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Resistori di precisione
per applicazioni esigenti
Gli strumenti sismici digitali e i rivelatori
di tsunami necessitano nei propri circuiti analogici
di resistori di precisione altamente affidabili.
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
SELEZIONE DI ELETTRONICA
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.
[ componenti passivi ]
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 ilTcr più
basso, ma con ilTcr 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
Fig. 1 - Per un funzionamento affidabile in ambienti ad alta temperatura, i resistori
a lamina offrono una maggiore dissipazione di calore e stabilità a lungo termine,
da ±0,05% a +240 °C per 2.000 ore
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
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Fig. 2 - Per un’elevata precisione nei sistemi sismografici, i divisori di tensione
con resistori a 2, 3, e 4 lamine e le reti di resistori offrono una tracciatura
di Tcr di 0,1 ppm/°C e un accoppiamento di precisione di ±0,005% fra le varie resistenze
della resistenza proprio della lamina
con l’aumento della temperatura:
unTcr 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 conTcr 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
SELEZIONE DI ELETTRONICA
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 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 diTcr e il suo coefficiente di
dilatazione Lce, ha anche una forza
elettromotrice termica molto bassa,
pari a soli 0,05 µV/°C.
[ componenti passivi ]
Una tecnologia di successo
Questa tecnologia nasce dall’analisi fisica delle
sollecitazioni nelle applicazioni di indicatori di
sollecitazione. 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 resistenzaTcr 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 resistenzaTcr 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.
Yuval Hernik
Vishay Precision Group
www.vishaypg.com
dicembre 2012
