CN103460308A - 由绝缘衬底上的电阻膜材料制成的电阻分压器 - Google Patents
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Abstract
电阻分压器包括至少第一（4）和第二（5）电阻器，其串联电连接并且由采用迹线的形式施加在绝缘衬底（2）上的电阻膜材料（1）制成。分压器的电压比具有在十与一百万之间的值。为了提高分压器的精度，该至少第一（4）和第二（5）电阻器由相同的电阻膜材料（1）制成、具有在对应的特定迹线长度之上的迹线长度并且具有近似相同的迹线宽度。
Description
技术领域
本发明涉及电阻分压器，其包括至少第一和第二电阻器，该第一和第二电阻器串联电连接并且由采用迹线的形式施加在绝缘衬底上的电阻膜材料制成，并且其中该分压器的电压比具有在十与一百万之间的值。该分压器可存在于其最简单的形式中：只有两个串联电阻器，一个具有高电阻值并且另一个具有低电阻值。在更先进的情况下，串联的电阻器中的一个或者两个可以由具有相应等效电阻值的电阻网络替代。这些电阻器或者对应的电阻器网络在下面还可分别叫作高和低欧姆电阻器。
背景技术
已知通过使诸如金属膜或金属箔（例如镍铬、金属陶瓷膜（例如氮化钽、二氧化钌、钌酸铋、碳膜），或基于玻璃和金属陶瓷混合物的复合材料膜）的非绝缘的电阻膜或箔材料处于绝缘衬底上来制造电阻器的不同技术。在罕见的情况下，电阻膜材料可以由具有上述不同名称的材料的多层组成。绝缘衬底通常可以是陶瓷、硅、玻璃或者一些其他合成材料，并且该膜材料可通过如溅射（薄膜）、丝网和网版印刷（厚膜）或者通过喷嘴的直接印刷（厚膜）的方法而施加到衬底。该绝缘衬底可具有平坦的平面片或圆柱的形式，并且相应地，电阻膜沉积到二维的平面表面上或者三维轴对称表面上。在分压器中，高和低欧姆电阻器都处于相同的衬底上。另外，具有比电阻器的膜材料低得多的电阻率的高导电结构也沉积在衬底上。该高导电结构意在用作接触端子，并且它们采用电阻器的电阻膜材料与它们部分重叠这样的方式而置于衬底上。
为了实现显著超过一的电压比，并同时减少分压器的尺寸，已知的是，将高欧姆电阻器的电阻膜材料布置成长且窄的迹线，其中该迹线形状类似蜿蜒的形式。术语蜿蜒的形式意味着该迹线恰好不是直线而是采用在小的衬底区域上实现长的长度这样的方式弯曲。蜿蜒的形式例如可看起来像方波、三角波、正弦波、Z字形或（在三维情况下）螺旋形。这例如在对于厚膜电阻器的US 5,521,576和对于薄膜AC分压器的US 7,079,004 B2中描述的。如也在那里公开的，低欧姆电阻器的低电阻值通常通过采用短且宽的迹线布置电阻膜材料而获得。
一般，上文描述的电阻分压器可以用于宽范围的电压水平，从低至中到高压应用。尽管本发明源于例如ABB的KEVCD和KEVA传感器类型的通常能适用于在3.6kV和36kV之间的电压范围的中压传感器的领域，本发明的应用领域不限于该电压范围。
对于大部分应用，可以确保分压器比的某一高精度并且初始精度可以在变化的温度和/或长时段内维持，这是可期望的。然而，不同的老化效应在电阻值和分压器中电阻器的温度系数两者中导致漂移，其导致精度逐渐恶化。在US 5,521,576中，描述了对于厚膜电阻器，电阻器的稳定操作特性可以通过将电阻线的电阻组成采用连续模式直接印刷到衬底上而确保在期望的电阻值处，其中该电阻线具有这样的长度：其比线的宽度至少大十倍。
发明人已经认识到对于分压器，需要稳定的每个电阻器自身的电阻值并没有那么多。相反，更重要的是确保电阻器的初始电阻值是准确的并且高和低欧姆电阻器两者的操作特性的漂移都发生在相同的方向上并且具有可能相同的量使得电阻值的比以及由此分压器的电压比在整个操作温度内或在长时间段内维持在它的初始值处。
相应地，本发明的目标是提供如上文描述的电阻分压器，其以它的电压比的提高的精度和温度稳定性以及长期稳定性为特征。
