WO1998026260A1 - Elektrischer widerstand mit wenigstens zwei anschlusskontaktfeldern auf einem keramik-substrat sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektrischer widerstand mit wenigstens zwei anschlusskontaktfeldern auf einem keramik-substrat sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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conductor track
glass
recess
layer
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Karlheinz Wienand
Karlheinz Ullrich
Margit Sander
Stefan Dietmann
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Heraeus Sensor-Nite Gmbh
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    • G01K7/183—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer characterised by the use of the resistive element
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    • H05K3/0029—Etching of the substrate by chemical or physical means by laser ablation of inorganic insulating material

Definitions

  • the invention relates to an electrical resistor, in particular a temperature-dependent measuring resistor with a fast response time, with a conductor track which is provided with at least two connection contact fields which are arranged on an electrically insulating surface of a substrate, part of the conductor track spanning at least one recess in the substrate in a bridge-like manner and the conductor track is arranged in one plane, and method for its production.
  • a temperature measuring arrangement with a temperature-sensitive thin-film resistor is known, which is applied in a meandering shape to a plastic film which is stretched over a cavity of a substrate material; a printed circuit board or a carrier made of epoxy resin is provided as the substrate.
  • Such a temperature measuring arrangement is only suitable for use in an environment with temperatures below 200 ° C. due to the low thermal resistance of synthetic resin.
  • a temperature-dependent electrical resistance made of resistance material which forms a winding conductor track as a thin layer, which is applied to a thin film;
  • the uncoated side of the film consisting of polymeric plastic spans a recess in a carrier body, which consists, for example, of copper, the recess having the same shape as the conductor track and being aligned with it in the direction perpendicular to the plane of the film; it is a
  • IEST ⁇ GGUNGSKOPIE Temperature measuring arrangement which requires a high technical effort for the required precise coverage of the conductor track and the recess.
  • a platinum temperature sensor is known from DE 38 29 765 A1 and US 49 06 965, in which a platinum resistance track with at least two ends is applied to a surface of at least one ceramic substrate;
  • a platinum conductor track in the form of a meandering zigzag pattern is applied to the inner surface of a ceramic sheet, and then formed into a roll, breaks with alignment bridges between adjacent points of the conductor track pattern also being provided for the purpose of adjustment.
  • the ceramic substrate is fired together with the applied platinum resistance.
  • the platinum resistance is resistant to the ambient atmosphere and moisture through sealing measures.
  • the lead-through openings and lines required for this are sealed with a ceramic coating or glass paste after adjustment.
  • a problem with such an arrangement is the relatively high heat capacity, which does not readily enable a rapid response in the event of sudden changes in temperature and only provides an exact measured value after a transition function has expired.
  • a resistance element as a fast temperature sensor is known from DE 38 29 195 A1; the resistance element is designed as a sheet resistor made of platinum paste, which is accommodated in a bubble made of glass ceramic, which is arched on an electrically insulating ceramic substrate.
  • the cantilevered resistance layer is problematic with regard to mechanical loads such as. B. to see shock, pressure or vibration in applications in harsh environments.
  • the object of the invention is to provide resistances of fast-responding temperature sensors which are insensitive to external mechanical loads and which are particularly suitable as sensors for rapidly changing temperatures in gas masses in the temperature range from -100 to + 800 ° C. Furthermore, such gas sensors are to be used to set up rapid gas mass meters with microstructures, the response of which is in the millisecond range.
  • the object is achieved in that the substrate is formed from ceramic or glass and in that the conductor track is fastened in the edge region of the substrate adjacent to the recess on the electrically insulating surface of the substrate.
  • the high durability of the sensor has proven to be particularly advantageous.
  • the conductor track is in the form of a meander at least in the region of the recess, the respective reversal regions of the meander being fastened in the edge region of the recess on the electrically insulating surface of the substrate, while the intermediate webs of the meander span the recess in a bridge-like manner; in one of the preferred embodiments, the conductor track consists of a platinum layer / Pt film which has a thickness in the range from 1 to 6 ⁇ m, preferably 2.5 ⁇ m.
  • the sensor signal follows the rapidly changing measurement parameters almost without inertia.
  • the conductor track consists of a gold layer, the gold layer having a thickness in the range from 1 ⁇ m to 8 ⁇ m, preferably 2 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the electrical conductor track is applied to a plate-shaped membrane at least partially covering the recess, the membrane having a thickness in the range from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the increased stability of the conductor track proves to be advantageous, as can be required in particular in the case of heavy mechanical stress, for example vibration.
  • the membrane either consists of a glass layer that has a thickness between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m, or it preferably consists of an SiO or TiO 2 layer, applied in a thin-layer process, whereby it has a thickness between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m, preferably has a thickness of 2 ⁇ m. Due to the relatively thin membrane, a low thermal inertia and thus a quick response is advantageously ensured.
  • the conductor track on the substrate is provided with a covering layer made of an electrically insulating material, which has a thickness in the range from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m; this protects the conductor track, in particular in an aggressive environment, so that long-term stability is increased.
  • the cover layer of the conductor track consists either of glass with a thickness of the glass cover layer in the range between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m or of an intermediate thin-layer method, the cover layer advantageously consisting of an SiO layer that has a thickness of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, preferably has a thickness of 2 ⁇ m.
  • a recess is made in a ceramic substrate, this is filled with filler materials made of glass pastes, glass ceramic, glass solder, silver, indium, nickel or a silver-nickel alloy and the resulting filling is leveled with an outer surface of the substrate, that a conductor track made of platinum or gold is subsequently applied to at least part of the electrically insulating substrate surface, and that the filler material is then etched away, so that the metal conductor track the recess in spanning a level like a bridge.
  • indium As the filling material, since it can be leveled very easily and by means of a mixture of: 45 g / l Ce (S0 4 ) 2 , 160 g / l HN0 3 , 80 g / l H 2 S0 4 can be removed chemically at a temperature of preferably 60 ° C.
  • a recess is made in a ceramic substrate, this is filled with filler materials made of glass pastes, glass ceramic, glass solder, silver, indium, nickel or a silver-nickel alloy and the filling thus produced is leveled with the outer surface of the substrate, that a flat membrane is subsequently applied to the surface of the substrate in a screen printing or thin-film process, and that subsequently a conductor track made of platinum or gold is applied in a Glavanic manner or in a thin-film process to the glass membrane is, and then a structured cover layer is at least partially applied to the conductor track and finally the filling material located in the recess is etched away.
  • the use of indium as a filler material has proven to be ideal.
  • the membrane is applied to the surface of the substrate as a glass membrane in the screen printing process or as a thin film process as a thin film SiO membrane; thus customary coating techniques can advantageously be used; in addition, the structured cover layer is applied to the conductor track as a glass or in a thin film process as a thin film layer made of SiO.
