DE3033028A1

DE3033028A1 - Praezisionswiderstand und verfahren zu dessen herstellung.

Info

Publication number: DE3033028A1
Application number: DE19803033028
Authority: DE
Inventors: Felix Dr. Philadelphia Pa. Zandmann
Original assignee: Vishay Intertechnology Inc
Current assignee: Vishay Intertechnology Inc
Priority date: 1979-09-04
Filing date: 1980-09-02
Publication date: 1981-03-12
Also published as: FR2464542A1; JPS5650501A; GB2057775A; GB2057775B; FR2464542B1; US4318072A

Description

Präzisionswiderstand und Verfahren zu dessen Herstellung

Priorität: 4. September 1979 U.S.A. 072,005

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Bauelement, insbesondere einen Widerstand, und insbesondere einen Hochpräzxsionswiderstand, der einen Metallfilm aus Widerstandsmaterial aufweist, der geätzt ist, um einen langgestreckten, gewundenen Streifen zu bilden, der durch ein Substrat getragen ist.

Ein solcher Widerstand ist in den US-PS 3,405,381 und 3,517,4-36 beschrieben.

Eine der Eigenschaften, die ein Präeisionswiderstand dieser Art aufweisen soll, besteht darin, daß er einen so niedrig wie möglichen Widerstandstemperaturkoeffizienten hat. Ein Weg zu diesem Ziel, der auch in den oben genannten US-Patentschriften offenbart ist, besteht darin, eine geeignete Auswahl des Metallfilms, des Substrats und des Materials, das den Film an dem Substrat befestigt bzw. klebt, zu treffen.

Insbesondere ist es bekannt, beispielsweise einen Nickel-Chrom-Metallfilm zu verwenden, in d*a der gewünschte gewundene Weg gebildet wird. Dieser Film hat, bevor er an dem Substrat befestigt wird, einen eigenen Widerstandstemperaturkoeffizienten, beispielsweise 20 Teile je Million pro Grad Celsius (ppm/°C) bei einem gegebenen Temperaturwert. Die Kennlinie der elastischen Spannung gegen die Widerstandsänderung des Metallfilins, die durch die Gleichung

■ρ» Λ Η elastische Spannung » -Ä- ·

gegeben ist,

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worin E der Elastizitätsmodul des Films, K eine Konstante,

R der Anfangswiderstandswert und Λ fi die Widerstandsänderung sind, ist derart, daß K beispielsweise etwa +2 ist.

Der Metallfilm wird fest auf das Substrat geklebt, so daß die elastische Spannung zwischen dem Metallfilm und dem Substrat im wesentlichen ohne Kriechdehnung übertragen wird. Das Substrat selbst besteht aus einem solchen Material, beispielsweise Glas oder Keramik, daß die Differenz zwischen seinem Expansionstemperaturkoeffizienten (o( _o) und dem des Metallfilms (o( -) beispielsweise im wesentlichen gleich 10 ppm/ C ist.

(λ « kann beispielsweise 16 ppm/°C und (k kann

X S

6 ppm/ C sein, was zu einer Differenz von ((A f - <λ _s) von 10 ppm/°C führt. O\ ist hierbei definiert als Δ1/1 pro ⁰C, wobei Δ1/1 die relative Expansion oder Kontraktion ist.

Als Ergebnis erzeugen Temperaturänderungen durch elastische Spannungen verursachte Widerstandsänderungen in dem Metallfilm entsprechend 2 χ 10 oder 20 ppm/°C (20 χ 10" 0hm pro 0hm pro Grad Celsius). Diese durch elastische Spannungen verursachten Widerstandsänderungen müssen jedoch die entgegengesetzte Richtung zu denen haben, die durch den Temperaturkoeffizienten des Metallfilms selbst verursacht werden. In diesem Fall hat das Substrat einen niedrigeren Koeffizienten der thermischen Expansion als der Metallfilm und folglich wird der Metallfilm so ausgewählt, daß er einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten hat. Eine

gegebene Temperaturänderung erzeugt somit eine Änderung des spezifischen Widerstands des Films, was zu einer Widerstandsänderung in einer Richtung (positiv) führt, während die entsprechende Änderung der durch das Substrat bedingten elastischen Spannung

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eine Widerstandsänderung in entgegengesetzter Richtung (negativ) ergibt.

Wenn diese entgegengesetzten Erscheinungen im wesentliehen gleich gemacht werden, wird eine wesentliche Verringerung der Temperaturempfindlichkeit des Präzisionswiderstands erreicht.

