L’importanza dei resistori di precisione negli strumenti sismici

Strumenti sismici

Gli strumenti sismici maggiormente impiegati per individuare un terremoto e per l’esplorazione sotterranea di oli e gas sono i sistemi sismografici: essi utilizzano una sorgente di energia che produce uno shock superficiale, come ad esempio gli esplosivi o la caduta di pesi per propagare un’onda d’urto all’interno della Terra. L’effetto è simile a quello creato da un terremoto di piccola intensità. Vediamo in questo articolo l’importanza dell’utilizzo di resistenze ad alta precisione ed alta stabilità nelle rilevazioni sismiche.

L’importanza degli strumenti sismici per i geologi

Nonostante i geologi non conoscano esattamente dove si possano trovare i giacimenti di oli e gas, sanno però che è più semplice trovarli in certi tipi di rocce; l’olio, ad esempio, si raccoglie in rocce porose tra strati di rocce non porose. Ogni discontinuità nella struttura della Terra, come le interfacce tra gli strati di calcare, scisto e sale, si può tradurre in energia, che viene riflessa in superficie dove dei geofoni molto sensibili sono in grado di individuarla, anche in un’area molto vasta. Mentre una rapida serie di riverberi, provenienti da ogni interfaccia stratificata, raggiunge la superficie, l’energia viene amplificata e registrata.

L’utilizzo di strumenti sismici idonei, come l’equipaggiamento per la registrazione, serve, in primo luogo, ad attenuare gli iniziali alti livelli di ritorno dell’energia, poi passa attraverso una serie di amplificazioni crescenti in modo da mantenere appropriati i livelli di sensibilità. In questo modo è possibile eseguire una registrazione di tutti gli strati, dai segnali più superficiali ad alta energia a quelli più deboli, provenienti dagli strati più bassi della Terra. Gli strumenti per la misurazione devono cambiare sensibilità sequenzialmente ed in modo rapido, così da evitare la dispersione di dati provenienti da ogni strato.

Dovrebbero anche essere a prova di rumore per non perdere i segnali più deboli. Dopo aver misurato e classificato temporalmente i segnali, è possibile produrre una mappa che rappresenti una sezione trasversale del terreno per i primi chilometri di profondità. Gli strumenti sismici che amplificano e registrano i segnali riflessi su un ricevitore a banda larga, utilizzano dei resistori SMD (Surface Mount Device) a strato metallico combinati e separati. In questo modo è possibile ottenere un tracking preciso degli amplificatori sia all’interno di un sistema sismico individuale, sia tra diversi sistemi interrelati. Quando i segnali vengono successivamente ricostruiti, i geologi possono basare le loro analisi su dati precisi. Un sistema sismico richiede che i resistori di attenuazione siano dotati di una precisione di risposta rapida per evitare la perdita di impulsi. Inoltre non devono essere sensibili ai cambi di temperatura e devono tracciarsi l’un l’altro in maniera esatta e presentare un disturbo di corrente molto basso, al fine di evitare la copertura del segnale riflesso. Il nucleo di un sistema sismico è il suo modulo amplificatore.

Un amplificatore ad alto guadagno è selettivo nelle frequenze e richiede un range AGC (Automatic Gain Control) molto grande. Non appena la prima raffica di energia misurata con precisione viene inviata verso il terreno, l’amplificatore deve acquisire il segnale e poi aumentare l’amplificazione, poiché diminuisce l’intensità di segnale che riflette l’energia sismica. Una rete divisore resistiva permette l’attenuazione del segnale nei vari passi che attenuano o passano i segnali al primo amplificatore, a seconda del range di input degli amplificatori.

Le resistenze di precisione ad alta stabilità

Inoltre degli interruttori di guadagno si attivano automaticamente in sequenza attraverso i propri range per controllare la quantità di attenuazione. Il segnale, poi, va verso un altro attenuatore resistivo, che può fornire il pieno segnale o una attenuazione.