发明内容
如已经提出的，该目标通过使分压器中的高和低欧姆电阻器的漂移特性尽可能匹配而实现。对于该匹配的第一重要步骤是对分压器中的所有电阻器使用相同的电阻膜材料。在复合材料的情况下，这意味着例如不仅使用相同种类的复合物而且使用具有几乎相同电阻率的相同复合物。
其次，尽可能多地理解影响初始电阻值或漂移特性的效应并且采用这些效应在可能相同的程度上在所有电阻器中出现这样的方式设计高和低欧姆电阻器，这是可期望的。一个重要的效应是所谓的界面效应，其涉及在接触端子与电阻器的电阻膜材料之间的界面处出现的电互扩散。因此，类似电阻器每单位长度的电阻值、温度系数和长期稳定性的重要参数随着它的电阻迹线的长度而改变，尤其在迹线不比互扩散区长得多时改变。在具有十以上的高压比的电阻分压器中，高欧姆电阻器的迹线长度明显长于低欧姆电阻器的迹线长度，这导致两个电阻器并且因此电压比的不可忽略的失配误差。随着迹线长度增加，界面效应对电阻性质具有越来越小的影响。发明人已经指出，对于常用的电阻膜材料，界面效应在特定迹线长度以上可以被忽略，其中特定迹线长度典型地具有在一至十毫米之间的值，这取决于特定电阻膜材料和电阻器的制造技术。也就是说，在特定迹线长度以上，高和尤其是低欧姆电阻器的电阻值和漂移参数被充分确保，并且由此确保预定的分压器比。通过选择适当的电阻膜材料和制造技术，使特定迹线长度对于每个特定设计保持在适宜的值以下，这是可能的。例如，大约两毫米的特定迹线长度是可能的，由此允许分压器的紧凑设计。
对电阻值有影响的另一个效应是在迹线的横向边缘处出现的所谓的边缘效应。当观看典型迹线的横截面时，迹线的横向边缘通常不是直的并且突然被切割，而是朝其外端逐渐减小。在迹线的边缘区中，电阻膜材料的组成和/或结构可能相对于迹线中间的区稍有改变。相应地，可以注意到随着迹线宽度的减小，与具有矩形横截面以及均匀的组成和结构的理想迹线的预期电阻相比，边缘效应在影响每单位长度的迹线电阻中发挥更大的作用。为了对高和低欧姆电阻器的电阻值具有相同的边缘效应影响量，因此提供具有近似相同迹线宽度的至少第一和第二电阻器由此确保它们的电阻值的较好匹配并且相应地提高初始精度、温度稳定性和长期稳定性，这是有利的。
总的来说，本发明建议分压器的至少第一和第二电阻器由相同的电阻膜材料制成、具有在对应的特定迹线长度以上的迹线长度并且具有相同的迹线宽度。
在影响电阻膜材料的电阻率方面发挥作用的另外的效应与制造技术有关。例如，当电阻器使用厚膜技术来丝网印刷时，丝网在绝缘表面上的机械移动方向根据印刷方向建立所得的每单位长度迹线电阻的某一各向异性行为。在使用薄膜技术时各向异性行为也是不可避免的，因为衬底区域上的溅射角度不是完全垂直和恒定的，而是稍有改变。另外，在制造期间，特别在封装期间并且当使得电连接到接触端子时，以及在分压器的寿命期间可出现的机械应力通常具有各向异性特性。各向异性应力对于三维（如圆柱）分压器比对二维平坦的分压器更为明显。为了以相同的各向异性方式影响高和低欧姆电阻器，在本发明的另外的实施例中建议以近似相同的取向来布置至少第一和第二电阻器的主要迹线段，其中这些主要迹线段将围成在零与最大三十度之间的角度。术语主要迹线段用于相当长（与只是弯曲相对）并且与其他迹线段相比对该迹线的总电阻值具有最高影响的蜿蜒迹线的那些部分。在直线的情况下，该主要迹线段和迹线本身是相同的。
基于使高和低欧姆电阻器的初始值、温度稳定性和长期稳定性匹配的这些基本思想，这些电阻器可采用不同的方式设计以便实现它们期望的电阻值并且由此实现期望的电压比。这些可能设计的示例和本发明的对应实施例将从附图和对应的描述变得明显。
附图说明
图1示出从本领域已知的具有高和低欧姆电阻器的电阻分压器，
图2示出使用电阻分压器用于测量目的的示意图，
图3示出根据本发明的电阻分压器的第一实施例，
图4对于示例复合材料示出相对电阻率对电阻器长度的依赖性，
