DE2450551C2

DE2450551C2 - Elektrischer messwiderstand fuer ein widerstandsthermometer und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2450551C2
Application number: DE19742450551
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Reichelt
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Sensor GmbH
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1974-10-24
Publication date: 1977-01-13
Also published as: GB1501959A; DE2450551B1; US4028657A; FR2290006B3; FR2290006A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Meßwiderstand für ein Widerstandsthermometer, der auf einem Aluminiumoxidträger eine Zwischenschicht und eine darauf in bestimmtem Muster aufgebrachte Platinwiderstandsschicht aufweist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Auf einem Träger aus nichtleitendem Werkstoff, beispielsweise Glas oder Keramik, durch Hochvakuumverdampfung oder Kathodenzerstäubung aufgebrachte dünne Schichten, beispielsweise aus Platin oder Nickel, für Widerstandsthermometer sind seit langem bekannt (vgl. DT PS 8 28 930).

Obwohl sich in der Folgezeit mehrere Patentschriften und Literaturaufsätze mit der Herstellung von Dünnschicht-Widerstandsthermometern befassen, beispielsweise die CH-PS 5 10 873. die DTOS 23 02 615, die DTOS 2i 27 662, das Buch »Temperature its Measurement and Control in Science and Industry«, Vol.4, part 2, page 1049 ff. und »Journal of Scientific Instruments«, 33, Sept. 1956, pages 338-341, haben sich derartige Widerstandsthermometer in der Technik nicht eingeführt. Der Grund ist wahrscheinlich darin zu sehen, daß der Temperaturkoeffizient derartiger Dünnschichten im allgemeinen nicht mehr als etwa ein Drittel des Wertes für reines Platin beträgt.

Man hat deshalb in der letztgenannten DT-OS wie 551

auch in der DT-OS 23 27 662 die Lösung darin gesehen, den Leiter, insbesondere aus Platin, in einer Glasphase einzubetten bzw. hermetisch in ihr einzuschließen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine Temperaturbehandlung, die zum Abstellen von Fehlstellen in der Platinschicht notwendig ist, wegen des zu niedrigen Schmelzpunktes von Gläsern nicht möglich ist. Geht man mit der Temperatur über den Schmelzpunkt des Glases hinaus, dann reißt die Platinschicht auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits die fehlende thermische Angleichung zwischen Metall und Unterlage zu überwinden und andererseits die Platinschicht so dick zu machen, daß der Einfluß der freien Weglänge der Leitungselektronen, der sich in einer Erhöhung des spezifischen Widerstandes und einer Erniedrigung des Temperaturkoeffizienten äußert, noch zu vernachlässigen ist und wobei noch die folgenden Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften der Zwischenschicht zu enüllen sind:

Die Zwischenschicht muß fest mit dem Aluminiumoxid-Substrat verbunden sein, ohne mit dem Aluminiumoxid Mischkristalle zu bilden, die den für das Platin geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Zwischenschicht wieder zunichte machen, und die Komponenten der Zwischenschicht dürfen bei der Ausheilungstemperatur nicht mit Platin reagieren, da jede Verunreinigung des Platins den Temperaturkoeffizienten erniedrigt. Die Zwischenschicht auf dem AbOi muß ferner frei von Rissen und Oberflächenfehlern und chemisch genügend stabil sein.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem elektrischen Meßwiderstand für ein Widerstandsthermometer der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß darin, daß die Zwischenschicht aus einem Oxid oder einer Mischung von Oxiden aus der Gruppe seltene Erden, Titan und Eisen besteht und eine Dicke zwischen 0,1 und 10 μΐη aufweist und die 0,1 bis 10 μιη dicke Widerstandsschicht aus einer während einer Zeitdauer von 1 bis 20 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400⁰C aufgeheizten Platinschicht besteht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und Verfahren zur Herstellung des elektrischen Meßwiderstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß durch die erfindungsgemäße Zwischenschicht nicht nur der thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen Platin und Träger angeglichen werden kann, sondern auch die vorgenannten Anforderungen erfüllt werden können. Darüber hinaus ist die Schichtdicke des Platinwiderstandsmaterials so gewählt, daß der Einfluß der freien Weglänge der Leitungselektronen, der sich in einer Erhöhung des spezifischen Widerstandes und einer Erniedrigung des Temperaturkoeffizienten äußert, noch zu vernachlässigen ist. und diese Schicht ist rein und frei von Fehlstellen.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und rein schematisch dargestellt.

