具有高电压比的电阻分压器的制造方法
【专利摘要】电阻分压器包括串联电连接的至少第一（10）和第二（12）电阻器。该电阻器由电阻膜材料（8）制成并且每个电阻器采用迹线的形式施加在绝缘衬底（9）上。该分压器的电压比具有在一百和一百万之间的值。为了实现这些高电压比，第三电阻器（13）与第二电阻器并联电连接。第二（12）和第三电阻器（13）的迹线各自在一个末端上与第一接触端子（b）至少部分地重叠并且在相应的另一个末端上与第二接触端子（c）至少部分地重叠。分压器的紧凑的尺寸通过以交错的方式布置第一和第二接触端子来维持。
【专利说明】具有高电压比的电阻分压器【技术领域】
[0001]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一百和一百万之间的值。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】
[0002]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诸如溅射(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。
[0003]为了实现显著超过一的电压比，并同时减少分压器的尺寸，将高欧姆电阻器的电阻膜材料布置成长且窄的迹线中，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、正弦波或更不规则的一些东西，如蛇形、z字形或在三维情况下的螺旋形式。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。
[0004]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kev⑶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。
[0005]对于多达一兆伏的中和高压应用，通常要求多达几十万的电压比以便要使要测量的量逐步下降到处理电子器件的电压水平。实现更高电压比的可能性是增加高欧姆电阻器的长度。然而，关于可用衬底区域和分压器的可接受尺寸存在限制。减少低欧姆电阻器的迹线长度，这也是可能的。然而，对于最小迹线长度和连接端子之间的最小间距存在技术限制。即使存在这些可能性，需要弄清当前具有两万以上电压比的电阻分压器几乎不可用。从而它们在额定电压范围超过36kv的电压传感器中的应用到现在为止已经受到限制。
[0006]相应地，本发明的目标是提供如上文描述的具有多达一百万电压比并且尺寸紧凑的电阻分压器。
【发明内容】
[0007]通过使通常已知的短且宽迹线的低欧姆电阻器被并联电连接的至少两个电阻器的网络所取代而显著增加高电压比。为了维持紧凑的尺寸，本发明建议以交错的方式布置低欧姆电阻器的两个接触端子，当然端子彼此不触碰。两个电阻器的迹线各自在它们相应的末端处与接触端子中的一个部分或者完全重叠。对超过两个的并联电阻器，两个接触端子都采用一种梳状的形式而布置，它们的齿以彼此不触碰的交错方式布置，并且多个电阻器被置于齿之间并与齿重叠。
[0008]在两个并联电阻器网络的特定实施例中，在下面叫作第二和第三电阻器中，这两个电阻器采用下面的方式布置。第二电阻器的迹线在一个末端上与第一接触端子的第一凸起至少部分地重叠，并且在另一个末端上与第二接触端子中提供的第一凹槽的第一边界至少部分地重叠，并且第三电阻器的迹线在一个末端上与该第一凸起至少部分地重叠而在另一个末端上与第一凹槽的第二边界至少部分地重叠，其中第一和第二边界面向彼此。
[0009]任何合适数量的另外的电阻器可以通过只将更多的齿添加到两个梳状的接触端子而处于与第二和第三电阻器并联。对于具有三个并联电阻器的实施例，本发明建议另外第四电阻器的迹线在一个末端上与第一凹槽的第二边界至少部分地重叠并且在另一个末端上与第一接触端子的第二凸起至少部分地重叠。
[0010]具有四个并联电阻器的实施例通过布置第五电阻器而实现使得它的迹线在一个末端上与第二凸起至少部分地重叠并且在另一个末端上与第二接触端子中提供的第二凹槽的第三边界至少部分地重叠，其中第二和第三边界面向彼此对且都是第二凹槽的部分。
