Brevet FR2573565A1 — publié le 19860523

Résistance de puissance de précision ayant un coefficient thermique de résistance très faible. La présente invention concerne de façon générale des résistances multicouchesdeprécision, notamment des résistan- ces de puissance aulticouchesdeprécision. De nombreuses applications variées exigent le développe- ment de résistances extrêmement précises, qui ne varient pas au-delà de tolérancesprescrites sur une plage de températures acceptables. Un type de résistance largement répandu à cet égard est la résistance à feuille métallique, qui comporte généralement une feuille métallique résistan- te appliquée sur un substrat approprié. La raison en est qu'on a constaté que ces résistances pouvaient avoir un faible coefficient thermique de résistance. Ce but est généralement atteint en utilisant un élément résistant sous forme d'une feuille métallique, dans lequel les variations de résistivité de la feuille en fonction de la température sont susceptibles de compenser les variations de résistance provoquées par la déformation qui résulte de la différence des coefficients de dilatation thermique de la feuille résistante et du substrat sur lequel elle est appliquée. La déformation (E) peut s'exprimer en fonction de la température et en fonction de la résistance, selon les équations suivantes: (A) E = ("s-af) AT (dilatation thermique différentielle) (B) E = 1/K.AR/R (effet de déformation) dans lesquelles: as = coefficient de dilatation thermique de la matière du substrat af = coefficient de dilatation thermique de la matière de la feuille métallique K = constante fonction de la matière de la feuille. En conséquence, on peut définir les variations de la résistance en fonction de la température: (C) AR/R = K(as-af)AT. En se reportant à la figure 1 du dessin, on peut noter que, en choisissant de façon appropriée les matières utilisées, la caractéristique définie par l'équation (C) peut être compensée par la caractéristique (D) qui repré- sente les variations de la résistivité de la feuille en fonction de la température: P(T). Comme on le voit en (E) sur la figure 2, une telle compensation est valable sur une certaine'plage de températures. Toutefois, cette compensation n'est pas parfaite, du fait que P(T) est non linéaire, tandis que K(as-af)AT est essentiellement linéaire. Néanmoins, le coefficient thermique de résistance ainsi obtenu est très faible et de telles résistances compensées sont très utiles pour des applications de précision. En conséquence, comme le constatent les brevets US 3 405 381 et 3 517 436, délivrés à Zandman et ai, un choix approprié des matières constituant le substrat et la feuille métallique résistante permet d'obtenir un coefficient thermique de résistance désiré sur une certaine plage de températures. En outre, selon les enseignements de ces brevets, on peut en outre améliorer la précision en contre-balançant le revêtement qui est traditionnelle- ment utilisé pour recouvrir la feuille appliquée sur le substrat et le ciment qui fixe la feuille sur le substrat par un revêtement appliqué sur le côté opposé du substrat. Des tentatives pour améliorer davantage les procédés des brevets précités peuvent se retrouver en se reportant au brevet US 3 824 521, qui décrit l'ajustement des coefficients de dilatation thermique, et au brevet US 4 306 217, qui décrit l'application d'un bourrelet de caoutchouc sur des portions du substrat pour absorber les forces créées lors de sa dilatation. Bien que les enseignements des brevets précités aient permis d'obtenir des résultats satisfaisants en liaison avec des applications dans lesquelles la puissance est relativement faible, on n'a généralement pas pu obtenir de tels résultats satisfaisants lorsque les résistances multi- couchesdu type décrit précédemment sont utilisées avec des puissances relativement élevées. La raison en est que, à la différence des applications à faible puissance, le courant qui est appliqué à l'élément résistant dans une application à puissance élevée commencera par chauffer la feuille résistante sans chauffer notablement le substrat sur lequel la feuille est fixée. Ceci résulte des diffé- rences dans les matières utilisées, ainis que de la barrière thermique généralement créée par le ciment utilisé pour fixer la feuille résistante sur le substrat. Il en résulte que, au début du passage du courant, par exemple pendant quelques