DE1648210B1 - Indirekt beheizter Thermistor - Google Patents

Description

ao Fig. 7 die Abhängigkeit des Thermistorwiderstandes vom Heizstrom bei einer Ausführungsform der Erfindung. · M

Die Erfindung betrifft einen indirekt beheizten In dem Diagramm der Fig. 1 sind auf der hori- ™

Thermistor mit einem Thermistorelement aus einem zontalen Achse die Temperatur T [° C] und auf Germaniumeinkristall und mit einer Isolierschicht, as der vertikalen Achse der spezifische Widerstandes Bekannte Thermistoren enthalten Thermistor- [Ω · cm] aufgetragen. Gezeichnet sind die Kennlinien elemente, die aus einer Mischung von Oxyden der von reinem Germanium und Germanium mit einer Metalle Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer, Eisen, Konzentration der Verunreinigungen von 5 · 10¹², Magnesium und Titan hergestellt sind, die bei hoher 10«, 6 · 10^ls, 10«, 3 ■ 10¹⁴, 10¹⁵ und 2 · 10¹⁵. Das Temperatur gebrannt werden. 30 Temperaturverhalten von Germanium, bei dem die

Diese Thermistoren haben jedoch folgende Nach- Konzentration von Antimonverunreinigungen unter teile: Die Eigenschaften der Thermistorelemente 10¹⁴ liegt, ist bei Raumtemperatur von 25° C in ändern, sich in sehr großem Umfang mit der Korn- Übereinstimmung mit dem Temperaturverhalten von größe, der Reinheit, den Mischungsbedingungen der reinem Germanium bei einer Temperatur, die höher Oxyde, der Dichte des Pulvers bei der Formung, der 35 als der untere Grenzbereich im höchsten Temperatur-Brenntemperatur und deren Verlauf. Der Herstel- bereich liegt, in dem normalerweise Thermistoren lungsprozeß erfordert eine sehr hohe Genauigkeit. verwendet werden, nämlich beispielsweise bei 80° C.

Es ist des weiteren ein Thermometer bekannt, das Somit läßt sich ein Thermistor mit gleichbleibender ein Germaniumeinkristall enthält, das mit Gallium Thermistorkonstante und gleichbleibendem Tempedotiert und teilweise mit Antimon in solchen Men- 40 raturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes gen kompensiert ist, ,daß sich der Thermometer- unter Verwendung von Germanium mit einer Konwiderstand genau mit der Temperatur in den Be- zentration der Verunreinigung unter 10¹⁴ erhalten, reichen von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Gleichzeitig beträgt die Thermistorkonstante 4300<° K, j Helium und weniger stark in dem Zwischenbereich was der Aktivierungsenergie von reinem Germanium " ändert. 45 entspricht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen indirekt be- Die Thermistorkonstante B kann folgendermaßen

heizten Thermistor zu schaffen, der über einen dargestellt werden:
großen Bereich temperaturunabhängig ist, ohne daß

seine Hochfrequenzeigenschaften beeinträchtigt wer- „ _ „ /_J_

den. ^H ■ .., . ■_. - . 50 A₁=A,-cap 2? (■£---

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung

vor, daß der Germaniumeinkristall einen aus einem Dabei sind R_t und R₂ Widerstandswerte [Ω] bei dünnen, metallischen, durch Aufdampfen niederge- absoluten Temperaturwerten T₁ und T₂ in [⁰K]. schlagenen Film gebildeten Heizleiter enthält und Fig. 2 zeigt den Thermistorkörper mit einem Subdaß der Germaniumeinkristall einen spezifischen 55 strat, welches aus einem Germaniumeinkristall beWiderstand von 15 bis 60 Ohm-cm bei einer Tem- steht, der Elektrode des Thermistorelements, einer peratur von 25° C aufweist, daß der Germanium- Isolierschicht, einer Widerstandsschicht und einer einkristall durch den Heizleiter auf Temperaturen Elektrode der Widerstandsschicht, die auf dem Subüber etwa 8O⁰C erhitzt ist und daß die den Germa- strat durch Bedampfung angebracht ist. Fig. 2(a) niumeinkristall von dem Heizleiter trennende Isolier- 60 stellt einen Schnitt längs der LinieX-X' in Fig. 2(b) schicht ein dünner durch Aufdampfen niedergeschla- dar. Letztere zeigt eine Aufsicht. Bei der praktischen gener Film ist. Herstellung werden eine Anzahl von Thermistor-