[0011]如从本领域已知的，高电压比也可以通过对高和低欧姆电阻器使用显著不同的电阻膜材料而实现。然而，这在分压器的制造期间导致额外的工艺步骤和误差并且相应地导致成本增加和精度降低。
[0012]发明人已经认识到使用不同的电阻膜材料另外使电压比的初始精度、温度稳定性和长期稳定性恶化。这是由于用不同的材料更难以实现良好的电压比的初始精度使得需要例如高和低欧姆电阻器中的一个或两个的激光微调的后处理操作来调整精度这一事实。此夕卜，它不再确保高和低欧姆电阻器两者的操作特性的漂移都发生在相同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变化的温度或在长时间段内不再维持在它的初始值处。
[0013]为了克服这些缺点，在本发明的优选实施例中建议，对分压器中的所有电阻器总是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完全相同电阻率的相同复合物。因此，电压比的初始精度、温度和长期稳定性增加，并且高和低欧姆电阻器的制造可发生在一个和相同系列的工艺步骤中，这不仅更具成本效益而且对高和低欧姆电阻器导致相同的迹线厚度，由此使精度甚至进一步增加。
[0014]低欧姆电阻器的并联电阻器迹线可具有不同的长度，这取决于梳状接触端子的齿之间的距离。然而，在特殊的实施例中，第二和另外的电阻器具有相似的迹线长度，这意味着迹线长度可在预定义的平均迹线长度附近的某些限度内变化。优选的限度是最短迹线长度可不短于最长迹线长度的一半。[0015]另外的优势可以在分压器中高和低欧姆电阻器的漂移特性甚至进一步匹配时实现，由此允许电压比的温度稳定性和长期稳定性进一步提高。使用相同的电阻膜材料已经是在该方向上的第一个重要步骤。在该方面，发明人已经考虑可影响电压比的初始值和/或漂移特性的不同效应。在下面描述了本发明的另外的实施例，其中高或低欧姆电阻器采用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。
[0016]对电阻值有影响的一个重要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，而是朝其外部末端逐渐减小。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方面发挥更大的作用。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，因此提供具有相同迹线宽度的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。然而，可能必须在迹线宽度和例如可用衬底区域或期望电阻值之间做出妥协。在这些情况下，建议设计高和低欧姆电阻器使得它们具有相似迹线宽度，这意味着迹线宽度可在预定义的平均迹线宽度附近的某些限度内变化。优选的限度是最窄的迹线宽度可不窄于最宽迹线宽度的一半。
[0017]在高和低欧姆电阻器优选地具有相同的迹线宽度的实施例中，建议使至少一个另外的电阻器迹线在几何上与第二电阻器的迹线并联，其中它的迹线的末端分别与第一凸起和第一边界至少部分地重叠。该概念可以按照分压器的设计标准而扩展，即，电阻器迹线的多个行可在几何上处于并联，它们中全部与接触端子的梳状齿重叠。
[0018]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电阻器的主要迹线段并且其中这些主要迹线段围成在零与最大三十度之间的角度。术语主要迹线段用于具有相当大的长度(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。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]本发明的另外的实施例将从附图和对应的描述变得明显。
[0020]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电气图，
图3示出根据本发明的电阻分压器的第一实施例，
图4不出第一实施例的不意电气图，
图5至8示出根据本发明的电阻分压器的另外的实施例， 图9示出电阻器迹线的示意横截面图，
图10和11举例说明低欧姆电阻器的微调。
