DE2740021A1

DE2740021A1 - Elektrische bauelemente

Info

Publication number: DE2740021A1
Application number: DE19772740021
Authority: DE
Inventors: William Gurney Dorfeld
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1977-09-06
Publication date: 1978-04-06
Also published as: JPS5342351A; US4079349A; JPS5952521B2

Description

ALEXANDER R. HERZFELD β Frankfurt α. μ. 90

RECHTSANWALT £ ZEPPEUNALLHE 71

BB DEM LANDQEiBCHT FRANKFURT AM MAIN TELEFON 0611/779126 9 7 40021

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N.Y., U S A

Elektrische Bauelemente

Die Erfindung betrifft elektrische Bauelemente, z.B. Widerstände, Heizelemente und dergl., mit auslegbarem Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes.

Es gibt zur Herstellung elektrischer Bauteile, insbesondere Widerstände, Heizelemente und dergl. geeignete Stoffe, die besonders günstige Eigenschaften, wie z.B. vorteilhafte Widerstands- und Wärmedehnungswerte, aber ungünstige Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes besitzen. So ist z.b. Silizium wegen seiner vorteilhaften Wärmedehnung, Wärmeleitfähigkeit und Widerstandseigenschaften besonders als Auftragsschicht auf Grlaskeramikunterlagen niedriger Dehnung beispielsweise zur Herstellung elektrischer Heizelemente geeignet. Der negative Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes von Silizium erfordert jedoch eine strombegrenzende Versorgung zwecks Vermeidung eines bei steigender Wärme drohenden Durchgangs.

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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung derartig aufwendige Strombegrenzungen durch einstellbare und auslegbare Gesamttemperaturkoeffiziente des elektrischen Widerstandes elektrischer Bauteile entbehrlich zu machen.

Diese Aufgabe wird durch das elektrische Bauelement der Erfindung dadurch gelöst, daß auf einer Schicht aus einem Widerstandsmaterial mit gegebenem Temperaturkoeffizient des Widerstandes im Abstand zueinander zwei streifenförmige Anschlüsse angebracht, und mit je einem von ihnen in einem Winkel zu diesen und in einem kleineren Abstand als der zwischen den Anschlüssen zwei Streifen aus einem Widerstandsmaterial mit einem von dem der Schicht verschiedenen Temperaturkoeffizienten des Widerstands verbunden sind.

Weitere günstige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.

An Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter Aueführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt perspektivisch als Beispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Bauteils einen Widerstand in Flachbauweise.

Die Figur 2 erläutert schematisch die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Widerstands.

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Die Figur 3 zeigt von oben betrachtet eine Ausbildung mit fächerartig ineinandergreifenden streifenförmigen Anschlüssen und Widerstandsstreifen.

Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausbildung eines flachen Widerstands im Querschnitt.

Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Widerstand in Zylinderform.

Auf die dielektrische Unterlage, Platte und dergl. 10 aus nichtleitendem Material, z.B. Glas, Keramik, Glaskeramik, Kunststoff und dergl., oder leitendem Material mit einer Isolierschicht, ist eine Schicht 12 aus elektrischem Widerstandsmaterial aufgebracht.

Auf der Schicht 12, an den längeren Enden der hier rechteckigen Anordnung sind zwei Streifen 14, 16 aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, und mit ihnen verbunden an den kürzeren Enden des Rechtecks die elektrischen Anschlußstreifen 18 und 20 angebracht. Mit den Letzteren sind die Anschlußleitungen 22, 24 elektrisch verbunden. In der gezeigten Ausbildung bestehen die Anschlußstreifen 18, 20 aus dem gleiohen Material wie die Streifen 14, 16, sind aber von geringerer Dicke, und entsprechend niedrigerem Widerstand. Bei entsprechend niedrigem Widerstand der Anschlußstreifen 18, 20 können die Leitungen 22, 24 auch an nur einer Stelle derselben befestigt werden, anstatt über die ganze Streifenlänge, wie dies

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in der Figur 1 gezeigt ist. Ferner kann bei Ausbildung der Schicht in selbsttragender Bauweise bzw. aus entsprechendem Material, die Grundplatte 10 entfallen.

Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands der Schicht 12 kann positiv oder negativ sein, soll aber i.d.R. das umgekehrte Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten der Streifen 14, 16 haben, damit ein Gesamttemperaturkoeffizient des Widerstands des Bauteils von Null erreicht wird. In einigen Fällen können beide Koeffizienten auch positiv, oder beide negativ, aber von unterschiedlicher Größe sein.

Beispiele eines Materials mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizient des Widerstandes sind Kohlenstoff, Silizium, Siliziumkarbid u.s.w. (negativ), bzw. Metalle und Legierungen wie Nickel-Aluminium, Nickel-Chrom u.s.w. (positiv).

