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Elektrisches Widerstandselement, insbesondere für Potentiometer, sowie
Verfahren zu seiner Herstellung Die vorliegende Erfindung befasst sich mit elektrischen
Widerstandselementen , so wie sie zum Beispiel als Bestandteile von elektrischen
Schaltelementen, wie Potentiometern und variablen Widerständen, benutzt werden,
wobei ein beweglicher Kontakt so angeordnet ist, dass er über das Widerstandselement
hinweg, oder an ihm entlang, gleitet zu dem Zweck, den wirksamen Widerstandswert
des Widerstandes in einem Stromkreis zu ändern; die Erfindung befaBt sich ausserdem
mit einer Methode zum Herstellen solcher Elemente. Die Notwendigkeit, iterbesserte
Widerstandselemente für derartige Vorrichtungen zu schaffen, ergibt sich im wesentlichen
aus der Begrenzung des Auflösungsvermögens, der Energievers teilung und des elektrischen
Widerstandswerts, die auftreten,
wenn die Größe der bekannten, aus
Draht gewickelten Elemente reduziert wird. Es liegt auf der Hand, daß ein Potentiometer
ohne ein gewickeltes 'Widerstandselement sehr wünschenswert wäre, weil es ein hohes
:Auflösungsvermögen hat. Die Schwierigkeit besteht aber darin, ein Potentiometer
dieser Art mit einem vernünftigen Widerstandswert zu schaffen. Metalle und Legierungen
haben einen zu geringen spezifischen Widerstand, als das sie in Form eines Drahtes
benutzt werden könnten, und geformte, zusammengesetzte Widerstände, so wie sie in
den bekannten Potentiometern mit einer Kohlespur benutzt werden, haben oft ein schlechtes
Kontaktvermögen, sie verschleißen schnell, haben einen zu hohen Temperaturkoeffizient
und ein zu geringes Wärmeableitvermögen. Es sind Widerstände in der Form von äusserst
dünnen Filmen aus Metall, aus Legierungen, oder aus deren Mischungen mit Oxyden
hergestellt worden, und es ist Gegenstand der vorliege@nden Erfindung, ein verbessertes
Widerstandeelement dieser Art zu schaffen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zur Her-Stellung eines Widerstandselements vorgeschlagen, bei dem
ein Film aus einem elektrisch leitenden Material auf einer Unterlage
aus
elektrisch isolierendem Material gebildet wird, wobei letztere z.B. aus einem gesinterten
Metalloxyd besteht, und zwar dadurch, dass der Film im Vakuum auf der Unterlage
niedergeschlagen wird.
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Um eine gute Anschlußverbindung an den Enden des niedergesohlagenen
Films zu schaffen, ist es vorteilhaft, die Unterlage dort mit einem leitenden Belag
zu versehen. Das Material der Widerstandsspur wird dann im Vakuum niedergeschlagen
und anschliessend die Verbindungsstelle , wo der leitende Belag und die Widerstandsspur
sich treffen, dadurch verstärkt, daß man im Vakuum eine örtlich begrenzte Ablagerung
aus dem Material erzeugt, aus dem die Widerstandsspur besteht. Man kann das gleiche
Resultat auch dadurch erreichen, daß man die Reihenfolge der Ablagerung der Widerstandsspur
und der Verstärkung umkehrt.
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Anstatt Leitbeläge auf der selben Seite der Unterlage anzuordnen wie
die leitende Spur, kann man auch Anschlußklemmen von der Rückseite her so in die
Unterlage einlassen, daB die Spur und die Verstärkungsablagerungen gute elektrische
Kontakte mit den freiliegenden Teilen solcher Anschlußklemmen bilden. Ein bevorzugtes
Verfahren zur Herstellung eines Potentiometers gemäß der vorliegenden Erfindung
wird anhand der Zeichnungen beschrieben:
| Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die einzelnen Schritte |
| des Verfuhren: zeimt; es sind jeaoc?. n-_cht irner |
alle Verfahrensschritte erforderlich, und das Verfahren kann je
nach Beschaffenheit und Vorbehandlung der Unterlage abgeändert werden Fig.-2 ist
eine Draufsicht auf eine Maske, die für die Ablagerung einer kreisförmigen Spur
benutzt wird.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Maske aus Fig.2; sie zeigt,
daß die dem Film benachbarten Ränder der Maske in geeigneter Weise abgeschrägt sind,
so daß Schatteneffekte vermieden werden.
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Fig. 4 ist eine Sprengzeichnung eines Iotentiometers mit einem nach
dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Widerstandselement.