Obwohl die oben beschriebenen bekannten Maßnahmen sehr erfolgreich waren, ist damit nicht gesagt, daß noch weitere Verbesserungen nicht möglich sind. Insbesondere ist anzuerkennen, daß ein Präzisionswiderstand, der praktisch keine Temperaturempfindlichkeit hat, durch die oben beschriebenen Maßnahmen nur genau bei oder in der Nähe eines gegebenen Temperaturwerts hergestellt werden kann.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Widerstandstemperaturkoeffizient dee Metallfilms selbst sich als nichtlineare Funktion der Temperatur ändert, während die Differenz zwischen den Koeffizienten der thermischen Expansion des Substrats und des Films, welche die durch die elastischen Spannungen verursachten entgegengesetzten Änderungen erzeugt, sich als im wesentlichen lineare Funktion der Temperatur ändert. Mit Ausnahme eines relativ schmalen Temperaturbereichs um den optimalen Wert ist als Ergebnis der Widerstand auf Temperaturänderungen empfindlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Präzisionswiderstand der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine verringerte Temperaturempfindlichkeit • über einen weiteren Bereich der Temperatur als bisher aufweist.

Der Präzisionswiderstand soll praktisch einen Temperaturkoeffizienten von Null bei mehr als einem Temperaturwert aufweisen.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch, gelöst, daß für das Substrat des Präzisionswiderstands nicht eine einzelne Materialplatte, beispielsweise -ius Keramik, Glas oder Metall, sondern ein geschichteter Aufbau verwendet wird. Dieser zusammengesetzt« Aufbau weist einen Teil oder eine Schicht auf, die aus sehr festem Material, beispielsweise übliche Keramik, besteht, und einen weiteren Teil oder eine Schicht, die aus Kunststoff, wie beispielsweise Epoxy, besteht.

Der Kunststoff und die Keramik sind durch Zusammenkleben fest aneinander angebracht, so daß, wenn sie einer unterschiedlichen elastischen Spannung während Temparaturänderungen unterworfen sind, keine Kriechdehnung zwischen ihnen auftritt. Die keramischen und Kunststoff-Materialien sind gewählt unter Berücksichtigung der eigenen temperaturabhängigen Expansionseigenschaften, der geometrischen Eigenschaften (Abmessung von Dicke und Oberfläche), des Elastizitätsmoduls und des Poissonschen Verhältnisses, so daß die Oberfläche der festen (keramischen) Schicht, die von dar Epoxyschicht weg

weist, eine nichtlineare Änderung der Abmessungen als Funktion der Temperatur zeigt.

Der Metallfilm, der das Widerstandsmaterial des Präzisions-Widerstands bildet, wird auf die Oberfläche der Keramik, die von der Epoxyschicht weg weist, aufgeklebt.

Da Kunststoffe visko-elastische Eigenschaften (zeitabhängige Kriechdehnung) aufweisen, war zu erwarten, daß der Widerstand nur in der Gegend der Raumtemperatur gut arbeitet. Überraschenderweise ist d.-r voranstehend für den Metallfilm erwähnte nicht lineare Widerstandstemperaturkoeffizient offenbar geeignet, um wesentlich der Widerstandsänderung entgr-gen zu wirken, die durch den jetzt auch nicht Linearen .xpansionstemperaturkoeffizienten der benachbarter, keramischen Oberfläche erzeugt wird, der auf die Oberfläche durch den zusammengesetzten Keramik-Kunststoff-Aufbau übertragen

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wird. Dies führt zu einem Widerstandstemperaturkoeffizienten, der über einen weiten Temperaturbereich und nicht nur in der Nähe der Raumtemperatur viel niedriger ist.

In der Praxis ist es für den Kunststoffteil (Epoxy) des zusammengesetzten Aufbaus notwendig, daß er eine Dicke aufweist, die in derselben Größenordnung des festen Teils (Keramik) liegt. Jeder dieser Teile kann beispielsweise etwa 500 -um dick sein, während der Widerstandsmetallfilm eine übliche Dicke von etwa 0,75 bis 5 /um hat.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

Fig. 1 ein schematischer Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung,

Pig. 2a bis e graphische Darstellungen, die verschiedene Erscheinungen zeigen, die in der Praxis bei der

Erfindung auftreten,
Fig. 3 eine schematische Teilansicht einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4-a bis c schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen.

Die Abmessungen der verschiedenen Figuren sind nicht im gleichen Maßstab, noch haben die einzelnen Teile in einer Figur denselben Maßstab. Dieselben Bezugszeichen sind zum Bezeichnen gleichartiger Elemente in verschiedenen Figuren verwendet.