图5示出电阻器迹线的示意横截面图，
图6至12示出根据本发明的电阻分压器的另外的实施例，
图13举例说明低欧姆电阻器的微调，
图14示出对于图6至12的实施例的示意电气图。
具体实施方式
从本领域内已知图1的分压器，其中具有电阻值R1的高欧姆电阻器具有带多个弯曲的长且窄的迹线并且其中具有电阻值R2的低欧姆电阻器具有短且宽的迹线。高欧姆电阻器被置于第一接触端子A与第二接触端子B之间，并且低欧姆电阻器被置于第二接触端子B与第三接触端子C之间。用于高和低欧姆电阻器的电阻膜材料在这里不同。
在图2中示出图1的分压器的等效示意电气图。这样的分压器例如在3.6kV与36kV之间的中压范围的电压传感器中使用，例如ABB的KEVCD和KEVA传感器类型。在电压传感器中，在第一与第三接触端子A和C之间施加输入电压为Uin（其代表要测量的量），而具有小得多的值的输出电压Uout-（通常按等于分压器比(R1+ R2)/R2的因子减少）然后被传递到电子电路以便处理并且转变成测量值。
如可以从图1看到的，高和低欧姆电阻器两者的迹线与对应的接触端子A、B和C部分重叠。在这些重叠区域内，发生上文描述的界面效应，如分别由实和虚箭头指示的。界面效应可以更好地从图4理解，其对于示例复合材料示出相对电阻率对电阻器迹线长度的依赖性。在特定迹线长度LC之上，相对电阻率变成独立于迹线长度。也就是说，在特定迹线长度LC之上，电阻器的单独设计和另外的长度不再影响电阻率，由此使得更容易且更可靠地精确限定电阻值R1和R2并且由此限定比（R1+ R2）/R2。相应地，界面效应可以通过对高和低欧姆电阻器提供在它们电阻膜材料的特定迹线长度之上的迹线长度而匹配它们，该材料根据本发明是相同的。
另外，比（R1+ R2）/R2的精度和长期稳定性可以通过使用相同的迹线宽度而以甚至更好的方式得以确保。与用虚线示出的理想电阻器迹线相比，图5示出用实线描绘的真实电阻器迹线的示意横截面图。参考数字1指示电阻膜材料并且参考数字2指示绝缘衬底。箭头指示其中出现所谓的边缘效应的迹线宽度的边缘处的区域。这些区域的尺寸对于所有迹线宽度近似相同，这意味着对于更小的迹线宽度，实际电阻值与理想电阻值相差更多。在图1的情况（其中低欧姆电阻器的迹线宽度比高欧姆电阻器的迹线宽度大得多）下，电阻值R1比电阻值R2受边缘效应的影响更强。为了使边缘效应对电阻值的影响匹配，根据本发明的高和低欧姆电阻器都提供有相同的迹线宽度。
本发明的第一实施例示意性地在图3中示出，其中高欧姆电阻器和低欧姆电阻器由相同的电阻膜材料制成、具有在该材料的特定迹线长度LC之上的迹线长度－例如具有五毫米，并且具有相同的迹线宽度。与图1的分压器相比，高欧姆电阻器的迹线长度增加，由此使它的电阻值R3增加，以便对电阻值R4的增加作出反应并且使电压比（R3+ R4）/R4维持在近似相同的值。因为对高和低欧姆电阻器的电阻率的影响匹配，比（R3+ R4）/R4具有提高的精度和长期稳定性。
本发明的一般特征（即，对高和低欧姆电阻器提供相同的材料和迹线宽度并且使它们的迹线长度在该材料的特定迹线长度LC之上）也在下文描述的所有其他实施例中呈现。在图6中示出的本发明的第二实施例的示意描述中，假设低欧姆电阻器的电阻值R4维持在与在图3中的相同的值处。在该和所有另外的实施例中，低欧姆电阻器的电阻值R4通过使多个直的电阻器迹线在几何上并联并且使它们并联电连接而实现。也就是说，低欧姆电阻器的电阻值R4通过并联电阻器的电阻器网络而获得，如在图14中描绘的。在图6中，参考数字4指示高欧姆电阻器，其也叫作第一电阻器，并且参考数字5和6指示属于并联电阻器网络（其叫作低欧姆电阻器）的第二和第三电阻器。总而言之，十个电阻器或电阻器迹线在几何上并联并且电并联布置来形成低欧姆电阻器。
