CN103597554B

CN103597554B - 电阻式结构和电阻式分压器布置

Info

Publication number: CN103597554B
Application number: CN201280010446.1A
Authority: CN
Inventors: A·霍佐伊; R·迪泽尔恩克特; M·帕夫拉斯
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-25
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-02-25
Also published as: CN103597554A; EP2678869A2; US20130342227A1; WO2012113575A3; WO2012113575A2; BR112013021594A2; EP2678869B1; US9299484B2

Abstract

本发明涉及具有改进的电场分布的电阻式结构，沉积在圆柱状绝缘衬底(20)的表面上，其中至少一个电阻路径或迹线(23、33、43、54、64)被提供有形如螺旋的形状，并且被直接印刷在所述绝缘衬底(20、30、40、50、60)的表面上。此外，要求的电阻式分压器至少包括电串联的第一和第二电阻器，其中每个电阻器由被施加到圆柱状绝缘衬底(20、30、40、50、60)上的电阻膜材料的一条或多条迹线(23、33、43、54、55、64、65)制成，其中所述迹线中的至少一个是螺旋状的形状并通过直接印刷而施加到所述衬底(20、30、40、50、60)上。

Description

电阻式结构和电阻式分压器布置

本发明涉及具有改进的电场分布的电阻式结构，特别是高度均匀的电场分布，这里所述的电阻式结构特别适合于应用在升高的电压下，特别是在从大约1kv上至100kV或更上至1MV的范围中的升高的电压或高电压，并且使用普通的可用的厚膜技术，使用最小的投入，可以被高精度和大量地制造在圆柱状绝缘衬底上。另外，本发明涉及至少包括电串联的第一和第二电阻器的电阻式分压器和/或电阻式分压器布置，其中至少一个电阻器包括至少一个根据本发明的电阻式结构。

提供电阻式分压器以用于将一次电压变换到成比例的二次电压，但是该二次电压显著小于该一次电压，例如在10倍和100000倍之间。为了实际应用，相对于诸如温度、老化、以及应用电压的影响，分压比必须表现出良好的精度和稳定性。分压器可以以其最简单的形式仅仅由两个串联电阻器组成，一个具有高电阻值而另一个具有低或更低的电阻值(特别是与高电阻值相比)。在更高级的情况下，串联电阻器的一个或两个可以被具有各自等效电阻值的电阻网络取代。这些电阻器或者对应的电阻器网络在下文中还可以分别被叫做高和低欧姆电阻器。合适的分压比通过调整高和低欧姆电阻器的电阻值的比例而实现，并且为了实现高分压比，高欧姆电阻器的电阻值必须显著高于低欧姆电阻器的电阻值。

在升高的电压或高压下采用的电阻器通常具有高电阻值以限制功率消耗，并具有大尺寸以承受高电压。这样的电阻器通常使用厚膜技术制造，特别是丝网印刷工艺，其允许在具有从小到很大的各种大小的衬底上节约生产具有高电阻率的电阻式结构。因此，衬底的长度可以在从小于一毫米上至几百毫米的范围内。

厚膜电阻器由电阻膜材料制成，该电阻膜材料以迹线的形式而应用在绝缘衬底上。该迹线的端部与由高导电膜制成的电气端子部分重叠，该高导电膜用于设备的电气连接。导电材料层和电阻材料层被相继沉积在平坦状或圆柱状的电绝缘衬底上，从而分别形成电气端子和电阻式结构。另外，基于诸如玻璃或聚合物的绝缘层还可以被用于绝缘或保护的目的。丝网印刷是选用于施加各种层的方法，主要由于低工艺成本、高产出率、广泛可用性和可重复的质量。该工艺同样好地适用于平坦或圆柱状绝缘衬底，该平坦或圆柱状绝缘衬底通常由诸如氧化铝的陶瓷材料制成，然而也可以使用玻璃或聚合物基的衬底。

通常，一次只能丝网印刷一种单一材料的一个单层，在该次或印刷工艺之后，在可以形成任意后续层之前，需要附加工艺步骤，诸如干燥和焙烧。所有这些工艺步骤增加了制造某种结构或设备的复杂度和成本，并且因此高度关注于减少印刷步骤的数目，特别是因为每个印刷步骤都需要附加工艺操作，并且可能导致所印刷的结构中的错误或不规则。

