一种用于印制电路板的绝缘子的制作方法

本实用新型属于电子元器件技术领域，涉及一种新型的电子元件，具体是一种用于印制电路板的绝缘子，适用于微弱电信号测量的电路中。

背景技术：

在测量电流信号的时候，常会用到运算放大器构成的I/V转换电路，如图1所示。运算放大器的同相输入端(标志为“+”)接地线，电位为0；外界被测电流i从输入接口In进入测量电路，接运算放大器的反相输入端(标志为“-”)；同时运算放大器的反相输入端与输出端连接I/V转换电阻R；转换后的电压信号Vo将从输出端输出，交给后续电路继续处理。

由于运算放大器OP的虚断特性，反相输入端的输入电阻为无穷大，电流i全部流经测量电阻R，即i＝i_R，产生压降为i_R*R；同时由于运算放大器的虚短特性，反相输入端与同相输入端的电位相等，同为0。这两个特性决定了电路输出端的电位Vo，其绝对值等于电阻R上的压降，即|Vo|＝|i_R|*R＝|i|*R。

可见，经这样的I/V电路处理后，输出电压与被测电流i成正比，比例系数由电阻R决定。

但是，这样的原理性电路在印制电路板(PCB)上搭建时，不可避免地存在下列问题：由于PCB板的材料、工艺及电路设计方面的原因，运算放大器的反相输入端与外围电路的节点之间存在分布电阻， 可等效为电阻Rz，iz是流过该电阻的电流，如图2所示。根据基尔霍夫电流定律(KCL)，被测电流i、流经测量电阻R的电流i_R及流过分布电阻R_z的电流i_z三者的关系为i＝i_R+i_z。

但是，Vo只与i_R有关，与i_z无关。所以，由于i_z的存在，输出电压Vo与被测电流i之间的正比关系受到破坏，这将导致测量误差。

分布电阻R_z的电阻值往往比较大，一般为数百兆欧姆(MΩ)，在被测电流i较大的情况下(微安μA即10-6安培，或更大)，R_z对输出电压Vo的影响可以忽略不计；但在测量极微弱电流的情况下，被测电流i本身就很小(皮安pA即10-9安培的级别，或者更小)，已经接近i_z甚至更小，这种影响就很难忽略了，测量结果会产生较大的误差，甚至无法检测。

在实际工艺上，电子元器件的管脚是一定要落在印制电路板的板面上进行固定的，不可避免地与周围物体和其他节点通过PCB的基材等介质产生联系，所以R_z是一定存在的，是由现场的条件、环境所决定的，无法预测，只能靠增大R_z的电阻值或者等效电阻值、减小电流i_z来降低它对测量的影响。

现有的解决上述问题主要有以下几种手段：

1、利用运算放大器的同相输入端与反相输入端电位相等的特点，用导体把反相输入端及周围导线包裹起来但并不连接，然后与同相输入端短接，称为“保护环(Guard Ring)”，如图3所示，保护环是微弱信号测量中比较常用的隔离技术。

保护环把反相输入端这个电路节点与周围物体隔离开，分布电阻 只存在于周围物体与保护环之间，而不能侵入保护环内部及被包裹起来的反相输入端；保护环内部所有点都是等电位的，不存在电压差，因而也就不存在分布电流，即i_z≈0。这等效于增大了该节点与周围物体的分布电阻。

但是保护环隔离技术存在两个缺点：

a、在实际设计PCB板时，由于运算放大器的反相输入端管脚与周围管脚的间距非常小，难以在两个管脚之间插入铜线；而且实际电路还需要在反相输入端这个节点连接其他元件(比如消除振荡的移相电容)，电路构成远比原理性图纸复杂，使布置保护环的难度增大。由于这两个因素，往往无法设计出完整、封闭的保护环，这个节点通过缺口仍然会与周围物体构成分布电阻。这就降低了保护环的隔离效果，甚至起不到隔离的作用。

b、保护环和PCB板上的其他导线一样，都是由覆铜板上的裸露铜箔形成的，彼此之间距离比较近，一旦有灰尘堆积，也会降低隔离效果，甚至会很严重。

2、覆铜板是在绝缘基材(比如环氧树脂)上压贴一层铜箔，所有元器件的管脚最终都要在板材上落脚。分布电阻是通过空气或板材表面的介质(基材、表面积尘、加工残留物等)构成的，而介质是构成分布电阻的主要途径。因此，有人把基材挖沟、镂空，加工出类似邮票孔的形状，中间部分形成“浮岛”，把关键的电路节点装配在浮岛上，与周围物体基本断开，切断构成分布电阻的通道。

