DE2552806A1

DE2552806A1 - Praezisionswiderstaende

Info

Publication number: DE2552806A1
Application number: DE19752552806
Authority: DE
Inventors: Gerald R Bretts
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-25
Publication date: 1976-08-12
Also published as: NL7513557A; JPS5177856A; FR2293042A1; GB1530910A; CA1048303A

Description

Die Erfindung betrifft Präzisionswiderstandsbauelemente, insbesondere solche, die amorphe Metallegierungen als Widerstandselemente benutzen.

Widerstände für elektrische Instrumente lassen sich in zwei willkürliche Klassen, bezogen auf den zulässigen Fehler, einteilen: Solche zur Verwendung in Präzisionsgeräteausrüstungen, deren Gesamtfehler beträchtlich kleiner als 1 % ist, und solche zur Verwendung in Geräten, wo geringere Präzision verlangt wird. Die Erfindung bezieht sich auf Widerstände, die in die erstere Klasse fallen.

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Zu den Präzisionswiderständen gehören Widerstandslernente, die ihrerseits aus Materialien mit vielen Erfordernissen zusammengesetzt sind, die für beste Leistung erfüllt werden müssen. Zweckmäßig soll der spezifische Widerstand hoch sein, um die Abmessungen des Widerstandsbauelementes herabzusetzen. Typisches Widerstandsmaterial zur Verwendung in Präzisionswiderständen soll einen spezifischen Widerstand zwischen 50 und 150 Mikroohmcm haben. Das Widerstandsmaterial muß gegenüber Kupfer ein kleines oder vernachlässigbares thermoelektrisches Potential haben, weil gewöhnlich Kupfer das Verbindungsmaterial ist. Bevorzugte thermische EMK-Werte liegen bei etwa 1 Mikrovolt/C. Bei einem aus Draht gewickelten Widerstandsaufbau müssen die Expansionskoeffizienten sowohl des Widerstandselementes als auch der Isolierung, auf die er gewickelt ist, in Betracht gezogen werden, weil Belastungen auftreten können, die Verändungen sowohl im Widerstand als auch im Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hervorrufen. Bevorzugte Werte für die Wärmedehnung des Widerstandselementes betragen annähernd O,33,u/°C (13 Mikrozoll/°C) . Die Beständigkeit oder Haltbarkeit des Nennwiderstandswertes innerhalb enger Grenzen über einen langen Zeitraum ist vielleicht die wichtigste Bedingung für Ultrapräzisionswiderstände. Schließlich soll der Temperaturkoeffizient bei Präzisionswiderständen niedrig sein, um Temperatureinflüsse auf den Widerstandswert auszuschalten. Das ideale Material für Präzisionswiderstände sollte einen Temperaturkoeffizienten von 0 oder nahezu 0 für den betreffenden Arbeitsbereich haben.

Untersuchungen haben zu einer Anzahl polykristalliner Metallegierungen geführt, die zur Verwendung als. Widerstandsmaterial

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geeignet sind. Man suchte indessen ständig nach neuen Zusammensetzungen, bei denen die vorstehend genannten Eigenschaften verbessert sind.

Die physikalischen Eigenschaften von amorphen Metallegierungen sind auch Gegenstand von Untersuchungen gewesen. In neuerer Zeit wurden Zusammensetzungen, wie (Fe, Ni) «,-P-icC-iq und Ni₄₁Pd..jB.. g von hohem spezifischem Widerstand beschrieben, siehe beispielsweise Pyhsics Letters, Band 42A, Seiten 407 bis 409 (1973)· und Physical Review B, Band 7, Seiten 3215 bis 3225 (1973). Diese Zusammensetzungen zeigen jedoch einen untragbar hohen Temperaturkoeffizienten für den spezifischen Widerstand, um für Präzisionswiderstandsanwendungen brauchbar zu sein.

Die Präzisionswiderstände gemäß der Erfindung verwenden gewisse amorphe Metallegierungen als Widerstandselemente. Die Metallegierungen sind zumindest 50 % amorph, wie durch Röntgenstrahlenbeugung ermittelt wurde, und vorzugsweise sind die zu mindestens 80 %, inabesondere zu mindestens 95 % amorph. Die amorphen Metallegierungen bestehen bezeichnenderweise im wesentlichen zu etwa 70 bis 87 Atom-% aus mindestens einem Übergangsmetallelement und zu etwa 13 bis 3O Atom-% aus mindestens einem Metalloidelement, wie Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn. Zweckmäßig kann die Zusammensetzung als MX, wiedergegeben werden, worin M mindestens eines der Elemente Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom und Vanadium und X mindestens eines der Elemente Phosphor und Bor bedeutet, a im Bereich von etwa 75 bis 80 Atom-% und b im Bereich von etwa 15 bis 25 Atom-% liegen. Bei Benutzung als Präzisionswiderstandselemente zeigen diese amorphen Metallegierungen

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allgemein überlegene Eigenschaften gegenüber bekannten polykristallinen Metallegierungen, wie sie bisher benutzt worden sind.