导电和/或电阻式结构的各种形状可以通过准备适当的掩模而丝网印刷。另外，有时采用切边操作，以实现预期形状的印刷结构或者精确调节电阻值，其中在印刷工艺之后去除或切割材料。因此，切边工艺是消减工艺，与丝网印刷工艺(是附加工艺)形成对照。使用诸如激光或机械切割的技术来执行切边，并且引起电阻式结构中影响长期稳定性的应力，并导致电阻值的漂移。因此，在切边之后，必须执行高温稳定化操作，其中电阻式结构/设备被长时间退火，从而释放因切边引起的应力。通常的情况是，甚至在几天的稳定化之后，应力都没有被完全去除，并且该电阻漂移比全部由直接印刷而不切边所制造的等效结构更糟。因此，从成本和精度考虑，想要避免切边。

除了低工艺成本和良好的精度，厚膜技术的一个进一步的优点是具有大范围电阻率值(例如从小于100mΩ/sq到大于1GΩ/sq)的电阻材料的广泛可获得性。具有高电阻率值的材料经常具有较差的性能参数，诸如温度系数、电压系数、噪声和稳定性。对于要求良好精度的应用，因此，具有高欧姆值的电阻器优选通过使用窄且长的迹线来制造，该窄且长的迹线的长宽比(由长度比宽度而给出)尽可能高从而允许使用具有低电阻率的材料。另外，电阻的绝对电压系数与电阻式结构的长度成反比，使得长迹线高度合适。

对于高电压水平下的操作，电阻式结构将理论上确保电场强度尽可能低，并且横跨全结构均匀分布。电场强度的高峰值应当被避免，从而确保低的电应力、耐高电压和电阻值的良好精度/稳定性。因此，最佳电阻式结构必须提供高的长宽比和电场强度的均匀分布。

众所周知，通过在平坦或圆柱状的衬底上丝网印刷长且窄的具有蛇形状的电阻迹线制造具有很高长宽比的厚膜电阻器，这一点如EP0536895A1所述。蛇形图案的一个优点是其表现出非常低的电感值，这对于制造具有小电阻值和低寄生阻抗的结构是很重要的。然而，在电阻值像所有高压应用中一样需要很大时，电感的寄生值完全可忽略并且寄生电容变得更加关键。蛇形结构很好适合于具有低电压水平的应用中，然而，它们不适合于高电压水平，因为蛇形形状造成具有很高的最大值的电场的非常不均匀的分布。

图1中展现了典型的已知蛇形电阻式结构，其中还示出交替线之间封闭区域中产生的电场强度。很容易发现E2的大小接近于零，同时E1的大小达到很高的值。具有非常低的最小值和非常高的最大值的电场强度的交替分布不适合于耐高压。也就是说，蛇形结构不能均匀地分布电压降和沿着电阻器本体的电场，并且仅部分结构必须承担全部电压应力。另外，因为产品和电学的原因，需要自由地保留蛇形图案的圆角之间的显著的间隙。小间隙难于制造，但是还会在蛇形图案的角之间产生强电场和电阻器的较差的耐电压。因此，蛇形结构低效地利用电阻器的长度和周长以承受所施加的电压。

对于在特定最大电压下操作，电阻式结构的尺寸必须足够大，从而保持电场强度的高峰值处于实际限值下，这导致了设备的大尺寸和高成本。另外，电场强度的高峰值在电阻式结构中产生应力并且会带来电阻值的漂移，并且因此产生差的精度。

因此，基于蛇形状迹线的电阻式结构不是很适合于在升高的电压下使用，并且对于采用这样的电阻式结构的电阻器或电阻式分压器也存在相同的情况。

因此，本发明的目标是提供用于具有改进的电场分布和几乎均匀的电场强度分布的电阻式结构的技术方案，并且其可以使用丝网印刷技术而直接印刷在绝缘衬底的表面上。另外，将会展现出包括所述结构和表现出卓越的精度、耐更高的电压、更小的尺寸，以及更低的成本(相比现有已知设备)的电阻式分压器或分压器布置。

