DE19540194C1 - Widerstandsthermometer aus einem Metall der Platingruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platingruppe bestehenden Widerstandsschicht in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm, die auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche eines Trägers mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K aufgebracht ist und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckschicht versehen ist.

Aus DE 43 00 084 A1 ist ein Widerstandsthermometer mit einem Platin-Meßwiderstand in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm bekannt. Die Widerstandsschicht ist auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche eines Trägers aufgebracht, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K aufweist, wodurch mechanische Spannungen der aufgebrachten sensi­ tiven Widerstandsschicht verhindert werden sollen, so daß sich eine Kennliniencharakteristik wie bei einem freihängenden Meßwiderstand ergibt. Der Meßwiderstand soll dabei als Tempe­ ratursensor im Bereich von -200°C bis +500°C mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden, wo­ bei eine möglichst geringe Differenz zur vorgegebenen Sollwert-Kennlinie nach DIN IEC 751 er­ halten wird. Die elektrisch isolierende Oberfläche wird dabei entweder durch die Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substrates oder durch die elektrisch isolierende Oberfläche einer Glas- oder Keramikschicht gebildet. Eine bevorzugte Ausführung stellt die Verwendung eines Titansubstrates mit einer elektrisch isolierenden Glasschicht dar. Außerdem wird beschrieben, das Metallsubstrat mit einer Schicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid oder Magnesiumaluminiumspinell an der Oberfläche elektrisch zu isolieren.

Weiterhin ist aus DE 25 27 739 C3 ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstan­ des für ein Widerstandsthermometer bekannt, bei dem der Meßwiderstand auf einem Träger aus keramischem Material einen durch Zerstäubung hergestellten Platindünnfilm in vorgegebe­ ner Form aufweist, der einen vorbestimmten Temperaturkoeffizienten enthält. Dabei wird als Träger eine solche Keramik verwendet, deren mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Thermometerplatins um weniger als +30% unterscheidet. Dieses keramische Ausgangsmaterial für Substrate von durch Aufstäuben hergestellte Platindünn­ schichtwiderstände für Widerstandsthermometer wird in sauerstoffhaltiger Atmosphäre so weit erhitzt, daß das Substrat nach der Wärmebehandlung weniger als 15 ppm Chrom, weniger als 30 ppm Eisen weniger als 45 ppm Blei und weniger als 70 ppm Silizium in mit Platin reaktions­ fähiger Form enthält. Bei gleichzeitiger Anwesenheit aller vorgenannter Metalle überschreitet die Summe der Verunreinigungen durch diese Metalle nicht 20 ppm, wobei das in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm mit Platin beschichtete Substrat bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1400°C während mindestens 60 Minuten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre erhitzt wird. Das Substrat besteht entweder aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Magnesium­ oxid oder einem Magnesiumsilikat. Das Substrat wird während der Beschichtung einer Tempe­ ratur im Bereich von 500°C bis 900°C ausgesetzt. Vorzugsweise wird Aluminiumoxidkeramik als Substrat eingesetzt, wobei die Platinschicht eine Dicke von 1 bis 5 µm aufweist.

In DE 40 26 061 C1 wird die Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes mit vorgegebenem Temperaturkoeffizienten, insbesondere für Widerstandsthermometer offenbart, wobei auf ein Substrat ein Platindünnfilm als Widerstandsschicht aufgedampft oder aufgestäubt wird, auf den im Siebdruckverfahren ein Rhodiumsulforesinat enthaltendes Präparat aufgebracht und einge­ brannt wird, so daß das Rhodium in die Platinwiderstandsschicht gleichmäßig verteilt eindringt. Bei Einsatz eines Metallsubstrates weist die dem Platindünnfilm zugewandte Seite des Substra­ tes eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Glaskeramik auf.

