DE1540167B2 - Cermet-Widerstandsschicht für ein Potentiometer - Google Patents
Cermet-Widerstandsschicht für ein PotentiometerInfo
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Description
ohmige Potentiometer hergestellt werden. Wie gefunden wurde, zeichnen sich ferner Potentiometer mit
erfindungsgemäß ausgebildeter Widerstandsschicht durch ein ungewöhnlich niedriges Rauschen bei Verstellung
des Schleifers (Drehgeräusch) aus. Im Vergleich zu den bekannten Glas-Edelmetall-Widerstandsschichten
sind die Abriebfestigkeit der Schicht und die Langzeitkonstanz bei hoher thermischerBeanspruchung
wesentlich verbessert.
Das eindiffundierte Edelmetall ist wegen der guten ia
Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit hervorragender elektrischer Leitfähigkeit vorzugsweise Gold.
Die Widerstandsschicht kann als Dünnschicht mit einer maximalen Dicke von ingefähr 1 μπι ausgebildet
sein. Sie eignet sich in dieser Form besonders für Miniaturpotentiometer.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Widerstandsschicht auf eine Berylliumoxid-Sintermasse
aufgedampft. Bekanntlich (deutsche Patentschrift 1 085 261) ist eine solche Trägermasse elektrisch ao
gut isolierend, während sie eine Wärmeleitfähigkeit hat, die mindestens derjenigen von Aluminium entspricht.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Cermet-Widerstandsschicht kann zweckmäßig in der Weise
erfolgen, daß auf einen isolierenden Träger eine aus Siliziumoxid und Chrom bestehende Widerstandsschicht
im Vakuum schnell aufgedampft, anschließend ebenfalls im Vakuum auf diese Widerstandsschicht
eine im Vergleich dazu dünne Edelmetallschicht aufgedampft und die Anordnung dann einer Wärmebehandlung
unterworfen wird, welche das Edelmetall unter Ausbildung von untereinander nicht zusammenhängenden
Brücken zwischen der Widerstandsschicht und der Kontaktfläche des Potentiometerschleifers
in mindestens den Oberflächenbereich der Widerstandsschicht eindiffundieren läßt.
Die Aufdampfung der Widerstandsschicht kann von einer einzigen Verdampfungsquelle aus erfolgen, der
eine feinpulverisierte Mischung der Cermetkomponenten zugeführt wird. Statt dessen können auch zwei
Verdampfungsquellen vorgesehen sein, von denen die eine Chrom und die andere Siliziumoxid, z. B. SiIiziummonoxid,
ausströmt. Das verdampfte- Material wird auf einem Träger aus Glas oder einer keramischen
Unterlage, vorzugsweise Berylliumoxid, kondensiert. Um die Haftung der Widerstandsschicht auf dem Träger
zu verbessern, wird der Träger während der Aufdampfung zweckmäßig auf erhöhter Temperatur
gehalten, die bis zu 350 bis 400° C betragen kann.
Die durch Aufdampfen von Chrom und Siliziumoxid erhaltene Schicht dürfte leitende Phasen von
Chrom, Chromsilizid und Chromoxid (letzteres mit verhältnismäßig hohem spezifischem elektrischem
Widerstand) in Verbindung mit isolierenden Einlagerungen oder Zwischenschichten umfassen, die
unter anderem Siliziummonoxid, Siliziumdioxid und Chromsilikat enthalten.
Da es vorkommen kann, daß sich leitende Bestandteile an der Oberfläche der Widerstandsschicht, z. B.
Chrom und Chromsilizid, während des späteren Betriebs des Potentiometers in nicht oder schlecht
leitende Phasen umwandeln und sich damit der Bahnwiderstand sowie der Kontaktwiderstand zwischen
Widerstandsschicht und Schleifer nachträglich ändern, kann in an sich bekannter Weise' eine künstliche
Alterung erfolgen, indem die Cermet-Widerstandsschicht vor dem Aufdampfen der Edelmetallschicht
einer Wärmezwischenbehandlung zur Oxydation leitender Oberflächenteile unterworfen wird. Auf diese
Weise werden die Widerstandswerte über die gesamte Lebensdauer des Potentiometers weitgehend stabil.
Der durch die Alterung an sich erhöhte Kontaktwiderstand wird durch die Edelmetalleindiffusion hinreichend
klein gehalten.
Der Wert des Bahnwiderstands kann durch die Schichtdicke, das gegenseitige Verhältnis der Cermetbestandteile,
die Auf dampf bedingungen, z. B. die Temperatur des Trägers, und die Bedingungen der
Wärmezwischenbehandlung beeinflußt werden.
Die auf die Cermet-Widerstandsschicht aufgedampfte, elektrisch gut leitende Edelmetallschicht
würde als zusammenhängende Schicht die Widerstandsbahn zwischen den Bahnendkontakten kurzschließen.
