AT405688B - Widerstandsthermometer mit einem messwiderstand - Google Patents

Description

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   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   elektrisch   isolierenden Oberflächenschicht eines Trägers aufgebracht und mit einer elektnsch isolierenden Abdeckschicht versehen ist. 



   Aus der DE-PS 25 27 739 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Messwiderstands für ein Widerstandsthermometer bekannt, bei dem der Messwiderstand auf einem Träger aus keramischen Material 
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 Temperaturkoeffizienten aufweist, dabei wird eine solche Keramik verwendet, deren mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Thermometerplatins um weniger   als plus/minus 30%   unterscheidet, das als Ausgangsmaterial für Substrate von durch Aufstäuben hergestellte Platindünnschichtwiderstände für Widerstandsthermometer dient, die in sauerstoffhaltiger Atmosphäre soweit erhitzt werden, dass das Substrat nach der Wärmebehandlung weniger als 15 ppm Chrom, weniger als 30 ppm Eisen, weniger als 45 ppm Blei und weniger als 70 ppm Silicium in mit Platin reaktionsfähiger Form   enthält ;

   bel   gleichzeitiger Abwesenheit aller vorgenannten Metalle überschreitet die Summe der Verunreinigungen durch diese Metalle nicht 20 ppm, wobei das In einer Dicke von 0, 1-10 um mit Platin beschichtete Substrat bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis   1400. C   während mindestens 60 Minuten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre erhitzt wird. Das Substrat besteht entweder aus Aluminiumoxidkeramik, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Magnesiumoxid oder einem Magnesiumsilikat ; das Substrat wird während der Beschichtung einer Temperatur Im Bereich von 500 bis   900. C   ausgesetzt.

   Vorzugsweise wird Aluminiumoxidkeramik als Substrat eingesetzt, wobei die Platinschicht eine Dicke von 1-5 um aufweist. 
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 Substrat ein Platin-Dünnfilm aufgedampft oder aufgestäubt wird, auf den Im Siebdruckverfahren ein Rhodiumsulforesinat enthaltendes Präparat im Siebdruckverfahren aufgebracht und eingebrannt wird, so dass das Rhodium in der Widerstandsschicht gleichmässig verteilt ist ; bei Einsatz eines Metallsubstrates weist die dem Platin-Dünnfilm zugewandte Seite des Substrates eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Glaskeramik auf. 



   Als problematisch erweisen sich die nach den bekannten Verfahren hergestellten Schicht-Messwiderstände im Tieftemperaturbereich, da reproduzierbare Tieftemperaturmessungen nur innerhalb eines grösseren Streubereiches möglich sind. Unterhalb   vox-50 C   erreicht die Platinmessschicht das plastische Verhalten, so dass wiederholbare Messungen gar nicht mehr gesichert sind. 



   Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Platinmesswiderstand in Dünnfilmtechnik als Flach-   messfühler   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 
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 weiterhin soll eine möglichst geringe Differenz zu der vorgegebenen   DlN-Sollwert-Kennlinie   erzielt werden. 



   Die Aufgabe dadurch gelöst, dass die elektrisch isolierende Oberflächenschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8, 5 bis 10, 5 ppm/K aufweist. 



   Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht der Träger aus einem Substrat aus Titan, auf das eine elektrisch isolierende Schicht aus Glas oder Glaskeramik mit einer Dicke im Bereich von 1 um bis 50 um mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8, 5 ppm/K bis 10, 5 ppm/K aufgebracht ist, wobei sich auf dieser Schicht eine Widerstandsschicht aus Platin befindet, die als elektrischer Messwiderstand strukturiert ist. 



   In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird als Träger ein Substrat aus Silikatglas oder aus einer Keramik aus   AI203   und   MgO   eingesetzt, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten jeweils im Bereich von 8, 5 ppm/K liegen ; das Mischungsverhältnis Aluminiumoxid zu Magnesiumoxid der Keramik liegt Im Bereich von 1 : 4 bis 1 : 2. Die aus Platin bestehende Widerstandsschicht ist auf dem Substrat aus Silikatglas oder Keramik aufgebracht, wobei sie als elektrischer Messwiderstand strukturiert ist. 



   Zu beiden bevorzugten Ausführungsformen ist auf der   ''''erstandsschicht   eine elektrisch isolierende Abdeckschicht aus Silikatglas oder silikatischer   Glaskeramik. : < ner   Dicke im Bereich von   0, 1 um   bis 20 um vorgesehen. 



   Als vorteilhaft erweist sich, dass der erfindungsgemässe Messwiderstand mit nur sehr geringer Abweichung dem DlN-Polynom für PT 100 folgt und somit im Hinblick auf die Kennhniencharakteristik 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 Messwiderständen in Schichtbauweise zu beobachten ist. Aufgrund der möglichen Mlniaturisierung des Messfühlers können Messwider- 

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 stände, 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 standarisierten 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 konventionelle Art unter Verwendung bisher üblicher   Fertigungsmitte ! komplettiert wenden   kann. Die Abdeckschicht besteht vorzugsweise aus einer silikatischen Glaskeramik, die im   Sieben Jckverfahren   aufgebracht wird. Aber auch hier sind Dünnschichttechniken möglich. 



   Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. 



   Figur 1 zeigt einen   erfindungsgemässen   Messwiderstand in Explosionszeichnung,
Figur 2 zeigt anhand eines Kennlinienfeldes die Widerstandsdifferenz zu den DIN-Sollwerten in Ohm   ( ! 2)   über der Temperaturachse t   in. C.   



   Gemäss Figur 1 befindet sich auf dem Substrat 1 eine elektrisch isolierende Schicht 2 aus Glas oder Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8, 5 bis   10, 5 ppmlk   insbesondere von   9, 5 ppmlk   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 Figur 2 anhand der Kennlinie a zu entnehmen ist, liegt die Kennlinie des erfindungsgemä- ssen Messwiderstands 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 hierbei nicht mehr möglich ist. 

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Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Widerstandsthermometer mit einem Messwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platinmetallgruppe bestehenden Widerstandsschicht (3) in einer Dicke von 0, 1 bis 10 um, die auf einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht (2) eines Trägers (1) aufgebracht und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckschicht (7) versehen ist, wobei die elektrisch isolierende Oberflächen- schicht (2) einen Warmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Bereich des Koeffizienten der Platinmetaltgruppe liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) des Messwiderstands aus <Desc/Clms Page number 3> einem Substrat aus Silikatglas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8, 5 ppm/K bis 10, 5 ppm/K besteht.
2. 2. Widerstandsthermometer mit einem Messwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platinmetallgruppe bestehenden Widerstandsschicht (3) in einer Dicke von 0, 1 bis 10 um, die auf einer elektrisch Isolierenden Oberflächenschicht (2) eines Trägers (1) aufgebracht und mit einer elektrisch Isolierenden Abdeckschicht (7) versehen ist, wobei die elektrisch isolierende Oberflächen- schicht (2) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Bereich des Koeffizienten der Platinmetallgruppe liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) aus einer Keramik aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8, 5 ppm/K bis 10, 5 ppm/K gebildet ist.
3. 3. Widerstandsthermometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis Aluminiumoxid zu Magnesiumoxid der Keramik Im Bereich zwischen 1 : 4 und 1 : 2 liegt
4. 4. Widerstandsthermometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine MischoxIdkeramik 1St.