溫度和結構如何影響電阻穩定性

作者 : Bryan Yarborough,Vishay Intertechnology Vishay Dale品牌產品行銷工程師

電阻溫度係數(TCR),也稱RTC,是一種性能特徵,在很大程度上受電阻結構影響,本文將介紹影響這一指標的結構和技術特點,以及如何更好地理解這一電阻性能參數。

電阻溫度係數(TCR),也稱RTC,是一種性能特徵,在很大程度上受電阻結構影響,阻值極低,並且不同的測試方法會產生不一樣的結果。本文將重點介紹影響這一指標的結構和技術特點,以及如何更好地理解這一電阻性能參數。

因果關係

電阻是多種因素共同作用的結果,這些因素導致電子運動偏離金屬或金屬合金晶格理想路徑。

晶格缺陷或不完整會造成電子散射,從而延長行程,增加電阻。以下情況造成這種缺陷和不完整:

  • 因熱能在晶格中移動
  • 晶格中存在不同原子,如雜質
  • 部分或完全沒有晶格(非晶結構)
  • 晶界無序區
  • 晶體缺陷和缺陷

TCR以ppm/℃為單位測量,是上述缺陷熱能部分的特徵,不同材料之間差異很大(參見表1)。當溫度恢復到基準溫度時,這種電阻變化的影響恢復原狀。

 

表1:不同電阻層材料TCR,單位為ppm/℃。

 

TCR影響的另一種可見形式是材料的溫度膨脹率。以兩個分別長100m的不同棒料A和B為例,棒料A的長度變化率為+500ppm/℃,棒料B的變化率為+20ppm/℃。145℃溫變下,棒料A長度增加7.25m,而棒料B的長度僅增加0.29m。以圖1比例圖(1/20)直觀顯示這種差異。棒料A的長度明顯變化,棒料B看不出有什麼不一樣。

 

圖1:比較不同棒料的溫度膨脹率。

 

這種情況也適用於電阻,TCR越低,加電(導致電阻層溫度升高)或周圍環境溫度下的測量結果越穩定。

如何測量TCR

根據MIL-STD-202 Method 304測試標準,TCR性能指以25℃為基準溫度,當溫度變化時,電阻阻值變化,元件達到平衡後,阻值差即TCR。電阻隨溫度升高而增加為正TCR (請注意,自熱也會因TCR產生電阻變化)。

電阻-溫度係數(%):

電阻-溫度係數(ppm):

其中,R1 = 基準溫度電阻、R2 =工作溫度電阻、t1 =基準溫度(25℃)、t2 =工作溫度。

工作溫度(t2)通常取決於應用。例如,儀器典型溫度範圍為-10~60℃,而國防應用溫度範圍一般為-55~125℃。

圖2顯示溫度從25℃開始升高,電阻成比例變化時不同TCR對比。

 

圖2:溫度升高,電組成比例變化時的不同TCR比較。

 

以下公式計算給定TCR條件下最大阻值變化:

其中,R=最終電阻、R0 =初始電阻、α=TCR、T=最終溫度、T0 =初始溫度。

結構對TCR的影響

金屬條(Metal Strip)和金屬板(Metal Plate)電阻技術TCR性能優於傳統厚膜檢流電阻,因為厚膜電阻材料主要是銀,而銀端子和銅端子TCR值比較高。

 

圖3:不同材料電阻技術TCR性能。

 

Metal Strip電阻技術使用實心銅端子(圖3項2),與低TCR電阻合金(項1)焊接,阻值低至0.1mΩ並實現低TCR。但是,銅端子TCR (3,900ppm/℃)高於電阻合金(< 20ppm/℃),構成低阻值條件下整體TCR性能主要部分。

 

圖4:Metal Strip電阻技術。

 

低阻值銅端子與電阻層合金連接,流經電阻層的電流可以均勻分佈,提高電流測量精確度。圖5顯示銅端子與低TCR電阻合金組合對總電阻的影響,最低阻值相同結構情況下,銅端子在TCR性能中變得更為重要。

 

圖5:銅端子與低TCR電阻合金組合對總電阻的影響。

 

凱爾文端子與2端子

凱爾文(4端子)結構具有兩個優點:改進電流測量重複性和TCR性能。缺口結構減少銅端子在電路中的面積。關於凱爾文端子與2端子2512的對比參見表2。

 

表2:凱爾文端子與2端子2512比較

 

兩個關鍵問題:

  • 為什麼缺口不切透電阻合金以獲得最佳TCR?

銅可以降低測量電流的連接電阻。在電阻合金上開槽會造成電阻合金測量部分無電流,從而導致測量電壓升高。缺口是在銅TCR影響與測量精準度和重複性之間所做的一種折衷。

 

圖6:缺口是在銅TCR影響與測量精準度和重複性之間所做的一種折衷。

 

  • 可以使用4端子焊盤設計獲得同樣的結果嗎?

不可以。雖然4端子焊盤設計確實提高了測量重複性,但不能消除測量電路中銅的影響,額定TCR仍然一樣。

包覆結構與焊接

端子的構成可在電阻層覆上薄銅層,這將影響TCR額定值和測量重複性。薄銅層採用包覆方法或電鍍來實現。包覆結構利用極大壓力,以機械方式將銅片與電阻合金連接在一起,材料之間形成均勻介面。兩種構造方法中,銅層厚度通常為千分之幾英吋,最大限度減小銅的影響並改進TCR。其代價是電阻安裝到基板上,阻值會略有漂移,因為薄銅層不能在高電阻合金中均勻分佈電流。某些情況下,板載電阻漂移可能遠大於不同電阻類型之間的TCR影響。

所有資料表的創建並非對等

一些製造商只列出電阻層TCR,這只是整體性能的一部分,因為忽略了端接影響。這個關鍵參數是包括端接影響的元件TCR,即電阻在應用中的表現。

其他方面,TCR特性適用於有限溫度範圍,如20~60℃,也有更寬範圍的情況,如-55~+155℃。電阻進行對比時,有限額定溫度範圍的電阻性能優於更寬額定範圍的電阻。TCR性能通常是非線性的,負溫度範圍內表現較差。請參閱圖7,瞭解同一電阻不同溫度範圍的差異。

 

圖7:同一電阻不同溫度範圍的差異。

 

如果資料表中列出一系列阻值的TCR,由於端接影響,其中的最低阻值確定極限。相同範圍內高阻值電阻的TCR可能接近於零,因為總電阻大部分源於低TCR電阻合金。這種圖表對比需要澄清的另一點是,電阻並不總是具有這樣的斜率,有時可能比較平。這取決於兩種材料TCR與阻值的相互作用。

總之,影響TCR的因素很多,資料表可能未提供所需資訊或所需詳細資訊。作為線路設計,如果需要其他資訊支援你的決定,應與元件供應商技術部門聯繫。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年10月號

 

 

 

 

 

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