millisecondes, la feuille devient chaude du fait du courant qui lui est appliqué, tandis que le substrat sur lequel la feuille est cimentée conserve approximativement la température qu'il avait avant le passage du courant. Ceci résulte de la barrière thermique formée par le ciment. Même après que la chaleur en prove- nance de la feuille a traversé la couche de ciment, il- faut encore quelque temps jusqu'à ce que tout le substrat devienne chaud. Pendant la période de transition entre le début du passage du courant et le moment o tout le substrat se trouve soumis à un flux thermique permanent (la température ne variant pas avec le temps), le coeffi- cient thermique de résistance du composant résistant varie. A l'instant o débute le passage du courant, la feuille se dilate en fonction de son coefficient de - 6 dilatation thermique (par exemple f = 16,2 x 10-U/C), tandis que le substrat ne se dilate pas car il n'est pas encore soumis à une variation de température. Du fait, sa dilatation (cs) sera nulle. Dans ce cas, l'équation (C) peut s'écrire sous la forme: (C') AT/R = K(0-Gf)AT En conséquence, il y aura surcompensation de la résistivité p(T) de la feuille (courbe D sur la figure 1), et le coefficient thermique de résistance obtenu sera totalement différent de celui représenté sur la figure 2. Dans ce cas, le coefficient thermique de résistance sera celui représenté en F sur la figure 3. Au fur et à mesure, le substrat devient plus chaud du fait du flux thermique en provenance de la feuille métallique, et le coefficient thermique de résistance se rapprochera de sa valeur en régime permanent. Finalement, lorsque la température du substrat est devenue constante, le coefficient thermique de résistance devient celui représenté sur la figure 2. Dans le cas d'applications dans lesquelles la rapidité est relativement faible, de telles considérations ne soulèvent que peu de difficultés, car les composants de la résistance ont un temps suffisant pour atteindre l'équilibre de température. Toutefois, de récents progrès de la technologie ont créé un besoin pour une résistance de puissance précise capable de fonctionner dans des opérations à rapidité relativement élevée, et qui soit susceptible d'atteindre la précision recherchée en un temps aussi court que possible. Parmi diverses autres applications, on peut envisager par exemple l'application des technolo- gies laser à la gravure des circuits intégrés comme variante de l'utilisation de masques photographiques et l'analogue, l'utilisation de lasers pour le réglage extra-rapide de résistances et l'utilisation de faisceaux d'électrons pour la création de modèles. Pour illustrer le problème, on se reportera à la figure 4 du dessin. Des études ont montré que, dans le cas d'une application de puissance caractéristique, la résistance varie (AR/R) en fonction du temps comme le représente la courbe (G). En conséquence, les variations de résistance au début seront telles qu'elles empêchent le fonctionnement utile du dispositif. Ce n'est qu'après cette période initiale que s'établit une précision acceptable. Pour des opérations très rapides, aussi bien que pour des opérations plus lentes, il serait souhaitable d'obtenir une caractéristique: résistance en fonction du temps, telle que celle représentée par la courbe H. Il reste donc à développer une résistance de puissance de précision qui présente un coefficient thermique de résis- tance pratiquement indépendant du temps et de la puissance. C'est en conséquent un but de la présente invention de procurer une résistance de puissance de précision qui présente un coefficient thermique de résistance indépendant du temps et de la puissance que peut encaisser la résistance. Ces buts, ainsi que d'autres, qui appa- raîtront dans la description, sont atteints selon la présente invention par une résistance de précision qui comprend de façon générale une feuille métallique résis- tante appliquée sur un substrat au moyen d'un ciment approprié, le coefficient de dilatation thermique du substrat étant pratiquement nul (soit nul, soit aussi proche de zéro qu'il est possible), et la caractéristique: résistivité en fonction de la température, de la feuille métallique choisie étant réglée de façon à compenser les variations de résistance provenant de la déformation qui résulte de la variation de température de l'ensemble. Dans un tel cas, le substrat ne change pas notablement de dimensions