DE1809363A1 - Schichtwiderstandselement - Google Patents

Description

Sohiohtwiclerstandeelen ent

Sie Erfindung betrifft ein Schichtwiderstandse]ament bestehend aus feinst verteilten, elektrisch leitenden Teilchen in einem elektrisch nicht leitenden Material, das nach bekannten Verfahren, vie z.B. Tauchen, Streichen, Spritzen, Walzen oder Drucken auf el ie elektrisch nicht leitende Oberfläche eines Trägers aufgetragen und mit elektrischen Anschlüssen versehen ist.

In der Elektrotechnik und Elektronik spielen Schichtwiderstände, die als Festwiderstände oder veränderbare Widerstände, wie z.B. Schicht-Dreh- oder Schiebewiderstände ausgebildet sein können, eira bedeutende Rolle. Diese Schiohtwiderstände bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, dan nach einem üblichen Verfahren, wie z.B. Spritzen oder Druoken, als Film auf die Oberfläche eines Trägere, a.B. Schiohtireßstoff oder Keramik, aufgebraoht ist. An diese Schichtwiderstand« werden Forderungen dahingehend geatellt, daß di· Änderung des Widerstandswer tee innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches einen gewi*a«n Wert nicht tberschreitet und daß weiterhin bei veränderbaren Schichtwideri tänden nach ainer bestimmten Anzahl von Bewegungen des Schleifkontaktes über den gesamten Betätigungsbereioh die Xnderung des Wideretandswertes innerhalb geforderter Grenzen bleibt. Abgesehen vor diesen geforderten, techi.isohen Eigenschaften miles an Schichtwideratandθ irfolge des großen Bedarfes zu geringen Preisen erhältlich sein» w&s au rationellen Herstellungsmethodei mit kostenieringen Materialien zwingt.

Schichtwiderstand« der eingangs betohriabenen /rt sind an sich bekannt. Sie bestehen aus einem Träger aus Schichtpreßstoff oder Keramik, auf dessen Oberfläche ein mit Kohlenstoff vornuhm] ioh in Form tron Ruß und/oder mit Metallen in feinst gemahlener Form gefüllte]-, war me tr ο okaander Lack nach den verschiedenstem Verfahren aufgebracht ist, Die Füllungta das Lackes lassen sich zur Erzielung gewünschter Widerstandewerte ändern. 3o verwendet man beispielsweise Metall· als Füllstoffe dort, wo niedrig· Widerstandewerto erwünscht •ind, während Kohlenstoff dort Verrendung findet, wo man hohe Widerstandswerte •rstrebt. Di« Trocknung und Aushärtung der auf den Träger aufgebrachten leitenden Lackschichten erfolgt bei r«lativ hohen Temperaturen in Tlookenöfen

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mit Konvektionstrooknürg. Die Wärmeübertragung geschieht dabei-mittele der Umluft, dadurch werden die Lacksicht uncl der Träger gleichmäßig, aber verhältnismäßig langsam atf geheizt, so daß Trockenzeiten bis zu 120 Minuten notwendig sind. Durch den lüLnsatz van Infrarot- oder TJitraviol.stt-Strahlungsofen kann die Trocknung und Aushärtung der Lackschicht stark beschleunigt werden. Dabei erfclgt die Energieübertragung durch Strahlung und die Lackschicht und der Trfeger kommen ii kürzerer Zeit als beim Aufheizen mit Umluft auf die erforderliche Temperatur. Die Aushärtungszeit wird dabei wesentlich verkürzt, allerdings werden dia Lackaohicht und der Träger auch stärker beansprucht, wobei durch Überhitzung eine Vereprödung und Blasenbildung der Lackschicht und des Trägers auftrat an können. Bei veränderbaren Sohichtwideretänden ist aber gerade eine sehr glatte und gleichförmige Oberfläche der Wideratandeschicht sowie ein günstiges Abriebverhalt.$n derselben erforderlich, ua su verhindern, daß der auf der Oberfläche gleitende Kontakt das Widerstandeelement zerstört. Davon ganz abgesehen können nur solche Trägermaterialien Verwendung finden, die den zum Aushärten der leitenden Lackschicht erforderlichen Temperaturen standhalten.

