具有四个电阻器和可调节的阻抗的温度系数的四端子电阻器

摘要

热稳定的四端子电阻器的特征在于在制造过程期间具有调整阻抗和阻抗的温度系数(TCR)两者的能力。四端子电阻器包括形成闭环的3或4个基本电阻器R1-R3。电阻器R1是主要低欧姆值电阻器。电阻器R1的端子用作四端子电阻器的“强迫”端子。电阻器R2和R3形成分压器，所述分压器旨在使得所述四端子电阻器的TCR最小化并且并联连接到电阻器R1。电阻器R3的端子用作四端子电阻器的“感测”端子。电阻器R2可以被分为两个电阻器：串联连接到电阻器R3的R2a和R2b，以简化四端子电阻器的实施方式。基本电阻器R1和R2必须具有相同符号的TCR。通过调整基本电阻器的阻抗来实现四端子电阻器的目标阻抗和TCR最小化。

说明书

相关申请

本申请要求享有2008年11月6日提交的美国临时专利申请61/111,735 的优先权，通过引用的方式将其内容并入本申请。

技术领域

本发明涉及四端子电流感测电阻器，更具体而言，涉及在制造过程期 间具有调节阻抗的温度系数(TCR)的能力的精确四端子电阻器。

背景技术

诸如电源、可充电电池控制器和充电器、电动机驱动器、LED驱动器 等的多种常见的电子电路通常包含用于电流感测的一个或多个低欧姆电阻 器。

普遍使用的绝大多数电阻器都是基于二端子设计的。现在参考图1(现 有技术)，其通过示例示出了二端子电阻器10。被监测并且要被测量的电流 I被强迫通过电阻器端子12和电阻元件14。由电压表90测量的电压V直 接与电流I成比例并且在端子12两端被感测。

端子12和电阻元件14串联电连接，并且形成具有阻抗R和TCRα的 合成电阻器10。参数R和α被表示为电阻元件14的阻抗R_e和TCRα_e以及 端子12的阻抗R_t和TCRα_t函数。然后，按下式计算参数R和α：

R＝R_e+R_t；                            (1)

$\alpha =\frac{{\alpha }_e{R}_e+{\alpha }_t{R}_t}{R_e+R_t}---\left(2\right)$

通常，电阻元件14的阻抗R_e比端子12的阻抗R_t大几个数量级。从等 式(1)和(2)可以得出，在这样的情况中，电阻器10的阻抗R和TCRα 分别由电阻元件14的阻抗R_e和TCRα_e预先确定：R≈R_e；α≈α_e。

在低欧姆薄膜芯片电阻器中，标称阻抗值可以与端子的阻抗具有相等 的数量级。薄膜端子的阻抗可以达到2毫欧(每个端子1毫欧)。形成薄膜 端子的材料(例如，铜、银、镍)的TCR大约是+4×10³ppm/K。

在总阻抗R中，可以如下例计算端子阻抗R_t的份额：

给定具有10毫欧阻抗和30ppm/K TCR的电阻元件的薄膜电阻器；

如果端子的总阻抗是2毫欧(典型地针对薄膜电阻器)，则在总阻抗R (按等式(1))中，端子阻抗R_t的份额是：

$\frac{2}{(10+2)}*100\%\approx 16.7\%$

该数字表征了阻抗R的不确定性的最大值。例如，当触点探针在端子 上的位置改变的同时对电阻器进行测试，例如，阻抗R的不确定性变得明 显。按(2)计算的总电阻器的TCR高达692ppm/K。这就是为什么制造具 有容限好于5％并且TCR好于600ppm/K的二端子薄膜电阻器对于10毫欧 及以下的标称阻抗值是不可能的。

一种显著地减小端子的阻抗和TCR对低欧姆电阻器的阻抗和TCR的 影响的方法是使用基于称为开尔文感测的四端子测量技术的设计。现在参 考图2(现有技术)，其通过示例示出了四端子电阻器15。

