接觸電阻原理及組成

“接觸對(duì)”導(dǎo)體件呈現(xiàn)的電阻成為接觸電阻。
　　一般要求接觸電阻在10-20 mohm以下。 有的開關(guān)則要求在100-500uohm以下。有些電路對(duì)接觸電阻的變化很敏感。 應(yīng)該指出， 開關(guān)的接觸電阻是在開關(guān)在若干次的接觸中的所允許的接觸電阻的最大值。
　　Contact Area 接觸電阻
在電路板上是專指金手指與連接器之接觸點(diǎn)，當(dāng)電流通過時(shí)所呈現(xiàn)的電阻之謂。為了減少金屬表面氧化物的生成，通常陽性的金手指部份，及連接器的陰性卡夾子皆需鍍以金屬，以抑抵其“接載電阻”的發(fā)生。其他電器品的插頭擠入插座中，或?qū)п樑c其接座間也都有接觸電阻存在。

工作用原理
　　在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面，盡管鍍金層十分光滑，則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會(huì)看到插合的一對(duì)接觸件的接觸，并不整個(gè)接觸面的接觸，而是散布在接觸面上一些點(diǎn)的接觸。實(shí)際接觸面必然小于理論接觸面。根據(jù)表面光滑程度及接觸壓力大小，兩者差距有的可達(dá)幾千倍。實(shí)際接觸面可分為兩部分；一是真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點(diǎn)，亦稱接觸斑點(diǎn)，它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。部分約占實(shí)際接觸面積的5-10%。二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因?yàn)槿魏谓饘俣加蟹祷卦趸餇顟B(tài)的傾向。實(shí)際上，在大氣中不存在真正潔凈的金屬表面，即使很潔凈的金屬表面，一旦暴露在大氣中，便會(huì)很快生成幾微米的初期氧化膜層。例如銅只要2-3分鐘，鎳約30分鐘，鋁僅需2-3秒鐘，其表面便可形成厚度約2微米的氧化膜層。即使特別穩(wěn)定的貴金屬金，由于它的表面能較高，其表面也會(huì)形成一層有機(jī)氣體吸附膜。此外，大氣中的塵埃等也會(huì)在接觸件表面形成沉積膜。因而，從微觀分析任何接觸面都是一個(gè)污染面。

綜上所述，真正接觸電阻應(yīng)由以下幾部分組成；
　　1) 集中電阻
　　電流通過實(shí)際接觸面時(shí)，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。
　　2) 膜層電阻
　　由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層電阻。從接觸表面狀態(tài)分析；表面污染膜可分為較堅(jiān)實(shí)的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。故確切地說，也可把膜層電阻稱為界面電阻。
　　3) 導(dǎo)體電阻
　　實(shí)際測(cè)量電連接器接觸件的接觸電阻時(shí)，都是在接點(diǎn)引出端進(jìn)行的，故實(shí)際測(cè)得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)線本身的導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能，它與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系可用溫度系數(shù)來表征。

　　為便于區(qū)分，將集中電阻加上膜層電阻稱為真實(shí)接觸電阻。而將實(shí)際測(cè)得包含有導(dǎo)體電阻的稱為總接觸電阻。
　　在實(shí)際測(cè)量接觸電阻時(shí)，常使用按開爾文電橋四端子法原理設(shè)計(jì)的接觸電阻測(cè)試儀（毫歐計(jì)），其專用夾具夾在被測(cè)接觸件端接部位兩端，故實(shí)際測(cè)量的總接觸電阻R由以下三部分組成，可由下式表示：R= RC + Rf + Rp,式中：RC—集中電阻；Rf—膜層電阻；Rp—導(dǎo)體電阻。
　　接觸電阻檢驗(yàn)?zāi)康氖谴_定電流流經(jīng)接觸件的接觸表面的電觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電阻。如果有大電流通過高阻觸點(diǎn)時(shí)，就可能產(chǎn)生過分的能量消耗，并使觸點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過熱現(xiàn)象。在很多應(yīng)用中要求接觸電阻低且穩(wěn)定，以使觸點(diǎn)上的電壓降不致影響電路狀況的精度。
　　測(cè)量接觸電阻除用毫歐計(jì)外,也可用伏-安計(jì)法,安培-電位計(jì)法。
　　在連接微弱信號(hào)電路中，設(shè)定的測(cè)試數(shù)條件對(duì)接觸電阻檢測(cè)結(jié)果有一定影響。因?yàn)榻佑|表面會(huì)附有氧化層，油污或其他污染物，兩接觸件表面會(huì)產(chǎn)生膜層電阻。由于膜層為不良導(dǎo)體，隨膜層厚度增加，接觸電阻會(huì)迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會(huì)機(jī)械擊穿，或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。但對(duì)某些小型連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力很小，工作電流電壓僅為mA和mV級(jí)，膜層電阻不易被擊穿，接觸電阻增大可能影響電信號(hào)的傳輸。
　　在GB5095“電子設(shè)備用機(jī)電元件基本試驗(yàn)規(guī)程及測(cè)量方法” 中的接觸電阻測(cè)試方法之一，“接觸電阻-毫伏法” 規(guī)定，為防止接觸件上膜層被擊穿，測(cè)試回路交流或直流的開路峰值電壓應(yīng)不大于20mV，交流或直流的測(cè)試中電流應(yīng)不大于100mA。
　　在GJB1217“電連接器試驗(yàn)方法” 中規(guī)定有“低電平接觸電阻” 和“接觸電阻” 兩種試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)方法基本內(nèi)容與上述GB5095中的接觸電阻-毫伏法相同。目的是評(píng)定接觸件在加上不改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA。在這一電平下的性能足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)方法目的是測(cè)量通過規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測(cè)量規(guī)之間的電阻。通常采用這一試驗(yàn)方法施加的規(guī)定電流要比前一種試驗(yàn)方法大得多。如軍標(biāo)GJB101“小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范”中規(guī)定；測(cè)量時(shí)電流為1A，接觸對(duì)串聯(lián)后，測(cè)量每對(duì)接觸對(duì)的電壓降，取其平均值換算成接觸電阻值。

