DE2302615A1

DE2302615A1 - Temperaturabhaengiger elektrischer widerstand fuer eine messonde

Info

Publication number: DE2302615A1
Application number: DE19732302615
Authority: DE
Inventors: Dieter W Dipl Phys Dr Schmidt; Wolfgang J Dipl Phys Dr Wagner
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1973-01-19
Filing date: 1973-01-19
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE2302615B2

Description

Temperaturabhängiger elektrischer Widerstand für eine Meßsonde Die vorliegende Erfindung betrifft einen insbesondere für Meßsonden geeigneten temperaturabhängigen elektrischen Widerstand mit einer auf einem Träger angeordneten dünnen Schicht aus einem Widerstandsmaterial, das einen von Null verschiedenen Temperaturkoeffizienten hat.
Zur Temperaturmessung werden häufig Meßsonden verwendet, die einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand enthalten, da man bei dieser Meßmethode die Temperatur direkt als Funktion einer elektrischen Größe erhält, was eine schnelle und mit nur geringem Aufwand verbundene Anzeige und Weiterverarbeitung der Information ermöglicht.
Es sind temperaturabhängige elektrische Widerstände für Widerstandsthermometer und ähnliche Meßsonden bekannt, die dünne Platindrähte, Widerstandskörper aus Halbleitermaterial oder dünne Metallschichten, die auf einen massiven isolierenden Träger aufgedampft sind, enthalten.
Dünne Platindrähte (Durchmesser bis herunter zu 0,5pm) vermögen zwar schnellen Temperaturänderungen zu folgen, sie haben jedoch eine entsprechend geringe mechanische Festigkeit und damit auch eine kurze mittlere Lebensdauer. Man kann sie daher nur bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten verwenden.
Weiterhin ist ungünstig, daß für die Abführung der vom Meßstrom erzeugten Joule'schen Wärme nur eine recht kleine Öberfläche zur Verfügung steht. Der Meßstrom muß daher sehr klein gehalten werden, was eine entsprechend kleine Nutzspannung zur Folge hat.
Die anderen bekannten Widerstandskonstruktionen haben eine verhältnismäßig große Wärmekapazität und vermögen daher bei normalen Meßbedingungen nicht schnellen Temperaturänderungen zu folgen.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand anzugeben, der mechanisch verhältnismäßig robust ist, eine kleine Wärmekapazität und damit eine kurze thermische Zeitkonstante hat sowie ein verhältnismäßig großes elektrisches Ausgangssignal zu liefern vermag.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die dünne Schicht aus dem Widerstandsmaterial eine gewundene Leiterbahn bildet und auf einer dünnen Folie angeordnet ist, die an einem Tragkörper befestigt ist, der an dem der Leiterbahn entgegengesetzten Bereich der Folie eine von dieser überspannte Ausnehmung aufweist.
Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren für einen solchen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand werden die Leiterbahn und die entsprechende ausnehmung -im Tragkörper mit Hilfe der gleichen Schablone hergestellt.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Mit dem vorliegenden temperaturabhängigen elektrischen Widerstand können Temperaturänderungen mit Größen bis herunter zu mindestens 0,01 K und Frequenzen bis mindestens 5 kHz gemessen werden. Die gewendelte Leiterbahn bildet eine große Kühlfläche, so daß die Werte für die maximal zulässige Verlustleistung relativ hoch liegen.
Im Vergleich zu den bekannten Heißfilmsonden ergibt sich bei Verwendung des vorliegenden Widerstandes in einem mit konstantem Strom oder konstanter Temperatur arbeitenden Strömungsgeschwindigkeits-Meßgerät der Vorteil, daß man bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstand und dem umgebenden Medium ein größeres elektrisches Ausgangssignal erhält. Dies ist besonders bedeutungsvoll für Messungen, bei denen nur eine kleine Ubertemperatur der Leiterbahn gegenüber dem strömenden Medium erlaubt ist. Kleine Temperaturdifferenzen sind auch hinsichtlich der Vermeidung von Störungen durch die natürliche Konvektionsströmung um die Meßsonde vorteilhaft.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden temperaturabhängigen Widerstände besteht in der relativ geringen Abhängigkeit der Amplitude des elektrischen Ausgangssignals von der Frequenz der Temperaturschwankungen.