Fig. 1 zeigt in stark vergrößerter Form einen schematischen Querschnitt durch einen Präzisionswiderstand in einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Grundwiderstandseinheit 10, oft als Chip bezeichnet, enthält den Metallfilm 11, der durch eine

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Klebstoffschicht 12 fest an einem keramischen Substratteil 13 angebracht ist. Zusätzlich ist gemäß der Erfindung ein Epoxysubstrat 14 vorgesehen, das fest an der Keramikschicht 13 angebracht ist. Dies kann durch Kleben, Gießen oder andere Niederschlagsverfahren erreicht werden. Der Metallfilm 11 hat das gewünschte Widerstandsmuster, das darin gebildet wird, vor oder nachdem er auf das Substrat aufgeklebt ist.

Elektrische Verbindungen zu dem Chip 10 werden durch Leitungen hergestellt, von denen eine Leitung 16 in Fig. 1 sichtbar ist, die mit einem Ende 15 an dem Metallfilm 11 angeschweißt oder angelötet ist. Das andere Ende der Leitung 16 ist an dem Anschlußstift über eine Verbindung 16a angebracht. Die Leitung 17 erstreckt sich durch das äußere Metallgehäuse 18 über eine Isolierdurchführung 19. Eine thermische Bindung oder eine Ultraschallbindung können auch an den Verbindungen I5 und/oder 16a verwendet werden. Um dies zu vereinfachen, wird der Metallfilm mit Gold oder einer anderen Legierung im Bereich der Verbindungen plattiert.

Vor oder nach dem Einsetzen in das Gehäuse 18 wird der Chip in ein sehr flexibles Polster (beispielsweise Veichsiliziumgummi) 21 eingesetzt. Der Raum zwischen dem Polster 21 und dem Gehäuse 18 wird mit Epoxyharz gefüllt.

Das Weichgummipolster 21 kann alternativ im wesentlichen den Innenraumm des Gehäuses 18 ausfüllen oder der Chip kann innerhalb des Gehäuses 18 durch seine Verbindungsleitungen aufgehängt werden, die dann stark und fest sein müssen, und kann von Luft, Gas, Vakuum oder öl innerhalb des Gehäuses 18 umgeben sein.

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Ein dünner Epoxyschutz und eine Abdichtschicht 22 können auch direkt auf dem Metallfilm 11 vorhanden sein.

Fig. 2a bis 2e zeigen graphische Darstellungen der verschiedenen Beziehungen, die zur Erläuterung der Erfindung dienen. In allen Figuren ist auf der Abszisse die Temperatur aufgetragen, beispielweise ein Temperaturbereich von O bis 10O⁰C. In Fig. 2a sind auf der Ordinate die Werte der thermischen Expansion an der Oberfläche 13a des keramischen Teils 13 in Fig. 1, die von dem Epoxyteil 14 weg weist, aufgetragen. Die graphische Darstellung der Fig. 2a zeigt die Änderung der thermischen Expansion Δ 1/1 der Oberfläche 13a des Substrats als Funktion der Temperatur. Zu beachten ist vor allem die nichtlineare Beziehung, auch wenn die Änderung der thermischen Expansion Δ 1/1 der Keramik allein und des Films selbst (nicht verbunden) nahezu linear sein würde.

Fig. 2b zeigt die entsprechende Änderung des Widerstands des Metallfilms 11 (Fig. 1), die .der thermisch beeinflußten elastischen Spannung zuzuschreiben ist, die sich aus der Differenz zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten des Substrats und des Films (oC_ - °C )

S X ergibt. Diese Beziehung ist nichtlinear, daoC nichtlinear ist.

Fig. 2c zeigt die Temperaturänderung des Widerstands Δ R/R des Metallfilms 11 selbst, wie sie sein würde, wenn sie unbeeinflußt durch das Aufkleben auf das zusammengesetzte Keramik-Epoxy-Substrat der Fig. 1 wäre. Diese Beziehung der Fig. 2c ist gleichartig zur Fig. 2b in der allgemeinen Form, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Die sich ergebende Gesamtwirkung ist in den Fig. 2d (ausgezogene Linie) oder 2e dargestellt, wo die in den Fig. 2b und 2c dargestellten Einflüsse im wesentlichen

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aufgehoben sind. Dies führt zu einem Chip 10 mit einer Widerstandsänderung als Funktion der Temperatur, die vergleichsweise gering ist und die klein über den gesamten berücksichtigten Temperaturbereich bleibt.

