DE4026061C1

DE4026061C1 -

Info

Publication number: DE4026061C1
Application number: DE4026061A
Authority: DE
Inventors: Werner 8755 Alzenau De Englert; Karlheinz Dr. 8750 Aschaffenburg De Wienand
Original assignee: Heraeus Sensor GmbH
Current assignee: Heraeus Sensor GmbH
Priority date: 1990-08-17
Filing date: 1990-08-17
Publication date: 1992-02-13
Anticipated expiration: 2010-08-18
Also published as: EP0471138A3; EP0471138A2; DE59103868D1; EP0471138B1; ATE115761T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwi derstandes mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten, insbesondere für ein Widerstandsthermometer, der auf einem Träger einen Platin enthaltenden Dünnfilm als Widerstandsschicht aufweist, wobei die die Widerstandsschicht tragende Oberfläche des Trägers aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht.

Aus der österreichischen Zeitschrift "Elektrotechnik und Maschinenbau", Jahr gang 103, Heft 1, 1986, Seiten 22 bis 26 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffi zienten, insbesondere für ein Widerstandsthermometer, bekannt, der auf einem Träger einen Platin enthaltenden Dünnfilm als Widerstandsschicht aufweist, wobei die die Widerstandsschicht tragende Oberfläche des Trägers aus elek trisch isolierendem Werkstoff besteht.

Wie insbesondere Fig. 2 auf Seite 23 mit dem zugehörigen Text zu entnehmen ist, ist eine Legierung aus Platin und Rhodium für diesen Zweck besonders gut geeignet. Die Legierungsbestandteile werden im Siebdruckverfahren auf den Trä ger aufgebracht und anschließend getrocknet und eingebrannt. Hieraus ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Legierungskomponenten.

Aus der DE-AS 18 06 756 ist es bekannt, Widerstandswerte dadurch in gewünsch ter Weise einzustellen, daß zwei Schichten aus verschiedenen Widerstandsmate rialien übereinander gedruckt und getrocknet werden und anschließend beide Massen gebrannt werden derart, daß die Schichtstoffe ineinanderdringen und durch die Vermischung der gewünschte Widerstandswert eingestellt wird.

Weiterhin ist es aus der DE-AS 11 80 215 bekannt, Edelmetall-Resinate in ge eigneten Präparaten zur Erzeugung von Widerstandsschichten einzusetzen.

Aus der US-PS 43 75 056 ist ein Dünnschicht-Widerstandsthermometer mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bekannt, bei dem ein dünner elektrisch leitender Metallfilm auf ein elektrisch isolierendes Sub strat aufgebracht wird, wobei die Dicke des Metallfilms im Bereich von 0,05 und 0,8 µm liegt: im Bereich dieser geringen Schichtstärke ist es möglich einen geringeren Temperaturkoeffizienten zu erzielen als beim dickeren Mate rial. Das Verhältnis der relativen Änderung des Temperaturkoeffizienten zur relativen Änderung der Schichtstärke ist größer als 0,01. Als Dünnschichtmate rial wird vorzugsweise ein Platinfilm eingesetzt. Ein Verfahren zur Herstel lung eines solchen Meßwiderstandes ist in der US-PS 44 69 717 beschrieben.

Aus der DE-PS 25 27 739 bzw. der entsprechenden US-PS 40 50 052 ist ein Ver fahren zur Herstellung eines elektrischer Meßwiderstandes für ein Widerstands thermometer bekannt, der auf einem Träger aus keramischem Material einen durch Zerstäubung hergestellten Platin Dünnfilm in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm trägt, der einen vorbestimmten Temperaturkoeffizienten aufweist; der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats unterscheidet sich um weniger als +/-30% von demjenigen des Thermometerplatins. Als Substrat wer den Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Magnesiumoxid oder ein Magne siumsilikat eingesetzt, wobei das Substrat nach einer Wärmebehandlung weniger als 20 ppm an Metallen enthält, die in mit Platin reaktionsfähiger Form vor liegen.

Aus Fig. 3 des Aufsatzes "Rhodium-Platinum Alloys" von A. S. Darling in der Zeitschrift Platinum Metals Review, Seite 60, Vol. 5, 1961 ist die Funktion des Temperaturkoeffizienten einer Platinlegierung in Abhängigkeit vom Rhodium anteil dargestellt.