F i g. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Meßwiderstand in Draufsicht

F i g. 2 den Meßwiderstand im Längsschnitt.

Wie der Zeichnung zu entnehmen, besteht der Meßwiderstand aus einem Substrat 1, z. B. aus Aluminiumovid (AhOj) oder ähnlichem keramischen Trägermaterial. Auf diesem Substrat 1 ist die Widerstandsbahn 2 aus Platin in Mäanderform oder anderer geeigneter Windungsform auf eine Zwischenschicht 3 aufgebracht. An den Enden ist der Widerstand mit Elektroden 4 und

5 verbunden, die sich bevorzugt über eine Schmalseite des; Substrats erstrecken und nach dem gleichen Verfahren aufgebracht sind wie die Widerstandsbahn 2. Als besonders vorteilhaft hat sich hier das Aufdampfen mittel« Elektronenstrahlbeheizung erwiesen. Dieses Verfahren ergibt die weitaus geringsten Verunreinigungen.

Die Zwischenschicht 3 besteht aus einem Oxid oder Mischungen von Oxiden aus der Gruppe der Seltenen Erden, ζ. B. Lanthanoxid, Yttriumoxid, Ceroxid und Titanoxid (TIO2) bzw. Eisenoxid (Fe>Oj). Bei Verwendung dieser Metalloxide bzw. Metalloxidgemische ergibt sich die geringste Abweichung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Widerstand und Träger.

Bewährt hat sich eine Schichtdicke der Zwischenschicht 3 im Bereich von 0,1 bis 10 μηι, bevorzugt zwischen 0,5 und 5 μιτι.

Als Schichtdicke des aufgebrachten Musters des PIatinimeßwiderstandes hat sich besonders eine Dicke von 0,1 bis 10 μπι bewährt. Dabei ist besonders vorteilhaft eine Schichtdicke im Bereich von 1 bis Z μηι.

Ein derart beschichtetes Substrat wird nach dem Aufbringen aller Schichten bzw. Muster in einem Ofen mehrere Stunden bei einer Temperatur von 1000 bis 1400⁰C wärmebehandelt. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Zeitdauer von 3 Stunden und eine Temperatur von etwa 1100⁰C erwiesen.

Es ist möglich, auch andere Verfahren der Metallabscheidung anzuwenden, sofern sie die Anforderungen an die Reinheit der abgeschiedenen Schicht bzw. des

ro abgeschiedenen Musters erfüllen. Dies trifft jedenfalls für die Widerstandsschicht zu. Die Zwischenschicht ist bei dem erfindungsgemaßen Meßwiderstand bevorzugt durch Elektronenstrahlbcdampfung oder Hochfrequenzzerstäubung aufgebracht.

Selbstverständlich kann der eriindungsgemäße Meßwiderstand auch von einer temperaturbeständigen Deckschicht, z. B. aus Epoxydharz, Glas oder Mctalloxiden vorzugsweise durch Aufdampfen, überzogen sein, die in besonderen Anwendungsfällen gegen chemische Angriffe, z. B. aggressiver Medien, widerstandsfähig macht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 24

1. Elektrischer Meßwiderstand für ein Widerstandsthermometer, der auf einem Aluminiumoxidträger eine Zwischenschicht und eine darauf in bestimmtem Muster aufgebrachte Platinwiderstandsschicht aufweist, um einen Temperaturkoeffizienten der Platinschicht zu erzielen, der dem Temperaturkoeffizienten des massiven Platins entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus einem Oxid oder einer Mischung von Oxiden aus der Gruppe seltene Erden, Titan und Eisen besteht und eine Dicke zwischen 0,1 und 10μπι aufweist und die 0,1 bis ΙΟμπι dicke Wider-Standsschicht (2) aus einer während einer Zeit von 1 bis 20 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400°C aufgeheizten Platinschicht besteht.

2. Elektrischer Meßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platin-Widerstandsschicht 0,5 bis 5 μίτι beträgt.

3. Elektrischer Meßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht 1 bis 3 μπι beträgt.

4. Elektrischer Meßwiderstand nach einem der 2s Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinwiderstandsschicht auf eine Temperatur von etwa 1100⁰C erhitzt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinwiderstandsschicht mittels Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht wird.

6. Elektrischer Meßwiderstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Elektronenstrahlverdampfung oder Hochfrequenzzerstäubung aufgebracht wird.