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Fig. 5 ist ein Querschnitt durch das Potentiometer aus Fig. 4, fig.
6 zeigt eine Unteransicht des Potentiometers aus Fig. 5 , Fig. 7 ist eine Draufsicht
auf das Potentiometer aus Fig. 5.
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,Alls Unterlage kommen nur verhältnismäßig wenige Lllaterialien infrage,
und zwar wegen der hohen Anforderungen, die diese erfüllen müssen. Es wurde gefunden,
daß gesintertes Aluminiumoryd
als Unterlage brauchbar ist, und
es sei angenommen, daß bei dem hier beschriebenen Verfahren dieses Material benutzt
wird. Gesintertes Aluminiumoxyd bildet wegen seiner mechanischen Festigkeit und-Stabilität
sowie wegen seines hohen elektrischen Isolationsvermögens und seiner chemischen
Trägheit ein sehr brauchbares Material. Das Material sollte vorzugsweise an seiner
den Film aufnehmenden Oberfläche einer Diamantschliff-Endbearbeitung unterworfen
werden, und zwar aus den weiter unten angegebenen Gründen.
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Der leitende Film kann aus Metallen, Legierungen, elektrisch leitenden
Salzen oder Oxyden gebildet werden, wobei Widerstandserhitzer, Induktionsheizung
oder Elektronenbestrahlung zum Verdampfen des Materials herangezogen werden können.
Unter den Filmmaterialien, die benutzt worden sind, hat sich eine Legierung aus
Nickel und Chrom (Ni 80, Cr 20), die unter dem Namen Nichrome bekannt ist, als besonders
brauchbar erwiesen, und bei dem hier beschriebenen Verfahren wird angenommen, daß
diese Legierung als Filmmaterial benutzt wird, Es ist verhältnismäßig einfach, mit
Hilfe eines Verdanpfungsprozesses Metallfilme auf einer Unterlage zu erzeugen, aber
die sich dabei ergebenden Ablagerungen sind im allgemeinen weich und haften schlecht,
wenn die Unterlage nicht vorher
sorgfältig gereinigt worden ist.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, wird bei dem vorliegenden Verfahren die Unterlage .»
die hier die Form einer Kreisscheibe zur Verwendung in einem Dreh-Potentiometer
hat.- zunächst-in warmem Leitungswasser gewaschen, um Staub und grobe Fremdkörper
zu entfernen. Die Unterlage wird dann in heiße Chromsäure getaucht, durch die Fett
und Fingerabdrücke beseitigt werden. überschüssige Säure wird durch erneutes Waschen
in-Zeitungswasser entfernt. Die Unterlage wird dann in Bädern aus reinstem Wasser
gewaschen. In der Endstufe des chemischen Reinigungsvorganges wird die Unterlage
jeweils dem heißen Dampf von deionisiertem Wasser und Iso-propyl-Alkohol ausgesetzt.
Das wiederholte Waschen in reinem Wasser ist erforderlich, um zu verhindern, daß
sich beim Trocknen der Unterlage Wasserflecke bilden. Die gereinigten Unterlagen
können nach diesem Verfahrensschritt unter Vakuum bis zur Weiterverarbeitung aufbewahrt
werden.
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Ein metallisches Präparat wird dann auf diejenigen Flächen aufgebracht,
an denen später die,Anschlußverbindungen hergestellt werden sollen. (Zahlreiche
geeignete Edelmetallpräparate hierfür sind im Handel erhältlich). Die Unterlage
wird dann in einen Ofen gelegt, woR die Metallschicht in die Unterlage eingebrannt
wird. Nach Einbrennen der Ansahlußverbindungen werden die letzten Schritte des Reinigungsverfahrens
wiederholt.
Die Anschlußverbindung können aber auch von der Rückseite
her in die Unterlage eingesetzt werden, wie in Figo 4 bei 29 gezeigt.
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Es ist zweckmässig, mehrere derartiger Unterlagen gleichzeitig vorzubereiten
und sie unter Vakuum aufzubewahren, bis sie benötigt werden. Eine oder mehrere Unterlagen
werden dann in einer Ablagerungskammer angeordnet und unter Vakuum einem weiteren
Reinigungsprozeß unterzogen, bevor das Filmmaterial abgelagert wird.
