DE102011000904A1

DE102011000904A1 - Elektrischer Widerstand

Info

Publication number: DE102011000904A1
Application number: DE201110000904
Authority: DE
Inventors: Dr. Grützmann Dieter; Dr. Völtzke Dieter; Wolf-Rüdiger Letzsch
Original assignee: Rauschert Hermsdorf GmbH
Current assignee: Rauschert Hermsdorf GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-08-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes mit einem keramischen Grundkörper und einem entsprechenden elektrischen Widerstand.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie einen keramischen Widerstand mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 und ein elektrisch isoliertes Heizmodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.
Elektrische Widerstände, insbesondere bestehend aus keramischem Grundstoff, sind hinlänglich bekannt. Es sind weiterhin elektrische Widerstände bekannt, die einen Grundkörper, bestehend aus Bariumtitanat, aufweisen. Solche elektrischen Widerstände werden zumeist in Form von flachen, quaderförmigen oder runden Scheiben als Heizelemente, als Überlast- oder Bremswiderstände eingesetzt. Hierzu müssen diese elektrischen Widerstände eine spezielle Metallisierung aufweisen, welche auf der Bariumtitanatkeramik eine haftende und abriebsfeste Schicht mit hoher Strombelastbarkeit und geringem Wärmewiderstand ausbildet. Diese Beschichtung muss alterungsstabil gegenüber Temperaturen bis zu 250°C und gegenüber bis zu 100.000 schnellen Temperaturwechseln bei zyklischer Spannungsbelastung sein. Außerdem muss der elektrische Kontakt zum Grundkörper dauerhaft sperrschichtfrei ausgebildet sein. Schließlich muss, trotz der vorgenannten Vorgaben, die Beschichtung und elektrische Anbindung des Grundkörpers im Hinblick auf Material- als auch auf Herstellungskosten möglichst günstig sein.
Aus DE 26 19 501 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallmischoxiden bekannt. Das Metallmischoxid beinhaltet mindestens ein Element aus der Gruppe von Barium, Strontium, Kalzium und Blei und mindestens ein Metall aus der Gruppe Titan, Zinn und Zirkon. Es wird eine wässrige Lösung zur wasserlöslichen Verbindung mindestens eines der Elemente mit einer wässrigen Suspension eines Oxids hergestellt. Die wasserlöslichen Verunreinigungen des Metalloxids gehen im wässrigen Medium in Lösung, wobei man das entstehende wässrige Medium zusammen mit den Verunreinigungen unter Verbleib einer homogenen Mischung aus der Verbindung des Elementes und dem Metalloxid später abtrennt und diese Mischung zur Bildung eines gemischten Metalloxids pyrolisiert. Dieses Verfahren beschreibt aber lediglich die Herstellung eines keramischen Grundkörpers, eine Weiterverwendung für elektrische Bauelemente ist nicht offenbart.
Aus DE 10 2005 017 816 A1 ist ein elektrisches Bauelement bekannt, das mit einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat beschichtet ist, auf dessen Oberfläche eine Kaltleiter-Keramikschicht erzeugt ist. Das elektrische Bauelement weist die Kaltleiter-Keramikschicht, die Bariumtitanat enthält, auf und wird auf der Oberfläche des Trägersubstrats durch thermisches Spritzen erzeugt. Bei dem hier geschilderten Verfahren wird ein elektrisches Bauelement beansprucht, bei dem durch ein Plasmaspritzverfahren eine Kaltleiter-Keramikschicht auf einen elektrisch leitfähigen Substrat abgeschieden wird und im direkten thermischen und elektrischen Kontakt zu dem Substratmaterial steht. Als Keramikmaterial wird bevorzugt Bariumtitanat mit Perowskistruktur verwendet. Bevorzugte Substratmaterialien sind Aluminium oder Aluminiumlegierungen, sowie Kupfer oder Kupferlegierungen. Es wird in diesem Verfahren ein massives Metallsubstrat mit aufgespritzter Keramikschicht hergestellt, wobei der wesentliche Nachteil darin liegt, dass wirtschaftlich nur Keramikschichten von typischerweise unter 50 µm hergestellt werden können. Für Betriebsspannungen von 230–500 Volt werden aber aus Sicherheitsgründen PTC-Schichten von mindestens 1,8 mm, vorzugsweise 2 mm gefordert. Ein weiterer Nachteil des geschilderten Verfahrens ist, dass die metallischen Substrate nur jeweils eine Elektrode ausbilden können. Die zweite Elektrode muss als gesputtete Schichtkombination (Chrom-, Nickel-, Silber- oder als siebgedruckte Aluminiumschicht) realisiert werden, was wiederum Nachteile bei der Wärmeauskopplung hat und die Lebensdauer und die Herstellungskosten des Bauelements erheblich beeinträchtigt.