Dieser Kurzschluß wird jedoch durch die an das Aufdampfen der Edelmetallschicht anschließende,
die Bildung nicht zusammenhängender Edelmetallbrücken bewirkende Wärmebehandlung aufgehoben.
Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise als Vakuumglühen; sie wird im Falle von Gold bei
ungefähr 400 bis 600° C durchgeführt.
Die jeweils zweckmäßigste Menge des für die Brückenbildung aufzudampfenden Edelmetalls kann
durch Vergleichsversuche leicht ermittelt werden. Als rohe Grenzwerte können gelten, daß die Edelmetallmenge
ausreichen muß, um den Kontaktwiderstand zwischen Widerstandsschicht und Schleifer auf mindestens
±10% konstant zu halten und einen Betrag nicht überschreiten soll, bei welchem der gesamte
Bahnwiderstand um mehr als 60% abgesenkt wird.
Beispielsweise wurde auf einem vorgealterten Chrom-Siliziumoxid-Film
mit einer Schichtdicke von 0,2 μΐη eine Goldschicht von 10 μπα Dicke mittels Vakuumverdampfung
aufgebracht. Die Anordnung wurde dann im Vakuum 1 Stunde lang auf 550°C gehalten.
Die dabei erhaltenen Kennwerte der Widerstandsschicht sind in der untenstehenden Tabelle den entsprechenden
Werten einer im übrigen gleichen Widerstandsschicht ohne eindiffundiertes Gold gegenübergestellt.
Ohne Goldbehandlung
1. Flächenwiderstand
2. Bahnwiderstand
zwischen den Bahnendkontakten
zwischen den Bahnendkontakten
3. Rauschen bei Schleiferverstellung von 30U/min
a) Schleiferdruck 5g..
b) Schleiferdruck 15 g
4. Abnutzung
Max. Anzahl von Schleiferumdrehungen bei einem Rauschpegel von
0,1 mV/V bei Schleiferverstellung
0,1 mV/V bei Schleiferverstellung
500 Ohm/
Quadrat
Quadrat
6350 Ohm
bis zu 1 V/V
0,1 mV/V
0,1 mV/V
12 000
Mit Goldbehandlung
235 Ohm/ Quadrat
2985 Ohm
0,1 mV/V 0,1 mV/V
über 20000
Claims (7)
1. Cermet-Widerstandsschicht für ein Potentio- riebfestigkeit solcher Schichten ist aber verhältnismäßig
meter, die auf einen isolierenden Träger auf- 5 klein. Außerdem ist es schwierig, wenn nicht unmöggebracht
ist und außer dem keramischen Bestand- lieh, mit den bekannten Schichten hochohmige
teil mindestens zwei verschiedene Metalle, von Miniaturpotentiometer herzustellen.
denen eines ein Edelmetall oder eine Edelmetall- Daneben ist es bekannt (Transactions 8th Vacuum
legierung ist, enthält, dadurch gekenn- Symposium, 1961, S. 905 bis 911), als Widerstands-
zeichnet, daß in den Oberflächenbereich der io schicht von Schichtwiderständen Cermetfilme aus
aus Siliziumoxid als keramischem Anteil und aus Siliziumoxid und Chrom zu verwenden. Solche
Chrom als metallischem Anteil bestehenden Wider- Schichten zeichnen sich durch hohe Stabilität, große
Standsschicht das Edelmetall oder die Edelmetall- Belastbarkeit und gute Reproduzierbarkeit der elek-
legierung eindiffundiert ist und dort untereinander trischen und mechanischen Eigenschaften aus. Ihre
nicht zusammenhängende Brücken zwischen der 15 Oberflächenstruktur machte sie jedoch für Potentio-
Widerstandsschicht und der Kontaktfläche des meter ungeeignet. Infolge der Mischstruktur aus
Potentiometerschleifers bildet. elektrisch leitenden und schlecht oder nicht leitenden
2. Cermet-Widerstandsschicht nach Anspruch 1, Phasen ist insbesondere der Kontakt zwischen Widerdadurch
gekennzeichnet, daß das eindiffundierte Standsschicht und Schleifer des Potentiometers proble-Edelmetall
Gold ist. 20 matisch. Es kann vorkommen, daß die Kontaktfläche
3. Cermet-Widerstandsschicht nach Anspruch 1 des Schleifers in einer bestimmten Schleifei stellung
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider- auf übeiwiegend schlecht oder nicht leitende Schicht-Standsschicht
als Dünnschicht mit einer maximalen bestandteile zu stehen kommt, während in anderen
Dicke von ungefähr 1 μπα ausgebildet ist. Schleiferstellungen die Schleiferkontaktfläche an einem
4. Cermet-Widerstandsschicht nach einem der 25 besser leitenden Schichtbereich anliegt. Dies würde bei
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- einer Verwendung der bekannten Siliziumoxid-Chromnet,
daß die Widerstandsschicht auf eine Beryllium- Cermetfilme als Widerstandsschicht von Potentiooxid-Sintermasse
aufgedampft ist. metern erhebliche Schwankungen des Kontaktwider-
