DE2302615B2

DE2302615B2 - Temperaturabhaengiger elektrischer widerstand und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2302615B2
Application number: DE19732302615
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Schmidt, Dieter W., Dipl.-Phys. Dr.; Wagner, Wolfgang J., Dipl.-Phys. Dr.; 3400 Göttingen
Priority date: 1973-01-19
Filing date: 1973-01-19
Publication date: 1976-02-12
Also published as: DE2302615A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen temperaturtbhängigen elektrischen Widerstand mit einer näanderförmigeii Leiterbahn aus einem Widerstandsmaterial mit von Null verschiedenem Temperaturkoeffitienten, die auf einer dünnen isolierenden Folie Angeordnet ist, und mit einem Tragkörper für die Folie, die an einer der Folie zugewandten Fläche Vorsprünge, die die Folie abstützen, sowie einen vertieften Bereich, der von der Folie überspannt wird, aufweist.

Ein temperaturabhängiger Widerstand mit diesen Merkmalen ist aus der US-PS 27 27 118 bekannt.

Ein Anwendungsgebiet für temperaturabhängige Widerstände sind Meßsonden zur Bestimmung der Temperatur in einem strömenden Medium, z. B. Luft. Die bei solchen Meßsonden an den temperaturabhängi-

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gen elektrischen Widerstand gestellten Anforderungen sind sehr streng und schwer zu erfüllen: Der temperaturabhängige elektrische Widerstand soll geringe Abmessungen haben, damit er das ctromungsfeld nicht wesentlich stört, er soll ein möglichst großes und n.nrndu?ferbares elektrisches Ausgangssignal liefern, das durch die von der Strömung auf den Widerstand ausgeübte mechanische Beanspruchung nicht verfälscht werden darf (z. B. durch Dehnungsmeßstreifeneffekte), ferner muß der Widerstand mechanisch stabil sein und eine möglichst kleine Zeitkonstante haben.

Der oben bereits erwähnte bekannte temperaturabhängige Widerstand ist für die Erfassung von Wärmestrahlung bestimmt und für die Verwendung in Strömungsmeßsonden nicht geeignet, da er die Strömung stark stören und durch diese beeinträchtigt würde.

Es sind ferner aus der Veröffentlichung von Grimminger in »G-I-T Fachzeitschrift für das Laboratorium«, 15 (1971), S. 1125 und 1126 Thermoelemente mit einer Ansprechzeit von weniger als 1 us bekannt. Diese bestehen aus dünnsten Metallfeinen, die von einer sowohl thermisch als auch elektrisch isolierenden Keramikscheibe getragen werden. Solche Thermoelemente eignen sich jedoch ebenfalls nicht für Strömungsmessungen, da der Wärmeinhalt z. B. einer Gasströmung relativ klein gegenüber der Wärmekapazität der Schichten und der sie tragenden Keramikscheibe ist. Die bekannten Thermoelemente benötigen also eine relativ hohe Eingangsenergie.

Ferner sind aus der Zeitschrift »J. Fluid Mech.« (1967). Bd. 29, Teil 2, S. 289 bis 295 Dünnschichtanemometer bekannt, die dünne Widerstandsschichten auf massiven Tragkörpern enthalten. Auch diese bekannten Meßsonden lassen in vieler Hinsicht zu wünschen übrig. insbesondere hinsichtlich ihrer Ansprechgeschwindigkeit.

In Strömungsmeßsonden sind ferner auch bereits dünne Platindrähte (Durchmesser bis herunter zu 0,5 μΐη) verwendet worden. Diese vermögen zwar schnellen Temperaturänderungen zu folgen, sie haben jedoch eine geringe mechanische Festigkeit und damit auch nur eine kurze mittlere Lebensdauer. Sie können daher nur bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden. Weiterhin ist ungünstig, daß nir die Abführung der vom Meßstrom erzeugten Jouleschen Wärme nur eine recht kleine Oberfläche zur Verfügung steht. Der Meßstrom muß daher klein gehalten werden, was eine entsprechend kleine Nutspannung zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand der eingangs genannten Art anzugeben, der eine zur Messung von sehr schnellen, räumlich eng begrenzten Strömungstemperaturschwankungen ausreichende Empfindlichkeit und Stabilität aufweist, sowie möglichst wenig Rückwirkungen auf die zu untersuchende Strömung verursacht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen sowie ein bevorzugtes Verfahren zun, Herstellen eines solchen Widerstandes sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit dem vorliegenden temperaturabhängigen elektrischen Widerstand können Temperaturänderungen mit Größen bis herunter zu mindestens 0,01 K und mit Frequenzen bis mindestens 5 kHz gemessen werden. Die gewendelte Leiterbahn bildet eine große Kühlflä-

maxima! zulässige

ehe, so daß die Werte für die
Verlustleistung relativ hoch liegen.

