BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich eines Temperaturfühlers, einen Temperaturfühler zur Durchführung dieses Verfahrens sowie einen mittels dem erfindungsgemässen Verfahren abgeglichenen Temperaturfühler.
Temperaturfühler, insbesondere in der Dünn- und Dickschichttechnologie hergestellte Temperaturfühler, weisen eine auf geeignete Substrate (Keramik, Glas usw.) aufgebrachte Widerstandsschicht auf. Der Widerstand dieser Schicht ist von der Temperatur abhängig. Durch die Messung des Widerstandes kann damit die Umgebungstemperatur des Fühlers indirekt gemessen werden. Damit der gemessene Widerstandswert eines Temperaturfühlers eine genaue Temperaturmessung erlaubt, müssen die Temperatur fühler nach der Herstellung auf einen vorgewählten Sollwert bei einer bestimmten Temperatur (z.B.
100 Ohm bei 0 Grad Celsius) abgeglichen bzw. geeicht werden.
In einem Abgleichvorgang wird die Widerstandsschicht mittels Laser, Sandstrahl, Funkenerosion usw. abgetragen und dadurch hochohmiger gemacht, um den Sollwert des Widerstandes zu erreichen. Gleichzeitig während des Abtragens wird der momentane Widerstandswert gemessen, um beim Erreichen des Sollwertes den Abgleichvorgang zu stoppen. Nun führen aber alle Abgleichverfahren während der Abtragung der Widerstandsschicht gleichzeitig zu deren Erwärmung. Die Erwärmung verursacht ihrerseits eine Verfälschung des momentan gemessenen Widerstandswertes. Für eine genaue Messung müsste man den Beharrungszustand der Temperatur der Widerstandsschicht, also das Temperaturgleichgewicht jeweils abwarten.
Dies führt aber zu einer wesentlichen Verteuerung des Temperaturfühlers, da die Abgleichvorrichtungen nicht mehr mit einem möglichst hohen Durchsatz arbeiten können. Sehr genaue Temperaturfühler (0.1 Grad Austauschbarkeit oder besser) sind deshalb sehr teuer und in grossen Stückzahlen nicht erhältlich. Zur Erreichung der Temperaturkonstanz von besser als 0.1 Grad mit Hilfe einer Abgleichvorrichtung, die sehr gut gegen Änderungen der Aussentemperatur isoliert sein muss, sind Wartezeiten von mehreren Minuten bis zu einer Stunde nötig, um beim Temperaturgleichgewicht das Resultat eines Abgleichschrittes messen zu können.
Besonders schwierig ist der Abgleich von einer Vielzahl sehr kleiner Temperaturfühler, die sich in ihrer Herstellungsphase auf einem einzigen, gut wärmeleitenden Substrat befinden. Auf einem Substrat von Grösse 5 x5 cm können z.B. mehr als 100 Temperaturfühler angeordnet werden. Bereits nach dem Abgleich des ersten Temperaturfühlers wird sich das Substrat erwärmen, wodurch die Messung der benachbarten Fühler verfälscht wird.
In der US-4 041 440 wird versucht, das Problem der Erwärmung der Widerstandsschicht beim Abgleichvorgang dadurch zu lösen, dass nicht die Widerstandsschicht sondern parallele Zuleitungen zu der Widerstandsschicht abgetragen werden. Mit diesem Abgleichverfahren sollte die Erwärmung der Widerstandsschicht selbst nicht bedeutend sein. Es ist aber bekannt, dass für Temperaturfühler sehr gut wärmeleitende Substrate verwendet werden müssen, um möglichst kurze Ansprechzeiten der Fühler zu erreichen. Bei der Verwendung eines Lasers zur Abtragung einer Schicht steigen die Temperaturen der Schicht auf einige Tausend Grad an, wobei die Schicht verdampft wird.