Aus DD 149 588 A1 ist ein elektronisches Bauelement aus einem n-leitenden Keramikmaterial offenbart, das vorzugsweise auf Grundlage von Bariumtitanat oder Zinnoxid hergestellt ist. Zielsetzung dieser Erfindung ist es, ein elektronisches Bauelement herzustellen, das insbesondere als PTC-Bauelement einsetzbar ist. Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen keramisch-elektrischen Widerstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei dem zur Kontaktierung nur eine einzige Schicht, höchstens jedoch ein Zweischichtsystem verwendet wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kontakt aus einem Zweischichtsystem aufgebaut ist, wobei die unterste Schicht aus Chrom, Nickel, Chrom/Nickel, Eisen/Nickel, Eisen, Zink, Zinn oder Mangan besteht und mit einer Schichtdicke von 0,01 µm bis 0,5 µm aufgebracht ist. Als obere Schicht ist eine Schicht vorhanden, die im wesentlichen Silber enthält und mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 50 µm aufgebracht ist. Es wird auf zumindest eine der beiden Elektrodenflächen die Wärmeableitung durch die Verwendung einer Metalllegierung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und sehr geringer Schichtdicke vermieden. Durch die verminderte Wärmeableitung soll ein schnelles Aufheizen des PTC-Elementes und damit eine kurze Schaltzeit erreicht werden.
Aus EP 0 902 952 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen von elektrischen Kontakten auf einem Träger bekannt. Hierbei wird ein Verfahren zur Ausbildung einer Metallelektrode auf einem Keramik- oder Glassubstrat mit folgenden Schritten offenbart:

– Bereitstellen eines Keramik- oder Glassubstrats mit einer Oberfläche, auf der eine Elektrode auszubilden ist, und einer Kombination aus einer Metallquelle und einer Quelle von reduzierendem Kohlenstoff, unter dem Vorbehalt, dass von dem Substrat und der Kombination mindestens eines ein Absorber von Mikrowellenstrahlung ist;
– Beschichten der Oberfläche, auf der die Elektrode auszubilden ist, mit der Kombination; und
– Bestrahlen des beschichteten Substrates mit Mikrowellenstrahlung, die ausreicht, um eine karbothermische Reduktion der Metallquelle zu Metall zu bewirken und dadurch eine Metallelektrode auf der Oberfläche des Substrates auszubilden.

Bei diesem Verfahren wird die Herstellung eines laminierten Widerstandselement aus einem Polymermaterial mit PTC-Effekt mit zwei gegenüber liegenden Elektroden aufgezeigt. Es werden spezielle Anordnungen für isolierende Träger und metallische Kontaktclips, mit denen das laminierte Widerstandselement zuverlässig und langzeitstabil mechanisch kontaktiert werden kann, offenbart.
Nach dem vorbekannten Stand der Technik werden Grundkörper und bevorzugt Bariumtitanatgrundkörper für Anwendungen in der Leistungselektronik vor allem mit Silber- oder Aluminiumschichten im Siebdruckverfahren beschichtet. Silberschichten zeichnen sich durch hohe Strombelastbarkeit und geringen Wärmewiderstand aus. Nachteilig sind aber die hohen Materialpreise und die Tatsache, dass zur Vermeidung von Sperrschichten eine zusätzliche Zwischenschicht aus Materialien mit hoher Affinität zum Sauerstoff erforderlich ist. Bei siebgedruckten Aluminiumschichten ist der Materialpreis günstig, die Strombelastbarkeit ist aber gegenüber Silber deutlich eingeschränkt. Aufgrund geringer Gefügekorngröße und unvermeidbarer Porosität ist der Wärmewiderstand relativ hoch. Bei zyklischer Spannungsbelastung neigen siebgedruckte Aluminiumschichten zur Verzunderung auf der Kontaktoberfläche, was zu Leistungsabfall bis hin zum Abbrand der Metallisierung führen kann. Als extrem nachteilig hat sich in Versuchen erwiesen, dass die siebgedruckten Aluminiumschichten immer einen Anteil von 5%–10% reaktiver Glasfritte enthalten, die nicht nur die Wärmeleitfähigkeit herabsetzt, sondern vor allem die Alterungsstabilität der Schicht negativ beeinflusst. Es hat sich im Weiteren sogar gezeigt, dass an Kontaktpunkten mit lokal erhöhter Verlustwärme eine Aktivierung der Fritte bei zyklischer Spannungsbelastung bis zum Totalausfall des Bauelementes durch Kurzschluss führen kann. Siebdruckpasten, die weder Silber noch Aluminium als Metallkomponente verwenden und trotzdem an normaler Luftatmosphäre eingebrannt werden können, sind bisher nicht bekannt.
