Metal Foil Resistors
United States Patent , Joseph Sware, 4,378,549, 1983.
Un artículo científico describe los resultados de una investigación sobre las propiedades de una resistencia de película metálica, Metal Foil Resistors.
En un artículo titulado "A NEW PRECISION FILM RESISTOR EXHIBITING BULK PROPERTIES", escrito por Felix Zandman y Sidney J. Stein. Este documento fue presentado en la Electronic Components Conference en Washington en mayo de 1964.
Características principales: se describe las principales características de una resistencia de película metálica. Se destaca que esta película, depositada sobre vidrio o ceramica, muestra un coeficiente de temperatura de resistencia extremadamente bajo y controlable .
Trata sobre el problema de los cambios en el coeficiente de temperatura debidos a deformaciones térmicas.
Explica sobre la expansión térmica en cuerpos compuestos: cuando un cuerpo compuesto, formado por elementos con diferentes coeficientes de expansión térmica y cambia la temperatura, los elementos tienden a elongarse en diferentes cantidades. Se ilustra este concepto utilizando un cuerpo compuesto como el indicado en la Figura 1, que incluye un sustrato rígido, una capa delgada de película metálica y dos recubrimientos protectores.
Fue Lord Kelvin quien, a partir de sus investigaciones sobre las propiedades electrodinámicas de los metales, informó por primera vez en 1856 que los conductores metálicos sometidos a tensión mecánica experimentan un cambio en su resistencia eléctrica, aunque esto no es exactamente cierto, como se menciona en el trabajo de Wheatstone anteriormente. Utilizó un circuito de puente de Wheatstone con un galvanómetro como indicador y adoptó el sistema de Wheatstone por su alta sensibilidad.
Lord Kelvin demostró que los conductores metálicos sometidos a alargamiento mecánico (tensión) mostraban un cambio en la resistencia, siendo las tensiones de compresión las que producían una disminución. Kelvin informó sobre un experimento en el que se estiraron longitudes paralelas de alambres de cobre y hierro con un peso, y se midió la diferencia en el cambio de su resistencia con un puente de Wheatstone modificado. Kelvin determinó que, dado que la elongación era la misma para ambos alambres, "el efecto observado depende verdaderamente de las variaciones en sus conductividades". La observación de estas diferencias fue notable, dada la precisión de los instrumentos disponibles.
Restricciones en la expansión de la película metálica: se menciona que, si la película metálica estuviera libre para expandirse sin restricciones, experimentaría un cambio en la resistencia debido al aumento de la temperatura. Sin embargo, la película metálica está firmemente adherida al sustrato, lo que genera fuerzas que evitan el desplazamiento relativo entre la película metálica y el sustrato y la resistencia electrica de la lamina mealica disminuye.
Principio basico del metal foil resistor.
La resistencia de la lámina metálica fina, metal foil, en su estado libre, antes de ser pegada a la cerámica, aumenta su resistencia cuando aumenta la temperatura. Pero como la lamina esta pegada a la cerámica y como coeficiente de expansión de la misma es menor que el coeficiente de la lámina metálica, cuando la temperatura aumenta la lámina sufre una compresión y la resistencia de la lámina disminuye. Si ambos fenómenos son iguales y de signo opuesto el cambio resultante es nulo. Esta es la esencia del bajo TCR, de estos resistores.
El siguiente dibujo refleja el efecto de aumento de temperatura, el film metálico. tiene un coeficiente de expansión lineal de 13 [ppm/℃] y el sustrato, la cerámica 6 [ppm/℃] .
La figura 2e, es el efecto resultante de lo dicho anteriormente, obteniendose un Δ R/R , menor en el rango de temperatura
Zero TCR Foil Resistor Ten Fold Improvement in Temperature Coefficient Reuven Goldstein and Joseph Szwarc .
Historicamente, se puede recurrir al trabajo " A New Precision Film Resistor Exhibiting Bulk Properties" de F. Zandman y S. Stein, del año 1964, el tque se traduciria como "Un nuevo resistor de película de precisión que exhibe propiedades macroscópicas".
El uso de una película de aleación, en este caso de niquel-cromo, como el Evanohm S, lo suficientemente gruesa como para tener propiedades macroscopicas (voluminosas). Preparación, como el tratamiento termico de la aleacion para producir un coeficiente de resistencia a baja temperatura. Control cuidadoso de la estructura cristalina, la deformación estructural, las características del sustrato, la técnica de union entre el film metalico y la ceramica.
UUnited States Patent (19) Szware US4378549A
Indice.
Obtención de la lámina fina. : espesores de la lamina fina de la aleacion de niquel cromo Evanohm S -
Calibración de las resistencia de lámina delgada.
Método de detección de problemas que utiliza energía pulsada combinada con imágenes infrarrojas.
Calibracion automatizada de resistencias con láser.
Efectos mecanicos y termicos. : Resistencias de ultra precisión selladas herméticamente y llenas de aceite, que cumple con los criterios de autoportante. J.P. Smith, Precision Resistor, 1969 .