本发明的第一目标是通过提供具有改进的电场分布、沉积在圆柱状绝缘衬底的表面上的电阻式结构来实现，根据权利要求1所述的特征，其中至少一个电阻路径或迹线具有形如螺旋状的形状，并且直接印刷在绝缘衬底的表面上。所述电阻式结构的进一步实施例和发展以及精炼和电阻式分压器和电阻式分压器布置分别被布置和公开在进一步的权利要求和以下的描述中。

根据本发明的电阻式分压器和/或分压器布置至少包括电串联的第一和第二电阻器，其中至少一个电阻器包括电阻膜材料的至少一个电阻路径或迹线，该电阻膜材料是螺旋状并且被直接印刷在圆柱状绝缘衬底上。绝缘衬底可以特别是简单圆柱体或空心圆柱体。

图2和图3中举例了根据本发明的螺旋状结构。图2中还示出交替线之间封闭的区域中产生的电场的强度。因为该图案是线到线均匀且周期性的，电场强度的大小，例如E3或E4，在两条相邻线之间的任意位置上是相同的。螺旋状电阻式结构确保了电场强度非常均匀的分布，并且电压应力跨全结构均匀分布且使得可利用空间得到最佳使用。在迹线宽度大大小于迹线周期时，发明人发现螺旋状迹线的电场强度达到具有等价长宽比的蛇形设计的最大强度的二分之一。在典型配置中，螺旋状迹线的电压应力是等效蛇形结构中的电压应力的大约50％。因此，对于耐高压，电阻迹线或路径的螺旋状形状是理想的，同时直接印刷的方法适合于实现高精度、高产量、低生产投入、低成本和高稳定性。

有利地，电阻器和电阻路径或迹线的制备或生产不需要诸如切边的任何进一步的消减工艺。对于耐高压，电阻迹线或路径的螺旋状形状是理想的，同时直接印刷的方法适合于实现高精度、高产量、低生产投入、低成本或投入和高稳定性。

为了使用丝网印刷制造螺旋状迹线，必须使可产生迹线不连续(诸如是迹线宽度的偏移或变化)的迹线分段重叠。一种方法是优化丝网印刷工艺的容差并简单重叠迹线分段，然而，不连续的可再现性可能是差的，并且可能导致弄脏迹线或甚至污染丝网印刷掩模。通过在结构的设计中引入刻意的不连续，可以更好控制偏差，该不连续诸如是连接部分中迹线的更宽或更窄的部分(如图4示例性示出)。然后，可以高生产率而获得很好的可再现性，并且不需要采用现有的机器和工艺工具。与以前结构中采用的蛇形形状相比，该不连续对于电场分布的均匀性的影响将是可以忽略的。

因此，螺旋状迹线或路径示出具有不连续的一个或多个连接部分，例如在绕着圆柱状衬底的迹线的每个整圈而周期性分布的更窄或更宽的迹线部分。连接部分可以使用与迹线的其余部分相同的材料或某种不同的材料，或是电阻性的或是导电的。导电材料适合于较高的印刷分辨率，并且可以产生比使用电阻材料明显更薄的层和更小的迹线宽度，使得更精细的重叠成为可能。另外，使用导电连接部分允许在相同的工艺步骤中将连接部分和电阻设备的电气端子一起印刷。迹线或路径的这个特别之处允许调节电阻式结构的设计，从而实现使用常见丝网印刷设施的高效制造，并且优化质量、生产率和成本。

螺旋状迹线可以表现为恒定倾斜角度，或者迹线的斜率可以在零度和某个适合值之间变化，或者可以存在具有不同斜率的分段(如图5中示例性所示)。在迹线分段的斜率等于零时，更容易控制迹线分段的几何，也就是说迹线分段的几何近似包含在垂直于圆柱状衬底的轴的平面中。在它们的斜率大约为零时，迹线分段的重叠也更容易实现，并且因此便于在连接部分的区域中具有小迹线角度。

