DE1665040C3

DE1665040C3 - Cermet resistance layer for a potentiometer

Info

Publication number: DE1665040C3
Application number: DE19661665040
Authority: DE
Inventors: Donald Fulton Alexander Skye Inverness Mac Lachlan (Großbritannien)
Original assignee: Micro Electric AG
Current assignee: Micro Electric AG
Priority date: 1966-05-03
Filing date: 1966-05-03
Publication date: 1976-10-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Cermet-Widerstandsschicht für em Potentiometer, die auf einen isolierenden Trager aufgebracht ist und außer Siliciumoxid oder Chromoxid als keramischen Bestandteil mindestens zwei verschiedene Metalle enthalt, von denen eines ein Ede'metall oder eine Edelmetallegierung und das arde- .|o re Chrom. Silizium, eine Chrom-Silizium-Verbindung oder eine Chrom-Silizium-Legierung ist. wobei das Edelmetall oder die Edelmetallegicrung im Oberflächenbereich der Widerstandsschicht untereinander nicht zusammenhängende Brücken zwischen der Widerstandsschicht und der Kontaktfläche des Potentiometerschleifers bildet.The invention relates to a cermet resistor layer for em potentiometer, which is applied to an insulating support and except silicon oxide or Chromium oxide as a ceramic component contains at least two different metals, one of which is a Ede'metall or a precious metal alloy and the arde-. | O re chrome. Silicon, a chromium-silicon compound or a chromium-silicon alloy. where the Noble metal or the noble metal alloy in the surface area of the resistance layer with each other discontinuous bridges between the resistance layer and the contact surface of the potentiometer wiper forms.

Es wurde bereiis vorgeschlagen (DTPS 15 40 167). bei einer solchen Cermet-Widerstandsschicht das Edelmetall oder die Edelmetallegierung in den Oberflächenbereich der Widerstandsschicht einzudiffundieren. Dabei werden bei mäßigem Kontaktdruck des Schleifers des Potentiometers ein weitgehend gleichbleibender Kontaktwiderstand. eine gu:e Reproduzierbarkeit der Einstellwerte und eine gute Langzeitkonstanz selbst bei hoher thermischer Eleanspruchung erzielt. Die vorgeschlagenen Widerstandsschichten lassen jedoch insofern noch zu wünschen übrig, als ihre Herstellung verhältnismäßig aufwendig ist. Das Eindiffundieren des Edelmetalls oder der Edelmetallegierung in den Ober- <*> flächenbereich der aus keramischem und metallischem Anteil bestehenden Cermet-Widerstandsschicht erfordert nämlich ein mehrstufiges Herstellungsverfahren. Wird beispielsweise die Widerstandsschicht im Aufdampf-Verfahren hergestellt, müssen zunächst in zwei ^h^ aufeinanderfolgender) Verfahrensschritten die Cermet-Schicht als solche und dann eine im Vergleich dazu dünne Edelmetallschicht aufgedampft werden, worauf die Anordnung einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche das Edelmetall unter Ausbildung der untereinander nicht zusammenhängenden Brücken zwischen der Widerstandsschicht und der Kontaktfläche des Potentiometerschleifers in mindestens dem Oberflächenbereich der Widerstandsschicht eindiffundierenIt has already been proposed (DTPS 15 40 167). in the case of such a cermet resistance layer, the noble metal or the noble metal alloy to diffuse into the surface area of the resistance layer. With a moderate contact pressure of the wiper of the potentiometer, a largely constant contact resistance is achieved. A good reproducibility of the setting values and a good long-term constancy achieved even with high thermal stress. The proposed resistance layers, however, still leave something to be desired in that their production is relatively expensive. The diffusion of the noble metal or the noble metal alloy into the surface area of the cermet resistance layer consisting of ceramic and metallic components requires a multi-stage production process. For example, if the resistive layer manufactured in the vapor deposition process, must first two ^h ^ successive) steps of the cermet layer as such and then a thin compared to the noble metal layer to which the arrangement of a heat treatment is subjected to be evaporated, which the noble metal to form the unconnected bridges between the resistance layer and the contact surface of the potentiometer wiper diffuse in at least the surface area of the resistance layer