Más de cincuenta años después de su invención por el físico Dr. Felix Zandman en 1962, la tecnología Bulk Metal Foil aún supera a todas las demás tecnologías de resistencias disponibles en la actualidad para aplicaciones que requieren precisión, estabilidad y confiabilidad. Estos productos VFR Bulk Metal Foil se ofrecen en una variedad de configuraciones de resistencias y tipos de paquetes para satisfacer las necesidades de una amplia gama de aplicaciones, ofrecen un coeficiente de temperatura absoluto de resistencia (TCR) de ±0,2 ppm/°C (–55 °C a +125 °C, +25 °C ref.), un orden de magnitud mejor que las tecnologías de láminas anteriores. Cuanto más bajo es el TCR absoluto, mejor puede una resistencia mantener su valor preciso a pesar de las variaciones de temperatura ambiente y el autocalentamiento cuando se aplica energía.
En este componente, la inductancia total máxima de la resistencia es de 0,08 μH. La capacitancia es de 0,5 pF como máximo. Una resistencia de 1 kΩ tiene un tiempo de establecimiento de menos de 1 ns hasta 100 MHz. El tiempo de subida depende del valor de la resistencia, pero los valores más altos y más bajos son solo un poco más lentos que los valores de rango medio. La ausencia de timbre es especialmente importante en la conmutación de alta velocidad como, por ejemplo, en la conversión de señales. La resistencia de CC de una resistencia de lámina metálica a granel de 1 kΩ en comparación con su resistencia de CA a 100 MHz se puede expresar de la siguiente manera: resistencia de CA/resistencia de CC = 1,001.
Al aprovechar la estabilidad y confiabilidad general de las resistencias, los diseñadores pueden reducir significativamente los errores del circuito y mejorar en gran medida el rendimiento general del circuito.
Esta tecnología cuenta con una gran cantidad de publicaciones con la que puede ser llevado a la práctica por industrias como las de aviación, espacio, instrumentación entre otras.
La tecnología del metal foil resistor y la metal foil strain gauge, tienen elementos comunes en su construcción.
Se pega una lámina de Ni-Cr resistivo, con un espesor de 2 a 8 µm, como el representado en el anterior dibujo, a un sustrato sólido de cerámica o vidrio después de haber sido tratado térmicamente para ajustar su coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) a un valor apropiado. Luego se deposita una resina fotosensible sobre la lámina de Ni-Cr. La resina fotosensible se expone en un proceso de fotolitografía a través de una máscara fotográfica ( photographic mask)que representa el diseño del circuito de resistencia, que se asemeja a una serie de filamentos en bucle.
Resistor Theory and Technology", whose authors are, Felix Zandman, Paul Rene Simon and Joseph Szwarc, from 2001.
El dibujo anterior, es una representacion de una parte del proceso. El inicio, indicado con el numero 1, indica que se corta la lámina de Ni-Cr resistivo, con un espesor de 2 a 8 µm, esta aleacion se denomina Evanohm S ,
La aleacion utilizada para la construccion resistencias es de niquel-cromo (nickel-chromium),denominada Evanohm S, posee una resistividad alta y un bajo coeficiente resistivo de temperatura (TCR),modificando la composición de la aleación se reduce el TCR comparado con el Evanohm R.
La composición nominal del Evanohm S es:
Chromium : 19.9 %
Manganeso : 5.1 %
Aluminio : 3.0 %
Silicio : 1.1 %
Niquel : balanceado
El formato de envío es en forma de una bobina con la aleacion enrollada, la misma debe ser cortada con una guillotina con las siguientes dimensiones, ver Obtención de la lámina fina. .
A continuacion se realiza la limpieza de la lamina por medio de procesos para eliminar las impurezas orgánicas e inorgánicas presentes en las superficies metálicas y procedentes de operaciones anteriores como el corte, pulido, almacenamiento, transporte, etc. La bondad del recubrimiento es función delgrado de limpieza, por tanto, estos tratamientos previos son muy importantes. Son básicamente dos: desengrase y decapado.
El decapado es un tratamiento superficial de metales que se utiliza para eliminar impurezas, tales como manchas, contaminantes inorgánicos, herrumbre o escoria, de aleaciones de metales ferrosos, cobre, y aluminio. Se utiliza una solución denominada licor de pasivado, que contiene ácidos fuertes, para eliminar impurezas superficiales. Por lo general es utilizado para quitar escorias, limpiar aceros en varios procesos de fabricación de componentes mecánicos, antes de realizar otras operaciones tales como extrusión, soldadura, pintura, plateado.
Limpieza electroquímica.
El componente pasa a formar parte de un circuito electrico de un baño electrolitico y se utiliza como ánodo. Junto con el electrodo correspondiente, se sumerge en un baño que contiene un electrolito. Se aplica un voltaje CC; el ánodo comienza a producir oxígeno y el cátodo burbujea de hidrógeno. Las burbujas se originan directamente en la superficie del metal, en el anodo debajo de la capa contaminante, levantando la suciedad que luego puede disolverse o emulsionarse en el baño, como se ve en el siguiente dibujo.
