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Elektrischer Schichtwiderstand mit niedrigem Temperaturkoeffizienten
Die Erfindung betrifft einen Schichtwiderstand mit niedrigem Temperaturkoeffizienten
des Widerstandswertes (nachstehend als Widerstandstemperaturkoeffizient oder einfach
Temperaturkoeffizient bezeichnet).
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Kleinwiderstände für Elektronenrechner, Meßinstrumente, Nachrichtengeräte
und dergleichen werden im allgemeinen als Dünnschichtwiderstände oder Drahtwiderstände
ausgeführt. Um einen niedrigen Temperaturkoeffizienten zu erreichen, verwendet man
Legierungen mit niedrigem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes.
Die Eigenschaften der Dünnschichtwiderstände, die durch Vakuumverdampfung oder Kathodenzerstäubung
hergestellt sind, weichen in vielfacher Hinsicht
von denjenigen
der massiven Metalle ab. Dies gilt insbesondere auch für die Temperaturstabilität.
So zeigen Dünnschichtwiderstände Temperaturkoeffizienten von mehreren 10 bis mehreren
100 x 6/oC im positiven oder negativen Sinne und es ist sehr schwierig, den Wert
des Temperaturkoeffizienten unter diese Grenze herabzudrücken.
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Da andererseits ein Drahtwiderstand stets ein dreidimensionales Gebilde
darstellt, ist seine Eigeninduktivität so hoch, daß die Verwendung des Widerstandes
im Hochfrequenzbereich auf zunehmende Schwierigkeiten stößt. Auch ist es nahezu
unmöglich, Widerstände mit einer Schwankungsbreite des Temperaturkoeffizienten von
weniger als + 5 x 10 6/°C zu fertigen.
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Es sind schon gewisse Maßnahmen zur Verringerung des Temperaturkoeffizienten
derartiger Widerstände bekannter Art druckschriftlich vorgeschlagen worden, z.B.
in den US-Patentschriften 3 405 381 und 3 517 436.
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Gemäß der in diesen Patentschriften vorausgesetzten Technik wird eine
Folie mittels eines Kunstharzklebers auf einen Träger aufgebracht. Das Kunstharz
erzeugt eine einseitige Wärmespannung, wodurch eine Durchbiegung des Trägers auftritt.
Um diese Erscheinung zu vermeiden, wird in den erwähnten Patentschriften empfohlen,
auch auf die andere Oberfläche
des Trägers das gleiche Kunstharz
in der gleichen Dicke aufzubringen, so daß die durch den Kunstharzkleber auf den
Träger ausgeübte Biegekraft ausgeglichen wird.
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Werkstoff und Bemessung der Kunstharzschicht sind infolgedessen starken
Beschränkungen unterworfen und die Fertigungsbedingungen sind sehr schwierig einzuhalten.
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Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Schichtwiderstand mit niedrigem Temperaturkoeffizienten bereitzustellen, der
von den genannten Nachteilen frei ist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch Auswahl des Werkstoffs der Metallfolie
derart erreicht, daß die linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metallfolie und des
Trägers in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen, und zwar soll erfindungsgemäß
der Unterschied zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metallfolie und
des isolierenden Trägers 26#is 66 x 10-6 /°C betragen.
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Es hat sich gezeigt, daß bei Einhaltung dieser Bedingung ein Temperaturkoeffizient
des Schichtwiderstandes im Bereich zwischen -3 und +3 x 10 6/oC garantiert werden
kann.
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Werkstoffkombinationen, welche die erwähnte Bedingung erfüllen, sind
leicht auffindbar. Vorzugsweise besteht die Metallfolie
aus einer
Nickelchromlegierung mit 90 bis 70 % Nickel, Rest Chrom und gegebenenfalls andere
Zusätze. -Als Träger hierfür sind beispielsweise Borsilicatglas, Natriumsilicatglas,
und Aluminiumoxid geeignet.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand
der Zeichnung beschreben. Hierin zeigen: Fig. 1 eine Wärmebehandlungskurve eines
erfindungsgemäßen Schichtwiderstandes; Fig. 2 ein Beispiel für die Aufteilung des
isolierenden Trägers; Fig. 3 eine Darstellung des Musters der auf dem Träger aufgebrachten
Metallfolie; Fig. 4 und 5 Diagramme der Widerstandsänderung in Abhängigkeit von
der Temperatur für verschiedene erfindungsgemäße Schichtwiderstände und Fig. 6 die
Beziehung zwischen dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und der Differenz
der linearen Ausdehnungskoeffizienten der Metallfolie und des isolierenden Trägers.