Weiterhin ist es auch bekannt, Schiohtwiderstände durch Auftragen einer viskosen Mischung bestehend aus ein3m flüchtigen flüssigen Träger, feinst gemahlenen Metallteilchen, Metalloiden und feinst vermahlenem Glas auf einen Träger und anschließendes Erhitzen auf eine Temperatur, die zwischen der Schmelztemperatur des Glases unl der Schmelztemperatur der Metalle und der Metalloxyde liegt, herzustellen. Nach diesem Verfahren hergestellte Schicht widerstände besitzen sehr gute Eigenschaften bezüglich der Konstanz des Widerstandewer tea und dee Abriebverhaltene, dooh sind Trägermaterialien mit einer sehr großen Temperaturfsstigkeit notwendig, ao daß diese Schichtwiderstandβ infolge ihres hoben Preises fast ausschließlich auf dem kommerziellen Gebiet der Elektrotechnik und Elektronik Verwendung finden·

Sohließlioh ist es auch bekannt, Sohlohtwiderstände daduroh hersusteilen,daß man auf geeignete Trägermaterialien, wie z.B. Glas oder Keramik« Edelmetallsonionton in Stärken von 10 Mb 10 ■ pm aufdampft. Da die hierzu in Frage kommenden Edelmetalle relativ gute elektrische Leiter sind und die Schichtdicke des aufgebrachten Films nicht beliebig Tariert werden kann, ist die Herstellung hoohohmiger Sohiohtwideretände nicht möglioh. Weiterhin ist die Lebensdauer von naoh diesem Verfahren hergestellten veränderbaren Sohicht-

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widerständen begrenzt, da der sehr dünne Metallfilm von dem auf ihm gleitenden Kontakt in 'erhältnismäi'.ig kurser Zeit durchgerieben wird.

Die Erfindung bat eioh die Aufgabe gestellt, ein Schiohtwiderstandselemant zu schaffen, bii den die auf die nicht leitende Oberfläche eines Trägers mit beliebigen Materialeigenschaften nach bekannten Verfahren aufgebrachte Widerständeβch Icht ohne Wärmeeinwirkung in aehr kurzer Zeit auahärtbar ist. Ebenso bejteht die Aufgabe, daß die Beimengung an elektrisch leitenden Teilchen zu lern elektrisch nicht leitenden Material in einem weiten Bereich variierbar ist, ua beliebige Wideretandawerte herstellen zu können. Weiterhin besteht die Aufgti.be, daß die Schichtwideretandselemente in vortrefflicher Weise für veränderbare Schichtwiderstände verwendbar sein sollen.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, für ein Schichtwiderstandeelement der eingangs geschilderten Art als elektrisch nicht leitendes Material durch Bestrahlen mit beispieleweise Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Elektronen, Neutronen, Protonen oder et-Teilchen alt einer Dosis im Bereich von 1 tie Megarad, vorzugsweise 2 bis 10 Megnrad vernetabare synthetische Polymere, wie z.B. Akrylmonomer-Polymer-Geaiuohe, A*krylpolyest«rharze_f ekrylisch modifizierte Epoxydharze, ungesättigte Polyesterharz·! *u verwenden.

Erfindungsgemäß wird vorgesehen, das durch Bestrahlung vernetzbare und elektrisch nicht leitende Material mit elektrisch leitenden Teilchen mit einer Volumenkonzentration von 15 bis 85 Prozent, vorzugsweise 25 bis 50 Prozent zu füllen. Die elektrisch leitenden Teilchen bestehen aus Kohlenstoff, vorzugsweise Azathylenruß oder aus Metallen, wie beispielsweise Kupfer, Chrom, Alumini im, Silber, Gold oder Legierungen dergleichen in gemahlener Form mit Korngrößen von 10 bis 100 /um.