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Bei diesem weiteren Reinigungsprozeß werden die Unterlagen zunächst
in Hochvakuum auf etwa 300°C erhitzt und bei dieser Temperatur eine Stunde lang
geglüht. Ein Strom reinsten Argons wird in die Vakuumkammer geleitet, und zwar so,
daß der Druck bis zu einem Punkt ansteigt, an dem sich an einer auf Hochspannung
gehaltenen Aluminiumkathode eine intensive Entladung ausbildet. Die erhitzten Unterlagen
sind dieser Entladung ausgesetzt und werden sowohl mit Ionen als auch mit Elektronen
beschossen. Die Oberflächen der Unterlagen werden dabei extrem heiß. Nach einigen
Minuten befinden sich die Oberflächen der Unterlagen im richtigen Zustand für die
Ablagerung des r'ilms. Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird der Argonstrom gestoppt,
das Hochvakuum so schnell wie möglich wieder hergestellt und das Verdampfen des
Metalls sowie seine Ablagerung als Film auf der Unterlage werden bewerkstelligt,
bevor die Oberfläche
der Unterlage durch aus den Wandungen der Vakuumkammer
entstehende Filme erneut verunreinigt wird.
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Bei der bevorzugten Methode ist die Unterlage abgeschirmt, so daß
nur derjenige Teil frei liegt, der überzogen werden soll, und die Abschirmmaskeist
so ausgebildet, daß der abgelagerte Film sich über die Leitbeläge erstreckt. Um
eine verbesserte Form der Anächlußverbindungen zu schaffen, hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, eine dicke Ablagerung des Filmmaterials auf die eingebrannten Zeitbeläge
aufzudampfen und-dann die Widerstandsspur über diese aufzudampfen. Widerstandsspuren
mit-diesem Verbund-Anschluß zeigen keine Widerstandserhöhung an der Verbindungsstelle
von Spur und Leitbelag.
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Das fertige Widerstandselement wird dann für einige Stunden bei 3000C
in einer Umgebung von reinem Argon gealtert und dann
, bevor es der freien Atmosl-häre ausgesetzt wird. Ein Vakuum von wenigstens 10
4mm in der Ablagerungskammer ist erforderlich, aber selbst bei diesem Druck ist
es wichtig, daß keine hohlenwasserstoff-1)ämpfe vorhanden sind, weil das Ionenbombardement
leicht I,#olilenablGgerizni;en ":n den Oberflächen
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bestrahlt werden. Es ist daher wünschenswert, derartige Dichtungen
gegen die Entladung abzuschirmen und die Temperaturen möglichst niedrig zu halten.
Fettspuren auf Glas- oder Metalloberflächen sind schwer zu entfernen, und diejenigen
Teile, die dem Vakuum und der Wärme ausgesetzt werden, sollten nicht mit den Händen
angefaßt werden. Feuchtigkeits- und Fettfilme werden von den Glaswänden der Vakuumkamuier
absorbiert, wenn diese für längere Zeiträume der Einwirkung der Atmosphäre ausgesetzt
sind. Die Feuchtigkeitsfilme können leicht dadurch entfernt werden, daß man die
Kammer unter Vakuum erhitzt, aber die Fettspuren müssen erst in einem flüchtigen
Lösungsmittel wie Trichloräthylen, Azeton, oder Alkohol gelöst werden, woraufhin
das verschmutzte Teil längere Zeit in Vakuum auf etwa 300°C gehalten werden muß.
Die freigesetzten Gase werden mit einem trockenen Argonstrom ausgespült. Es wurde
gefunden, daß die Vakuumverhältnisse verbessert werden können, wenn die Metallniederschläge,
die sich an den Kammerwänden bilden, nicht entfernt werden und wenn das System auch
dann unter Vakuum gehalten wird, wenn es nicht benutzt wird.
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Die Vorginge beim "Reinigen" von Materialien mit Hilfe eines Elektronen-
und Ionenbombardements sind noch nicht völlig geklärt, so daß die Verhältnisse für
maximale Reinigungswirkung experimentell ermittelt werden müssen. Als Kathode muß
ein wenig sprühendes Material, wie z.B, reines Aluminium, verwendet
werden,
da sich andernfalls auf der Unterlage ein Niederschlag bildet. Wenn während des
Bombardements Sauerstoff vorhanden ist, werden Oxydfilme gebildet. Staub darf ebenfalls
nicht vorhanden sein wegen der Oberflächenbeschädigungen, die durch den Aufschlag
von Teilchen entstehen, welche infolge der Entladung zu hohen Geschwindigkeiten
beschleunigt werden und:mög- . licherweise=Durchschlagstellen in der Spur hervorrufen
könnten. Die btruktur des abgelagerten Filme hängt von der Temperatur der Unterlage
während des Verdampfens, vom Auftreffwinkel und von der Ablagerungsgeschwindigkeit
ab. Es wurde gefunden, daß die besten Filme erzielt werden, wenn die Unterlage auf
einer Temperatur von etwa 300°C gehalten wird, die größtmögliehe Ablagerungsgeschwindigkeit
benutzt wird und die-Dampfquelle so angeordnet ist, daß der Aufschlag auf die Unterlage
in Richtung ihrer Normalen erfolgt.