【具体实施方式】
[0021]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三接触端子a与第一接触端子b之间，并且低欧姆电阻器被置于第一接触端子b与第二接触端子c之间。用于高和低欧姆电阻器的电阻膜材料在这里不同。
[0022]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，在第三与第二接触端子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urat (通常按等于分压器的比(r1 r2vr2的因子减小)然后被传递到电子电路以便处理并且转变成测量值。
[0023]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并且其中低欧姆电阻器的电阻值r4通过两个电并联电阻器的网络而实现。高欧姆电阻器也可叫作第一电阻器并且具有电阻值r3。在图3中可以看到，第一接触端子b有第一凸起2，其延伸到在第二接触端子c内作出的第一凹槽中，其中该第一凹槽具有面向彼此的第一边界i和第二边界3。宽且直的迹线从第一边界i横跨第一凸起2延伸到第二边界3，并且与边界部分重叠，由此在第一边界i与第一凸起2之间形成第二电阻器并且在第一凸起2和第二边界3之间形成第三电阻器。通过该布置，第二和第三电阻器并联电连接，如在图4的示意电气图中示出的。所得的该并联连接的电阻值是低欧姆电阻器的电阻值&，并且分压器的电压比是(r3 r4)/r4。由于并联连接的两个电阻器迹线与图1的一个电阻器迹线具有近似相同的长度和宽度，电阻值r4与图1的r2相比下降，由此使电压比增加(假使高欧姆电阻器的电阻值r3与r1大约相同)。
[0024]在图5、6和7中，示出第二、第三和第四实施例，其中通过将第四和第五电阻器与第二和第三电阻器并联连接，电压比进一步增加。如可以在全部的三个图中看到的，除了第一凸起2和具有第一和第二边界i和3的第一凹槽外,第二凸起4延伸到具有第三边界5并且与第一凹槽共享第二边界3的第二凹槽中。第一和第二接触端子b和c具有梳状形式(其中它们的齿采用互相不触碰的交错方式布置)，这从图5、6和7变得明显。再者，厚且直的迹线在外部边界(在这里是第一边界i和第三边界5)之间延伸，从而与它们部分地重叠，也与内部边界3和两个凸起2和4全部重叠。那样，第二电阻器12 (参见图6)再次在第一凸起2与第一边界i之间形成，并且第三电阻器13在第一凸起2与第二边界3之间形成。第四电阻器14在第二边界3与第二凸起4之间形成，并且第五电阻器15在第二凸起4和第三边界5之间形成。为了绝对地清楚，仍叫作第一电阻器的高欧姆电阻器的迹线在图6中由参考数字10指示。
[0025]由第二、第三、第四和第五电阻器的并联网络组成的低欧姆电阻器的电阻值r6与第一实施例的电阻值r4相比进一步降低，由此使电压比(r5 r6)/r6增加。图5、6和7中的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。相应地，对应的电阻值r5、r7和r9分别与第一实施例的电阻值r3略微不同。图5中的高欧姆电阻器的主要迹线6包括与低欧姆电阻器的电阻器迹线11所成的零度的角度。在图6和7中，该角度具有在零以上和三十度以下的值。除此之外，图7的第四实施例示出对于高欧姆电阻器的迹线与第三和第一接触端子a和b之间的界面区域的特殊设计方案。
[0026]图8中示出的第五实施例与图5的第二实施例的不同之处在于低欧姆电阻器由并联连接的二十个电阻器的电网络形成。这通过使四个另外的迹线在几何上与包括第二、第三、第四和第五电阻器的迹线7并联而实现。
[0027]在图3和图5至8中示出的所有实施例中，电阻器迹线的电阻膜材料通过被置于接触端子的顶部上而分别与对应的接触端子a、b和c至少部分地重叠。在备选中，该重叠当然可通过将接触端子置于顶部上而实现。