Es ist noch keine Theorie entwickelt worden, um viele makroskopische physikalische Eigenschaften von polykristallinen Metalllegierungen und von amorphen Metallegierungen von praktisch derselben Zusammensetzung in Beziehung zu setzen. Viele physikalische Eigenschaften früher beschriebener amorpher Metallegierungen neigen zur Veränderung bei erhöhten Temperaturen. Im Gegensatz hierzu weist jedoch eine Klasse von amorphen Metallegierungen, deren Zusammensetzungen nachstehend angegeben werden, den hohen spezifischen Widerstand und überraschenderweise den niedrigen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes, hohe Beständigkeit des Widerstandswertes und andere erwünschte Eigenschaften auf, wie sie für die Verwendung in Präzisionswiderständen verlangt werden.

Die gemäß der Erfindung verwendeten amorphen Metallegierungen bestehen im wesentlichen aus etwa 70 bis 87 Atom-% mindestens eines ubergangsmetallelementes und etwa 13 bis 30 Atom-% mindestens eines Metalloides, wie Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn. Übergangsmetallelemente sind solche, die sich in den Gruppen Ia bis VIIa und und VIII des Periodensystems finden. Insbesondere kann die Zusammensetzung durch die Formel M X; wiedergegeben werden, worin M mindestens eines der Elemente Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom und Vanadium, X mindestens eines der Elemente Phosphor und Bor bedeuten, a im Bereich von etwa 75 bis 85 Atom-% und b im Bereich von etwa 15 bis 25 Atom-% liegen. Zu solchen Zusammensetzungen gehören ^Fe4_O ^Ni4_O ^p-|4^B6 ι ^Fe32^Ni36^Cr14^P12^Bb'

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₀B₂₀, Fe₄₀Ni₁₅Co₅Mo₁₅Cr₁₇B₁₈ und Die Reinheit aller angegebenen Elemente entspricht derjenigen, wie sie normalerweise im Handel angetroffen wird.

Die amorphen Metallegierungen werden dadurch gebildet, daß man eine Schmelze bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 10 bis etwa 10 C/Sek. abkühlt. Diese amorphen Legierungen sind gewöhnlich zu mindestens 50 % amorph ermittelt durch Rö'ntgenstrahlenbeugung, wenn sie in dieser Weise bearbeitet werden, und sie können bei verschiedenen Anwendungen benutzt werden. Vorzugsweise soll jedoch die amorphe Legierung zu mindestens 80 % und besonders bevorzugt zu mindestens 95 % amorph sein, um die höchste Leistung als Widerstandselemente in Präzisionswiderständen zu liefern.

Verschiedenerlei bekannte Methoden stehen zur Fertigung von durch Besprühen abgeschreckter Folien und rasch abgeschreckter fortlaufender Bänder, Drähte, Bögen usw. aus amorphen Metallegierungen zur Verfügung. Wenn man diese Legierungen für Präzisionswiderstandszwecke verwendet, haben sie gewöhnlich Drahtoder Bandform. Draht und Band werden gewöhnlich gefertigt, indem man geschmolzenes Material unmittelbar auf eine gekühlte Oberfläche oder in ein Abschreckmittel irgendwelcher Art ergießt. Solche Verarbeitungsmethoden setzen die Fertigungskosten beträchtlich herab, da keine Zwischenmaßnahmen zur Drahtziehung erforderlich sind. Die Legierungen können auch die Form von als Dampf niedergeschlagenen Filmen haben, wie man sie z.B. durch Elektronenstrahlverdampfung oder Vakuumzerspratzung erhält, sowie von Filmen, die durch Plasmaversprühung geformt sind.

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Nach dem Stande der Technik ist eine Beanspruchungsentlastung erforderlich, um Widerstandselemente zu fertigen. Wenn man dagegen zur Fertigung von Präzisionswiderständen amorphe Metalllegierungsmaterialien verwendet, sind keine weiteren Arbeitsstufen zur Beanspruchungsentlastung erforderlich.

