TW201503172A - 具有電阻溫度係數（ｔｃｒ）補償的電阻器 - Google Patents

Abstract

揭示一種電流感測電阻器以及一種製造具有電阻溫度係數(TCR)補償之電流感測電阻器的方法。該電阻器具有一電阻片配置於二導電片之間。一對主要接頭以及一對電壓感測接頭形成於該導電片之中。一對粗TCR校準狹槽位於該主要接頭及該電壓感測接頭之間，每一粗TCR校準狹槽各自具有一深度，選擇以獲得一在該電壓感測接頭處觀測到的負初始TCR數值。一細TCR校準狹槽形成於該對電壓感測接頭之間。該細TCR校準狹槽具有一深度，選擇以獲得一在該電壓感測接頭處觀測到的趨近於零之TCR數值。該電阻器同時亦可以具有一電阻校準狹槽位於該對主要接頭之間。該電阻校準狹槽具有一深度，選擇以校準該電阻器之一電阻值。

Description

具有電阻溫度係數(TCR)補償的電阻器

本發明係有關於一種具有極低歐姆值和高穩定性之四接頭電流感測電阻器。

表面貼裝式電流感測電阻器在電子市場上已問市多年。其結構通常包含一由電阻材料構成之扁平條片耦接於構成該元件主要接頭之高導電性金屬接頭之間。一對電壓感測接頭可以形成於該主要接頭之中，從而產生一四接頭元件。該等主要接頭運載通過該元件的大部分電流。該電壓感測接頭產生一正比於通過該元件之電流的電壓。此種元件提供一種利用傳統電壓感測技術監測通過一特定電路之電流的機制。實際通過該元件之電流可以依據感測出的電壓以及該元件之電阻值決定，如歐姆定律(ohms law)所斷言。一理想元件將具有一接近零之電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance；TCR)。然而，多數元件具有非零之TCR，其可以導致在電壓感測端讀取到不準確的電壓，特別是當元件之溫度有所變化之時。

在低歐姆值電流感測電阻器及高電流分流器中，電阻構件之長度較短而電阻器之長度係一標準長度，或者在高電流分流器之情況，由於應用的關係而較長。長的電阻器長度及短的電阻構件長度使得大量的銅 質端頭金屬位於一電流路徑之中。銅具有一3900ppm/℃之TCR，而電阻材料通常小於100ppm/℃。電流路徑中多出的銅使得電阻器的整體TCR升高至800ppm/℃的範圍甚至更大的數值，相對而言，預定之TCR應小於100ppm/℃。

如上所述，典型的電流感測電阻器具有四個接頭，二個主要接頭以及二個電壓感測接頭，以二個狹槽分隔。操控該二狹槽之長度可以調整TCR。參見美國專利案5,999,085(Szwarc)。此方法不使用諸如雷射之傳統電阻器校準設備或是通常用來減小電阻構件寬度以增加電阻器電阻值之其他切割技術。

其需要一改良之組態及方法以使得一電流感測電阻器具有TCR補償或調整。其亦需要提供一改良之電阻器組態及方法以在製造流程中簡化電流感測電阻器之TCR調整。一或多個此等特色經由以下說明及申請專利範圍將趨於明顯。

其揭示一種電阻器以及一種製造具有電阻溫度係數(TCR)補償之電阻器的方法。該電阻器具有一電阻片配置於二導電片之間。一對主要接頭以及一對電壓感測接頭形成於該導電片之中。一對粗TCR校準狹槽位於該主要接頭及該電壓感測接頭之間，每一粗TCR校準狹槽各自具有一深度，選擇以獲得一在該電壓感測接頭處觀測到的負初始TCR數值。一細TCR校準狹槽形成於該對電壓感測接頭之間。該細TCR校準狹槽具有一深度，選擇以獲得一在該電壓感測接頭處觀測到的趨近於零之TCR數值。該電阻器同時亦可以具有一電阻校準狹槽位於該對主要接頭之間。該電阻校 準狹槽具有一深度，選擇以校準該電阻器之一電阻值。