Der Germaniumeinkristall hat vorzugsweise einen körpern aus einem Germaniumsubstrat gebildet und

derartigen Gehalt an Verunreinigungen, daß die nach der Bedampfung in unabhängige Einheiten

Temperaturabhängigkeit seines spezifischen Wider- 65 durch eine Schneideinrichtung, beispielsweise eine

Standes mit dem Temperaturverhalten eines reinen Diamantsäge, zerschnitten. Im vorliegenden Fall ist

Germaniumeinkristalls im Bereich der Arbeits- jedoch zur Vereinfachung lediglich eine einzige Ein-

temperatur übereinstimmt. heit beschrieben.

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Zunächst wird ein Substrat aus Germanium mit durch Bedampfung angebracht, wie in Fig. 2(b) geeinem geeigneten Gehalt an Antimon als Verunreini- zeigt, um die Anschlüsse des Widerstandes 4 herzugung in nachstehender Weise vorbereitet. Ein Ger- stellen. Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt die maniumstab mit einer Antimonbeimengung von Stärke dieser Goldschicht 1 μ. Ferner wurde eine 5 · 10¹³ wird nach der Kristallziehmethode herge- 5 Chromschicht mit einer Stärke von 2 bis 300 Ω stellt, in bekannter Weise in Scheiben geschnitten durch Verdampfung angebracht, die als Grundlage und diese werden umhüllt. Als nächstes wird die für die Goldschicht zur besseren Haftfähigkeit des Oberfläche einer Scheibe mit einem Siliziumkarbid- Goldes dient. Diese Chromschicht ist in Fig. 2 nicht stein Nr. 600 poliert und danach mit Ultraschall dargestellt. Der Widerstandswert des Widerstands-10 Minuten lang in Trichlorethylen gereinigt. Darauf io leiters zur indirekten Beheizung des Thermistorerfolgt eine Trocknung von 10 Minuten bei einer elements beträgt dabei 200 Ω.
Temperatur von 80⁰C. Die auf diese Weise erhaltene Durch Bedampfung wird auf der Chrom-Nickel-Germaniumpille ist in Fig. 2 mit 1 bezeichnet. Diese Schicht Siliziummonoxyd angelagert, um die Stabili-Pille ist auf die Länge 1 mm, Breite 2 mm und Dicke tat der Chrom-Nickel-Widerstandsschicht bei hoher 0,25 mm zugeschnitten. 15 Temperatur zu sichern. In F i g. 2 ist diese Silizium-Verschiedene verdampfbare Stoffe werden durch monoxydschicht mit 6 bezeichnet.
Bedampfung auf der Oberfläche dieser Germanium- Ein den Thermistor bildender Körper, der aus pille niedergeschlagen. Die Elektrode 2 des Ther- einem großen Halbleitersubstrat herausgeschnitten mistorelements wird durch Aufbringung einer Gold- ist, soll ferner zum Schutz gegen Verunreinigungen Antimon-Legierung hergestellt, bei welcher sich das 20 hermetisch abgeschlossen werden. Hierzu wird ein Verhältnis von Gold zu Antimon gewichtsmäßig wie indirekt geheizter Thermistor in der gleichen Weise 99,5:0,5 verhält, wenn die Bedampfungsquelle be- hermetisch eingeschlossen, wie dies bei der Hersteltrachtet wird. Dabei dient eine Metallmaske zur lung von Transistoren üblich ist. Es gibt verschiedene Herstellung der Form der Elektroden, durch die der Arten, ein Halbleitersubstrat mit einem Fuß fest zu Grundwiderstand des Thermistors festgelegt ist. Der 25 verbinden und dabei die thermische Kopplung zwi-Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektro- sehen dem Substrat und dem Fuß gering zu halten, den beträgt 0,4 mm, der Grundwiderstand 36 Ω und F i g. 3 zeigt die Ansicht eines fest mit dem Fuß die Thermistorkonstante gleichbleibend 4300⁰K bei verbundenen Thermistorkörpers, wobei ein Glas mit dem in Rede stehenden Ausführungsbeispiel. niedrigem Arbeitspunkt zur Trennung des Ther-AIs nächstes erfolgt eine Umstellung der Bedamp- 30 mistorkörpers hinsichtlich der Wärmeübertragung fungseinrichtung von der Gold-Antimon-Legierung vorgesehen ist. In Fig. 3 ist eine Germaniumpille auf Siliziummonoxyd. Ein Siliziummonoxyd enthal- mit 1, ein Fuß mit 7, ein Gehäuse mit 8 sowie Antender Tiegel wird auf die Verdampfungstemperatur schlußdrähte zum äußeren Anschluß der Elektroden aufgeheizt und die in Fig. 2 mit 3 bezeichnete mit 9 und mit 10 ein adiabatisches Glasstück beSchicht hergestellt. Die Vakuumglocke des Bedamp- 35 zeichnet. Die Elektroden des indirekt geheizten fungsapparates erhält ein Vakuum von 3 bis Thermistors sind mit dünnen Metalldrähten 11 an 5 · 10-° Torr, und das Halbleitersubstrat bleibt da- die Zuleitungsdrähte 9 angeschlossen. Durch therbei auf einer Temperatur von 200° C, um die Haft- mische Trennung des Thermistorkörpers vom Fuß, fähigkeit des Isolators zu verbessern. Unter Zwi- wie oben beschrieben, läßt sich der Leistungsverlust schenschaltung einer anderen Metallmaske erfolgt 40 des Widerstandsleiters weitgehend verringern. Diese die Aufbringung einer 6 μ starken Siliziummonoxyd- Wirkung zeigt Fig. 4. In diesem Diagramm ist auf schicht. Diese Isolierschicht 3 isoliert die Germa- der horizontalen Achse die verbrauchte elektrische niumpille, welche das Thermistorelement enthält, Leistung P mw des Widerstandsleiters und auf der von der in Fig. 2 mit 4 bezeichneten Widerstands- senkrechten Achse die Temperatur Γ ⁰C aufgetragen, schicht. 45 Die Kurve α zeigt die Kennlinie eines Thermistor-Ais nächstes wird die Widerstandsschicht zur körpers, z. B. einer Germaniumpille, deren rückHeizung des Thermistorelements hergestellt. Bei der wärtige Fläche direkt mit dem Fuß verlötet ist, und beschriebenen Ausführungsform besteht die Wider- die Kurve b zeigt die Kennlinie eines Thermistorstandsschicht aus einer Chrom-Nickel-Legierung. körpers, der, wie in F i g. 3 dargestellt, mittels adi-Dementsprechend dient eine Chrom-Nickel-Legie- 50 abatischen Glases befestigt ist.