du fait de la chaleur dégagée par l'application du courant à l'élément résistant, car as = 0 ou est voisin de 0. On doit maintenant ajuster la résistivité de la feuille P'(T) de façon à obtenir une compensation de l'équation suivante: (C"i) AR/R=K(0-af)AT ou AR/R = -(Ef)(K)(AT) De ce fait, en se reportant à la figure 5, P'(T) doit être égal à -(Eaf)(K)(AT) ou en être aussi proche que possible. Il en résulte que la résistance doit présenter un coefficient thermique de résistance très faible, tel que représenté sur la figure 6, qui restera le même au début du passage du courant et ensuite. Si la puissance augmente, la chaleur dégagée dans la feuille augmente également, mais le substrat ne change pas de dimensions puisque es = 0 (ou est voisin de 0). De ce fait, la compensation représentée sur la figure 6 restera valable. La figure 7 montre la différence de compensation entre les techniques antérieures de résistance multicouchespourdes applications à faible puissance (repré- sentées en tirets) et les techniques décrites ici pour des applications à puissance élevée (représentées en trait plein). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription détaillée de réalisations préférées, données à titre d'exemple seulement, en liaison avec le dessin joint, sur lequel: - la figure 1 est un graphique illustrant la manière dont les variations de résistivité en fonction de la température peuvent être utilisées pour compenser les coefficients de dilatation thermique de la feuille métallique résistante et du substrat d'une résistance de précision, pour des applications à faible puissance; - la figure 2 est un graphique illustrant une telle compensation en fonction de la température; - la figure 3 est un graphique similaire à celui de la figure 2, mais pour des applications à puissance élevée, et pendant le court stade initial pendant lequel la différence de température entre la feuille et le substrat est beaucoup plus grande qu'à l'état de régime; - la figure 4 est un graphique illustrant les variations de résistance en fonction du temps, d'une résistance de puissance comportant une feuille résistante et un substrat sur lequel elle est fixée, montrant également une courbe caractéristique idéale; - la figure 5 est un graphique similaire à celui de la figure 1, pour une résistance de puissance selon la présente invention;- - la figure 6 est un graphique similaire à la figure 2, montrant la compensation en fonction de la température pour une résistance de puissance selon la présente invention; - la figure 7 représente à la fois le graphique de la figure 1 et le graphique de la figure 6, à des fins de comparaison; - la figure 8 est une vue en élévation d'une résistance de puissance de précision produite selon la présente invention; - la figure 9 est une vue en plan d'une variante d'une résistance de puissance de précision produite selon la présente invention; - la figure 10 est une vue en élévation d'une variante d'une résistance de puissance de précision produite selon la présente invention, comportant un substrat intermédiaire pour recevoir une capacité; et - la figure 11il est une vue en perspective d'une résistance de puissance de précision produite selon la présente invention, et des moyens pour ajuster le coefficient thermique de résistance. Sur les différentes vues, on utilise des repères identiques pour désigner des structures similaires. Bien qu'on ait choisi des formes spécifiques de l'invention à des fins d'illustration sur le dessin et que la descrip- tion suivante soit rédigée en termes spécifiques pour décrire ces formes de l'invention, cette description ne vise pas à limiter la portée de l'invention, qui est définie par les revendications jointes. La figure 8 montre une résistance de puissance de précison 1 formée selon la présente invention. La résistance 1 comprend de façon générale un élément résistant 2 appliqué sur un substrat 3 par un ciment approprié 4. L'élément résistant 2 est ensuite de préférence recouvert par un revêtement approprié 5, comme c'est classique. Selon les enseignements des brevets US 3 405 381 et 3 517 436 précités, on applique également de préférence un deuxième revêtement 6 sur le coté du substrat 3 qui est opposé à l'élément résistant 2. Il est bien entendu que le montage de la résistance de puissance 1 s'effectue selon des techniques qui sont généralement bien connues dans ce domaine. Celles-ci comportent des