10‧‧‧電阻器

12、14‧‧‧導電片

13‧‧‧電阻片

16、18‧‧‧主要接頭

20、22‧‧‧電壓感測接頭

24、26‧‧‧第一狹槽

28‧‧‧第二狹槽

30‧‧‧第三狹槽

100‧‧‧電阻器

112、114‧‧‧導電片

113‧‧‧電阻片

116、118‧‧‧主要接頭

120、122‧‧‧電壓感測接頭

123‧‧‧第一腳

124、126‧‧‧第一狹槽

125‧‧‧第二腳

128‧‧‧第二狹槽

A‧‧‧深度

B‧‧‧深度

C‧‧‧深度

X‧‧‧距離

Y‧‧‧距離

圖1例示一四接頭電阻器，具有一對第一狹槽配置以將TCR調整至一負初始數值；圖2例示一四接頭電阻器，具有一對第一狹槽和一第二狹槽配置以共同將TCR調整至一極小值；圖3例示一四接頭電阻器，具有一對第一狹槽和一第二狹槽配置以共同將TCR調整至一極小值，以及一第三狹槽用於電阻校準；圖4係一圖形，顯示該第二狹槽深度及TCR及電阻值間的關係；圖5例示具有TCR補償之四接頭電阻器之另一實施例；以及圖6係一圖形，顯示TCR補償與各種狹槽結構的關聯。

圖1-3顯示經過電阻溫度係數(TCR)調整之各種階段之示範性電阻器幾何結構。其應理解，本說明書揭示之技術亦適用於其他電阻器形式，包含薄膜電阻器(film resistor)、金屬箔片電阻器(metal foil resistor)以及其他種類之電阻器技術。

圖1顯示基本上由一電阻片13配置於二導電片12、14之間而構成之一電阻器10。電阻器10具有主要接頭16、18和電壓感測接頭20、22。運作之時，主要接頭16、18運載通過該電阻器的大部分電流。一對第一狹槽24、26位於該主要接頭和該電壓感測接頭之間。第一狹槽24、26各自具有一深度朝電阻片13的方向延伸。此基本上顯示為深度A。其應理 解，第一狹槽24、26各自均使用同一深度A，或者另一種方式，第一狹槽24及26可以具有不同之深度。圖2及圖3顯示一第二狹槽具有一深度B以及一第三狹槽具有一深度C之結構。這些狹槽的關聯性將於以下說明。

回到圖1，該導電片基本上係由銅薄片材料構成且具有一範圍通常大約0.008-0.120吋(~0.2-3毫米)之厚度。銅之厚度之選擇基本上係依據元件之預定功率消耗及預定機械強度(例如，使得該電阻器在製造、安裝及使用期間具有足夠的強度)。該對第一狹槽24、26分隔該導電片12、14的一部分而產生一四接頭元件。該對第一狹槽24、26之尺寸及位置基本上界定出主要接頭16、18以及電壓感測接頭20、22之尺寸。該對第一狹槽24、26通常位於接近該電阻器之一邊緣。在此實例之中，該對第一狹槽24、26位於距該元件上方邊緣一距離Y處。其通常選擇該距離Y以產生適當尺寸之電壓感測接頭。例如，其可以選擇該距離Y以提供電壓感測接頭足夠的寬度以抵擋製造期間的沖壓(punching)及機械加工(machining)動作以及在安裝和使用時具有足夠的強度。

該第一狹槽24、26各自具有一深度，基本上如圖1中顯示之距離A。在多數應用之中，第一狹槽24、26將具有同一深度A。其應理解，第一狹槽24及26可以各自具有一不同深度。其亦應理解，第一狹槽24、26具有之深度可以自該元件上的許多不同的點參照。基本上，該對第一狹槽24、26界定出主要接頭16、18以及電壓感測接頭20、22間之一縮減厚度或頸深。此基本上如圖1中顯示之距離X。如何決定第一狹槽深度A將說明於下。

