DE1490986C3 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselements mit teilweiser Entfernung der Widerstandsschicht zwecks Einstellung der Widerstandseigenschaften - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselements, bestehend aus eiqer auf einem isolierenden, mit Vertiefungen und spitzen Erhebungen versehenen Trägerkörper aufgebrachten metallischen Widerstandsschicht mit einem unterhalb des Sollwertes liegenden Widerstandswert, mit teilweiser Entfernung der Widerstandsschicht zwecks Einstellung der Widerstandseigenschaften.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Widerstandselements (USA.-Patentschrifi

1 96? 438) wird eine auf eine Emailunterlage aufgebrachte Graphitschicht durch Abschleifen mit einem radiergummiartigen Schleifrad auf den gewünschien Widerstandswert gebracht.

Es ist ferner bekannt (USA.-Patentschrift

2 926 325), eine metallische Widerstandsschicht auf einen aufgerauhten isolierenden Trägerkörper aufzubringen, auf die Widerstandsschicht eine Schutzschicht aus dielektrischem Material aufzubringen und die Schutzschicht so weit abzuschleifen, daß die höchsten Stellen der Widerstandsschicht freigelegt werden. Die dielektrische Schutzschicht hat dabei dsv Zweck, eine übermäßige Abnutzung des Widerstandselements bei Verwendung desselben in einem Poientiometer durch den Schleifkontakt zu verhindern; der Schleifkontakt greift dann nämlich nur an den freigelegten Stellen der Widerstandsschicht an Die metallische Widerstandsschicht selbst wird hei dem Abschkifvorgang nicht angegriffen, so daü sich deren Widerstandswert dabei auch nicht ändert. Die Widerstandsschicht schmiegt sich derart an die Unebenheiten des Trägerkörpers an, daß die Dicke der Widerstandsschicht praktisch überall gleich ist.

Es ist grundsätzlich bekannt (deutsche Auslegcschrift 1 120 583), daß sehr dünne Widerslandssciiichten Halbleitereigenschaften aufweisen und daher einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besitzen, während dickere Schichten vorwiegend einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen; es gibt daher eine werkstoffabhängige optimale Schichtdicke, bei der der Temperaturkoeffizient annähernd verschwindet. Um bei dieser Schichtdicke sehr hohe Widerstandswerte zu erzielen, kann man die Schicht optimaler Schichtdicke schraubenlinig verlaufen lassen, so daß der hohe Widerstands wert durch das große Verhältnis von Länge ?u Breite zustandekommt.

Zur Erzielung sehr hoher Wide 1 standswerte bei befriedigendem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes ist es ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 132 220), auf einen keramischen Trägerkörper ein Gemisch aus Metallteilchen und Glasteilchen derart aufzubrennen, daß eine kontinuierliche Glasphase entsteht, in der die Metallteilchen fein verteilt sind. Bei derartigen glaskeramischen Widerständen lassen sich Widerstandsschichten mit Flächenwiderständen bis zu einigen Megohm herstellen; jedoch ist die Anwendbarkeit eines derartigen Herstellungsverfahrens wegen der relativ hohen Aufbrenntemperatur beschränkt, und ferner können metallkeramische Widerstandsschichten nicht so leicht bearbeitet werden wie etwa metallische Widerstandsschichten, die z. B. leicht ätzbar sind.

Es sind ferner Verfahren der eingangs genannten Art bekannt (deutsche Patentschrift 821 380, USA.-Patentschriften 2 792 620, 2 962 393), bei denen durch Entfernung der Widerstandsschicht von den spitzen Erhebungen des Trägerkörpers, z. B. durch Abschleifen, der Widerstandswert auf die gewünschte Höhe gebracht wird, was während des Abtragyor- »anges mit Hilfe eines Ohmmeters überwacht werden kann. Die in dem Trägerkörper vorgesehenen Vertiefungen bilden dabei ein regelmäßiges zusam-

menhängendes Muster, wie etw:t eine spiralförmige Rille >'der die Oberfläche des Trügerkörpers durchgehende Längsstreifen, so dall nach der Hntiemung der Widerstandsschicht von den spitzen Erher-unuen 4it in den Vertiefungen verbie^:Lviidcn Scnich: teile eine regelmäßig geformte, in sieb, zusammenhängende Widerstandsstruktur bilden.

