DE1648210C - Indirekt beheizter Thermistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen indirekt beheizten Thermistor mit einem Thermistorelement aus einem Germaniumeinkristall und s.iit einer Isolierschicht.

Bekannte Thermistoren enthalten Thermistorelemente, die aus einer Mischung von Oxyden der Metalle Mangan, Nickel, Kobalt, Kupfer, Eisen, Magnesium und Titan hergestellt sind, die bei hoher Temperatur gebrannt werden.

Diese Thermistoren habe;, jedoch folgende Nachteile: Die Eigenschaften der Thermistorelemente ändern sich in sehr großem i mfang mit der Korngröße, der Reinheit, den Mischungsbedingungen der Oxyde, der Dichte des Pulvers bei der Formung, der Brenntemperatur und deren Verlauf. Der Herstellungsprozeß erfordert eine sehr hohe Genauigkeit.

Es ist des weiteren ein Thermometer bekannt, das ein Germaniumeinkristall enthält, das mit Gallium dotiert und teilweise mit Antimon in solchen Mengen kompensiert ist, daß sich der Thermometerwiderstand genau mit der Temperatur in den Bereichen von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Helium und weniger stark in dem Zwischenbereich ändert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen indirekt beheizten Thermistor zu schaffen, der über einen großen Bereich temperaturunabhängig ist, ohne daß seine Hochfrequenzeigenschaften beeinträchtigt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der Germaniumeinkristall einen aus einem dünnen, metallischen, durch Aufdampfen niedergeschlagenen Film gebildeten Heizleiter enthält und daß der Germaniumeinkristall einen spezifischen Widerstand von 15 bis 60 Ohm cm bei einer Temperatur von 25° C aufweist, daß der Germaniumeinkristall durch den Heizleiter auf Temperaturen über etwa 80° C erhitzt ist und daß die den Germaniumeinkristall von dem Heizleiter trennende Isolierschicht ein dünner durch Aufdampfen niedergeschlagener Film ist.

Der Germaniumeinkristall hat vorzugsweise einen derartigen Gehalt an Verunreinigungen, daß die Temperaturabhängigkeit seines spezifischen Widerstandes mit dem Temperaturverhalten eines reinen Germaniumeinkristalls im Bereich der Arbeitstemneratur übereinstimmt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, in der zeigt

Fig. 1 den Temperaturverlauf des spezifischen Widerstandes eines Gennaniumeinkristalls bei ver-S schiedenem Gehalt an Antimon,

Fig. 2 einen Thermistorkörper als Ausführungsform der Erfindung im Schnitt und von oben,

Fig.3 einen Thermistorkörper mit üiner Befestigung aus adiabatischem Glas in einem geschlossenen

ίο Metallgehäuse,

Fig. 4 die Abhängigkeit zwischen elekrischer Heizleistung und Temperatur bei einem Thermistor, der entsprechend'einer Ausführungsform der Erfindung in ein Metallgehäuse eingeschlossen ist,

Fig. 5 die Frequenzabhängigkeit der Impedanz des Thermistorelementes des Thermistors,

Fig. 6 die Frequenzabhängigkeit eier Verzerrungen dritten Grades bei diesem Thermistorelenvnt und

»o F i g. 7 die Abhängigkeit des Thermistorwiderstandes vom Heizstrom bei einer Ausführungsform der Erfindung.

In dem Diagramm der Fig. 1 sind auf der horizontalen Achse die Temperatur T ['C] und auf

as der vertikalen Achse der spezifische Widerstand R\ [Ω-cm] aufgetragen. Gezeichnet sind die Kennlin η von reinem Germanium und Germanium mit einer Konzentration der Verunreinigungen von 5-10'-. ΙΟ«, 6 ■ 10", 10», 3 · ΙΟ", iqis und 2 · 10'\ Das Temperaturverhalten von Germanium, bei dem die Konzentration von Antimonverunreinigungen unter 10¹⁴ liegt, ist bei Raumtemperatur von 25⁰C in Übereinstimmung mit dem Temperaturverhalten von reinem Germanium bei einer Temperatur, die höher als der untere Grenzbereich im höchsten Temperaturbereich liegt, in dem normalerweise Thermistoren verwendet werden, nämlich ?■ eispielsweise bei 80° C. Somit läßt sich ein Thermistor mit gleichbleibender Thermistorkonstante und gleichbleibendem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes unter Verwendung von Germanium mit einer Konzentration der Verunreinigung unter 10¹⁴ erhalten. Gleichzeitig beträgt die Thermistorkonstante 4300° K, was der Aktivierungsenergie von reinem Germanium entspricht.

