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Die Erfindung bezieht sich auf eine gedruckte Widerstandsanordnung, die von einer aus einem Substrat und aus mindestens einer damit verbundenen, mindestens mit zwei Stromanschlüssen versehenen Widerstandsgruppe aus einer Widerstandsfolie zusammengesetzten Schichtstruktur gebildet ist, wobei jeweils jede Widerstandsgruppe aus zwei aus mindestens je einem Teilwiderstand bestehenden Parallelzweigen gebildet ist und deren Herstellungsverfahren.
Zur Zeit sind gedruckte Widerstandsanordnungen bekannt, die eine Schichtstruktur darstellen, welche sich aus einer festen Unterlage - Substrat - und einem auf diese aufgetragenen Leiterzug aus einer Folie zusammensetzt. Die Verdrahtung wird meist nach einer bestimmten elektrischen Schaltung ausgeführt und mit zwei Stromanschlüssen und mindestens einem Spannungsanschluss versehen.
Die Herstellungsverfahren für die oben beschriebenen Widerstands anordnungen schliessen in der Regel solche Arbeitsschritte wie Wärmebehandlung der Folie, Zusammenkleben der Folie mit dem Substrat, Gestaltung der Verdrahtung aus der Legierung eines Widerstandsmaterials mit Hilfe der Photolithographie, Ätzen in einer Lösung sowie Anpassung des Widerstandswerts an den erforderlichen Wert durch Änderung der elektrischen Schaltung der Verdrahtung ein.
Eine der Hauptaufgaben der sich mit der Entwicklung und Herstellung von gedruckten Widerständen befassenden Fachleuten liegt darin, eine Verminderung der Temperaturabhängigkeit der Widerstandsanordnung (Temperaturkompensation) zu erreichen.
Diese Aufgabe wird meist durch eine Wahl von zur Herstellung eines gedruckten Widerstands benötigten Materialien erreicht : Widerstandsmaterial mit einem bestimmten Widerstandstemperaturkoeffizienten sowie Trägermaterial, Isolier- und Klebstoff auch mit bestimmten linearen Ausdehnungskoeffizienten sowie durch eine bestimmte Reihenfolge der Anordnung der genannten Materialien und eine Wahl deren Dicke gelöst. Das Hauptaugenmerk wird aber auf den Widerstandstemperaturkoeffizienten des Widerstandsmaterials und auf die linearen Ausdehnungskoeffizienten des genannten Widerstandsmaterials und des Substrats (Unterlage) gerichtet.
Es ist beispielsweise die Realisierung der Temperaturkompensation eines gedruckten Widerstands (s. US-PS Nr. 3,405, 381 und Nr. 3,517, 436) durch eine Wahl von Materialien für das Substrat und die Leiterzüge bekannt.
Das Trägermaterial ist bei diesem Widerstand mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten wesentlich kleiner als beim Widerstandsmaterial (Material der Leiterzüge) gewählt, speziell wurde ein Substrat aus Glas ausgenutzt, bei dem der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient gleich 3. 10-6 1/F ist.
Eine derartige gerätetechnische Lösung weist aber zwei Mangel auf. Erstens ist es notwendig, Mate- r1alien mit sehr exakten und stabilen technischen Parametern einzusetzen.
Zweitens wird keine hohe Dauerstabilität der Widerstände gewährleistet, weil auf Grund einer grossen Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Epoxydharz (Zwischenlage aus Klebstoff), Widerstandsmaterial und Glas im Widerstandsmaterial der Leiterzüge mechanische Spannungen entstehen, die irreversible Änderungen bewirken.
Es sind Schaltungen weiters bekannt, bei denen die Temperaturkompensation durch hintereinander geschaltete diskrete Widerstände mit Widerstandstemperaturkoeffizienten TKR mit verschiedenen Vorzeichen ermöglicht wird.
Jedoch werden zur Zeit die Widerstände mit negativem TKR aus einem Halbleiterstoff ausgeführt.
