DE2530627A1

DE2530627A1 - Elektrische praezisionswiderstandsschaltung

Info

Publication number: DE2530627A1
Application number: DE19752530627
Authority: DE
Inventors: Robert Ferry
Original assignee: Welwyn Electric Ltd
Current assignee: Welwyn Electric Ltd
Priority date: 1974-07-09
Filing date: 1975-07-09
Publication date: 1976-01-22
Also published as: US3995249A; GB1477007A; DE7521840U

Description

Patentanwalt Dr. tvr.net. Günter Bunse

8 München 80

Stiickitraße 6 ■ TsJ. 476814

9, dutt 1975

Welwyn Electric Limited Bedlington, ,Northumberland Großbritannien

Elektrische Präzisionswiderstandsschaltung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Präzisionswiderstandsschaltung mit zwei oder mehr elektrischen Widerstandselementen ,undist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, bei Spannungsteilern anwendbar. Der vorstehend verwendete Ausdruck "elektrische Widerstandselemente" schließt eine Anordnung mit ein, bei welcher eine Widerstandsschicht in zwei oder mehr Abschnitte bzw. Bereiche aufgeteilt ist, indem zwischen die zwei Schichtenenden ein oder mehrere Ansdi lüsse zum Abgreifen 'einer elektrischen Spannung zwischengeschaltet sind.

Es wird oft gefordert, ein Netzwerk bzw. eine Schaltung aus elektrischen Schichtwiderstandselementen auf einem flachen, isolierenden Substrat bzw. Trägermaterial in der Weise zu schaffen, daß bestimmte vorgeschriebene elektrische Parameter für jedes der Elemente unter einer Vielzahl verschiedener Betriebsbedingungen einschließlich verschiedener Umgebungstemperaturen und bei verschiedenen elektrischen Belastungen eine vorgegebene Beziehung zu den (Parametern) aller übrigen Elemente beibehalten. Wenn dieser

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Forderung entsprochen ist, wird die sich ergebende Charakteristik als "Mitlaufen bzw. Mitgehen" der Widerstandswerte bezeichnet; diese Charakteristik ist besonders wichtig, beispielsweise bei allen Elementen einer Präzisions-Spannungsteilerschaltung oder in sogenannten Ketten-(Teiler-)Schaltungen, bei welchen an die Enden v-n in Reihe geschalteten, elektrischen Widerstandselementen eine Spannung angelegt wird, und eine Spannungsteilung dadurch erreicht ist, daß die geforderte Spannung an einem oder mehreren der Elemente der Kettenbzw. Spannungsteilerschaltung abgegriffen wird.

Es sind Versuche gemacht worden, um ein entsprechendes "Mitlaufen oder Mitgehen" der Elemente zu erreichen, indem sie bezüglich ihres Widerstan dswerts im wesentlichen denselben Temperaturkoeffizienten aufweisen und so angeordnet sind, daß die elektrische Belastung pro Flächeneinheit der Elemente konstant ist; diese Versuche, ein genaues Mitlaufen oder Mitgehen der Widerstandselemente zu erhalten, sind jedoch nicht erfolgreich gewesen.

Eine der Schwierigkeiten, welche insbesondere bei der Herstellung von dünnen Schichtwiderständen bzw. -schaltungen auf isolierenden Trägermaterialien oder Substraten auftreten, ist die, daß die Oberfläche des Trägermaterials oder Substrats, auf welchem die Widerstandselemente aufgebracht sind, sehr glatt und eben sein muß und Substrate oder Trägermateriaüen aus Glas sich in dieser Hinsicht als brauchbar erwiesen haben. Jedoch hat sich herausgestellt, daß bei Schaltungen, beispielsweise bei Spannungsteilern, welche auf Trägermaterialien oder Substraten aus Glas aufgebracht sind, die Schwierigkeit, ein entsprechendes Mitlaufen bzw. Mitgehen der Elemente der Schaltung zu erreichen, besonders groß ist.

