Resistori di precisione per applicazioni esigenti

COMPONENTI PASSIVI –

Gli strumenti sismici digitali e i rivelatori di tsunami necessitano di resistori di precisione nei propri circuiti analogici.

I sistemi sismografici, i metodi più utilizzati per la ricerca di petrolio e gas e per il rilevamento di terremoti e tsunami, effettuando la misura devono essere in grado di modificare la sensibilità in sequenza e con estrema rapidità in modo da riuscire ad attenuare le riverberazioni di alta energia iniziali che provengono dagli strati più superficiali della terra e rilevare quelle più deboli provenienti dalla sue parti più profonde, senza tuttavia perdere i segnali provenienti da qualsiasi strato durante queste transizioni. L'apparecchiatura di misura deve anche essere esente da rumore in modo da evitare la perdita dei segnali più deboli. L'apparecchiatura sismica digitale che amplifica e registra i segnali sismici riflessi in un ricevitore a banda larga e l'unità a nastro usati sul campo, si avvale di resistori a lamina per montaggio superficiale accoppiati e discreti. Per questo tipo di applicazioni, i resistori a lamina di alta precisione assicurano un funzionamento praticamente esente da rumore. Offrono risposte prevedibili e una tracciatura molto precisa degli amplificatori all'interno di un singolo sistema sismico o tra più sistemi intercorrelati. Nella fase di analisi, quando verranno ricostruiti i segnali, gli amplificatori di precisione incorporati garantiscono al geologo massima precisione e accuratezza nei risultati. Un sistema sismico necessita resistori di limitazione per ottenere precisione e rapidità di risposta ed evitare la perdita di impulsi. Tali resistori non devono essere sensibili alle variazioni di temperatura e devono tracciarsi reciprocamente in modo esatto, affinché le impostazioni e i rapporti dei guadagni dei segnali siano prevedibili e riproducibili nel tempo. I resistori devono anche avere un rumore corrente molto basso per evitare di “mascherare” i segnali riflessi. I moduli amplificatori devono tracciarsi reciprocamente dal momento che durante l'esplorazione potrebbero essere attivi molti canali d'ingresso del segnale. Lo sfasamento fra tutti gli amplificatori dovrà pertanto essere estremamente limitato. Questi requisiti, in modo particolare la tracciatura, sono assolutamente necessari qualora le informazioni raccolte in varie parti del mondo debbano essere successivamente raffrontate in modo significativo.