opérations ultérieures, telles qu'applica- tion de fils de connexion (non représenté) sur l'ensemble obtenu, revêtement de l'ensemble obtenu par des produits de protection additionnels, et encapsulation finale de l'ensemble résultant dans un matériau approprié pour obtenir une résistance de précision terminée. Pour cette raison, une description détaillée de ces opérations ultérieures est inutile. Dans une autre réalisation selon la figure 9, la résistance de puissance 1 peut être constituée d'un substrat 3 sur lequel est cimenté un élément résistant 2 et auquel on peut fixer des conducteurs (non représentés) sur des régions 7 plaquées en cuivre et formées sur l'élément résistant 2 pour permettre une introduction uniforme de courant des conducteurs à l'élément résistant 2. Des revêtements 5, 6 peuvent ou non être appliqués sur l'élé- ment résistant 2 précédemment décrit, en fonction des circonstances. En ce qui concerne les matières, on peut utiliser de nombreuses matières résistantes pour former l'élément résistant 2, entre autre des alliages nickel-chrome et l'analogue. L'élément résistant aura généralement une épaisseur de l'ordre de 0,76 à 7,6 micromètres. Selon la présente invention, le choix de la matière utilisée pour former le substrat 3 dépend du coefficient de dilatation thermique du substrat, du fait que ce paramètre doit être maintenu, soit à zéro, soit aussi proche de zéro que possible. On peut par exemple utiliser dans ce but des métaux tels que "Invar" (coefficient de 1,8 x 10-6 / C) et "Super Invar" (coefficient d'environ à 0 à 0,9 x 10-6 / C), le carbone (coefficient compris entre -0, 9 et 0,9 x 10 6/0C), certains matériaux céramiques tels que "Cermet" (coeffi- -6 cient de 5,4 x 10 6/0C) et "Corderite" (coefficient d'environ 0), et d'autres matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique extrêmement faibles. Le substrat 3 aura généralement une épaisseur de l'ordre de 0,25 à ,4 mm. Le ciment 4 utilisé pour fixer l'élément résistant 2 sur le substrat 3 doit être extrêmement résistant de façon à transmettre la contrainte de cisaillement développée entre le substrat 3 et l'élément résistant 2 sans glisse- ment appréciable, du fait que de telles contraintes de cisaillement sont développées chaque fois qu'il y a un changement dans la température des éléments impliqués. On peut utiliser à cet égard toute une variété de ciments, y compris des résines époxydes, des polyimides, etc. Il est bien entendu que, si on utilise un substrat métal- lique de façon à améliorer la dissipation de chaleur, on doit prendre soin de tenir compte de la capacité qui peut se développer entre la feuille métallique formant l'élément résistant 2 et le métal formant le substrat 3. En se reportant à la figure 4, une telle difficulté peut être surmontée en cimentant l'élément résistant 2 sur un substrat isolant intermédiaire 8, qui peut être un bon conducteur de la chaleur, mais un mauvais conducteur électrique, et en cimentant ensuite le substrat isolant 8 sur le substrat 3. Un substrat isolant 8 fermé d'alumine et ayant une épaisseur de l'ordre de 0,1 à 1 mm par exemple est fort utile à cet égard. Ici également le ciment choisi doit pouvoir transférer sans glissement les efforts de cisaillement du fait qu'ils changent chaque fois que la température change. Bien entendu, la résistance de puissance 1 doit être réa- lisée de façon extrêmement soignée pour ne-pas créer de changement de résistance du fait descontraintes extérieures, des revêtements d'encapsulation, des efforts (traction, torsion et flexion) des conducteurs de la résistance, etc. Il est en outre extrêmement important que la résistan- ce de puissance 1 soit réalisée avec beaucoup de soin en ce qui concerne la symétrie. Par exemple, dans le cas ou on utilise dans cette résistance de puissance 1 un substrat métallique 3 et un substrat isolant 8 pour améliorer les effets de capacité, il est important d'appliquer un substrat de compensation 9 sur le coté opposé du substrat 3 pour éviter toute flexion inacceptable résultant des différences dans les coefficients de dilatation thermique du substrat isolant et du substrat métallique sur lequel il est appliqué. Le substrat de compensation 9 peut être dans la même matière que celle formant le substrat isolant 8, ou dans une matière différente qui est compensatrice du fait de son épaisseur, de son coefficient de dilatation thermique, de son module