Es ist die Konstruktion eines gedruckten Widerstands bekannt, der aus Ausgangsmaterialien mit nahezu gleichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist. Dieser Widerstand weist eine hohe Dauerstabilität auf, jedoch ist dabei die Frage der Temperaturkompensation nicht gelöst.
Die Realisierung eines niedrigen Widerstandstemperaturkoeffizienten des Widerstandsmaterials wird lediglich durch Anwendung von bestimmten Verhüttungsvorg1ingen und einer darauffolgenden Wärmebehandlung der Folie gewährleistet. Gerade durch den Wert des auf diese Weise erhaltenen Widerstandstemperaturkoeffizienten der Folie wird im wesentlichen die Temperaturabhängigkeit des Widerstands bestimmt.
Aus der DE-AS 1248145 ist ein Spannungsteilerhoher Genauigkeit bekannt, bei dem jedoch keine Temperaturkompensation erfolgt. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands hängt von der Art der Anpassung des Widerstands ab und wird nur durch den Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Ausgangswiderstandsmaterials bestimmt.
Aus dem vorstehend Erwähnten wird ersichtlich, dass kein Versuch zur Erhaltung von gedruckten Widerstandsanordnungen mit maximaler Temperaturkompensation ohne Störung der Stabilität führt und eine strenge Auswahl von Materialien mit bestimmten technischen Parametern erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei vorhandenen Widerstandsmaterialien und unter Beibehaltung von Vorteilen der bekannten gedruckten Widerstandsanordnungen eine Konstruktion einer gedruckten Widerstandsanordnung sowie deren Herstellungsverfahren anzugeben, die es gestatten, gedruckte Widerstände mit gewünschter Temperaturabhängigkeit herzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einer Widerstandsanordnung der eingangs umrissenen Art dadurch gelöst, dass
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bei jedem Parallelzweig aus einer Reihenschaltung von zwei Teilwiderständen der eine Teilwiderstand aus einem Widerstandsmaterial mit einem Widerstandstemperaturkoeffizienten besteht, der grösser ist als der der aus einer Widerstandslegierung bestehenden übrigen Teilwiderstände der Widerstandsgruppe, und dass von dem Teilwiderstand aus dem Widerstandsmaterial mit dem grossen Widerstandstemperaturkoeffizienten das eine Ende mit dem einen der beiden Stromanschlüsse und das andere Ende mit dem einen zweier Spannungsanschlüsse verbunden ist.
Die erfindungsgemäss ausgeführte gedruckte Widerstandsanordnung besitzt eine geringe Temperaturabhängigkeit des Widerstands selbst unter Verwendung eines Widerstandsmaterials mit grosser Temperaturabhängigkeit des Widerstands. Sie kann auch mit einem beliebigen, vorhin festgelegten Wert von TKR unabhängig von den Parametern des Ausgangsmaterials des Widerstands, gefertigt werden. Bei ihrer Herstellung ist keine strenge Wahl der Parameter des Widerstandsmaterials und des Trägermaterials entsprechend den Bedingungen der Temperaturkompensation erforderlich. Die Widerstandsanordnung besitzt auch eine hohe Stabilität ihres Widerstands, eine gute Wärmeabgabe und mechanische Festigkeit.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren für die erfindungsgemässe gedruckte Widerstandsanordnung schliesst in sich technologische Arbeitsgänge ein, die durch einfache und zugängliche Mittel verwirklicht werden.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung folgen aus der nachstehenden erläuternden Beschreibungvon in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsvarianten, in der Fig. 1 einen Schnitt durch ein Halbzeug der gedruckten Widerstandsanordnung, Fig. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemässe gedruckte Widerstandsanordnung, Fig. 3 eine schematische elektrische Schaltung mit der erfindungsgemässen gedruckten Widerstandsanordnung, Fig. 4 dieselbe für eine andere Variante der gedruckten Widerstandsanordnung, Fig. 5 eine prinzipielle elektrische Schaltung von Leiterzügen der in Fig. 3 dargestellten gedruckten Widerstandsanordnung und schliesslich Fig. 6 dasselbenach der Anpassung des Widerstandstemperaturkoeffizienten der Widerstandsanordnung zeigt.
