DE1465205C3

DE1465205C3 - Resistance element

Info

Publication number: DE1465205C3
Application number: DE1465205A
Authority: DE
Inventors: Vito D. San Diego Calif. Elarde (V.St.A.)
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1964-08-17
Filing date: 1965-08-16
Publication date: 1975-01-16
Also published as: CH424940A; IL24169A; FR1513217A; DE1465205B2; DK116605B; SE316224B; LU49329A1; GB1114052A; US3353134A; DE1465205A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement aus einem isolierenden Träger mit einer Widerstandsschicht aus einer Nickel und Chrom enthaltenden Legierung und einer auf dieser liegenden Metalldeckschicht sowie dessen Verwendung als Bauelement in Stellwiderständen, insbesondere Potentiometern. The invention relates to a resistance element made of an insulating carrier with a resistance layer made of an alloy containing nickel and chromium and a metal cover layer on top of it and its use as a component in variable resistors, especially potentiometers.

Bisher sind in veränderlichen Widerständen, wie Trimmern, Widerstandselemente mit Widerstandsschichten aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung angewandt worden, die auf einer Unterlage aus Isolationsmaterial angeordnet waren. Die Nickel-Chrom-Eisen-Legierung ist jedoch der Oxydation unterworfen, wodurch sich zu beanstandende Rauschpegel ergeben. Es ist versucht worden, das Rauschen durch Verwendung von Platin an Stelle der Nickel-Chrom-Eisen-Legierung zu verringern, was jedoch zu schlechten elektrischen Eigenschaften führte. Es wurde auch bereits versucht, das fragliche Problem mittels bestimmter Keramik-Metall-Massen (Cermets) zu lösen, wobei jedoch uneinheitliche und im Vergleich zu Widerstandselementen mit Widerstandsschichten aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierung schlechte Ergebnisse erhalten wurden. Deshalb wurden bei Widerstandselementen für Stellwiderständc, insbesondere Trimmer, die für 50 bis 000 Ohm ausgelegt waren, trotz der unbefriedigenden Rauschcharakteristik weiterhin Widerstandsschichten aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierung verwendet. So far, in variable resistors, such as trimmers, resistance elements with resistance layers made of a nickel-chromium-iron alloy applied to a base Isolation material were arranged. The nickel-chromium-iron alloy, however, is of oxidation subject, which results in objectionable noise levels. Tried that Reduce noise by using platinum instead of nickel-chromium-iron alloy, however, this resulted in poor electrical properties. The question in question has already been tried Problem to be solved by means of certain ceramic-metal masses (cermets), although inconsistent and compared to resistance elements with resistance layers made of nickel-chromium-iron alloy poor results were obtained. Therefore, resistance elements for variable resistors, especially trimmers that were rated for 50 to 000 ohms, despite the unsatisfactory Noise characteristics continue to use resistive layers made of nickel-chromium-iron alloy.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Widerstandselement zu schaffen, bei dem der als störend empfundene hohe Rauschpegel von Widerstandselementen mit einer Widerstandsschicht aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung weitestgehend reduziert ist, ohne daß dadurch die guten elekirischen Eigenschaften dieser Legierungen beeinträchtigt werden, sowie ein Widerstandselement der vorstehend bezeichneten Art zur Verfügung zu stellen, das als Bauelement in Stellwiderständen Verwendung finden kann, die sich sowohl hinsichtlich des thermischen als auch bezüglich des mechanischen Rauschens durch besondere Rauscharmut auszeichnen sollen.The invention is therefore based on the object of creating a resistance element in which the as disturbing perceived high noise level from resistance elements with a resistance layer a nickel-chromium-iron alloy is largely reduced without affecting the good electrical properties Properties of these alloys are impaired, as well as a resistance element of the type described above to make available, the use as a component in variable resistors that can be found in terms of both thermal and mechanical Should be characterized by a particularly low noise level.

Es wurde nun gefunden, daß sich diese Aufgabe überraschenderweise durch ein Widerstandselement der eingangs bezeichneten Art lösen läßt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Widerstandsschicht aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung und die Metalldeckschicht aus Platin, Rhodium oder Iridium besteht.It has now been found that this object can surprisingly be achieved by a resistance element of the type indicated at the outset can be solved, which is characterized in that the resistance layer made of a nickel-chromium-iron alloy and the metal cover layer made of platinum, rhodium or iridium consists.