Bariumtitanat, chemische Formel BaTiO₃, wird zunächst in Pulverform hergestellt. Nach geeigneter Dotierung des Pulvers, Formgebung, beispielsweise durch Pressen und Sinterung, wird aus dem Pulver ein halbleitender keramischer Körper erstellt, der dann als elektrischer Widerstand dienen kann. Die Formgebung der keramischen Körper ist frei wählbar, vorzugsweise werden jedoch quaderförmige oder zylinderförmige keramische Körper hergestellt. Donatordotiertes Bariumtitanat ist ein halbleitendes ferroelektrisches Material. Über die Dotierungskonzentration und eine geeignete Wahl der Sinterbedingungen lässt sich der spezifische elektrische Widerstand des Materials bei Raumtemperatur im Bereich von etwa 10 Ω·cm bis 50 kΩ·cm gezielt einstellen. Der elektrische Widerstand solcher donatordotierten Bariumtitanatwerkstoffe zeigt eine charakteristische Temperaturabhängigkeit mit einem nahezu sprunghaften Anstieg des Widerstandes um mehrere Größenordnungen innerhalb eines relativ engen Temperaturintervalls (PTC- oder PTCR-Effekt). Das Temperaturintervall mit dem sprunghaften Widerstandsanstieg bei Erwärmung korreliert mit der Temperatur der Phasenumwandlung von der tetragonalen, ferroelektrischen Kristallphase in die kubische paraelektrische Phase. Wird ein Halbleiterwiderstand mit einer solchen PTC-Charakteristik mit elektrischen Spannungen betrieben, die zu einer Eigenerwärmung bis in die Nähe seiner Phasenumwandlungstemperatur führen, dann bewirkt der Widerstandsanstieg im Bereich der PTC-Anomalie eine Begrenzung der Leistungsaufnahme aus der Spannungsquelle. Die Temperatur des Widerstandes stabilisiert sich im Bereich der PTC-Anomalie. Es wird nur so viel elektrische Leistung entnommen, wie pro Zeiteinheit Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Aus den vorgenannten Gründen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, derartige Bariumtitanatkeramikwiderstände für elektrisch betriebene Heizelemente mit selbsttätiger Leistungsregelung zu verwenden.
Im Weiteren hat sich gezeigt, dass Dünnschichttechnologien, wie Aufdampfen, Sputtern oder Dampfbasenabscheidung nicht zur Aufbringung von Kontaktschichten auf eine vorbeschriebene Bariumtitanatkeramik in Frage kommen, da in wirtschaftlich sinnvollem Rahmen keine ausreichenden Schichtdicken auf dem Halbleiterwiderstand herstellbar sind, um hinreichend strombelastbare Schichten realisieren zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallisierung eines Keramikwiderstandes aufzuzeigen, welche insbesondere auf einer Bariumtitanatkeramik eine haft- und abriebfeste Schicht von hoher Strombelastbarkeit und geringem Wärmewiderstand ausbildet. Der elektrische Kontakt, d. h. die elektrische Kontaktierung der Keramik, muss dauerhaft und sperrschichtfrei sein. Außerdem muss eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit bestehen.
Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale des Patentanspruches 1 und des Patentanspruches 7 gelöst.
Grundgedanke der hier vorgestellten Erfindung ist es, eine Metallisierung ohne Silberanteile zu erzeugen und zugleich bei Verwendung von Nichtedelmetallen oder edelmetallfreien Legierungen auf eine frittehaltige Pastenkonsistenz und eine thermische Aktivierung des Grundkörpers zu verzichten.