Die Thermistorkonstante B kann folgendermaßen dargestellt werden:

R₁-= Rf exp B

(A J_\

Dabei sind R₁ und R₂ Widerstandswerte [Ω] bei absoluten Temperaturwerten T₁ und T₂ in [⁰K]. F i g. 2 zeigt den Thermistorkörper mit einem Substrat, welches aus einem Germaniumeinkristall besteht, der Elektrode des Thermistorelements, einer Isolierschicht, einer Widerstandsschicht und einer Elektrode der Widerständsschicht, die auf dem Substrat durch Bedampfung angebracht ist. F i g. 2 (a) stellt einen Schnitt längs der LinieX-X' in Fig. 2(b) dar. Letztere zeigt eine Aufsicht. Bei der praktischen Herstellung werden eine Anzahl von Thermistorkörpern aus einem Germaniumsubstrat gebildet und nach der Bedampfung in unabhängige Einheiten durch eine Schneideinrichtung, beispielsweise eine Diamantsäge, zerschnitten. Im vorliegenden Fall ist jedoch zur Vereinfachung lediglich eine einzige Einheit beschrieben.

Zunächst wird ein Substrat aus Germanium mit durch Bedampfung angebracht, wie in F i g. 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 F i g. 2 nicht stein Nr. 6UO poliert und danach mit Ultraschall dargestellt. Der Widerstandswert des Widerstands-10 Minuten lang in Trichloräthylen gereinigt. Darauf io leiters zur indirekten Beheizung des Thermistorerfolgt eine Trocknung von 10 Mimten 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 F i g. 2 mit 1 bezeichnet. Diese Schicht Siliziummonoxyd angelagert, um die Stabili-PiIIe 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 bildendei Körper, der aus pille niedergeschlagen. Die Elektrode 2 des Thev- einem großen Halbleitersubstrat herausgeschnitten mis.orelements wird durch Aufbringung einer Gold- ist, soll ferner zum Schutz gegen Verunreinigungen Antimon-Legierung hergestellt, bei welcher sich das 20 hermetisch abgeschlossen weiden. Hierzu wird ein Verhältnis von Gold zu Antimon gewi .htsmäßig wie indirekt geheizter Thermistor in der gleichen Weise 99,5 :0,5 verhält, wenn die Bedampfungsquelle be- hermetisch eingeschlossen, wie dies bei der Hersieltrachtet wird. Dabei dient eine Metallmaske zur hing von Transistoren üblich ist. Es gibt erschiedene 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- schon 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 r.-.it 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 iner 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 F i g. 4. In diesem Diagramm ist auf schicht. Diese Isolierschicht 3 isoliert die Germa- der horizontalen Achse die verbrauchte elektrische niurnpille, 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 Flächt direkt mit dem Fuß verlötet ist, und beschriebenen Ausiührungsform 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 Bedampfungsquelh, wobei das Halbleiter- Fig. 5 zeigt die Frequenzabhängigkeit im Hauptsubstrat auf -;iner Temperatui von 200⁰C gehalten arbeitsbereich (120 bis 130⁰C) eines indirekt ge-'vird. Die Widerstandsschicht 4 erhält eine Länge heizten The-mistors als Ausführungsbeispiel der Ervon 0,1 mm, eine Breite von 0,5 mm und eine Dicke findung. Auf der waagerechten Achse ist die Meßvon 80 πΐμ 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 überliegende.i Elektroden auf dsm 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 Mr.'erial' mit größerem spezifischem F i g. 6 zeigt die Frequenzabhängigkeit des KHrr-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 Λ 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 Hochfrequcnzverhalten.

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 /_w in mA und auf der vertikalen Achse der Thermistor widerstand R_B in Ω aufgetragen. Die Kurven e und stellen die Kennlinien von Thermistoren mit einen Widerstand von 540 und 580 Ω bei 25° C dar. Ov Widerstandswerte der indirekten Heizleiter sind da bei 153 und 160 Ω. Der Heizstrom beträgt, wie au dem Diagramm ersichtlich, 17 mA, wenn der Ex pansionsfaktor konstant wird, der durch das Ver hältnis aus einer kleinen Stromänderung AI zu de ίο Widerstandsänderung AR ausgedrückt wird. Die entspricht einer Heiztemperatur von etwa 80° C Die größtmögliche Obergrenze des Heizstrombe reiches beim Gebrauch dieses Thermistors betrüg 32 mA.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

2812

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Indirekt geheizter Thermistor mit einem Thermistorelement aus einem Germaniumeinkristall und mit einer Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß er einen aus einem dünnen, metallischen, durch Aufdr rupfen niedergeschlagenen Film gebildeten Heizleiter enthält und daß der Germaniumeinkristall einen spezifischen Widerstand von 15 bis 60 Ohm-cm bei einer Temperatur von 25° C aufweist, daß der Germaniumkristall durch den Heizleiter auf Temperaturen über etwa 80° C erhitzt ist und daß die den Germaniumeinkristall von dem Heizleiter trennende Isolierschicht ein dünner durch Aufdampfen niedergeschlagener Film ist.