Widerstandselemente mit einem konstruktiv ähnlichen Aufbau sind aus der deutschen Auslegeschrift 1 089 861 bekannt. Diese bekannten Widerstandselemente unterscheiden sich jedoch von den Widerstandselementen der Erfindung grundlegend durch die Zusammensetzung der Widerstandsschicht, die aus einer speziellen, eisenfreien Nickel-Chrom-Aluminium-Kupfer-Legierung besteht, sowie durch die Zusammensetzung und den Zweck der Metalldeckschicht, die aus Chrom besteht und den Zweck hat, die Feuchtigkeitsempfindlichkeit dieser bekannten Widerstandselemente zu mindern, ihre Instabilität unter verschiedenen vorkommenden Betriebsbedingungen in wirksamerer und für die Massenfertigung geeigneterer Weise zu beseitigen bzw..zu mindern, als dies durch das bis dahin angewandte Aufdampfen einer .Quarzdeckschicht möglich war, wobei insbesondere ein besonders niedriger Temperaturkoeffizient erreicht werden soll. Diese Unterschiede zwischen den aus der deutschen Auslegeschrift 1 089 861 bekannten und den erfindungsgemäßen Widerstandselementen lassen deutlich erkennen, daß die auf den ersten Blick verblüffende Ähnlichkeit des Aufbaus täuscht und die bekannten Metallschichtwiderstände weder eine brauchbare Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe darstellen noch zu der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung dieser Aufgabe anregen konnten. Weiterhin war auch die Verwendung der erfindungsgemäß als Material für die Metalldeckschicht vorgeschlagenen Edelmetalle auf dem Gebiet der Metallschichtwiderstandstechnik an sich bereits unter anderem aus den deutschen Patentschriften 699 113 und 1 080 785 bekannt, denen zu entnehmen ist, daß der Temperaturkoeffizient von Metallschichtwiderständen mit Widerstandsschichten aus Silber-Gold-Legierungen durch Zulegieren von Platin sowie gegebenenfalls kleinen Mengen Rhodium, Palladium und/oder Osmium beträchtlich vermindert werden kann (deutsche Patentschrift 699 113) und daß sich bestimmte, gegebenenfalls ein oder mehrere weitere Platinmetalle, Gold, Silber, Nickel, Kobalt oder Kupfer enthaltende Rhodium-Palladium-Legierungen mit Vorteil als Werkstoff für Kontakte und Potentio-Resistance elements with a structurally similar structure are taken from the German interpretation 1 089 861 known. However, these known resistance elements differ from the resistance elements of the invention fundamentally through the composition of the resistance layer, which is made of a special, iron-free nickel-chromium-aluminum-copper alloy as well as by the composition and purpose of the metal cover layer, which is made of chromium, and the purpose has to reduce the moisture sensitivity of these known resistance elements, their instability under various operating conditions occurring in a more effective and suitable manner for mass production or to reduce it, as this was possible through the vapor deposition of a was, with a particularly low temperature coefficient to be achieved in particular. These Differences between those known from German Auslegeschrift 1,089,861 and those according to the invention Resistance elements clearly show that the at first glance astonishing The similarity of the structure is deceptive and the known metal film resistors are neither usable The solution to the problem on which the invention is based is represented in addition to that proposed according to the invention Could suggest a solution to this problem. Furthermore, the use was also according to the invention as a material for the metal cover layer proposed noble metals in the field of Metal film resistance technology per se already from German patents 699 113, among others and 1,080,785 known, from which it can be seen that the temperature coefficient of metal film resistors with resistance layers made of silver-gold alloys by adding platinum and optionally small amounts of rhodium, palladium and / or osmium can be reduced considerably can (German Patent 699 113) and that certain, possibly one or more further Rhodium-palladium alloys containing platinum metals, gold, silver, nickel, cobalt or copper with advantage as a material for contacts and potential

meter verwenden lassen, die eine hohe Schaltsicherheit bei möglichst gleichbleibend niedrigen Übergangswiderständen aufweisen sollen (deutsche Patentschrift 1 080 785).Let us use meters that offer a high level of switching reliability with the lowest possible contact resistance should have (German patent specification 1 080 785).

