CH659342A5

CH659342A5 - Temperaturabhaengiger widerstand.

Info

Publication number: CH659342A5
Application number: CH619882A
Authority: CH
Inventors: Niels Lervad Andersen; Per Phillipsen
Original assignee: Danfoss As
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1982-10-25
Publication date: 1987-01-15
Also published as: FR2517056A1; FR2517056B1; DE3146020C2; GB2109998B; DK503582A; GB2109998A; DE3146020A1; JPS58130502A; JPH0145722B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen temperaturabhängigen Widerstand, insbesondere für Widerstandsthermometer, mit einem Träger aus einem isolierenden Metalloxid und einer dünnen Platinschicht als Widerstandsmaterial, wobei der Widerstand nach dem Aufbringen des Widerstandsmaterials in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre getempert ist.

Bei einem bekannten temperaturabhängigen Widerstand dieser Art ist die dünne Platinschicht unmittelbar auf dem isolierenden Träger in einer Dicke von 1 bis 10 Mikrometer im Vakuum aufgedampft oder durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht. Zur Erzeugung von Mäandermustern wird auf dem Platinfilm ein Photolack aufgebracht und teilweise abgedeckt, belichtet und entwickelt. Durch Ionenätzen oder andere Verfahren wird dann die gewünschte Leiterbahn hergestellt. Das Abgleichen dieser Leiterbahnen auf einen bestimmten Widerstandswert erfolgt mittels eines Laserstrahls. Zur Erzielung besonders hoher Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands wird die dünne Platinschicht in einem Argon-Sauerstoff-Gemisch durch Katodenzerstäubung aufgebracht und bei Temperaturen oberhalb 800°C, vorzugsweise im Bereich von 1000-1200°C, nachgetempert.

Bei einem derart ausgebildeten Widerstand besteht die Gefahr, dass der Platinfilm leicht abreisst. So wird er beispielsweise durch Ziehen an einem angelöteten Draht vom Träger abgerissen. Selbst das Abziehen eines aufgeklebten herkömmlichen Klebebandes kann zum Abreissen der Platinschicht führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen tempera-turrabhängigen Widerstand der gattungsgemässen Art anzugeben, bei dem die Platinschicht besser an der Unterlage haftet.

Erfindungsgemäss ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen dem Träger und der Platinschicht eine Zwischenschicht aus einem den Träger und die Platinschicht verbindenden Metall auf dem Träger aufgebracht ist.

Hierbei hält die Platinschicht mindestens solchen Kräften stand, wie sie zum Abreissen eines an der Platinschicht angelöteten Drahtes erforderlich sind.

Vorzugsweise weist die Zwischenschicht Titan auf. Diese stellt besonders hohe Bindekräfte sicher.

Vorzugsweise ist die Zwischenschicht auf dem Träger aufgedampft, um sie innig mit dem Träger zu verbinden.

Dabei kann die Zwischenschicht eine Dicke von etwa 2 bis 5 Nanometer, vorzugsweise etwa 2,5 Nanometer, aufweisen. Eine derart geringe Dicke ist ausreichend, um einen sicheren Halt der Platinschicht an der Zwischenschicht zu gewährleisten.

Die Platinschicht kann eine Dicke von etwa 0,4 bis 1,2 Mikrometer, vorzugsweise etwa 1 Mikrometer, aufweisen. Eine Schichtdicke in diesem Bereich ermöglicht nicht nur die erforderliche Festigkeit einer Lötverbindung an der Platinschicht, sondern auch einen verhältnismässig hohen Widerstandswert, wie er häufig zur Messung über längere Leitungen erforderlich ist, ohne dass Änderungen des Leitungswiderstands merklich ins Gewicht fallen.

Sodann kann die Platinschicht auf der Zwischenschicht durch Aufdampfen oder Katodenzerstäubung aufgebracht sein. Auch hierbei wird eine verhältnismässig hohe Festigkeit der Verbindung zwischen der Platinschicht und der Zwischenschicht, insbesondere der Titan-Zwischenschicht, sichergestellt.

Vorzugsweise ist das Trägermaterial Aluminiumoxid. Dieses Material wirkt nicht nur als guter Isolator, sondern stellt ebenfalls eine hohe Festigkeit der Verbindung zwischen Träger und Zwischenschicht, insbesondere Titan, sicher.

