DE2552806A1 - Praezisionswiderstaende - Google Patents
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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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OOIPINAL
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 Fe4O Ni4O p-|4B6 ι Fe32Ni36Cr14P12Bb'
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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.
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 Bfi (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, B2Q. 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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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).
Es wurde ein veränderlicher Widerstand unter Benutzung von D-Draht der Zusammensetzung Fe40Ni40P Bg 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 (5)
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 4r 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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JPS58153752A (ja) * | 1982-03-08 | 1983-09-12 | Takeshi Masumoto | Ni−Cr系合金材料 |
JPS6134901A (ja) * | 1984-07-26 | 1986-02-19 | スタツクス工業株式会社 | オ−デイオ機器用抵抗器 |
DE3574075D1 (en) * | 1984-08-31 | 1989-12-07 | American Telephone & Telegraph | Nickel-based electrical contact |
-
1975
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Also Published As
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