Als problematisch erweist es sich nach dem Stand der Technik, eine einfache und rasche Einstellung des gewünschten elektrischen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes je nach Anwendungsfall - beispielsweise im Bereich von 1600 bis 3860 ppm/K-vorzunehmen, da beim Aufdampfen der Widerstandsschicht aufgrund verschiedener Dampfdrücke der aufzubringenden Materialien die gewünschte Le gierung nicht mit ausreichender Sicherheit einstellbar ist, bzw. bei der Ka thodenzerstäubung das Targetmaterial zuvor in der gewünschten Legierung ent sprechend herzustellen ist; die Einstellung eines gewünschten Temperatur-Koef fizienten des elektrischen Widerstandes über die Variation der Schichtstärke führt dagegen aufgrund der damit verbundenen Änderung des Leiterquerschnitts der Widerstandsbahn auch zu einer Änderung der Breite oder Länge der Wider standsbahn zwecks Anpassung an den vorgegebenen Nennwiderstand des Meßwider standes, woraus sich eine Änderung der Struktur der Widerstandsbahn ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, nach dem eine Pla tin-Dünnfilm-Widerstandsschicht vorgegebener Schichtstärke durch Dotierung mit Fremdatomen so behandelt wird, daß ein gewünschter elektrischer Temperatur koeffizient im Bereich von 1600 ppm/k bis 3860 ppm/k erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege ben.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Träger Aluminium

oxid verwendet; es ist jedoch auch möglich, einen Träger aus einem Stahl-Sub strat zu verwenden, das auf der zur Aufbringung des Platin-Dünnfilms vorgeseh enen Oberfläche eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aufweist, die aus SiO₂, BaO, Al₂O₃ und einer anorganischen, Kobalt enthaltenden Farbstoff verbindung besteht, wie sie beispielsweise in der DE-PS 34 26 804 beschrieben ist. Der Platin-Dünnfilm wird mittels Elektronenstrahlverdampfung auf den Trä ger aufgebracht. Das im Siebdruckverfahren aufzubringende Präparat weist vor zugsweise einen Rhodiumgehalt im Bereich von 0,1 bis 12 Gew.-%, bezogen auf den Gehalt von Platin und Rhodium im Präparat, auf. Der nach dem Verfahren hergestellte Meßwiderstand weist eine Dicke im Bereich von 0,85 bis 1,3 µm auf.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß in dem Verfahren bisher allgemein übliche Verfahrensschritte wie das Aufdampfen der Platinschicht und das Aufbringen des Präparats im Siebdruckverfahren angewendet werden und somit preiswert und exakt auszuführen sind. Ein weiterer Vorteil ist in der einfachen Variation des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes durch Änderung des Rhodiumanteils im Präparat zu sehen.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Fig. 1a zeigt im Längsschnitt das Substrat mit der aufgebrachten Platin schicht,

Fig. 1b die Platinschicht gemäß Fig. 1a mit der im Siebdruckverfahren auf gebrachten Präparat-Schicht,

Fig. 1c die mit Rhodium legierte Meßwiderstandsschicht im Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt den Meßwiderstand in einer Draufsicht nach der Strukturierung des Widerstandsmäanders.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten vom Rhodium-Anteil in der Meßwiderstandsschicht.

Gemäß Fig. 1a wird auf das aus Aluminiumoxid bestehende Substrat 1 im Elek tronenstrahlverfahren oder Kathodenzerstäubungsverfahren ein Platin-Dünnfilm 2 ganzflächig aufgebracht. Nach Aufbringen des Platin-Dünnfilms 2 erfolgt gemäß Fig. 1b die Aufbringung eines Präparates aus einer Lösung von Platinresinat und Kunstharz in organischen Lösungsmitteln (12,5% Pt) und aus einer Lösung von Rhodiumsulforesinat in organischen Lösungsmitteln (5% Rh) im Sieb druckverfahren; die genannten Lösungen sind beispielsweise unter den Bezeich nungen RP 10001/145B und MR 4511-L bei der W. C. Heraeus GmbH, Hanau, er hältlich. Nach Auftragung der Siebdruck-Schicht 3 wird diese bei einer Tem peratur im Bereich von 80 bis 120°C getrocknet und anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 950°C eingebrannt, wobei die organischen Lösungsmittel verbrennen oder verdampfen und die Resinate zersetzt werden. Der Rhodiumgehalt der Schicht 3 liegt dabei im Bereich von 0,1% bis 12%, bezogen auf den Gehalt von Platin und Rhodium. Nach dem Einbrennen der Schicht 3 wird das Substrat 1 zusammen mit seinen beiden Schichten 2, 3 einer Wärmebehandlung unter atmosphärischen Bedingungen in einem Ofen bei einer Temperatur im Be reich von 1000 bis 1400°C solange unterzogen, bis das Rhodium in der sich bildenden Widerstandsschicht 2′ gleichmäßig verteilt ist, wobei auch zumindest ein teilweiser Austausch der Platin-Atome aus der Schicht 3 mit Platinatomen der Schicht 2 stattfindet.