在以下實例之中，導電片12、14係由銅構成。如上所述， 銅具有一3900ppm/℃之TCR。相對地，電阻片13可以具有一小於100ppm/℃之TCR。若不存在該對第一狹槽24、26，則由於大量的銅配置於電流路徑之中，電阻器10將基本上具有一極高之正TCR。其通常需要將TCR最小化(意即，使TCR之絕對值趨近於零)。一特定電流感測電阻器之典型範圍可以是±25ppm/℃。假定此例中一特定元件具有一200μΩ(意即，0.0002Ω)之目標電阻值。同時亦假設未包含該對第一狹槽24、26之初使設計產生一TCR大約800ppm/℃之元件。

銅質導電片12、14之厚度依上述方式選擇。其選擇電阻片13之尺寸以產生一接近但低於該目標電阻值之電阻。之所以如此係因為最後的電阻值將由一後續之裁修動作設定(其將增加該電阻器之電阻值)。

除了界定電壓感測接頭的尺寸之外，該對第一狹槽24、26致使位於電壓感測接頭20、22處之TCR更朝負的方向邁進。該對第一狹槽24、26愈深，則位於電壓感測接頭20、22處之TCR愈負。該對第一狹槽26、24並未巨幅改變電阻器本身的TCR，而是改變在電壓感測接頭20、22處觀測到的TCR。

基本上，該第一狹槽深度A與在電壓感測接頭20、22處觀測到的TCR間的關聯性係透過一標準程序決定。舉例而言，其製造出一標準型元件，而後以傳統方法測試之(意即，在一定範圍的條件下量測電壓、電流及溫度)。其持續增加第一狹槽24、26之深度，直到在電壓感測接頭20、22處觀測到一負初始TCR數值，例如大約-200ppm/℃。因此，第一及第二狹槽24、26可以被視為粗TCR校準狹槽。

在此階段，其需要一負的初始TCR數值，因為其將使用一 第二狹槽微調TCR數值，進一步詳述如下。當決定適當之第一狹槽深度之後，該深度對於特定形式之產品(意即，具有同一物理及電氣特性之電阻器)不再改變。此係有效益性的，因為該對第一狹槽24、26可以在製造流程早期階段即予以插入，利用傳統之沖壓、端銑(end milling)或其他機械加工技術。後續之開槽動作可以在製造流程之稍後階段執行，甚至可以透過雷射裁修(laser trimming)完成。

參見圖2，其顯示具有一深度B之第二狹槽28位於電壓感測接頭20、22之間。一般而言，第二狹槽28係形成於介於電壓感測接頭20、22間的電阻片13之中。其應理解，該第二狹槽亦可以導致移除一部分之電壓感測接頭20、22，如圖2所示。第二狹槽28之淨效應係驅使在電壓感測接頭20、22處觀測到的TCR轉成正值。該第二狹槽28同時亦將造成電阻值的小幅增加。此以圖形方式顯示於圖4之中。在此實例之中，不具有一第二狹槽28之電阻器(例如，如圖1所示)之TCR係-198ppm/℃。該元件(不具有第二狹槽28)之初始電阻係大約110μΩ(意即，0.00011Ω)。將第二狹槽深度設成0.040"(~1毫米)，TCR改善至-100ppm/℃。同樣地，該電阻增加至大約125μΩ(意即，0.000125Ω)。

參見圖3，將第二狹槽28設成0.080"(~2毫米)，TCR繼續朝正值接近而更趨近於零。電阻增加至大約140μΩ(意即，0.00014Ω)。因此，第二狹槽28之功能如同一細TCR校準狹槽。如上所述，一特定元件之TCR典型目標範圍可以是大約±25ppm/℃。其可以利用雷射裁修技術、傳統沖壓、端銑或任何其他允許移除材料至一預定深度及寬度之機械加工技術以形成第二狹槽28。

圖3同時亦顯示一第三狹槽30(電阻校準狹槽)形成於主要接頭16、18之間。此第三狹槽30具有一選擇以微調電阻值之深度。此例中，其選擇深度C以產生一在特定容忍度之內(例如，200μΩ±1%)的目標電阻值。其可以利用雷射裁修技術、傳統沖壓、端銑或任何其他允許移除材料至一預定深度及寬度之機械加工技術以形成第三狹槽30。

