DE1590870B2

DE1590870B2 - Elektrischer Präzisionswiderstand

Info

Publication number: DE1590870B2
Application number: DE1590870A
Authority: DE
Inventors: Branin A. Malvern Boyd; Felix Villanova Zandmann
Original assignee: Vishay Instruments Inc Malvern Pa (vsta)
Current assignee: Vishay Instruments Inc Malvern Pa (vsta)
Priority date: 1965-05-04
Filing date: 1966-01-10
Publication date: 1975-04-03
Also published as: NL6602248A; DE1590870A1; US3405381A; FR1464998A; GB1132562A; DE1590870C3

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Präzisionswiderstand gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Widerstand dieser Art ist durch die OE-PS 73 754 bekannt. Dort ist der Metallfilm auf einer nichtleitenden Unterlage, z. B. Glas, aufgebracht. Der Metallfilm besteht aus einer Gold-Platin-Legierung. Der erhaltene Widerstand weist einen Temperaturkoeffizienten von 0,028 auf.

Durch das DT-Gbm 18 68 376 ist ein Widerstand bekannt, bei dem ein keramischer Trägerkörper auf einer oder beiden Seiten eine mäanderartig durch Aufdampfen, Aufspritzen oder Siebdruck aufgebrachte Widerstandsschicht trägt, die durch einen geschlossenen Überzug aus Kunstharz geschützt und gegen den Außenraum elektrisch isoliert ist. Auch dort sind keine Maßnahmen,zur Kompensation der voneinander abweichenden Temperatur- bzw. Ausdehnungskoeffizienten von Widerstandsschicht, Trägerkörper und Überzug getroffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

ίο Präzisionswiderstand der eingangs, genannten Art mit einem möglichst kleinen Widerstandstemperaturkoeffizienten zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Widerstand nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der F i g. 1,
F i g. 3 einen vergrößerten Querschnitt, welcher den in F i g. 2 eingekreisten Abschnitt mit mehr Einzelheiten zeigt,

F i g. 4 eine vergrößerte Teilansicht, welche schematisch ein Verfahren zur Abgleichung der Widerstandsbahn zeigt, und

F i g. 5 und 6 in schaubildlichen Ansichten unter Wegbrechung von Teilen bzw. in einer Schnittansicht einen gekapselten Widerstand nach der Erfindung.

Bei der in F i g. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Widerstands besitzt dieser eine Unterlage 11, auf welcher ein Metallfilm 12 befestigt ist, in welchem der Widerstand durch ein geätztes Muster gebildet wird. Überzüge 13 und 14 aus einem harten Epoxyharz sind auf die Widerstandsfläche und die entgegengesetzte Fläche der Unterlage aufgebracht. Die beiden einander gegenüberliegenden Epoxyüberzüge sind so ausgebildet, daß eine geschichtete Anordnung entsteht, welche sich bei Temperaturänderungen oder einer Aufnahme von Feuchtigkeit durch die Überzüge weder verbiegt noch wirft.

Die Unterlage 11 kann aus Glas mit einem Ausdehnungstemperaturkoeffizienten in der Größen-Ordnung von 5,4 ■ 10~⁶ je Celsiusgrad bestehen. Bei einem derartigen Widerstand kann z. B. die Unterlage 11 die Abmessungen 6,35 χ 6,35 mm mit einer Dicke von 1,02 mm haben.

Der Metallfilm 12 kann aus einer Widerstandslegierung bestehen, z. B. Chromnickellegierung, in welcher Nickel und Chrom die Hauptmetalle bilden. Dieser Film kann größenordnungsmäßig eine Dicke von 0,254 ■ ΙΟ-² mm haben.

Dieser Metallfilm 12 wird fotografisch zu einem Muster geätzt, welches einen schmalen leitenden Weg ergibt, dessen Gesamtlänge erheblich größer als die Abmessungen der Seiten der Unterlage 11 ist. Diese Bearbeitung kann vorgenommen werden, nachdem der Film an der Unterlage durch eine darunterliegende Kunst-Stoffschicht 13' (F i g. 3) befestigt wurde, oder auch nach der Befestigung des Metallfilms auf der Kunststoffschicht 13', jedoch vor seiner Befestigung auf der Unterlage 11. Zur Vornahme der fotografischen Ätzung wird die der Schicht 13' abgewandte Seite des dünnen Legierungsfilms mit einem lichtempfindlichen Abdeckmittel überzogen. Durch fotografische Belichtung und Entwicklung wird das lichtempfindliche Abdeckmittel an der Oberfläche des Films nur in dem

gewünschten Widerstandsmuster zurückgehalten, während es an den Abschnitten entfernt wird, an welchen der Legierungsfilm weggeätzt werden soll. Es wird dann ein Ätzverfahren benutzt, um die belichteten Abschnitte des dünnen Legierungsfilms zu entfernen.