rung als Bedampfungsquelle, wobei das Halbleiter- F i g. 5 zeigt die Frequenzabhängigkeit im Hauptsubstrat auf einer Temperatur von 200⁰C gehalten arbeitsbereich (120 bis 13O⁰C) eines indirekt gewird. Die Widerstandsschicht 4 erhält eine Länge heizten Thermistors als Ausführungsbeispiel der Ervon 0,1 mm, eine Breite von 0,5 mm und eine Dicke findung. Auf der waagerechten Achse ist die Meßvon 80πΐμ mittels einer weiteren Metallmaske und 55 frequenz/ MHz aufgetragen, während die vertikale ist derart ausgebildet, daß sie zwischen den gegen- Achse den Impedanzwert ζ in Ω angibt. C bedeutet überliegenden Elektroden auf dem mittleren Teil des die Kennlinie eines ähnlichen Kohleschichtwider-Thermistorelements angebracht werden kann. Die Standes, und d zeigt die Kennlinie des beschriebenen Widerstandsschicht 4 läßt sich auch aus anderen Ausführungsbeispiels. Wie aus diesem Diagramm ermetallischen Stoffen herstellen. Wenn die Stärke der 60 sichtlich, ist das Frequenzverhalten eines indirekt durch Bedampfung aufgebrachten Schicht auf geheizten Thermistors nach der Erfindung so ausgeäußerst kleine Werte begrenzt werden muß und die zeichnet, daß es sich mit dem Verhalten eines Kohle-Reproduzierbarkeit der Schicht in Frage gestellt ist, Schichtwiderstandes deckt.