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Zur Herstellung eines Schichtwiderstandes mit den gewünschten Eigenschaften
wird folgendermaßen vorgegangen: Eine Nickel-Chromlegierung wird in bekannter Weise
auf eine Dicke von etwa 1 bis 10 Vm ausgewalzt. Die Legierung hat ein Gewichtsverhältnis
von 90/10 bis 70/30 Nickel zu Chrom.
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Als Zusätze können Cu, Al, Si und Mn verwendet werden, um den Widerstandstemperaturkoeffizienten
und den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Legierung zu beeinflussen.
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Vorzugsweise werden folgende Mengen der Zuschläge in Gewichtsprozent
verwendet: Cu 2 bis 5 % Al 0,5 bis 3 % Si 0,5 bis 2 % Mn 0,5 bis 4 %.
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Auf diese Weise erhält man den gewünschten linearen Ausdehnungskoeffizienten
von etwa 136 x 107/0c. Die so hergestellte und gewalzte Metallfolie wird dann im
Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre wärmebehandelt. Es empfiehlt sich, die Wärmebehandlung
gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Zyklus vorzunehmen, bei dem die Folie 3 Stunden
lang auf etwa 6000C gehalten wird.
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Als isolierender Träger wird ein Material verwendet, dessen
linearer
Ausdehnungskoeffizient im Bereich 40 bis 125 x 10-7 /°C liegt, also kleiner als
derjenige der Metallfolie ist. Hierzu eignen sich beispielsweise Borsilikatglas,
gesintertes Aluminiumoxid, Natriumsilikatglas usw. Die Beziehung zwischen der Dicke
des Trägers und derjenigen der Metallfolie ist vorzugsweise so gewählt, daß der
Träger 100 bis 1000mal so dick ist wie die Metallfolie.
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Zum Verbinden der Folie mit dem Träger wird ein Klebstoff in dünner
Schicht auf den Träger aufgebracht. Die Dicke der Klebstoffschicht beträgt vorzugsweise
etwa 10 µm; der Klebstoff besteht vorzugswei-se aus einem wärmehärtbaren Kunstharz.
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Wie erwähnt, soll die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten ß des
Trägers und der Metallfolie zwischen 26 und 66 x 10-7/°C liegen. Wenn diese Differenz
größer als 66 x 10 7/°C ist, erhält man keinen besseren Temperaturkoeffizienten
als bei den bekannten Schichtwiderständen; dasselbe gilt, wenn die Differenz kleiner
als 26 x 10-7 /°C ist, Die in der erwähten Weise mit dem Träger verbundene Metallfolie
wird nun gemäß dem gewünschten Muster der einzelnen Widerstände geätzt. Dann wird
der Träger zerschnitten und an die einzelnen stehengebliebenen Folienteile.werden
Anschlußdrähte
(z.B. verzinnte Kupferdrähte mit einem Durchmesser
von 0,16 mm) angeschweißt. Das Erzeugnis wird durch Trimmen auf den Sollwiderstand
eingestellt. Schließlich wird das fertige Widerstandselement in ein Phenolkunstharz
oder Epoxyharz eingebettet.
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Beispiel: Eine Nickel/Chromlegierung mit einem Nickel/Chrom-Verhältnis
85/15 und 4% Cu, 2% Al, 1% Si und 1% Mn (alles nach Gewicht) wurde zu einer 3 pm-dicken
Folie ausgewalzt und anschließend gemäß Fig. 1 wärmebehandelt. Ein Träger mit den
Abmessungen 48x48x0,6 mm aus gesintertem Aluminiumoxid (siehe Fig. 2) wurde mit
einem denaturierten Epoxyharz vom Bisphenoltyp dünn bepinselt und dann wurde die
erwähnte Metallfolie aufgebracht. Dieses Produkt wurde in Quadraten von 6x6 mm gemäß
dem in Fig. 3 gezeigten Muster geätzt. Hierbei bedeutet 1 den Träger, 2 den isolierenden
Teil, 3 den beim Ätzen stehengebliebenen Metallteil, 4 und 5 die Anschlußzonen des
Schichtwiderstandes, 6 und 7 die durch Punktschweißen mit den Anschlußzonen verbundenen
Anschlußdrähte. Die Anschlußdrähte bestehen aus verzinntem Kupferdraht mit 0,16
mm Durchmesser.
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Die Widerstandsänderung des fertigen Widerstandes in Abhängigkeit
von der Temperatur ist in Fig. 4 dargestellt.