Daneben ist es bekannt (DT-AS 11 32 633). Leiier- oder Halbleiterteilchen, z. B. Teilchen aus Eisen, Kohlenstoff u. dgl., in Glasur- und Emaillezwischenschichten einzulagern, die als Bindermaterialien kristalliner Struktur auf hochschmelzende Tragkörper dünn aufgetragen sind. Dadurch sollen die Leiter- oder Halbleiterteilchen vor Oxydation geschützt werden. Eine auf diese Weise ausgebildete Schicht scheidet aber als Widerstandsschicht für ein Potentiometer von vornherein aus. da die leitenden Teilchen durchweg von nichtleitendem Material der Glasur- und Emaillezwischenschicht umgeben sind, so daß der Potentiometerschleifer auf einer elektrisch isolierenden Schichtoberfläche aufsitzen würde und dementsprechend der Kontaktwiderstand gegen unendlich ginge.It is also known (DT-AS 11 32 633). Lyrical or semiconductor particles, e.g. B. particles of iron, carbon and the like, in glaze and enamel interlayers to store, which as binder materials of crystalline structure applied thinly to high-melting support bodies are. This is intended to protect the conductor or semiconductor particles from oxidation. One on this However, a layer formed in this way separates from the start as a resistance layer for a potentiometer out. since the conductive particles consist entirely of non-conductive material of the glaze and enamel intermediate layer are surrounded, so that the potentiometer wiper on an electrically insulating layer surface would sit and, accordingly, the contact resistance would approach infinity.

Ferner ist eine Widerstandsschicht bekannt (gleichfalls DT-AS 11 32 633). die aus einer geschmolzenen Mischung aus Glas und einem Edelmetall mit höherem Schmelzpunkt als dem des Glases besteht. Die gerade bei Potentiometern wichtige Abriebfestigkeit solcher Schichten ist aber verhältnismäßig klein, so daß die Schichten als Widerstandsbahnen für Potentiometer nur bedingt geeignet sind.A resistance layer is also known (also DT-AS 11 32 633). those from a melted Mixture of glass and a noble metal with a higher melting point than that of the glass. Straight in potentiometers important abrasion resistance of such layers is relatively small, so that the Layers as resistance tracks for potentiometers are only suitable to a limited extent.

Des weiteren ist es bekannt (DT-AS 12 00 421), dünne Metall oder Metallegierungen enthaltende Widerstandsteilchen herzustellen, indem in einem evakuierten Gefäß Oxide von elektrisch isolierenden Elementen und Metallen bzw. Metallegierungen, nämlich die Kombinationen Chrom-Siliziumdioxid: AI-AIO2; Ni-MgO; Ni, Fe-Legierung-AI:O3 und Al-MgO unter Zufuhr von Sauerstoff auf erhitzte Widerstandsträger gleichzeitig aufgedampft werden. Dabei handelt es sich um metallische Schichtkomponenten, die ausschließlich aus unedlen Metallen bestehen. Bei derartigen Mischstrukturen ist der Kontakt zwischen Widerstandsschicht und Potentiometerschleifer problematisch. Es kann vorkommen, daß die Kontaktfläche des Schleifers in einer vorbestimmten Schleiferstellung auf überwiegend schlecht oder nichtleitende Schichtbestandteile zu stehen kommt, während die Schleiferkontaktfläche in anderen Schleiferstellungen an einem besser leitendem Schichtbereich anliegt. Dies würde bei Verwendung der bekannten Widerstandsfilme als Widerstandsschicht von Potentiometern erhebliche Schwankungen des Kontaktwiderstandes an der Treffstelle von Widerstandsschicht und Schleifer bedingen. Es würde zu regellosen, nicht reproduzierbaren Abweichungen zwischen der Ist-Kennlinie und der Soll-Kennlinie des Potentiometers kommen.It is also known (DT-AS 12 00 421) to contain resistive particles containing thin metal or metal alloys Manufacture by placing oxides of electrically insulating elements in an evacuated vessel and metals or metal alloys, namely the combinations of chromium-silicon dioxide: Al-AlO2; Ni-MgO; Ni, Fe alloy-Al: O3 and Al-MgO with the supply of oxygen on heated resistor carriers at the same time be vaporized. These are metallic layer components that are made exclusively from non-noble Metals. With such mixed structures, the contact is between the resistance layer and the potentiometer wiper problematic. It can happen that the contact surface of the grinder is in a predetermined Grinder to stand on predominantly poor or non-conductive layer components comes, while the wiper contact surface in other wiper positions on a more conductive layer area is applied. This would occur when using the known resistance films as the resistance layer of Potentiometers considerable fluctuations in the contact resistance at the point where the resistance layer meets and grinder condition. This would lead to random, non-reproducible deviations between the Actual characteristic curve and the nominal characteristic curve of the potentiometer come.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Cermet-Widerstandsschicht zu schaffen, bei der die Vorzüge der oben erwähnten vorgeschlagenen Widerstandsschicht, insbesondere niedriger, von der Schleiferstellung unabhängiger Kontaktwiderstand und gute Lang-/eitkonstanz des von Endkontakt zu Endkontakt gemessenen Schichtwiderstandes, beibehalten sind, die jedoch einfacher und damit kostensparender als die vorgeschlagene Widerstandsschicht aufgebaut werden kann.The invention is based on the object of a cermet resistance layer to create in which the advantages of the proposed resistive layer mentioned above, especially low contact resistance, which is independent of the wiper position, and good longevity constancy of the sheet resistance measured from end contact to end contact are retained, which however be constructed more simply and thus more cost-effectively than the proposed resistance layer can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Edelmetall oder die Edelmetallegierung imThis object is achieved in that the noble metal or the noble metal alloy in the

