נגדים מדוייקים בשימוש מעגלים אנלוגיים למכשור ססמוגרפי לזיהוי רעידות אדמה, צונאמי ולחיפושי נפט

מאת: יובל הרניק / Vishay Foil Resistors

מערכות סיסמוגרפיות – השיטה הנפוצה ביותר לחיפושי נפט וגז ולגילוי רעידות אדמה ואירועי צונאמי – משתמשות במקורות של אנרגיית הלמים על פני שטח, כגון חומרי נפץ, נפילת משקולת או רובי גז, על מנת ליצור חזית של גל הלם אל תוך הקרקע. התוצאה דומה ליצירת רעידת אדמה קטנה בתנאים מבוקרים.
למרות שגיאולוגים לא יודעים במדויק היכן אפשר למצוא נפט, הם יודעים שסביר יותר לגלות אותו בסוגים מסוימים של מבנים סלעיים. לעתים, הוא נאסף בסלעים נקבוביים בין שכבות של סלעים אטומים שאינם נקבוביים. בדרך כלל, שכבות אלו מוטות או מקופלות כלפי מעלה, במבנה שידוע בשם “קער” (סינקלינה), או בקפלי קרקע הפונים כלפי מטה וידועים בשם “קמר” (אנטיקלינה).

איור 1: תרשים השוואה לפני ואחרי מאמצים מכניים ותרמיים מכיוון המשטח, בין נגדי יריעה (Foil) מסוג SMR עם מחברים גמישים (מצד שמאל)לעומת נגדי שכבה דקה (Thin Film) עם מחברים קשיחים (מצד ימין).

איור 2: טכניקת כיול מיוחדת עבור נגדי יריעה (Foil)

כל אי רציפות המתגלה במבנה המורכב של הקרקע, כמו למשל ממשקים (interfaces) שקיימים בין שכבות אבן גיר, שכבת פצלת (צפחה) או מלח, גורמת להחזרה של אנרגיה. כמות זעירה זו של אנרגיה שהוחזרה אל פני השטח עוברת שם גילוי באמצעות התקני גיאופון (geophone) – חיישני קליטה (pickup) רגישים ביותר – שמפוזרים במרווחים גדולים על שטח נרחב. כאשר סדרה מהירה של תנודות ההדהוד מכל ממשק שבין השכבות מגיעה אל פני השטח, היא מוגברת ומוקלטת. ציוד ההקלטה מנחית את ההחזרות הראשוניות, שלהן יש אנרגיה גבוהה, ולאחר מכן, עובר בין פעולות הגברה סדרתיות שמתגברות והולכות, על מנת לשמור על רמות הקלטה מתאימות, החל באותות בעלי אנרגיה גבוהה שמוחזרים מהשכבות הרדודות ביותר, ועד האותות החלשים ביותר המוחזרים מהשכבות העמוקות ביותר, שנמצאות במעבה האדמה. ציוד המדידה חייב למתג את הרגישות ברצף ובמהירות רבה ביותר, על מנת להימנע מאיבוד נתונים מכל שכבה שהיא בעת המעברים, והציוד חייב להיות ללא רעש, על מנת שהאותות החלשים ביותר הנקלטים לא יאבדו בתוך הרעש.
על ידי תזמון האותות ומדידתם – לאחר ביצוע תיקונים של השפעות בליית מזג האוויר, של רום שכבות פני השטח, של התוספת לזמן הגעת האות (normal move out), של זמן הגעת האות הראשון וכיו”ב – יש אפשרות להפיק תרשים אשר מייצג חתך רוחב של הקרקע עד לעומק של כמה קילומטרים ראשונים. חתכי רוחב אלו מציגים קפלי קמר, מבני קער, מלכודות סטרטיגרפיות (בין השכבות) ומבנים אחרים שבהם יכולים להצטבר נפט או גז.
הציוד הסיסמי הספרתי, אשר מגביר בשטח את האותות הסיסמיים המוחזרים ומבצע רישום שלהם באמצעות מקלט רחב פס וכן על גבי כונן סרט רחב פס, עושה שימוש בנגדי יריעה מתואמים (matched) ובנגדי יריעה להתקנה משטחית ללא רגליים (Surface Mount).