  • the recess is made in the depth range from 20% to 60% of the thickness of the substrate by sawing.
  • Such a method is advantageously to be used for the serial production of resistors with a small number of copies, since the chemical etching attack that takes place later to remove the filler material can be carried out very gently (from the rear).
  • Glass pastes are preferably applied with approximately the same expansion coefficient as the substrate as a covering layer on the conductor track and substrate and at a temperature in the range from 500 ° C to 1,000 ° C, in particular from 850 ° C to 920 ° C, in a continuous furnace for a period of burned in for about 20 minutes.
  • the relatively simple series production has proven to be advantageous.
  • the conductor track is preferably applied using the thin-film method and structured by means of photolithography, ion etching and removal of photoresist; it proves to be advantageous that a high precision of the resistance can be achieved.
  • the conductor tracks can be filled with Pt using the PVD process and then separated using lift-off technology.
  • Figure 1 shows a perspective view of a first preferred embodiment of the subject of the invention
  • Figure 2 shows a cross section through the longitudinal axis of Figure 1 along the line AB of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a resistor manufactured according to an alternative method, in which the recess was laser cut into the ceramic substrate
  • FIG. 4 shows a perspective view of a further preferred embodiment of the invention, in which the platinum structure of the measuring resistor is applied to a membrane which is located on the surface of the substrate;
  • FIG. 5 shows a cross section through the longitudinal axis of the figure along the line CD
  • FIG. 6 shows the time course of the voltage rise (voltage U as a function of time t), the sensor being subjected to a current of 0.07 A; the time scale for curves (a) and (b) is 0.5 ms / div or graduation mark, for curve (c) 5 ms / div and for curve (d) 5 s / div.
  • FIG. 7 shows a resistor in which the conductor track is applied as a meander made of platinum or gold to a thin film membrane and is passivated in the region of the recess by a cover layer;
  • FIG. 8 shows a response time determination (voltage U as a function of time t) for a resistor with a conductor track as a platinum meander with a thickness of 1.7 ⁇ m according to FIG. 7.
  • ceramic substrate 1 consists of a cuboid block with an electrically insulating surface based on ceramic or glass; the substrate 1 is provided along its central axis 2 with a recess 3 which is bridged over by a conductor track 4 serving as a measuring resistor, parts of the conductor track 4 being fastened to the substrate in the edge region of the substrate for the recess.
  • the conductor track is provided at its respective ends 5, 6 with connection contact fields 7, which are used for connection to an electrical evaluation circuit.
  • the conductor track with its thickness of approx.2.5 ⁇ m has an extraordinarily low heat capacity, it can assume the temperature of the surrounding atmosphere or the gas atmosphere flowing through the recess 3 extremely quickly in the area bridging the recess 3 and thus advantageously for rapid evaluation or display thermal changes.
  • the substrate 1 consists of an aluminum oxide ceramic with 99.6% by weight Al 2 O 3 and has a thickness in the range from 0.1 to 1.0 mm; the thickness of the substrate is preferably in the range from 0.6 to 0.7 mm.
  • the width of the recess 3 is preferably in the range from 0.5 to 1 mm, the depth thereof in the range from 0.1 to 0.4 mm.
  • the conductor track 4 consists of a platinum layer with a thickness of approximately 2.5 ⁇ m, a glass cover layer 8 being applied to the platinum layer in the support area of the substrate 1 using the screen printing method, the ends 5, 6 of the conductor track 4 being made of glass Cover layer are left blank and are provided with a gold layer also applied as a screen contact method as connection contact fields 7.
  • millings for recess 3 with a width of 0.78 mm are made in a ceramic substrate 1 made of aluminum oxide with a thickness of 0.6 to 0.7 mm, preferably 0.635 mm, line by line at a depth of 0.3 mm.
  • the milled portions are initially filled with glass pastes of various types to a milling depth of three quarters and then dried at a temperature of 180 ° C for one hour; they are then baked at a peak temperature in the range of approx. 850 ° C for 20 minutes in a continuous furnace through which compressed air flows. Then the milling is filled a second time so that after drying and after baking the glass paste again with the same parameters as for the first filling, an overlap of approx. 0.1 to 0.2 mm there is the milling in the substrate 1; this means that the filling protrudes about 0.1 to 0.2 mm above the outer surface of the substrate.
  • the remaining burned-in glass paste is ground in a wet process using silicon carbide with grits 350, 500, 800, 1200, 2400 and 4000 so that the transitions in the area of ceramic substrate glass paste have such a small unevenness that they are in the range of less than 1 ⁇ m lies.
  • silicon carbide with grits 350, 500, 800, 1200, 2400 and 4000 so that the transitions in the area of ceramic substrate glass paste have such a small unevenness that they are in the range of less than 1 ⁇ m lies.
  • the form-fitting filling of the cutouts of the recess 3, which are introduced line by line, is ultimately due to the expansion coefficients of the glasses, which in the temperature range under consideration are approximately 7.5 ⁇ 10 ⁇ 6 per degree Celsius and thus almost correspond to the expansion coefficient of the aluminum oxide ceramic used for the substrate 1.
  • the substrates filled in this way are vapor-deposited with a doped platinum layer with a thickness of 1.5 ⁇ m to 2.5 ⁇ m; Then, according to the prior art - for example DE 36 03 785 C2 or DE 42 02 733 C2 - known process steps such as photolithography, ion etching of the platinum and removal of the photoresist by means of ashing take place.
  • a microscopic inspection has shown that the platinum conductor tracks with a width in the range from 10 ⁇ m to 15 ⁇ m remain undamaged in the transition area from ceramic to glass plate; after structuring, a suitable glass cover layer 8 (for example IP 211 from WC Heraeus GmbH) and the connection contact fields 7 with a gold surface are applied by screen printing.
  • the measuring resistors arranged on the utility ceramic substrate are then separated into individual parts by a frame saw; finally, the areas filled with the glass pastes are detached from the recesses 3 from the end faces. This is done using concentrated HN0 3 (65 percent) at a temperature of 50 ° C.
  • a temperature sensor manufactured using this method has the following data, for example:
  • the heating of the sensor is recorded as a time-dependent voltage drop with a storage oscilloscope, from which the time course of the temperature rise of the sensor can be determined.
  • the equilibrium temperature which arises can be calculated from the voltage U 1.
  • the temperature jump of ⁇ T 53 ° C was reached within 3.2 ms (t 50%).
  • FIG. 4 shows an embodiment of the resistor, in which the same substrate 1 with recess is used as in the previously explained first embodiment according to FIGS. 1 and 2.