Inneren der WidersiahJsschiehi in gleicher Verteilung vorhanden ist wie im Oberflachenbereich der Widerstandsschicht. Eine derart aufgebaute Widerstandsschicht bedarf nicht der Eindiffusion von Edelmetall. Die bei der vorgeschlagenen Widerstandsschicht dafür erforderliche Verfahrenssiufe entfällt. Die Herstellungskosten sind entsprechend niedriger.Inside the contradictions in equal distribution is present as in the surface area of the resistance layer. A resistive layer constructed in this way does not require the diffusion of precious metal. The one for the proposed resistive layer required procedural stage is not applicable. The manufacturing cost are correspondingly lower.

Der Gehalt der Widerstandsschicht an Edelmetall beträgt vorzugsweise 1 bis 10 Gewichtsprozent.The noble metal content of the resistance layer is preferably 1 to 10 percent by weight.

Die Herstellung gestaltet sich besonders einfach, wenn entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung das Edelmetall oder die Edelmetallegierung zugleich mit den übrigen Bestandteilen der Wideisiandsschicht durch Aufdampfen auf den Träger aufgebracht wird.The production is particularly simple if in accordance with a further development of the invention the precious metal or the precious metal alloy at the same time as the other components of the Wideisiandsschicht is applied to the support by vapor deposition.

Es empfiehlt sich, als Edelmetall für die aufgedampfte Cermeischicht ein Metall zu wählen, das edler als Silber ist. Als eingebrachtes Edelmetall eignet sich wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit seiner hohen Leitfähigkeit besonders Gold. Dieses Metall ist wesentlich edler als Silber und wird daher im Betrieb z. B. von schwefelhaltigen Gasen nicht angegriffen.It is advisable to choose a metal as noble metal for the vapor-deposited Cermei layer that is more noble than Silver is. As an introduced precious metal, it is suitable because of its good corrosion resistance in combination especially gold with its high conductivity. This metal is and will be much more noble than silver therefore in operation z. B. not attacked by sulphurous gases.

Die Aufbringung der Widerstardsschicht kann von einer einzigen Quelle aus erfolgen, der eine feinpulverisierte Mischung aller Schichtkomponenten zugeführt wird. Statt dessen können auch zwei Quellen vorgesehen sein, von denen beispielsweise die eine den metallischen Bestandteil des Cermets, ζ. Β. Chrom, mit einem Zusatz an Edelmetall und die andere den keramischen oder keramikartigen Bestandteil, z. B. Siliziummonoxid, ausströmt.The application of the resistance layer can be done from a single source, which is a finely powdered source Mixture of all layer components is fed. Instead, two sources can also be provided be, of which, for example, one of the metallic components of the cermet, ζ. Β. Chrome, with one Addition of precious metal and the other the ceramic or ceramic-like component, e.g. B. silicon monoxide, emanates.