נגדי היריעה החדשים בסדרת Z1-Foil של Vishay Foil Resistors (VFR)R מבטיחים פעולה יציבה ללא רעש ויציבות לאורך זמן. נגדי היריעה מציעים תגובות שניתנות לחיזוי ומעקב מדוייקים ביותר של מגברים במערכת סיסמית יחידה או בין כמה מערכות סיסמיות הקשורות ביניהן – בין אם הן פועלות בתנאי חום ולחות גבוהים בג’ונגל או בתנאי הקור היבש הארקטי. כאשר משחזרים לאחר מכן את האותות במהלך הניתוח, המגברים בעלי המבנה המותאם לדיוק מבטיחים שהגיאולוגים יוכלו לבסס את הניתוחים שלהם על נתונים מדויקים ואמינים.
למערכת סיסמית נדרשים נגדי ניחות כדי שיהיה לה דיוק בתגובה המהירה, על מנת למנוע איבוד של אותות. אסור שהנגדים המשמשים במערכות כאלו יהיו רגישים לשינויי טמפרטורה חיצוניים ופנימיים, והערכים שלהם חייבים לעקוב האחד אחר השני, כך שאפשר יהיה לחזות ולשחזר את ההגבר ואת היחסים שביניהם, על פני הזמן. הנגדים חייבים גם להיות עם רעש זרם נמוך ביותר (Current Noise), על מנת למנוע מיסוך של האותות המוחזרים. מודולי מגברים חייבים לעקוב האחד אחר השני, מאחר שייתכן שיהיו ערוצים רבים של כניסת אותות שיפעלו, ולכן הפרש המופע (פאזה) שבין כל המגברים חייב להיות מדוייק. דרישות אלו, בייחוד הדרישה לעקיבה, הכרחיות, אם רוצים להשוות באופן שיש בו משמעות בשלב מאוחר יותר אוסף הרב של פיסות המידע שנאסף מאזורים שונים בעולם.
ליבה של מערכת סיסמית הוא מודול המגבר שלה. המגבר בעל ההגבר הגבוה הוא בורר תדרים ונדרש לו טווח רחב מאוד של בקרת הגבר אוטומטית (AGC). הדרישות העומדות בפני היחידה מחמירות ביותר. כאשר פרץ האנרגיה המדויק הראשון משוגר אל תוך הקרקע, המגבר חייב להנחית בחוזקה את האות ולאחר מכן להגדיל את ההגבר, מאחר שהאנרגיה הסיסמית שמחזירה את האות מצטמצמת.
הלוגיקה של המגבר המשמשת בציוד מורכבת מדרגות של הגבר וממנחתים. רשת חלוקה התנגדותית מאפשרת ניחות של האות בצעדים שונים שמנחיתים את האותות או מעבירים אותם למגבר הראשון, כתלות בטווח מתח התנגדות הכניסה של המגבר. מתגי הגבר עוברים ברצף על פני הטווחים שלהם על מנת לבקר את כמות הניחות.
לאחר מכן, האות עובר למנחת התנגדותי נוסף אשר יכול לספק את האות השלם או ניחות דומה. מנחת זה מתחבר לדרגת מגבר שנייה. כל אחת מדרגות המגברים הבאות בהמשך מכילות אף הן מנחת התנגדותי שיכול לספק ניחות מדויק או את האות המלא.
התקני ניטור רעידות אדמה והתקני מעקב אירועי צונאמי הם בעיקרם התקנים זהים לציוד תיעוד הרישום בבארות נפט, אלא שההלם המעורר הראשוני נגרם על ידי מקור טבעי ולא מעשה ידי אדם.