Im Vergleich zu den bekannten Hitzdraht- und f-ieißfilmsonden ergibt sich bei Verwendung des vorliegenden Widerstandes in einem mit konstantem Strom oder konstanter Temperatur arbeitenden Strö inungsgeschwindigkeits-ivießierat der Vorteil, daß man bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstand und dem umgebenden Medium ein größeres elektrisches Ausgangssignal ernälL Dies ist besonders bedeutungsvoll für Messungen, bei denen nur _eine kleine Übertemperatur der Leiterbahn gegenüber dem strömenden Medium erlaubt ist. Kleine Temperaturdifferenzen sind auch hinsichtlich der Vermeidung von Störungen durch die natürliche Konvektionsstörung um die Meßsonde vorteilhaft.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden temperaturabliängigen Widerstände besteht in der relativ geringen Abhängigkeit der Amplitude des elektrischen Ausgangssignals von der Frequenz dei Temperaturschwankungen.

Die vorliegenden Widerstände lassen sich für Widerstandsthermometer, für Heißfilmsonden zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, als Meßfühler für Wärmeimpuls-Laufzeit-Meßgeräte (s. z.B. Bradbury, L. J. S. und I. P. Castro: j. Fluid. Mech., 49 [1971], Teil 4, S. 657 bis 691) und als wärmeempfindlicher Sensor für Infrarotdetektoren (wobei dann die Oberfläche der Leiterbahn geschwärzt sein kann) usw. verwenden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Leiterbahn für ein Ausführungsbeispiei der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine !.eiterbann gemäß Fig. 1 enthält (der Schnitt durch die Leiterbahn verläuft entsprechend der Linie A -A in Fig. 1),

F i g. 3 eine vergrößerte Teilansicht von F i g. 2 und

Fig.4 eine etwas vereinfachte, perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 2.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel 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 Anschlußelektroden 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 korrosionsbejtändig ist.

Die Empfindlichkeit feines als Widerstandsthermometer dienenden temperaturabhängigen Widerstandes ist durch die folgende Beziehung gegeben:

II

Der maximal mögliche Meßstrom /ergibt sich aus der höchstmöglichen Wärmeleistung

worin Δ Vdie Ausgangsspannungsänderung ist, die sich bei einer Temperaturänderung Δ Tergibt, und worin tx den Temperaturkoeffizienten des Leiter- oder Widerstandsmaterials, /den den Widerstand durchfließenden (als konstant vorausgesetzten) Meßstrom und R den elektrischen Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes bedeutet.

N = I¹- R.

die bei einer maximal erlaubten Ühertemperatur gerade noch abgeführt werden kann. Dementsprechend kann / ersetzt werden durch

(N V^y-.

I - max \

KrJ

und man erhält

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

j> erwähnt, gut geeignet, da das mit Gold erzielbare Produkt λ · /?'/2 mit dem vergleichbar ist, das mit 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 Anschlußelektroden 12 bildet, kann eine Dicke von z. B. 0,1 μπι haben. Die Breite der Leiterbahn 10 (also die Abmessung längs der Schnittlinie A-A in Fig. I) kann

z. B. 80 μηι betragen.

Die die Leiterbahn 10 und die Anschiußclektroden 12 bildende dünne Schicht aus Gold oci. dgl ist auf einer dünnen Folie 14 angeordnet. Die dünne ί olie J4 besteht vorzugsweise aus einem polymeren Kunststoff, insbesondere Polykarbonat. und soll möglichst dünn sein sowie eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit haben. Eine handelsübliche, 2 μηι dicke Polykarbonatfolie hat sich gut bewährt.