Von der Anmelderin ist festgestellt worden, daß in einer bekannten Anordnung einer Schaltung bzw. eines Netzwerkes aus elektrischen Schichtwiderstandselementen auf einem flachen isolierender. Trägermaterial oder Substrat jedes Element und/oder

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Teile von einzelnen Elementen bei verschiedenen Temperaturen anders ist oder sind, und daß diese Tatsache bzw. Beobachtung zur Folge hat, daß kein entsprechend zufriedenstellendes Mitgehen oder Mitlaufen des Widerstandswerts geschaffen werden kann.

Gemäß der Erfindung ist daher eine elektrische Präzisionswiderstandsschaltung geschaffen, welche ein elektrisch isolierendes Trägermaterial bzw. Substrat mit mindestens zwei darauf aufgebrachten elektrischen Schichtwiderstandselementen aufweist, welche genau denselben Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die Einrichtung so ausgebildet und angeordnet ist, daß Temperaturunterschiede, welche sich durch das Anschließen der Widerstandsschaltung an eine elektrische Schaltung ergeben, auf ein Minimum herabgesetzt sind, Diese Reduzierung der Temperaturunterschiede auf ein Minimum kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß Teile bzw. Bereiche der Schichtelemehte (natürlich einschließlich gesonderter Elemente, die mit einem oder mehreren Leitern verbunden sind) auf dem Substrat oder Trägermaterial in der Weise angeordnet sind, daß während des Betriebs die Temperatur der Elementteilbereiche dazu neigt, sich auszugleichen oder ins Gleichgewicht zu kommen, und/oder daß das Trägermaterial oder Substra-t mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (z.B. einer wärmeleitenden Schicht) versehen wird, über welche Wärme abfließen kann, so daß der Neigung, daß Temperaturunterschiede in Schichtelementabschnitten oder -bereichen vorkommen, entgegengewirkt ist (und sie dadurch unwirksam gemacht sind).

Wie vorstehend aufgezeigt, kann das Minimum von zwei Widerstandselementen mindestens zwei gesonderte Schichten auf dem Trägermaterial oder Substrat aufweisen; andererseits können sie mindestens zwei Teile einer einzigen Schicht aufweisen, welche mit mindestens einer Abgriffstelle versehen ist.

Bei einer Ausführungsform sind die zwei oder mehr Widerstandselemente nebeneinander auf dem Trägermaterial oder Substrat

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in der Weise doppelt bzw. paarig angeordnet, daß die mittlere Temperatur j^des Elementes im wesentlichen bzw. genau diegleiche ist. Bei dieser Ausführungsform weisen die Widerstandselemente vorzugsweise die Form von mäanderförmig geführten Bahnen aus Widerstandsmaterial auf, um dadurch die Ausbildung von hohen Widerstandswerten und auf diese Weise das Anordnen bzw. Festlegen eines Elementes in unmittelbarer Nähe von dem anderen zu erleichtern; hierbei ist ein Widerstandselement so angeordnet und festgelegt, daß es dazu neigt, daß seine Durchschnittstemperatur bezüglich der des anderen Widerstandselementes ausgeglichen bzw. ins Gleichgewicht gebracht ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat oder Trägermaterial mit einer Wärmeübertragungs- bzw. -abgebeeinrichtung versehen, welche bezüglich des Materials wärmeleitend ist. hierbei besteht die Einrichtung aus einem Material mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als die des Trägermaterials oder Substrats. Diese Wärmeübertragungs- .bzw. -abgabeeinrichtung kann eine Schicht oder Lage aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, oder aus einem Metall oder aus einer Legierung mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kovar (registriertes Warenzeichen) sein, welche in thermischem Kontakt mit der Hauptflache des Substrats oder Trägermaterials steht, welche der mit den aufgebrachten Widerstandselementen gegenüberliegt bzw. angeordnet ist. Andererseits kann die Metallschicht oder -lage in Kontakt bzw. in Verbindung mit der Fläche des Tx agermaterials sein, welches die aufgebrachten Widerstandselemente aufweist; hierbei ist eine dünneSchicht aus einem elektrisch isolierenden Material zwischen den Elementen und der Metallage" oder -schicht aufgebracht. Statt eines Metalls kann auch ein nichtmetallisches Material mit einem hohen Wärmeleitvermögen, z.B. Berylliumoxyd als Wärmeübertragungs- bzw. -abgabeeinrichtung verwendet werden.