Requisiti rigorosi
La parte principale del sistema sismico è il modulo amplificatore. L'amplificatore ad alto guadagno seleziona le frequenze e richiede una gamma di controllo automatico del guadagno molto ampia. I requisiti richiesti per l'unità sono molto rigorosi. Quando il primo picco di energia viene misurato accuratamente e inviato nel terreno, l'amplificatore deve smorzare il segnale e successivamente incrementare l'amplificazione quando l'energia sismica del segnale riflesso si riduce. La logica dell'amplificatore utilizzata nell'apparecchiatura include stadi di guadagno e attenuatori. Una rete di divisori resistivi consente l'attenuazione dei segnali in varie fasi che attenuano o lasciano passare i segnali verso il primo amplificatore, in relazione al campo d'ingresso dell'amplificatore stesso. Alcuni interruttori controllano il valore dell'attenuazione. Successivamente, il segnale viene trasmesso ad un altro attenuatore resistivo in grado di fornire un segnale completo o una simile attenuazione. Questo attenuatore è collegato ad un secondo stadio amplificatore. Ciascuno degli stadi amplificatori in successione contiene anche un attenuatore resistivo, che può fornire un'attenuazione precisa o un segnale completo. I monitor di terremoti e i rilevatori di tsunami sono sostanzialmente uguali alle apparecchiature di registrazione per i pozzi petroliferi, ma l'urto dell'impulso iniziale viene provocato da cause naturali piuttosto che dall'intervento umano. Sono disponibili in commercio resistori a lamina con prestazioni eccellenti, superiori a tutti gli standard di stabilità precedenti per i resistori di precisione e con un notevole miglioramento in termini di stabilità alla temperatura, stabilità di durata sotto carico e resistenza all'umidità. Tutti questi fattori assumono un'importanza sempre più cruciale nel nostro imprevedibile clima globale. I nuovi livelli di riferimento della prestazione forniscono agli ingegneri progettisti gli strumenti necessari per fabbricare circuiti analogici che non potevano essere realizzati in passato. Consentono inoltre di ridurre i costi dei circuiti più critici, eliminando la necessità della circuiteria di correzione usata solo con lo scopo di stabilizzare o reiterare la precisione negli stadi precedenti del percorso del circuito.
Prima di questa tecnologia a lamina, le applicazioni di precisione ad alta frequenza erano unicamente realizzabili con resistori a film metallico di precisione, ma non erano altrettanto precisi o stabili come i resistori a filo avvolto, i quali non hanno una buona risposta all'alta frequenza. La nuova tecnologia a lamina (generazioni di lamina Z e Z1) offre ai progettisti componenti resistivi con livelli di precisione addirittura superiori a quelli a filo avvolto, ma risultano inoltre particolarmente adatti alle applicazioni ad alta frequenza e ad alta temperatura. La tecnologia a lamina produce resistori per montaggio superficiale di piccole dimensioni che non sarebbe possibile ottenere con la tecnologia a filo avvolto e offre maggiore precisione e stabilità rispetto ai resistori a film sottile. I resistori sono disponibili in piccole dimensioni (fino a 0603) e possono essere utilizzati come standard secondari on-board trasportabili ovunque sia trasportata l'apparecchiatura, anche nello spazio profondo.

Resistori a lamina
In passato, i progettisti di componenti resistivi tentarono di migliorare la prestazione dei resistori riducendo le sollecitazioni naturali dei componenti. Ad esempio, nei resistori di precisione a filo avvolto, tentarono in diversi modi di avvolgere il filo metallico con una tensione di avvolgimento tale da mantenerlo in posizione e riducendo le sollecitazioni del filo una volta avvolto in una bobina. Questo tipo di accorgimento si rivelò utile al momento della fabbricazione, ma il processo non riuscì ad evitare una modifica nel valore della resistenza a causa delle sollecitazioni dopo un riscaldamento e un utilizzo ciclico effettivo nelle applicazioni dei circuiti reali. I resistori a film sottile non offrivano questa possibilità, poiché il film sottile doveva essere sottoposto a polverizzazione ionica o depositato direttamente sul substrato per formare un nuovo agglomerato resistivo. Pertanto, gli ingegneri che utilizzavano questa tecnologia a film sottile dovevano concentrarsi sulla protezione del film con rivestimenti e incapsulamenti. La tecnologia dei resistori a lamina controlla in modo efficace le sollecitazioni per controbilanciare le forze con effetti opposti, utilizzando in tal modo tali sollecitazioni per ottenere un resistore molto stabile. In altre tecnologie, i fabbricanti ambivano ad ottenere il minimo coefficiente di variazione possibile della resistenza con la temperatura nel proprio materiale resistivo per i componenti termicamente più stabili. La tecnologia a lamina consente di ottenere una lamina non con il Tcr più basso, ma con il Tcr più lineare nella gamma di temperature più ampia, e per ottenerlo in modo riproducibile entro tolleranze molto strette. Questo Tcr viene ottenuto in una lamina laminata a freddo e relativamente spessa che mantiene la stessa struttura molecolare della lega grezza da cui viene realizzata. Questa è la base del resistore a lamina, poiché la lamina deve agire come una struttura monolitica con un coefficiente di dilatazione termica lineare fisso e noto in una qualsiasi gamma di temperatura a cui il resistore potrebbe essere sottoposto durante la sua durata prevista. Il secondo elemento per ordine di importanza nella costruzione è l'adesivo che fissa la lamina al substrato piatto unitario. Deve resistere alle alte temperature, all'energia pulsante, alle infiltrazioni di umidità, agli urti e alle vibrazioni, all'esposizione a basse temperature, alle scariche elettrostatiche e così via, e deve essere in grado di assicurare in modo stabile l'elemento lamina al substrato. Grazie a queste caratteristiche, la tecnologia di base dei resistori a lamina coniuga la compensazione essenziale delle sollecitazioni che definisce la tecnologia delle lamine.

