜或康铜合金；金属氧化物，例如钛氧化物、钒氧化物或钛酸钡；导电塑料，例如碳纤维增强塑料；金属陶瓷；和掺杂硅。陶瓷一般是在热作用下形成的无机非金属。

层12、14可以全部由相同的材料制得或者由不同的材料制得。可以在该金属层12和/或该另外的层14上覆盖涂层，例如通过使用金属涂层。

不依赖于所示的实施例，金属层12和/或另外的层14中的每一个都可具有优选小于5mm或2mm或者甚至1mm的厚度，和/或优选大于0.01mm、0.05mm或者甚至0.1mm的厚度。

层12和14以基本上交替的次序设置在彼此的上面以形成所述层叠体10。例如，图1的层12、14以交替的次序设置。更一般的地，这些层也可以用基本交替的次序设置，例如以14-12-14-14-12或14-12-14-(某个其它层)-12的次序。基本交替的次序是由交替次序得到的，其中将某个其它层或某些其它层可能被插入到任意的层叠体位置。

在图1所示的层叠体10中有两个金属层12和三个另外的层14。不依赖于所示的实施例，层的总数可以是3或者更多。3个层的交替次序为12-14-12和14-12-14。优选地，在层叠体10中层的总数大于5、大于10层、大于20层或大于40层，和/或层的总数小于1000层或小于100层。

层12、14中的每一个限定了一个平面。这些平面基本上相互平行。这些层12、14都具有相同的形状并设置在彼此上面。然而，这些层12、14也可以具有不同的形状，并且它们也可以这样设置为使得至少一些相邻的平面仅部分重叠。另外，所有的层都具有基本上相同的厚度。然而，这些层也可以具有互不相同的厚度，并且它们可以不平行。

电阻器1能够适应于具有期望的电性能，这在下面将进行更详细的说明。该电阻器1在至少一个方向上通常具有大于1mΩ的总电阻，优选包括垂直于层平面的方向。一般地，可使层叠体10的电阻具有高的各向异性(参照上述)。该各向异性使得电流密度均匀化(参见图2)。

优选地，金属层12的体电阻低于另外的层14的体电阻。特别是，一个金属层12的体电阻可以小于一个另外的层14的体电阻的50％，或小于20％或甚至小于10％。可替换地，一个金属层12的体电阻可以大于一个另外的层14的体电阻的100％，优选大于140％或甚至200％。

优选地，该另外的层14中的每一个都具有大于10^-8Ωm的体电阻率，更优选大于10^-6Ωm或者甚至大于10^-5Ωm。另外，这些另外的层14中的每一个都优选具有小于1Ωm的体电阻率，更优选小于10^-2Ωm.

在一些实施例中，相邻层之间的接触电阻可大于金属层12的体电阻值，优选大于2倍或甚至大于10倍。可替换地，该接触电阻可以小于任何另外的层14的体电阻的20％。

优选地，相邻层12和14之间的接触电阻大于10^-5Ω或者甚至大于10^-4Ω；所述接触电阻优选地小于10^-2Ω或甚至小于10^-3Ω。

层叠体10的多层结构使得可以根据期望的应用来调节电阻。这可以通过对层12、14选择合适的材料并且特别是选择另外的层14的合适材料来实现。

例如，如果金属层12是金属薄层而另外的层14是石墨薄层，那么在垂直方向上的电阻通常取决于相邻的石墨薄层14和金属薄层12之间的接触电阻。虽然详细情况取决于该石墨薄层和金属薄层表面的性质，但在假设层叠体的横截面积大约为10cm²的情况下该接触电阻优选在100μΩ到500μΩ的范围内。对于给定大小的总电阻可通过选择该薄层12和14的合适平均厚度来调整。例如，两种薄层的厚度可以分别在0.1mm和几mm(如3mm)之间变化。于是，假设上述的层叠体横截面积大约为10cm²，则每cm层叠体厚度(垂直高度)可以达到大约为0.0003到0.05Ω的电阻。

作为另一个例子，如果另外的层14是陶瓷层，则在垂直方向上的电阻通常取决于这些层14的体电阻。在这种情况下，对于给定大小的总电阻值可通过选择该陶瓷层的厚度与金属层厚度的合适的平均比率来调整。例如，陶瓷层14的厚度可以在金属层12的厚度的0.1倍至1倍之间。于是可以实现在石墨情况下(参照上面)的类似的电阻。

电阻也可以通过改变其它的材料参数来调整。例如，可以改变层叠体横截面积(层的面积)。此外，可以改变金属层12的表面的硬度，例如通过给金属退火或覆盖涂层，例如使用银、镍或铬。通过硬度相对低的金属(例如银)形成的涂层能够减小相邻层之间的接触电阻。此外，该涂层能防止氧化、扩散和腐蚀，并能进一步增加该接触电阻的长时间稳定性。不依赖于所示的实施例，这些金属层可以使用金属涂层来涂覆。该涂层可以包括不同于金属层金属的金属。该涂层可以包括例如银、镍或铬。