In Versuchen wurde überraschenderweise festgestellt, dass bei Beschichtungsverfahren mittels Metallspritzens von rein metallischem Aluminium sowohl über das Verfahren Kaltgasspritzen, als auch über nichtthermische Plasmaspritzverfahren, Schichten auf einer Keramik, vorzugsweise einer Bariumtitanatkeramik, abgeschieden werden können, die nicht nur haftfest und robust sind, sondern auch dauerhaft sperrschichtfrei und alterungsstabil.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes, bestehend aus einem keramischen Grundkörper und mindestens zwei elektrischen Kontaktierungen an mindestens zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des keramischen Grundkörpers auf, wobei der keramische Grundkörper einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrisch wirkenden Widerstandes des keramischen Grundkörpers aufweist und/oder ausbildet. An mindestens zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des keramischen Grundkörpers werden elektrische Kontaktierungen, die aus edelmetallfreiem und/oder unedlem Metall oder einer edelmetallfreien Legierung oder edelmetallfreien Legierungen bestehen, angeordnet. Diese elektrischen Kontaktierungen werden durch eine Beschichtung zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des keramischen Grundkörpers ohne thermische Aktivierung des keramischen Grundkörpers auf die Oberflächen des keramischen Grundkörpers aufgebracht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 2 ist vorgesehen, dass zur Herstellung der elektrischen Kontaktierungen edelmetallfreies oder unedles Metall oder eine edelmetallfreie Legierung oder edelmetallfreie Legierungen mit einem Metallgehalt zwischen 97% und 99,9% und einer Porosität zwischen 10% und 0,1% verwendet wird bzw. werden und/oder dass bei der Beschichtung der einander gegenüberliegenden Oberflächen des keramischen Grundkörpers zur Herstellung der elektrischen Kontaktierungen auf eine Erwärmung des keramischen Grundkörpers und der elektrischen Kontaktierungen auf mehr als 250°Celsius verzichtet wird. Dies ist insbesondere für den keramischen Grundkörper besonders schonend.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 3 ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktierungen mittels eines nichtthermischen Plasmaspritzverfahrens aufgebracht werden und/oder dass die elektrischen Kontaktierungen durch Kaltgasspritzen auf die einander gegenüberliegenden Oberflächen des keramischen Grundkörpers aufgebracht werden und durch ein Schleifverfahren wird nach dem Beschichten die Rauigkeit der Metallisierung auf ein für eine günstige Wärmeübertragung geeignetes Maß reduziert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 4 ist vorgesehen, dass der keramische Grundkörper von einem Grundkörper aus donatordotiertem Bariumtitanat gebildet wird.
Der erfindungsgemäße keramische Widerstand weist einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrisch wirkenden Widerstandes auf und besteht aus einem Grundkörper.
Auf der Oberfläche des Grundkörpers sind elektrische Kontaktierungen angeordnet, die aus edelmetallfreien Kontaktschichten bestehen. Die edelmetallfreien Kontaktschichten weisen einen Metallgehalt zwischen 97% bis 99,9% und eine Porosität von zwischen 10% und 0,1% auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass der keramische Widerstand ein Halbleiterwiderstand ist und/oder dass die edelmetallfreien Kontaktschichten jeweils aus gleichem Material bestehen und eine Schichtdicke zwischen 5 µm und 150 μm aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7 ist vorgesehen, dass der Grundkörper eine quaderförmige oder eine zylindrische, vorzugsweise rotationssymmetrische Form aufweist und die edelmetallfreien Kontaktschichten auf zwei gegenüberliegenden planen Oberflächen des Grundkörpers jeweils einen Abstand zum Rand der Oberflächen von bis zu 1 mm einhalten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 8 ist vorgesehen, dass die Restporosität der Metallisierung, welche unerwünscht ist, mit einer organischen Suspension oder Lösung tränkbar ist, welche nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen bis zu maximal 250°C eine organisch-anorganische Kompositstruktur bildet, die Poren füllt und dadurch die Wärmeleitfähigkeit und die Abriebfestigkeit der Kontaktschicht verbessert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 9 ist vorgesehen, dass das Tränken der Kontaktschicht mittels einer silicium-, titanium- oder/und aluminium-organischen Verbindung erfolgt. Als solche Verbindungen kommen beispielsweise Tetraethylorthosilicat oder Tetraisopropylorthotitanat in Betracht.