图7的第五实施例与图6的第二实施例的不同之处在于：另外，高欧姆电阻器的主要迹线段3具有与并联的第二、第三和所有另外的电阻器（其形成低欧姆电阻器）的主要迹线段7相同的取向。它们围成零度的角度。为了简单性原因，由箭头仅示出总共八个主要迹线段中的两个。电阻器取向的对齐导致对高和低欧姆电阻器的迹线的电阻率的各向异性影响的匹配。
图6和7的分压器设计尤其都适合于在5kV之上的中和高压应用，因为高欧姆电阻器的高压区域（其位于接触端子A附近）之间的距离具有朝其他接触端子B和C的最长距离，由此使非期望的电压击穿的可能性降低。
第三实施例的备选在图8和9中示出，其中高欧姆电阻器不再形成为方波，而是作为在弯曲处具有圆角的蜿蜒形式，其中高欧姆电阻器的主要迹线3包括与低欧姆电阻器的电阻器迹线所成的零度的角度（图8中）和小于三十度的角度（图9中）。
其中高和低欧姆电阻器具有近似相同取向的另外的实施例是分别在图12中示出的第四实施例和在图10和11中示出的第五和第六实施例。这些设计由于高欧姆电阻器的高压区域与接触端子B之间或高压接触端子A与低压接触端子C之间的较短距离（与图2相比）而更适合于较低的电压范围。
图10和11中示出的第五和第六实施例分别示出这样的设计：其中高欧姆电阻器布置为一个直的迹线。图10与11之间的唯一差异在于在第五实施例中，高欧姆电阻器和电阻器迹线（其形成低欧姆电阻器）具有完全相同的迹线长度，而在第六实施例中它们具有不同的迹线长度。
在图13中，示出根据第三实施例的分压器，其中属于低欧姆电阻器的电阻器迹线中的一个通过将它切成两块而中断（如由实箭头指示的）。那样，对应的并联电阻器网络的电阻器中的一个被消除，由此使电阻值R4增加了一个增量。通过清除电阻膜材料的部分来调整电阻膜电阻器的电阻值在本领域中称为微调。可注意，作为并联电阻器迹线网络的低欧姆电阻器的设计允许通过从电阻器网络拿走全部电阻器（与通过仅部分清除电阻器迹线的电阻膜材料而实现的模拟微调相对）而以一种数字式方式微调，如例如在US 7,079,004中描述的。模拟微调在电阻器的膜材料内留下切割边缘，其可改变材料的微结构并且可诱导应力，两者通常都影响电阻值的稳定性。这些负面效应可以通过替代地应用数字微调而避免。
Claims (9)
1.一种电阻分压器，具有十与一百万之间的电压比并且包括串联电连接的至少第一（4）和第二（5）电阻器，其中所述电阻器由电阻膜材料（1）制成并且各自采用迹线的形式施加在绝缘衬底（2）上，
其特征在于
所述至少第一（4）和第二（5）电阻器由相同的电阻膜材料（1）制成、具有在对应的特定迹线长度之上的迹线长度并且具有近似相同的迹线宽度。
2.如权利要求1所述的分压器，其中，所述第一（4）和第二（5）电阻器具有在两毫米之上的迹线长度。
3.如权利要求1或2中一项所述的分压器，其中，至少第三（6）电阻器与所述第二电阻器并联电连接并且其中所述第二（5）和所述至少第三（6）电阻器是在几何上并联布置并且具有近似相同的迹线长度和近似相同的迹线宽度的两个直的迹线。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的分压器，其中，所述第一（4）电阻器的迹线具有蜿蜒形式的形状。
5.如权利要求1至4中任一项所述的分压器，其中，所述至少第一（3）和第二（7）电阻器的主要迹线段以近似相同的取向布置并且其中所述主要迹线段（3，7）围成零与最大三十度之间的角度。
6.如权利要求3和4所述的分压器，其中，所述第一电阻器是与所述第二和所述至少第三电阻器并联布置的直的迹线。
7.如权利要求6所述的分压器，其中，所述第一电阻器具有与所述第二和所述至少第三电阻器近似相同的迹线长度。
8.如权利要求3至7中任一项所述的分压器，其中，所述第二和/或所述至少第三电阻器的迹线被切成两块用于微调目的。
9.一种电压传感器，包括如权利要求1至8中任一项所述的分压器。
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