Das in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Halbzeug des gedruckten Widerstands besteht aus der Folie-l- eines Widerstandsmaterials mit einem auf deren Abschnitt aufgetragenen Metallüberzug --2-- und aus einem festen, über eine Isolierschicht --4-- mit der Folie --1-- durch Klebschichten --5 und 6-- verbundenen Substrat --3--.
Als Widerstandsmaterial kommt Nichrom oder Manganin in Frage, der Metallüberzug --2-- kann aus Nickeloder Silberausgeführt werden, das Substrat--3-- ist aus Stahl ausgeführt, kann aber aus Aluminium, Manganin u. ähnl. ausgeführt werden. Die Isolierschicht --4-- ist aus Glasgewebe hergestellt.
Fig. 2 zeigt im Schnitt eine gedruckte Widerstandsanordnung bei der im Unterschied zum Halbzeugin
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Fig. 3 zeigt eine schematische elektrische Schaltung des Leiterzug-7-. Die Abschnitte --8, 9 und 10-- des Leiterzugs --7-- sind miteinander elektrisch in der Weise gekoppelt, dass sie bezüglich der Strom- klemmen --I1 und I2-- Parallelzweige bilden, wobei in einen der Zweige der Abschnitt --8-- und in den andern in Reihe mit dem Abschnitt --9-- aus dem Grundmaterial des Widerstands der Abschnitt --10-- mit dem einen grösseren TKR als beim Widerstandsmaterial aufweisenden Metallüberzug --2-- eingeschaltet ist.
Darüber hinaus besitzt die Widerstandsanordnung zwei Potentialklemmen-V und V2--. Der Abschnitt
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Fig. 4 zeigt eine weitere schematische elektrische Schaltung einer gedruckten Widerstandsanordnung, die zum Unterschied zu der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführung einen in Reihe mit den Parallelzweigen des Widerstands geschalteten Abschnitt --11-- des Leiterzugs enthält. Der Abschnitt --11-- ist hochohrni- ger (ein längerer Abschnitt des Leiterzugs) gegenüber den Abschnitten --9 und 8--.
Die Abschnitte --11, 9, 8-- bilden einen thermisch-kompensierenden Teil der Widerstandsanordnung.
Fig. 5 zeigt eine elektrische Prinzipschaltung für die Bildung von Leiterzügen eines Widerstands, aus der hervorgeht, dass die Abschnitte --8, 9 und 10-- aus je einer Reihe von hintereinandergeschalteten Sek- tionen-12-bestehen, von denen jede sich aus einer Parallelschaltung zusammensetzt. Der in Fig. 5 nicht gezeigte Abschnitt --11-- ist analog gebildet.
Fig. 6 zeigt auch die Schaltung nach der Anpassung des Widerstandstemperaturkoeffizienten der Wider- standsanordnung. Bei manchen Sektionen --12-- ist je einer der Parallelzweige an den Stellen --13-- unterbrochen.
Die oben beschriebene gedruckte Widerstandsanordnung wird, wie folgt, hergestellt :
Auf einem vorgegebenen Abschnitt der in einem Verhüttungsvorgang erhaltenen Folie-l-wird in einem herkömmlichen Verfahren, beispielsweise durch galvanisches Niederschlagen, Aufdampfen u. ähnl., ein Metallüberzug --2-- aufgetragen. Das Material des Überzugs --2-- muss einen wesentlich grösseren Widerstandstemperaturkoeffizienten als das Material der Folie-l-aufweisen und sich durch eine grössere Auflösungsgeschwindigkeit in einem Ätzmittel gegenüber der Folie-l-auszeichnen.
Die Dicke und die
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Entsprechend der Lösung der Aufgabe werden solche Materialien verwendet, bei denen α10 > > s ist.