Sodann kann der Widerstand in Luft getempert sein. Auf diese Weise werden vornehmlich temperaturabhängige oder alterungsbedingte Abweichungen des Widerstandswertes vom Nennwert bei der jeweiligen Temperatur weitgehend verhindert.

Besonders geringe Abweichungen des Widerstandswertes vom Nennwert ergeben sich, wenn der Widerstand bei einer Temperatur von etwa 1200 bis 1425°C, vorzugsweise bei etwa 1300°C, getempert ist.

Hierbei genügt eine Wärmebehandlungsdauer von nur etwa einer Stunde.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Darin ist

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Widerstands,

Fig. 2 eine Draufsicht des Widerstands nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Fehlerdiagramm für verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Widerstands.

Nach den Fig. 1 und 2 besteht der temepraturabhängige Widerstand aus einem elektrisch isolierenden Träger (Substrat) 1, einer Zwischenschicht 2 und einer Platinschicht 3.

Der Träger 1 besteht aus einer isolierenden Metalloxid-schicht, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid besteht, stattdessen aber auch aus anderen Metalloxiden, wie Magnesiumoxid, bestehen kann.

Die Zwischenschicht 2 besteht aus einem Metall, vorzugsweise Titan, kann stattdessen aber auch Kupfer aufweisen. Sie hat eine Dicke von etwa 2 bis 5 Nanometer, vorzugsweise etwa 2,5 Nanometer, und ist vorzugsweise auf dem Träger 1 nach einer Erwärmung des Trägers 1 auf etwa 250°C aufgedampft, kann stattdessen aber auch durch Katodenzerstäubung aufgebracht sein.

Die Platinschicht bildet das temperaturabhängige Widerstandsmaterial und hat eine Dicke von etwa 0,4 bis 1,2 Mikrometer, vorzugsweise 0,5 bis 1 Mikrometer. Sie ist ebenso wie die Zwischenschicht 2 mäanderförmig nach dem Photoresistver-fahren augebildet und auf der Zwischenschicht 2 aufgedampft

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oder durch Katodenzerstäubung aufgebracht. Die Mäanderform kann aber auch durch Wegbrennen mittels Laserstrahl ausgebildet sein.

Der bis zur Ausbildung der Mäanderform fertige Widerstand wird zunächst noch in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, vorzugsweise Luft, getempert (wärmebehandelt), und zwar bei einer Temperatur von etwa 1100 bis 1425°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 1200 bis 1300°C, wobei die günstigste Temperatur bei etwa 300°C liegt, um Abweichungen seines Widerstandswertes vom Nennwert bei der jeweiligen Betriebstemperatur sehr gering zu halten. Nach dem Tempern wird die Mäanderform ausgebildet und danach folgt noch ein Feinab-gleich des Widerstandswertes ebenfalls durch Wegbrennen mittels Laserstrahl. Anschliessend wird nochmals nachgetempert.

Die nachstehende Tabelle I enthält verschiedene Ausführungsbeispiele von Widerständen, die den in den Fig. 1 und 2 dargestellten, prinzipiellen Aufbau aufweisen und sich in der Temperatur beim Tempern, der Platinschichtdicke und dem Zwischenschicht-Metall unterscheiden und deren Nennwider-standswert bei 0°C bei 100 Ohm liegt. Die Zwischenschichtdicke liegt bei 2,5 Nanometer. Das Tempern fand in atmosphärischer Luft etwa eine Stunde lang statt. Der Träger 1 besteht aus Aluminiumoxid.

Bei

Temperungs-

Platinschicht

Zwischen spiel temperatur dicke schicht

(°C)

(Um)

a

500

0,38-0,5

Cu,

aufgesputtert b

850

»

c

1200

»

d

1400

»

Titan,

aufgedampft e

1375

0,5

»

f

1425

1

»

g

1375

1

»

h

1300

1

»

Fig. 3 stellt die Abweichung des Widerstandswertes der verschiedenen Beispiele nach Tabelle I in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur dar. In dem Diagramm sind ferner zwei nach der DIN-Norm vorgesehene Toleranzbereiche ± A und ± B gestrichelt bzw. strichpunktiert eingezeichnet, wobei der Toleranzbereich ±A enger als der Toleranzbereich ±B ist.