Das erfindungsgemäße elektrisch isolierte Heizmodul besteht aus einem elektrischen Widerstand mit den vorbeschriebenen Merkmalen. Der elektrische Widerstand ist mit einer metallisierten Keramikscheibe aus Aluminiumoxid fest verbunden. Die Metallisierung der Aluminiumoxidscheibe ist zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Widerstandes und zur Ableitung der Wärme von der Oberfläche des elektrischen Widerstandes verwendbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 11 ist vorgesehen, dass die metallischen Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik durch ein Beschichtungsverfahren ohne thermische Aktivierung, insbesondere unter Verzicht auf Erwärmung der Aluminiumoxidkeramik und ihrer Metallisierung auf Temperaturen von mehr als 250° aufbringbar sind oder aufgebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 12 ist vorgesehen, dass die Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik mittels eines nichtthermischen Plasmaspritzverfahrens, eines Kaltgasspritzverfahrens aufbringbar sind und im Anschluss an jedes dieser Aufbringungsverfahren mittels des Einsatzes eines Schleifverfahrens die Oberfläche und/oder Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktschichten auf ein für einen günstigen Wärmeübergang geeignetes Maß reduzierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 13 ist vorgesehen, dass die Schichtdicke der Metallisierung der Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik 10 µm bis 150 µm beträgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 14 ist vorgesehen, dass die Metallisierung der Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik einen solchen Mindestabstand zum Rand der Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik hat, dass die je nach Betriebsspannung und Verschmutzungsgrad im Betrieb erforderliche Kriechstrecken einhaltbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 15 ist vorgesehen, dass zum Zwecke eines verbesserten Wärmeübergangs von der Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik auf die Oberfläche eines metallischen Wärmeaustauschers zusätzlich die dem elektrischen Widerstand abgewandte Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik mit einer Metallisierungsschicht beschichtet ist.
Im Nachfolgen wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles anhand einer Figur näher erläutert. Die Beschreibung der Erfindung anhand des nachfolgenden konkreten Ausführungsbeispiels stellt keine Limitierung der Erfindung auf dieses konkrete Ausführungsbeispiel dar.
Die einzige Figur zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Widerstandes. Der elektrische Widerstand ist ein Halbleiterwiderstand und besteht aus einem Grundkörper 1, der vorzugsweise aus Bariumtitanat besteht. In der konkreten Ausgestaltung gemäß 1 ist der Grundkörper 1 quaderförmig ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper 1 eine rotationssymmetrische, vorzugsweise zylindrische Form oder eine scheibenförmige Form aufweist.
Am Grundkörper 1 sind an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 1 Kontaktierungen 2, 3 vorgesehen. Diese Kontaktierungen 2, 3 sind Kontaktstellen zur elektrischen Anbindung und Kontaktierung des Grundkörpers 1. Die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 sind jeweils auf gegenüberliegenden Oberflächen 5, 6 des Grundkörpers 1 angebunden. Die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 werden, in der Ausführung gemäß der Figur, mit elektrischen Leitungen 4 vom elektrischen Widerstand weggeführt.
Der elektrische Widerstand, gebildet aus dem Grundkörper 1, der ein keramischer Grundkörper ist und aus Bariumtitanat besteht, ist im Sinterverfahren hergestellt. Ausgehend von der Pulverform vom Bariumtitanat wird über einen Sintervorgang der Grundkörper 1 geformt und gebildet. Der keramische Grundkörper 1 bildet einen elektrischen Halbleiterwiderstand aus. Die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 werden auf der Oberfläche 5, 6 des Grundkörpers 1 angebracht und zwar in der Weise, dass die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 an dem Grundkörper 1 an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Dies ist von besonderem Vorteil, da bei Anbringung der elektrischen Kontaktierungen 2, 3 in vorbeschriebener Weise an gegenüberliegenden Seiten bzw. Oberflächen des Grundkörpers 1 und Spannungsanlegung über die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 dann nahezu der gesamte Grundkörper 1 elektrisch wirksam ist. Aus diesem Grund ist auch vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 nahezu die gesamten Oberflächen 5, 6 bis auf einen vordefinierten Abstand zum Rand ausfüllen. Somit kann eine nahezu kompakte und vollständige Kontaktierung des Grundkörpers 1 erfolgen. Bei Verwendung von donatordotiertem Bariumtitanat als Grundmaterial 1 wird ein Halbleiterwiderstand ausgebildet, welches elektrisch wirkend einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat.