Mittels der Wärmeübertragungs- bzw. -abgebeeinrichtung kann über allen Teilen des Trägermaterials oder Substrats, welche

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mit der Einrichtung in Verbindung stehen, eine im wesentlichen gleichförmige bzw. gleichmäßige Temperatur erhalten werden. Die zwei vorbeschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können kombiniert und zusammengefaßt werden, so daß die Widerstandselemente mäanderförmig und nebeneinander auf einem Substrat oder Trägermaterial angeordnet und festgelegt sind, auf welchem eine Wärmeübertragungs- bzw. -abgabeeinrichtung, wie beispielsweise eine wärmeleitende Schicht, vorgesehen ist.

Auch ist die Erfindung insbesondere bei Substraten oder Trägermaterialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit anwendbar, beispielsweise bei Glassubstraten, Porzellan, Steatit-bzw. Speckstein-Keramiksubstraten, Aluminiumoxyd-Keramiksubstraten mit einem niedrigen Aluminiumoxydgehalt und bei Substraten aus Kunstharzmaterialien. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der elektrischen Widerstandsschaltung gemäß der Erfindung ist eine Präzisions-Spannungsteilerschaltung, wo ein genaues Mitgehen bzw. ein Gleichlauf der den Spannungsteiler bildenden Widerstandselemente erforderlich ist. Das elektrische Schichtwiderstandselement kann irgendein Widerstandsmaterial sein, welches auf ein flaches, ebenes, isolierendes Trägermaterial oder Substrat aufgebracht werden kann, um zwei oder mehr Widerstandselemente zu bilden; Beispiele hierfür sind im Vakuum aufgedampfte Metalle, chemisch aufgebrachte Metalle, schirmförmig aufgebrachte gedruckte Keramikmaterialien und leiter- :e Kunstharzmaterialien sowie andere bekannte Materialien.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig.l eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung; und

Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung«

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In Fig. 1 ist ein Glassubstrat bzw. -trägermaterial 1 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit (z.B. in der Größenordnung von lW/m/°C), beispielsweise des Typs 70591 das von den Corning GlassWorks hergestellt wird, mit einem ersten Widerstandselement 2 und einem zweiten Widerstandselement 3 versehen, welches neben dem Element 2 und mäanderförmig zu diesem angeordnet ist. Die Elemente 2 und 3 wei sen die Form von mäanderförmigen Bahnen auf und haben im wesentlichen denselben Widerstandstemperaturkoeffizienten und sind dementsprechend aus demselben elektrischen Widerstandsmaterial hergestellt. Die in Fig.l dargestellte Einrichtung kann als Spannungsteiler, insbesondere bei Anliegen von Hochspannung verwendet werden, und die Elemente 2 und 3 bestehen dementsprechend aus einer Nickel-Chromlegierung, welche mittels eines bekannten Verfahrens (z.B. Aufdampfen im Vakuum) aufgebracht ist; beispielsweise beträgt ein entsprechender Widerstandswert für das Element 2 9j9M^2- und für das Element 3 100kS2. . Das Widerstandsmaterial kann beispielsweise auf der gesamten Fläche des Substrats oder Trägermaterials 1 aufgebracht sein und die Elemente 2 und 3 können später hergestellt werden, indem bekannte photolithographische und Ätztechniken angewendet werden. Anschlüsse 4 bis 7 sind an den Enden der Elemente 2 und 3 vorgesehen; diese Anschlüsse sind beispielsweise vergoldet, damit an sie beispielsweise durch Anschweißen oder Anlöten Außenleiter leichter angebracht werden können.

Bei Verwendung als Spannungsteiler sind die Anschlüsse 6 und 7 mittels eines elektrischen Leiters 8 so miteinander verbunden, daß die Elemente 2 und 3 in Reihe geschaltet sind; die Anschlüsse 4 und 5 sind mit einer Spannungsquelle verbunden und eine Ausgangsspannung wird durch Abgriff an dem Element 3 erhalten, dessen Verbindungsleitungen zu diesem Zweck mit den Anschlüssen 5 and 6 verbunden sind.