Die Erfindung wird im folgenden, an Hand spezieller Ausführungsformen bzw. -beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.The invention is described below with reference to specific embodiments or examples Explained with reference to the drawings.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Widerstandselement;Fig. 1 is a top plan view of one according to the invention Resistance element;

F i g. 2 ist eine Ansicht im Schnitt längs der Linie 2-2 nach der Fig. 1, wobei die Dicke der Widerstands- und Metaldeckschicht zwecks deutlicherer Darstellung übertrieben wiedergegeben ist.F i g. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG. 1, the thickness of Resistance and metal cover layer is shown exaggerated for the sake of clarity.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte typische erfindungsgemäße Widerstandselement weist einen Träger 1 aus Isolationsmaterial auf. Der Träger 1 ist als dünne kreisförmige Scheibe mit einer zentralen Öffnung 2 und einer Umfangsausnehmung 3 ausgebildet (s. F i g. 2).The typical resistance element according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 has a Carrier 1 made of insulation material. The carrier 1 is a thin circular disc with a central Opening 2 and a circumferential recess 3 formed (see Fig. 2).

Der Träger 1 weist auf einer Oberfläche einen streifenförmig längs des Umfangs verlaufenden zweischichtigen Überzug 5 auf, der aus einer Widerstandsschicht 6 (s. F i g. 2) aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierung und einer dariiberliegenden dünnen Metalldeckschicht 7 aus Platin, Rhodium oder Iridium besteht.On one surface, the carrier 1 has a two-layer layer running in the form of a strip along the circumference Coating 5, which consists of a resistance layer 6 (see Fig. 2) made of nickel-chromium-iron alloy and an overlying thin metal cover layer 7 made of platinum, rhodium or iridium.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, erstreckt sich der Überzug 5 bis zur Umfangsausnehmung 3 und ist an seinen Enden jeweils mit einem Metallanschluß 10 bzw. 11 versehen, der seinerseits jeweils mit einem Leiter 12 bzw. 13 verbunden ist. Bei erfindungsgemäßen Widerstandselementen für bestimmte Anwendungsgebiete bestehen die Leiter 12 und 13 zweckmäßig aus Gold.As shown in FIG. 1, the coating 5 extends to the circumferential recess 3 and is on its ends each provided with a metal connection 10 and 11, which in turn each with a Conductor 12 or 13 is connected. With resistance elements according to the invention for certain areas of application the conductors 12 and 13 are expediently made of gold.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Widerstandselement ist in einer speziell der Verwendung als Bauelement in Stellwiderständen, insbesondere sogenannten Trimmern, angepaßten Form ausgebildet.The in the F i g. 1 and 2 shown resistance element according to the invention is in a specifically of the Use as a component in variable resistors, especially so-called trimmers, adapted Form formed.

Im folgenden werden die Zusammensetzungen des Isolationsmaterials der Träger 1, der Widerstandsschichten 6 und der Metalldeckschichten 7 erfindungsgemäßer Widerstandselemente sowie bei deren Verwendung in Stellwiderständen besonders zweckmäßiger Kontakte bzw. Schleifer im Detail beschrieben. The following are the compositions of the insulation material of the carrier 1, the resistance layers 6 and the metal cover layers 7 of resistance elements according to the invention as well as their Use in variable resistors particularly useful contacts or sliders described in detail.

Der Träger 1 kann aus einem beliebigen geeigneten Isolationsmaterial, wie Phenolharzen, Epoxyharzen und anderen isolierenden Kunststoffen, bestehen, besteht jedoch vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, wie Steatit, Tonerde, Berylliumoxid, Glas, Quarz u. dgl. Herkömmliches Natriumglas sollte vorzugsweise zunächst mit Siliciumdioxid überzogen werden, während Borsilikatglas und andere Hochtemperaturisolationsgläser auch ohne einen Siliciumdioxidüberzug als Material für Träger 1 brauchbar sind. Steatit und Tonerde stellen zufriedenstellende und wirtschaftliche Keramikmaterialien für Träger 1 erfindungsgemäßer Widerstandselemente dar. Die die Widerstandsschicht 6 tragende Oberfläche der Träger 1 sollte möglichst glatt sein, um einen guten Haftgrund abzugeben, der den dünnen doppelten Überzug 5 ohne Ausbilden von Unregelmäßigkeiten trägt. .The carrier 1 can be made of any suitable insulating material, such as phenolic resins, epoxy resins and other insulating plastics, consist, but preferably consists of a ceramic material, such as steatite, alumina, beryllium oxide, glass, quartz and the like. Conventional sodium glass should be preferred initially coated with silicon dioxide, while borosilicate glass and other high-temperature insulation glasses can also be used as material for carrier 1 without a silicon dioxide coating. Steatite and clay make satisfactory results and economical ceramic materials for carriers 1 of resistance elements according to the invention the surface of the carrier 1 carrying the resistive layer 6 should be as smooth as possible in order to achieve a good surface Adhesive primer to release the thin double coating 5 without the formation of irregularities wearing. .