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In Tabelle 1 sind die Ergebnisse für verschiedene Mischungsverhältnisse
der
Legierung und verschiedene Trägerwerkstoffe zusammengestellt.
Tabelle
1
| U |
| o |
| o o |
| II # U |
| h I |
| F(I hll NO |
| <i O c O m |
| IX |
| X X |
| L\0 |
| o w O qq c) 44 cJ |
| a)0 Q)O 9)0 |
| I OII I 0\ I 0\ |
| ,X0 FD j0 |
| Linearer Ausdehnungs- |
| koeffizient > der Metall |
| X 4 4J Z s~ JJ z |
| ur m « g4 4 |
| PD ILI 111 |
| 00 \0 1 Orl 11 8 U rl p) U |
| m a, 6 p a, ; P : E P |
| *,1 Ausdehnungs- 100 x ,1 x d)rlN 136 x 107/0c |
| koeffizient I 3 JJ N des |
| U 0O C) |
| 0 0 |
| II W LI |
| e | 40 x cs 10 Widerstands- Widerstands- Widerstands- |
| I ~ I~ X 1- X |
| aa ao 2 X tlD |
| rs zient (10 ------ |
| .,1 Brl 60 x 10 IC( |
| W1 W1 W1 |
| U 44 Q qq Q qq Q |
| I 79 x 10 / C Wderstandstem - Widerstands- 2 = Widerstands-
- = |
| I O I O ~ I O ~ |
| O 19 .!D 1 27 |
| I II )* $II |
| zient (l06/C):1 ' a zient 0 b C): a zient (10 0 \o |
| 0 - (d , + id +r Id L)c + |
| oO bis ç 30 x 10 U -1 bis +1 48x10 1 c -2 bis +2 |
| X o ui |
| Oorl |
| ao g i O P a Q 6 P Q P |
| ~ e E3 0 fa F; al X S o |
| Natriumsilikat i , i |
| glas 110 x N c zu +1 N = zu> 4 N 2 - temperaturo0effi- I
- - |
| 0O 0O zient (106l0C): U O |
| cslo -10 x 10 1 c -6 ar'9 1° |
| e bis I I X |
| U I X I X |
| O ~ O |
| O çQ O e ~ |
| < al tD - n |
| C>l 10 I ~ « |
| ts X X I JJ | tH\O I JJ O |
| rv g S a - r U1 r S a -~ |
| O a S Uo a 00N n n @+ |
| O qs 4*,1 O+ ns + X |
| ~ td NO JJ 14 ' Jj tll NO |
| Sk xrl ~U tD n S srl ~*rl |
| S4 X q4s S 4J JJ Br S4 X qq |
| «11 Pew I , « I g » a P9sl I |
| X E f 0 X S X e @00 |
| ." a) o f cs -l @ O ~ ~ |
| > X > P N I 3 4 |
| H C; U C) |
| H O O O |
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| C) 11 l l 10 |
| ':Z Si goN ~ ~ ~ |
| b a e X X X |
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| cs nl q4 a) , /s4 < 4 a 3 |
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| O -1 o o / :4 S 68 > Z |
| c) G X q4 / s4 o ah, I 4 < |
| 1 / Eq m C) < z; t0 |
In dieser Tafel wurde der Temperaturkoeffizient durch Messung
der Widerstandswerte bei den Temperaturen -550C, +25 0C und 1250C und Wahl des Wertes
bei 250C als Bezugswert berechnet.
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Wie Tabelle 1 zeigt, kann der Temperaturkoeffizient bemerkenswert
niedrig gemacht werden, falls die Differenz der linearen Ausdehnungskoeffizienten
ß1 1 und ß2 der Metallfolie und des isolierenden Trägers in einem bestimmten Bereich
liegt.
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Fig. 5 zeigt Beispiele für den Temperaturkoeffizienten des Schichtwiderstandes
aus der erwähnten Legierung (Ni/Cr wie 85/15) für verschiedene Träger. Wie man sieht,
ändert sich der Temperaturkoeffizient mit dem linearen Ausdehnungskoeffizienten
ß des Trägers. Ist der Ausdehnungskoeffizient der Metallfolie ß1 1 und der Ausdehnungskoeffizient
des Trägers so 50 erhält man für die Beziehungen zwischen der Differenz dieser Werte
(ßl ~ ß2) und dem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes die Kurve der Fig. 6.
Das schraffierte Gebiet zeigt den Bereich, der zur Herstellung eines Flächenwiderstandes
mit niedrigem Temperaturkoeffizienten gemäß den obigen Darlegungen ausgenutzt werden
kann.