Die Anordnung des Elements 3 bezüglich des Elements 2 auf dem Trägermaterial oder Substrat 1 ist hierbei ausschlaggebend. Entlang der Länge eines Widerstandselements, das auf einem Trä—

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germaterial oder Substrat mit niedriger Wärmeleitfähigkeit aufgebracht und einer elektrischen Belastung ausgesetzt ist, ergeben sich Temperaturunterschiede bzw. Abweichungenj so ist die Temperatur an den Enden nahe bei den Anschlüssen am niedrigsten und in der Mitte dazwischen am höchsten. An irgendeiner Stelle zwischen der mittleren Zone und jedem Ende gibt es einen Bereich, wo die Temperatur einen Wert aufweist, welcher dem Mittel- oder Durchschnittswert des gesamten Elements entspricht, Wenn eine Spannung zwischen den Anschlüssen k und 5 angelegt wird, dann steigt die Temperatur der Elemente 2 und 3 an, Die Temperatur des Elements 2 weist an den Enden 9 und 10 unmittelbar bei den Anschlüssen k bzw. 7 den niedrigsten und entlang der Länge des Elements zwischen den Enden 9 und 10 den höchsten Wert auf. Das Element 2 ist in Form von mäanderförmigen Schleifen· angeordnet , von welchen eine entsprechend geformt und ausgebildet ist, daß sie insgesamt dem Element 3 angepaßt ist; diese mit dem Bezugszeichen 11 versehene Schleife liegt auf einer Temperatur, deren Wert der Mittel- oder Durchschnittswert zwischen den niedrigsten und höchsten Werten ist. Durch diese Anordnung ist sichergestellt, daß die Mittel- oder Durchschnittstemperatur der Elemente 2 und 3 im wesentlichen dieselbe ist, und wenn eine Spannungsteilung durch einen Abgriff zwischen den Anschlüssen 5 und 6 durchgeführt wird, bleibt das Teilerverhältnis unabhängig von der jeweiligen elektrischen Belastung im wesentlichen dasselbe. Aufgrund dieses zufriedenstellenden und den Erwartungen entsprechenden Mitgehen bzw. dem Gleichlauf der Elemente .2 und 3 ergibt sich eine Spannungsteilerschaltung hoher Präzision und Genauigkeit.

In Fig.2 ist eine weitere Ausfürhungsform dargestellt, in welcher eine weitere Möglichkeit gezeigt ist, um die Schwierigkeit zu lösen, ein zufriedenstellendes und ausreichendes :Mitgehen der Widerstandselemente zu erreichen. Ein Glassubstrat 12, z.B. Glas des Typs 7059 der Corning Glass Works mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit ist auf seiner Oberfläche mit einem ersten Widerstandselement 13 und mit einem in Reihe zu diesem geschalteten zweiten Widerstandselement Ik versehen.

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Diese Elemente sind als eine Einheit aus demselben Widerstandsmaterial gebildet und haben folglich genau dengleichen Widerstandstemperaturkoeffizienten. Die dargestellte Anordnung kann als Spannungsteiler betrieben werden. Die Elemente 13 und Ik sind aus einer Legierung hergestellt, wie beispielsweise Nickel-Chrom und beispielsweise durch Aufdampfen in Vakuum aufgebracht; die mäanderförmige Bahnanordnung kann mittels bekann-

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ter lithographischer und Ätzverfahren erreicht werden, nachdem eine Nickel-Chromschicht auf der gesamten Oberfläche des Substrats oder Trägermateriais aufgebracht ist. An den Wider Standselementen 13 und 14 sind Anschlüsse 15 bis 17 aus demselben Material wie die Elemente vorgesehen; sie sind jedoch metallisiert, beispielsmse vergoldet, damit an sie Anschlußleitungen angebracht, beispielsweise angeschweißt werden können. Eine Wärmeübertragungs- bzw. -abgabeeinrichtung ist in Form einer Lage oder Schicht 18 aus Aluminium oder Kupfer oder Berylliumoxyd vorgesehen, welche eine thermische Verbindung mit der Hauptfläche des Substrats oder Trägermaterials 12 hat, welche der Fläche gegenüberliegt, auf welcher die Widerstandselemente aufgebracht sind. Hierbei kann ein dünner Film eines Epoxyharz-Klebemittels verwendet werden, um die Schicht oder Lage 18 an dem Substrat oder Trägermaterial zu befestigen.