Die Nickel-Chrom-Eisen-Legierung für die Widerstandsschicht 6 kann zweckmäßig aus 20 bis 65 Gewichtsprozent Nickel, 15 bis 75 Gewichtsprozent Chrom und Rest Eisen, d. h. 5 bis 25 Gewichtsprozent, bestehen. Beispiele für geeignete Legierungszusammensetzungen in Gewichtsprozent sind: 36 Ni — 48 Cr — 16 Fe, 30 Ni — 63 Cr — 7 Fe, 20 Ni — 75 Cr — 5 Fe und 60 Ni — 16 Cr — 24 Fe. Eine Widerstandsschicht 6, die bei Widerstandselementen mit 20 000 Ohm besonders zufriedenstellende Eigenschaften aufweist, besteht aus 36°/oThe nickel-chromium-iron alloy for the resistance layer 6 can expediently consist of 20 to 65 percent by weight Nickel, 15 to 75 weight percent chromium and the remainder iron, d. H. 5 to 25 percent by weight, exist. Examples of suitable alloy compositions in percent by weight are: 36 Ni - 48 Cr - 16 Fe, 30 Ni - 63 Cr - 7 Fe, 20 Ni - 75 Cr - 5 Fe and 60 Ni - 16 Cr - 24 Fe. A resistance layer 6, which is particularly satisfactory for resistance elements with 20,000 ohms Has properties, consists of 36%