Be; der Herstellung von Mini.Viurvviders'.i-.ndcr! wird e::ie Vergrößerung des Verhältnisses von Lünz·: zu Br---:ie einer Widerstandsschicht durch ύ'<: uauiii¹. verbundenen technologischen Süiwieriük-iiien, immer f-.inere Widerstandsstrukturcn etwa durch Foto-StZUiV-; herzustellen, begrenzt. Die Aufgabe der vor liegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren de,-c-inii ip.-'s genannten Art zu schaffen, mit dem sich bei befriedigendem Temperaturkoefftzienten des elektrischen Widerstandes in einfacher Weise ein sehr hohe Widerstandswert erzielen läßt.

Di-'se Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelösl. daß zunächst die Widerstandsschicht ruh derart ii-vr Stärke aufgebracht wird, daß die Widerstandsschicht einen negativen Temperaiurkoeifizier·- 'en des elektrischen Widerstandes aufweist und die Widerstandsschicht oberhalb der Erhebungen geringere Schichtstärke als oberhalb der Verl::^fungen hat. und daß dann in unregelmäßiger Weise die Wkiustandsschicht an den Erhebungen abgerieben wird, so daß sich, verbunden mit einer Erhöhung de·- Widerstandswertes, eine Verringerung des Betrages des negativen Teinperaturkoeffhienten der W derstandsschicht ergibt

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in außer»! einfacher Weise durchführbar; in vielen Fällen wird eine Bearbeitung des Trägerkörpers nicht erforderlich sein, wenn dieser bereits d'«> gewünschte Rauhigkeit aufweist, ferner ist der darauffolgende Abtragvorgang auf vielerlei Weise durchführbar und mit keinerlei Präzisionsanforderungen belastet. Wegen der äußerst hohen erzielbaren Widerstandswerte können Widerstandselernente auch für Miniaturschaltungen hergestellt werden, ohne daß dazu ein kompliziert herzustellendes Verhältnis von I änge zu Breite des Widerstandselements erforderlich ist. Da nach dem Abtragvorgang überwiegend nur noch die dickeren stabileren Teile der Widerstandsschicht übrigbleiben, wird auch eine befriedigende zeitliche Stabilität des Widerstandswertes erreicht.

Ausführungsbeispicle zeigen die nachfolgenden Figuren, und zwar:

F i g. 1 einen bei einem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten, im wesentlichen gleichmäßig glatten Trägerkörper,

Fig. 2 eine Oberflächenbehandlung des Trägerkörpers von Fig. 1,

Fig. 3 den Trägerkörper nach erfolgter Oberflächenbehandlung,

Fig. 4 den Trägerkörper von Fig. 3 mit darauf aufgebrachter Widerstandsschicht,

Fig. 5 das Abschleifen der Oberfläche der Anordnung von F i g. 4,

Fig. 6 und 7 das bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhaltene Widerstandselement mit im wesentlichen gleichmäßiger Oberfläche,

Fig. 8 einen bei einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Trägerkörper mit ungleichmäßiger Oberflächenrauhigkeit,

Fig. 9 den Trägerkörper von Fig. 8 mit darauf aufgebrachter Widerstandsschicht, ^ ig. 10 den Abschlcifvorgang an der Anordnung, \on Fi g. y und

I" i g. 11 und 12 Ansichten des nach dem Verfahien der Fig. 8 bis 10 erhaltenen Widerstandselements.