Ein Muster für den Film nach der Ätzung ist in F i g. 1 dargestellt. Die Anschlüsse der biegsamen Leiter 15 und 20 sind bei 16 und 17 gezeigt. Diese Anschlüsse können Schweißstellen mit einem verstärkenden Epoxyauftrag sein. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Muster ist ein Weg mit einem sehr geringen Widerstand zwischen diesen beiden Anschlüssen vorhanden, welcher längs der linken Seite, über den oberen Teil und nach abwärts auf der rechten Seite des Films 12 verläuft. Durch Verlängerung des langen schmalen Zwischenraums 18 längs der gestrichelten Linie 18' bis zu der oberen Kante des Films durch Durchschneiden mit einem Reißwerkzeug oder einem feinen Schaber muß der Strom über die schmalen linearen Wegabschnitte 19 und 21 fließen. Durch die Verlängerung des nächsten schmalen Zwischenraums 22 bis zu der oberen Kante des Musters durch Ritzen längs der gestrichelten Linie 22' wird der Stromweg noch weiter ver-' längert, da er außerdem über die schmalen linearen Abschnitte 23 und 24 verläuft. Mittels dieses Verfahrens können beliebig viele lange schmale Abschnitte in den Stromweg zwischen den Anschlußflächen 16 und 17 eingeschaltet werden. Um eine große Zahl der langen schmalen, den Abschnitten 19, 21, 23 und 24 gleichen Abschnitte in den Stromweg einzuschalten, kann offenbar ein Schnitt in der Querrichtung über mehrere Zwischenräume der bei 18 und 22 gezeigten Art in der Nähe ihrer Enden geführt werden.

Wie auf der rechten Seiten der F i g. 1 dargestellt, kann das Muster, gemäß welchem der Film belichtet und geätzt wurde, mehrere breitere Abschnitte und kürzere Abschnitte enthalten, so daß der Bearbeiter den gewünschten Widerstandswert dadurch herstellen kann, daß er in den Stromweg die erforderliche Zahl der kleinen Zusatzwiderstände einschaltet. Beispiele für derartige breitere und kürzere Abschnitte in dem Filmmuster für verschiedene Werte der Zusatzwiderstände sind bei 27,28,29,31,32 und 33 dargestellt.

Nachdem der Legierungsfilm gemäß dem gewünsch- \ ten Muster geätzt und auf eine Fläche der Unterlage 11 mittels der Kunststoffschicht 13' aus Epoxyharz aufgeklebt wurde, wird eine weitere Teilschicht 13 aus Epoxyharz aufgebracht, welche die Oberfläche des Metallfilms überzieht. Dies erfolgt vor der Abgleichung des Widerstands durch die oben erläuterten Schnitte. F i g. 4 zeigt die Teilschichten 13, 13', zwischen denen der Metallfilm 12 eingebettet ist. Wenn der Schnitt durch die äußere Kunststoffschicht 13 und wenigstens zum Teil durch den Legierungsfilm 12 entweder mittels eines Griffels 25 oder eines Schabers od. dgl. geführt wird, hält der Kunststoff den Film 12 längs der Ränder des Schnitts in seiner Stellung und verhindert jede Ablösung des Films von der Unterlage.

Der die Schichten 13 und 13' umfassende Epoxyharzschutzüberzug kann eine Gesamtdicke von 2,54 · 10~² mm haben. Auf die Rückseite der Unterlage 11 wird ebenfalls ein Epoxyharzüberzug 14 aufgebracht. Die Epoxyharzüberzüge 13,13' und der rückseitige Epoxyharzüberzug 14 haben gleiche Dicke und gleiche Eigenschaften, damit sich die von ihnen auf die flachen Flächen der Glasunterlage ausgeübten Beanspruchungen ausgleichen und kein Verbiegen oder Werfen derselben erzeugen. Gleichzeitig mit dieser Unterdrückung eines Verbiegens wird jede Tendenz einer Unstabilität der Abmessungen auf lange Sicht infolge der Auslösung von Spannungen verhindert. Gegebenenfalls kann das gleiche Ergebnis durch Überzüge aus Materialien mit verschiedenen Eigenschaften erzielt werden, vorausgesetzt, daß ihre Dicken entsprechend bemessen sind.