Das durch Bestrahlung vernetzbare und elektrisch nicht leitende Material kann in einer Ausgestaltung der Erfindung neben den elektrisch leitenden Metallteilchen halbleitenäe Materiellen mit einer Leitfähigkeit im Bereich von 10" bis 10" .&" cm" in For« von feinst gemahlenen Metallverbindungen, wie beispielsweise Cadmiumsulfid, aieieulfld, Zinnoxyd, Antimonoxyd enthalten.

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In einer weiteren Ausgestaltung könnan dem elektrisch nicht leitenden Material neben den elektrieoh leitende:! und halbleitenden Teilchen Stoffe »it dihexagonal-hipyramidaler Kristallstruktur, wie z.B. Graphit, Molybdändisulfid, in eineiK Verhältnis von 1 bis 10 Volumenprosent des elektrisch nicht leitenden Materials toieomenft d«in.

./Äei fttr die B«retiftältui$ äs» 'jßofciehtwläeretandee verwendete elektrisch nicht- *letiend« Material dient in der Hauptsache zur Erhaltung der Lage der leitenden Teilchen dee 3¹UlIetoffee sueinander» Da der elektrische Widerstand des Schichtwiderstand«« von dem Eontakt der leitenden Teilchen untereinander in sehr starkes Maße abaftngt,-iat es erforderlich, daß das nicht leitende Material in eine« bestlamten Temperaturbereich eine sich nicht verändernde flfc Matrix bildet, ia der.die leitendem Teilchen eingebettet sind.

Weiterhin nuß das elektrisch nicht leitende Material auf den verschiedensten Trägerwerkstoffen sehr gut haften. Auch muß das elektrisch nicht leitende Material bei veränderbaren Sohichtwi!erständen Forderungen nach einer sehr glatten und abriebfester Oberfläche erfüllen, damit Störspannungen, die während der Fortbewegung des ortsveränderlichen Kontaktes auf äer Oberfläche des Schichtwideretandes zwischen dem Kontakt und der Widerstandsbahn auftreten und die von der Oberflächenstruktur, des Schichtwidere tandes beeinflußt werden,

■ einen bestimmten Pegel η loht Überschreiten*.

Bs hat sioh gezeigt, da£ die vorstehend genannten Forderungen in vortreff-

■ lieber Weise von duroh ϊ«strahlung vernetsbaren, synthetischen Polymeren, wie beispielsweise Akrylmonoaer-Polymer-lemisohe, Akryl-Polyeater-Harze, akrylisoh

P modifisierte Epoxydharze, ungesättigte Polyesterharze,,.erfüllt werden. Sie Ausgangsstoffe sind vornehmlich Verbindungen mit Doppelbindungen oder Dreifaohblndungen. Die Voraussetsungen f*ir die Ausbildung einer dreidimensionalen Vernetzung sind dann gegeben, wenn von swel monomeren Auagangaetoffen, einer mehr als zwei und der andere mindestens swei funktioneile Gruppen enthält. Bei dem duroh die Bestrahlung hervorgerufenen Polymerisations-Prozeß tritt duroh Aufspaltung der Dcppel- und Driifaohbindun^en eine Vernetzung ein,wobei sich mehrere oder viele Moleküle einsr Verbindung zu größeren Molekülen ohne Abspaltung eines Reakticnsproduktes zusammenschließen. Das duroh die Polymerisation entstehende Produkt hat die gLeiche prozentuelle Zusammensstsung wie 4er Ausgangsstoff, jedoch ein Vielfaches von dessen Molekulargewioht.