一个实施例涉及电阻式分压器，其至少包括电串联的两个电阻器，其中至少一个电阻器包括至少一个螺旋状的迹线，其通过直接印刷方法而施加在衬底上。分压器可以通过任意直接印刷方法来制造，诸如丝网印刷。电阻式分压器可以使用螺旋状电阻器结构的上述的任意特征，从而改善精度、质量、生产率和成本。分压比的精度可以通过在相同的衬底上和在相同的工艺步骤中以及使用相同的电阻及导电材料来印刷分压器的全部电阻器来进一步提高，从而确保电阻值的良好匹配和诸如电阻温度系数的特性的良好匹配。

因此，采用通过在圆柱状绝缘衬底上直接印刷而制造的近似螺旋的电阻迹线的分压器特别适合于实现高工作电压、小尺寸、低成本、良好精度和高稳定性。

另外，本发明涉及电压传感器，其包括根据任意上述实施例的电阻式分压器。

根据一些附图和示例及其对应的描述解释本发明的进一步的优点和实施例。

图1示出从具有形状像蛇形的迹线的技术获知的高电压电阻式结构，

图2示出根据本发明的电阻式结构的第一实施例，

图3示出3D视图中的第一实施例，

图4和5示出根据本发明的螺旋状电阻式结构的进一步的实施例，

图6示出根据本发明的分压器的第一实施例，

图7示出根据本发明的分压器的进一步的实施例。

图1中展现的电阻式结构是已知的的现有技术，其中由电阻材料层制成的迹线被直接印刷在圆柱状绝缘衬底10上，并且所述电阻迹线13形状像蛇纹状。电阻迹线13与由电阻率非常低的材料层制成的电气端子11和12部分重叠。图1中还示出交替线之间的封闭区域中产生的电场的强度，反映了电压应力的不均匀分布。

图2中示意性示出根据本发明的电阻式结构的第一实施例，其中电阻迹线23被直接印刷在圆柱状绝缘衬底20上(特别地，通过丝网印刷技术或通过一个或多个喷嘴来写)且所述电阻迹线23的形状像螺旋。

电阻迹线23与电气端子21和22部分重叠。对于电阻迹线的端部和电气端子的结构，各种形状和设计变化是可能的，并且图2仅仅示出简单的示例，图2的关注点是在电阻迹线的螺旋形状。螺旋形状将不由诸如切边和切削的消减工艺限定，这些消减工艺可能降低电阻器值的稳定性。图2还示出交替线之间封闭区域中产生的电场的强度，并且示出在两个相邻线之间的任意位置处，电场强度大小是相同的，产生了电压应力的最佳分布。

从图3中的三维透视图示出了图2中展现的实施例。因此，关于图3的分阻器的特征，我们参见图2的描述。

图4示出了电阻式分压器的进一步的实施例和相应电阻式结构，其中电阻迹线33具有螺旋状的形状和/或外貌，该电阻迹线33包含或包括以宽度大于迹线的剩余部分的迹线分段的形式的不连续34。电阻迹线直接被印刷在圆柱状绝缘衬底上并且与电气端子31和32重叠，在实践中，电气端子31和32可以具有任意适合的形状，重叠区域也可以具有任意合适的形状。

图5展现其中电阻迹线43具有近似螺旋状的形状的实施例，其包括具有不同倾斜角度的分段45、46和47，并且包括以宽度小于迹线的剩余部分的迹线分段的形式的不连续44。具体来说，分段45和46可以具有等于零的倾斜角度，这可以有利于丝网印刷工艺。同样，可以用与电气端子41和42相同的印刷工艺步骤并且使用相同的材料来制造不连续44。

在图6中，三维透视图展现了电阻式分压器的示例实施例，包括至少两个电串联的电阻器，其中至少一个电阻器包括螺旋状的并通过直接印刷方法施加到圆柱状绝缘衬底50上的一条迹线54。另外，电阻迹线54与电气端子51和52部分重叠。针对电阻迹线的端部和电气端子51、52的结构，各种形状和设计变化都是可能的。另外，第二或其他电阻器包括一条短且宽的迹线55，具体来说，形状像几乎矩形的平面或平板，该迹线55被施加到同一圆柱状绝缘衬底50的表面上，并且部分围绕同一圆柱状绝缘衬底50的圆柱状绝缘衬底50，其中所述迹线55与电气端子52和53重叠。因此两个电阻器电串联。