Die Kurven der Fig. 2a bis 2e stellen verallgemeinerte Beziehungen der Ausführungsformen der Erfindung dar. Diese Kurven sollen nicht die genauen Kurvenformen oder besondere gemessene Verte darstellen.

Die sinusförmig schwankenden Formen der Kurven in Fig. 2d (ausgezogene Linie) und 2e sind kennzeichnend für die Tatsache, daß eine vollständige Kompensation aller Temperaturen in der Praxis nicht erhältlich ist, und zwar auch beider vorliegenden Erfindung. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Temperaturabhängigkeit des Widerstandsmetallfilms selbst nicht genau dieselbe Form (auch mit entgegengesetztem Vorzeichen) wie die des zusammengesetzten Substrats haben kann. Die Krümmung einer Kurve kann beispielsweise angenähert durch die

2
Gleichung y=ax + b gegeben sein und die Krümmung einer

■5 2 anderen Kurve ist durch y=cx^ + d χ + ex + f gegeben.

Eine Überlagerung dieser Kurven würde zu einer Kurve führen, wie sie in Fig. 2d gezeigt ist. Wie jedoch in Fig. 2e gezeigt ist, kann die Widerstandsänderung auch im wesentlichen Null über einen sehr wesentlichen Temperaturbereich sein. Das Ergebnis hängt hauptsächlich von der besonderen Form der Kurven in Fig. 2b und 2c ab.

Durch geeignete Wahl der verschiedenen Materialien und deren Dicken können verschiedene besonlere Formen der Widerstands-Temperatur-Kurven erhalten werden. In jedem Fall stellen diese jedoch eine solche wesentliche Verringerung der Änderung des Widerstands mit der Temperatur im Vergleich mit bekannten Widerständen dar, daß das Ergebnis ein wesentlicher Fortschritt in der Technik der Fräzisionswiderstände ist.

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Im Vergleich zur Erfindung ist in I¹Ig. 2d mittels einer gestrichelten Linie auch die Widerstandsänderung-Temperatur-Kurve gezeigt, die sich bei den Widerständen nach den US-PS 3,405,381 und 3,517,4-36 ergibt. Fig. 2d (ausgezogene Linie) und 2e zeigen einen viel besseren Widerstandstemperaturkoeffizienten als Pig. 2d (gestrichelte Linie).

Durch die vorliegende Erfindung wird die Änderung des Chip-Widerstands der Temperatur, d.h. der Chip- (und Widerstands)-T.C. linearisiert. Der lineare T.C. muß aber nicht notwendigerweise parallel zur Abszisse verlaufen, wie dies in Fig. 2d und 2e gezeigt ist. Vielmehr kann er geneigt, jedoch noch im wesentlichen linear, durch geeignete Wahl der Eigenschaften des Substrats gemacht werden.

In den US-PS 3,405,381 und 3,517,4-36 ist der Aufbau eines Präzisionswiderstands unter Verwendung eines Metallfilms beschrieben, der ein Muster im wesentlichen in derselben Form wie bei der vorliegenden Erfindung aufweist und der auf ein Substrat geklebt ist. Dabei ist auch die Verwendung von zwei Epoxyschichten beschrieben, eine an der Oberseite des gemusterten Metallfilms und die andere an der Fläche des Substrats, die von dem Metallfilm weg weist. Auf den ersten Blick erscheint eine gewisse Ähnlichkeit zwischen diesem Stand der Technik und der Erfindung zu bestehen, die auch einen Epoxyfilm auf dem Metallfilm und wiederum einen Epoxyfilm auf der Fläche des keramischen Substratteils, der von dem Film weg weist, enthält. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 der Erfindung ist der erstere beispielsweise durch die Schicht 22 und der letztere durch die Schicht 14 gebildet-

Tatsächlich besteht jedoch folgender wesentlicher Unterschied.

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Bei dem erwähnten Stand der Technik sind die beiden Epoxyschichten an gegenüberliegenden Seiten der Metallfilm-Substrat-Kombination gewählt, um ausgleichende Biegewirkungen zu erzeugen, die gleich jedoch in verschiedenen Eichtungen auf den Metallfilm und das Substrat, die zwischen den Epoxyschichten liegen, wirken. Dieser Ausgleich wirkt dem Bestreben des Substrats, sich zu biegen oder zu krümmen, was aufgrund von Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsänderungen auftreten würde, wenn nur einer dieser bekannten Epoxyüberzüge verwendet würde, entgegen.