נגדי Z1-Foil שמיוצרים בישראל, מצטיינים יותר בהשוואה לכל תקני היציבות הקודמים עבור נגדים מדויקים עם שיפור של סדר גודל ביציבות בטמפרטורה, ביציבות לאורך חיי הפעולה ובעמידות ללחות, כל אלו הפכו להיות חיוניים יותר במזג האוויר העולמי הבלתי צפוי. רמות חדשות אלו של מבחני ביצועים מספקות למהנדסי התכנון כלים אשר באמצעותם הם יכולים לבנות מעגלים אנלוגיים שבעבר לא היה אפשר לממש, תוך הקטנת העלויות ברוב המעגלים החיוניים, בזכות ביטול הצורך במעגלי תיקון ששימשו אך ורק לצורך ייצוב או לביצוע חזרות להגדלת הדיוק בדרגות קודמות שבנתיב המעגלים.
לפני היות טכנולוגיית נגדי היריעה (Foil)אפשר היה להשתמש רק בנגדי שכבה דקה (thin film) ביישומים מדויקים הפועלים בתדירות גבוהה, אך נגדים אלו אינם כה מדויקים ואינם יציבים כמו נגדים מלופפים (wirewound resistor), אשר להם אין תגובת תדר טובה בתדירויות גבוהות. טכנולוגית Z1-Foil החדשה שפותחה בישראל בשנת 2010 מספקת למתכננים רכיבים התנגדותיים בעלי דיוק גבוה יותר אף מהדיוק של טכנולוגית הנגדים המלופפים, והיא גם מתאימה בצורה טובה ליישומים של תדירות גבוהה ובטמפרטורות גבוהות עד 240+ מעלות צלזיוס. הדור הרביעי של טכנולוגיית Bulk Metal Foil מאפשר ייצור של נגדים קטנים להתקנה משטחית (surface mount) שאותם לא ניתן היה ליצור באמצעות טכנולוגיית Bulk Metal Foil הנגדים המלופפים, תוך שהם מציעים דיוק ויציבות גבוהים יותר מאשר נגדי השכבה הדקה. מהיום אפשר להשתמש בנגדי ®Foil Bulk Metal בגדלים קטנים עד גודל מארז 0603 כרכיבים תקניים על המעגל שיכולים להימצא בכל מקום שהציוד נמצא בו – אפילו בחלל העמוק. הנגדים החדשים בטכנולוגיית ה-Z1-Foil בסדרת FRSM ובשבבים עם מחברים (טרמינלים) גמישים כגון SMR3P להתקנה משטחית מדגימים את הטכנולוגיה החדשנית הזו.
(ראה איור 1)
בעבר, מהנדסים שעסקו ברכיבי התנגדות ניסו לשפר את ביצועי הנגדים על ידי הקטנת המאמצים הפנימיים הנובעים מעצם מהותם של רכיבים. לדוגמה, בנגדים מלופפים מדויקים, הם ניסו כמה שיטות לליפוף של החוט במתיחות שתספיק כדי לאחוז את החוט במקומו, אך בה בעת יפחיתו את המאמצים שעל החוט, לאחר שהצורה שלו התעצבה על גבי גוף הליפוף (bobbin). שיטות אלו היו מתוחכמות דיין להשגת מטרות אלו בזמן הייצור, אך התהליך לא יכול היה למנוע מהמאמצים לשנות את ערכי ההתנגדות לאחר מחזורי חימום וקירור, שהתרחשו בתוך המעגלים ביישומים ממשיים. בנגדי שכבה דקה (Thin Film), בעיות אלו לא היו קיימות מאחר שיש לייצר אותם בנידוף או בריבוץ ישירות על גבי המצע על מנת ליצור גוש (agglomeration) התנגדותי חדש. לכן המהנדסים שעסקו בטכנולוגיית השכבה הדקה, היו צריכים להתרכז בהגנה על השכבות הדקות באמצעות ציפויים מיוחדים. טכנולוגיית נגדי היריעה מאפשרת למעשה לסכום ולקזז את המאמצים על מנת לאזן את הכוחות באמצעות השפעות הפוכות, ומשתמשת במאמצים אלו ליצירה של נגדים בעלי יציבות גבוהה ביותר.