Die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 werden aus edelmetallfreiem Metall, einer edelmetallfreien Legierung oder edelmetallfreien Legierungen erzeugt. Hierzu werden die gegenüberliegenden Oberflächen 5, 6 des Grundkörpers 1 mit edelmetallfreiem Metall, einer edelmetallfreien Legierung oder edelmetallfreien Legierungen beschichtet. Diese Beschichtung erfolgt jedoch ohne eine thermische Aktivierung des Grundkörpers 1. Das edelmetallfreie Metall oder die edelmetallfreie Legierung oder die edelmetallfreien Legierungen werden auf die Oberflächen 5, 6 des Grundkörpers 1 aufgebracht, wobei sich die Verwendung von Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Zink, Zirkon, Chrom oder Eisen, oder eine Legierung dieser metallischen Elemente als besonders vorteilhaft gezeigt hat. Der Metallgehalt der Kontaktschichten beträt mehr als 97% Metallgehalt, vorzugsweise mehr als 99% Metallgehalt und weist eine Porosität von weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 2% auf. Bei der Beschichtung der einander gegenüberliegenden Oberflächen 5, 6 des Grundkörpers 1 zur Herstellung der elektrischen Kontaktierungen 2, 3 wird auf eine Erwärmung des Grundkörpers 1 auf mehr als 250°C verzichtet. Die elektrischen Kontaktierungen 2, 3 werden mittels eines nichtthermischen Plasmaspritzverfahrens oder Kaltgasspritzens aufgebracht. Im Anschluss wird durch ein Schleifverfahren die Rauigkeit der Metallisierung auf ein günstiges, für die Wärmeübertragung geeignetes Maß reduziert. Dies hat zur Folge, dass die elektrischen Kontaktierungsstellen sehr gut mechanisch von anderen leitenden Kontaktstellen kontaktiert werden können und ein geringer Übergangswiderstand zwischen den elektrischen Kontaktierungen 2, 3 und den daran anzuordnenden elektrischen Kontaktflächen anderer Bauelemente gegeben ist. Die Schichtdicke der Metallisierungsschichten, welche als Kontaktierungen 2, 3 aufgebracht werden, sind vorzugsweise Schichtdicken zwischen 5 µm und 100 µm, wobei es sich als besonders vorteilhaft gezeigt hat, Schichtdicken zwischen 20 µm und 40 µm zu wählen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Ausbildung eines keramischen Widerstandes, vorzugsweise eines keramischen Halbleiterwiderstandes mit positiven Temperaturkoeffizienten des elektrisch wirkenden Widerstandes. Der keramische Widerstand besteht aus dem Grundkörper 1, vorherig als Grundkörper bezeichnet, der auf Bariumtitanatbasis beruht, und angeordneten elektrischen Kontaktierungen 2, 3 an der Oberfläche des Grundkörpers 1. Die Kontaktierungen 2, 3 sind als Kontaktschichten, bestehend aus edelmetallfreien Material, vorzugsweise Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan, Zink, Zirkon, Chrom oder Eisen oder Legierungen dieser metallischen, nichtedelmetallhaltigen Elemente und Materialien ausgebildet. Die edelmetallfreien Kontaktschichten weisen einen Metallgehalt zwischen 97% bis 99% auf und eine Porosität zwischen 10% und 0,1%.
Die edelmetallfreien Kontaktschichten, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 1 angeordnet sind, bestehen jeweils aus gleichem Material und weisen eine Schichtdicke von 5 µm und 150 µm auf, wobei vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 20 µm und 40 µm zu wählen ist. Die Kontaktschichten erstrecken sich an den Oberflächen des Grundkörpers 1 jeweils nahezu bis zum Rand der Oberflächen. Es verbleibt ein Rand zwischen der Kante der Oberfläche und der Kontaktschicht von mindestens 1 mm. Dies dient dazu, um Kriechströme oder sonstige elektrische Eigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Eine großflächige Anbindung über die nahezu gesamte Oberfläche hinweg ist von Vorteil, da dann ein besonders geringer Übergangswiderstand zwischen den Oberflächen 5, 6 des Grundkörpers 1 und den elektrischen Kontaktflächen besteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der keramische Widerstand zwischen zwei Elektroden bzw. Kontaktstellen eingeklemmt oder mit diesen verklebt.