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Es wird ferner eine mechanische Blende verwendet, die die Unterlage
gegen den anfänglich emittierten Metalldampf abschirmt, welcher die Quelle mit geringer
Diffusionsgeschwindigkeit verläßt, bis der Erhitzer des Verdampfers seine volle
Betriebs- ' temperatur erreicht hat. Es ist auch deswegen zweckmäßig, die Unterlage
vom Anfangsdampfstrom abzuschirmen, weil dieser im Vakuum als Getter wirkt und dadurch
verunreinigt wird,. .
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Eine Maske für die Unterlage ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Sie
besteht aus einem Zylinder 11,9# in den die Unterlage 12
eingepaßt
wird, welche von einer Gegenplatte 13 gehalten wird. Der äussere Umfang der Spur
wird somit vom Zylinder 11 begrenzt. Eine Scheibe 14 wird von einem schmalen Steg
15 konzentrisch gehalten, der gleichzeitig als Maske für den Begrenzungsspalt in
der zu erzeugenden Kreisspur dient.. Wie oben e rwähnt, wird die Oberfläche der
Unterlage vorzugsweise einer Diamantschliff-Endbearbeitung unterworfen. Eine so
bearbeitete Oberfläche besteht aus einer sehr grossen Zahl von winzigen, isolierten
Plateaus, die aus der Masse des Unterlagematerials herausragen. Beim überziehprozeß
erhalten die zu diesen Plateaus hinaufführenden schrägen Flächen einen dünneren
Niederschlag aus leitendem-Material als die Flateau-Oberflächen. Der abgelagerte
Film besteht somit aus einer sehr großen Zahl winziger Flächen mit einem Film, der
nur wenig Widerstand bildet, wobei diese Flächen untereinander verbunden-sind durch
andere Flächen mit hohem Widerstand, welche den größten Teil des G4samtwiderstandes
ausmachen. 33a der größte Teil zum Gesamtwiderstand von denjenigen Teilen des Films
beigetragen wird, die in t'Zöcllern" zvi.:chen den Plateaus liegen, wirkt sich der
mechanische: Verschleiß durch einen beweglichen Kontakt auf den Spurwiderstand kuni
i:ech aus. Vegen der winzigen Größe der
| i-lat#-aixr@ äm @"erg@c::.i:h mir ricrül-xizng::j"idcl:e des
beweglichen |
| =@on@.@^k.i@ s zwiderstandselcinents |
Die Kreiaplatte mit der ringförmigen Widerstandsspur, deren Aufbringung
vorstehend beschrieben wurde, kann das Widerstandselement eines Potentiometers bilden,
dessen Einzelheiten in den Figuren 4 bis 7 dargestellt sind. Das Poteritiometer
besteht aus einem Grundkörper 16, dessen Achsialbohrung 17 zwei -Lager 18 und 19
aufnimmt; welche eine Potentiometerspindel 20 haltern. Das Lager 19 wird von einer
Halteplatte 21 getragen, die am Grundkörper 16 mit einer Schraube 22 befestigt ist;
eine Schleifkontaktplatte 23 mit einem Schleifkontakt 24 ist in das Ende der Spindel
20 mit einer Schraube 25 eingesetzt. Das Widerstandselement 26 weist Klemmen 28,
29 und 30 auf. Wenn das Element 26 in den Grundkörper 16 eingepaßt ist, kommt der
Schleifring in Kontakt mit der Mittelklemme 30 des Potentiometerdeekelso Zur Dichtung
wird ein Dichtungsring 31 in den. Grundkörper 16 eingepaßt. Das Llement 26 wird
idurch Umwalzen des Randes des
- 16 festgehalten. Der Schleifkontakt 24 besteht aus Phosphorbronze und weist einen
Kontaktknopf auf, der aus einer Edelmetall-Legierung besteht. Die Spindel 20 ist
durch einen für hohe Temperaturen geeigneten Dichtungsring 32 abgedichtet.