四端子电阻器15的本质是使用两个单独的端子对：

(a)电流(“强迫”)承载端子12；以及

(b)电压测量(“感测”)端子16，其直接地连接到电阻元件14。

四端子电阻器15的阻抗(强加在“强迫”端子12两端的“感测”电 压与电流I的比)基本上独立于测试和安装情况。

常规的四端子电阻器的TCR，例如由授予Carl Berlin等人的欧洲专利 EP1,473,741中的厚膜四端子电流感测电阻器普遍地不好于利用的电阻元件 材料的TCR。在电阻器的制造过程中，电阻器的热稳定性的进一步改进与 电阻元件的TCR的调整相关联。以下是在制造过程期间控制(调整)电阻 器的TCR的现有技术方法：

a)对由金属箔制成的电阻元件中的电阻元件材料的本征TCR进行补 偿。表征箔的温度膨胀系数(TCE)和该箔所胶合的陶瓷基板之间的失配引 起了箔中的应力和应变，这转换成电阻抗的改变(压阻效应)。

如在授予Felix Zandman等人的美国专利3,405,381中描述的用于精确 的箔电阻器的补偿方法将阻抗变化降低到亚ppm/K等级。该方法依赖于对 原材料的适当选择(制备)并且不依赖于在电阻器组装中进行TCR调整。

b)使用被热处理时改变物理属性的特定材料来制造电阻元件。例如， 在薄膜技术中，能够通过热处理精确地将薄电阻膜的TCR降低到几个 ppm/K。不幸地，出于经济原因，薄膜电阻器的最小阻抗不能扩展到远低于 对于电流感测电阻器来说是普遍的1欧姆。

c)使用特定的制造工艺和材料来制造电阻元件，使得能够通过对部件 基板上直接地施加局部热量来改变电阻材料的物理属性。例如，授予John  Nespor等人的美国专利4,703,557提出了在炉中的预加热厚膜电阻器，以提 供初始的TCR调整。然后，对电阻器进行激光退火以可控地调整TCR。该 过程需要通过激光束对整个电阻器表面进行扫描并且因此该过程是昂贵的 (时间上低效的)。美国专利申请20060279349“Trimming temperature  coefficients of electronic components and circuits”提出了另一种方法。该方法 的本质是在硅基板上形成电阻器和加热器两者。特殊电路用于激活加热器 以导致对电阻器的TCR进行调整。但是，该解决方案不适于在正常使用中 消耗多余1毫瓦功率的电阻器，这是因为自加热可能改变之前调整的TCR。 典型的电流感测电阻器消耗数百毫瓦的功率。因此，所描述的方法不适于 电流传感器。

d)通过在电阻器的端子中切槽来形成四端子电阻器。参考图3(现有 技术)，其是四端子电阻器20的透视图，例如授予Joseph Szwarc的美国专 利5,999,085所描述的。电阻器20包括金属端子22和金属电阻元件24。槽 25将每个端子划分为电流焊盘部分26和感测焊盘部分28。槽25的深度影 响四端子电阻器20的TCR，并且对槽25的深度进行选择以使得电阻器20 的热稳定性最优化。该方法是出于经验主义的并且适于具有固体金属端子 的电阻器。

膜电阻器中的包围膜端子典型地沉积在陶瓷基板上，并且在制造过程 中对端子进行切割是不可靠的。

e)使用并联连接的两个电阻元件或串联连接的两个电阻元件，例如， 如授予Isao Hayasaka的美国专利3,970,983和授予Jan Van Den Broek等人 的美国专利6,097,276所描述的。参考图4(现有技术)，其是二端子电阻器 30的透视图，具有设置在基板36上的并联电连接的两个电阻元件34。还 参考图5(现有技术)，其是二端子电阻器40的透视图，具有被设置在基板 46上且通过导电元件48串联电互连的两个电阻元件44。每对中的电阻元 件(34，44)中的一个具有正TCR，并且第二个电阻元件具有负TCR。两个 电阻元件的激光微调使得能够调整合成电阻器(30，40)的阻抗和TCR两者。 使用仅具有正(或仅具有负)TCR的电阻材料无法实现该方法。到目前为 止，根据贵金属的低阻抗厚膜材料仅具有正TCR。