Der Trägerkörper 10 von Fig. 1 besteht aus einem geeigneten dielektrischen Material wie Keramik. Glas od. dgl. Die Oberfläche des Trägerkörpers 10 ist gleichmäßig glatt, um eine genaue Bearbeitung ι·· desselben zu ermöglichen und eine Gleichmäßigkeit der elektrischen Eigenschaften der darauf herzustellenden Widerstandsschicht zu gewährleisten. Es kann sich beispielsweise um einen Mikroskop-Objektträger mit einer Oberflächenbearbeitung handeln, die einem mit einem Profilmeßgerät gemessenen Wert von 2,5 χ lO-'tnra entspricht.

Bevor das Widerstandsmaterial aufgebracht wird, wird der Trägerkörper 10 gemäß Fig. 2 behandelt. Eine rotierende Bürste 11 bewirkt eine Aufrauhung der Oberfläche des Trägerkörpers 10 mittels eines Schmirgelbreis 12. Dabei wird die Bürste 11 in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers 10 bewegt, so daß sich eine gleichmäßige Aufrauhunc ergibt. Als Schmirgelbrei ist z. B. Aluminiumoxidbrei benutzt worden, wobei an einem als Glas bestehenden Objektträger eine Oberflächenrauhigkeit von 250 - 10 «mm erzielt wurde. Andere geeignete Aufrauhungsmethoden sind Sandstrahlverfahren oder chemische Behandlungen.

Gemäß F i g. 3 besteht die solchermaßen aufgerauhte Oberfläche des Trägerkörpers 10 aus kleinen spitzen Erhebungen 13 und dazwischen befindlichen Vertiefungen 14 in gleichmäßiger Anordnung, wobei F i g. 3 eine stark übertriebene Darstellung ist. Die in dieser Weise vorbehandelte Oberfläche des Trägerkörpers 10 wird dann gemäß Fig. 4 mit einer dünnen Widerstandsschicht 15 überragen, was beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Aufsprühen erfolgen kann. Die Widerstandsschicht 15 kann aus einem bekannten Widerstandsmaterial bestehen, wie beispielsweise aus Chrom, Zinnoxid, Nickel-Chromlegierungen, Nickel, Chiomsilikonoxid od. dgl. Es ist zu beachten, daß das Widerstandsmaterial die Neigung hat, die zwischen den Erhebungen 13 befindlichen Vertiefungen auszufüllen, so daß die Widerstandsschicht 15 eine ungleichmäßige Stärke hat. Diejenigen Teile der Widerstandsschtchtl5, welche den Vertiefungen entsprechen und dicker sind, haben einen stärker positiven Temperaturkoeftvienten des Widerstandes als diejenigen Teile, welche den Erhebungen entsprechen und einen hochnegativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes haben. Diese Eigenschaften werden dazu benutzt, um Widerstandselemente hohen Widerstandswertes und guter Temperaturkonstanz herzustellen.

Gemäß Fig. 5 w>rd dann die Widerstandsschicht 15 durch ein Schleifrad 17 einem Abschleifprozeß unterworfen, wobei das Rad 17 in Richtung der gezeigten Pfeile bewegt wird. Das Rad 17 kann aus Radiergummimaterial oder aus anderen weichen Schleifmaterialien bestehen. Durch diese Bearbeitung wird Widerstandsmaterial an den Erhebungen entfernt, so daß die dünneren Stellen der Wider-65 Standsschicht 15 beseitigt werden. Es wird dadurch der Gesamtwiderstand der Widerstandsschicht 15 erhöht, und der Temperaturkoeffizient wird weniger negativ gemacht. Die Oberflächenbehandlung der

Widerstandsschicht 15 kann auch chemisch erfolgen, indem sie beispielsweise mit einem aus Wolle bestehenden, in Salzsäure getauchten Bausch abgerieben wird oder in ein geeignetes Lösungsmittel, beispielsweise Salzsäure,, getaucht wird, so daß die dünneren Teile der Widerstandsschicht 15 weggelöst werden.

