DE1301020B

DE1301020B - Cermet-Widerstand

Info

Publication number: DE1301020B
Application number: DEB84336A
Authority: DE
Inventors: Bruhl Jun Donald Adolphus; Counts William Edward
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1964-11-04
Filing date: 1965-11-02
Publication date: 1969-08-14
Also published as: NL6513905A; GB1127893A; US3479216A; NL151537B

Description

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Die Erfindung betrifft einen Cermet-Widerstand, oder gemahlen, so daß sämtliche Glaspartikeln vollbestehend aus einer dünnen Widerstandsschicht auf ständig mit der Metallösung benetzt werden. Die Mieiner elektrisch nicht leitenden, hoch temperatur- schung wird allmählich erhitzt und ständig dabei umbeständigen Unterlage, bei der die Glasschmelze aus gerührt, damit flüchtige Bestandteile und organische einer homogenen Mischung eines Glases und einer 5 Materialien der Mischung entfernt werden und die feinverteilten Edelmetallegierung mit gegenüber dem Edelmetallkomponenten zersetzt werden. Das sich Glas höherem Schmelzpunkt besteht. ergebende trockene Material wird zu einem feinen Ein ähnlicher Cermet-Widerstand ist aus der deut- Pulver gemahlen und eine kurze Zeit geröstet, so daß sehen Auslegeschrift 1132 633 bekannt. sämtliche organischen Bestandteile entfernt werden. Das USA.-Patent 3 154 503 bezieht sich auf ein io Die sich ergebende Röstmasse wird zu einem feinen Cermet-Material aus Glas und einem Metall der Pulver gemahlen, so daß sich ein trockenes Material, Gruppe Palladium, Platin, Ruthenium und einem bestehend aus kleinen Glaspartikeln, ergibt, die mit Metall der Gruppe Silber, Gold, Kupfer, wobei die außerordentlich kleinen Metallbestandteilen unterletztgenannten Metalle in dem erhärteten Glas als mischt sind.

Ionen vorliegen. . 15 Die in der vorstehenden Weise hergestellten Mi-Die bekannten Cermet-Widerstände weisen den schungen können unbegrenzt lange aufbewahrt wer-Nachteil auf, daß man mit ihnen nicht zugleich die den und können in kleinen Mengen verwendet wer-Forderung nach einem hohen spezifischen Widerstand den, um eine entsprechende Anzahl Widerstandsund nach einem guten Temperaturverhalten erfüllen elemente herzustellen. Wenn aus dem Material Wikann. Das Temperaturverhalten der Widerstände 20 derstandselemente hergestellt werden sollen, wird das hängt im wesentlichen mit der prozentualen Bei- trockene Pulver mit einer geeigneten Trägerflüssigmischung von Edelmetallegierungen zusammen. Die keit gemischt und die aufgeschlämmte Masse auf den bekannten Cermet-Widerstände haben bei einer Me- Unterlagekörper aufgebracht. Der Unterlagekörper tallbeimengung von ungefähr 10% bereits einen Wi- mit der aufgebrachten Schicht wird dann gebrannt, derstand von ungefähr 50 Ohm pro Quadratfläche bei 25 so daß die flüssigen Bestandteile ausgetrieben werden einer Schichtdicke von 0,025 mm. Der Widerstand und die Mischung eine kontinuierliche Phase auf der nimmt erheblich mit zunehmender Metallbeimischung Unterlage bilden.

ab, so daß bei einer Metallbeimischung von mehr als Es hat sich gezeigt, daß hohe Widerstandswerte 16% bei den herkömmlichen Cermet-Widerständen mit Cermet-Widerstandselementen erzielt werden nur noch ein verschwindend geringer Widerstand pro 30 können, die aus einer Mischung eines feinen Glas-Quadratfläche zu erwarten ist. Andererseits ist ein pulvers und einer Legierung, die Iridium und ferner hoher Metallgehalt beiden Widerständen wünschens- ein oder mehrere der Edelmetalle Platin, Rhodium wert, da die Fähigkeit des Widerstandes, Wärme ab- und Silber enthält. Bei diesen Materialien besteht der zugeben und dementsprechend eine hohe Leistung Anteil der Iridiumlegierung aus 16 bis 50 Gewichtsaufzunehmen, im wesentlichen von dem Metallgehalt 35 prozent der Masse und die Glaskomponente bzw. abhängt. Im Hinblick auf das Temperaturverhalten Keramikkomponente besteht aus 50 bis 84 Gewichtsder Widerstände ist aber ein Metallgehalt von weniger prozent der Masse. In der nachfolgenden Tabelle I als 16% nicht ausreichend. sind Cermet-Mischungen auf der Basis von Iridium-Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Legierungen, die aus Iridium und einem Metall der daß ein Cermet-Widerstand mit hohem spezifischem 40 Gruppe Platin, Ruthenium und Rhodium bestehen, Widerstand und einem großen Anteil an metallischen wiedergegeben.