Die vorliegenden Widerstände lassen sich für Widerstandsthermometer, für Heißfilmsonden zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, als Meßfühler für Wärmeimpuls-Laufzeit-Meßgeräte (siehe z.B. Bradbury, L.J.S. and I.P. Castro: J. Fluid Mech. 49 (1971) 657 - 691) und als wärmeempfindlichen Sensor für Infrarotdetektoren (wobei dann die Oberfläche der Leiterbahn geschwärzt sein kann) usw. verwenden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Leiterbahn für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Leiterbahn gemäß Fig. 1 enthält, und Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht von Figur 2.
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung enthält eine dünne Schicht aus einem elektrisch leitenden Material mit von Null verschiedenem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, die eine gewundene Leiterbahn 10 und an deren Enden angeordnete Anschlußflecke 12 bildet. Als Material für die dünne Schicht wird Gold bevorzugt. Gold hat zwar einen kleineren Temperaturkoeffizienten als manche andere Metalle, aber dieser Nachteil wird dadurch aufgewogen, daß man Gold in sehr dünnen Schichten verwenden kann und daß Gold sehr korrosionsbeständig ist.
Die Empfindlichkeit E eines als Widerstandsthermometer dienenden temperaturabhängigen Widerstandes wird durch die folgende Beziehung gegeben: E= = = a I zu R (1) worin AV die Ausgangsspannungsänderung ist, die sich bei einer Temperaturänderung AT ergibt, a den Temperaturkoeffizienten des Leiter- oder Widers tandsmateri als , I den den Widerstand durchfließenden (als konstant vorausgesetzten) Meßstrom und R den elektrischen Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes bedeuten.
Der maximal mögliche Meßstrom I ergibt sich aus der höchstmöglichen Wärmeleistung Nmax = 12 R RU (2) die bei einer maximal erlaubten Übertemperatur gerade noch abgeführt werden kann. Dementsprechend kann I ersetzt werden durch max )1/2 (3) R und man erhält #V = αNmax1/2R1/2 (4) AT Um eine möglichst große Meßempfindlichkeit zu erreichen, sollen alle rechts stehenden Faktoren möglichst groß gemacht werden. Bei der Auswahl des Materials für die die Leiterbahn bildende dünne Schicht muß man Kompromisse eingehen bezüglich der Aufdampfbarkeit und der Korrosionsfestigkeit (die die zeitliche Konstanz bestimmt). Gold ist, wie bereits erwähnt, gut geeignet da das mit Gold erzielbare Produkt a Rl/2mit dem vergleichbar ist,dasmit anderen Metallen erreicht werden kann. Andererseits läßt sich Gold gut in sehr dünnen Schichten aufdampfen und es ist wesentlich beständiger als z.B. Schichten aus Eisen oder Nickel.
Die dünne Schicht, die die Leiterbahn 10 und die Anschlußflecke 12 bildet, kann eine Dicke von z.B. 0,1 µm haben.
Die Breite der Leiterbahn 10 (also die Abmessung längs der Schnittlinie A-A in Fig. 1) kann z.B. 80pm betragen.
Die die Leiterbahn 10 und die Anschlußflecke 12 bildende dünne Schicht aus Gold oder dgl. ist auf einer dünnen Folie 14 angeordnet. Die dünne Folie 14 besteht vorzugsweise aus einem polymeren Kunststoff, insbesondere PolykarbonatXund soll möglichst dünn sein sowie eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit haben. Eine handelsübliche, 2 ijm dicke Polykarbonatfolie hat sich gut bewährt.
Die dünne Folie 14 ist an einem Tragkörper 16 befestigt, der z.B. aus einem etwa lmm dicken Kupferstab bestehen kann. Die Folie 14 ist mit mäßiger Spannung um den Kupferstab gelegt und an den Rändern mit einer Klebnaht 18 verbunden.Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, hat der Tragkörper unterhalb des die Leiterbahn 10 tragenden Teils der Folie 14 eine Vertiefung 20, die die gleiche Form wie die Leiterbahn 10 hat und gleich breit oder geringfügig breiter alS diese ist. Die Tiefe der Vertiefung 20 kann z.B. etwa 50m betragen.
Die Vertiefung 20 hat also wie die Leiterbahn 10 eine gewundene, insbesondere schlangen- oder wellenlinienartige Form.
Gegebenenfalls kann die Vertiefung jedoch die Form des allgemeinen Umrisses der Leiterbahn 10, also eines langgestreckten Rechteckes, haben.
Die luftgefüllte Vertiefung 20 bildet eine Wärmesperre zwischen dem System Leiterbahn 10 - Folie 14 einerseits und dem massiven Tragkörper 16 andererseits.
An die Anschlußflecke 12 sind nicht dargestellte Zuleitungen angebracht, von denen die eine elektrisch an den Tragkörper angeschlossen sein kann.