Gemäß F i g. 6 und 7 weist das so erhaltene Widerstandselement Rippen 18 auf, die den durch die Radienvirkung des Rades 17 entfernten Teilen der so Widerstandsschicht 15, welche sich vorher überhalb der Erhebungen 13 befanden, entsprechen und theoretisch Stellen unendlich hohen Widerstandes bilden. Die stärkeren Stellen der Widerstandsschicht 15, welche in den Vertiefungen 14 verbleiben, haben einen geringeren negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, und der Flächenwiderstand der Durchlöcherungen aufweisenden Widerslandsschic!it 15, gemessen an einem genügend großen quadratischen Schichtelement, ist im wesentliehen konstant über diese ganze Schicht. Diese Gleichmäßigkeit geht auf die im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschriebene Vorbehandlung zurück, welche einen Trägerkörper 10 von im wesentlichen gleichmäßiger Rauhigkeit erzeugt. Ein derartiges Widerstandselement ist besonders bei Mikroschaltgeräten verwendbar.

Der Trägerkörper 20 von F i g. 8 besteht aus einem geeigneten Isoliermaterial wie Keramik, Glas, Kunststoff od. dgl. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Trägerkörper nicht eine feinbehandelte Oberfläche; vielmehr ist in diesem Fall der rauhe Zustand der Oberfläche erwünscht. Der Trägerkörper 20 hat kleine spitze Erhebungen 21 und kleine Verliefungen 22, die in Fig. 8 in stark übertriebener Ilohe dargestellt sind. Obwohl die Rauhigkeit und die Gleichmäßigkeit derselben nicht kritisch ist, so ist doch eine Rauhigkeit von etwa 125 χ 10° mm bis 450 y 10 "mm vorzuziehen. Wie Fig. 9 zeigt, hat das Widerstandsmaterial der dann aufgebrachten Widerstandsschicht 25 die Neigung, die Vertiefungen 22 auszufüllen, und daher ergibt sich eine ungleichmäßige Dicke der Widerstandsschicht 25. Diejenigen Teile der Widerstandsschicht 25, welche den F.hebungen des Trägerkörpers 20 entsprechen, sind in bezug auf diejenigen Stellen angehoben, welche den Vertiefungen 22 entsprechen. In dieser Phase der Herstellung soll der gesamte Temperaturkoeffizient der Widerstandsschicht 25 negativ sein. Es ist anzunehmen, daß diejenigen Teile der Schicht 25. welche den Erhebungen entsprechen, einen stärkeren negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes haben als diejenigen Stellen, welche den Vertiefungen entsprechen. Die Entfernung der Stellen der Schicht 25 mit stark negativem Temperaturkoeffizienten hat dann die folgenden beiden Effekte zur Folge: Es wird der resultierende Temperaturkoeffizient der Widerstandsschicht 25 weniger negativ, und der Widerstandswert der Widerstandsschicht 25 wird vergrößert.

Zur selektiven Entfernung von Teilen der Widerslandsschicht 25 wird dann gemäß Fig. 10 der Abradierkörper 28 auf der Oberfläche der Widerstandsschicht 25 hin- und herbewegt, wodurch Widerstandsmaterial insbesondere an den erhabenen Stellen entfernt wird und die gewünschten Änderungen in bezug auf eine Widerstandserhöhung und günstigere Werte des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes erzielt werden.

Fig. 11 und 12 zeigen das solchermaßen hergestellte Widerstandselement. Die den Erhebungen 21 entsprechenden Stellen haben einen theoretisch unendlich hohen Widerstand. Gemäß Fig. 12 ist eine unterbrochene Widerstandsschicht entstanden, wobei die dickeren Schichtteile in den Vertiefungen 22 insgesamt einen weniger stark negativen oder sogar positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes bedingen.