[0028]在图8中，电压比(r5 r6)/r6的精度和长期稳定性可以通过另外使用相同的迹线宽度而以甚至更好的方法得以确保。与用虚线示出的理想电阻器迹线相比，图9示出用实线描绘的实际电阻器迹线的示意横截面图。参考数字8指示电阻膜材料并且参考数字9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5、6和7的情况(其中低欧姆电阻器的迹线宽度比相应高欧姆电阻器的迹线宽度大得多)下，电阻值&、&和1?9比电阻值r6受边缘效应的影响更强。因此，为了使边缘效应对电阻值的影响匹配，图8的高和低欧姆电阻器都提供有相同的迹线宽度。
[0029]在图10和11中，分别示出根据第六和第七实施例的分压器。在图10中，属于低欧姆电阻器的电阻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，对应并联电阻器网络的电阻器中的一个被消除，由此使电阻值从值r8 (参见图8)到值rltl增加了一个增量。在图11中，第二凸起4被切成两块，由此从电阻器网络中消除与第二凸起4重叠的全部八个电阻器，从而导致是r8的两倍大的电阻值rn。通过清除电阻膜材料的部分来调整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。
【权利要求】
1.一种电阻分压器，包括串联电连接的至少第一(10)和第二(12)电阻器，其由电阻膜材料(8)制成并且各自采用迹线的形式施加在绝缘衬底(9)上，其中所述分压器的电压比具有在一百和一百万之间的值， 其特征在于 第三电阻器(13)与所述第二电阻器并联电连接，所述第二(12)和所述第三电阻器(13)的迹线各自在一个末端上与第一接触端子(b)至少部分地重叠并且在相应的另一个末端上与第二接触端子(c)至少部分地重叠，其中所述第一和第二接触端子采用交错的方式布置。
2.如权利要求1所述的分压器，其中，所述第二电阻器(12)的迹线在一个末端上与所述第一接触端子(b)的第一凸起(2)至少部分地重叠并且在另一个末端上与所述第二接触端子(c)中提供的第一凹槽的第一边界(i)至少部分地重叠，并且所述第三电阻器(13)的迹线在一个末端上与所述第一凸起(2)至少部分地重叠并且在另一个末端上与所述第一凹槽的第二边界(3)至少部分地重叠，其中所述第一(i)和第二(3)边界面向彼此。
3.如权利要求2所述的分压器，其中，第四(14)电阻器的迹线在一个末端上与所述第一凹槽的所述第二边界(3)至少部分地重叠，并且在另一个末端上与所述第一接触端子(b)的第二凸起(4)至少部分地重叠。
4.如权利要求3所述的分压器，其中，第五电阻器(15)的迹线在一个末端上与所述第二凸起(4)至少部分地重叠并且在另一个末端上与所述第二接触端子(c)中提供的第二凹槽的第三边界(5)至少部分地重叠，其中所述第二(3)和第三(5)边界面向彼此并且都是所述第二凹槽的部分。
5.如权利要求1至4中任一项所述的分压器，其中，至少一个另外的电阻器的迹线在几何上处于与所述第二电阻器的迹线(7)并联并且其中它的迹线的末端分别与所述第一凸起(2 )和所述第一边界(i)至少部分地重叠。
6.如权利要求1至5中任一项所述的分压器，其中，所述电阻器由相同的电阻膜材料(8)制成。
7.如权利要求1至6中任一项所述的分压器，其中，所述第二和另外的电阻器具有相似的迹线长度。
8.如权利要求1至7中任一项所述的分压器，其中，所述电阻器具有相似的迹线宽度。
9.如权利要求1至8中任一项所述的分压器，其中，所述第一电阻器(10)采用蜿蜒形式的形状而布置。
10.如权利要求1至9中任一项所述的分压器，其中，所述电阻器的主要迹线段(6、11)以近似相同的取向布置并且其中所述主要迹线段(6、11)围成零与最大三十度之间的角度。
11.如权利要求1至10中任一项所述的分压器，其中，所述第二和/或任何另外的电阻器的迹线为微调目的而被切成两块。
12.如权利要求1至11中任一项所述的分压器，其中，所述第一和/或任何另外的凸起为微调目的被切成两块。
13.如权利要求1至12中任一项所述的分压器，其中，所述第一和/或任何另外的边界为微调目的被切成两块。
14.一种电压传感器，包括如权利要求1至13中任一项所述的分压器。
【文档编号】g01r15/04gk103493153sq201280010178
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年2月23日 优先权日:2011年2月25日
【发明者】a.霍佐伊, r.迪泽尔恩克特 申请人:abb股份公司