Die Vertiefung 20 im Tragkörper, die hinter der Folie 14 genau der schlangenlinienförmigen Leiterbahn 10 folgt, wird vorzugsweise durch ein photochemisches oder photolithographisches Verfahren unter Zurhilfenahme derselben Schablone ausgeätzt, mit der im Hochvakuum die die Leiterbahn 10 bildende Metallschicht auf die Folie 14 aufgedampft wurde. Die erforderliche Schablone kann ebenfalls photochemisch hergestellt werden.
Es ist zweckmäßig, zunächst den Tragkörper mit der eingeätzten Vertiefung herzustellen, dann die Folie durch Aufspannen und Kleben am Tragkörper zu befestigen und auf der Folie dann Anschlußkontakte für die aufzudampfende Metallschicht aufzubringen, was durch Auftragen von Leitlack, Leiterpaste oder durch Aufdampfen geschehen kann. Auf die so vorbereitete Struktur wird dann im letzten Arbeitsgang mit Hilfe der entsprechend einjustierten Schablone im Hochvakuum die Metallschicht 10, 12 aufgedampft. Zur Kontrolle der Schichtdicke kann der elektrische Widerstand der Leiterbahn gemessen werden, welcher mit fortschreitendem Aufdampfen bis auf den gewünschten Wert absinkt.
Anstelle von Gold können selbstverständlich auch andere Materialien verwendet werden. Auch für die Folie stehen die verschiedensten Werkstoffe zur Verfügung, z.B. Polyester und gegebenenfalls auch mineralische Substanzen, wie z.B. Glimmer oder Quarz (let2terer in dünner Schicht hergestellt durch Aufdampfen auf eine metallische Trägerfolie, die anschließend, z.B. durch Ätzen, entfernt wird.) Die anhand der Zeichnung beschriebene Ausführungsform der Erfindung, bei der die von der Trägerfolie 14 überspannte Ausnehmung eine flache Vertiefung 20 mit einer im Vergleich zur Breite relativ kleinen Tiefe ist (siehe insbesondere Fig.3), die in ihrer Form der Form der Leiterbahn 10 genau entspricht, hat den Vorteil, daß die Anordnung mechanisch sehr stabil ist und auch bei Verwendung in einem schnell strömenden Medium praktisch keine Verformungen der Leiterbahn 10 auftreten, die unerwünschte Widerstandsänderungen zur Folge haben könnten, welche auf denselben Effekten beruhen, wie sie bei den sogenannten Dehnungsmeßstreifen nutzbar gemacht werden. Wenn hohe mechanische Beanspruchungen des vorliegenden Widerstandes nicht zu erwarten sind, kann man abgewandelten, einfacheren Stützstrukturen arbeiten: Man kann z.B., wie erwähnt, eine flache Vertiefung verwenden, die ungefähr die Form eines Rechteckes hat, das die in Fig. 1 dargestellte Leiterstruktur eng umschließt.
Man kann auch z.B. einen ebenen, plattenförmigen Tragkörper verwenden, der von der Ausnehmung ganz durchsetzt wird. Eine solche Struktur hat den Vorteil, daß das strömende Medium zu den beiden Seiten der Folie gelangen kann, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem vorliegenden Widerstand und der Umgebung noch weiter verbessert wird. Bei Verwendung eines Tragkörpers mit einer durchgehenden Durchbrechung, die von der die Leiterbahn tragenden Folie überspannt wird, kann der Stützkörper selbst eine verhältnismäßig einfach geformte Durchbrechung aufweisen (z.B. bei Verwendung der Leiterstruktur gemäß Fig. 1 eine rechteckige Durchbrechung) und zur Unterstützung der Folie können zusätzliche, z.B. aufgedampfte Stützrippen dienen, die sich auf der einen und/oder anderen Seite der Folie in die Zwischenräume zwischen den haarnadelförmigen Leiterbahnstücken erstrecken. Eine solche Stützstruktur kann auch durch Abtragen oder Ausätzen einer zuerst etwas dickeren Folie erzeugt werden. Die stehengebliebenen Teile bilden dann die b Stützrippen, während auf die durch Atragen oder Ausätzen gebildeten dünnen Teile dann die Leiterbahn aufgebracht wird.
Der oben für die Dicke der vorzugsweise verwendeten Goldschicht angegebene Wert von etwa 0,1 pm kann unterschritten werden, wenn Aufdampfverfahren und -apparaturen zur Verfügung stehen, wie gewährleisten, daß die gebildete Schicht so homogen ausfällt, daß keine örtlichen Überhitzungen auftreten können und daß die zeitliche mechanische und elektrische Konstanz ausreichend gut bleiben. Unter Umständen können auch größere Schichtdicken, z.B. 0,5 pm und darüber, wünschenswert sein, z.B. bei der Verwendung des vorliegenden Widerstandes als Heißfilmsonde mit elektronischen Geräten, die für die bisher bekannten Heißfilmsonden gemessen sind.