这种方法有两方面的缺点：

a、出于机械强度的考虑，“浮岛”与周围物体仍然有较多的连接点，依旧会形成分布电阻。

b、工艺性比较差，做实验还可以，做为产品就太不正规了。

3、在已知的材料中，宝石的电阻率是最高的，是绝缘性能最好的材料。一些高端的测量仪器，在输入端就使用过蓝宝石作为绝缘子，以提高输入信号与周围物体之间的电阻值。用蓝宝石做绝缘材料，缺点是显而易见的：昂贵。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有的电子元器件的管脚在与印制电路板的板面上进行固定时候，与周围物体和其他节点通过PCB的基材等介质产生联系，最终导致测量误差的问题。

为此，本实用新型提供了一种用于印制电路板的绝缘子，所述的绝缘子由外及内依次包括铜结构体、聚四氟乙烯棒材和铜柱，所述的铜结构体为一端伸出多个管脚的空心结构，聚四氟乙烯棒材嵌于铜结构体的空心处，所述的铜柱嵌于聚四氟乙烯棒材中心；所述的铜结构体、聚四氟乙烯棒材和铜柱均为轴对称结构，且三者的轴线重合。

所述的聚四氟乙烯棒材对应于管脚的一端，其端部与管脚的根部平面相平齐，或者凸出于根部平面，甚至凸出于管脚，而另一端则凸出于铜结构体的端面；铜柱的两端均凸出于聚四氟乙烯棒材。

所述的铜柱为实心铜柱或者空心铜柱或者一端实心一端空心的铜柱或者两端空心中间实心的铜柱。

所述的铜结构体为整体的方形柱体的结构或者上部为圆形柱体， 下部设置管脚部位为方形柱体的结构。

所述的管脚有2～4个，分布在铜结构体端面的边沿处。

所述的管脚有四个，分别固定在铜结构体端面的四个角顶点处，或者两两相对在铜结构体端面的边沿非顶点处固定。

所述的管脚有三个，分别固定在铜结构体端面的四个角顶点的任意三个角顶点处。

所述的管脚有两个，分别固定在铜结构体端面的四个角顶点的任意两个相邻或相对的角顶点处。

所述的铜结构体1沿轴线的投影为正方形，边长为4～10mm；管脚4共有4个，其根部位于同一个平面上；每个管脚均为截面呈正方形的柱体，正方形的边长为0.5～1.5mm；聚四氟乙烯棒材2为圆柱体，外直径为2～8mm；铜柱3为圆柱体，外直径为0.5～2mm；

以管脚的根部平面为基准，将绝缘子分为向元件端部分和向PCB端部分，向元件端部分中，铜结构体1的长度为2～5mm；聚四氟乙烯棒材2的长度为3～10mm；铜柱3的长度为4～15mm；向PCB端部分中，4个管脚长度相同，长度为2～5mm；聚四氟乙烯棒材2的长度为0～2mm；铜柱3的长度为2～8mm。

本实用新型的有益效果：

1、中心导体(铜柱)与周围物体彻底隔离，没有任何缝隙和漏洞，保证了最好的隔离效果；

2、采用电阻率仅次于蓝宝石的聚四氟乙烯作为绝缘材料，价格低廉，但绝缘效果一点不打折扣；

3、外围铜结构体把内部导体完全包裹，天然地构成了完整、封闭的保护环，这将进一步增加隔离效果；

4、应用灵活，单个节点可根据电路实际情况，使用一个、两个或多个本实用新型的绝缘子，进行任意组合；

5、工艺性、一致性好，彻底摆脱了作坊式的手工痕迹，使产品规范化、正规化，适合批量生产；

6、现有的SMA连接器是一种标准元件，生产厂家非常多，如果把本实用新型的的机械尺寸有意向传统SMA连接器靠拢，这些厂家稍加变化就可以批量生产这种绝缘子，没有特殊工艺，甚至于比SMA连接器的工艺更简化。这也保证了本实用新型的低成本。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