Für den Fall eines Chrom-Siliziumoxid Cermets nimmt man an, daß die erhaltene Widerslandsschicht leitende Phasen von Chrom. Silizium. Chromsilizid und Chromoxid (letzteres mit verhältr.ismäßig hohem spezifischem elektrischem Widerstand) in Verbindung mit isolierenden Einlagerungen oder Zwischenschichten umfaßt, die u. a. Siliziummonoxid. Sili/iumdioxid und Chromsilikate enthalten.In the case of a chromium-silicon oxide cermet, it is assumed that the opposite layer obtained conductive phases of chromium. Silicon. Chromium silicide and chromium oxide (the latter with a relatively high specific electrical resistance) in connection with insulating inclusions or intermediate layers includes, which i.a. Silicon monoxide. Silicon dioxide and Contains chromium silicates.

Da es vorkommen kann, daß sich leitende Bes'andteile an der Oberfläche der Widerstandsschicht. /.. B. Chrom und Chromsilizid, während des späteren Betriebes des Potentiometers in nicht oder schlecht leitende Phasen umwandeln und sich damit der Bahnwiderstand sowie der Kontaktwidersiand zwischen Bahn und ίο Schleifer nachträglich ändern, kann'in an sich bekannter Weise eine künstliche Alterung erfolgen, indem die Widerstandsschicht einer Wärmebehandlung zur Oxydation leitender Oberflächenteile unterworfen wird. Auf diese Weise werden die Widerstandswerte über die ganze Lebensdauer des Potentiometers weitgehend stabil.Since it can happen that conductive parts of sand are on the surface of the resistance layer. / .. B. Chromium and chromium silicide, during the later operation of the potentiometer, convert into non-conductive or poorly conductive phases and thus the rail resistance and the contact resistance between the web and the wiper subsequently change, artificial aging can take place in a manner known per se, by subjecting the resistance layer to a heat treatment to oxidize conductive surface parts. In this way, the resistance values are largely stable over the entire service life of the potentiometer.

Der Wert des Bahnwiderstandes kann durch dieThe value of the rail resistance can be determined by the

Schichtdicke, die Art und das gegenseitige Verhältnis der Schichtkomponenten, die Aufbringbedingungen,Layer thickness, the type and mutual relationship of the layer components, the application conditions,

z. B. die Temperatur des Trägers, und die Bedingungenz. B. the temperature of the support, and the conditions

der Wärmebehandlung beeinflußt werden.the heat treatment can be influenced.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung bei Miniaturpotentiometern, bei denen die Widerstandsschicb». als Dünnschicht, d. h. als Schicht mit einer Dicke von maximal 10 000 A, ausgebildet ist.The invention is of particular importance in miniature potentiometers, with whom the resistance shift ». as a thin layer, d. H. as a layer with a thickness of a maximum of 10,000 A.

Der Träger der Widerslandsschicht kann aus Glas oder einer keramischen Unterlage, vorzugsweise einer Berylliumoxid- oder Aluminiumoxid-Sintermasse, bestehen. Diese Träger sind elektrisch isolierend; die Berylliunioxid-Sintermasse weist zudem den Vorteil auf. daß ihre Wärmeleitfähigkeit noch über derjenigen von Aluminium liegt.The support of the opposing layer can be made of glass or a ceramic base, preferably a Beryllium oxide or aluminum oxide sintered mass exist. These carriers are electrically insulating; the beryllium dioxide sintered mass also has the advantage. that their thermal conductivity is still above that of Aluminum lies.

Um die Haftung der Widerstandsschicht auf dem Träger zu verbessern, wird der Träger während des js Aufbringens zweckmäßig auf erhöhter Temperatur gehalten, die bis zu 400⁰C betragen kann.In order to improve the adhesion of the resistive layer on the support, the support during the deposition js is suitably maintained at an elevated temperature which may be up to 400 ⁰ C.

Claims

Patent claims:

1. Cermet resistance layer for a potentiometer, which is applied to an insulating carrier and apart from silicon oxide or chromium oxide contains at least two different metals as a ceramic component, one of which is a Noble metal or a noble metal alloy and the other chromium, silicon, a chromium-silicon compound or a chromium-silicon alloy, the noble metal or the noble metal alloy in the surface area of the resistance layer! among themselves unrelated bridges between the resistance layer and the contact surface of the potentiometer wiper forms, thereby characterized in that the noble metal or the noble metal alloy is inside the resistance layer is present in the same distribution as in the surface area of the resistance layer.

2. Cermet resistance layer according to claim I. characterized in that the content of the resistance layer of precious metal is 1 to 10 percent by weight.

3. A method for producing a cermet resistance layer according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the noble metal or the noble metal alloy at the same time with the other components the resistance layer is applied to the carrier by vapor deposition.