El punto 2, que trata el proceso termico al cual es sometido la lamina, se puede encontrar en "Tratamiento termico"
Coeficiente de temperatura de resistencia
El TCR bajo es una de las propiedades más importantes de la lámina para aplicaciones como circuitos analógicos de precisión que requieren una estabilidad de temperatura estricta. Esto se debe a las propiedades de la propia lámina; a medida que aumenta la temperatura, aumenta la resistencia de la lámina, pero el aumento de temperatura también provoca tensión de compresión en la lámina (debido a las diferencias en el coeficiente de expansión térmica de la lámina y la base), lo que reduce la resistencia de la lámina. En general, el equilibrio de los dos efectos conduce a una resistencia muy estable, con un TCR de ±0,05 ppm/°C o menor, están disponibles con la tecnología actual. Los productos de lámina también exhiben un bajo coeficiente de potencia de resistencia, es decir, exhiben un bajo autocalentamiento debido a la potencia que disipan, lo que se suma a su estabilidad de temperatura.
Estabilización Térmica
La estabilización térmica es una medida de la rapidez con la que se estabiliza la resistencia del dispositivo cuando se expone a un cambio de temperatura, ya sea como resultado de los cambios de temperatura ambiente o del autocalentamiento debido a un aumento en la disipación de energía. Esto es importante en circuitos de precisión que requieren la mayor estabilidad posible. Las resistencias de lámina son un claro ganador sobre otras tecnologías en este caso, ya que se estabilizan en unos pocos segundos, mientras que la respuesta de otras tecnologías es del orden de minutos.
Tiempo de respuesta
Además de los efectos relacionados con la temperatura, la naturaleza de las resistencias de lámina significa que también tienen una inductancia y capacitancia parásitas mínimas. Esto es fundamental en los circuitos que dependen de señales de alta velocidad, ya que cualquier inductancia y capacitancia no deseadas distorsionan y degradan la señal. En comparación con las resistencias bobinadas, que son, en esencia, una bobina de alambre y, por lo tanto, tienen una inductancia parásita, la lámina metálica estampada que utilizan las resistencias de lámina está en un solo plano. Los patrones de lámina también están especialmente diseñados para mitigar cualquier reactancia parásita; Los patrones en forma de S o en zig-zag significan que la corriente en los cables adyacentes fluye en diferentes direcciones. Un buen diseño puede replicar pulsos tan cortos como unos pocos nanosegundos en la salida. Por lo tanto, las resistencias de lámina son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia.
Aplicación de los metal foil resistors en aviación.
La mayoría de los aviones comerciales, tienen un techo de vuelo que ronda los 12[Km], kilometros mientras que algunos aviones pueden alcanzar los 15 [Km], esta zona se denomina troposfera. Cuando se asciende la temperatura disminuye, alcanzándose una temperatura de unos -56 [ºC]. En la aeronave puede haber equipos sometidos a cambios de temperatura de 20 [ºC] a -56 [ºC], los metal foil resistors, mantienen su valor de resistencia frente a estas variaciones.
Metal Foil Resistors, by Frida Hovsepian | May 24, 2021 | Resistors |. https://riedon.com/blog/metal-foil-resistors/
Resistencia de lámina metálica. https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_de_l%C3%A1mina_met%C3%A1lica
Referencias, publicaciones.
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INFLUENCE OF THERMAL STRAINS ON TEMPERATURE COEFFICIENT OF BULK METAL FILM RESISTORS , Felix Zandman and Daniel Post. (tpmp, 1965.1135354)
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Generador de Pulsos de Alto Voltaje y Corta Duración Autor: Ing. José Enrique Eirez Izquierdo
Processing, Metallurgy and Manufacture Mark Robinson Hamilton Precision Metals1780 Rohrerstown Road Lancaster, PA 17601
Hamilton Precision Metals, https://www.ametekmetals.com/locations/hamilton-precision-metals
Laminación de metales y aleaciones | | UPV, https://www.youtube.com/watch?v=FkVx4dKpQIY
A Screening Method Using Pulsed-Power Combined with Infrared Imaging to Detect Pattern Defects in Bulk Metal Foil or Thin Film Resistors Jay Brusse, Lyudmyla Panashchenko
Sinusoidal Oscillators and Waveform Generators using Modern Electronic Circuit Building Blocks,Raj Senani D. R. Bhaskar, V. K. Singh
A Visit to Vishay Foil Resistors , https://www.youtube.com/watch?v=-efTQuDlFU4&t=25s
A Visit to Alpha Electronics - iNotes , https://www.youtube.com/watch?v=Kz0ruUwLgWI&t=34s
Techno-Frontier 2021 – ブース案内 , https://www.youtube.com/watch?v=Hd3_CHsxLAk
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