Bei der Erfindung wird das Konzept des Ausgleichs der Biegung mittels zweier Epoxyschichten von im wesentlichen derselben Dicke absichtlich nicht angewendet.

Bei der Erfindung hat die Epoxyschicht 22, die den Metallfilm bedeckt, eine Dicke in derselben Größenordnung wie bei dem genannten Stand der Technik,und dient im wesentlichen demselben Zweck, nämlich den Metallfilm zu schützen.

Andererseits ist die zweite Epoxyschicht nach der Erfindung, nämlich der Teil 14 des zusammengesetzten Substrats_; (Fig. 1) mehrmals dicker als die in gleicher Weise angeordnete Epoxyschicht, die bei dem genannten Stand der Technik verwendet wird, um die Biegetendenz der zuerst genannten Epoxyschicht auszugleichen. Bei der Erfindung wird tatsächlich das keramische Substrat selbst einer wesentlichen Biegung aufgrund der Schicht unterworfen, wenn sich die Temperatur ändert.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung hat der Epoxyteil 14 des zusammengesetzten Substrats eine Dicke, die in derselben Größenordnung wie der Keramikteil 13 des zusammengesetzten Substrats liegt. In der Praxis kann dieser Keramikteil eine Dicke von etwa

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500/iim haben, in welchem Fall die Dicke des Epoxyteils 14- ebenfalls etwa 500 /um beträgt. Dies steht im Gegensatz zu der Dicke des in gleicher Weise angeordneten Epoxyüberzugs bei den oben erwähnten US-PS, welche in der Größenordnung von 25 /um liegt, da es der Epoxyüberzug des Metallfilms selbst ist, der im wesentlichen derselbe bei der Erfindung bleibt.

Der Grund für diesen Unterschied besteht tatsächlich darin, daß unterschiedliche Aufgaben in den beiden Fällen, nämlich bei den erwähnten US-PS einerseits und der Erfindung andererseits, gelöst werden sollen.

Bei der Erfindung ist es ein besonderer Zweck dieses viel dickeren Epoxyteils 14 des zusammengesetzten Substrats, auf die Oberfläche 13a dieses zusammengesetzten Substrats eine nichtlineare thermische Expansion zu übertragen. Dies wiederum macht es möglich, im wesentlichen in der Form jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen die Widerstands-Temperatur-Kennlinie des Metallfilms selbst, die auch nichtlinear ist, anzupassen. Bei dem genannten Stand der Technik wird die Oberfläche entsprechend der Oberfläche 15a» nämlich die Zwischenfläche zwischen Substrat und Film, einer linearen Expansion mit der Temperatur unterworfen, während bei der Erfindung diese Oberfläche 13a einer nichtlinearen Expansion mit der Temperatur unterworfen wird. Die Form und der Grad der Nichtlinearität hängen von der nichtlinearen Widerstands-Temperatur-Kurve des Metallfilms ab. In den oben erwähnten US-PS ist nichts, was diesem Konzept gleicht, offenbart.

Verschiedene Techniken können verwendet werden, um Präzisionswiderstände nach der Erfindung herzustellen. 35

Eine dieser Techniken beginnt mit einer Platte aus keramischem Material mit der für den keramischen Teil

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des zusammengesetzten Substrats gewünschten Dicke, beispielweise 5OQ/¹¹¹¹¹* jedoch mit einer viel größeren Fläche, als diese für einen einzigen besonderen Widerstandschip 10 erforderlich ist. Praktische Keramiksubstratdicken liegen im Bereich zwischen 125/um und 0,63 cm. Meistens wird eine Dicke zwischen 500/^um und 1000/Um verwendet. Ein Epoxyüberzug mit einer beispielhaften Dicke von 0,5 mm wird auf eine Oberfläche der Keramikplatte aufgebracht. Der Epoxyüberzug kann mit einer Spachtel oder durch Walzen, Gießen oder Kleben einer Epoxyplatte angebracht werden. Dieser Epoxyüberzug ist dazu bestimmt, der Epoxyteil 14 des

zusammengesetzten Substrats zu sein. Ein besonderes Epoxyharzmaterial, das verwendet werden kann, ist unter dem Namen "Photolastic PL 1" im Handel erhältlich.

Ein Metallfilm wird auch in dem gewünschten gewundenen Widerstandswegmuster photogeätzt und dann auf die Seite der Keramikplatte geklebt, die der Seite gegenüberliegt, die vorher mit Epoxy beschichtet worden ist. Dar Metallfilm kann alternativ auf die Keramik aufgeklebt werden und dann in das gewünschte Muster photogeätzt werden. Der Epoxyüberzug kann des weiteren alternativ angebracht werden, nachdem der (photogeätzte oder noch nicht photogeätzte) Film auf die Fläche der Keramik aufgeklebt worden ist.