בשיטות טכנולוגיות אחרות, היו יצרנים שהצליחו ליצור את מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות (TCR) הנמוך ביותר האפשרי בחומרים ההתנגדותיים שלהם, עבור הרכיבים היציבים ביותר מבחינה תרמית והמוגבלים ביכולותיהם, על ידי שיקול הדעת החד ממדי הזה. טכנולוגיית Bulk Metal Foil אינה ממוקדת בהשגת נגד שיש לו גורם TCR הנמוך ביותר, אלא היא ממוקדת בהשגת גורם TCR בעל הלינאריות הטובה ביותר על פני טווח הטמפרטורות הרחב ביותר, ובהבטחת האפשרות ליצור אותה באופן חוזר בתוך טווח אפיצויות הדוק באופן קיצוני. גורם TCR זה מושג בעזרת שכבת התנגדות עבה למדי באופן יחסי, ברידוד קר (cold roll), אשר שומר על מבנה מולקולרי זהה לסגסוגת הגולמית שממנה נוצר. זהו הבסיס של נגד היריעה (Foil), מאחר ששכבת היריעה חייבת כמבנה אחיד ושלם עם גורם קבוע וליניארי ידוע של התפשטות על פני כל טווח הטמפרטורות שבהן יכול הנגד להימצא במהלך כל חיי הפעולה שלו.
המרכיב החשוב ביותר הבא במבנה, הוא הדבק שמחזיק את שכבת ההתנגדות על מצע שטוח ייחודי. הדבק חייב לעמוד במאמצים מכניים, בפעימות של הספק, במתקפות של לחות, בהלמים וברעידות, בחשיפה לטמפרטורה גבוהה ונמוכה, בפריקה אלקטרו-סטטית (ESD) וכיו”ב, ועדיין להחזיק את חלק ה-Foil באופן מאובטח על המצע. עם המאפיינים האלו, הטכנולוגיה הבסיסית של נגדי היריעה משלבת בתוכה את פיצוי המאמצים החיוני אשר מגדיר את מהות טכנולוגיית Bulk Metal Foil.
הסגסוגת של Bulk Metal Foil פותחה עם גורם TCR חיובי ידוע ועם מקדם התפשטות ליניארי (LCE) ידוע. ה-Foil מחובר למצע קרמי שטוח שגם לו יש גורם LCE ידוע, אשר נבחר באופן כזה שהוא יוצר מאמץ מתוכנן מראש ב-Foil. במבנה זה, מופעלות שתי השפעות מנוגדות על שכבת ההולכה. האחת היא העלייה בהתנגדות עם הטמפרטורה שיש לסגסוגת היריעה והשנייה היא החיבור של היריעה אל המצע באופן כזה שהוא מאולץ לנוע עם המצע, אשר נבחר עם גורם LCE מסוים, שהוא קטן מגורם LCE של שכבת ההולכה. באופן כזה, כאשר המבנה המשולב יושפע משינוי בטמפרטורה, השכבה ההתנגדותית שעשויה מ-Foil “תנסה” להתפשט על פני גורם ההתפשטות הליניארי המובנה שלה, אך ההתפשטות שלו תהיה מוגבלת למאפייני ההתפשטות הנמוכים יותר של המצע.
התוצאה היא שה-Foil, כאשר הוא “מנסה” להתפשט נגד הכוח המגביל של המצע, יהיה נתון לכוח שדוחס אותו וגורם להתנגדות להשתנות כלפי מטה. באיזון כוחות מושלם זה, הירידה בהתנגדות שנגרמת על ידי דחיסה זאת, העלייה בטמפרטורה מקזזת במדויק את עליית ההתנגדות המובנית של ה-Foil הנגזרת מאותה עלייה בטמפרטורה. התוצאה נטו היא נגד עם גורם TCR קרוב לאפס, של 0.2ppm/C, בטווח טמפרטורות שבין -55 מעלות צלזיוס למעל +125 מעלות צלזיוס. המבנה מתוכנן כך שהמאמצים המתוכננים מראש לא יעלו מעבר לקבוע של חוק הוק (HOOKE) עבור חומרים, ועל כן הוא שומר על האיזון ועל ההתנגדות לאורך כל חיי הפעולה והיישום של הנגד – תוך שמירה על שינוי התנגדות כולל של פחות מ-0.05% לאורך כל חיי השימוש המתוכנן בציוד שבתוכו נמצא הנגד.