Zur beispielsweisen Erläuterung der Wirkungsweise sei ein negativer Temperaturkoeffizient der Schicht 12, und ein positiver Koeffizient der Streifen 14, 16 angenommen. Der Stromfluß durch die Schicht 12 enthält eine durch die Pfeile 26 bezeichnete quer verlaufende Komponente, und ein durch die gestrichelte Linie 28 angedeutete Längskomponente bei gegebener Temperatur. Steigt die Temperatur, z.B. infolge des Stromflusses durch den Widerstand, oder äußere Einflüsse, in der Schicht 12' und den Streifen H', 16', so steigt der Widerstand der Streifen und die Stromkomponente 26 nimmt ab..Da die Hauptkomponente des

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Stromflusses von dem vergleichsweise kurzen und breiten Strompfad zwischen den Streifen 14', 16', auf den längeren und schmaleren Strompfad zwischen den Anschlußstreifen 18', 20', übergeht, würde der Gesamtwiderstand steigen, wenn nicht der negative Koeffizient der Schicht 12' den Schichtwiderstand und damit die Stromkomponente 28 erhöhte. Durch geeignete Auswahl des Materials für die Schicht 12 und die Streifen H, 16, sowie deren Abmessung läßt sich ein Gesamtwiderstand von annähernd Null einstellen.

Außer dieser vollen Kompensation läßt sich mit der erfindungsgemäßen Bauweise auch der Widerstand beispielsweise eines Heizelementes so einstellen, daß der Widerstand bei der Betriebstemperatur seinen kleinsten Wert hat. Durch die natürliche Strombegrenzung eines solchen Heizelemtes wird gleichzeitig die Höchsttemperatur begrenzt.

Ein weiterer Vorzug ist die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Bauteile, Widerstände u.s.w. heiße Stellen im Widerstandsmaterial mit einem negativen Temperaturkoeffizient des Widerstandes zu zerstreuen. Bei Entwicklung einer heißen Stelle sinkt der Widerstand und eine größere Strommenge fließt durch die Heißstelle. Bei entsprechend dichter, die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit negativem Temperaturkoeffizient berücksichtigenden Anordnung der Widerstandsstreifen fließt die Wärme von der Heißstelle zu den benachbarten Streifen aus Material mit positivem Temperaturkoeffizient, welcher bei Erhitzung einen höheren Widerstand bekommt, sodaß der Strom durch die Heißstelle

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abnimmt und die Wärmeenergie gestreut wird.

Wie die Figur 3 andeutet, können die Widerstandsstreifen die vielfach verbundene fächerartig ineinandergreifende Anordnung der Streifen 32, 34 auf der ersten Schicht zeigen. Die Anschlußstreifen 32, 34 schließen die Widerstandsstreifen an die Stromquelle an.

Nach einer weiteren, in der Figur 4 dargestellten Ausgestaltung können die Widerstandsstreifen 44 zwischen zwei Schichten 42, 46 aus dem gleichen Widerstandsmaterial angebracht sein. Auf das Substrat 40 wird zunächst die Schicht 42 aus einem ersten Material, auf diese die Streifen 44 aus einem zweiten Material und auf diese und die freien Stellen der Schicht 42 wiederum eine Schicht 46 aus dem ersten Material aufgebracht. Die Streifen 44 können dabei z.B. die fächerförmige Anordnung der Figur 3 haben, oder es können verbundene Drähte aus dem zweiten Material auf der ersten Schicht 4<- angeordnet werden, welche dann mit der Schicht 46 zugedeckt werden. Möglich ist es auch, die erste Schicht 42 ganz wegzulassen und die Schicht oder Drähte 44 unmittelbar auf der Unterlage 40 anzubringen.

Statt flacher Bauteile können auch gekrümmte Unterlagen oder Schichten hergestellt werden. Als Beispiel zeigt die Figur 5 einen zylindrischen Widerstand. Auf einen Zylinder als Grundlage werden die erste Schicht 54 und auf diese die Streifenoder Spiralmuster 54, 56 in ineinandergreifender Anordnung aufgebracht. Die leitenden Abschluß- oder Endkappen 58, 60 verbinden

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- ψ-s

die Leitungen 62, 64 mit den Widerstandsstreifen 52, 54.

Als Beispiel sei noch die Herstellung eines für hohe Temperaturen geeigneten Widerstands beschrieben. Als Unterlage wird hier wegen der hohen Einsatztemperaturen eine Glaskeramik niedriger Dehnung, und als erstes Widerstandsmaterial 12 Silizium gewählt, dessen Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands -0,007/⁰C beträgt. Die Widerstandsstreifen 14, 16 bestehen demgegenüber aus einer 80 % Ni, 20 % Cr enthaltenden Legierung mit positivem Temperaturkoeffizient. Zur weiteren Erhöhung des Temperaturkoeffizienten wird über die Streifen eine dünne Platinschicht aufgebrannt.