Claims

Patentansprüche

Temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einer auf einem Träger angeordneten dünnen Schicht aus einem Widerstandsmaterial, das einen von Null verschiedenen Temperaturkoeffizienten hat, d a d u r c h g e k e n n z e ichn e t, daß die dünne Schicht (10, 12) aus dem Widerstandsmaterial eine gewundene Leiterbahn (10) bildet und auf einer dünnen Folie (14) angeordnet ist, die an einem Tragkörper (16) befestigt ist, der an einem der Leiterbahn entgegengesetzten Bereich der Folie eine von dieser überspannte Ausnehmung (20) aufweist.
2. Widerstand nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung (20) die gleiche Form hat wie die Leiterbahn und in Richtung senkrecht zur Folienebene gesehen mit ihr fluchtet.
3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Folie (16) zwischen benachbarten Leiterbahnstücken durch Stege unterstützt ist.
4. Widerstand nach Anspruch 3, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die freie Spannweite der Folie zwischen gegenüberliegenden Rändern der Stege bzw. der Ausnehmung im wesentlichen gleich der Breite der Leiterbahn (10) ist.
5. Widerstand nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t, daß die dünne Schicht aus Gold besteht.
6. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z'e i c h n e t, daß die Folie aus einem polymeren Kunststoff besteht.
7. Widerstand nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Folie aus Polykarbonat besteht.
8. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g-e k e n n z e i c h n e t, daß der Tragkörper (16) die Form eines Stabes mit zylindrischer Oberfläche hat und daß die Folie (14) auf den Tragkörper aufgespannt und durch Kleben befestigt ist.
9. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausnehmung eine im Vergleich zu ihrer Breite relativ flache Vertiefung im Tragkörper (16) ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines.temperaturabhängigen elektrischen Widerstandes nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dünne Schicht im Vakuum durch eine Schablone hindurch auf die Folie aufgedampft wird und daß die Ausnehmung im Tragkörper durch ein photolithographisches Ätzverfahren unter Verwendung derselben Schablone hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß zuerst die Ausnehmung im Tragkörper gebildet wird, daß dann die Folie auf dem Tragkörper befestigt wird und daß dann die dünne Schicht auf die am Tragkörper befestigte Folie aufgedampft wird.

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