Beimischungen geschaffen wird, die ein gutes Tempe- Die Zusammensetzung des zur Anwendung gelan-

raturverhalten zur Folge haben. Diese Aufgabe wird genden Glases ist nicht kritisch, das Glas muß jedoch

gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Edel- einen Schmelzpunkt haben, der unterhalb des

metallanteil 16 bis 50 Gewichtsprozent beträgt und 45 Schmelzpunktes der Metalle der Komponenten liegt,

aus einer Legierung aus Iridium mit einem oder meh- Die Tabelle II enthält die Zusammensetzung der-

reren der Metalle Platin, Rhodium und Ruthenium artiger Glasarten, in Prozent des geschmolzenen

besteht. Glases.

Durch die Erfindung ist es möglich, Widerstands- Bei den Widerstandsmassen V und W bestand das

schichten von einem Quadratflächenwiderstand von 50 Glas zu je 50% aus den Glasen 1 und 2 der

mehr als 10 Ohm "und mit einem Temperaturkoeffi- Tabellen.

zienten von weniger als ± 500 · IO-⁶/⁰ C herzustel- Das Glas kann in einer üblichen Weise hergestellt len. So ergab sich beispielsweise bei einem erfindungs- werden; es soll so homogen wie möglich sein. Ein gemäßen Cermet-Widerstand mit 50 Gewichtsprozent- Verfahren zur Herstellung eines solchen Glases begehalt an metallischen Komponenten ein Quadrat- 55 steht darin, daß im trockenen Zustand entsprechende widerstand von 10 Ohm und bei einem erfindungs- Mengen der Rohmaterialien gemischt werden, die gemäßen Cermetschicht-Widerstand von 20 Gewichts- Mischung in keramischen Tiegeln geschmolzen wird, prozentgehalt an metallischen Komponenten ein Qua- so daß sich ein klarer Glasfluß ergibt, daß das gedratwiderstand von 1590 Ohm. schmolzene Glas durch Eingießen in kaltes Wasser Eine bevorzugte Methode zur Herstellung des Cer- 60 abgeschreckt wird und das sich ergebende geschmolmet-Materials ist folgende: zene Glas gesammelt wird und zu einem sehr feinen

Zur Anwendung gelangt eine Mischung eines Resi- Pulver gerieben wird.

nates oder einer anderen organischen Verbindung Es wurden auch Cermet-Materialien untersucht,

einer oder mehrerer Metallegierungen, bestehend aus bei denen Glas und eine Legierung, bestehend aus

Iridium und einem oder mehreren Metallen der 65 Iridium mit mehr als einem der vorgenannten Me-

Gruppe Platin, Ruthenium oder Rhodium. Der aus talle, zur Anwendung gelangte.

Glas bestehende Bindestoff, in Form sehr kleiner Es ist nicht klar, warum die Anwesenheit von Iri-

Glaspartikeln, wird mit der Resinatlösung gemischt dium in einer Legierung, die zusätzlich Platin, Ruthe-