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Zur Durchführung der Yer letzung durch Polymerisation kann jede beliebige Strahlung verwendet werdsn, die eine ausreichende Ionisierung hervorzurufen vermag. Die Beetre llung kann m:.t Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Elektronen, Neutronen, Protonen und «/-Teilchen erfolgen. Im Falle von Elektronenstrahlen haben sich Strahlungepotentiale im Bereich von 0,1 bis 1,0 MeV, vorzugsweise 0,3 HeV aln geeignet erwiesen. "Pabei ist eine Strahlendosis, d.h. die *iner beetionten Menge material zügeführte Energie,

im Bereich von 1 bis 30 iegarad, vorzugsweise 2 bis 10 Megarad,£@oigaet. Ein Megarad ist definiert als 1 . 10^Π erg/g - 2,78 . 10 kWh/g. Die WaJhI des anzuwendenden Bastrahlungsenergiepegels und die Lage der Bestrahlungsquelle iür Oberfläche de· au bestrahlenden Materials hängen dabei von der Dick· des zu vernetzenden Überzuges ab. Die Filmdioke der _;Schichtwiderstandselemenie liegt etwa zwischen 10 und 50

.Die Bestrahlung der Schiihtwiderstanclselemente erfolgt vcrteilhafterweise mit einem Elektronenbesc ileuniger, bni dem die aus einer Glühwandel z.B. Wolfram austretenden Elektronen im Vakuum ein Hoohscannungafeld durohlaufen und dabei die gewünschte Energie im bereich von 0,1 bis 1,C MsV erhalten» **ie Elektronen-Strahlen rerden dann durch ein WecheelstrommagÄetsysteir abgelenkt und treten durch eine luftgekühlte Metallfolie aus dem evakuierten Besohleunigungs- und Ablenksystem auf. Die Sohtchtwiderstandseleinence werden auf einem Transportband nit einer zwf.schen 1 und 70 m/aiin einstellbaren Geschwindigkeit unter der Strahlung hindurohgeführt. Das Ablenksystem i?t dabei so eingestellt, daß ler Elektronenstrahl senkrecht zur Transportrichtung des Bandes abgelenkt wirl und mit einer Frequenz von ca. 200 Hz über die ^ Breite des Transportband»s geführt wird. Bei einem Strahlungepotential von 0,5 MeV und einem Entladlngestrom von 25 bA beträgt bei einer Strahlungsausbeute von 50 i» und einer Vorschubg»sohwindigkeit von 13,1 um bei einer Strahlablenkung von 0,6 m Breit·, die von d·· su vernetzenden Film absorbierte Dosie 5 Megarad. Durch Verändern der Vorschubgetcbwindigkeit bei sonst gleichen Werten kann die von dem FiIn absorbierte Dosis variiert werden. Diese beträgt da'nn beispielsweise bei 56 m/min 1 M«garad und bei 6,6 m/min 10 Megarad. Da die Eindringtiefe des El)ktron«nstrahlei von der Beschleunigungsspannung abhängig ist, muß das Strailungspotential der Diolce des zu vernetzenden Filmes angepaßt werden, womit a ich dit Möglichkeit gegeben ist, den Film nur bis su einer gewünschten Tiefe su vernetzen.

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Zur Erzielung der Leitfähigkeit sird den elektrisch nicht leitenden und duröh Strahlung vernet:.baren synthetisshsn Polymeren elektrisch Reitende Teilchen*in feinst -verteilter Form in einer Yolumenkonzentration von 15 bis 85 Prozent beigemengt. Die Volumenkonzentration der leitenden Füllstoffe richtet sich nach dem gewünschten spezifischen Widerstand des Filmes und ist abhängig von dem Leitwert der Füllstoffe. Als elektrisch leitende Füllstoffe kommen Meta" le, Legierungen derselben und nichtmetallische Leiter wie Kohlenetoff In Frege»

Der nichtmetallische PUl!stoff kann entweder Ruß sein, der durch thermische Aufspaltung von Kohletttaeseretoffen hergestellt wird oder feinverteilter Graphit. Beyer äugt wire Acetylenruß alt eine» Kohlenstoffgehalt von 99 <$> und einer spezifischen Oberfläche zwischen etwa 80 und 150m /g.