Questo attenuatore si collega ad una secondo stadio di amplificatori; ognuna delle fasi di amplificazione successive contiene anche un attenuatore resistivo che può fornire un’attenuazione precisa o il pieno segnale. I sistemi di monitoraggio dei terremoti e i tracciatori di tsunami funzionano essenzialmente allo stesso modo, ma l’impulso iniziale di shock viene prodotto dalla natura anziché generato dall’uomo.

Le resistenze Z1-Foil eccellono oltre i precedenti standard di stabilità per i resistori di precisione; le caratteristiche principali consistono nella stabilità di temperatura e di durata di carico e nella resistenza all’umidità: tutti questi fattori diventano sempre più critici a causa dell’imprevedibilità del clima a livello globale.

Questi nuovi livelli di benchmark della prestazione offrono ai progettisti gli strumenti per realizzare circuiti analogici non raggiungibili in precedenza. Prima dell’avvento della tecnologia Z1-Foil, le applicazioni di precisione ad alta frequenza venivano servite solo da resistori di precisione a pellicola sottile, che però non sono così accurati, o stabili, come i resistori a filo avvolto, che a loro volta peccano nella risposta ad alta frequenza. La nuova tecnologia Z1-Foil permette ai progettisti di lavorare con componenti resistive che sono allo stesso più precise rispetto ai resistori a filo avvolto e si prestano bene per le applicazioni ad alta frequenza e ad alta temperatura.

In passato, gli ingegneri che utilizzavano componenti resistive cercavano di migliorare le prestazioni dei resistori riducendo le tensioni innate nei componenti. Per esempio, nei resistori di precisione a filo avvolto, provavano diversi metodi per avvolgere i fili con sufficiente tensione di avvolgimento, per mantenere il filo in posizione mentre riducevano gli stress sul filo stesso.

Questa situazione era piuttosto complicata, ma non vi era un processo che impedisse alle tensioni di modificare il valore della resistenza dopo il riscaldamento e il ciclo compiuto attraverso applicazioni in-circuit. I resistori a pellicola sottile non prevedevano una simile opzione, perché devono essere depositati direttamente su un substrato per formare un nuovo ammasso resistivo.

Quindi gli ingegneri che utilizzavano i resistori a pellicola sottile si dovevano concentrare sulla protezione della pellicola con rivestimenti e incapsulanti. La tecnologia dei resistori a lamina (foil) permette invece di gestire le tensioni per controbilanciare le forze con effetti opposti, utilizzandole quindi per produrre un resistore estremamente stabile. In altre tecnologie, i produttori si sforzano di ottenere il coefficiente di temperatura della resistenza più basso possibile nei loro materiali resistivi, per i componenti più stabili dal punto di vista termico.

La tecnologia Foil si concentra su un obiettivo: ottenere una lamina non con il più basso coefficiente di temperatura della resistenza (TCR, Temperature Coefficient Resistance) ma con il TCR più lineare rispetto ai range più ampi di temperatura, assicurando che esso sia riproducibile entro tolleranze estremamente rigide. Questo TCR si ottiene in una lamina relativamente spessa e laminata a freddo, in grado di mantenere la stessa struttura molecolare delle lega originale dal quale è stata tratta. Questa è la base di un resistore foil, che deve comportarsi come una struttura monolitica, con un coefficiente di espansione conosciuto e lineare rispetto ogni range di temperatura che il resistore può incontrare lungo l’arco della sua vita progettuale.

Un altro elemento fondamentale nella costruzione è l’adesivo che mantiene la lamina sull’unico substrato piatto. Esso deve sopportare alte temperature, esposizione a basse temperature a shock e vibrazioni, scariche elettrostatiche, ecc., e allo stesso tempo non deve permettere alla lamina di staccarsi dal substrato. La lega Bulk Metal Foil è sviluppata utilizzando un TCR positivo conosciuto e un coefficiente di espansione lineare conosciuto (LCE).

Il “foil” viene legato ad un substrato piatto di ceramica che a sua volta è dotato di un LCE conosciuto, utilizzato per indurre una pre-tensione nella lamina. In questa struttura, sul “foil” vengono esercitate due influenze opposte: una è l’aumento del foil stesso nella resistenza, proporzionalmente all’aumento di temperatura; l’altra è il legame del foil con il substrato, che costringe il primo a seguire il secondo, che presenta un LCE specifico, inferiore al LCE della lamina.