图1是运算放大器组成的I/V转换电路。

图2是分布电阻R_Z的影响示意图。

图3是利用保护环减小分布电阻影响的电路图。

图4是绝缘子结构主视图。

图5是绝缘子结构主视剖面图。

图6是绝缘子结构仰视图。

图7是绝缘子的一种实用示例的主视示意图。

图8是绝缘子的一种实用示例的仰视示意图。

图9是绝缘子四个管脚四个角顶点分布示意图。

图10是绝缘子四个管脚按两中两边分布的示意图。

图11是绝缘子四个管脚按两中两偏分布的示意图。

图12是绝缘子两个管脚相邻分布示意图。

图13是绝缘子两个管脚对角分布示意图。

图14是绝缘子四个管脚部分加宽示意图。

附图标记说明：1、铜结构体；2、聚四氟乙烯棒材；3、铜柱；4、管脚；5、通孔；6、通孔；7、PCB板；8、管脚的根部平面。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种用于印制电路板的绝缘子，结合图4、图5和图6所示，所述的绝缘子由外及内依次包括铜结构体1、聚四氟乙烯棒材2和铜柱3，所述的铜结构体1为一端伸出多个管脚4的空心结构，聚四氟乙烯棒材2嵌于铜结构体1的空心处，所述的铜柱3嵌于聚四氟乙烯棒材中心；所述的铜结构体1、聚四氟乙烯棒材2和铜柱3均为轴对称结构，且三者的轴线重合。

本实施例是一种新型的电子元件，用于PCB板的绝缘子，适用于微弱电信号测量的电路中。采用聚四氟乙烯作为绝缘材料，因此绝缘电阻高，隔离性能好；结构紧凑，体积小，适用于PCB板上；使用简单方便，可根据各种电路变化而灵活组合；工艺性好，适合批量生产、正规产品。

进一步详尽地，本实施例中，聚四氟乙烯棒材2对应于管脚4的一端，其端部与管脚的根部平面相平齐，或者凸出于根部平面，甚至凸出于管脚，而另一端则凸出于铜结构体的端面；铜柱3的两端均凸 出于聚四氟乙烯棒材。

聚四氟乙烯棒材2嵌于铜结构的空心中，至少在铜结构体1无管脚的一端凸出于铜结构端面2～4mm；另一端与铜机构体管脚4的根部平面8相平齐，或者同样凸出于根部平面2～4mm；甚至凸出于管脚；

铜柱3嵌于聚四氟乙烯棒材2中心，二者的轴线相重合；铜柱3在两端均凸出于聚四氟乙烯棒材2～4mm。铜柱3可以是空心、通孔，或者一端空心，或者两端均为空心。

结合图7和图8所示，在聚四氟乙烯棒材2及四个管脚4的投影位置分别制作通孔5和6，孔径略大于对应的物体。这样，绝缘子的PCB端，即管脚4伸出的一端，可以穿过PCB板7，管脚4的根部平面8将与PCB板7的表面紧密贴合，然后可以把四个管脚4与PCB板7上的铜箔焊接、固定。

这样，铜柱3与外部电路节点被聚四氟乙烯棒材2完全隔离开来，聚四氟乙烯材料的电阻率本身就极高，而最终的分布电阻至少比聚四氟乙烯棒材2的电阻值还要高，铜柱3被有效地保护起来。把元件的管脚搭在铜柱3上，焊接、固定，如果同一节点有多个元件，可以都焊接在这个位置。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例进一步进行说明。本实施例中，铜柱3为实心铜柱或者空心铜柱或者一端实心一端空心的铜柱或者两端空心中间实心的铜柱。在此处，中心铜柱3，可以是实心铜柱， 也可以是空心，以便插入元器件的管脚；可以只有一端空心，也可以两端都是空心，也可以是贯通的通孔。