  • the surface of the substrate 1 was covered by a flat plate-shaped membrane 10 made of glass covered, which closes the recess 3 towards the top, on this membrane 10, the conductor track 4 is then applied as a platinum coating, similar to that explained with reference to Figures 1 and 2, the ends 5 and 6 of the conductor track are each connected to connection contact pads 7, which are also are applied to the membrane 10
  • the structure of the conductor track 4, like the glass cover layer 8, is applied by screen printing, the total glass thickness of the membrane 10 is in the range from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m
  • FIG. 5 shows a sectional illustration transverse to the axis 2 along the line CD of FIG. 4
  • a silver profile wire with the dimensions 0.79 mm x 0.28 mm is cut to the size of the substrate and embedded in the recess almost level by means of a glass paste, for example, type IP 156 from WC Heraeus GmbH, which melts at approx. 900 ° C
  • a cover plate is then attached to the substrate using two clips.
  • another glass paste is screen-printed twice, followed by drying and baking at a peak temperature of 850 ° C. for a period of twenty minutes. This results in the previously mentioned total glass thickness of the membrane 10 of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m; After cleaning the glass surface, the process already described with reference to FIGS. 1 and 2 is carried out until the individual substrates are subsequently separated.
  • a temperature sensor manufactured according to this exemplary embodiment has the following data, the platinum thickness being 2 ⁇ m:
  • the measurement curves obtained in this exemplary embodiment are shown in FIG. At a purely ohmic resistance of 6.8 ohms (measurement curve a; time scale: 0.5 ms / div.), After a settling time of approx. 0.5 ms due to the generator, no further voltage rise and thus no temperature rise can be seen. This behavior is with the platinum temperature sensor fundamentally different according to embodiment 2; the measuring resistor heats up according to the time curves b) (time scale: 0.5 ms / div), c) (time scale: 5 ms / div) and d) (time scale: 5 s / div) and reaches an equilibrium temperature of approx . 279 ° C.
  • the membrane 10 has been applied in a thickness of 2 ⁇ m by means of a PVD method.
  • a thin Pt electrode with a thickness of 0.05 ⁇ m was applied in the same PVD process.
  • the conductor tracks have been exposed; these were then electroplated in an acid Pt electrolyte to a thickness of approximately 1.8 ⁇ m.
  • the substrate was scratched in a diamond saw according to the individual sensors, and then the indium filling in the square substrate recesses was removed by wet chemical means. Now a differential etching of the platinum of approx.
  • the platinum meander was heated from the room temperature to the temperatures indicated in FIG. 8 using the specified electrical currents.

Abstract

Ein temperaturabhängiger Meßwiderstand mit rascher Ansprechzeit ist wenigstens teilweise auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche eines Keramik-Substrats angeordnet, wobei ein Teil der Leiterbahn eine im Substrat befindliche Ausnehmung brückenartig überspannt und der übrige Teil der Leiterbahn im Randbereich des Substrats zur Ausnehmung benachbart mit Anschlußkontaktfeldern versehen ist; die Leiterbahn besteht aus einer Platin- oder einer Au-Schicht, wobei die Leiterbahn partiell mit einer Abdeckschicht aus Glas versehen ist und wobei die Anschlußkontaktfelder freigelassen sind. In einer weiteren Ausführungsform ist die Leiterbahn zusammen mit den Anschlußkontaktfeldern entweder auf einer siebgedruckten Glasmembran oder einer per PVD-Verfahren aufgebrachten Dünnfilmmembran angeordnet, welche die Oberfläche des Keramik-Substrats abdeckt und die Ausnehmung überbrückt. Die Abdeckschicht ist im Falle einer Glasmembran ebenfalls selektiv durch Siebdruck aufgebracht. Im Falle einer Dünnfilmmembran ist auch die Abdeckschicht selektiv per PVD-Verfahren aufgebracht und kann mit der Dünnfilmmembran materialgleich sein. Das Keramik-Substrat besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid.

Description

Elektrischer Widerstand mit wenigstens zwei Anschlußkontaktfeldern auf einem Keramik-Substrat sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Widerstand, insbesondere temperaturabhängigen Meßwiderstand schneller Ansprechzeit, mit einer Leiterbahn, die mit wenigstens zwei Anschluß- Kontaktfeldern versehen ist, die auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, wobei ein Teil der Leiterbahn wenigstens eine Ausnehmung des Substrats brückenartig überspannt und die Leiterbahn in einer Ebene angeordnet ist, sowie Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus der DE 39 27 735 A1 ist eine Temperaturmeßanordnung (Strahlungsthermometer) mit einem temperaturempfindlichen Dünnschichtwiderstand bekannt, der maänderförmig auf eine Kunststoffolie aufgebracht ist, die über eine Höhlung eines Substratmaterials gespannt ist; als Substrat ist eine Leiterplatte bzw. ein Träger aus Epoxidharz vorgesehen.
Eine solche Temperaturmeßanordnung ist aufgrund der geringen thermischen Belastbarkeit von Kunstharz nur zum Einsatz in einer Umgebung mit Temperaturen unterhalb von 200°C geeignet.
Weiterhin ist aus der DE-OS 23 02 615 ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand aus Widerstandsmaterial, das als dünne Schicht eine gewundene Leiterbahn bildet, die auf einer dünnen Folie aufgebracht ist, bekannt; die aus polymerem Kunststoff bestehtende Folie überspannt mit ihrer unbeschichteten Seite eine Ausnehmung in einem Trägerkörper, der beispielsweise aus Kupfer besteht, wobei die Ausnehmung die gleiche Form hat wie die Leiterbahn und in Richtung senkrecht zur Folienebene gesehen mit ihr fluchtet; es handelt sich hierbei um eine
IESTÄΠGUNGSKOPIE Temperatur-Meßanordnung, die einen hohen technischen Aufwand für die erforderliche präzise Überdeckung von Leiterbahn und Aussparung erfordert.
Aus der DE 30 15 356 C2 ist es bekannt, daß elektrische Schaltungen in Dickschicht-Technologie vorzugsweise auf keramischen, plättchenförmigen Substraten durch Aufdrucken von Pasten hergestellt werden, deren aktives Material aus Metallpulvern, Glas- bzw. glaskeramischen Pulvern oder aus Mischungen von Glas und Metalloxiden bestehen. Zur Herstellung von schnellansprechenden Sensoren für die Temperaturmessung werden temperaturempfindliche Dickschichtwiderstände auf freitragende Schichten aufgebracht, die mit Hilfe eines unter Temperatureinwirkung vergasbaren Füllstoffs durch Pasten-Siebdruck entstanden sind und einen später gebildeten Hohlraum abdecken. Es handelt sich hierbei um ein verhältnismäßig aufwendiges Verfahren.