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nium und Rhodium oder auch Silber und Palladium dung derartiger veränderbarer Widerstände und Poenthält, die Tendenz hat, eine homogene Verteilung tentiometer außerordentlich vorteilhaft,
der metallischen Komponenten im Glas zu begünsti- Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung gen und ein Zusammenballen der Metallpartikeln besteht in der Art des Aufbrennens der Cermet- und die Bildung von Kügelchen in der geschmolzenen 5 Widerstandsmasse auf den aus Isoliermaterial beGlasmasse zu verhindern; es scheint, daß Iridium an stehenden Unterlagekörper. Bei Verwendung von der Wechselwirkung der Oberflächen des feinverteil- Cermet-Materialien gemäß der Erfindung mit Iriten Metalls mit den Glaspartikeln beteiligt ist und die diumlegierungen und einem Metallgehalt zwischen 5 Zusammenballung der Metallpartikeln verhindert, und 50% kann das Material auf den Unterlagekörauch wenn das Metall in verhältnismäßig großen io per aufgebracht und der Widerstand in einen Ofen Mengen vorhanden ist. Offensichtlich behält dadurch gebracht werden, der eine Erhitzung auf die Schmelzdie Mischung ihre Homogenität während des Bren- temperatur des Glases bewirkt, und nach einer kurnens, und es ergeben sich besser stabile Widerstands- zen Brennperiode können die Widerstandselemente elemente trotz großen Anteilen an Metall. Es wurde herausgenommen und abgekühlt werden. Dieses Verfestgestellt, daß eine Cermet-Widerstandsschicht mit 15 fahren des schnellen Brennens macht es möglich, 4,55% Gold, 8% Palladium, 7,43% Silber einen Widerstandselemente in einer Zeitspanne von weni-Widerstand von ungefähr 26,8 Ohm für eine quadra- gen Minuten zu erzeugen, während bei den bistische Fläche von etwa 0,025 m Stärke ergibt. Der her zur Anwendung gelangenden Widerstands-Iridium-Platin-Cermet-Widerstand L der Tabelle I schichten sehr viel längere Arbeitszeiten erforderlich· von ebenfalls ungefähr 20% liefert bei gleicher 20 waren.

Schichtstärke einen Widerstand für eine Quadrat- In den meisten Fällen haben die erfindungsgemäfläche von 1590 Ohm, was ein mehr als 59mal größe- ßen Iridiumlegierungs-Widerstandselemente eine sehr rer Widerstandswert ist, obwohl ein viel höherer glatte Oberfläche, was von Wichtigkeit ist, wenn es Metallgehalt vorliegt. Bei einem Metallgehalt sich um die Verwendung als einstellbare Widerstände von 50% ergibt der Iridium-Platin-Cermet-Wider- 25 oder Potentiometer handelt. Eine Cermet-Masse mit stand M für eine Quadratfläche einen Wider- Iridiumlegierung bewirkt keine Zusammenballungen stand von mehr als 200 Ohm. Die Cermet-Wider- oder Blasen an der Oberfläche des Widerstandsstandsmasse W unter Anwendung einer Iridium- elements nach dem Brennvorgang. Die Materialien Ruthenium-Rhodium-Legierung bei 50% Metall- ergeben sehr stabile Widerstandselemente, die mit gehalt liefert für eine quadratische Fläche einen 30 gleichmäßigen Widerstandsdaten in einzelnen Char-Widerstand von 10 Ohm, und eine Cermet-Wider- gen erzeugt werden können, wobei die Temperaturstandsmasse mit 9,6% Gold, 25% Palladium und koeffizienten des Widerstandes innerhalb eines Be-15,4% Silber lieferte für eine Quadratfläche einen reichs von ±500 · 10-6/° C liegen, was für die An-Widerstand von 2,1 Ohm. Wendung der Widerstandselemente als Potentiometer

Die Bedeutung dieser Tatsache ergibt sich, wenn 35 ^und einstellbare Widerstände wichtig ist.
man beachtet, daß die Fähigkeit eines Widerstandes, Der hohe Metallgehalt der Widerstandselemente Wärme abzugeben und dementsprechend eine hohe äußert sich ferner in einer erhöhten Stabilität. Es Leistung aufnehmen zu können, wesentlich von dem können die so hergestellten Widerstandselemente Metallgehalt abhängt. Je größer der Metallgehalt des sehr lange gelagert werden oder in einen Stromkreis Widerstandes ist, um so mehr Wärme kann er ab- 40 eingebaut sein, ohne daß sie wesentlich ihren Widergeben, und dementsprechend kann eine größere Lei- standswert, ihren Temperaturkoeffizienten und ihre stung verarbeitet werden. Der Metallgehalt von Cer- Geräuscheigenschaften ändern. Diese Widerstandsmet-Mischungen, die Iridium-Legierungen mit den materialien haben auch eine bessere thermische Staobengenannten Metallen enthalten, ist 5- bis 20mal bilität, d. h., bei Erhitzung und nachfolgendem Abgrößer als der Metallgehalt von Glas-Metall-Wider- 45 kühlen ergeben sich keine dauernden Änderungen ständen, die bisher bekannt waren, und dementspre- der elektrischen Eigenschaften,
chend ergeben sich sehr weite Anwendungs- In den Tabellen ist der Ausdruck »Quadratgrenzen, widerstand« benutzt. Es handelt sich hier um fol-