Die Glasunterlage hat einen Ausdehnungstemperaturkoeffizienten in der Größenordnung von 5,4 · 10-⁶ je Celsiusgrad. Die Überzüge 13, 13' und 14 aus Epoxyharz oder einem anderen Kunststoff auf der Vorderseite und Rückseite der Glasunterlage haben einen erheblich höheren Ausdehnungstemperaturkoeffizienten in der Größenordnung von 72 · 10~⁶ je Celsiusgrad. Ferner sucht sich der Epoxyharzüberzug bei einer Veränderung seines Feuchtigkeitsgehalts auszudehnen oder zusammenzuziehen. Die gleichartige Aufbringung des Überzugs aus Epoxyharz oder einem anderen Kunststoff auf beiden Seiten verhindert die Erzeugung eines Verbiegens des Widerstandselements.

Der Elastizitätsmodul der Glasunterlage beträgt ein Vielfaches des Moduls des Epoxyharzes. Die Ausdehnung und die Zusammenziehung der Anordnung der Länge und der Breite nach sind daher hauptsächlich durch den Ausdehnungstemperaturkoeffizienten des Glases bestimmt. Da die Gesamtdicke der Epoxyharzschichten bei der beschriebenen Ausführungsform größenordnungsmäßig V20 der Dicke der Glasunterlage und der Elastizitätsmodul des Epoxyharzes größenordnungsmäßig '/30 des Elastizitätsmoduls der Glasunterlage beträgt, wird die Neigung des Epoxyharzes, sich mit der Temperatur zehnmal mehr als das Glas auszudehnen, durch die relativ geringe Dicke der Epoxyharzschicht und seinen erheblich kleineren Elastizitätsmodul verhältnismäßig klein gemacht.

Der Widerstandslegierungsfilm, welcher gemäß seinem bestimmten Muster geätzt und an der Glasunterlage befestigt ist, übt, da seine Dicke größenordnungsmäßig Vioo bis V1000 der Dicke des Glases beträgt, einen äußerst geringen Einfluß auf die Empfindlichkeit der Abmessungen der Anordnung für Temperaturänderungen und Feuchtigkeit aus. Die Änderung des Widerstands des schließlich zwischen den Anschlüssen 16 und 17 bestimmten Weges wird durch folgende Faktoren beeinflußt:

a) den Widerstandstemperaturkoeffizienten der Legierung, aus welchem der zu einem Muster geformte Metallfilm besteht;

b') die Verlängerung und Verschmälerung und somit die Zunahme des Widerstands des Legierungsfilms infolge der Ausdehnung der symmetrisch überzogenen Unterlage mit der Zunahme der Temperatur (und umgekehrt die Zusammendrückung und Verbreiterung der Legierungsschicht bei einer Zusammenziehung der symmetrisch überzogenen Unterlage bei abnehmender Temperatur);
b") die Änderung des Widerstands in Funktion der Beanspruchungen, welche in dem Legierungsfilm auftreten, wenn sich die symmetrisch überzogene Unterlage bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht.

Die obigen Faktoren b' und b" stellen offenbar die resultierende Wirkung der in der Unterlage und in den Überzügen derselben erzeugten Kräfte dar.

Durch Auswahl einer Chromnickellegierung mit geringen Zusätzen, welche die gewünschte Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Temperatur und einen gewünschten Ausdehnungstemperaturkoeffi-

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zienten erzeugen, kann man es erreichen, daß der Widerstand einen Temperaturkoeffizienten von nur 1 ■ 10~⁶ je Celsiusgrad in der Nähe einer gewünschten Betriebstemperatur von z. B. 25° C und auch einen geringen Temperaturkoeffizienten in einem Bereich von — 55 bis +175° C hat. Im allgemeinen hat eine hauptsächlich aus Nickel und Chrom bestehende Legierung einen größeren Ausdehnungstemperaturkoeffizienten als die Glasunterlage. Dadurch daß bei zunehmender Temperatur die Glasunterlage den Metallfilm mitnimmt, erfährt der Film eine Druckbeanspruchung. Umgekehrt, wenn sich die Glasunterlage bei abnehmender Temperatur zusammenzieht und der Metallfilm eine größere Zusammenziehung erfährt, wird der Film einer Zugbeanspruchung unterworfen.