Weiterhin ist aus der DE 38 29 765 A1 bzw. der US 49 06 965 ein Platin-Temperatursensor bekannt, bei dem eine Platin-Widerstandsbahn mit wenigstens zwei Enden auf einer Oberfläche wenigstens eines Keramik-Substrats aufgebracht ist; zur Herstellung wird eine Platin-Leiterbahn in Form eines Mäander-Zickzackmusters auf die innere Oberfläche eines Keramikblatts aufgetragen, und anschließend zu einer Rolle geformt, wobei auch Brüche mit Justierbrücken zwischen benachbarten Punkten des Leiterbahnmusters zwecks Justie-rung vorgesehen sind. Das Keramik-Substrat wird zusammen mit dem aufgetragenen Platin-Widerstand gebrannt. Der Platinwiderstand ist durch Abdichtungsmaßnahmen gegenüber der Umgebungsatmosphäre und Feuchtigkeit resistent. Zusätzlich werden nach der Einjustierung auch die hierfür erforderlichen Durchführungsöffnungen und Leitungen mittels Keramik-Beschichtung oder Glaspaste abgedichtet.
Als problematisch erweisen sich bei einer solchen Anordnung die verhältnismäßig hohe Wär- mekapa-zität, welche ein rasches Ansprechen bei plötzlichen Temperaturänderungen nicht ohne weiteres ermöglicht und einen exakten Meßwert erst nach Ablauf einer Übergangsfunktion wiedergibt.
Eine weitere Ausführungsform eines Widerstandselements als schnellen Temperaturfühler ist aus der DE 38 29 195 A1 bekannt; dabei ist das Widerstandselement als Schichtwiderstand aus Platin-Paste ausgebildet, der in einer aus Glaskeramik bestehenden Blase untergebracht ist, welche auf einem elektrisch isolierenden Keramik-Substrat aufgewölbt ist. Als problematisch ist hierbei die freitragend gewölbte Widerstandsschicht im Hinblick auf mechanische Belastungen wie z. B. Stoß, Druck oder Vibration bei Anwendungen in rauher Umgebung zu sehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber äußeren mechanischen Belastungen unempfindliche Widerstände schnellansprechender Temperatursensoren anzugeben, die sich insbesondere als Sensoren für sich rasch ändernde Temperaturen in Gasmassen in Temperatur-Bereich von -100 bis +800°C geeignet sind. Weiterhin sollen mit derartigen Temperatursensoren schnelle Gasmassenmesser mit Mikro-Strukturen aufgebaut werden, deren Reaktion im Millisekunden- Bereich liegt.
Die Aufgabe wird anordnungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat aus Keramik oder Glas gebildet ist und daß die Leiterbahn im Randbereich des Substrats zur Ausnehmung benachbart auf der elektrisch isolierenden Oberfläche des Substrats befestigt ist.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die hohe Langlebigkeit des Sensors.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterbahn wenigstens im Bereich der Ausnehmung in Form eines Mäanders ausgebildet, wobei die jeweiligen Umkehrbereiche des Mäanders im Randbereich der Ausnehmung auf der elektrisch isolierenden Oberfläche des Substrats befestigt sind, während die Zwischenstege des Mäanders die Ausnehmung brückenartig überspannen; die Leiterbahn besteht in einer der bevorzugten Ausführungsformen aus einer Platin- schicht/Pt-Folie, die eine Dicke im Bereich von 1 bis 6 μm, vorzugsweise 2,5 μm aufweist.
Dabei erweist sich als besonders vorteilhaft, daß aufgrund der massearmen Struktur das Sensor-Signal nahezu trägheitslos den sich rasch ändernden Meßparametern folgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungemäßen Widerstandsanordnung besteht die Leiterbahn aus einer Gold-Schicht, wobei die Gold-Schicht eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 8 μm, vorzugsweise 2 μm bis 3 μm aufweist. Die Herstellung einer strukturierten Goid- schicht erweist sich als vorteilhaft, da galvanische Abscheideverfahren selbst für feine Strukturen nach verschiedenen Verfahren Stand der Technik sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Widerstandsanordnung ist die elektrische Leiterbahn auf einer die Ausnehmung wenigstens teilweise überdeckenden plattenförmigen Membran aufgebracht, wobei die Membran eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 50 μm aufweist. Hierbei erweist sich die erhöhte Stabilität der Leiterbahn als vorteilhaft, wie sie insbesondere bei starker mechanischer Beanspruchung - z.B. Vibration - gefordert sein kann.
Die Membran besteht entweder aus einer Glasschicht, die eine Dicke zwischen 10 μm und 50 μm aufweist, oder sie besteht vorzugsweise aus einer SiO oder Ti02-Schicht, aufgebracht in einem Dünnschicht-Verfahren, wobei sie eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm, vorzugsweise eine Dicke von 2 μm aufweist. Aufgrund der verhältnismäßig dünnen Membran ist vorteilhafterweise eine geringe thermische Trägheit und somit eine rasche Ansprechbarkeit gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiterbahn auf dem Substrat mit einer Abdeckschicht aus einem elekrisch isolierenden Werkstoff versehen, die eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 50 μm aufweist; hierdurch ist die Leiterbahn insbesondere in aggressiver Umgebung geschützt, so daß sich die Langzeit-Stabilität erhöht. Die Abdeckschicht der Leiterbahn besteht entweder aus Glas mit einer Dicke der Glasabdeckschicht im Bereich zwischen 10 μm und 50 μm oder aus einer itteles Dünnschicht-Verfahren aufgebrachten Schicht, wobei die Abdeckschicht vorteilhafterweise aus einer SiO-Schicht besteht, die eine Dicke von 1 μm bis 10 μm, vorzugsweise eine Dicke von 2 μm aufweist.
Aufgrund der verhältnismäßig dünnen Abdeckschicht ist eine rasche Ansprechbarkeit als Temperatur-Meßwiderstand gegeben, wobei dessen Außen-Oberfläche gegen Eingriffe aus der Umgebungs-Atmosphäre geschützt ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einem ersten Verfahren dadurch gelöst, daß in ein Substrat aus Keramik eine Ausnehmung eingebracht wird, diese mit Füllmaterialien aus Glaspasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel-Legierung ausgefüllt und die so entstandene Füllung mit einer äußeren Oberfläche des Substrats eingeebnet wird, daß anschließend eine Leiterbahn aus Platin oder Gold auf wenigstens einen Teil der elektrisch isolierend ausgebildeten Substrat-Oberfläche aufgebracht wird, und daß anschließ- gend das Füllmaterial weggeätzt wird, so daß die Metall-Leiterbahn die Ausnehmung in einer Ebene brückenartig überspannt.
Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, Indium als Füllmaterial einzusetzen, da es sich sehr leicht einebnen läßt und mittels einer Mischung aus: 45 g/l Ce (S04)2, 160 g/l HN03, 80 g/l H2S04 bei einer Temperatur von vorzugsweise 60°C chemisch entfernen läßt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einem zweiten Verfahren dadurch gelöst, daß in ein Substrat aus Keramik eine Ausnehmung eingebracht wird, diese mit Füllmaterialien aus Glaspasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel-Legierung ausgefüllt und die so entstandene Füllung mit der Außenoberfläche des Substrats eingeebnet wird, daß anschließend eine ebene Membran im Siebdruck- oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, daß darauf folgend eine Leiterbahn aus Platin oder Gold glavanisch oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Glas-Membran aufgebracht wird, und anschließend eine strukturierte Abdeckschicht wenigstens teilweise auf die Leiterbahn aufgebracht und zum Schluß das in der Ausnehmung befindliche Füllmaterial weggeätzt wird. Auch hierbei erweist sich der Einsatz von Indium als Füllmaterial bestens geeignet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Membran im Siebdruck-Verfahren als Glas-Membran oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilm-Membran aus SiO auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht; somit können vorteilhafterweise üliche Beschichtungs- techniken eingesetzt werden; darüberhinaus wird auch die strukturierte Abdeckschicht im Siebdruck-Verfahren als Glas oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilmschicht aus SiO auf die Leiterbahn aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Ausnehmung im Tiefenbereich von 20% bis 60% der Dicke des Substrats durch Sägen eingebracht. Es ist jedoch auch möglich, die Ausnehmung durch Laserbestrahlung auszuschneiden, so daß sie die ganze Substratdicke umfaßt; ein solches Verfahren ist vorteilhafterweise für eine serienmäßgie Fertigung von Widerständen mit geringer Exemplastreuung einzusetzen, da der später erfolgende chemische Ätzangriff zum Entfernen des Füllmaterials sehr schonend (von rückwärts) erfolgen kann.
Vorzugsweise werden Glaspasten mit annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie beim Substrat als Abdeckschicht auf Leiterbahn und Substrat aufgebracht und mit einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1.000°C, insbesondere von 850°C bis 920°C, in einem Durchlaufofen während eines Zeitraumes von ca. 20 Minuten eingebrannt. Als vorteilhaft erweist sich dabei die verhältnismäßig einfache serienmäßige Fertigung.
Weiterhin wird vorzugsweise die Leiterbahn im Dünnschicht-Verfahren aufgebracht und mittels Fotolithografie, lonenätzen und Entfernung von Photolack strukturiert; dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß eine hohe Präzision des Widerstandes erzielt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, die Leiterbahn auf einer vorher aufgebrachten Metallelektrode galvanisch in einem Resistkanal abzuscheiden und die Metallelektrode am Schluß chemisch oder per Trockenätzverfahren zu entfernen; dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß dieses Verfahren bei niedrigen Temperaturen ablaufen kann, so daß eine Rißbildung zwischen eingeebnetem Füllmaterial und Substrat verhindert wird. Alternativ können die Leiterbahnen durch das PVD- Verfahren mit Pt gefüllt und per Lift-Off-Technik anschließend separiert werden.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert.
Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erste bevorzugte Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung;
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Längsachse nach Figur 1 entlang der Linie AB gemäß Figur 1 ;
Figur 3 zeigt einen nach einem alternativen Verfahren hergestellten Widerstand, bei dem die Ausnehmung per Laserschnitt in das Keramik-Substrat eingebracht wurde;
Figur 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Platinstruktur des Meßwiderstandes auf einer Membran aufgebracht ist, die sich auf der Oberfläche des Substrats befindet;
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch die Längsachse der Figur entlang der Linie CD;
Figur 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spannungsanstieges (Spannung U als Funktion der Zeit t), wobei der Sensor mit einem Strom von 0,07 A beaufschlagt wird; die Zeitskala beträgt für die Kurven (a) und (b) 0,5 ms/div bzw. Teilstrich, für Kurve (c) 5 ms/div und für Kurve (d) 5 s/div.
Figur 7 zeigt einen Widerstand, bei dem die Leiterbahn als Mäander aus Platin oder Gold auf einer Dunnfilmmembran aufgebracht ist und im Bereich der Ausnehmung durch eine Abdeckschicht passiviert ist;
Figur 8 zeigt eine Ansprechzeitenermittlung (Spannung U als Funktion der Zeit t) für einen Widerstand mit einer Leiterbahn als Platin-Mäander der Dicke 1 ,7 μm gemäß Figur 7. Gemäß Figur 1 und 2 besteht Keramik-Substrat 1 aus einem quaderförmigen Block mit elektrisch isolierender Oberfläche auf der Basis von Keramik oder Glas; das Substrat 1 ist entlang seiner Mittelachse 2 mit einer Ausnehmung 3 versehen, die von einer als Meßwiderstand dienenden Leiterbahn 4 brückenartig überspannt wird, wobei Teile der Leiterbahn 4 im Randbereich des Substrats zur Ausnehmung auf dem Substrat befestigt sind. Die Leiterbahn ist an ihren jeweiligen Enden 5, 6 mit Anschlußkontaktfeldern 7 versehen, welche zur Verbindung mit einer elektrischen Auswerteschaltung dienen. Da die Leiterbahn mit ihrer Dicke von ca. 2,5 μm eine außerordentlich geringe Wärmekapazität aufweist, kann sie in dem die Ausnehmung 3 überbrückenden Bereich außerordentlich rasch die Temperatur der Umgebungsatmosphäre bzw. der durch Ausnehmung 3 strömenden Gasatmosphäre annehmen und somit vorteilhafterweise für eine rasche Auswertung bzw. Anzeige von thermischen Änderungen sorgen.
Weiterhin ist es vorteilhafterweise möglich, durch Aufbringung eines katalytischen Werkstoffs auf eine als Platin-Folie ausgebildete Leiterbahn Gase selektiv zu erfassen.
Das Substrat 1 besteht dabei aus einer Aluminiumoxidkeramik mit 99,6 Gewichts-% Al203 und weist eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1 ,0 mm auf; vorzugsweise liegt die Dicke des Substrats im Bereich von 0,6 bis 0,7 mm. Die Breite der Ausnehmung 3 liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1 mm, die Tiefe derselben im Bereich von 0,1 bis 0,4 mm. Die Leiterbahn 4 besteht aus einer Platinschicht der Dicke von ca. 2,5 μm, wobei auf die Platinschicht im Auflagebereich des Substrats 1 im Siebdruck-Verfahren eine Glas-Abdeckschicht 8 aufgebracht ist, wobei die Enden 5, 6 der Leiterbahn 4 von der Glas-Abdeckschicht freigelassen sind und mit einer ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgebrachten Goldschicht als Anschluß-Kontaktfelder 7 versehen sind.