Meist liegen die Anfangswerte der Widerstände --R8, R9 und R10 -- nach der Ausbildung (beispielsweise einer Ätzung) des Leiterzugs --7-- viel niedriger als die jeweiligen erforderlichen Nennwerte der Wider-
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schieht folglich durch Vergrösserung des Widerstands der Abschnitte-8, 9 und 10--. Die Widerstandszunahme der Abschnitte-8, 9 und 10-des Leiterzugs kann auf verschiedene Weise, beispielsweise durch Änderung der Schaltungsanordnung der einzelnen kleinen Sektionen --12-- des Leiterzugs --7-- mit Hilfe der Auftrennung der Parallelzweige an den Stellen --13-- zustande kommen. Hiebei erfolgt die Anpassung des Widerstandstemperaturkoeffizienten TKR und des Widerstands durch Einwirkung auf verschiedene Abschnitte.
Der Ersatzwiderstand wird an den Klemmen und und V2 -- hauptsächlich durch das Verhältnis der Widerstände der Abschnitte --8 und 9-- bestimmt. Der Einfluss des Widerstands des Abschnitts --10-- kann vernachlässigt werden.
Der resultierende Widerstandstemperaturkoeffizient TKR der Widerstandsanordnung bezüglich derselben Klemmen --V1 und V2 -- wird dagegen durch das Verhältnis der Widerstandsanordnung des Abschnitts - zum Gesamtwiderstand der Abschnitte --8 und 9-- bestimmt.
Nachstehend wird erläutert, wie die Anpassung des TKR der Widerstandsanordnung an den gewünschten Wert durch die Anpassung des Abschnitts --10-- (des temperaturkompensierenden Teils der Widerstandsanordnung) verwirklicht wird.
Indem man einen Strom durch die Klemmen-L und L-fliessen lässt und die Spannung an den Klemmen - -Vi und V2 -- misst, passt man den Widerstandswert an den Vorgabewert an. Der Widerstand des Abschnitts - bleibt hiebei gering, und der resultierende Widerstandstemperaturkoeffizient TKR des Widerstands wird ungefähr gleich dem Widerstandstemperaturkoeffizienten TKR des Widerstandsmaterials jazz sein. Indem man den Widerstand des Abschnitte --10-- erhöht und die Spannung bei zwei Temperaturen, beispielsweise bei 20 und SOOC, überwacht, strebt man danach, dass die Spannungsänderung gleich Null oder einem
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ist. Dann passt man durch eine geringfügige Widerstandsänderung der Abschnitte --8 und 9-- den Widerstandswert mit erforderlicher Genauigkeit an den Nennwert an.
Der Widerstandstemperaturkoeffizient TKR des Widerstands wird hiebei nicht beeinträchtigt.
Die Anpassung des Widerstandstemperaturkoeffizienten TKR des Widerstands an den gewünschten Wert durch Einwirkung auf den Abschnitt --8 oder 9-- (des nicht temperaturkompensierenden Teils der Widerstandsanordnung) erfolgt folgenderweise.
Nach der Ätzung liegt der Widerstand der Abschnitte --8 und 9-- wie auch im vorhergehenden Fall unterhalb der erforderlichen Werte und der Widerstand des Abschnitts --10-- nahe am Rechenwert ist. In die- sem Fall liegt das Verhältnis :
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vor, und das Halbzeug der Widerstandsanordnung wird überkompensiert. Zur Erreichung einer optimalen Kompensation wird die Anpassung durch Vergrösserung der Widerstände der Abschnitte --8 und 9-verwik- licht. Die Anpassung wird wieder so lange fortgesetzt, bis die eine der gewünschten Gleichungen
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erfüllt wird, nur dass der Widerstand des Abschnitts --10-- unverändert bleibt.
Zur besseren Erläuterung des Wesens der Erfindung soll nachstehend ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer gedruckten Widerstandsanordnung gemäss der Erfindung angeführt werden.
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Beispiel 1:Aus der Folle einer Widerstandslegierung vom Typ Nichrom mit einer dicke von 0, 02 mm werden 210 mm lange und 70 mm breite Halbzeuge (jedes Halbzeug für drei Widerstände) ausgeschnitten.
Beispiel 2 : Nach einer Schablone werden die Umrisse von drei Flächen der Abmessungen 10 x 15 mm für einen Metallüberzug markiert.