Der hohe Metallgehalt des Cermet-Widerstands- gendes:

elements mit einer Iridiumlegierung ist auch in ande- 50 Ein Flächenstück einer Folie von der Stärke d

rer Hinsicht sehr wichtig. Eines der größten Pro- und der Breite £ und der Länge L hat bei einem spe-

bleme, das sich bei der Verwendung von Cermet- zifischen Widerstand S einen Widerstand
Widerständen als veränderbare Widerstände oder
Potentiometer einstellt, ist der hohe Geräuschfaktor

derartiger Vorrichtungen, der sich durch den Kontakt 55 R = S ^
des beweglichen Abgriffs mit dem Widerstands- d-B
element ergibt. Es ist anzunehmen, daß das elektrische Geräusch zumindesten teilweise auf den unregelmäßigen Kontakt des Potentiometerabgriffs an den Aus dieser Beziehung sieht man, daß, wenn es sich Metallpartikeln der Oberfläche des Widerstands- 60 um eine Quadratfläche handelt, bei der L = S ist, der elements zurückgeht. In Anbetracht der außerordent- Widerstand nur mehr von dem spezifischen Widerlich starken Erhöhung des Metallanteils des Cermet- stand S und der Folienstärke d abhängt. Es ist somit Elements bei Verwendung von Iridiumlegierungen, der Widerstand einer quadratischen Fläche einer ist es offensichtlich, daß eine größere Anzahl Metall- Folie unabhängig von der Seitenlänge des Quadrats, partikeln für den Kontakt mit dem ScMeifelement des 65 Aus Platzgründen wurde in den Tabellen für den Widerstandes zur Verfügung steht. Dadurch wird der Widerstand einer quadratischen Fläche der Widerelektrische Anteil des Geräusches bei derartigen Vor- Standsschicht der Ausdruck »Quadratwiderstand« richtungen verringert, und dies macht die Anwen- verwendet.

Tabelle I

	L	—	M	O	P	Beispiele	S	T	V	I,	16	I w
						Q
Glas (Gewichts	80	—	50	70	60		75	50	70	12	50
prozent)						50
Iridium (Ge	16	1590	46,15	10	10		9,51	16,30	2	80	10
wichtsprozent) .						46,15
Platin (Gewichts	4		3,85		. _					,
prozent)		+ 102				——			+43,7
Ruthenium (Ge		—	20	30		—			30
wichtsprozent) .					3,85
Rhodium (Ge	—	—	—		15,99	33,70	10
wichtsprozent) ..				—
Quadratischer	200	38,4	12,5		400	102	10
Widerstand (Ω)				100
Temperatur
koeffizient	+303	+286	+464		+77	-105	etwa
(10-«/°C) ....				+229			+300

Tabelle Π

PbO Na₂O CaO Al₂O₃ B₂O₃ SiO₂ . ZrO₂ . ZnO .

	Glas	Nr.	67,6
1	2 I 3 (Gewichtsprozent)	5,6
68,0	65,68	26,8
—	—
14,71 12,32 4,97	10,0 16,51 2,4 5,41

31,0

13,0

43,5

Claims

Patentansprüche:

1. Cermet-Widerstand, bestehend aus einer dünnen Widerstandsschicht auf einer elektrisch nicht leitenden, hoch temperaturbeständigen Unas terlage, bei der die Widerstandsschicht aus einer homogenen Mischung eines Glases und einer feinverteilten Edelmetallegierung mit gegenüber dem Glas höherem Schmelzpunkt besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetallanteil 16 bis 50 Gewichtsprozent beträgt und aus einer Legierung aus Iridium mit einem oder mehreren der Metalle Platin, Rhodium und Ruthenium besteht.

2. Cermet-Widerstand nach Anspruch 1, wobei die Widerstandsschicht eine Stärke von etwa 0,025 mm hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht auf einen Quadratflächenwiderstand von mehr als 10 Ohm und einen Temperaturkoeffizienten von weniger als ± 500 · ΙΟ-«/⁰ C ausgelegt ist.

3. Cermet-Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Glasanteil und Metallanteil ungefähr 1:1 beträgt.