Als problematisch beim vorgenannten Stand der Technik erweist sich einerseits die aufwendige Prozeßführung (beispielsweise Vorreinigung der Metallsubstrate oder/und Einbrand der Glas­ schicht unter Stickstoff) bei der Herstellung und andererseits ist die maximale Einsatztempera­ tur auf 500°C beschränkt, da durch die dünne Zwischenschicht leicht Verunreinigungen aus einem darunterliegenden metallischen Substrat zur sensitiven Platinschicht gelangen können. Aber auch bei den bekannten keramischen Substraten besteht die Gefahr der "Vergiftung" der Platinschicht, da in Verbindung mit einer reduzierenden Atmosphäre innerhalb eines Thermo­ metergehäuses Verunreinigungen (beispielsweise aus dem Gehäusewerkstoff) zur Platin­ schicht vordringen und dort mit dem Platin (katalytisch) Verbindungen eingehen, so daß die Widerstandskennwerte stark verändert werden. Die Brauchbarkeit derartiger Widerstandsther­ mometer ist dann nicht mehr gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Widerstandsthermometer zu schaffen, das unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten Ausführungen auch im oberen Temperaturbereich, d. h. oberhalb von 500°C Langzeitstabilität ermöglicht, so daß wiederholt die Kennlinie für Platin-Meßwider­ stände nach DIN IEC 751 im Bereich von -200°C bis +850°C möglichst exakt nachgebildet werden kann. Weiterhin soll auch eine Möglichkeit zum Einsatz von handelsüblichem Substrat angegeben werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Substrat für den Platin-Meßwider­ stand ein Werkstoff ausgewählt wird, der im wesentlichen aus Magnesiumtitanat besteht, wobei eine hohe Langzeitstabilität erzielt werden kann. Das heißt, auch nach Dauerlagerungen bei Temperaturen oberhalb 500°C reproduziert sich die Kennlinie nach DIN IEC 751. Die Wider­ standsschicht besteht vorzugsweise aus Platin.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, eine Zwischenschicht aus vorzugsweise Al₂O₃ oder MgO auf das beschriebene Substrat aus Magnesiumtitanat aufzubringen. Die Widerstandsschicht besteht vorzugsweise aus Platin.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 8 angegeben. Zweckmäßigerweise wird für die Abdeckschicht ein Borosilikatglas verwen­ det. Die Dicke dieser Glas-Abdeckschicht liegt im Bereich von 10 pm bis 100 pm.

Als Abdeckung wird vorzugsweise ein Keramikplättchen mit einer Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm auf die Pt-Widerstandsschicht aufgelegt und mittels eines kaltaushärtenden, keramischen Klebers oder eines Glaslotes befestigt. Vorteilhafterweise besteht das Keramikplättchen aus dem gleichen Werkstoff wie das Substrat, also aus Magnesiumtitanat.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß ein erfindungsgemäßes Meßelement die Nachbildung der kompletten DIN-IEC-Kennlinie im Bereich von -200° bis +850°C ermöglicht. Insbesondere wird die Langzeitstabilität im oberen Temperaturbereich, d. h. oberhalb von 500°C mit einem vielfa­ chen der geforderten Langzeittests nach Norm überprüft, so daß neben hoher Temperaturbela­ stung auch eine hohe Standzeit vorteilhafterweise zu erzielen ist.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Meßwiderstand für Widerstandsthermometer, bei dem die Widerstands­ schicht direkt auf der Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substrats aufge­ bracht ist.

Fig. 2 zeigt einen Meßwiderstand mit einer Zwischenschicht zwischen Widerstandsschicht und Substrat.

Als Substrat 1 dient gemäß Fig. 1 ein quaderförmiger Körper mit einer Oberfläche 2, die der Form des aufzubringenden Meßwiderstandes 4 angepaßt ist. In der vorliegenden Ausführungs­ form ist die Oberfläche 2 eben ausgebildet. Das Substrat 1 besteht aus Magnesiumtitanat (MgTiO₃).

Auf die Oberfläche 2 des Substrats 1 wird die eigentliche Widerstandsschicht 4 aus einem Me­ tall der Platingruppe, vorzugsweise Platin, aufgebracht. Die Widerstandsschicht 4 wird vorzugs­ weise durch Kathodenzerstäubung bzw. durch Aufdampfen aufgebracht. Die Widerstands­ schicht 4 hat zweckmäßigerweise die Form eines Mäanders. Die verhältnismäßig empfindliche und katalytisch aktive Platin-Widerstandsschicht 4 wird durch eine Abdeckschicht 5 geschützt, die als Passivierungsschicht ausgebildet ist.

Beim Aufbringen der Abdeckschicht 5 wird im Bereich der Anschlußkontakte 6, 7 der Wider­ standsschicht 4 der dazugehörige Anschlußbereich freigelassen, d. h. nicht von der Abdeck­ schicht 5 abgedeckt. Für Anwendungen im Hochtemperaturbereich wird ein Keramikplättchen 12 mittels eines Hochtemperaturglaslotes aufgelötet. Bei Anwendungen bis zu einer Tempera­ tur von 500°C kann das Keramikplättchen 12 auch mittels einem niederschmelzenden Glaslo­ tes oder eines keramischen Klebers befestigt werden.

Die Anschlußkontakte 6, 7 der Widerstandsschicht 4 werden über Kontaktflächen 8, 9 mit äußeren An­ schlußleitungen 10, 11 verbunden. Die Kontaktflächen 8, 9 werden auch als Pads bezeichnet. Der Anschlußbereich wird durch eine auf die Kontaktflächen 8, 9 und auf die Abdeckschicht 5 aufgebrachte äußere Deckschicht 14 aus einem Glaskeramikwerkstoff elektrisch isoliert und zugentlastet. Als Glaskeramikwerkstoff hat sich ein Borosilikatglas bewährt. Seine Dicke liegt im Bereich von 0,1 bis 10 mm.