Beispiel 3 : Es wird die Gesamtfläche des Halbzeugs, ausgenommen der drei genannten Flächen, mit einem gegenüber dem Elektrolyten zur Vernickelung beständigen Lack gesäubert.
Beispiel 4 : Auf die durch den Lack nicht geschützten Flächen wird galvanisch eine Nickelschicht mit einer Dicke von 0,01 mm gefällt.
Beispiel 5 : Die Halbzeuge mit Nickelüberzügen werden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400 bis 6000C ausgesetzt.
Beispiel 6 : Das 210 mm lange Halbzeug wird in drei Halbzeuge von je 70 mm Länge geschnitten.
B e i s p i e l 7: Auf jedes erhaltene Halbzeug wird durch Einschnitt eine Markierung bezüglich des Nickel- überzugs aufgetragen.
Beispiel 8 : Das Halbzeug der Folie wird auf das Substrat aus Stahlmit der Seite des Nickelüberzugs über eine isolierende Zwischenlage aus Glasgewebe aufgeklebt.
Beispiel 9 : Auf die Folie wird ein Photowiderstand aufgetragen.
Beispiel 10 : Es wird das Bild des Leiterzugs mit den Anschlüssen abgedruckt, wobei die Photoschablone nach der genannten Markierung orientiert wird.
Beispiel 11 : Es wird der Leiterzug eingeätzt.
Beispiel 12 : Es wird der eingeätzte Leiterzug durch einen Lacküberzug vor mechanischen Beschädigungen geschützt.
Beispiel 13 : Es wird der Widerstandswert der hergestellten Widerstände an den Nennwert angepasst.
Beispiel 14 : Es wird TKR an den gewünschten Wert angepasst.
Die im vorliegenden Verfahren hergestellten temperaturkompensierten Widerstandsanordnungen können als präzises Eichmass eines elektrischen Widerstands in verschiedenen elektrischen Schaltungen unter gleichzeitiger Temperaturkompensation des Messfehlers der andern Bauelemente, beispielsweise in Gleichund Wechselspannungsstabilisatoren, eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann der Anwendungsbereich der beschriebenen temperaturkompensierenden Widerstandsanordnungen erweitert werden, wenn man die Herstellung von zusätzlichen Anschlüssen für die Anschaltung eines veränderlichen Aussenwiderstands parallel zu einem der Abschnitte-8, 9 oder 10-- vorsieht. In diesem Fall kann der Widerstandstemperaturkoeffizient der Widerstandsanordnung bzw. des gedruckten Widerstands bei der Anwendung geändert werden.
Die im technischen Massstab hergestellten temperaturkompensierten Widerstände weisen eine hohe Ge- nauigkeit von etwa : 0, 002% für den vorgegebenen Widerstandswert, Widerstandstemperaturkoeffizienten a = +0, 5. 10-6 l/oC und ss =-0, 5. 10-'110C auf, deren Stabilität für ein Jahr nichtschlechterals : I : 0, 001% ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gedruckte Widerstandsanordnung, die von einer aus einem Substrat und aus mindestens einer damit verbundenen, mindestens mit zwei Stromanschlüssen versehenen Widerstandsgruppe aus einer Widerstandsfolie zusammengesetzten Schichtstruktur gebildet ist, wobei jeweils jede Widerstandsgruppe aus zwei aus
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net, dass bei jedem Parallelzweig aus einer Reihenschaltung von zwei Teilwiderständen der eine Teilwi- derstand (10) aus einem Widerstandsmaterial mit einem Widerstandstemperaturkoeffizienten (a 10) besteht, der grösser ist als der der aus einer Widerstandslegierung bestehenden übrigen Teilwiderstände der Widerstandsgruppe, und dass von dem Teilwiderstand (101)
aus dem Widerstandsmaterial mit dem grossen Widerstandstemperaturkoeffizienten das eine Ende mit dem einen der beiden Stromanschlüsse (Ig) und das andere Ende mit dem einen zweier Spannungsansohlüsse (V2) verbunden ist.