Wenn die Änderung des Widerstands infolge der sich ändernden Beanspruchung in dem Metallfilm und der Widerstandsänderung infolge der Ausdehnung oder Zusammenziehung des Films im wesentlichen entgegengesetzt gleich sind, ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands im wesentlichen gleich null.

Für die meisten Anwendungen ist es zweckmäßig, den Präzisionswiderstand zu verkapseln. Wie in F i g. 5 und 6 dargestellt, kann der erfindungsgemäße Widerstand in einem Gehäuse 36 aus Kunststoff oder Metall verkapselt werden, welches ein geeignetes Füllmaterial oder Füllmaterialien enthält, in welches ein oder mehrere Widerstände der obigen Art eingebettet werden. Um die Widerstandseinheit gegen mechanische Kräfte zu schützen, welche von dem Füllmaterial oder durch dieses hindurch ausgeübt werden, ist die Widerstandseinheit mit einem nachgiebigen Polster 37 aus weichem Gummipolyurethanschaum oder einem anderen sehr weichen Material umhüllt. Ein derartiges Polster kann allein zur Ausfüllung des Innenraums des die überzogene Unterlage umgebenden Gehäuses 36 benutzt werden, wenn dies gewünscht wird. Das Polster 37 kann jedoch auch von einem harten Füllmaterial 38 umgeben werden, z. B. einem Epoxyharz. Das Polster 37, dessen Dicke vorzugsweise ein Vielfaches der Dicke der Epoxyharzschichten auf der Unterlage beträgt, dient als Schutzkissen infolge seines sehr niedrigen Elastizitätsmoduls.

Wie in F i g. 5 und 6 dargestellt, gehen die biegsamen bandförmigen Leiter 15 und 20 von dem Widerstandselement zu Klemmen 39 und 41. Infolge des Polsters 37 und der biegsamen Leiter 15 und 20 sind die Änderungen der Abmessungen des erhärteten Füllmaterials, welche größenordnungsmäßig das Fünf- bis Zehnfache der Änderungen der Abmessungen der Widerstandseinheit selbst betragen können, isoliert und verhindern, eine Abweichung der Kenngrößen des Widerstands von ihrem Sollwert zu erzwingen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Präzisionswiderstand mit einer starren Unterlage und einem darauf aufgebrachten, dünnen, aus einer Metallegierung bestehenden Film in Form einer gewundenen Leiterbahn, wobei der Film auf seiner Unterlage derart befestigt ist, daß Wärmedehnungen der Unterlage auf den Film übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Films (12) Vioo bis Viooo der Dicke der Unterlage beträgt, daß die Hauptbestandteile der Legierung Nickel und Chrom sind und mehr als 90% des Metallgehaltes bilden und daß der Widerstandstemperaturkoeffizient der Legierung in dem Temperaturbereich von —50 bis ■+- 175° C so bemessen ist, daß sich die temperaturbedingte Änderung des spezifischen Widerstands des Films und die durch Wärmedehnungen der Unterlage und des Films hervorgerufene Widerstandsänderung des Films gegenseitig kompensieren.

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (12) in eine Kunststoffschicht (13, 13') eingebettet ist und daß die Rückseite der Unterlage (11) ebenfalls eine Kunststoffschicht (14) aufweist.

3. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (13, 13') auf der Vorderseite und die Kunststoffschicht (14) auf der Rückseite die gleiche Dicke und die gleichen Eigenschaften haben, wobei die Dicke größenordnungsmäßig das Zehnfache der Dicke des Films (12) beträgt.

4. Widerstand nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschichten (13, 13'; 14) aus Epoxyharz bestehen.

5. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Unterlage (11) ein Glaskörper ist, dessen Dicke zwischen 0,1 und 12,5 mm liegt.

6. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Unterlage (11) ein Metallkörper ist, auf dem der Film (12) durch die unmittelbar auf der Unterlage (11) aufgebrachte Teilschicht (13') isoliert befestigt ist.

7. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Gehäuse (36) angeordnet ist, welches die Unterlage (11) mit ihrem Film (12) und ihrer Kunststoffschicht (13, 13'; 14) umgibt, wobei das Gehäuse von der Unterlage durch Füllmittel (38) entfernt gehalten wird, welche ein nachgiebiges Polster (37) zwischen der Unterlage und dem Gehäuse bilden.