Es ist weiterhin möglich die Abdeckschicht 5, 6 als Keramikplättchen in einer Dicke von 0,1 bis 1 mm vorzusehen, wobei das Keramikplättchen aus dem jeweiligen Werkstoff des Substrates, also aus Magnesiumtitanat MgTiO₃ besteht. Das Keramikplättchen 12 wird mittels keramischen Kle­ ber, Glaslot oder Borosilikatglas auf dem Träger befestigt.

Weiterhin ist es möglich eine Abdeckschicht 5 aus Borosilikatglas mit einer Dicke im Bereich von 10 bis 100 µm aufzubringen.

Gemäß Fig. 2 ist auf die Oberfläche 2 des Substrats 1 eine elektrisch isolierende Zwischen­ schicht 3 aufgebracht. Die Zwischenschicht 3 ist vorzugsweise durch Kathodenzerstäubungs­ verfahren aufgebracht (Sputtern). Es ist jedoch auch möglich sie durch Aufdampfen oder in Siebdrucktechnik aufzubringen. Die Zwischenschicht 3 überbrückt als Pufferschicht eine leichte Ausdehnungsfehlanpassung zwischen der darauf aufzubringenden Widerstandsschicht 4, die vorzugsweise aus Platin besteht, und der Oberfläche 2 des Substrates 1 bei gleichzeitiger Re­ duktion der katalytischen Aktivität des Platins. Gleichzeitig dient sie als Haftvermittler zwischen dem Substrat 1 und der aufzubringenden Widerstandsschicht 4.

Bei einem Substrat 1 aus Magnesiumtitanat hat sich als besonders vorteilhafter Werkstoff der Zwischenschicht 3 insbesondere Aluminiumoxid erwiesen, es ist jedoch auch möglich Magnesi­ umoxid einzusetzen.

Es ist weiterhin möglich, die Abdeckschicht 5 als Keramikplättchen in einer Dicke von 0,1 bis 1 mm vorzusehen, wobei das Keramikplättchen aus dem jeweiligen Werkstoff des Substrats besteht. Das Keramikplättchen wird mittels keramischem Kleber, Glaslot oder Borosilikatglas auf dem Träger befestigt. Für Hochtemperaturanwendungen hat sich insbesondere die Befesti­ gung mittels Glaslot oder Borosilikatglas erwiesen.

Weiterhin ist es möglich, eine Abdeckschicht 5 aus Borosilikatglas mit einer Dicke im Bereich von 10 bis 100 µm aufzubringen.

Beim Aufbringen der Abdeckschicht 5 wird - ähnlich wie bei Fig. 1 - im Bereich der Anschluß­ kontakte 6, 7 der Widerstandsschicht 4 der zugehörige Anschlußbereich freigelassen, d. h. nicht von der Abdeckschicht 5 abgedeckt. Für Anwendungen im Hochtemperaturbereich wird ein Keramikplättchen 12 mittels Hochtemperaturglaslot aufgelötet. Bei Anwendungen bis zu ei­ ner Temperatur von 500°C kann das Keramikplättchen 12 auch mittels Glaslot oder kerami­ schem Kleber befestigt werden.

Die Anschlußkontakte 6, 7 der Widerstandsschicht 4 werden über Kontaktflächen 8, 9 mit äußeren Anschlußleitungen 10, 11 verbunden. Die Kontaktflächen 8, 9 werden auch als Pads bezeich­ net. Der Anschlußbereich wird durch eine auf die Kontaktflächen 8, 9 und auf die Abdeck­ schicht 5 aufgebrachte äußere Deckschicht 14 aus einem Glaskeramikwerkstoff elektrisch iso­ liert und zugentlastet. Als Glaskeramikwerkstoff hat sich insbesondere Borosilikatglas bewährt. Seine Dicke liegt im Bereich von 0,1 bis 10 mm.

In einer vereinfachten Version ist es möglich, auf das äußere Keramikplättchen zu verzichten, beispielsweise beim Einsatz in einem eingeschränkten Temperaturbereich von 0°C bis 600°C.

Claims (8)

1. Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platingruppe bestehenden Widerstandsschicht in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm, die auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche eines Trägers mit einem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K aufgebracht ist und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein Substrat (1) aus im wesentlichen Magnesiumtitanat vorgesehen ist.

2. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat (1) und der Widerstandsschicht (4) eine Zwischenschicht (3) aufgebracht ist.

3. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ deckschicht (5) aus einem Borosilikatglas besteht.

4. Widerstandsthermometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Borosilikatglas eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 100 µm aufweist.

5. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ deckschicht (5) ein Keramikplättchen aus dem Werkstoff des Substrats (1) ist.

6. Widerstandsthermometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik­ plättchen eine Dicke von 0,1 bis 1 mm aufweist.

7. Widerstandsthermometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikplättchen als Abdeckschicht (5) mittels eines keramischen Klebers oder eines Glaslotes auf der Widerstandsschicht (4) und dem Substrat (1) befestigt ist.

8. Widerstandsthermometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen­ schicht (3) aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid besteht.