图1中所示的层叠体10可通过下述途径装配：分离的金属薄层和另外的薄层以交替的次序放置在彼此的上面以形成层12、14。然后，这些薄层通过压力F_p彼此机械地对压。电接触电阻一般随着压力F_p的增加而降低，因为集中电阻(constriction resistance)减小了。对于高压力F_p，层叠体10的相邻层之间的接触电阻饱和了，即该接触电阻只微弱地依赖于压力F_p的进一步小的改变。不依赖于所示实施例，优选所施加的压力F_p足够高，使得层叠体10的相邻层之间的接触电阻基本上饱和，因为那时该层叠体的导体性能一般是长时间稳定的。例如，压力F_p可在10N/mm²和100N/mm²之间进行选择。

如图1所示，优选将层叠体10夹置于底板2和顶板3之间。然后可以连续施加同时挤压板2、3的压力F_p。例如可以通过一个或多个螺丝连接板2和3，该板2、3被压紧以便施加期望的压力。代替螺丝，可使用任何的夹紧单元4，如图1所示。夹紧单元4可通过层叠体10内的通孔延伸或通过层叠体10的外部区域延伸。如果使用了导电螺丝或者其它的夹紧单元4，那么优选它们不直接与层叠体10电接触。因此，可以避免将层叠体10短路。挤压层12、14也可能导致层叠体10的自粘接(self-adhesion)或结合(bonding)在一起，从而不需要外部的夹紧单元4。

还有用于装配层叠体10的替换方法，例如可以使用沉积技术-例如蒸汽沉积法或电镀法-将每一层都形成在另一层的上面。施加金属层12可能需要一种不同于施加另外的层14的沉积技术，在这种情形下，层叠体可能必须在不同的分隔间之间传输。可替换地，可以制造包括成对的层的薄层，例如通过用涂层来涂覆薄层，使得该薄层和/或该涂层作为金属层形成。然后，如上所述，为了制造该层叠体，具有涂层的薄层可设置在彼此的上面并使它们相互机械地对压。可选择地，在制造该层叠体的过程中，为了在相邻的薄层之间产生永久的接触，可以加热该层叠体。这可能导致层叠体烧结在一起。在加热期间，可选择将该层叠体挤压到一起。

在图2中示出以可调电阻形式的导电电阻器1的可能的应用。该可调电阻具有两个电极。第一电极是通过具有在图1的上下文中所描述的水平层12、14的电阻器1形成。第一电极1进一步具有垂直的接触表面11。更准确的是，层12、14设置在基本上平行的平面中，并且接触表面11基本上垂直于层12、14的平面。优选地，该表面是磨光的或以其它方式被制成平面。该电阻器1进一步接触到外部的引线，并因此通过底板2接触到电源，例如电压源。该底板与金属层中的一层直接电接触。

该第二电极20是接触件，该接触件可以在垂直于层叠体10的层的方向上在接触表面11的一部分上移动，并与接触表面11电连接。如果该第二电极20离开底板2移动，那么电流不得不通过层叠体10传输相对长的路径，这导致高电阻。如果第二电极20朝着底板2移动，那么电流具有通过层叠体10的相对短的路径，这导致低电阻。因此提供了可调电阻器1。

可替换地，可以提供抽头变换器(tap-changer)(未示出)。该抽头变换器在距离底板2的不同距离处具有与层叠体10接触的有限数量的固定接触端，和可变地选择一个或多个固定接触端以接触到外部引线的开关装置。这些固定接触端可能例如通过从层叠体10向外延伸的一些金属层形成。

优选该可移动的第二电极20的大小等于或大于石墨层14的层厚度。为了这个目的，不管该接触元件在层叠体10的接触表面11上的位置如何，该第二电极20的接触表面可做得足够大以使得该接触表面可接触多于一个的层12、14或至少一个金属层12。

优选地，该第二电极20，即可移动的接触元件20，接触至少一个金属层12和至少一个石墨层14，而不管该接触元件在层叠体10的接触表面11上的位置如何。在层叠体10和可移动的接触元件20的接触处的电导率通常取决于金属层12和可移动的接触元件20之间的接触。

图2进一步说明了金属层12如何使电流均匀化。在操作期间，电流从基板2通过层叠体10传输到可移动的接触元件20，这可通过液态金属滴来实施。实线30示意性地将层叠体10的高电流区域18(区域18位于实线30以下和以左)与低电流区域(在实线30以上和以右的区域)划分开来。在此，高低电流是指高于/低于合适选定的极限电流的电流。从图2可以看出，分别在可移动的接触元件20附近的层12、14或液态金属滴中，全部的电流都分别集中在靠近可移动的接触元件20或液态金属滴的小区域19内。在该区域19内，电流密度尤其的高。然而，分别在可移动的连接元件20下方较大的垂直距离处的这些层或者液态金属滴(区域18剩余的部分)中，电流被均匀化并且分布得更加均匀。