In einem sich anschließenden Verfahrensschritt wird die Widerstandsschicht 2′ beispielsweise durch Sputterätzen in Form eines Mäanders strukturiert.

Gemäß Fig. 2 befindet sich auf dem Substrat 1 die Widerstandsschicht 2′ in Mäanderform, wobei an den Enden des Widerstands-Streifens Kontaktfelder 4, 5 für äußere Anschlüsse vorgesehen sind. Die Kontaktfelder 4 und 5 sind dabei nach dem gleichen Verfahren aufgebracht wie die Widerstandsschicht 2′.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes TCR vom Rhodium-Anteil in der Platinlegierung, wobei der Rhodium-Anteil in Gewichts-% der Platinlegierung angegeben ist. Es ist somit möglich, gemäß Fig. 3 durch Variation des Rhodiumanteils der Widerstandsschicht den Tempera turkoeffizienten im Bereich von 1600 bis 3850 ppm/K für Meßwiderstände auf der Basis von Platinlegierungen exakt einzustellen; es wird also lediglich der Rhodiumanteil der Platinlegierung ohne Änderung der Schichtdicke variert, so daß beispielsweise bei einer konstanten Schichtdicke von 1,1 µm mit einem Rhodiumanteil von 0,01% ein Temperaturkoeffizient von 3850 ppm/K (Punkt A) erzielt wird; steigt der Rhodiumanteil bei gleicher Schichtdicke auf 0,04%, so wird ein Temperaturkoeffizient von 3830 ppm/K (Punkt B) erzielt. Eine wei tere Erhöhung des Rhodiumgehaltes auf 0,16% verringert den Temperatur koeffizienten auf 3750 ppm/K (Punkt C). Bei einer weiteren Zunahme des Rhodiumanteils auf beispielsweise 10% läßt sich ein Temperaturkoeffizient von 1600 ppm/K (Punkt D) erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten insbesondere für ein Widerstandsther mometer, der auf einem Träger einen Platin enthaltenden Dünnfilm als Wi derstandsschicht aufweist, wobei die die Widerstandsschicht tragende Ober fläche des Trägers aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Widerstandsschicht (2′) zunächst auf das Substrat (1) ein Platin-Dünnfilm (2) aufgedampft oder aufgestäubt wird, auf den eine Schicht aus einem Platinresinat und Rhodiumsulforesinat enthaltenden Präparat mit einem solchen Rhodium-Gehalt im Siebdruckverfah ren aufgebracht wird, daß nach dem Trocknen und Einbrennen dieser Sieb druck-Schicht (3) und anschließender Wärmebehandlung des so beschichteten Trägers bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400°C das Rhodium in der Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt ist und in einem Anteil im Bereich von 0,01 bis 10% Gew.-% vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) eine Keramik verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik Alumi niumoxid, Magnesiumoxid, Berylliumoxid oder Glaskeramik verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein Metallsubstrat verwendet wird, das auf der dem Platin-Dünnfilm (2) zugewandten Oberfläche eine elektrisch isolierende Zwischenschicht auf weist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Stahl und die elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Glaskeramik mit 40-65 Gewichts-% SiO₂, 25-40 Gewichts-% BaO, 5-20 Ge wichts-% Al₂O₃ und einer anorganischen, Kobalt enthaltenden Farbstoff verbindung besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stahl ferriti scher Stahl eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Präparat verwendet wird, dessen Rhodium-Gehalt im Bereich von 0,1 bis 99,9% Gew.-%, bezogen auf den Gehalt von Platin und Rhodium im Präparat, liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebdruck-Schicht (3) bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 120°C getrocknet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebdruck-Schicht (3) bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 950°C eingebrannt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Platin-Dünnfilm (2) in einer Dicke von 0,8 bis 1,2 µm aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Widerstands-Schicht (2′) mit einer Dicke im Bereich von 0,85 bis 1,3 µm erzeugt wird.