ίο Nickel, 48°/o Chrom und 16% Eisen. Für Widerstandselemente mit 500 Ohm ist eine Legierung aus 20 % Nickel, 75 % Chrom und 5 % Eisen als Material für die Widerstandsschicht 6 besonders günstig. Die Widerstandsschicht 6 aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierung kann bei einer Dicke von 2000 bis 100 A einen Widerstand von 500 bis 20 000 Ohm aufweisen, was einem Flächenwiderstand von 21,7 bis 870 Ohm entspricht. Die Metalldeckschicht 7 kann, wie bereits erwähnt, aus Platin, Rhodium oder Iridium bestehen. Sie ist ein dünner Film mit einer Dicke von zweckmäßig weniger als 100 A. Die bevorzugte Dicke läßt sich besser durch den Flächenwiderstand angeben, der 8000 bis 13 000 Ohm betragen soll. Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäß für die Metalldeckschicht 7 verwendeten Metalle in Schichten mit einer derartigen Dicke als Schmiermittel wirken und es ermöglichen, daß Stellwiderstände mit erfindungsgemäßen Widerstandselementen ohne Rauschen arbeiten, wobei gleichzeitig die guten elektrischen Eigenschaften der darunterliegenden Widerstandsschicht 6 aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierung erhalten bleiben. Die erfindungsgemäße Widerstandselemente kennzeichnenden Metalldeckschichten nutzen sich durch den Kontakt mit einem darüber gleitenden Schleifer nur sehr langsam ab. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Schleifer aus einer Gold-Palladium-Legierung besteht, die mindestens etwa 10% Gold und mindestens etwa 10% Palladium, vorzugsweise etwa 10% Gold und 35% Palladium, sowie als Rest Silber, Kupfer und Platin enthält. Als sehr zufriedenstellend haben sich auch Kohleschleifer und Kohle-Tetrafluoräthylenharz-Schleifer erwiesen.
Die Widerstandsschicht 6 und die Metalldeckschicht 7 erfindungsgemäßer Widerstandselemente werden vorzugsweise mittels bekannter Verfahren zum Auftragen von Metallen im Vakuum aufgebracht. Die Metallanschlüsse 10 und 11 können ebenfalls durch Auftragen von Nickel-Chrom im Vakuum aufgebracht werden. Die Leiter 12 und 13 können in herkömmlicher Weise an die Metallanschlüsse 10 und 11 angeschweißt oder in anderer Weise daran befestigt werden. Die erfindungsgemäßen Widerstandselemente können als fest eingestellte Widerstände verwendet werden, sind jedoch besonders in Kombination mit beweglichen Kontaktelementen bzw. Schleifern, also in Stellwiderständen, vorteilhaft. Derartige veränderliche Widerstände dienen als Trimmer in miniaturisierter Prüfausrüstung, Rechenvorrichtungen u. dgl. Sie besitzen sehr niedrige Temperaturkoeffizienten (in der Größenordnung von 50 ppm/° C in dem Bereich von — 65° C bis + 175° C) und bei unbewegtem Schleifer einen Rauschpegel von praktisch Null. Selbst während der Einstellung ist der Rauschpegel für die meisten Anwendungsgebiete vernachlässigbar niedrig.ίο nickel, 48% chromium and 16% iron. For resistance elements with 500 ohms, an alloy of 20% nickel, 75% chromium and 5% iron is particularly favorable as the material for the resistance layer 6. The resistance layer 6 made of nickel-chromium-iron alloy can have a resistance of 500 to 20,000 ohms with a thickness of 2000 to 100 A, which corresponds to a sheet resistance of 21.7 to 870 ohms. As already mentioned, the metal cover layer 7 can consist of platinum, rhodium or iridium. It is a thin film with a thickness of advantageously less than 100 A. The preferred thickness can be better indicated by the sheet resistance, which should be 8000 to 13000 ohms. It has been found that the metals used according to the invention for the metal cover layer 7 act as lubricants in layers with such a thickness and enable variable resistors with resistance elements according to the invention to work without noise, while at the same time the good electrical properties of the underlying resistance layer 6 made of nickel-chromium Iron alloy are preserved. The metal cover layers characterizing resistance elements according to the invention wear out only very slowly due to contact with a slider sliding over them. This is particularly true when the grinder consists of a gold-palladium alloy that contains at least about 10% gold and at least about 10% palladium, preferably about 10% gold and 35% palladium, and the remainder silver, copper and platinum. Carbon grinders and carbon tetrafluoroethylene resin grinders have also proven to be very satisfactory.
The resistance layer 6 and the metal cover layer 7 of resistance elements according to the invention are preferably applied by means of known methods for applying metals in a vacuum. The metal connections 10 and 11 can also be applied by applying nickel-chromium in a vacuum. The conductors 12 and 13 can be conventionally welded to the metal terminals 10 and 11 or otherwise attached thereto. The resistance elements according to the invention can be used as permanently set resistors, but are particularly advantageous in combination with movable contact elements or wipers, that is to say in variable resistors. Such variable resistors serve as trimmers in miniaturized test equipment, computing devices and the like.They have very low temperature coefficients (on the order of 50 ppm / ° C in the range from -65 ° C to + 175 ° C) and a noise level when the grinder is stationary from practically zero. Even during adjustment, the noise level is negligibly low for most applications.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

. 2 claims:

1. Resistance element made of an insulating carrier with a resistance layer of a Alloy containing nickel and chromium and a metal cover layer lying thereon, characterized in that the resistance layer (6) consists of a nickel-chromium-iron alloy and the metal cover layer (7) consists of platinum, rhodium or iridium.

2. Resistance element according to claim 1, characterized in that the resistance layer (6) consists of 20 to 65% nickel, 15 to 75% chromium and the remainder iron and the Metal cover layer (7) has a sheet resistance of 8,000 to 13,000 ohms resulting in thickness having.

3. Resistance element according to claim 1 and / or 2, characterized in that the resistance layer (6) 100 to 2000 Å thick.

4. Resistance element according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that that the metal cover layer (7) consists of platinum and is less than 100 A. thick.

5. Use of resistance elements according to at least one of claims 1 to 4 as a component in variable resistors, especially potentiometers.

6. Use of resistance elements according to at least one of claims 1 to 4 according to claim 5 in variable resistors with taps, the contact elements of which are made of a gold-palladium alloy or consist essentially of carbon.