溫度和結(jié)構(gòu)如何影響電阻穩(wěn)定性

作者：Bryan Yarborough，Vishay Intertechnology Vishay Dal

電阻溫度系數(shù)(TCR)，也稱RTC，是一種性能特征，在很大程度上受電阻結(jié)構(gòu)影響，阻值極低，并且不同的測試方法會產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。本文將重點介紹影響這一指針的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點，以及如何更好地理解這一電阻性能參數(shù)。

因果關(guān)系
電阻是多種因素共同作用的結(jié)果，這些因素導(dǎo)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(zhì)

部分或完全沒有晶格(非晶結(jié)構(gòu))

晶界無序區(qū)

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征，不同材料之間差異很大(參見表1)。當(dāng)溫度恢復(fù)到基準(zhǔn)溫度時，這種電阻變化的影響恢復(fù)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看不出有什么不一樣。

圖1：比較不同棒料的溫度膨脹率

這種情況也適用于電阻，TCR越低，加電(導(dǎo)致電阻層溫度升高)或周圍環(huán)境溫度下的測量結(jié)果越穩(wěn)定。

如何測量TCR
根據(jù)MIL-STD-202 Method 304測試標(biāo)準(zhǔn)，TCR性能指以25℃為基準(zhǔn)溫度，當(dāng)溫度變化時，電阻阻值變化，組件達到平衡后，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(chǎn)生電阻變化)。

電阻-溫度系數(shù)(%)：

電阻-溫度系數(shù)(ppm)：

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

工作溫度(t2)通常取決于應(yīng)用。例如，儀器典型溫度范圍為-10~60℃，而國防應(yīng)用溫度范圍一般為-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(jié)構(gòu)對TCR的影響
金屬條(Metal Strip)和金屬板(Metal Plate)電阻技術(shù)TCR性能優(yōu)于傳統(tǒng)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(shù)TCR性能。

Metal Strip電阻技術(shù)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并實現(xiàn)低TCR。但是，銅端子TCR (3,900ppm/℃)高于電阻合金(< 20ppm/℃)，構(gòu)成低阻值條件下整體TCR性能主要部分。

圖4：Metal Strip電阻技術(shù)

低阻值銅端子與電阻層合金連接，流經(jīng)電阻層的電流可以均勻分布，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有兩個優(yōu)點：改進電流測量重復(fù)性和TCR性能。缺口結(jié)構(gòu)減少銅端子在電路中的面積。關(guān)于凱爾文端子與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(guān)鍵問題：

為什么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(dǎo)致測量電壓升高。缺口是在銅TCR影響與測量精準(zhǔn)度和重復(fù)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(zhǔn)度和重復(fù)性之間所做的一種折衷

可以使用4端子焊盤設(shè)計獲得同樣的結(jié)果嗎？

不可以。雖然4端子焊盤設(shè)計確實提高了測量重復(fù)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(jié)構(gòu)與焊接
端子的構(gòu)成可在電阻層覆上薄銅層，這將影響TCR額定值和測量重復(fù)性。薄銅層采用包覆方法或電鍍來實現(xiàn)。包覆結(jié)構(gòu)利用極大壓力，以機械方式將銅片與電阻合金連接在一起，材料之間形成均勻接口。兩種構(gòu)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并改進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布電流。某些情況下，板載電阻漂移可能遠大于不同電阻類型之間的TCR影響。

所有數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建并非對等
一些制造商只列出電阻層TCR，這只是整體性能的一部分，因為忽略了端接影響。這個關(guān)鍵參數(shù)是包括端接影響的組件TCR，即電阻在應(yīng)用中的表現(xiàn)。

其他方面，TCR特性適用于有限溫度范圍，如20~60℃，也有更寬范圍的情況，如-55~+155℃。電阻進行對比時，有限額定溫度范圍的電阻性能優(yōu)于更寬額定范圍的電阻。TCR性能通常是非線性的，負(fù)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)較差。請參閱圖7，了解同一電阻不同溫度范圍的差異。

圖7：同一電阻不同溫度范圍的差異

如果數(shù)據(jù)表中列出一系列阻值的TCR，由于端接影響，其中的最低阻值確定極限。相同范圍內(nèi)高阻值電阻的TCR可能接近于零，因為總電阻大部分源于低TCR電阻合金。這種圖表對比需要澄清的另一點是，電阻并不總是具有這樣的斜率，有時可能比較平。這取決于兩種材料TCR與阻值的相互作用。

總之，影響TCR的因素很多，數(shù)據(jù)表可能未提供所需信息或所需詳細信息。作為線路設(shè)計，如果需要其他信息支持你的決定，應(yīng)與組件供應(yīng)商技術(shù)部門聯(lián)系。

本文轉(zhuǎn)載自：電子工程專輯

審核編輯 黃宇