Der Aufbau einer Keramikplatte mit einem dicken Überzug aus Epoxy an einer Seite und dem photogeätzten Metallfilm an der anderen Seite wird dann in einzelne Widerstandschips mit einem Laser oder einer Diamantsäge oder einer anderen geeigneten Technik geschnitten, so daß die einzelnen Widerstandschips erhalten werden. Ein Chip kann tatsächlich viele miteinander verbundene oder einzelne Widerstände enthalten.

Nach dem Photoätzen kann der Film auch mit der dünnen Epoxyschicht 22 gemäß Fig. 1 zum Schütze während der

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Bearbeitung und Widerstandseinstellung und für eine bessere Leistungsfähigkeit bei der Verwendung bedeckt werden.

Nötigenfalls werden die Chips 10 daraufhin einzeln auf den geeigneten Temperaturkoeffizienten der Widerstandskennlinie eingestellt (feinjustiert), indem die Dicke des dicken Epoxyüberzugs auf dem Keramikteil des zusammengesetzten Substrats in geeigneter Weise geändert wird.

Dann könuen Leitungen, beispielsweise die. Leitungen 16 und 17 in Fig. 1, angebracht werden oder es können alternativ solche Leitungen vor der Feinjustierung der Temperaturkennlinie angebracht werden. Die Leitungen und 17 können zwei getrennte Stücke oder ein Stück (monolithisch) sein.

Die Einstellung des Widerstandswerts der Widerstände innerhalb einer gewünschten Toleranz kann in üblicher Weise vor, während oder nach der Temperaturkennlinieneinstellung ausgeführt werden.

Zuletzt wird die Anordnung in eine hermetisch abgedichtete Büchse, beispielsweise die Büchse 18 in Fig. 1, mit einem geeigneten Schutz gegen mechanische Störung, wie der Schicht 21 aus Silikongummi oder einem anderen Polster, angeordnet. Wenn hohe Temperaturbedingungen auftreten, kann sich somit der Chip ausdehnen oder zusammenziehen, ohne daß er einer äußeren Beanspruchung ausgesetzt ist. Es ist auch ein Schutz gegen Stöße und Schwingungen gegeben. Das Epoxy 20 wird um das Kissen angeordnet. Gewünschtenfalls kann öl, Luft oder ein inertes Gas um das Kissen oder anstelle des Kissens verwendet werden.

Ein alternatives Verfahren enthält zuerst die Herstellung der im wesentlichen vollständigen Chips, wobei nur der

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Epoxyteil 14 des zusammengesetzten Substrats fehlt. Diese Chips werden dann einzeln mit einer dicken Schicht aus

Epoxy überzogen, indem eine gegebene Dicke dieses Materials in der Lage des Epoxyteils 14 relativ zu der Keramik niedergeschlagen wird. Der Widerstandstemperaturkoeffizient (T.C.) der sich ergebenden Anordnung wird gemessen und die Dicke des Epoxyüberzugs wird nötigenfalls entsprechend eingestellt.

In jedem Fall, d.h. ob die Epoxyschicht _auf der großen Keramikplatte oder den einzelnen Keramikchips angebracht wird, wird die Einstellung der Epoxydicke durch Abschleifen eines wesentlichen Teils des Epoxys ausgeführt, falls dieses anfänglich zu dick ist, oder durch Anbringen von zusätzlichen_t vergleichsweise dünnen Schichten aus Epoxy, um die gesamte Dicke aufzubauen, falls durch Messungen bestimmt worden ist, daß diese anfänglich zu dünn war.

Die Einstellung der Schicht 14 ist nur für eine sehr feine Abstimmung des Widerstandstemperaturkoeffizienten notwendig, da aufgrund der Inhomogenität des Films und der Herstellungsverfahren nicht alle Chips denselben T.C. zeigen. Wenn der Chip anfänglich nicht den gewünschten T.C. zeigt, bringt dann eine Einstellung der Dicke der Schicht 14 den T.C. auf den gewünschten Wert.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, die im Querschnitt ein Stück

$0 eines Chips 30 nach der Erfindung zeigt. Der Chip enthält einen keramischen Teil 31, an dessen eine Seite ein Metallfilm 32 durch die Klebstoffschicht 33 geklebt ist. An der freien Oberfläche des Metallfilms 32 ist eine Epoxyschutζschicht JA- angebracht. An der Seite des Keramikteils 31» die derjenigen gegenüberliegt, an welcher der Metallfilm 32 angeklebt ist, ist ein dicker Epoxyteil 35 mit derselben Größenordnung der Dicke wie die Dicke des Keramikteils 31 vorgesehen'. Insoweit ist

