DE2507731B2 - Messwiderstand fuer widerstandsthermometer und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Messwiderstand fuer widerstandsthermometer und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Meßwiderstand für Widerstandsthermometer, bestehend aus einem Isolierkörper
als Träger und einer dünnen Platinschicht, vorzugsweise in Mäanderform, als Widerstandsmaterial,
und ein Verfahren zur Herstellung dieser Meßwiderstände.
Bei den üblichen Meßwiderständen für Widerstandsthermometer
sind dünne Drähte oder Bänder aus Metallen, wie Nickel oder Platin, die einen definierten
Widerstandswert und einen hohen, gleichmäßigen Temperaturkoeffizienten (TK) des elektrischen Wider-Stands
besitzen, auf elektrisch nichtleitende Träger aufgebracht oder darin eingebettet.
Werden an solche Meßwiderstände höhere Ansprüche in bezug auf die Genauigkeit und den Einsatz bei
höheren Temperaturen gestellt, so wird als Wider-Standsmaterial im allgemeinen Platin verwendet Der
Widerstandswert bei 0cC (Ro) und der Temperaturkoeffizient
des elektrischen Widerstands zwischen 0 und 1000C dieser Platinir.eßwiderstände ist in allen wesentlichen
Industrieländern genormt, in Deutschland beispielsweise durch die DIN 43 760. In dieser Norm
werden folgende Werte festgelegt: Ro = (100±0,1)
Ohm und TK = (3,85±0.012) ■ ΙΟ'3 ■ grd-1. In den
entsprechenden Normen anderer Länder sind ähnliche Werte enthalten.
Diese Normen werden von den heute üblichen Meßwiderständen erfüllt, doch ist die Anwendung der
mit Platindrähten ausgestatteten Widerstandsthermometer in der Praxis begrenzt, da sie für spezielle Fälle
verschiedene Nachteile zeigen. So besitzen solche Meßwiderstände beispielsweise relativ lange Ansprechzeiten
und sind nicht unterhalb einer gewissen Größe herstellbar, da für den Ao-Wert eine bestimmte
Drahtlänge erforderlich ist.
Es hat daher in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, für Meßwiderstände möglichst dünne Drähte zu
verwenden, doch stößt man bei der Herstellung solcher dünner Drähte auf technische Schwierigkeiten in bezug
auf die Weiterverarbeitung und die HersteIBcostea
Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden,
Meßwiderstände für Widerstandsthermometer zu verwenden,
bei denen auf einen elektrisch nichtleitenden Träger eine dünne Platinschicht aufgebracht wurde. So
ist es beispielsweise aus der DT-PS 8 28 930 bekannt, auf
nichtleitende Träger, wie Glas oder Keramik, dünne Platinschichten durch Hochvakuumverdampfung oder
Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufzubringen, wobei
ίο die Schicht die gesamte Oberfläche des Trägerkörpers
oder nur partielle Bereiche bedecken kann. Aus der DT-OS 2327 662 ist weiterhin bekannt auf einen
keramischen Träger ein hochalaminiumoxidhaltiges Glas mit einem darin eingebetteten Dünnfilm aus Platin
aufzutragen. Ebenso ist bereits vorgeschlagen worden !(DT-OS 22 56 203), auf einen elektrisch isolierenden
kel eingelagert sind.
Überzügen aus Platein haben den Nachteil, daß sie den
von der Deutschen Industrie-Norm und anderen Normen vorgeschriebenen Temperaturkoeffizienten
von 3.85 · 10-3 · grd~' nicht erreichen, sondern ihn in
den meisten Fällen wesentlich unterschreiten. Solche Meßwiderstände haben daher bisher kaum eine
Verwendung in der Praxis gefunden.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Meßwiderstände für Widerstandsthermometer /u
schaffen, die eine geringe Ansprechzeit besitzen, auch in kleinen Dimensionen ohne besonderen Kostenaufwand
herstellbar sind, und vor allem einen TK zwischen 0 und 1000C von mindestens 3,85 · 10-J · grd-' besitzen.
Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß man Meßwiderstände für Widerstandsthermometer einsetzt.
die aus einem Isolierkörper als Träger und einer dünnen
Platinschicht als Widerstandsmaterial bestehen, wobei erfindungsgemäß als Träger für die Platinschicht ein
Werkstoff verwendet wird, der zwischen 0 und 10000C
einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Platin besitzt.
Besonders bewährt als Trägerunterlage hat sich Magnesiumoxid, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
bei 12 · 10-6 · grd~' liegt, während Platin einen
entsprechenden Wert von 9,3 · 10-' · grd"1 besitzt
Neben Magnesiumoxid können beispielsweise auch verschiedene, mit einem Isolierüberzug versehene
hitzebeständige Nickellegierungen, wie z. B. Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen, als Trägerunterlage Verwendung
finden. Als dünner Isolierüberzug kann z. B.
Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder ein Silikatglas dienen.
Es ist bekannt daß der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands einer dünnen Schicht nicht
den des kompakten Materials erreicht was zum Teil mit der Elektronensteuerung an der Schichtoberfläche und
an den Korngrenzen zu erklären ist Um so überraschender war es, daß durch die erfindungsgemäße
Verwendung eines Trägermaterials, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen 0 und 10000C größer
ist als der von Platin, auch dünne Platinschichten den TK des elektrischen Widerstands von reinem massiven
Platin erreichen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Meßwiderstände ist im Prinzip aus der Mikroelektronik durch die
bei der Fertigung integrierter Schaltkreide verwendeten sogenannten Dünnfilmtechnik bekannt Man bringt
durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder Vakuumaufdampfen eine Platinschicht von 1 bis 10 μΐη Dicke auf
die isolierende Unterlage auf. Zur Erzeugung von
Mäandermustera wird der Platinfüm dann beispielsweise
mit einem photoempGndlichen Lack überzogen, und
,auf diesem durch particles Abdecken, Belichten und Entwickeln die gewünschte Struktur erzeugt Durch
lonenätzen oder andere Verfahren läßt sich dann die gewünschte Leiterbahn herstellen. Auf diese Weise sind
Leiterbahnen bis zu etwa 2=5 μπι Breite herstellbar. Das
Abgleichen dieser Leiterbahnen auf einen bestimmten Äo-Wert ist ebenfalls aus der Mikroelektronik bekannt
und erfolgt vorzugsweise mittels eines Laserstrahls.
Besonders hohe Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands der erfindungsgemäßen Meßwiderstände
erzielt man mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die dünne Platinschicht in einer
sauerstoffhaltigen Atmosphäre durch Kathodenzerstäubung aufgebracht und bei Temperaturen oberhalb
8000C nachgetempert wird. Besonders bewährt hat sich
ein Argon-Sauerstoff-Gemisch, wobei der Sauerstoffgehalt vorzugsweise 5 bis 60 Vol.-% beträgt Aber auch to
sonstige Edelgas-Sauerstoff-Gemische sind verwendbar. Die aufgesputterte oder aufgedampfte Schicht muß
bei Temperaturen oberhalb 8000C nachgetempert
werden, vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 120O0C,
um ein maximales Kornwachstum zu erreichen, das wiederum eine Voraussetzung für einen hohen TK ist
Die erfindungsgemäßen Meßwiderstände können auf bekannte Weise zu Widerstandsthermometern weiterverarbeitet
werden, so z. B. durch Einsetzen in entsprechende Schutzrohre.
Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:
In einer handelsüblichen Sputteranlage wird in einem Argon-Sauerstoff-Gemisch mit 17% Sauerstoff
unter einem Arbeitsdruck von 6 - 10~3 Torr auf flache Magnesiumoxidplättchen der Abmessung
20 mm χ 20 mm eine Platinschicht von 4,2 um Dicke aufgesplittert Die Hochfrequenzleistung beträgt 1100
Watt, die angelegte Spannung 2600 Volt und die Gegenspannung (Bias) 100 Volt Die Platinschicht wird
anschließend 3 Stunden bei 10000C an Luft nachgetempert;
durch Photoresisttechnik werden Mäander hergestellt Der gemessene Temperaturkoeffizient des elektrischen
Widerstands beträgt (3,86 ±0,01) · 10-3 . grd-t,
In der Anlage und unter den Bedingungen von Beispiel 1 wird in einem Argon-Sauerstoff-Gemisch mit
50 Vol.-% Sauerstoff unter einem Arbeitsdruck von 8 · 10-·» Torr auf zuvor mit ca. 10 um Magnesiumoxyd
beschichtete Bleche aus 80% Ni, 14% Cr und 6% Fe der
Abmessung 20 mm χ 20 mm eine Platinschicht von 63 um Dicke aufgesputtert Nach dem Tempern (2
Stunden, 10500C) und Herstellen der Mäander wurde ein 7Xvon(3,89±0,01) · 10~3 · grd-1 gemessen.
Claims (4)
- Patentansprüche:h MeBwiderstand für Widerstandsthermometer, bestehend mis einem Isolierkörper als Timger und einer dünnen Platinschicht als Widerstandsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger lür die Platioschieht ein Werkstoff verwendet wird, der zwischen 0 und IOOO9C einen größerec thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Platin besitzt.
- 2. MeBwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß a&Trager für die PJatinschicht Magnesiumoxid verwendet wird.
- 3. Verfahren zur Herstellung von Meßwiderständen gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Piatinschicht durch Kathodenzerstäubung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre aufgebracht und bei Temperaturen oberhalb 800° C nachgetempert wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffhaltige Atmosphäre ein Argon-Sauerstoff-Gemisch verwendet wird.
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