其應理解，第一狹槽24、26及第二狹槽28可以形成於同一時間或不同時間。其亦應理解，第二狹槽28可以"即時地"改變(例如，若TCR係以各電阻器逐一量測之方式進行)。因此，每一電阻器之TCR均可以被客製化成特定數值。另一額外優點在於，其可以利用雷射裁修技術形成第二狹槽28，此可以巨幅簡化TCR調整流程。圖1及圖2中所示之第一狹槽24、26及第二狹槽28具有一普通的長方形輪廓。圖3所示之第三狹槽30具有一普通之三角形輪廓。其應理解，本揭示之範疇並不排除使用其他簡單或複雜幾何形狀之狹槽。

圖5顯示TCR補償之另一種狹槽組態。圖5顯示基本上由一電阻片113配置於二導電片112、114之間而構成之一電阻器100。該導電片基本上係由銅薄片材料構成且具有一範圍通常大約0.008-0.120吋(~0.2-3毫米)之厚度。銅之厚度之選擇基本上係依據元件之預定功率消耗及預定機械強度(例如，使得該電阻器在製造、安裝及使用期間具有足夠的強度)。

電阻器100具有主要接頭116、118和電壓感測接頭120、122。運作之時，主要接頭116、118運載通過該電阻器的大部分電流。上述之主要接頭形成一界定內部區域(例如，彼此分隔於遠離導電片112、114邊緣之某處)。一對第一狹槽124、126位於該主要接頭和該電壓感測接頭之間。 在此實施例之中，該電壓感測接頭係形成於主要接頭之該界定內部區域之內。此組態係針對需要更小巧且位於中央之電壓感測接頭之應用。第一狹槽124、126係由二隻腳構成。第一腳123之長度基本上正交於主要電流路徑延伸，如圖中之"A"所示。第二腳125之長度基本上平行於主要電流路徑延伸，如圖中之"B"所示。其應理解，第一狹槽124及126可以使用同一腳長度A及B。或者，第一狹槽的腳可以具有不同長度。電阻器100同時亦具有一第二狹槽128，其具有一深度C。這些狹槽的關聯性將於以下說明。

該對第一狹槽124、126分隔該導電片112、114之一內部部分而產生一四接頭元件。該對第一狹槽124、126之尺寸及位置基本上界定出電壓感測接頭120、122之尺寸。在此實例之中，感測接頭基本上係位於介於前述第一及第二腳123、125之間的接合處。

如上所述，第一腳123具有一長度A而第二腳125具有一長度B。圖6係一圖形，顯示TCR補償與第一狹槽124、126之結構的關聯。樣本1係一未配具第一狹槽124、126之基本電阻器。在此組態之中，TCR係+60ppm/℃。樣本2及3顯示當加入第一腳123(樣本2)以及長度增加(樣本3)時之TCR補償。如該圖所顯示，TCR變成更趨向負值，最終結果是+20ppm/℃。樣本4及5顯示當加入第二腳125(樣本4)以及長度增加(樣本5)時之TCR補償。樣本4及5中的第一腳123維持固定。如該圖所顯示，TCR變成更趨向負值，最終結果是-35ppm/℃。

製造期間，可以先加入第一腳123，直到達到粗略的TCR補償水準為止。其可以使用許多方法形成第一腳，包括沖壓或機械加工。其後可以加入第二腳125以將TCR補償微調至預定之水準。其可以使用許 多方法形成第二腳，包括雷射裁修。在多數應用之中，第一狹槽124、126將具有同一尺寸。其應理解，第一狹槽124及126可以各自具有不同的腳狀結構。當第一狹槽124及126完成之後，即可以形成第二狹槽128以微調電阻值。圖5中所示之第一狹槽124、126以及第一和第二腳123、125具有一普通的長方形輪廓。圖5中所示的第二狹槽125具有一普通的圓形輪廓。其應理解，本揭示之範疇並不排除使用其他簡單或複雜幾何形狀之狹槽或腳狀結構。