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der Chipaufbau der Fig. 3 dem Chipaufbau 10 in Fig. 1 gleichartig. Der Unterschied besteht gemäß Fig. 3 darin, daß eine Metallplatte 36 zwischen dem keramischen Teil 31 und dem Epoxyteil 35 des zusammengesetzten Substrats vorgesehen ist. Diese Metallplatte 36 ermöglicht des weiteren die Steuerung der Temperaturkennlinie des Chips.

Wie vorangehend erläutert wurde, ergeben das zusammengesetzte Substrat des keramischen Teils und des Epoxyteils eine nichtlineare Funktion der thermischen Expansion. Diese zusammengesetzte Funktion der thermischen Expansion kann als aus zwei beitragenden Komponenten bestehend betrachtet werden. Die eine ist eine im wesentlichen lineare Komponente, während die andere eine nichtlineare Komponente ist, die von dem Epoxy beigetragen wird. Es ist möglich, daß die lineare Komponente nicht vollständig für eine gute Kompensation geeignet ist. Es wird beispielsweise angenommen, daß die lineare Komponente gleich 6 Teile pro Million/°C (ppm/°C) ist, während ein Wert von 8 ppm/°C zum Kompensieren des speziellen Metallfilms 32 bevorzugt ware. In diesem Fall ist die Anwesenheit des Metallblechs mit entsprechender Dicke und geeignetem thermischen Expansionskoeffizienten und Elastizitätsmodul in der Lage, dem sich ergebenden zusammengesetzten Aufbau von Keramik und Metall einen im wesentlichen linearen thermischen Expansionskoeffizienten des gewünschten Werts von 8 ppm/°C an der Fläche 31a des keramischen Teils 31» die zu dem Widerstandsfilm 32 weist, zu erteilen. Mit dieser nun beim gewünschten Wert vorgesehenen linearen Komponente kann der Epoxyteil 35 des zusammengesetzten Substrats (Epoxyteil 35 und keramischer Teil 3Ό wieder seine Rolle gemäß der Erfindung ausüben. Diese Holle besteht darin, dem zusammengesetzten Substrat den gewünschten Grad der Nichtlinearität zu erteilen, welche die nichtlineare

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Widerstands-Temperatur-Kennlinie des Widerstandsmetallfilms selbst kompensiert.

Wenn auf die thermische Expansion des zusammengesetzten Substrats Bezug genommen wird, bezieht sich dies auf die thermische Expansion an der Oberfläche des Substrats, die zu dem Metallfilm weist, beispielsweise 13a in Fig. 1 und 31a in Fig. 3· Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Substrat einer derartigen Biegung unterworfen wird, daß die in Rede stehende Fläche positiv expandieren kann, während andere gleichzusetzende Oberflächen des zusammengesetzten Substrats unterschiedlich expandieren.

Es hat sich auch herausgestellt, daß die Folge der Anordnung von Keramik 3I, Metall 36 und Epoxy 35» wie in Fig. 3 gezeigt, geändert werden kann, so daß Keramik 31 und Epoxy 35 einander unmittelbar benachbart sind, wie dies bei Fig. 1 der Fall ist, während die Metallplatte 36 an der äußersten Fläche des Epoxyteils 35 angeordnet ist, nämlich an der Fläche, die von dem keramischen Teil 31 weg weist. Anstelle des Metalls 36 kann ein anderes festes Material verwendet werden, beispielsweise Glas oder Keramik mit verschiedenem thermischen Expansionskoeffizienten.

Darüber hinaus eignet sich ein zusammengesetztes Substrat, das nicht nur den keramischen Teil und den Epoxyteil, wie bei I3 und 14 in Fig. 1 gezeigt, sondern auch einen Metallteil verwendet, dazu, zur Feinabstimmung des Widerstandstemperaturkoeffizienten des Chips verwendet zu werden.

Anordnungen, die dieses Merkmal der Erfindung aufweisen, sind schematisch in den Fig. 4a bis 4c anhand einer perspektivischen Ansicht eines Chips nach, der Erfindung gezeigt. 40 ist der Widerstandsmetallfilm, während

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41 den keramischen Teil des Substrats zeigt. Jeder keramische Teil 41 weist eine Metallanordnung auf. In Fig. 4a hat diese Metallanordnung die Form von im Abstand angeordneten parallelen Rippen 42. In Fig. 4b ist die Form eines Gitters aus Metallrippen 43 und 44 vorgesehen, die einander kreuzen. Gemäß Fig. 4c hat die Metallanordnung die Form einer Platte 45, die mit einem Muster von Perforationen 46 versehen ist.