המבנה השטוח והמישורי של נגדי היריעה, עם החלק ההתנגדותי על פני השטח, מאפשר שימוש בתהליך ייחודי לכיול הנגדים לכל ערך רצוי עד 6 ספרות. כמו כן ניתן ליצור אפיצויות עד כדי 0.001% במארזים הרמטים כדוגמת VHP100 שמורכב עם רגליים או בתצורות רבות ושונות של מארזים אחרים. חלק הנגד מיוצר באיכול באמצעות אור (photo-etching) עם סריג אשר בו משולבים חיבורים עוקבים המחולקים ביחסים גיאומטריים, שאותם אפשר להסיר תוך הגדלת ההתנגדות באופן מדורג במידות שקטנות והולכות, בזו אחר זו, בלי להוסיף רעש בזרם או “נקודות חמות”. ראה איור 2 בנוסף, הסריג מתוכנן עם זרמים בכיוונים מנוגדים בנתיבים סמוכים, על מנת להקטין למינימום גם את ההשראות והן את הקיבוליות לקבלת ביצועים למהירויות גבוהות. בעזרת החידושים הטכנולוגיים הבסיסיים האלו, אפשר לייצר את הנגדים בתצורות רבות ושונות של נגדים בעלי דיוק גבוה, בהן נכללים נגדי הספק, נגדי חישת זרם, נגדים הרמטיים לציוד מדידה, נגדי שבב להתקנה משטחית עם חיבורים גמישים לבידוד מפני מאמצים ויישומים רבים נוספים בתחומי החלל והתעופה, ציוד רפואי, בקרת תהליכים ובכל מקום שבו נדרשים נגדים, רשתות נגדים, ונגדים משתנים (trimmers). ראה איור 3
בנוסף לעובדה שלמהנדסי תכנון המעגלים סופקו רכיבי התנגדות שהם המדויקים ביותר והיציבים ביותר הקיימים בעולם, נגדי השבב מסוג FRSM להתקנה משטחית אשר מתבססים על טכנולוגיית Z1 של טכנולוגיית נגדי ה-Bulk Metal Foil מקטינים את גודל המעגלים ומפחיתים את צריכת ההספק על ידי כך שהם משיגים את כל אפשרויות ההתקדמות בביצועים בנגדים שהם קטנים כמו נגדי שבב במארז 0603. עם זאת, הקטנת שטח המעגל מעמידה אתגרי תכנון חדשים הקשורים בניהול חום ובתוצאותיו, שהן ללא כוונה מראש, ובמקרים מסוימים מובילה לרגישות גבוהה יותר לפריקה אלקטרו-סטטית. אחת הבעיות האלו היא הכוח האלקטרו-מניע (TEMF) אשר גורם להופעת מתחי שגיאה בכל מקום שבו קיימים הפרשי טמפרטורה בין שני צמתים של שני חומרי מתכת שונים, כמו למשל במקום שבו המרכיבים ההתנגדותיים הפנימיים מתחברים אל החיבורים החיצוניים של נגד. הפרשי טמפרטורה מתפתחים על פני נגד כתוצאה מפיזור הספק לא אחיד, מחיבורים שמתחממים על ידי רכיבים שמקרינים חום, ומנתיבים של פיזור חום העוברים לאורך המעגל המודפס, הן בנתיבי המוליכים והן בחומר הבסיס של המעגל המודפס עצמו. לנגד יריעה שמתוכנן עם מקדמי TCR ו-LCE המובנים שלו יש גם כוח TEMF נמוך ביותר של 0.05 מיקרו-וולט למעלת צלזיוס, בלבד.