在图7中，展现了电阻式分压器的示例实施例，包括至少两个电串联的电阻器，其中至少一个电阻器包括螺旋状的并通过直接印刷方法施加到圆柱状绝缘衬底60上的一条迹线64。另外，电阻迹线64与电气端子61和62部分重叠。具有螺旋状的电阻迹线64包括分段66、67和以宽度小于迹线剩余部分的迹线分段的形式的不连续68。可以用与电气端子61、62和63相同的印刷工艺步骤并且使用相同的材料来制造不连续68。

针对电阻迹线的端部和电气端子61、62和63的结构，各种形状和设计变化都是可能的。另外，第二或其他电阻器包括一条短且宽的迹线65，具体来说，形状像几乎矩形的平面或平板，迹线65被施加到同一圆柱状绝缘衬底60的表面上，并且部分围绕圆柱状绝缘衬底60，其中所述迹线65与电气端子62和63重叠。因此两个电阻器电串联。

本发明并不限于所述的实施例和示例，而且还可以包括根据本发明所公开的特征的任意组合，只要它们互相不冲突即可。

Claims

1. 一种电阻式结构，具有改进的电场分布且沉积在圆柱形绝缘基板的表面上，其中至少一个电阻路径或迹线（23、33、43）被提供有形如螺旋的形状，并且被直接印刷在所述绝缘基板（20、30、40）的表面上，

其中所述螺旋状的迹线（23、33、43）包括存在至少一个不连续（34、44）的至少一个连接部分，所述不连续（33、34）具有小于或大于所述螺旋状的迹线的剩余部分的迹线宽度或/和相对于所述迹线的剩余部分的微小偏移。

2. 根据权利要求1所述的电阻式结构，其中多个连接部分沿着所述螺旋状的迹线的长度周期性地设置。

3. 根据权利要求1所述的电阻式结构，其中所述电阻式结构的端部能够是任意适合的形状，并且与由高导电层制成的电气端子（31、32、41、42）部分重叠。

4. 根据权利要求1所述的电阻式结构，其中所述连接部分使用电导率高于所述迹线的剩余部分的材料制造。

5. 根据权利要求3所述的电阻式结构，其中所述连接部分和所述电气端子使用相同的高导电材料在相同的工艺步骤中印刷而制成。

6. 根据权利要求1至5中任一权利要求所述的电阻式结构，其中所述螺旋状迹线（23、33、43）由在至少两个不同角度下取向的分段组成。

7. 根据权利要求6所述的电阻式结构，其中所述螺旋状迹线（23、33、43）包括近似包含在垂直于所述圆柱状绝缘基板的轴的平面中的至少一个分段。

8. 根据权利要求1至5以及7中任一权利要求所述的电阻式结构，其中所述螺旋状迹线（23、33、43）具有高于100的长宽比（长度对宽度）。

9. 根据权利要求1所述的电阻式结构，其中所述直接印刷方法是丝网印刷。

10. 一种电阻式分压器，至少包括电串联的第一和第二电阻器，其中每个电阻器由被施加到圆柱状绝缘基板（20、30、40、50、60）上的电阻膜材料的一个或多个迹线(23、33、43、54、55、64、65)制成，

其特征在于

所述迹线(23、33、43、54、55、64)中的至少一个是螺旋状的形状并通过直接印刷而施加到所述基板（20、30、40、50、60）上，

包括至少一个如权利要求1至9中任一权利要求所述的结构。

11. 根据权利要求10所述的电阻式分压器，其中至少所述第一电阻器和所述第二电阻器主要使用相同的电阻材料、以相同的工艺步骤印刷而制成。

12. 根据权利要求10至11中的一个所述的电阻式分压器，其中所述直接印刷方法是丝网印刷。

13. 一种电压传感器，包括根据权利要求10至11中任一权利要求所述的电阻式分压器。