Zur Herstellung werden in ein Keramik-Substrat 1 aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0,6 bis 0,7 mm, vorzugsweise 0,635 mm zeilenweise Einfräsungen für Ausnehmung 3 der Breite 0,78 mm auf einer Tiefe von 0,3 mm eingebracht. Die Einfräsungen werden per Dosierspritzen mit Glaspasten verschiedener Typen zunächst teilweise bis zu einer Frästiefe von drei Viertel gefüllt und bei einer Temperatur von 180°C während einer Stunde getrocknet; anschließend werden sie mit einer Spitzentemperatur im Bereich von ca. 850°C für 20 Minuten in einem mit Druckluft durchströmten Durchlaufofen eingebrannt. Danach erfolgt eine zweite Füllung der Einfräsungen derart, daß nach erneuter Trocknung und nach erneutem Einbren-nen der Glaspaste bei gleichen Parametern wie bei der ersten Füllung, eine Überfüilung von ca. 0,1 bis 0,2 mm der Einfräsung im Substrat 1 besteht; dies bedeutet, daß die Füllung um ca. 0,1 bis 0,2 mm über der Außenoberfläche des Substrats hervorsteht.
Danach wird die noch überstehende eingebrannte Glaspaste im Naßverfahren mittels Siliziumkarbid der Körnungen 350, 500, 800, 1200, 2400 und 4000 so abgeschliffen, daß die Übergänge im Bereich Keramiksubstrat-Glaspaste eine so geringe Unebenheit besitzen, daß sie im Bereich von weniger als 1 μm liegt. Bei einer mikroskopischen Betrachtung ist kein Spalt mehr zwischen Keramik und Glas erkennbar, welcher sich bei den Folgeprozessen negativ auswirken könnte. Die formschlüssige Ausfüllung der zeilenweise eingebrachten Ausfräsungen der Ausnehmung 3 ist letztendlich auf die Ausdehnungskoeffizienten der Gläser zurückzuführen, die im betrachteten Temperaturbereich bei ca. 7,5 x 10"6 pro Grad Celsius liegen und somit nahezu dem Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Aluminiumoxidkeramik des Substrats 1 entsprechen.
Nach einem Reinigungsprozeß werden diese so gefüllten Substrate mit einer dotierten Platinschicht der Dicke von 1 ,5 μm bis 2,5 μm bedampft; anschließend erfolgen nach dem Stand der Technik - beispielsweise der DE 36 03 785 C2 oder DE 42 02 733 C2 - bekannte Verfahrensschritte wie Fotolithografie, lonenätzen des Platin und Entfernung des Fotolackes mittels Veraschen.
Bei einer mikroskopischen Kontrolle hat sich ergeben, daß die Platinleiterbahnen mit einer Breite im Bereich von 10 μm bis 15 μm im Übergangsbereich von Keramik zu Glasplatte unbeschädigt bleiben; nach der Strukturierung erfolgt per Siebdrucken die Aufbringung einer geeigneten Glasdeckschicht 8 (z. B. IP 211 der Firma W.C. Heraeus GmbH) sowie der Anschlußkontaktfelder 7 mit einer Gold-Oberfläche. Die auf dem Nutzen-Keramik-Substrat angeordneten Meßwiderstände werden dann per Gattersäge in Einzelteile aufgetrennt; zum Schluß werden die mit den Glaspasten gefüllten Bereiche aus den Ausnehmungen 3 von den Stirnflächenseiten her herausgelöst. Dies erfolgt mittels konzentrierter HN03 (65 Prozent) bei einer Temperatur von 50°C. Ein nach diesem Verfahren hergestellter Temperatursensor weist beispielsweise folgende Daten auf:
R0 = 6,64 Ohm;
R100 = 9,12 Ohm;
Tk = 3733 ppm/K, wobei das Platin noch ungetempert ist; R = 0,043 Ohm (Quadratwiderstand);
R ist der Quotient aus spezifischem Widerstand p und Schichtdicke d (R = p / d).
Leiterbahnbreite: 50 μm,
Gesamtleiterbahnlänge: L = 8,6 mm.
Zur Ermittlung der Ansprechzeit des Sensors wird ein Meßaufbau verwendet, bei dem ein Stromgenerator ein Stromsignal von 0,100 A innerhalb einer Zeit von 0,5 ms auf den Sensor aufschaltet, der sich in einer Umgebungsatmosphäre bei einer Temperatur von T = 25°C befindet. Die Erwärmung des Sensors wird als zeitabhängiger Spannungsabfall mit einem Speiche- roszilloskop festgehalten, aus dem der zeitliche Verlauf des Temperaturanstiegs des Sensors ermittelt werden kann. Aus der Spannung U„ kann die sich einstellende Gleichgewichtstemperatur berechnet werden.
Ein nach diesen Verfahren hergestellter Temperatursensor zeigt einen schnellen Spannungsanstieg auf 0,73 Volt und infolge der Erwärmung wird ein weiterer Spannungsanstieg auf U . = 0,860 V erhalten, was einem Widerstand von Rx = 8,60 Ohm und einer Temperatur von T. = 78°C entspricht. Der Temperatursprung von ΔT = 53°C wurde innerhalb von 3,2 ms erreicht (t 50%).
Alternativ zum soeben beschriebenen Verfahren können zur Erzeugung einer freien Mäanderstruktur der Leiterbahn Prozeßschritte in Anlehnung an die von Hanke und Nohr IM, 121 beschriebene CIB-Technologie angewendet bzw. in modifizierter Form angewendet werden (CIB = Chip In Board).
/1/ Nohr, W.-D.; Hanke, G.:
Reverse Beam-Lead Interconnections for Ultra High-Speed Multichip Applications.
5th International Conference & Exhibition on Multichip Modules, Denver / USA, 17.-19.04.1996.
/2/ Hanke, G.; Nohr, W.-D.:
A new Chip Interconnection Technic for Ultra High-Speed and Millimeterwave Applications.
