AT403851B

AT403851B - Widerstandsthermometer mit einem messwiderstand

Info

Publication number: AT403851B
Application number: AT0252893A
Authority: AT
Original assignee: Heraeus Sensor Nite Gmbh
Priority date: 1993-01-06
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 1998-06-25
Also published as: DE4300084C2; ATA252893A; DE4300084A1

Description

AT 403 851 B

Die Erfindung betrifft ein Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platinmetallgruppe bestehenden Widerstandsschicht in einer Dicke von 0,1 bis 10 um, die auf einer als Schicht ausgebildeten elektrisch isolierenden Oberfläche eines Trägers aufgebracht und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckschicht versehen ist, wobei die die elektrisch isolierende Oberfläche bildende Schicht wenigstens eine Dicke von 1 um und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K liegt.

Ein Widerstandsthermometer ist aus der DE 24 50 551 bekannt.

Dieser Patentschrift liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits eine fehlende thermische Angleichung zwischen Metall und Unterlage zu überwinden und anderseits die Platinschicht so dick zu machen, daß der Einfluß der freien Weglänge der Leitungselektronen noch zu vernachlässigen ist, wobei ein Substrat aus Aluminiumoxid vorgesehen ist; allerdings ist die Bearbeitbarkeit von Aluminiumoxidkeramik aufgrund ihrer Sprödigkeit verhältnismäßig problematisch, wobei die bei Sensoren zunehmende Miniaturisierung an die Bearbeitbarkeit des Substratmaterials aufgrund der geringen Abmessungen eine erhöhte Genauigkeitsanforderung stellt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Platinmeßwiderstand in Dünnfilmtechnik als Flachmeßfühler anzugeben, der als Temperatursensor im Bereich von -200 bis +500*C mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden kann. Dabei sollen mechanische Spannungen der sensitiven Platinschicht verhindert werden, so daß sich eine Kennliniencharakteristik wie bei einem freihängenden Platindrahtwiderstand ergibt; weiterhin soll eine möglichst geringe Differenz zu der vorgegebenen DIN-Sollwert-Kennlinie erzielt werden.

Die Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß der Träger aus einem im wesentlichen aus einem Metall der Titangruppe bestehenden Substrat gebildet ist, und daß die die elektrisch isolierende Oberfläche bildende Schicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 50 um aufweist.

Erst der Einsatz eines verhältnismäßig leicht zu bearbeitenden metallischen Werkstoffes wie z.B. Titan stellt sicher, daß auch im Miniaturbereich präzise Abmessungen mittels plastischer Formgebungsverfahren, wie Zerspanen, erhalten werden.

Was den oben beschriebenen Stand der Technik betrifft, so ist nicht ersichtlich, wodurch der Fachmann zur Anwendung von Metallen der Titangruppe als Substratmaterial für Meßwiderstände angeregt werden konnte.

Darüberhinaus erweist sich die günstigere Wärmeleitfähigkeit von Titansubstraten gegenüber Aluminiumoxidkeramiksubstraten insbesondere bei der zunehmenden Miniaturisierung als vorteilhaft, da auf diese Weise auf Temperaturänderungen schnell ansprechende Sensoren geschaffen werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Substrat aus Titan und die die elektrisch isolierende Oberfläche bildende Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid oder Spinellen. Die letztgenannte Schicht kann vorteilhaft aus einer Kombination von wenigstens zwei Oxiden oder aus Siliziumnitrid mit wenigstens einem Oxid bestehen.

Als vorteilhaft erweist sich, daß der erfindungsgemäße Meßwiderstand mit nur sehr geringer Abweichung dem DIN-Poiynom für PT 100 folgt und somit im Hinblick auf die Kennliniencharakteristik für Flachmeßfühler ein ähnliches Verhalten wie bei Platinwiderständen in gewickelter Form festgestellt werden kann; auch ist der Fühler in flüssigem Stickstoff bei -196’C sehr stabil; darüberhinaus tritt keinerlei Hysterese nach der Tieftemperaturmessung ein, wie es bei konventionellen Meß widerständen in Schichtbauweise zu beobachten ist. Aufgrund der möglichen Miniaturisierung des Meßfühlers können Meßwiderstände, d.h. Temperatursensoren mit sehr kleinen Abmessungen verwirklicht werden, wobei gleichzeitig eine kostengünstige Produktion möglich ist.

Zur Herstellung des Meßwiderstandes wird die elektrisch isolierende Schicht im Siebdruckverfahren auf das Titansubstrat aufgebracht und unter Zufuhr von Stickstoff eingebrannt. Es ist jedoch auch möglich, die elektrisch isolierende Schicht aus Glas oder Glaskeramik im bekannten Dünnschichtverfahren aufzutragen. Das zur Messung vorgesehene Platin wird auf diese elektrisch isolierende Schicht in Dick- oder Dünnschichttechnik aufgebracht. Vorzugsweise werden dünne Schichten durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder Aufdampfen oder auch durch Siebdrucktechnik (Resinattechnik) erzeugt. Das beschichtete Substrat wird anschließend im Temperprozeß einer Temperatur zwischen 500’C und 650 *C in einem Zeitraum von 40 h bis 100 h ausgesetzt.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß weder beim Beschichten noch beim photolithografischen Strukturieren besonders angepaßte Prozesse vorzunehmen sind, da auf die standardisierten Prozeßparameter für Platinmeßfühler auf Aluminiumoxidkeramiksubstrate zurückgegriffen werden kann. Aufgrund des Temperprozesses des beschichteten Substrates wird der nach DIN geforderte Temperaturkoeffizient TK des Platins von 3850 ppm/K auf zuverlässige Weise erreicht.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß mit dem Aufbringen einer dielektrischen Abdeckschicht auf dem mäanderförmigen Platinfilm und nach dem Kontaktieren mit Anschlußdrähten der Meßwiderstand auf 2