因此需要能够设计适用于制造过程的、具有TCR调整处理的四端子电 流感测电阻器，并且在使用仅具有正(或仅具有负)TCR的电阻材料的同 时使得能够进行TCR调整是有利的。

发明内容

根据本发明的教导，提供了一种四端子电流感测电阻器，包括形成闭 环的四(4)个基本(elementary)电阻器。这些基本电阻器包括：

a)主要(principal)低欧姆值电阻器，具有设置在两个端子之间的电阻 元件，其中迫使测量的电流通过所述主要电阻器的所述端子，从而所述主 要电阻器的所述端子作为“强迫”端子；

b)感测电阻器，具有设置在两个端子之间的电阻元件，其中，在所述 感测电阻器上测量电压，从而所述感测电阻器的所述端子作为“感测”端 子；以及

c)两个分压电阻器，

其中，第一分压电阻器电连接主要电阻器的第一端子和感测电阻器的 第一端子，第二分压电阻器电连接主要电阻器的第二端子和感测电阻器的 第二端子，从而所述分压电阻器和感测电阻器形成分压器。在“感测”端 子上测量的电压与强迫通过“强迫”端子的电流成比例。

在本发明的变型中，两个所述分压电阻器被组合为单个分压电阻器， 其中，所述分压电阻器电连接所述主要电阻器的第一端子和所述感测电阻 器的第一端子，并且所述主要电阻器的第二端子直接连接到所述感测电阻 器的所述第二端子，从而所述分压电阻器和所述感测电阻器形成分压器。

本发明的一个方面提供四端子电阻器，其中，通过调整基本电阻器的 阻抗，在制造过程期间可以调整所述四端子电阻器的阻抗和TCR。典型地， 可以从由主要电阻器和感测电阻器构成的组中选择在制造过程中可以被调 整的基本电阻器。

本发明的一个方面提供四端子电阻器，其中，制成全部所述基本电阻 器的所述电阻材料可以具有相同符号的TCR(正或负)。

本发明的一个方面提供四端子电阻器，其中，制成所述分压电阻器的 所述电阻材料的TCR的绝对值高于制成所述感测电阻器的所述电阻材料的 TCR的绝对值。

附图说明

以下详细描述和附图将使得本发明变得容易理解，附图是仅用于举例 和例证，并且不限制本发明的范围，其中：

图1(现有技术)示出了示例性二端子电阻器；

图2(现有技术)示出了示例性四端子电阻器；

图3(现有技术)是精确的金属电阻器的透视图，该金属电阻器在电阻 器端子中具有用于TCR调整的两个槽；

图4(现有技术)示出了具有并联电连接的两个电阻元件的精确电阻器， 其中，一个电阻元件具有正TCR并且第二电阻元件具有负TCR；

图5(现有技术)示出了具有串联电连接的两个电阻元件的精确电阻器， 其中，一个电阻元件具有正TCR并且第二电阻元件具有负TCR；

图6是根据本发明的优选实施例的四端子电阻器的电气示意图；

图7示出了实现图6中示出的电气示意的四端子膜电阻器的布置。

图8是根据本发明的变型的四端子电阻器的电气示意图；以及

图9示出了实现图8中示出的电气示意的四端子膜电阻器的布置。

具体实施方式

在详细解释本发明的实施例之前，应当理解，本发明不限于应用到在 说明书中所阐述或在附图中所示出的具体构造和部件布置。

除非另有定义，否则这里所使用的所有技术和科学术语都具有本发明 所属的本领域普通技术人员通常理解的相同含义。这里给出的方法和示例 仅是用于说明而不是用于限制。

本发明的主要意图包括提供在制造过程期间具有能够进行TCR调整的 四端子电阻器，并且因此，所述四端子电阻器的TCR的绝对值低于用于制 造该四端子电阻器的电阻材料的TCR的绝对值。所使用的电阻材料可以具 有仅正或仅负的TCR。