Eine Erwärmung des Substrats und damit auch der darauf angeordneten Widerstandsschicht, ist auch bei diesem Abgleichverfahren unvermeidlich. Besonders für den Abgleich einer Vielzahl von Temperaturfühlern, die sich auf einem gemeinsamen Substrat befinden, ist dieses Abgleichverfahren nicht geeignet. Dazu wird bei diesem Abgleichverfahren eine besonders unwirtschaftliche Gestaltung des Temperaturfühlers mit mehreren Schichten verlangt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abgleich eines Temperaturfühlers und einen Temperaturfühler zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, wobei die oben beschriebenen Nachteile beseitigt werden und ein sehr schneller und wirtschaftlicher Abgleich ohne Wartezeiten ermöglicht wird.
Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, die Herstellung sehr genauer Temperaturfühler mit niedrigen Kosten zu ermöglichen und auch grosse Stückzahlen von Temperaturfühlern mit hoher Präzision zu produzieren.
Erfindungsgemäss wird dies durch ein im Patentanspruch 1 gekennzeichnetes Verfahren und durch einen im Patentanspruch 5 gekennzeichneten Temperaturfühler erreicht.
Im folgenden werden zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Leiterbahnstruktur und
Fig. 2 zeigt eine Leiterbahnstruktur mit zwei Teilstrukturen für Grob- und Feinabgleich.
Figur 1 zeigt also eine schematische Darstellung einer Leiterbahnstruktur von thermosensitivem Material auf einem Substrat eines Temperaturfühlers, der gemäss der Erfindung hergestellt wurde. Sie ist als Teilstruktur dargestellt, welche sich gemäss erfindungsgemässem Verfahren den gewünschten Flächenverhältnissen anpassen lässt.
An einem Ende des Temperaturfühlers können Kontakte 1 zur Kontaktierung angebracht werden. Der Widerstand des Fühlers wird durch eine langgezogene Leiterbahn 2 gebildet, die eine Vielzahl von Schleifen aufweisen kann, um eine möglichst grosse Anzahl von Quadraten (squares) zu erhalten. Der gesamte Widerstand des Fühlers berechnet sich durch die Multiplikation des spezifischen Flächenwiderstandes (Ohm/Quadrat) mit der Anzahl der Quadrate. Bei der Anzahl von 1000 Quadraten und einem spezifischen Flächenwiderstand von 0,1 Ohm/Quadrat wird der gesamte Widerstand 100 Ohm betragen. Die Anzahl der Quadrate lässt sich genau bestimmen und ist von Fühler zu Fühler sehr genau reproduzierbar. Dagegen ist die Schichtdicke grösseren Schwankungen unterworfen. Deshalb muss der Widerstand des Temperaturfühlers nach seiner Herstellung abgeglichen werden.
Der Abgleich kann in einer dafür vorgesehenen Teilstruktur (4) entlang einer Linie (3) stattfinden. In der Teilstruktur (4) sind zu der Leiterbahn (2) Trimmbahnen (4a, 4b, ...) parallel geschaltet. Durch Unterbrechung von Trimmbahnen wird der Widerstand des Temperaturfühlers ansteigen. Wird die Trimmbahn 4a unterbrochen, die eine Parallelschaltung von jeweils 4 Quadraten bildet, so wird die wirksame Anzahl der Quadrate um 2 ansteigen. Analog dazu steigt die wirksame Anzahl der Quadrate um 4, 8, 16 und 32 wenn die Trimmbahnen 4b, 4c, 4d und 4e unterbrochen werden.
Ist einmal die Kodierung einer Teilstruktur bekannt, welche durch Berechnung oder eine einmalige Ausmessung des gesamten Widerstandes ermittelt werden kann, so ist es möglich, die Anzahl und Reihenfolge und damit die Kombination der Unterbrechungen so im voraus zu berechnen, dass ein entsprechender Sollwert des Widerstandes erreicht werden kann.
Dazu ein folgendes Beispiel. Es wird eine Leiterbahnstruktur gebildet, die vor dem Abgleich 1000 Quadrate aufweist. Die Reihenfolge der Kodierung der Zunahme der Quadrate in einer Teilstruktur ist 2, 4, 8, 16, 32 und 64. Eine solche Leiterbahnstruktur wird auf eine Photomaske vervielfacht. Auf seinem Substrat wird eine temperaturabhängige Widerstandsschicht mit Hilfe dieser Maske in Dünnschicht- oder mit Hilfe eines mit dieser Maske hergestellten Siebes in Dicktschichttechnologie entsprechend strukturiert. Das gesamte Substrat wird in eine Messvorrichtung gebracht, und alle auf dem Substrat vorhandene Temperaturfühler kontaktiert. Gleichzeitig wird die Temperatur in der Messvorrichtung genau gemessen und der thermische Beharrungszustand abgewartet. Nach der Erreichung des Beharrungszustandes werden die Istwerte der Widerstände aller Temperaturfühler gemessen.