1996 IEEE MTTS International Microwave Symposium, San Francisco / USA, June 96. Nach dem Laserschneiden von Substratoffnungen gemäß Figur 3 wird nach einer chemischen Kantenreinigung eine Dunnfilmmetallisierung Cr/Au durch PVD-Verfahren aufgebracht Die Substratoffnungen werden anschließend von der Ruckseite her mit Indium gefüllt Danach erfolgt eine gleichmäßige Fotolackbeschichtung (Dicke z B 6μm), anschließend die Belichtung und Entwicklung des Lackes Die so freigelegten Leiterbahnen werden nun z B in einem galvanischen Feingoldelektrolyt auf eine Dicke von beispielsweise 5 μm aufgebaut Nach der Lak- kentfemung wird die Grundmetallisierung per lonenatzverfahren oder naßchemisch in einem Differenzatzprozeß entfernt Zum Schluß wird die eingebrachte Indium-Fullung chemisch wieder herausgelost
Diese Prozeßsc ritte wurden so modifiziert, um ein Bauteil mit einer freitragenden Platin-Leiter- bahnstruktur zu erhalten Dabei wurde die Cr/Au Grundmetallisierung durch eine mittels PVD- Verfahren aufgebrachte Platindunnschicht von 0,05 μm bis 0,1 μm ersetzt
Nach dem Fotostruktunerungsprozeß ist in einem sauren Platin-Elektrolyten eine 1 ,5 μm bis 3 μm dicke Platin-Leiterbahnstruktur galvanisch abgeschieden worden Die Platin-Strukturen sind per lonenatzprozeß getrennt worden, zum Schluß wurde noch ein Temperprozeß der Platin-Schicht durchgeführt Das weitere Aufbringen der Abdeck- und Kontaktierungsschichten 7, 8 geschah wie zuvor beschrieben
Figur 4 zeigt eine Ausfuhrungsform des Widerstandes, bei dem das gleiche Substrat 1 mit Ausnehmung verwendet wird, wie in dem zuvor erläuterten ersten Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 und 2 Im Gegensatz hierzu wurde die Oberflache des Substrats 1 durch eine ebene platten- formige Membran 10 aus Glas abgedeckt, welche die Ausnehmung 3 nach oben hin abschließt, auf dieser Membran 10 ist sodann die Leiterbahn 4 als Platinbeschichtung aufgebracht, wobei ahnlich wie anhand Figur 1 und 2 erläutert, die Enden 5 und 6 der Leiterbahn jeweils mit Anschlußkontaktfeldern 7 verbunden sind, welche ebenfalls auf der Membran 10 aufgebracht sind Die Struktur der Leiterbahn 4 ist ebenso wie die Glas-Abdeckschicht 8 durch Siebdruckverfahren aufgetragen, die Gesamtglasdicke der Membran 10 liegt im Bereich von 10 μm bis 50 μm
Figur 5 zeigt eine Schnittdarstellung quer zur Achse 2 entlang der Linie CD der Figur 4
Zur Herstellung wird ein Silberprofildraht mit den Abmessungen 0,79 mm x 0,28 mm auf Substrat-große abgelangt und mittels einer bei ca 900°C aufschmelzenden Glaspaste z B des Typs IP 156 der Firma W C Heraeus GmbH, in die Ausnehmung nahezu eben eingebettet Anschließend wird eine Abdeckplatte mittels zweier Klammern auf dem Substrat befestigt. Die Glaspaste wird danach bei einer Temperatur T = 120°C für zwei Stunden getrocknet und bei einer Spitzentemperatur von ca. 920°C während einer Dauer von zwanzig Minuten eingebrannt. Dann erfolgt ein zweimaliger Siebdruck einer anderen Glaspaste mit anschließender Trocknung und Einbrand bei einer Spitzentemperatur von 850°C während einer Dauer von zwanzig Minuten. Hieraus resultiert die bereits vorher erwähnte Gesamtglasdicke der Membran 10 von 10 μm bis 50 μm; nach Reinigung der Glasoberfläche wird der bereits anhand der Figuren 1 und 2 beschriebene Prozeß geführt bis zur anschließenden Vereinzelung der Einzelsubstrate.
Die Einzelteile werden in konzentrierter Salpetersäure bei einer Temperatur von 50°C geätzt, um das Silberprofilband vollständig zu entfernen; ein nach diesem Ausführungsbeispiel hergestellter Temperatursensor weist folgende Daten auf, wobei die Platindicke 2 μm beträgt:
R0 = 8,70 Ohm;
R25= 9,54 Ohm;
R100 = 1 1 ,97 0hm;
Tk = 3754 ppm/K;
R = 0,054 Ohm (Quadratwiderstand); D
Leiterbahnbreite: 20 μm,
Gesamtleiterbahnlänge: L = 3,5 mm.
Gemäß Figur 6 wurde der gleiche Aufbau zur Messung wie nach dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet; der Sensor wurde hierbei mit einem Strom von 0,07 A beaufschlagt. Dabei wird am betrachteten Sensor ein rascher Spannungsanstieg auf U = 0,67 V innerhalb von 0,5 ms beobachtet; infolge der einsetzenden Erwärmung steigt die Spannung U = 1 ,2 V an, was einem Widerstand von R∞ = 17,14 Ohm und einer Temperatur von T∞ = 279°C entspricht. Der Temperatursprung von ΔT = 254°C wird innerhalb von 5 ms (t 50%) erreicht.
In Figur 6 sind die erzielten Meßkurven dieses Ausführungsbeispieles dargestellt. An einem rein Ohmschen Widerstand von 6,8 Ohm (Meßkurve a; Zeitskala: 0,5 ms/div.) ist nach einer generatorbedingten Einschwingzeit von ca. 0,5 ms kein weiterer Spannungsanstieg und somit kein Temperaturanstieg erkennbar. Dieses Verhalten ist bei dem Platintemperatursensor gemäß Ausführungsbeispiel 2 grundlegend anders; der Meßwiderstand heizt sich gemäß den dargestellten zeitlichen Meßkurven b) (Zeitskala: 0,5 ms/div), c) (Zeitskala: 5 ms/div) und d) (Zeitskala: 5 s/div) auf und erreicht eine Gleichgewichtstemperatur von ca. 279°C.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7, ist die Membran 10 durch ein PVD-Verfahren in einer Dicke von 2 μm aufgebracht worden. Zusätzlich wurde eine dünne Pt-Elektrode der Dicke 0,05 μm im gleichen PVD-Prozeß mit aufgebracht. Nach dem Fotostrukturierungsprozeß sind die Leiterbahnen freigelegt worden; diese wurden anschließend in einem sauren Pt-Elektrolyten in einer Dicke von ca. 1 ,8 μm galvanisch erzeugt. Nach der Entfernung des Fotolackes wurde das Substrat gemäß den Einzelsensoren in einer Diamantsäge geritzt und anschließend die Indium- Füllung in den quadratischen Substrataussparungen naßchemisch entfernt. Nun wurde eine Differenzätzung des Platin von ca. 0,1 μm per lonenätzprozeß durchgeführt, um die Leiterbahnen elektrisch zu trennen; danach erfolgte eine Temperung. Selektiv ist nun eine zweite SiO- Schicht in gleicher Dicke als Abdeckschicht 8 mittels PVD-Verfahren aufgebracht worden, dann erfolgte ein Gold-Siebdruck der Kontaktierungsflächen 7.