Eine Spannungsquelle wird an die Anschlüsse 15 und 17 angeschlossen und eine Spannungsteilung wird durch einen Abgriff zwischen den Anschlüssen 16 und 17 erreicht. Die angelegte Spannung hat einen Temperaturanstieg an den Elementen 13 und Ik zur Folge. Bei Fehlen der Lage oder Schicht l8 würde der Mittel- oder Durchschnittswert der Temperatur in jedem dieser beiden Elemente infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Substrats oder Trägermaterials 12 verschieden sein. Das Element Ik₁ welches kleiner bzw. kürzer als das Element 13 ist und mehr zum Rand des Substrats oder Trägermaterials angeordnet ist, würde nicht dieselbe Temperatur wie das größere Element 13 haben, welches über dem Hauptteil des Substrats angeordnet und verteilt ist- Bei Fehlen der Schicht oder Lage 18 sind somit die Widerstandswerte der Elemente 13 und Ik nicht

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abgeglichen, obwohl ihre Widerstandstemperaturkoeffizienten diegleichen sind, und das Spannungsteilerverhältnis würde sich entsprechend der jeweiligen elektrischen Belastung ändern. Durch das Vorsehen und Anbringen der Lage und Schicht 18 auf der Rückseite des Trägermaterials oder Substrats, wobei die Schicht l8 im Vergleich mit dem Trägermaterial 12 eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit hat, und Wärme von den wärmsten Zonen des Substrats 12 au den kältesten Zonen leitet, können alle Teile des Substrats oder Trägermaterials im wesentlichen dieselbe Temperatur erreichen, und-zwar mit dem Ergebnis, daß die mittlere Temperatur jedes der Elemente 13 und 14 im wesentlichen die gleiche ist, so daß die Widerstandswerte der Elemente 13 und l4 unabhängig von der jeweiligen elektrischen Belastung mitgehen und entsprechend abgeglichen sind.

Erforderlichenfalls kann die Wärmeübertragungs- bzw. -abgabeeinrichtung, wie beispielsweise die in Fig.2 dargestellte Lage oder Schicht auch bei der anhand von Fig.l beschriebenen Äusführungsform angebracht werden, wodurch dann das Mitgehen und der Abgleich noch weiter verbessert ist. Obwohl die vorbeschriebenen und in den Fig.1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ' Spannungsteilerschaltungen betreffen, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf derartige Schaltungen und Netzwerke beschränkt^ sondern kann auch bei anderen Netzwerken oder Schaltungen angewendet werden, wo die Widerstandswerte von zwei oder mehr auf einem isolierenden Trägermaterial oder Substrat aufgebrachten Elemente in gleicher Weise mitgehen müssen.

Patentansprüche

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Claims

Pat ent ansprüch e

1, Elektrische Präzisionswiderstandsschaltung gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes Substrat oder Trägermaterial (1 bzw. 12) mit mindestens zwei darauf aufgebrachten elektrischen Schichtwiderstandselementen (2_t 3i bzw. 13» 1%)_t welche im wesentlichen denselben Widerstandstem-

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peraturkoeffizient aufweisen,wobei die Schaltung so ausgebildet und angeordnet ist, daß die sich beim Anschluß der Widerstandsschaltung an eine elektrische Schaltung ergebenden Temperaturunterschiede auf ein Minimum herabgesetzt sind.
2. Schaltuag nach Anspruch 1, dadurch gekennzexc hn e t, daß das Substrat oder Trägermaterial (12) mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (l8) versehen ist, über welche Wärme fließen kann, so daß der Neigung, daß Temperaturunterschiede in den Schichtelementen (13> 1^) auftreten, entgegengewirkt ist«
3- Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzexc h.-n e t, daß die Widerstandselemente (2, 3) doppelt oder paarig und nebeneinander auf dem Trägermaterial oder Substrat in der Weise angeordnet und festgelegt sind, daß die Mittel temp er a tür jedes Elementes genau dieselbe ist.
4. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den doppelt bzw. paarig arigeordenten Elementen (2, 3) eine Wärmeübertragungs- bzw. abgabeeinrichtung (l8) vorgesehen ist, über welche Wärme entlang des Substrats oder Trägermaterials (12 oder l) fließen kann.

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