因为薄层的电阻是各向异性的，所以该均匀化是可能的。该各向异性是由于金属层12相对高的电导率引起的。如果没有金属层12，也就是在电阻器中只有石墨层，则该均匀化就远不是那么有效。虚线32示意性地说明如果没有金属层12会如何修改在存在金属层12时由实线30划分开来的高电流区域。在这种情形下，仅有石墨层可能不能充分地使电流均匀化。因此，即使分别在离可移动的接触元件20有相对大的垂直距离处的那些层或液态金属第二电极中，高电流区域将仍然很小。换句话说，电流将集中在电阻器的一小部分中。因为即使已经处于适度高的电流密度，石墨中的电流还都集中在热点，所以石墨会至少在热点和/或可移动的接触元件20附近破裂。因此，容限电流密度很低。相反，在存在金属层12的情况下，电流被更有效地均匀化，并且最大容许电流增大。因此，在一些实施例中，电阻器1可以支持高达10kA到100kA的电流。对于以上所描述的大小和材料，可消耗高达100kJ到1000kJ的能量。

同样地，两个相邻层之间的最大容许电压，即大于接触电阻，可通过对层12、14使用合适的材料来增加。对于相似硬度的金属薄层之间的接触，该电压，也称为最大接触电压，优选在0.1V左右。如果超过该最大接触电压，那么该材料在接触点发热并软化或熔化。结果，接触电阻减小并且不是长时间稳定的。通过使用石墨层或软材料层作为另外的层14，在两个相邻层14、12之间的最大接触电压可被设计为增大到0.5V或更大，并且在这样的电压负载下，该接触电阻保持长时间稳定。

该导电电阻器1可用于不同于以上所提到的其它的用途。例如，该导电电阻器1可作为不可调电阻器使用，或者例如作为压力传感器使用。此外，对本领域技术人员显而易见的是，可以扩展或修改在此给出的任何值域而不背离本发明所能达到的基本效果。

附图标记列表

1电阻器

2电接触件/基板/引线

3顶板

10层叠体

11垂直的接触表面

12金属层

14另外的层

16层之间的接触面

18高电流区域

19接触元件附近的特别高电流的区域

20第二电极/可移动的接触元件

Claims

1.一种包括导电的层叠体(10)的电阻器(1)，该导电的层叠体(10)包括：

-多个导电的第一层(12)和

-多个导电的第二层(14)，其中

第一层(12)是金属层，并且其中第一层(12)和第二层(14)的至少一些以交替的次序设置。

2.根据权利要求1所述的电阻器(1)，其中第二层(14)是非金属层(14)。

3.根据前述权利要求的任何一项所述的电阻器(1)，其中第一层(12)具有比第二层(14)高的维氏硬度，优选高于第二层(14)的维氏硬度的20％。

4.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中第二层(14)的体电阻高于第一层(12)的体电阻。

5.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中第二层(14)具有大于10^-8Ωm并小于1Ωm的电阻率。

6.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中在两个相邻层(12，14)之间的接触电阻小于任何一个第二层(14)的体电阻。

7.根据权利要求1-5的任何之一所述的电阻器(1)，其中在两个相邻的第一层和第二层(12，14)之间的接触电阻大于第一层(12)和/或第二层(14)之一的体电阻。

8.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中在相邻的层(12，14)之间的接触电阻大于10^-5Ω和/或小于10^-2Ω。

9.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中在垂直于所述层(12，14)的平面的方向上的每一层的平均电阻大于5μΩ和/或小于5mΩ，特别是在垂直于所述层(12，14)的平面的方向上的每个第二层(14)的平均电阻大于5μΩ和/或小于5mΩ。

10.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中第二层(14)包括导电材料，该导电材料选自由下列材料构成的组：碳，例如石墨；软金属，例如铅和铝；导电塑料，例如碳纤维增强塑料；导电环氧树脂；和/或导电陶瓷，例如碳化硼和碳化钨；包括合金的金属，例如钢、钛合金或镍合金；烧结材料，特别是烧结金属；康铜或康铜合金；金属氧化物，例如钛氧化物、钒氧化物和钛酸钡；导电塑料，例如碳纤维增强塑料；金属陶瓷；和掺杂硅。

11.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中第一层(12)和/或第二层(14)用金属涂层涂敷。

12.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中所述多个层(12，14)多于4层，并优选多于10层。

13.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中所述层(12，14)是通过相互机械对压而层叠在一起的薄层，特别是，这些薄层通过夹紧单元(4)保持在挤压状态。

14.根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)，其中所述层(12，14)设置在基本上平行的平面中，并且其中所述层叠体(10)进一步具有基本上垂直于这些层(12，14)的平面的接触表面(11)。

15.一种可移动的电接触装置，该装置包括根据权利要求14所述的电阻器(1)，该装置进一步包括可在所述接触表面(11)的一部分上移动的可移动的接触元件(20)。

16.一种制造根据前述权利要求的任何之一所述的电阻器(1)的方法，该方法包括以下步骤：

-提供多个导电的第一层(12)，这些第一层是金属层；

-提供多个导电的第二层(14)；和

-以交替的次序设置所述第一层(12)和第二层(14)中的至少一些层，以形成所述电阻器(1)的导电的层叠体(10)。

17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述第二层(12)的体电阻选择为高于所述第一层(14)的体电阻。

18.根据权利要求16-17中的任何一项所述的方法，其中所述层(12，14)是薄层，所述方法进一步包括相互机械对压这些薄层的步骤。