Ein solcher Widerstand zeigt in einem dynamischen Test ein Verhalten, wie es in Figur 8 dargestellt ist. Die Werte für diesen Sensor betrugen:
R0 = 9,17 Ohm;
R100 = 12,70 Ohm;
Temperaturkoeffizient Tk = (R100 - R0) / 100 • R0 = 3849 • 10"6 K
Mit den angegebenen elektrischen Strömen wurde der Platin-Mäander von Raumtemperatur ausgehend auf die in Figur 8 angegebenen Temperaturen aufgeheizt.
Die Zeit, um 50% dieses Temperatursprunges zu erreichen, ist ebenfalls in Figur 8 mit angegeben und beträgt für ein solches Widerstand t (50%) = 5 ms.
Mit diesem Widerstand wurde noch ein zwanzig stündiger Temperaturwechseltest durchgeführt.
Dabei wurde der Widerstand mit einer Frequenz von f = 30 Hz während der genannten 20 Stunden elektrisch 2.160.000 mal von Raumtemperatur auf eine Temperatur T = 370°C aufgeheizt; dieser Test wurde vom Widerstand unbeschadet überstanden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Widerstand, insbesondere temperaturabhängiger Meßwiderstand schneller Ansprechzeit, mit einer Leiterbahn, die mit wenigstens zwei Anschluß-Kontaktfeldern versehen ist, die auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, wobei ein Teil der Leiterbahn wenigstens eine Ausnehmung (3) des Substrats (1) brückenartig überspannt und die Leiterbahn (4) in einer Ebene angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Keramik oder Glas besteht und daß die Leiterbahn im Randbereich des Substrats zur Ausnehmung benachbart auf der elektrisch isolierenden Oberfläche des Substrats (1 ) befestigt ist.
2. Widerstand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) wenigstens im Bereich der Ausnehmung (3) in Form eines Mäanders ausgebildet ist, wobei die jeweiligen Umkehrbereiche des Mäanders im Randbereich der Ausnehmung auf der elektrisch isolierenden Oberfläche des Substrats befestigt sind, während die Zwischenstege des Mäanders die Ausnehmung brückenartig überspannen.
3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) aus einer Platinschicht/Pt-Folie besteht.
4. Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinschicht/Pt-Folie eine Dicke im Bereich von 1 bis 6 μm, vorzugsweise 2,5 μm, aufweist.
5. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) aus einer Gold-Schicht besteht.
6. Widerstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold-Schicht eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 8 μm, vorzugsweise 2 μm bis 3 μm, aufweist.
7. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leiterbahn (4) auf einer die Ausnehmung (3) wenigstens teilweise überdeckenden plattenförmigen Membran (10) aufgebracht ist, wobei die Membran eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 50 μm aufweist. Widerstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus einer Glasschicht besteht und eine Dicke zwischen 10 μm und 50 μm aufweist
Widerstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus einer SiO-Schicht, aufgebracht in einem Dunschicht- Verfahren, besteht und eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm, vorzugsweise eine Dicke von 2 μm, aufweist
Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) auf dem Substrat (1) mit einer Abdeckschicht (8) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff versehen ist, die eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 50 μm aufweist
Widerstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (8) aus Glas besteht
Widerstand nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Glasabdeckschicht im Bereich zwischen 10 μm und 50 μm liegt
Widerstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (8) aus einer mittels eines Dunnschicht-Verfahren aufgebrachten Schicht besteht
Widerstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (8) aus einer SiO-Schicht besteht und diese eine Dicke von 1 μm bis 10 μm, vorzugsweise eine Dicke von 2 μm, aufweist
Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes, insbesondere Meßwiderstandes für einen schnellansprechenden Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1) aus Keramik eine Ausnehmung (3) eingebracht wird, diese mit Fullmateπalien aus Glaspasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel-Legie- rung ausgefüllt und die so entstandene Füllung mit einer äußeren Oberflache des Substrats (1 ) eingeebnet wird, daß anschließend eine Leiterbahn (4) aus Platin oder Gold auf wenigstens einen Teil der elektrisch isolierend ausgebildeten Substrat-Oberflache aufgebracht wird, und daß anschließend das Fullmateπal weggeatzt wird, so daß die Metall- Leiterbahn (4) die Ausnehmung (3) in einer Ebene bruckenartig überspannt
Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes, insbesondere Meßwiderstandes für einen schnellansprechenden Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1 ) aus Keramik eine Ausnehmung (3) eingebracht wird, diese mit Fullmateπalien aus Glaspasten, Glaskeramik, Glaslot, Silber, Indium, Nickel oder einer Silber-Nickel-Legierung ausgefüllt und die so entstandene Füllung mit der Außenoberfläche des Substrats (1 ) eingeebnet wird, daß anschließend eine ebene Membran (10) im Siebdruck- oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, daß darauf folgend eine Leiterbahn (4) aus Platin oder Gold galvanisch oder im Dünnschicht-Verfahren auf die Glas-Membran (10) aufgebracht wird, und anschließend eine strukturierte Abdeckschicht (8) wenigstens teilweise auf die Leiterbahn (4) aufgebracht und zum Schluß das in der Ausnehmung (3) befindliche Füllmaterial weggeätzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) im Siebdruck-Verfahren als Glas-Membran oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilm-Membran aus SiO auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Abdeckschicht (8) im Siebdruck-Verfahren als Glas oder im Dünnschicht-Verfahren als Dünnfilmschicht aus SiO auf die Leiterbahn (4) aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) im Tiefenbereich von 20% bis 60% der Dicke des Substrats (1) eingebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (3) per Laserbestrahlung ausgeschnitten wird und die ganze Substratdicke umfaßt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspasten mit annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Substrat (1) als Abdeckschicht auf Leiterbahn (4) und Substrat (1) aufgebracht werden, die mit einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1.000°C, insbesondere von 850°C bis 920°C, in einem Durchlaufofen während eines Zeitraumes von ca. 20 Minuten eingebrannt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllmaterial ein Profilband aus Silber oder Nickel oder ein Legierungsmaterial dieser beiden Metalle eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) im Dünnschicht-Verfahren aufgebracht wird und mittels Fotolithografie, lonenätzen und Entfernung von Photolack strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) auf einer vorher aufgebrachten Metallelektrode galvanisch in einem Resistkanal abgeschieden wird und die Metallelektrode am Schluß chemisch oder per Trockenätzverfahren entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) in einem fotolithografisch erzeugten Resistkanal durch ein PVD-Verfahren abgeschieden wird und der Fotolack anschließend entfernt wird.
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