"ils metallische Leiter können Metalle, wie ss.B· Eisen, Kupfer₈ öhrosn, Aluminium, Silber, Gold \aA- Legierungen derselben verwendet werden. Die Metalle sind feinet gemahlen und haben eine Korngröße zwischen etwa 10 und 100 /am. Wegen der guten Leitfähigkeit ist Silber besonders geeignete Sus? Anwendung kommt ein feinkörnig verteiltes Pulver, wie es durch galvanische "öder chemisch* Fällungsmeth( den hergestellt wird. Das Pulver "besteht aus Teilchen, die vorherrschenc kristallin und unregelmäßig an Gestalt sind und die eine maximale Größe vot. ungefähr 1CO /am haben, wobei ungefähr 60 fo der Teilchen feiner als 50 /um 1 ind. Mit Silber als Füllstoff können bei einer Kon.-' zentration von etwa 85 $» spes. Widers tandswerte in der Größenordnung von etwa 10~⁴ OhB . ca erreicht werden. Weit weniger kostspielig ist die Verwendung von gefällte» Tupfer, gemahlenen Bronze-Legierungen und versilbertem Kupferpulver Bit Korngrößen «wischen 10 und 100 /um«

Um alt Metallpulvern gefüllte hoohohaige Schichtwiderstand® herzustellen, können des nicht leite? den Material neben den metallischen Füllstoffen halbleitend· Materialien alt einer Leitfähigkeit im Bereich von 10" bis 10" jQ." ca" in feinai verteilter Form mit Korngrößen zwischen 10 und 100 üb beigefügt werden. Hierzu geeignete Halbleiter sind vornehmlich Metalloxyde, wie z.B. S'nOg oder Sb₃O₅₉' und Metallsulfide, wie z.B. GdS und PbS-. Das Verhältnis von Metall." su Halbleiter ist dafeei eo zu wählen, daß der gewünschte Wideretendsve^jTdj^rcli eine Füllstoff-¥olum®nkonzenttation

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von vorzugsweise 25 bit 50 Pj?o:|wfyi erreicht wird.

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Die ßleiteigeneohaften dir Oberfläche dee Schiebtwiderstandee können vorteilhaft dadurch beeinflußt rerden, dafl rmn des elektrisch nicht leitenden Material Stoffe sit dlhexagonal-bipyranldaler Kristalletruktur in einer Tolumen konzentration von 1 bi· IO Present beiaengt. Derartige Stoffe eind Vorzugs- * «eise Graphit und Molybdindiaulfid In feinet gemahlener Fora mit Korngrö3en zwischen 10 und 100 ja*. Hierbei können der Graphit gleichzeitig als Leiter und das Molybdändisulfidöle fe*l»l»itandes Material dienen.

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Zur Herstellung der leitmden Mischung werden die Piillstoffe unter ständigem Riüiren mittels eines mec laniechen Rührwerkes in die synthetischen Polymere eingetragen und das Miso ien fortgesetzt bis eine gleichmäßig viskoee Mischung vorliegt. Eine weiter® H mogenieierurig kann bis zur Verarbeitung auf sögenannten Kugelmühlen erfolgen. Bestehen die Füllstoffe ihrerseits ai-.o einer Mischung mehrerer Peatst>ffe, so werden diese zuerst untereinander vermischt und dann in^lCunetharz ei !getragen.