d'élasticité, etc. On peut obtenir d'autres améliorations si la résistance de puis- sance 1 est activement refroidie par des moyens extérieurs. Un tel refroidissement permet également de réduire l'épais- seur du substrat 3. Selon la présente invention, il est important que la caractéristique: résistivité en fonction de la température, de la feuille choisie soit ajustée de façon à compenser la variation de résistance provenant des déformations apparaissant lorsque la température de l'ensemble change. Si la caractéristique de la feuille métallique n'est pas parfaitement accordée à celle du substrat, il est nécessaire d'ajuster légèrement le coefficient thermique de résistance de l'élément résistant 2 de façon à obtenir un accord - parfait entre le changement de résistivité de la feuille en fonction de la température et les changements de résitance provoqués par la déformation thermique de la couche. En se reportant à la figure 11, ce but peut être atteint en plaquant des portions de l'élément résis- tant 2 avec une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé, tel que -cuivre, nickel, or, etc. Si le placage 10 donne un coefficient thermique de résistance trop élevé, on peut effectuer un autre réglage en enlevant. des portions du placage 10 jusqu'à l'obtention du coeffi- cient thermique de résistance recherché. Un tel enlèvement peut être effectué chimiquement ou mécaniquement. En variante, on peut effectuer l'ajustement en enlevant des portions 11 de la couche résistante 2 par gravure ou découpe, par exemple en 12. Dans ce cas, le coefficient thermique de résistance augmentera. L'ajustement du coefficient thermique de résistance peut également s'ef- fectuer en plaçant une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé, en série, et/ou en parallèle avec l'élément résistant 2. Dans certains cas, il peut être souhaitable d'appliquer une multiplicité d'éléments résistants 2 sur un seul substrat 3 pour développer une multiplicité de résistances 1 sur un seul substrat. Ce but peut être atteint, soit en appliquant une multiplicité d'éléments résistants discrets 2 sur un seul substrat 3, soit en appliquant un seul élément résistant 2 sur le substrat 3 et en développant ensuite les éléments séparés désirés par gravure ou par tout autre moyen. Bien que convenant dans de nombreuses applications, une telle réalisation nécessite généralement un ajustement pour normaliser les coefficients thermiques de résistance des différents éléments résistants 2 appli- qués sur le substrat 3, lequel ajustement peut être effectué comme précédemment décrit. Il est bien entendu que l'homme de l'art pourra apporter diverses modifications dans les détails, les manières et les dispositions des parties ici décrites et illustrées, tout en restant dans le principe et la portée de l'inven- tion exprimés par les revendications suivantes. Revendications. 1. Résistance présentant un coefficient thermique de résistance très faible-et susceptible d'accepter une puissance élevée, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat (3) et une feuille métallique résistante (2) fixée sur ce substrat par un ciment (4), le substrat étant en une matière dont le coefficient de dilatation est essentiellement égal à 0. 2. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est en une matière ayant un coefficient de dilatation inférieur à environ 3,6 xlO 6/ C et supérieur à environ -0,9 x 10-6/ C. 3. Résistance selon la revendication 2, caractérisée en ce que le substrat (3) est un métal. 4. Résistance selon la revendication 3, caractérisée en ce que le substrat (3) a une épaisseur d'environ 0,25 à environ 25,4 mm. 5. Résistance selon la revendication 2, caractériséeen ce que le substrat (3) est isolant. 6. Résistance selon la revendication 5, caractériséeence que le substrat (3) a une épaisseur d'environ 0,25 à envi- ron 5,1 mm. 7. Résistance selon la revendication 2, caractérisée en ce que le substrat (3) est en carbone. 8. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la feuille résistante est en un alliage nickel-chrome. 9. Résistance selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'épaisseur de la feuille métallique est comprise entre environ 0,76 et 7,6 micromètres. 10. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coefficient thermique de résistance de ce cbmpo- sant résistant est essentiellement constant dans le temps. 