5. Verfahren zur Herstellung einer Cermet- Standes an der Treffstelle von Widerstandsschicht und
Widerstandsschicht nach einem der Ansprüche 1 30 Schleifer bedingen. Es würde zu regellosen, nicht
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen reproduzierbaren Abweichungen zwischen der Istisolierenden
Träger eine aus Siliziumoxid und Kennlinie und der Soll-Kennlinie des Potentiometers
Chrom bestehende Widerstandsschicht im Vakuum kommen. Bei Miniaturpotentiometern mit sehr kleinen
schnell aufgedampft, anschließend ebenfalls im Schleiferkontaktflächen würden diese Schwierigkeiten
Vakuum auf diese Widerstandsschicht eine im 35 besonders stark in Erscheinung treten. Die Konstanz
Vergleich dazu dünne Edelmetallschicht auf- des Kontaktwiderstandes zwischen Widerstandsschicht
gedampft und die Anordnung dann einer Wärme- und Schleifer kann zwar durch einen hohen Schleiferbehandlung
unterworfen wird, welche das Edel- druck verbessert werden. Diese Maßnahme führt aber
metall unter Ausbildung von untereinander nicht zwangläufig zu großer mechanischer Abnutzung,
zusammenhängenden Brücken zwischen der Wider- 40 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Standsschicht und der Kontaktfläche des Potentio- Cermet-Widerstandsschicht für ein Potentiometer so meterschleifers in mindestens dem Oberflächen- auszubilden, daß bei mäßigem Kontaktdruck des bereich der Widerstandsschicht eindiffundieren läßt. Schleifers ein möglichst gleichbleibender Kontakt-
zusammenhängenden Brücken zwischen der Wider- 40 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Standsschicht und der Kontaktfläche des Potentio- Cermet-Widerstandsschicht für ein Potentiometer so meterschleifers in mindestens dem Oberflächen- auszubilden, daß bei mäßigem Kontaktdruck des bereich der Widerstandsschicht eindiffundieren läßt. Schleifers ein möglichst gleichbleibender Kontakt-
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn- widerstand und gute Reproduzierbarkeit der Einstellzeichnet,
daß die Wärmebehandlung als Vakuum- 45 werte bei gleichzeitiger guter Langzeitkonstanz der
glühen bei einer Temperatur von ungefähr 400 bis Widerstandsschicht bei hoher thermischer Bean-6000C
erfolgt. spruchung gewährleistet sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch . Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gegekennzeichnet,
daß die Widerstandsschicht vor löst, daß in den Oberflächenbereich der aus Siliziumdem
Aufdampfen der Edelmetallschicht einer 50 oxid als keramischem Anteil und aus Chrom als
Wärmezwischenbehandlung zur Oxydation leiten- metallischem Anteil bestehenden Widerstandsschicht
der Oberflächenteile unterworfen wird. das Edelmetall oder die Edelmetallegierung eindiffundiert
ist und dort untereinander nicht zusammenhängende Brücken zwischen der Widerstands-
— 55 schicht und der Kontaktfläche des Potentiometerschleifers
bildet. Die Edelmetallbrücken erhöhen die statistische Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein
Die Erfindung betrifft eine Cermet-Widerstands- von elektrisch gut leitenden Verbindungen zwischen
schicht für ein Potentiometer, die auf einen iso- Schleifer und Widerstandsschicht in jeder beliebigen
lierenden Träger aufgebracht ist und außer dem 60 Schleiferstellung. Der Kontaktwiderstand wird daher
keramischen Bestandteil mindestens zwei verschiedene auf wirksame Weise weitgehend konstant gehalten und
Metalle, von denen eines ein Edelmetall oder eine verglichen mit der Verwendung bekannter Silizium-
Edelmetallegierung ist, enthält. oxid-Chrom-Cermetschichten insgesamt stark herab-
Bekannte Widerstandsschichten dieser Art (USA.- gesetzt, was ebenfalls erwünscht ist. Demgegenüber
Patentschrift 3 149 002) bestehen aus einer geschmol- 65 wird der Bahnwiderstand selbst, d. h. der von End-
zenen Mischung aus einem keramischen Glas, ins- kontakt zu Endkontakt gemessene Widerstand der
besondere Blei-Borsilikatglas, und einem oder mehreren Widerstandsschicht nur verhältnismäßig wenig beein-
Edelmetallen. Als metallische Komponente sind dabei flußt. Es können daher, ohne weiteres auch hoch-
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1970
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