Aus dem keramischen Widerstand ist ein elektrisch isoliertes Heizmodul bildbar, wobei das Heizmodul aus mindestens einem keramischen Widerstand besteht, der jeweils eine Kontaktstelle über eine metallisierte Aluminiumoxidscheibe kontaktiert, über welche der keramische Widerstand elektrisch an weitere Einheiten anbindbar ist und zugleich über diese Stelle eine Ableitung der Wärme von der Oberfläche des elektrischen Widerstandes auf die metallisierte Aluminiumoxidscheibe erfolgt. Es können in elektrischer Parallelschaltung mehrere elektrische Widerstände gekoppelt werden. Diese Batterie von gekoppelten Widerständen wird dann mit einer oder mehreren entsprechenden Aluminiumoxidscheiben kontaktiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jeder keramische Widerstand auf beiden metallisierten Oberflächen an eine metallisierte Aluminiumoxidscheibe gefügt.
Die einzelnen elektrischen Widerstände sind mit den Aluminiumoxidscheiben durch Klemmen oder mittels einer Klebevorrichtung vorzugsweise einem Kleber verbunden.
Alternativ ist vorgesehen, dass jeweils eine Aluminiumscheibe mit einem elektrischen Kontakt am Grundkörper 1 des elektrischen Widerstandes über die Kontaktflächen 2 oder 3 angebunden ist. Dies erfolgt wiederum in vorteilhafter Weise durch eine feste Klemmung oder Verklebung.
Legt man eine elektrische Spannung an den keramischen Widerstand an, so erhitzt sich dieser. Diese Wärme wird über die fest verbundene(n) Keramikscheibe(n) und/oder den Aluminiumoxidscheiben abgeleitet und kann an ein vorbeifließendes Fludium abgegeben werden.
Die metallische Kontaktschicht auf der Aluminiumoxidkeramik wird durch ein Beschichtungsverfahren ohne thermische Aktivierung, insbesondere unter Verzicht auf Erwärmung der Aluminiumoxidkeramik und ihre Metallisierung auf Temperaturen auf über 250°C, vorgenommen. Die Aufbringung der Kontaktschichten auf die Aluminiumoxidkeramik erfolgt mittels nichtthermischen Plasmaspritzverfahrens oder eines Kaltgasspritzverfahrens oder Kaltspritzgießverfahrens, wobei im Anschluss an das Aufbringen der Kontaktschichten durch den Einsatz eines geeigneten Schleifverfahrens die Oberfläche und die Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktschichten auf ein für einen guten Wärmeübergang geeignetes Maß reduziert wird.
Die Schichtdicke der Metallisierung der Kontaktschicht der Aluminiumoxidscheibe oder Keramikscheibe beträgt 10 μm bis 150 μm.
Die Metallisierungen, die sich nahezu bis zum Rand der Oberflächen erstrecken, sind so gewählt, dass zur Betriebssicherheit, insbesondere bei den vorgeschriebenen Betriebsspannungen und bei einem Verschmutzungsgrad, die erforderlichen Kriechstrecken eingehalten werden.
Zum Zwecke eines verbesserten Wärmeübergangs von der Oberfläche der Aluminiumoxidisolierung auf die Oberfläche eines metallischen Wärmaustauschers kann auch die zweite Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik mit einer Metallisierungsschicht beschichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2619501 A1 [0003]
DE 102005017816 A1 [0004]
DD 149588 A1 [0005]
EP 0902952 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes, bestehend aus einem keramischen Grundkörper (1) und mindestens zwei elektrischen Kontaktierungen (2, 3) an mindestens zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen (5, 6) des keramischen Grundkörpers (1), wobei der keramische Grundkörper einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrisch wirkenden Widerstandes des keramischen Grundkörpers (1) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei an einander gegenüberliegenden Oberflächen (5, 6) des keramischen Grundkörpers (1) angeordneten elektrischen Kontaktierungen (2, 3) aus unedlem Metall oder einer edelmetallfreien Legierung oder edelmetallfreien Legierungen bestehen und durch eine Beschichtung der zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen (5, 6) des keramischen Grundkörpers (1) ohne thermische Aktivierung des keramischen Grundkörpers (1) auf die Oberflächen (5, 6) des keramischen Grundkörpers (1) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der elektrischen Kontaktierungen (2, 3) unedles Metall oder eine edelmetallfreie Legierung oder edelmetallfreie Legierungen mit einem Metallgehalt zwischen 97% und 99,9% und einer Porosität zwischen 10% und 0,1% verwendet wird bzw. werden und/oder dass bei der Beschichtung der einander gegenüberliegenden Oberflächen (5, 6) des keramischen Grundkörpers (1) zur Herstellung der elektrischen Kontaktierungen (2, 3) auf eine Erwärmung des keramischen Grundkörpers (1) und der elektrischen Kontaktierungen (2, 3) auf mehr als 250°Celsius verzichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktierungen (2, 3) mittels eines nichtthermischen Plasmaspritzverfahrens aufgebracht werden und/oder dass die elektrischen Kontaktierungen (2, 3) durch Kaltgasspritzen auf die einander gegenüberliegenden Oberflächen (5, 6) des keramischen Grundkörpers (1) aufgebracht werden und wobei durch ein Schleifverfahren nach dem Beschichten die Rauigkeit der Metallisierung auf ein für eine günstige Wärmeübertragung geeignetes Maß reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Grundkörper (1) von einem Grundkörper aus donatordotiertem Bariumtitanat gebildet wird.