11. Résistance selon la revendication 10, caractérisée en ce que le coefficient thermique de résistance est essen- tiellement constant dans la plage des millisecondes. 12. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat isolant (8) interposé entre le substrat (3) et la feuille métallique résistante (2). 13. Résistance selon la revendication 12, caractérisée en ce que le substrat isolant (8) est en alumine. 14. Résistance selon la revendication 13, caractérisée en ce que le substrat isolant (8) a une épaisseur comprise entre environ 0,1 et environ 1 mm. 15. Résistance selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'une couche (9) d'une mratièe ayant des caractéristiques de dilatation susceptibles de compenser la flexion provo- quéè par le substrat isolant (8) est formée sur un côté du substrat opposé au côté revêtu de la couche isolante. 16. Résistance selon la revendication 15, caractérisée en ce que la couche de matière (9) est de l'alumine. 17. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour ajuster le coefficient thermique de résistance de la feuille résistante. 18. Résistance selon la revendication 17, caractérisée en ce que les moyens d'ajustement comportent un placage (10) formé sur des portions sélectionnées de la surface de la feuille résistante. 19. Résistance selon la revendication 18, caractérisée en ce que le placage a un coefficient thermique de résistance élevé. 20. Résistance selon la revendication 19, caractérisée en ce que le placage est en une matière choisie dans le groupe comprenant le cuivre, le nickel et l'or. 21. Résistance selon la revendication 17, caractérisée en ce que les moyens d'ajustement sont une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé, montée en série avec la résistance. 22. Résistance selon la revendication 17, caractérisée en ce que les moyens d'ajustement sont une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé montée en parallèle avec la résistance. 23. Résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une multiplicité de résistances sont formées sur un seul substrat et comportent une multiplicité de feuilles métalliques résistantes cimentées sur un substrat commun. 24. Procédé pour former une résistance présentant un coefficient thermique de résistance extrêmement faible et susceptible d'accepter une puissance élevée, caractérisé en ce qu'il comporte les stades suivants: procurer un substrat formé dans une matière ayant un coefficient de dilatation essentiellement égal à zéro; cimenter une feuille métallique résistante sur ce substrat; et ajuster le coefficient thermique de résistance de la feuille résistante après qu'elle a été cimentée sur le substrat. 25. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que cet ajustement consiste à plaquer des portions de la feuille résistante avec une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé. 26. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que cet ajustement consiste à enlever des portions du placage jusqu'à l'obtention d'un coefficient thermique de résistance choisi. 27. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que cet ajustement consiste à monter une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé en série avec la résistance. 28. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que cet ajustement consiste à monter une matière ayant un coefficient thermique de résistance élevé en parallèle avec la résistance. 29. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que cet ajustement consiste à enlever des portions de la feuille résistante du circuit électrique de la résistance. 30. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'une multiplicité de résistances sont formées sur un seul substrat et que le coefficient thermique de résistance de cette multiplicité de résistances est normalisé en ajustant individuellement les coefficients thermiques de résistance de ces feuilles résistantes. 31. Procédé selon la revendication 30, caractéisé en ce que la multiplicité de résistances est formée sur un seul substrat en cimentant une multiplicité de feuilles métal- liques résistantes discrètes sur un substrat commun. 32. Procédé selon la revendication 30, caractérisé en ce que cette multiplicité de résistances est formée sur un seul substrat en cimentant une feuille résistante sur un substrat et en enlevant ensuite des portions de cette feuille pour séparer cette feuille résistante en segments discrets.