铜结构体1为整体的方形柱体的结构或者上部为圆形柱体，下部设置管脚4部位为方形柱体的结构。铜结构体1的形状可以是任意形状的，只要其是符合包围包裹的结构便可以，在其设置管脚4的位置，结构为方形的，这样方便管脚4的准确分布。

实施例3：

本实施例在实施例1和实施例2的基础上，对管脚的数量和分部进一步详细说明。所述管脚4有2～4个，分布在空心结构的铜结构体1端面的边沿处。

管脚4可以有四个，分别固定在铜结构体1端面的四个角顶点处，或者两两相对在铜结构体1端面的边沿非顶点处固定。如图9所示，为四个管脚4分别固定在铜结构体1端面的四个角顶点处；如图10所示，是两个管脚4位于两个角定点，另外两个管脚4位于中间位置；如图11所示，是两个管脚4位于中间位置，另外两个管脚4由角顶点向中间偏移了一定距离。

管脚4可以有三个，分别固定在铜结构体1端面的四个角顶点的任意三个角顶点处。

管脚4可以有两个，分别固定在铜结构体1端面的四个角顶点的任意两个相邻或相对的角顶点处。如图12所示，有两个管脚4，分别位于相邻的两个角顶点的位置；如图13所示，有两个管脚4，分别位于呈对角的两个角顶点的位置。

管脚4也可以进行加宽，如图14所示，便是两只管脚4加宽后的结构示意图。

本实施例中，所形成的各种管脚的数量和不同分布，适用于各种不同的连接状况，要根据现场所需来选择合适的管脚数量及其分布位置。

实施例4：

本实施例提供一个具体的绝缘子机械尺寸，以下尺寸均可以有一定的调整范围。本实施例中，参照图5和图6，铜结构体1沿轴线的投影为正方形，边长为4～10mm；绝缘子的PCB端共有4个管脚4，其根部位于同一个平面上，每个管脚均为截面呈正方形的柱体，正方形的边长为0.5～1.5mm；聚四氟乙烯棒材2为圆柱体，外直径为2～8mm；铜柱3为圆柱体，外直径为0.5～2mm。

沿轴线方向，以管脚的根部平面8为基准，各部件尺寸如下：

向元件端方向，铜结构体1的长度为2～5mm；聚四氟乙烯棒材2的长度为3～10mm；铜柱3的长度为4～15mm。向PCB端方向，4个管脚4的长度为2～5mm，4个管脚长度相同；聚四氟乙烯棒材2的长度为0～2mm；铜柱3的长度为2～8mm。

本实施例的机械尺寸，与传统的SMA连接器尺寸接近，现有的SMA连接器是一种标准元件，生产厂家非常多，如果把本实用新型的机械尺寸有意向传统SMA连接器靠拢，这些厂家稍加变化就可以批量生产这种绝缘子，没有特殊工艺，甚至于比SMA连接器的工艺更简化。这也保证了本实用新型的低成本，能使产品规范化、正规化，适合批 量生产。

综上所述，解决微弱信号测量电路的高阻隔离问题的方法五花八门，但都存在各种各样的不足，或者成本太高，或者机械强度差、效果有限，或者工艺性差，不适合批量化、正规化生产。本实用新型的这种绝缘子，铜结构体、聚四氟乙烯棒材、铜柱互相嵌套组成的几何体；三者轴线相重合；铜柱居于最中心，外面包裹聚四氟乙烯棒材，铜结构体在最外面，解决了上述所有的问题与不足。中心导体(铜柱)与周围物体彻底隔离，没有任何缝隙和漏洞，保证了最好的隔离效果；采用电阻率仅次于蓝宝石的聚四氟乙烯作为绝缘材料，价格低廉，但绝缘效果一点不打折扣；外围铜结构体把内部导体完全包裹，天然地构成了完整、封闭的保护环，这将进一步增加隔离效果；应用灵活，单个节点可根据电路实际情况，使用一个、两个或多个本实用新型的绝缘子，进行任意组合；工艺性、一致性好，彻底摆脱了作坊式的手工痕迹，使产品规范化、正规化，适合批量生产；本实用新型的绝缘子适合批量生产，且工艺简单、成本低廉，宜于作为一种常规、标准化的元器件。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。