טכנולוגיה יוצאת דופן זו לא הופיעה כתוצאה מחיפוש אחר נגד חדש בעל דיוק רב יותר, אלא התפתחה מתוך הפיסיקה של ניתוח מאמצים ביישומים של מדידת עיוותים (STRESS ANALYSIS). דר’ פליקס זנדמן [Dr. Felix Zandman], ממציא ומפתח של טכנולוגיית נגדי ה-Foil, זכה זה מכבר בהכרה ברחבי העולם בתחום של ניתוח מאמצים, כאשר פיתח אמצעי למדידה מדויקת של מאמצים במבנה, על ידי בידוד של כל ההשפעות החיצוניות הנובעות ממדידות המאמצים במבנה מסוים. אותם עקרונות בידוד יושמו לאחר מכן ביישומי נגדים, על מנת לייצר נגד חדש מדויק יותר ויציב יותר בהרבה מאשר כל נגד שפותח באמצעות טכנולוגיות הנגדים הקודמות. פרטי התהליכים הייחודיים האלו מתוארים לעיל עם תוספות חדשות של עידון לגבי שכבת ההתנגדות וחומרי ההדבקה אשר שיפרו את הביצועים לטמפרטורות גבוהות יותר מאי פעם בעבר. כיום אפשר גם לקבל נגדי יריעה להתקנה משטחית עם חיבורים גמישים ועם טמפרטורות עבודה שמגיעות עד +240 מעלות צלזיוס.
על אף שהעקרונות הבסיסיים של איזון מאמצים במטרה ליצור נגדים יציבים הובנו היטב, היו מעט מאוד חברות שעסקו בתחום המתכות (מטלורגיה) והייתה להן יכולת של ביצוע רידוד קר של סגסוגת מתכת בעובי הדק שהיה דרוש, כאשר במקביל גם לא ייוצרו חורים זעירים שיכולים ליצור הפרעות בהתנגדות אחרי הצריבה. אפשר היה לייצר שכבות Foil עבות יותר, אבל אלו הגבילו את טווח ההתנגדויות ולא היה מצע עם מקדם התפשטות לניארי (LCE)שיכול היה לאזן את מקדם ה-(TCR) של ה-Foil. בתחילה, התאימו מצעי זכוכית לדרישות הפיסיקליות, אך לאחר זמן קצר התברר שכרוך בהם סיכון לאמינות כאשר משתמשים בהם באווירה רווית לחות. יונים חופשיים שנפלטו מהזכוכית היו יכולים להתחבר לחלקיקים זעירים שנישאו בלחות אשר חדרה פנימה ויכלו לגרום לעיכול (צריבה) לא צפוי בשכבת ההולכה. מחקר נוסף הראה שמצעי קרמיקה שטוחים מונעים את הופעתה של הבעיה, אם כי במקרה כזה היה צורך לפתח חומרי סגסוגת חדשים עבור האיזון הנכון שבין גורם TCR לגורם LCE, בנוסף על הצורך ביכולת לבצע רידוד קר של סגסוגת ללא פגמים, כגון חורים.
בה בעת, היו אנשים ספקנים שחזו שלא יהיה ביקוש עבור התקנים מסוג זה, מפני שלפי הנחתם, התקנים עם דיוק יוצא דופן כזה לא יידרשו לאיש. עם זאת, דר’ זנדמן, שהיה מרותק כתוצאה מדחף אינטלקטואלי ואף ראה בכך אתגר, התקדם ללא לאות בתהליכי פיתוח בהאמינו שזמינותם של רכיבים טובים יותר תעודד את פיתוחם של מעגלים מדויקים שישמשו בציוד קצה טוב יותר. כיום נגדים אלו משמשים ברוב היישומים המבצעים פעולות מדויקות לרבות אלו שנמצאים בתחום החלל והתעופה, כאשר הפיתוח האחרון של נגדי שבב מדויקים להתקנה משטחית מסוג Z1 Bulk Metal Foil רווח כיום בשימוש, לרמות משופרות של ביצועים עבור יישומי טמפרטורות גבוהות ביציבות גבוהה של התנגדות על פני שינויי טמפרטורה, ובשינויים הקרובים לאפס הנגרמים כתוצאה מחשיפה ללחות.

Vishay Foil Resistors הינו חלק מחברת Vishay Precision Group (VPG)Gשהתפצלה שהתפצלה מחברת Vishay העולמית בשנת 2010 ופועלת כיום באופן עצמאי ונפרד מ-Vishay

תגובות סגורות