依據前述其顯然可知許多修改可能在未脫離本發明之範疇下達成。例如，前述之第一狹槽24、26、124、126可以具有不同的間隔及深度。同樣地，其他狹槽之位置以及各種接頭之形狀均可能有所變異。習於斯藝者應能體認，對於上述實施例的眾多修改、變更、及組合均可以在未脫離本發明之精神和範疇下達成，而此等修改、變更、及組合均應視為被本發明之概念所涵蓋。後附之申請專利範圍界定出涵蓋所有合乎本發明精神和範疇的變化及修改。

10‧‧‧電阻器

12、14‧‧‧導電片

13‧‧‧電阻片

16、18‧‧‧主要接頭

20、22‧‧‧電壓感測接頭

24、26‧‧‧第一狹槽

28‧‧‧第二狹槽

30‧‧‧第三狹槽

Claims (35)

1. 一種電阻器，該電阻器包含：第一導電片；第二導電片；一電阻片，配置於該第一和第二導電片之間；第一狹槽，形成於該第一導電片中，該第一狹槽具有朝該電阻片延伸的第一深度；以及第二狹槽，形成於該第二導電片中，該第二狹槽具有朝該電阻片延伸的第二深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電阻器，其中該第一和第二狹槽當成粗電阻溫度係數(TCR)校準狹槽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電阻器，其中該第一狹槽位於形成於該第一導電片中的第一主要接頭和第一電壓感測接頭之間，且該第二狹槽位於形成於該第二導電片中的第二主要接頭和第二電壓感測接頭之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電阻器，其中該第一狹槽的該第一深度和該第二狹槽的該第二深度決定在該等電壓感測接頭處的電阻溫度係數(TCR)。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電阻器，其進一步包含第三狹槽，具有形成於該電阻片中的第三深度，該第三狹槽位於該第一電壓感測接頭和該第二電壓感測接頭之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電阻器，其中該第三狹槽適合驅使在該等電壓感測接頭處觀測到的電阻溫度係數(TCR)轉成與由該第一和第二狹 槽所驅使的TCR的方向相反的方向。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電阻器，其中該第三狹槽當成一細電阻溫度係數(TCR)校準狹槽。
8. 如申請專利範圍第5項所述之電阻器，其進一步包含第四狹槽，具有形成於該電阻片中的第四深度，該第四狹槽位於該第一和第二主要接頭之間，用以調整該電阻器的電阻。
9. 如申請專利範圍第3項所述之電阻器，其中該電阻器進一步包含複數個電阻溫度係數(TCR)校準腳狀結構，該第一和第二導電片界定一主要電流路徑，該複數個TCR校準腳狀結構的其中至少一者配置正交於該主要電流路徑，且該複數個TCR校準腳狀結構的其中另外一者配置平行於該主要電流路徑。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電阻器，其中該第一和第二深度彼此不同。
11. 一種製造電阻器之方法，該方法包含：提供一電阻片於第一銅質導電片和第二銅質導電片之間；形成第一主要接頭以及第一電壓感測接頭於該第一銅質導電片之中；形成第二主要接頭以及第二電壓感測接頭於該第二銅質導電片之中；以及形成複數個狹槽於該電阻片以及該第一和第二銅質導電片之中，其中該複數個狹槽的深度是依據一標準程序而決定。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其進一步包含形成第一狹槽於該第一銅質導電片中，該第一狹槽具有朝該電阻片延伸的第一深度；以及 形成第二狹槽於該第二銅質導電片中，該第二狹槽具有朝該電阻片延伸的第二深度。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該第一狹槽位於形成於該第一銅質導電片中的第一主要接頭和第一電壓感測接頭之間，且該第二狹槽位於形成於該第二銅質導電片中的第二主要接頭和第二電壓感測接頭之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該第一狹槽的該第一深度和該第二狹槽的該第二深度決定在該等電壓感測接頭處的電阻溫度係數(TCR)。