Keramischer Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten des elektrisch wirkenden Widerstandes, bestehend aus einem Grundkörper (1) und auf der Oberfläche des Grundkörpers (1) angeordneten elektrischen Kontaktierungen (2, 3), bestehend aus edelmetallfreien Kontaktschichten, dadurch gekennzeichnet, dass die edelmetallfreien Kontaktschichten einen Metallgehalt zwischen 97% bis 99,9% und eine Porosität von zwischen 10% und 0,1% aufweisen.
Keramischer Widerstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Widerstand ein Halbleiterwiderstand ist und/oder dass die edelmetallfreien Kontaktschichten jeweils aus gleichem Material bestehen und eine Schichtdicke zwischen 5 μm und 150 μm aufweisen.
Keramischer Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) eine quaderförmige oder eine zylindrische, vorzugsweise rotationssymmetrische Form aufweist und die edelmetallfreien Kontaktschichten auf zwei gegenüberliegenden planen Oberflächen (5, 6) des Grundkörpers (1) jeweils einen Abstand zum Rand der Oberflächen (5, 6) von bis zu 1 mm einhalten.
Keramischer Widerstand nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Restporosität der Metallisierung mit einer organischen Suspension oder Lösung tränkbar ist, welche nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen bis zu maximal 250°C eine organisch-anorganische Kompositstruktur bildet, die Poren füllt und dadurch die Wärmeleitfähigkeit und die Abriebfestigkeit der Kontaktschicht verbessert.
Keramischer Widerstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Tränken der Kontaktschicht mittels einer silicium-, titanium- oder/und aluminium-organischen Verbindung erfolgt
Elektrisch isoliertes Heizmodul mit einem elektrischen Widerstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand mit einer metallisierten Keramikscheibe aus Aluminiumoxid fest verbunden ist und die Metallisierung der Aluminiumoxidscheibe zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Widerstandes und zur Ableitung der Wärme von der Oberfläche des elektrischen Widerstandes verwendbar ist.
Elektrisch isoliertes Heizmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik durch ein Beschichtungsverfahren ohne thermische Aktivierung, insbesondere unter Verzicht auf Erwärmung der Aluminiumoxidkeramik und ihrer Metallisierung auf Temperaturen von mehr als 250° aufbringbar sind.
Elektrisch isoliertes Heizmodul nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik mittels eines nichtthermischen Plasmaspritzverfahrens, oder eines Kaltgasspritzverfahrens aufbringbar sind und im Anschluss an jedes dieser Aufbringungsverfahren mittels des Einsatzes eines Schleifverfahrens die Oberfläche und/oder Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktschichten auf ein für einen günstigen Wärmeübergang geeignetes Maß reduzierbar sind.
Elektrisch isoliertes Heizmodul nach einem der Ansprüche 7, 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Metallisierung der Kontaktschichten auf der Aluminiumoxidkeramik 10 μm bis 150 μm beträgt.
Elektrisch isoliertes Heizmodul nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung der Kontaktschichten auf der Aluminiumkeramik einen solchen Mindestabstand zum Rand der Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik hat, dass die je nach Betriebsspannung und Verschmutzungsgrad im Betrieb erforderlichen Kriechstrecken einhaltbar sind.
Elektrisch isoliertes Heizmodul nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke eines verbesserten Wärmeübergangs von der Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik auf die Oberfläche eines metallischen Wärmeaustauschers zusätzlich die dem elektrischen Widerstand abgewandte Oberfläche der Aluminiumoxidkeramik mit einer Metallisierungsschicht beschichtet ist.