Quindi, quando la struttura composita subisce un aumento di temperatura, lo strato resistivo che è costituito dal foil, prova ad espandersi in relazione al proprio LCE, ma viene ostacolato dalle caratteristiche meno espansive del substrato. L’effetto che si verifica è il seguente: la lamina, nel tentativo di forzare la costrizione del substrato, subisce una forza compressiva che riduce la sua resistenza; in questo equilibrio perfetto di forze, la diminuzione di resistenza dovuta ad un aumento di temperatura compensa esattamente la crescita della resistenza del foil a causa dello stesso aumento di temperatura.
Il risultato è un resistore con un TCR vicino alla zero di 0.2 ppm/°C da -55°C ad oltre +225°C.

La struttura è progettata in modo che non superi la costante di Hook per i materiali e, comunque, mantenga l’equilibrio e la stabilità della resistenza lungo tutta la durata di carico e l’applicazione del resistore. La struttura piatta bidimensionale del resistore, con l’elemento di resistenza in superficie (prima dell’incapsulamento) si presta ad un processo unico per regolare i resistori al valore.

Tolleranze pari a 0.001% si possono ottenere in pacchetti sigillati ermeticamente. L’elemento resistore è foto inciso con una griglia che incorpora collegamenti successivi proporzionati geometricamente, che possono essere rimossi mentre si aumenta in modo incrementale la resistenza, attraverso quantitativi più piccoli in successione, senza introdurre disturbo di corrente.

La griglia è ulteriormente progettata con correnti di opposizione in percorsi adiacenti, in modo da minimizzare sia l’induttanza che la capacità per prestazioni ad alta velocità. Utilizzando queste innovazioni tecnologiche di base, il resistore può essere realizzato in diverse configurazioni, come nel caso dei resistori di potenza, dei resistori per la metrologia ermeticamente sigillati e molti altri impiegati in differenti applicazioni tra le quali, spaziali e avioniche, mediche, dei controlli di processo, oppure ovunque siano richiesti resistori e reti ad alta precisione.

I resistori chip surface-mount FRSM, oltre ad offrire agli ingegneri i componenti resistivi più stabili e precisi sul mercato, utilizzano la tecnologia resistiva Z1 Bulk Metal Foil per ridurre la dimensione di un circuito e quindi il consumo energetico.

Ma la riduzione della superficie dei circuiti comporta delle nuove difficoltà di progettazione associate con la gestione termica e le sue conseguenze involontarie, e in alcuni casi più sensibili all’ESD. Un problema di questo tipo è la forza elettromotrice termica (TEMF), che segnala errori di tensione ogni qualvolta si incontrano differenze di temperatura tra due derivazioni di due metalli diversi, come quando degli elementi resistivi interni vengono uniti alle terminazioni esterne di un resistore.

I differenziali di temperatura si sviluppano attraverso un resistore a causa di una dissipazione interna di energia non omogenea, del riscaldamento dei terminali ad opera di componenti che irradiano calore, e di percorsi di dissipazione termica che viaggiano lungo il circuito in entrambi i percorsi conduttivi. Anche il foglio ideato per il suo TCR insito e il suo LCE presenta un TEMF molto basso, pari a soli 0.05 uV/°C.

Questa sorprendente tecnologia non giunge come il risultato della ricerca di un resistore più accurato, ma viene fuori dell’analisi dello stress delle applicazioni di misurazione della tensione.

Oggi, questi resistori vengono utilizzati nelle applicazioni più esigenti, incluse quelle avioniche e spaziali; il più recente sviluppo del resistore con chip di precisione surface-mount FRSM (tecnologia Z1 Bulk Metal Foil), permette di raggiungere prestazioni di alto livello in applicazioni con temperature molto elevate, offrendo una maggiore stabilità di resistenza attraverso i cambiamenti di temperatura, e quasi nessuna modifica in caso di esposizione all’umidità.

Articolo liberamente tradotto da Technology First by Farnell-Vishay

 

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One Response

  1. Emanuele Emanuele 16 ottobre 2012

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