Die dünne Folie 14 ist an einem Tragkörper 16 befestigt, der z. B. aus einem etwa 1 mm 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 50 μΐη betragen. Die Vertiefung 20 hat also wie die Leiterbahn 10 eine gewundene, insbesondere schlangen- oder wellenlinienartige Form.

Die luftgefüllte Vertiefung 20 bildet eine Wärmesperre zwischen dem System Leiterbahn 10 — Folie 14 einerseits und dem massiven Tragkörper 16 andererseits.

An die Anschlußelektroden 12 sind nicht dargestellte Zuleitungen angebracht, von denen die eine elektrisch an den Tragkörper 16 angeschlossen sein kann.

Die Vertiefung 20 im Tragkörper 16, die hinter der Folie 14 genau der schlangenförmigen Leiterbahn 10 folgt, wird vorzugsweise durch ein photochemisches oder photolithographisches Verfahren unter Zuhilfenahme 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 16 mit s der eingeätzten Vertiefung 20 herzustellen, dann die Folie 14 durch Aufspannen und Kleben am Tragkörper 16 zu befestigen und auf der Folie 14 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 für die Leiterbahn 10 und die Anschlußelektroden 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 (letzterer in dünner Schicht hergestellt durch Aufdampfen auf eine metallische Trägerfolie, die anschließend, z. B. durch Ätzen, entfernt wird).

Die an Hand der Zeichnung beschriebene Ausführungsform der brl'indung, bei der die von der Trägerfolie 14 überspannte Ausnehmung eine flache Vertiefung 20 mit einer im Vergleich zur Breite relativ kleinen Tiefe ist. die in ihrer Form der Form der Leiterbahn 10 genau entspricht (siehe insbesondere F 1 g. S). 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 auftrete;., die unerwünschte Widerstandsänderungen zur Folge haben könnten, welche auf denselben Effekten beruhen, wie sie bei den sogenannten Dehnungsmeßstreifen nutzbar gemacht werden.

Der oben für die Dicke der vorzugsweise verwendeten Goldschicht angegebene Wert von etwa 0,1 μηι kann unterschritten werden, wenn Aufdampfverfahren und -apparaturen zur Verfugung stehen, die 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 μΐη und darüber wünschenswert sein, z. B. bei der Verwendung des vorliegenden Widerstandes als Heißfilmsonde mil elektronischen Geräten, die für die bisher bekannter Heißfilmsonden bemessen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 23

1. Temperaturabhängiger elektrischer Widerstand piit einer mäanderförmigen Leiterbahn aus einem JViderstandsmatcriai mit von Null verschiedenem "Temperaturkoeffizienten, die auf einer dünnen Isolierenden Folie angeordnet ist, und mit einem Tragkörper für die Folie, der an einer der Folie fugewandten Fläche Vorsprünge, die die Folie ι ο tbstützen, sowie einen vertieften Bereich, der von 4er Folie überspannt wird, aufweist, dadurch {ekennzeichnet, daß der Tragkörper (16) die orm eines Stabes mit zylindrischer Oberfläche hat «nd daß der vertiefte Bereich (20) dieser Oberfläche fine der Leiterbahn (10) kongruente Mäanderform kat und mit der Leiterbahn (10) wuchtet

2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (16) aus Kupfer besteht.

3. Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (10) aus Gold besteht.

4. Widerstand nach Anspruch 1. 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (14) aus einer mineralischen Substanz besteht.

5. Widerstand nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (14) aus einem polymeren Kunststoff besteht.

6. Widerstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (14) aus Polycarbonat besteht.

7. Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vertiefte Bereich (20) im Tragkörper (16) im Vergleich zu seiner Breite relativ flach ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines '.emperaturabhängigen elektrischen Widerstandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (10) im Vakuum durch eine Schablone hinaurch auf die Folie (14) aufgedampft wird und daß der vertiefte Bereich (20) im Tragkörper (16) durch ein photolithographisches Ätzverfahren unter Verwendung derselben Schablone hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der vertiefte Bereich (20) im Tragkörper (16) gebildet wird, daß dann die Folie (14) auf dem Tragkörper befestigt wird und daß schließlich die Leiterbahn (10) auf die am Tragkörper befestigte Folie aufgedampft wird.