Wie Fig. 3 zeigt, überschreiten die Abweichungen vom Nennwert bei den Beispielen a, b und c sehr rasch die Toleranzbereiche A und B, während sie bei den Beispielen d und e zwischen wenigstens —50°C und + 140°C im engeren Toleranzbereich ±A liegen und bei den Beispielen f, g und h zumindest oberhalb von 0°C noch geringer sind und über einen noch grösseren Temperaturbereich innerhalb des Toleranzbereiches ± A bleiben, wobei die Abweichungen im Beispiel h zumindest bis zu etwa 145°C am geringsten sind. In einem sehr häufig interes-

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sierenden Temperaturmessbereich von etwa —30°C bis etwa + 180°C erweist sich daher das Beispiel h als das günstigste.

Die Festigkeit mit der die Platinschicht 2 und der Träger 1 verbunden sind, ist bei allen Beispielen so hoch, dass beim Ziehen an einer an der Platinschicht 2 angelöteten Leitung das Lötmittel zerrissen wird und jedenfalls das Abreissen eines auf die Platinschicht 2 geklebten, herkömmlichen Klebebandes nicht zum Abreissen der Platinschicht 2 führt.

Nachstehende Tabelle II stellt zusammenfassend zwei vorteilhafte, prinzipielle Beispiele für die Herstellung eines erfindungsgemässen Widerstands dar, die sich im wesentlichen nur in der Art der Ausbildung des Musters (zum Beispiel Mäanderform) durch die Lasertechnik einerseits und die Photoresisttech-nik andererseits unterscheiden.

TABELLE II

Lasertechnik

1. Reinigen des Trägers

2. Aufdampfen von Titan. Schichtdicke etwa 2,5 Nanometer

3. Aufdampfen von Platin. Schichtdicke etwa 0,5 bis 1 Mikrometer

4. Tempern bei etwa 1100 bis 1425°C, vorzugsweise 1300°C. Dauer: etwa 1 Std.

5. Ausbilden des Musters durch teilweises Wegbrennen der Titan- und Platinschichten

6. Nachtempern

7. Feinabgleichen durch Laser

8. Zertrennen der Schichtanordnung in kleinere Widerstandsbauelemente

9. Anbringen von Anschlüssen 10. Einkapseln

Photoresisttechnik

1. Reinigen des Trägers

2. Auftragen von Photolack

3. Belichten durch Maske

4. Entfernen des Photolacks an belichteten Stellen

5. Aufdampfen von Titan. Schichtdicke etwa 2,5 Nanometer

6. Aufdampfen von Platin. Schichtdicke etwa 0,5 bis 1 Mikrometer

7. Tempern bei etwa 1100 bis 1425°C, vorzugsweise etwa 1300°C. Dauer etwa 1 Stunde

8. Entfernen des unbelichteten Photolacks zur Ausbildung des Musters

9. Digitales und/oder analoges Abgleichen des Widerstandswertes mittels Laser

10. Zertrennen der Schichtanordnung in kleinere Widerstandsbauelemente

11. Anbringen von Anschlüssen

12. Einkapseln

Abwandlung von den dargestellten Ausführungsbeispielen liegen im Rahmen der Erfindung. So kann anstelle von Kupfer oder Titan für die Zwischenschicht 2 auch Zirkon verwendet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Temperaturabhängiger Widerstand, insbesondere für Wi-derstandsthermometer, mit einem Träger aus einem isolierenden Metalloxid und einer dünnen Platinschicht als Widerstandsmaterial, wobei der Widerstand nach dem Aufbringen des Widerstandsmaterials in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre getempert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (1) und der Platinschicht (3) eine Zwischenschicht (2) aus einem den Träger (1) und die Platinschicht (3) verbindenden Metall auf dem Träger (1) aufgebracht ist.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) Titan aufweist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) auf dem Träger (1) eine aufgedampfte Schicht ist.

4. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) eine Dicke von 2 bis 5 Nanometer, vorzugsweise etwa 2,5 Nanometer, aufweist.

5. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinschicht (3) eine Dicke von 0,4 bis 1,2 Mikrometer, vorzugsweise etwa 1 Mikrometer, aufweist.

6. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinschicht (3) auf der Zwischenschicht (2) eine aufgedampfte Schicht oder eine Katodenzerstäubungsschicht ist.

7. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial Aluminiumoxid ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass er in Luft getempert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er bei einer Temperatur von 1200 bis 1425°C, vorzugsweise bei etwa 1300°C, getempert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er während etwa einer Stunde getempert wird.