Diese amorphen Metallegierungen zeigen auch hohe mechanische Festigkeit. Die Zugfestigkeit beträgt besonders etwa 21 000 bis 42 OOO kg/cm² (etwa 300 000 bis 600 0OO Pfund/Zoll²) gegenüber polykristallinen Legierungen, bei denen sie gewöhnlich im Bereich von etwa 2100 bis 14 000 kg/cm (etwa 30 000 bis 200 000 Pfund/Zoll ) liegt. Beispielsweise hat die polykristalline Zusammensetzung Ni Cr .,Si₄Mn₃ eine Zugfestigkeit im Bereich von 12 250 bis 14 0OO kg/cm² (175 000 bis 200 000 Pfund/Zoll²) .

Der spezifische Widerstand der amorphen Metallegierungen liegt in der Größenordnung von etwa 170 Mikroohm-cm, während das beste verfügbare Material einen spezifischen Widerstand von 136 Mikroohm-cm hat, nämlich Fe₇₂Cr₂₃Al₅Co₀ ,-. Dies bedeutet, daß man kleinere Abmessungen anwenden kann, um denselben Widerstandswert zu erzielen, wenn amorphe Metallegierungszusammensetzungen vorliegen.

Ein typischer Temperaturkoeffizient für den Widerstandswert von Präzisionswiderständen beträgt etwa +1O ppm/ C über den Bereich von 20 bis 45° C (Cu₈₅Mn₁ Ni.) . Im Temperaturbereich von 20 bis 100° C beträgt der Temperaturkoeffizient eines guten Präzisionswiderstandes +150 ppm/° C. Derselbe Wert beträgt dagegen für einige amorphe Metallegierungszusammensetzungen etwa 2 ppm/O° C innerhalb des Bereiches von 25 bis 200° C. Vielleicht der größte Vorteil, den die amorphen Metallegierungen bieten,

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ist der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Änderung im Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes klein ist.

Die thermische EMK gegen Kupfer wurde zu etwa +3,0 Mikrovolt/ C über den Bereich von 25 bis 200° C gemessen. Im Vergleich zu vorbekannten Materialien, wie Ni₆ Cr₁₆Fe₃₄ (+0,8 Mikrovolt/⁰ C über den Bereich von 0 bis 75° C) und Ni₃₅Cr₃ Fe₄₅ (-3 Mikrovolt/⁰ C über den Bereich von 0 bis 1OO° C) ist dieser Wert recht günstig. Ferner beträgt die Wärmedehnung von amorphen Metallegierungsmassen etwa 0,33 Ai/° C (13 Mikrozoll/⁰ C) wiederum vergleichbar mit den besten vorbekannten Legierungen.

Präzisionswiderstände unter Verwendung amorpher Metallegierungen können vorteilhafterweise entweder die Form von festgelegten oder von veränderlichen Widerständen haben.

Beispiel 1

An mehreren amorphen Mustern wurden, wie nachstehend angegeben, Widerstandsmessungen unter Verwendung der Vierpunktsondenmethode durchgeführt, wie sie von G.T. Meaden in Electrical Resistande of Metals, Plenum Press, New York (1965), Seiten 147 ff. beschrieben ist. Bei jeder Messung wurden die beiden Enden eines Materialbandes von etwa 1 m Länge mit Kupferleitungen verklemmt und mit einem Ammeter, einer Stromquelle und einem veränderlichen Widerstand von etwa 2 χ 10 0hm in Reihe geschaltet. Einige Zoll von jedem Ende einwärts wurden Messingfedern angeklemmt und eine Verbindung zu einem Potentiometer hergestellt. Der Widerstand der Bänder betrug etwa 50 0hm. Bei Benutzung dieser Methode haben Kontakt- und Leitungswiderstandswerte keinen Einfluß auf die Messung.

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Der spezifische Widerstand (^) wurde aufgrund der Gleichung ? = AR/fc errechnet. Hierbei ist R der gemessene Widerstandswert, A die Querschnittsfläche des Bandes und £ dessen Länge.

Messungen des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TC) wurden zwischen 25 und 200° C unter Anwendung der Gleichung TC = (R- R)/R (t - t ) durchgeführt. Hierbei ist R der Widerstandswert bei t° C und R der Widerstandswert bei der Bezugstemperatur t (hier 25° C). Es wurde eine Vierpunktsonde unter Verwendung eines Digitalamperemeters benutzt.