Claims

AT 403 851 B konventionelle Art unter Verwendung bisher üblicher Fertigungsmittel komplettiert werden kann. Die Abdeckschicht besteht vorzugsweise aus einer silikatischen Glaskeramik, die im Siebdruckverfahren aufgebracht wird. Aber auch hier sind Dünnschichttechniken möglich. Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Meßwiderstand in Explosionszeichnung, Fig. 2 zeigt anhand eines Kennlinienfeldes die Widerstandsdifferenz zu den DIN-Sollwerten in Ohm (Q) über der Temperaturachse t in " C. Gemäß Fig. 1 befindet sich auf dem Substrat 1 aus Titan eine elektrisch isolierende Schicht 2 aus Glas oder Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K insbesondere von 9,5 ppm/K sowie einer Dicke im Bereich von 1 bis 50 um, vorzugsweise von 26 um, welche unter Inertgaszufuhr - beispielsweise Stickstoff - eingebrannt worden ist. Auf die elektrisch isolierende Schicht 2 ist eine im wesentlichen aus Platin bestehende Schicht in Mäanderform als Meßwiderstand 3 in einer Dicke von 0,1 bis 10 um, vorzugsweise in einer Dicke von 5 um aufgebracht. Der Meßwiderstand 3 ist an seinen Enden 4 mit Kontaktflächen 5 und Anschlußdrähten 6 versehen. Der Meßwiderstand 3 ist durch eine als Schutzüberzug dienende Abdeckung 7 aus Silikatglas gegen äußere mechanische bzw. chemische Angriffe geschützt, wobei die Abdeckung 7 Öffnungen 8 aufweist, welche zur Verbindung der Anschlußflächen 4 nach außen durch Öffnungen 8 vorgesehen sind, so daß eine nachträgliche Kontaktierung nach Zusammensetzung möglich ist. Weiterhin sind ebenfalls Anschlußdrähte 6 zur Kontaktierung nach außen vorgesehen. Der mit den Öffnungen 8 versehene Teil der Abdeckung 7 weist einen sogenannten Zugentlastungstropfen 9 aus elektrisch isolierendem Werkstoff auf, welcher nach Kontaktierung und Durchführung der Anschlußleiter von außen durch die Öffnungen 8 aufgebracht wird, um eine spätere mechanische Belastung zwischen dem Meßelement und den Anschlußdrähten zu vermeiden. Wie gemäß Fig. 2 anhand der Kennlinie a zu entnehmen ist, liegt die Kennlinie des erfindungsgemäßen Meßwiderstandes im Bereich von -200 bis O'C im leicht abfallenden Bereich mit zunehmender Temperatur, wobei sich die Kennlinien-Werte noch innerhalb der Ein-Zehntel-Toleranz gegenüber den mit c und d bezeichneten DIN-Kennlinien (Kennlinienfeld) bewegen. Ausgehend vom Nullpunkt steigt die Kennlinie im Bereich bis zu 500 * C, wobei ebenfalls bis zum Erreichen des 500 * C-Wertes sich die Kennlinie innerhalb der Ein-Zehntel-Toleranz gegenüber der mit c und d bezeichneten DIN-Kennlinie bewegt. Zum Vergleich ist die Widerstandsdifferenz zum DIN-Sollwert für einen Meßwiderstand PT 100 auf einem Aluminiumoxidsubstrat in Kurve b angegeben, wobei anhand dieser Kurve erkennbar ist, daß sich die Kennlinie b im Bereich zwischen +100 bis 500 *C außerhalb des Feldes der Ein-Zehntel-DIN-Toleranz bewegt, so daß eine der DIN-Norm gerechte Messung hiebei nicht mehr möglich ist. Patentansprüche 1. Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platinmetallgruppe bestehenden Widerstandsschicht in einer Dicke von 0,1 bis 10 um, die auf einer als Schicht ausgebildeten elektrisch isolierenden Oberfläche eines Trägers aufgebracht und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckschicht versehen ist, wobei die die elektrisch isolierende Oberfläche bildende Schicht wenigstens eine Dicke von 1 um und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem im wesentlichen aus einem Metall der Titangruppe bestehenden Substrat (1) gebildet ist, und daß die die elektrisch isolierende Oberfläche bildende Schicht (2) eine Dicke im Bereich von 1 bis 50 um aufweist.
2. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Titan besteht.
3. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die die elektrisch isolierende Oberfläche bildende Schicht (2) aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid oder Spinellen besteht.
4. Widerstandsthermometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus einer Kombination von wenigstens zwei Oxiden oder aus Siliziumnitrid mit wenigstens einem Oxid besteht. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 3