In der beschriebenen Weise ist die Herstellung außerordentlich hoher Widerstandswerte mit geringem Aufwand möglich. Es ist nur erforderlich, von einer Widerstandsschicht 25 mit insgesamt negativem Temperaturkoeffizienten auszugehen und durch Abradieren bzw. Abschleifen den gewünschten Widerstandswert einzustellen, der dabei durch ein Ohmmeter angezeigt werden kann. Dabei wird der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes verbessert. Auf diese Weise ist es möglich, ohne Änderung von Länge zu Breite eine Widerslandsschicht mit einem Widerstandswert von 5000 Ω, die aus einer Chromschicht mit einem auf ein quadratisches Schichtclement genügender Größe bezogenen FliiL'henwiderstand von 4000 Ω hergestellt worden ist, auf einen-Widerstandswert von 10M!„> zu bringen. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß den Fig. 8 bis 12 sind die Gleichmäßigkeit der Widerr.tandsschicht sowie die Oberflächenbearbeitung des Tragkörpers nicht kritisch. Jedoch zeigte «sich, daß beim Abreiben des Widerstandsmaterials bei solchen Widerstandssdiichten, die auf Trägerkörpern einer Rauhigkeit von 125 ^v 10° mm aufgebracht wurden, ein größerer Druck angewendet werden mußte als bei Widerstandsschichten, die auf Oberflächen größerer Rauhigkeit von 300 bis 380 χ 10 «mm aufgebracht wurden.

Bei einem bevorzugten Ausfühning^cbeispiel wurde folgendermaßen verfahren Ein Keramikstreifen, bestehend aus 99°/« Aluminiumoxid und 1 ⁿ\. Magnesium, der bis KH)O⁰C temperaturbeständig war, wurde als Trätierkörper verwendet. Dieser Trägcrkiirpcr wurde in einem Vakuum von 10 ■"· Torr auf eine Temperatur von 350° C erhitzt und aus einem Wolframschiffchen während einer Zeitdauer /wischen 1 und 5 Minuten mit Chrom bedampft. Die Vakuumkammer wurde dann abgekühlt und bei etwa 100 C belüftet. Nach Abkühlung auf Zimmertemperatur wurde der elektrische Widerstand der Chromschicht mittels eines Ohmmeters gemessen. Während die Chromschicht noch mit dem Ohmmeter verbunden war, wurde sie mittels eines normalen Radiergummi:; abradiert. Dieses Abradieren wurde fortgesetzt und dabei kontinuierlich der elektrische Widerstand beobachtet. Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der Chromschicht war vor dem Abradieren stark nesativ und wurde dann mit zunehmendem Widerstandswert erheblich weniger negativ.

Widerstandsekmcnte mit Widerstandswerten im Megohmbereich wurden nach dem erfindunosgcmäßcn" Verfahren mit einer Flächengrößc von etwa 1 cm² hergestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

J 490 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselements, bestehend aus einer auf einem isolierenden, mit Vertiefungen und spitzen Erhebungen versehenen Trägerkörper aufgebrachten metallischen Widerstandsschicht mit einem unterhalb des Sollwertes liegenden Widerstandswert, mit teilweiser Entfernung der Wider-Standsschicht zwecks Einstellung der Widerstandseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Widerstandsschicht (15, 25) mit derartiger Stärke aufgebracht wird, daß die Widerstandsschicht (15,25) einen n^ativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und die Widerstandsschicht (15,25) oberhalb der Erhebungen (13,21) geringere Schichtstärke als oberhalb der Vertiefungen (14,22) hat, und daß dann in unrege!- mäßiger Weise die Widerstandsschicht (15,25) an den Erhebungen abgerieben wird, so daß sich, verbunden mit einer Erhöhung des Widerstands wertes, eine Verringerung des Betrages des negativen Temperaturkoeffizienten der Widerstandsschicht (15,25) ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (i5, 25) aus Chrom, Zinnoxid, einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus Nickel-Chrom-Siliciumoxid besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Trägerkörper (10,20) zu 99% aus Aluminiumoxid und zu 1⁰Zo aus Magnesium besteht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise Entfernung der Widerstandsschicht (15, 25) durch mechanischen Abrieb erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise Entfernung der Widerstandsschicht (15,25) durch chemische Ätzung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) gleichmäßig aufgerauht ist (Fig. 3).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit des Trägerkörpers (20) ungefähr 125 bis 450 V 10 «mm beträgt(Fig. 8).

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit des Trägerkörpers (10) vor der Aufrauhung 2,5 χ 10 "mm beträgt (F ig. 1).