Die Bestimmung von isothermen Alterungseinflüssen auf den elektrischen Widerstandswert wurde bei 150° C unter Benutzung einer Zweipunktsonde und eines Digitalohmmeters durchgeführt. Diese Messung zeigte thermische Beständigkeit.

Die Ergebnisse für drei Beispiele von amorphen Metallegierungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Muster 1 hatte die Zusammensetzung Fe. Ni. P B_fi (die Indices geben die Atom-% an) . Die Messungen wurden an einem Band des Musters 1 mit Abmessungen von 0,038 mm (0,0015 Zoll) Dicke und 1,55 mm (0,061 Zoll) Breite durchgeführt. Muster 2 hatte die Zusammensetzung Fe₀₀Ni₀^Cr„.P.· &,. Die Messungen wurden an einem Band der Probe 2 mit den Abmessungen 0,041 mm (0,0016 Zoll) Dicke und 1,715 mm (0,0675 Zoll) Breite durchgeführt. Muster 3 hatte die Zusammensetzung Fe Ji-rCo. Cr, B_2Q. Die Messungen wurden an einem Band des Musters 3 mit den Abmessungen 0,046 mm (0,0018 Zoll) Dicke und 0,99 mm (0,039 Zoll) Breite durchgeführt.

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Tabelle

Gemessene physikalische Eigenschaften von amorphen Metallegierungen bei Präzisions-Widerstandsanwendungen

Temp.-Koeffizient des Temp.-Beständigspez. Widerstand Widerstandes in ppm/- keit bei 150° C Muster g in Mikroöhm-cm O⁰ C in %/100O h

1	183	-145	-32	C)	0	/3
2	176		(25 - 125°		0	,3
3	170	+2,0	0	,4

Die thermische EMK von Muster 3 wurde gegen Kupfer gemessen und ergab sich zu 3,0 Mikrovolt/⁰ C über dem Bereich von 25 bis 200° C und zu 2,7 Mikrovolt/⁰ C über dem Bereich von 25 bis 100 C. Die Wärmedehnung dieses Materials ergab sich zu 0,32 Ai/° C (12,6 Mikrozoll/⁰ C).

Beispiel 2

Es wurde ein veränderlicher Widerstand unter Benutzung von D-Draht der Zusammensetzung Fe₄₀Ni₄₀P B_g als Widerstandselement und eines üblichen Graphitgleitkontaktes gebaut. Der D-Draht, dessen Querschnitt eine halbe Ellipse war, hatte folgende Abmessungen: Die Hauptachse war 0,84 mm (0,033 Zoll) und die halbe Nebenachse war 0,254 mm (0,010 Zoll) . Der D-Draht wurde auf einen Polymethylmethacrylatkern mit Abmessungen von 63,5 mm (2,5 Zoll) Durchmesser und 254 mm (10,0 Zoll) Länge gewickelt. An beide Enden des D-Drahtes wurden Kupferleitungen angeklemmt. Die aktive Länge des Widerstandselementes betrug 7661 mm (301,6 Zoll) Der gemessene Widerstandswert betrug 4OO,42 0hm. Dieser Wert liegt über 100 Betätigungen des Gleitkontaktes konstant. Der Wert blieb nach annähernd 4OOO Stunden stabil. Es war kein Zeichen von Abnutzung des Widerstandselementes erkennbar.

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Claims

- 10 - Patentansprü cn e

1. jPräzisionswiderstand mit einem Widerstandselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement zu mindestens 50 % aus amorpher Metallegierung besteht.

2. Präzisionswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement zu mindestens 80 % aus amorpher Metallegierung besteht.

3. Präzisionswiderstand nach Ansruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement zu mindestens 95 % aus amorpher Metallegierung besteht.

4. Präzisionswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement aus einer amorphen Metallegierung besteht, die im wesentlichen etwa 7O bis 87 Atom-% mindestens eines Übergangsmetallelementes und etwa 13 bis 30 Atom-% mindestens eines der Metalloidelemente Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn aufweist.

5. Präzisionswiederstand nach Anspruch 4_r dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement aus einer amorphen Metallegierung der Zusammensetzung MX, besteht, worin M mindestens eines der EIe-

a D

mente Eisen, Nickel, Kobalt, Brom oder Vanadium, X mindestens eines der Elemente Phosphor oder Bor bedeutet, a im Bereich von etwa 75 bis 85 Atom-% und b im Bereich von etwa 15 bis 25 Atom-% liegen.

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