Das Auftragen der leiten Ien Mischungen auf die nloht leitende Oberfläche eines Trägers kann nach den veraohledenstex. bekannten Methoden erfolgen. Methoden, mit denen sehr gleichoäß .ge Schichtstärken erzielt werden können, werden dabei bevorzugt. · ■■

Die Vernetzung und Aushärtung der Widerstandseohioht erfolgt durch die bereits eingehend beschriebene Bestrahlung vornehmlich mittels Elektronenstrahlen= Hierbei 1st es besondere vorteilhaft, daß die Aushärtung bei Raumtemperatur innerhalb weniger Sekunden erfolgt, i.uoh entstehen bei der Aushärtung keiner- f lei Lösungemi tteldättpfe >der sonstig» Kondensation produkte, die bei Schichtwiderständen mit wärmetr>cknenden Lacken als elektrisch nicht leitendes Material unter Umstanden ζι Poren- und Blasenbildung führen. Die Oberflächen der erfindungsgemäBen Sc lichtwideret^nde weisen keine durch das Aushärten verursaohte Mängel auf« da lie Dicke der aufgebrachten Schicht f.urch öie Vernetzung keine Veränderung erfährt.

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Claims (6)

1. llektrofeinmeohanieotie Wsrke

   Jakob Praa Naohf.

   Bad Meustadt/Saale

   Sotftoiafurter Sir. 5 Bad Veuetadt/s.» d. 15.11*1968

   25/ββ Pt» St/Kr

   Patantaneprttohe

   1») 3ohiehtwideratandeel3ment bestehend aus feinet verteilten elektrisch leitende» Teilobta is eine« elektrisch äioht leitenden Material, das naoh bekannten ferfnaren,, wie s.B. Tauchen, Streieheia₉ Spritzte, Waisen od®.? Bracken asf di® ®l®ki:z>ieicb nieht leiteEd© Obsrfläoh« eines Trie·» anfgetragee und.«it tlektriaofe·» Aneohlües«n veraeben ist, daclsreh g®k@ngi8Sioto«tf daS das öl ©fetal seh nicht leitende la« terlal au® durch Bseferahldn mit b@iepiei@w@l8· lÖBtgffln8trehl®o_£ Q&mm&Btvahl9n® Eleictpon®n₉ Neutronen»" Protoaen oder «at-Teilehen mit einer Βοβίβ im Barei 3h von 1 - 30 Megaraä,, ironugsweiee 2-10 Megarad vernetsbar®B synthetischen Polymeren, vi@ a,B« ^krjlfflonemer-Polymer-Geaisohe, Akrylpolyesterharxe, Alocylisoh oodifisierte Epoxydharze» ungesättigte Polyeetarhftre®, bee;eht.
2. 2.) Sohiehtwideretandselsaont nach Anspruch 1» d&duroh gekennzeichnet, daß die foloaenkonseitration der elektritoh leitenden Teilohen 15 bis 65 Present, vorsugsw»iee 25 bit *jO Prozent beträgt.

   5·) Sohiohtvideratendselsaent haue Antpruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektriaoh leite lien Teilohen aus Kohlenstoff, vorzugaweiee Asethylenruß beatehea· .

   ■' ' * ■ 4·) Sohiohtvideratandnelswent naoh Anspruch 1, iaduroh gekennzeichnet, daß die elektriaoh leiteiden Teilchen Metall®, wie beispielsweise Kupfer, ChroB, AlstMmiua, Silber, Gold oder Legierungen derselben in genahlener Fora ait Korngrößen von 10 bia 100 pm sind.
3. 3.) Soaiohtviderstandaelevent nach Anapruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß daa elektriaoh nioht leitende Material neben den elektriaoh leitenden Metallteilen halbleitende Materialien mit einer Leitfähigkeit la Bereich von 10" bia 10* &""¹ co"¹ in Fora von feinet geaahlenen Metall· verbindungen, vie beispielsweise Cadmiumsulfid, Bleisulfid, Zinnoxyd, Antioonoxyd enthält.
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6. 6.)SohiohtvidtrstandseleB^fit nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daS doa eltktrieoh sieht leitenden Material neben den elektrisch leitenden und hall)}, ei tendon Teilchen Stoffe mit' dihexagonal-bi pyramidaler Kristallstruktur, wie s.B. Graphit, Molybdändisulfid, in einem Verhältnis von 1-10 Volumenprozent dee elektrisch nicht leitenden Materials beigeeengt sind*

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