15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其進一步包含形成第三狹槽，該第三狹槽具有位於該電阻片中的第三深度，該第三狹槽位於該第一電壓感測接頭和該第二電壓感測接頭之間。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第三狹槽適合驅使在該等電壓感測接頭處觀測到的電阻溫度係數(TCR)轉成與由該第一和第二狹槽所驅使的TCR的方向相反的方向。
17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第三狹槽當成一細電阻溫度係數(TCR)校準狹槽。
18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其進一步包含形成第四狹槽，該第四狹槽具有位於該電阻片中的第四深度，該第四狹槽位於該第一和第二主要接頭之間，用以調整該電阻器的電阻。
19. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第一和第二深度彼此相同。
20. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第一和第二深度彼此不同。
21. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該標準程序包含製備一標準型元件，且改變該等狹槽的深度，藉以在該等電壓感測接頭處達成一選定電阻溫度係數(TCR)。
22. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該標準程序進一步包含改變該等狹槽的深度，藉以達成一用於該電阻器的選定電阻溫度係數(TCR)。
23. 一種電阻器，該電阻器包含：第一導電片，具有第一主要接頭和第一電壓感測接頭；第二導電片，具有第二主要接頭和第二電壓感測接頭；一電阻片，配置於該第一和第二導電片之間；第一狹槽，形成於該第一主要接頭和該第一電壓感測接頭之間；以及第二狹槽，形成於該第二主要接頭和該第二電壓感測接頭之間。
24. 如申請專利範圍第23項所述之電阻器，其中該第一狹槽具有朝該電阻片延伸的第一深度，且該第二狹槽具有朝該電阻片延伸的第二深度。
25. 如申請專利範圍第24項所述之電阻器，其中該第一和第二深度彼此相同。
26. 如申請專利範圍第24項所述之電阻器，其中該第一和第二深度彼此不同。
27. 如申請專利範圍第23項所述之電阻器，其進一步包含第三狹槽，具有於該電阻片中的第三深度，該第三狹槽位於該第一電壓感測接頭和該第二電壓感測接頭之間；以及第四狹槽，具有於該電阻片中的第四深度，該 第四狹槽位於該第一和第二主要接頭之間。
28. 如申請專利範圍第27項所述之電阻器，其中該第三狹槽適合驅使在該等電壓感測接頭處觀測到的電阻溫度係數(TCR)轉成與由該第一和第二狹槽所驅使的TCR的方向相反的方向。
29. 如申請專利範圍第27項所述之電阻器，其中該第三狹槽當成一細電阻溫度係數(TCR)校準狹槽。
30. 如申請專利範圍第23項所述之電阻器，其中該第一和第二狹槽當成粗電阻溫度係數(TCR)校準狹槽。
31. 如申請專利範圍第23項所述之電阻器，其中該第一狹槽和該第二狹槽的深度決定在該等電壓感測接頭處的電阻溫度係數(TCR)。
32. 一種電阻器，該電阻器包含：第一導電片，具有第一主要接頭和第一電壓感測接頭；第二導電片，具有第二主要接頭和第二電壓感測接頭；一電阻片，配置於該第一和第二導電片之間；以及複數個電阻溫度係數(TCR)校準腳狀結構，其中該第一和第二導電片界定一主要電流路徑，該複數個TCR校準腳狀結構的其中至少一者配置正交於該主要電流路徑，且該複數個TCR校準腳狀結構的其中另外一者配置平行於該主要電流路徑。
33. 如申請專利範圍第32項所述之電阻器，其中該複數個TCR校準腳狀結構的其中至少一者具有選擇以獲得在該第一和第二電壓感測接頭處觀測到的粗TCR數值之長度，且其中該複數個TCR校準腳狀結構的其中至少一者具有選擇以獲得在該第一和第二電壓感測接頭處觀測到的趨近於零之 TCR數值之長度。
34. 如申請專利範圍第32項所述之電阻器，其中該正交的TCR校準腳狀結構具有與該平行的TCR校準腳狀結構相同的長度。
35. 如申請專利範圍第32項所述之電阻器，其中該正交的TCR校準腳狀結構具有與該平行的TCR校準腳狀結構不同的長度。