现在参考图6，其是根据本发明的优选实施例的四端子电阻器100的电 气示意图。还参考图7，其示出了实现图6中示出的电气示意的四端子膜电 阻器100的布置。

四端子电阻器100包括形成闭环的四(4)个基本电阻器R1、R2a、R2b 和R3。R1是主要低欧姆值电阻器。电阻器R1的端子110作为“强迫”端 子，被测量的电流被强迫通过电阻器R1的端子110。电阻器R2a、R2b和 R3形成并联到电阻器R1的分压器。电阻器R3的端子120作为四端子电阻 器100的“感测”(电压测量)端子，由电压表90测量的电压V与电流I 成比例，并且在端子120两端感测电压V。在优选实施例中，四端子电阻器 100包括基板140，基本电阻器R1、R2a、R2b和R3设置在该基板上。

通过对基本电阻器R1、R2a、R2b和R3的初始阻抗值的适当选择并且 对电阻器R1、R2a、R2b和R3中的一个或多个的进一步调整，可以获得四 端子电阻器100的所需阻抗值。

现在参考图8，其是根据本发明的变型的四端子电阻器200的电气示意 图。还参考图9，其示出了实现图8中示出的电气示意图的四端子膜电阻器 200的布置。

四端子电阻器200包括形成闭环的三(3)个基本电阻器R1、R2和R3， 与四端子电阻器100相比，基本电阻器R2a和R2b在四端子电阻器200中 被组合成单个基本电阻器R2。R1是主要低欧姆值电阻器。电阻器R1的端 子210作为“强迫”端子，被测量的电流被强迫通过电阻器R1的端子210。 电阻器R2和R3形成并联到电阻器R1的分压器。电阻器R3的端子220作 为四端子电阻器200的“感测”(电压测量)端子，由电压表90测量的电 压V与电流I成比例，并且在端子220两端感测电压V。四端子电阻器200 包括基板240，基本电阻器R1、R2和R3设置在该基板上。

通过对基本电阻器R1、R2和R3的初始阻抗值的适当选择并且对基本 电阻器R1、R2和R3中的一个或多个的进一步调整，可以获得四端子电阻 器200的所需阻抗值。

应当注意，四端子电阻器100的布置与四端子电阻器200的布置相比 包括更少的不同图案，因此，在产品设计和制造中具有优势。

本发明的一个方面提供调整四端子电阻器100和200的TCR的方法， 包括获得四端子电阻器(100，200)，然而，所制造的四端子电阻器(100， 200)的TCR的绝对值低于用于制造所述电阻器(100，200)的电阻材料 的TCR的绝对值。

典型地，通过激光可以将电阻器R3和R1调整到预定的阻抗值，以获 得合成四端子电阻器(100，200)的所需阻抗值，并且使得四端子电阻器 (100，200)的TCR的绝对值最小化。槽150和250分别示出了对四端子 电阻器100和200的基本电阻器R3和R1进行的切割。

使得四端子电阻器100和200的TCR的绝对值最小化的一种方法包括 对具有用于基本电阻器(R1、R2和R3)的适合的TCR的电阻材料进行选 择，并且对基本电阻器的阻抗进行进一步调整。应当注意，四端子电阻器 (100，200)的所有基本电阻器(R1、R2和R3)可以具有相同符号的TCR。 对电阻器R2和电阻器R3的电阻材料进行选择，使得电阻器R2的TCR的 绝对值大于电阻器R3的TCR的绝对值。