Aus der Temperatur des Beharrungszustandes wird der Sollwert berechnet, auf den die Temperaturfühler abgeglichen werden sollen. Es lassen sich bekannterweise nur die Temperaturfühler abgleichen, deren Istwert des Widerstandes kleiner als ihr Sollwert ist. Nehmen wir als Beispiel einen Sollwert von 110 Ohm an. Einer der Widerstände weist einen Istwert von 108.6 Ohm auf. Zuerst wird der spezifische Flächenwiderstand dieses Fühlers berechnet, der 0.1086 Ohm/Quadrat ergibt. Danach wird die Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert gebildet und diese Differenz durch den spezifischen Flächenwiderstand des Fühlers dividiert. Das Resultat (110 - 108.6) / 0.1086 = 12.89 ergibt die Anzahl der Quadrate, die nötig sind, um den Widerstand des Fühlers genau auf den Sollwert zu bringen.
In diesem Beispiel kann man durch die Kombination von zwei Unterbrechungen 4 + 8 = 12 den Widerstand auf besser als 0.2% bis zum Sollwert abgleichen.
Nachdem alle Widerstände auf dem Substrat ausgemessen und die jeweiligen Kombinationen der Unterbrechungen bei jedem Temperaturfühler berechnet sind, kann das Substrat in eine Abgleichvorrichtung gebracht werden, in der ohne weitere Messungen alle Temperaturfühler durch Unterbrechung der durch die Berechnung vorbestimmten Trimmbahnen abgeglichen werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist die an sich unvermeidbare Erwärmung der Widerstandsschicht und des darunterliegenden Substrats während des Abgleichs ohne Bedeutung auf die Genauigkeit der so abgeglichenen Temperaturfühler. Die erreichbare Genauigkeit wird allein durch die Auslegung der Leiterbahnstruktur und durch die Reproduzierbarkeit der Struktur-Geometrie bestimmt. Sollte eine mangelhafte Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Struktur von thermosentivivem Material auf ein Substrat einen Abgleich z.B. auf 0.01 No nicht erlauben, so ist es möglich in nur zwei Schritten (1. Messung, Grobabgleich, 2. Messung, Feinabgleich) die Temperaturfühler auf die gewünschte Genauigkeit abzugleichen.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer gesamten bzw. fertigen Leiter bahnstruktur mit Trimmbahnen 4, Leiterbahnen 2 und Kontaktflächen 1 vor dem Abgleich. Gut erkennbar sind zwei in Serie geschaltete Teilstrukturen 4G und 4F, wovon eine Trimmbahnen 4G für einen Grob- die andere Trimmbahnen 4F für einen Feinabgleich aufweisen. Vorzugsweise sind die zu der Leiterbahn parallel geschalteten Trimmbahnen 4 bzw. 4G/4F senkrecht zu einer Linie 5 und/oder 6 so angeordnet, dass sich die Unterbrechungen der Trimmbahnen beider Strukturen entlang dieser Linie 5 und/oder 6 in den zugehörigen Teilstrukturen ausführen lassen. Dies ist vor allen Dingen verfahrensökonomisch für den nachfolgenden Abgleichvorgang.