läßt sich ein Material mit größerem spezifischem F i g. 6 zeigt die Frequenzabhängigkeit des Klirr-

Widerstand, beispielsweise ein Halbleiter, verwenden, 65 faktors bei einem Thermistor nach der Erfindung,

so daß eine verhältnismäßig große Schichtdicke mög- Auf der vertikalen Achse ist die Klirrdämpfung A db

lieh wird. des Stromes der dritten Harmonischen gegenüber

Als nächstes werden die Goldelektroden 5, 5' dem Grundwellenstrom angegeben, wenn eine Hoch-

frequenzspannung dem Thermistorwiderstand zugeführt wird. Auf der horizontalen Achse ist die Meßfrequenz / MHz angegeben. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, betragen die Verzerrungen dritten Grades eines Thermistors gemäß der Erfindung einige Zehntausendstel in einem weiten Frequenzbereich. Somit besitzt der Thermistor ein ausgezeichnetes Hochfrequenzverhalten.

Die hervorragenden Eigenschaften des indirekt geheizten Thermistors nach der Erfindung sind auch aus Fig. 7 ersichtlich. Dieses Diagramm zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Heizstrom, der durch den Heizleiter fließt, und dem Thermistorwiderstand. Auf der horizontalen Achse ist der Heizstrom I_n in mA und auf der vertikalen Achse der Thermistorwiderstand R_B in Ω aufgetragen. Die Kurven e und / stellen die Kennlinien von Thermistoren mit einem Widerstand von 540 und 580 Ω bei 25° C dar. Die Widerstandswerte der indirekten Heizleiter sind dabei 153 und 160 Ω. Der Heizstrom beträgt, wie aus dem Diagramm ersichtlich, 17 mA, wenn der Expansionsfaktor konstant wird, der durch das Verhältnis aus einer kleinen Stromänderung ΔI zu der Widerstandsänderung AR ausgedrückt wird. Dies entspricht einer Heiztemperatur von etwa 80° C. Die größtmögliche Obergrenze des Heizstrombereiches beim Gebrauch dieses Thermistors beträgt 32 mA.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erPatentanspruch: läutert, in der zeigt

Fig. 1 den Temperaturverlauf des spezifischen

Indirekt geheizter Thermistor mit einem Ther- Widerstandes eines Germaniumeinkristalls bei vermistorelement aus einem Germaniumeinkristall 5 schiedenem Gehalt an Antimon,
und mit einer Isolierschicht, dadurch ge- Fig. 2 einen Thermistorkörper als Ausführungs-

kennzeichnet, daß er einen aus einem dün- form der Erfindung im Schnitt und von oben,
nen, metallischen, durch Aufdampfen niederge- Fig. 3 einen Thermistorkörper mit einer Befesti-

schlagenen Film gebildeten Heizleiter enthält gung aus adiabatischem Glas in einem geschlossenen und daß der Germaniumeinkristall einen spezi- io Metallgehäuse,

fischen Widerstand von 15 bis 60 Ohm-cm bei Fig. 4 die Abhängigkeit zwischen elektrischer

einer Temperatur von 25° C aufweist, daß der Heizleistung und Temperatur bei einem Thermistor, Gemaniumkristall durch den Heizleiter auf der entsprechend einer Ausführungsform der Erfin-Temperaturen über etwa 80⁰C erhitzt ist und dung in ein Metallgehäuse eingeschlossen ist,
daß die den Germaniumeinkristall von dem 15 Fig. 5 die Frequenzabhängigkeit der Impedanz Heizleiter trennende Isolierschicht ein dünner des Thermistorelementes des Thermistors,
durch Aufdampfen niedergeschlagener Film ist. Fig. 6 die Frequenzabhängigkeit der Verzerrun

gen dritten Grades bei diesem Thermistorelement und