所提出的四端子电阻器(100，200)结构、对电阻材料的适当选择以 及对基本电阻器的阻抗的调整使得在制造过程中四端子电阻器(100，200) 中的TCR最小化。

根据温度升高t引入R2的阻抗的表示以及R3的阻抗的表示值t＝0对应于选定的参考温度(例如，25℃的环境温度)。

为了示出本发明的TCR调整方法，考虑最简单的情况，其中和是线性函数：

${\tilde{R}}_2\left(t\right)=R_2(1+{\alpha }_{2}t)$

${\tilde{R}}_3\left(t\right)=R_3(1+{\alpha }_{3}t)$

其中，所有的基本电阻器(R1、R2和R3)具有相同符号的TCR(例 如，正)。

对上述假定说明如下：

α₂＞α₃＞0.      (3)

为了阐明TCR调整方法，监控当电阻器R2和R3的温度增加时阻抗比 R3/R2的变化。为此，让我们来计算相对于t的导数：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{{\tilde{R}}_3\left(t\right)}{{\tilde{R}}_2\left(t\right)}\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\frac{R_3(1+{\alpha }_{3}t)}{R_2(1+{\alpha }_{2}t)}\right]=\frac{R_3}{R_2}·\frac{{\alpha }_3-{\alpha }_2}{{(1+{\alpha }_{2}t)}^2}---\left(4\right)$

从等式(3)和(4)可知该导数是负数，这意味着R3/R2的比值具有 负温度系数(当温度t上升时R3/R2的阻抗比减小)，而与四端子电阻器(100， 200)的所有的基本电阻器(R1、R2和R3)具有正TCR的事实无关。因此， 本发明的TCR调整方法能够补偿主要电阻器R1的正TCR，并且使得四端 子电阻器(100，200)的TCR最小化。从等式(4)可知，R3/R2的比值将 具有负温度系数，而与α₃的符号无关。因此，仅电阻器R1和R2必须具有 相同符号的TCR(在上述例子中为正)。

环境温度的上升导致所有的基本电阻器(R1、R2和R3)中的阻抗增加 (正TCR)。根据下述因果关系，同时“感测”电压发生两个反向的变化：

a)所有的基本电阻器(R1、R2和R3)中阻抗的增加导致电阻器R1上 的电压增加，以及分压器R2-R3上的电压增加。由此，电阻器R3上的“感 测”电压增加。

b)阻抗比值R3/R2减小，导致电阻器R3上的“感测”电压减小。

由此，根据环境温度的增加，阻抗比值R3/R2的减小补偿了由所有的 基本电阻器(R1、R2和R3)中阻抗的增加引起的“感测”电压增加。

类似地，环境温度的减小导致由R1、R2和R3阻抗减小(正TCR)引 起的“感测”电压减小，这由阻抗比值R3/R2的增加所补偿。

与分压器R2、R3相关联的补偿效果能够使得对“感测”电压的温度影 响最小化，并且由此使得四端子电阻器(100，200)的TCR最小化。

总之，以下是目标情况：

a)在预先设计的参考温度，上述两个温度对“感测”电压的因果关系 导致效果相消；以及

b)四端子电阻器(100，200)的开尔文阻抗(“感测”电压与强迫通过 “强迫”端子的电流的比)等于所需的阻抗值。

上述的两个目标情况可以被转换为两个等式的系统，其能够计算基本 电阻器(R1、R2和R3)中的两个或三个阻抗值。第三阻抗值和相应的电阻 器R1、R2和R3的TCR值具有给定值。

三个基本电阻器中的两个可以被调整为例如使用激光微调设备计算的 阻抗值。

对于本领域技术人员来说，对电阻器网络中为满足特定情况的未知阻 抗值的计算以及在电阻器网络中阻抗值调整是公知的。

根据实施例和示例描述了本发明，很明显的是本发明可以通过多种方 式进行改变。这种改变被认为不偏离本发明的精神和范围，并且对于本领 域技术人员来说明显的是所有这些变型都被包括在权利要求的范围中。