Lega per lamine Bulk Metal
La lega per lamine Bulk Metal prodotta dal Vishay Precision Group è stata sviluppata con un coefficiente Tcr positivo noto e un coefficiente di dilatazione termica lineare noto. La lamina è fissata a un substrato di ceramica piatto che ha anch'esso un coefficiente Lce noto, scelto per indurre una sollecitazione predefinita nella lamina. In questa struttura, due influenze opposte vengono imposte alla lamina. La prima è l'incremento della resistenza proprio della lamina con l'aumento della temperatura: un Tcr positivo. La seconda è il fissaggio della lamina al substrato in modo che sia costretta a seguire il substrato. Tale fissaggio deve avere un coefficiente Lce specifico inferiore al coefficiente Lce della lamina. Pertanto, quando la struttura completata subisce un incremento di temperatura, lo strato del resistore che è costituito dalla lamina tende a dilatarsi secondo il proprio coefficiente Lce, ma è vincolato alla caratteristica di dilatazione termica inferiore del substrato. L'effetto che si ottiene è che la lamina, che tenta di espandersi contro la forza di vincolo del substrato, subisce una forza di compressione che diminuisce la sua resistenza. In questo perfetto equilibrio di forze, la riduzione della resistenza causata da un aumento della temperatura compensa esattamente l'incremento di resistenza proprio della lamina causato dallo stesso aumento di temperatura. Il risultato finale è un resistore con Tcr quasi nullo di 0,2 ppm/°C da -55°C a +225°C. La struttura è progettata in modo che le sollecitazioni predefinite non superino la costante di Hook dei materiali e, pertanto, mantiene l'equilibrio e la stabilità della resistenza per tutta la durata del carico e l'applicazione del resistore, mantenendo la variazione totale della resistenza a un valore inferiore allo 0,005% per tutta la durata prevista dell'apparecchiatura. La struttura piana e piatta del resistore a lamina, con l'elemento di resistenza in superficie (prima dell'incapsulamento), si presta ad un processo unico di spiralatura (o trimming) per impostare con precisione le resistenze su un valore con tolleranze pari a 0,001% (10 ppm) in pacchetti ermeticamente sigillati. Sull'elemento resistore viene fotoincisa una griglia che include i collegamenti consecutivi proporzionati geometricamente che possono essere rimossi mentre si aumenta in modo incrementale la resistenza in quantità progressivamente più piccole, senza introdurre rumore corrente, punti caldi o densità di corrente irregolare. La griglia è inoltre progettata con correnti opposte su percorsi adiacenti per minimizzare sia l'induttanza sia la capacitanza, per una prestazione ad alta velocità. Utilizzando queste innovazioni tecnologiche di base, è possibile completare il resistore in molte configurazioni differenti, inclusi resistori di potenza, resistori di rilevamento di corrente, resistori metrologici ermeticamente sigillati, resistori a chip per montaggio superficiale con terminazioni flessibili che isolano le sollecitazioni e molti altri ancora per applicazioni spaziali e aeronautiche, apparecchiature mediche, controlli di processo o qualunque situazione in cui siano richiesti resistori, reti e potenziometri di compensazione di corrente di alta precisione.
Oltre a fornire ai progettisti di circuiti i componenti resistivi più precisi e stabili attualmente disponibili nel mondo, i resistori a chip per montaggio superficiale che utilizzano la tecnologia dei resistori a lamina metallica spessa riducono le dimensioni dei circuiti e l'assorbimento di energia elettrica grazie all'introduzione di tutti i progressi in termini di prestazioni in resistori di dimensioni ridotte fino alla 0603. Tuttavia, la riduzione dell'area dei circuiti genera nuove sfide di progettazione associate alla gestione termica e alle sue conseguenze non previste e, in alcuni casi, ad una maggiore sensibilità alle scariche elettrostatiche. Un problema di questo tipo è la forza elettromotrice termica (TEMF) che introduce tensioni errate quando si hanno differenziali di temperatura nel punto di giunzione di due metalli diversi, ad esempio quando gli elementi resistivi interni sono collegati alle terminazioni esterne di un resistore. I differenziali di temperatura in un resistore sono generati da una dissipazione irregolare dell'energia interna, da terminazioni riscaldate da componenti che irradiano calore e da percorsi di dissipazione termica disposti lungo la scheda del circuito in entrambi i percorsi conduttivi, nonché dal materiale della scheda di base stessa. La lamina, concepita per il suo valore di Tcr e il suo coefficiente di dilatazione Lce, ha anche una forza elettromotrice termica TEMF molto bassa, pari a soli 0,05 µV/°C.