影響因素
　　主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。
　　1) 接觸件材料
　　電連接器技術(shù)條件對(duì)不同材質(zhì)制作的同規(guī)格插配接觸件，規(guī)定了不同的接觸電阻考核指標(biāo)。如小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范GJB101-86規(guī)定，直徑為1mm的插配接觸件接觸電阻，銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。
　　2) 正壓力
　　接觸件的正壓力是指彼此接觸的表面產(chǎn)生并垂直于接觸表面的力。隨正壓力增加，接觸微點(diǎn)數(shù)量及面積也逐漸增加，同時(shí)接觸微點(diǎn)從彈性變形過渡到塑性變形。由于集中電阻逐漸減小，而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。
　　3) 表面狀態(tài)
　　接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接點(diǎn)表面機(jī)械附著沉積形成的較松散的表膜，這層表膜由于帶有微粒物質(zhì)極易嵌藏在接觸表面的微觀凹坑處，使接觸面積縮小，接觸電阻增大，且極不穩(wěn)定。二是由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，對(duì)金屬表面主要是化學(xué)吸附，它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產(chǎn)生的。故對(duì)一些高可靠性要求的產(chǎn)品，如航天用電連接器必須要有潔凈的裝配生產(chǎn)環(huán)境條件，完善的清洗工藝及必要的結(jié)構(gòu)密封措施，使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環(huán)境條件。
　　4) 使用電壓
　　使用電壓達(dá)到一定閾值，會(huì)使接觸件膜層被擊穿，而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應(yīng)加速了膜層附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)膜層有一定的修復(fù)作用。于是阻值呈現(xiàn)非線性。在閾值電壓附近，電壓降的微小波動(dòng)會(huì)引起電流可能二十倍或幾十倍范圍內(nèi)變化。使接觸電阻發(fā)生很大變化，不了解這種非線***，就會(huì)在測(cè)試和使用接觸件時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤。
　　5) 電流
　　當(dāng)電流超過一定值時(shí)，接觸件界面微小點(diǎn)處通電后產(chǎn)生的焦耳熱（）作用而使金屬軟化或熔化，會(huì)對(duì)集中電阻產(chǎn)生影響，隨之降低接觸電阻。

問題研討
　　1) 低電平接觸電阻檢驗(yàn)
　　考慮到接觸件膜層在高接觸壓力下會(huì)發(fā)生機(jī)械擊穿或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。對(duì)某些小體積的連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力相當(dāng)小，使用場(chǎng)合僅為mV或mA級(jí)，膜層電阻不易被擊穿，可能影響電信號(hào)的傳輸。故國軍標(biāo)GJB1217-91電連接器試驗(yàn)方法中規(guī)定了兩種試驗(yàn)方法。即低電平接觸電阻試驗(yàn)方法和接觸電阻試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)定接觸件在加上不能改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化簿膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，而試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA，在這一電平下的性能足以滿足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量通過規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測(cè)量規(guī)之間的電阻,而此規(guī)定電流要比前者大得多，通常規(guī)定為1A。
　　2) 單孔分離力檢驗(yàn)
　　為確保接觸件插合接觸可靠，保持穩(wěn)定的正壓力是關(guān)鍵。正壓力是接觸壓力的一種直接指標(biāo)，明顯影響接觸電阻。但鑒于接觸件插合狀態(tài)的正壓力很難測(cè)量，故一般用測(cè)量插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的單孔分離力來表征插針與插孔正在接觸。通常電連接器技術(shù)條件規(guī)定的分離力要求是用實(shí)驗(yàn)方法確定的，其理論值可用下式表達(dá)。
　　F=FN·μ
　　式中FN為正壓力， μ為摩擦系數(shù)。
　　由于分離力受正壓力和摩擦系數(shù)兩者制約。故決不能認(rèn)為分離力大，就正壓力大接觸可靠?，F(xiàn)在隨著接觸件制作精度和表面鍍層質(zhì)量的提高，將分離力控制在一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃缴霞纯杀ＷC接觸可靠。作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，單孔分離力過小，在受振動(dòng)沖擊載荷時(shí)有可能造成信號(hào)瞬斷。用測(cè)單孔分離力評(píng)定接觸可靠性比測(cè)接觸電阻有效。因?yàn)樵趯?shí)際檢驗(yàn)中接觸電阻件很少出現(xiàn)不合格，單孔分離力偏低超差的插孔，測(cè)量接觸電阻往往仍合格。
　　3) 接觸電阻檢驗(yàn)合格不等于接觸可靠。
　　在許多實(shí)際使用場(chǎng)合，汽車、摩托車、火車、動(dòng)力機(jī)械、自動(dòng)化儀器以及航空、航天、船舶等軍用連接器，往往都是在動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境下使用。實(shí)驗(yàn)證明僅用檢驗(yàn)靜態(tài)接觸電阻是否合格，并不能保證動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用接觸可靠。往往接觸電阻合格的連接器在進(jìn)行振動(dòng)、沖擊、離心等模擬環(huán)境試驗(yàn)時(shí)仍出現(xiàn)瞬間斷電現(xiàn)象。故對(duì)一些高可靠性要求的連接器，許多設(shè)計(jì)員都提出最好能100%對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)來考核接觸可靠性。最近，日本耐可公司推出了一種與導(dǎo)通儀配套使用的小型臺(tái)式電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，已成功地應(yīng)用于許多民用線束的接觸可靠性檢驗(yàn)。