Die in den besprochenen Beispielen verwendete Kodierung für die Zunahme der Quadrate ist frei wählbar; es können auch andere passende Kodierungen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Anfangswert von 213 Quadraten auch mit folgender Reihe der Zunahmen verarbeitet werden: 0.03, 0.04, 0.07, 0.08, 0.1, 0.1, 0.15, 0.33, 0.5 und 0.7, was ebenfalls eine berechenbare Kodierung im Sinne der Erfindung ist. Weil aber eine bestimmte Kodierung für alle mit einer entsprechenden Struktur hergestellten Temperaturfühler gleich ist, ist es besonders einfach, für jeden Fühler sehr schnell seine entsprechende Kombination der Unterbrechungen zu berechnen, die zu einem entsprechend nahen bis nächsten Wert zum vorgegebenen Sollwert führen.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht aus folgenden Schritten:
1. Temperaturstabilisierung eines Temperaturfühlers auf eine bestimmte Beharrungstemperatur.
2. Ausmessung des Widerstandes des Temperaturfühlers bei der Beharrungstemperatur.
3. Berechnung einer Kombination der Unterbrechungen von Trimmbahnen aus thermosensitivem Material, deren Unterbrechung den Widerstandswert am nächsten zum Sollwert des Widerstandes bei der Beharrungstemperatur bringen.
4. Die Unterbrechung der im Schritt 3 durch Berechnung vorbestimmten Trimmbahnen.
Die Ausführung der Schritte 1 und 2 kann in einer' Messvor- richtung und die Ausführung des Schrittes 4 in einer Abgleich- vorrichtung stattfinden, wobei die Messvorrichtung und die Abgleichvorrichtung örtlich getrennt sein können oder sind. Zeitlich getrennt ist die Messung bei Gleichgewichtstemperatur von dem das thermische Gleichgewicht störenden Abgleichvorgang.
An Stelle der IST-Wert-Messung nach Abgleich, wird ein prädiktiver Verfahrensschritt vor den Abgleichvorgang eingeschoben, der die Aufgabe hat, eine gegebene Materialverteilung so auszunutzen, dass beim nachfolgenden Abtrennen vonTrimmbahnen das Ziel, das ist ein vorgegebener Sollwert, möglichst genau und in einem Schritt erreicht werden kann. Nach dem thermisch störenden Trennvorgang soll der gestörte Thermosensor als ein die gewünschte Genauigkeit aufweisendes Produkt vorliegen. Um eine sehr hohe Genauigkeit zu erreichen, können die Verfahrensschritte 1 bis 4 noch einmal wiederholt werden.
Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Temperaturfühlern auf einem gemeinsamen Substrat dem erfindungsgemässen Verfahren unterzogen, wobei jeder Verfahrensschritt für alle Temperaturfühler auf dem Substrat durchgeführt wird, bevor der nächste Verfahrensschritt beginnt.
Der erfindungsgemässe Temperaturfühler weist eine Leiterbahn sowie in einer Teilstruktur zu der Leiterbahn parallel geschaltete Trimmbahnen auf, deren Unterbrechungskombination eine Kodierung der Zunahme des Widerstandswertes des Temperaturfühlers ermöglicht.
Die Werte der Kodierung können beispielsweise einer logarithmischen Folge entnommen werden.
Für einen genauen Abgleich können zwei Teilstrukturen in der Leiterbahnstruktur des Temperaturfühlers vorgesehen sein.
Vorzugsweise sind die Trimmbahnen einer Teilstruktur so angeordnet, dass ihre Unterbrechungen in einer Linie durchführbar sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in verschiedenen Variationen erfolgen. So kann der Beharrungszustand des Temperaturfühlers in einer Thermokostantkammer erreicht werden, in der die Temperatur auf einen Sollwert geregelt wird. Der Beharrungszustand kann aber auch in einer gegenüber den Schwankungen der Aussentemperatur isolierten Vorrichtung ohne jegliche Temperaturregelung erreicht werden. Nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts wird die genaue Temperatur gemessen; dies ergibt dann den Wert des thermischen Beharrungszustandes für die Berechnung der Codierung. Diese isolierte Vorrichtung kann auch ein Teil der Abgleichvorrichtung sein. Die Kontaktierung des Temperaturfühlers erfolgt vorzugsweise so, dass auch die Kontakte auf die Beharrungstemperatur gebracht werden.
Die Berechnung der Unterbrechungskombination kann in einem Rechner erfolgen, der die berechneten Daten einem einen Laser steuernden Rechner übermittelt oder selbst den Laser steuert. Die Unterbrechungen der Trimmbahnen können mittels Laser, Sandstrahl, Spaltelektroden, Funkenerosion oder mechanisch durch Ritzen oder Fräsen erfolgen.