Una tecnologia di successo
Questa tecnologia nasce dall'analisi fisica delle sollecitazioni nelle applicazioni di indicatori di sollecitazione. Il Dr. Felix Zandman, inventore e sviluppatore della tecnologia a lamina, ha sviluppato un mezzo per la misura precisa delle sollecitazioni nelle strutture, isolando tutte le influenze esterne misurazioni dalle sollecitazioni previste in una specifica struttura. Questi stessi principi di isolamento sono stati poi adottati nelle applicazioni dei resistori per produrre un nuovo resistore molto più preciso e stabile di qualunque altro sviluppato tramite le precedenti tecnologie dei resistori. I dettagli di questi processi originali sono descritti sopra con nuovi perfezionamenti della lamina e degli adesivi che aumentano la prestazione a temperature più elevate di quanto non fosse possibile sostenere finora.
Sebbene i principi basilari dell'equilibrio delle sollecitazioni per produrre resistori stabili fossero stati compresi correttamente, un numero veramente limitato di industrie metallurgiche disponeva delle attrezzature idonee per laminare a freddo la lega metallica con il necessario spessore sottile ed evitare la formazione di microcavità all'interno, le quali interferirebbero con la griglia del resistore dopo che è stata fotoincisa. Potevano essere prodotte lamine più spesse, ma quest'ultime limitavano il campo del resistore e non avevano il coefficiente di dilatazione termica Lce adatto per equilibrare il coefficiente di resistenza Tcr della lamina. Inizialmente, i substrati di vetro soddisfacevano i requisiti fisici, ma presto dimostrarono di comportare un rischio di affidabilità nel momento in cui venivano impiegati in un'atmosfera ricca di umidità. Gli ioni liberi del vetro si combinavano con le microparticelle trasportate dalla penetrazione di umidità attraverso gli elementi incapsulati, determinando un attacco acido a bassa attività della lamina che causava guasti occasionali. Un ulteriore ricerca ha rivelato che i substrati di ceramica piatti avrebbero eliminato quel problema, ma sarebbe stato necessario sviluppare nuove leghe per garantire un corretto equilibrio fra coefficiente di resistenza Tcr e dilatazione termica Lce, oltre alla capacità di laminazione a freddo di leghe prive di difetti. Oggi, le resistenze a lamina di Vishay vengono utilizzate nelle applicazioni più esigenti, incluse quelle spaziali, aeronautiche e mediche, con sviluppi nel settore dei resistori a chip di precisione per montaggio superficiale che ora incrementano i livelli di prestazione per applicazioni a temperature più elevate (fino a +240 °C) con maggiore stabilità della resistenza alle variazioni di temperatura e variazione quasi nulla quando sono esposti all'umidità.

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