Zur Auslegung der Abmessungen dieses Widerstands sind die folgenden Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Der Widerstand soll zwischen Zimmertemperatur und 45O⁰C einen im wesentlichen konstanten Widerstand besitzen. Außerdem soll bei Zimmertemperatur der Widerstand entlang den Streifen 14, 16 sehr viel kleiner als durch die Schicht 12 in Richtung der Pfeile 26 (Figur 2) sein. Bei langgestreckter Bauweise ist der Widerstand entlang dem Strompfad 28 naturgemäß größer als entlang den Pfaden 26· Zur Verhütung heißer Stellen in den Schichtteilen der Schicht zwischen dem Ende des Widerstandsstreifens 14 und Anschlußstreifens 20 einerseits und dem Ende des Widerstandsstreifens 16 und des Anschlußstreifens 18 andererseits soll der Abstand d (Fig. 2) gleich oder größer als Abstand W zwischen den Widerstandsetrtifen sein. Bei 45O⁰C soll der Widerstand der Schicht 12 zwischen den

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Streifen 18 und 20 sehr viel kleiner sein, als der Widerstand entlang den Widerstandsstreifen 14 und 16,

Diese Anforderungen erfüllt z.B. eine Abmessung des Widerstands mit einer 2 χ 4 cm großen Grundplatte aus Glaskeramik, auf die eine 0,03 cm dicke Schicht Silizium mit einer Flamme aufgesprüht wird. Die Widerstandsstreifen aus der Nickel-Chromlegierung 14, 16 werden in L-Form mit einer Breite von 0,4 cm und einer Dicke von 0,5/um durch eine Metallmaske hindurch aus der Dampfphase niedergeschlagen. Auf diese wird eine Platinschicht in Form einer organischen Platinverbindung (z.B. Engelhard-Hanovia Nr. 7450) aufgepinselt. Der Widerstand wird dann 15 Min. bei 900⁰C gebrannt. Zur Vergrößerung der Dicke und damit Erhöhung der Leitfähigkeit wird auf die Anschlußstreifen 18, 20 nochmals Platin aufgepinselt.

Der Gesamtwiderstand dieses Bauelements betrug etwa 120 0hm und zeigte Schwankungen von weniger als 1 % im Temperaturbereich 20 - 45O⁰C, was einem Temperaturkoeffizient von weniger als 2 χ 10"⁵/°C entspricht,

Ein in etwa der Figur 3 entsprechendes Heizelement niedriger Spannung läßt sioh z.B. folgendermaßen anfertigen. Auf eine 12 χ 12 χ 0,5 cm große Glaskeramikplatte niedriger Dehnung als Unterlage 12 wird mit einem Plasmastrahl eine 0,5 mm Siliziumschicht aufgesprüht. Der Widerstand der Siliziumschicht beträgt etwa 5 Ohm/cm. 'Auf die Siliziumschicht wird ein

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Muster fächerartig ineinandergreifender Streifen 32, 34 aus Silber durch eine Maske aus dem Vakuum niedergeschlagen. Mit Aufnahme der nur 0,37 cm breiten Endstreifen haben alle Streifen eine Breite von 0,75 cm; und eine Länge von 9 cm. Durch Aufpinseln einer Paste aus Silberpartikeln wird die Streifendicke vergrößert, bis der Gesamtwiderstand des Bauelements 3-4 Ohm beträgt .

Bei Betriebstemperaturen um 60O⁰C hat das Bauelement einen leicht negativen Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands. Es arbeitet bei hohen Temperaturen mit großer Beständigkeit.

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Leerseite

Claims

- ver -

Patentansprüche

[ 1. Elektrisches Bauelement, Widerstand, Heizelement oder dergl., dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Schicht (12) aus einem Widerstandsmaterial mit gegebenem Tempeiaturkoeffizient des Widerstands im Abstand zueinander zwei streifenförmige Anschlüsse (18, 20) angebracht und mit je einem von ihnen in einem Winkel zu diesen und in einem kleineren Abstand als der zwischen den Anschlüssen zwei Streifen (14, 16) aus einem Widerstandsmaterial mit einem von dem der Schicht verschiedenen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verbunden sind.

2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) auf einer dielektrischen Grundplatte (10) aufgebracht ist.

3. Elektrisches Bauelement nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse im rechten Winkel zu den Streifen angeordnet sind.

4. Elektrische^ Bauelement nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse aus einer Reihe paralleler Streifen bestehen, welche mit den jeweils on den anderen Anschluß angeschlossenen Streifen fächerartig abwechselnd ineinandergreifend angeordnet sind.

- 11 -

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ORIGINAL INSPECTED

- u -2.

5· Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkoeffizienten des Widerstands der Schicht einerseits und der Streifen andererseits das entgegengesetzte Vorzeichen(positiv bzw. negativ) haben.

6. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte gekrümmt, insbesondere zylinderförmig ist.

7. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Silizium besteht .

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