In jedem Fall sind die Metallrippen oder die perforierte Platte an der Keramik angeklebt.

Bei jeder dieser Ausführungsformen sind Zwischenräume zwischen den Metallteilen mit Epoxy gefüllt, das den Epoxyteil des zusammengesetzten Substrats nach der Erfindung bildet, oder die Metallanordnung ist an der Oberseite der Epoxyschicht 35 angebracht. In Fig. 4a haben diese Epoxyteile die Form von Streifen 47. In Fig. 4b haben sie die Form von Rechtecken 48 und in Fig. 4c haben sie die Form von runden Teilen 49, welche die Löcher 46 füllen. Die Metallanordnung kann auch an die Oberseite der Epoxyschicht gekittet sein.

Bei jedem Beispiel wird die Einstellung der Chip-Widerstandskennlinie mit der dargestellten Anordnung möglich, indem auf die Metallteile eingewirkt wird.

Gemäß den Fig. 4a und 4b kann beispielsweise der thermische Expansionskoeffizient des zusammengesetzten Substrats an der Fläche, die zu dem Metallfilm weist, stufenweise eingestellt werden, indem verschiedene Teile der Metallstreifen 42 in Fig. 4a bzw. des Gitters 43, 44 in Fig. 4b durchgeschnitten werden. In gleicher Weise können gemäß Fig. 4c Schnitte in dem Metall 45 ausgeführt werden, um Löcher 46 mit entsprechender Wirkung zu verbinden. Bei jedem dieser Beispiele wird durch Schneiden des Metalls eine Änderung der linearen Komponente der thermischen Expansion

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ORIGINAL INSPECTED

des zusammengesetzten Substrats an der Fläche, die zu dem Metallfilm weist, erzeugt. Hierbei dreht es sich tatsächlich um den Ursprung der Kiirvenart, die in Fig. 2a gezeigt ist.

Auch andere Anordnungen können zur Erzeugung derselben Wirkung verwendet werden. Durch Ändern der Geometrie der Metallplatte 36 oder auch der Geometrie des keramischen Substrats wird die lineare Komponente der thermischen Expansion an der Fläche 31a geändert.

Durch Ändern der Geometrie des Epoxy wird die nichtlineare Komponente der thermischen Expansion an der Fläche 31a geändert. Die Kombination der Änderung dieser geometrischen Anordnungen ergibt eine Feineinstellung des T.C.

Es sind auch Präzisionswiderstände der beschriebenen allgemeinen Art bekannt, bei denen die Verbindungsleitungen zu dem Widerstandsmetallfilm aus monolithi- sehen metallischen Bändern bestehen, die um eine Kante des Chips gebogen sind und sich dann längs der Seite des Chips erstrecken, die der Seite gegenüberliegt, auf der der Widerstandsmetallfilm angeordnet ist (US-PS 4,138,656). Bei dieser Anordnung sind die Metal1-leitungen fest an dem Epoxyteil des zusammengesetzten Substrats nach der Erfindung angebracht. Die Einstellung der Temperaturkennlinie kann dann ausgeführt werden, indem die Dicke des Epoxyteils, der angrenzenden monolithischen Verbindungsleitungen oder beider geändert wird oder indem Schlitze teilweise in die Leitungen geschnitten werden.

Die monolithischen Leitungen gemäß der US-PS 4,138,656 können in dem dicken Epoxyteil des zusammengesetzten Substrats oder zwischen den Epoxyteil und den keramischen Teil geschichtet werden.

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Prüfungen der Präzisionswiderstände nach, der Erfindung haben gezeigt, daß ein Widerstand erzeugt werden kann, der zufriedenstellend in Temperafcurhereichen arbeitet, die normalerweise für militärische Zwecke erforderlieh, sind, d.h.. zwischen -55°C und +175°C Weitere Temperaturbereiche (z.B. -10O⁰O bis +25O⁰C) werden auch, mit wesentlicher Verbesserung erfaßt. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist sehr gut. Wiederholte Zyklen zwischen KaLt und Heiß und wieder umgekehrt veranlassen nur geringe Änderungen der Widerstandscharakteristik, trotz der Tatsache, daß das Epoxy in typischer Weise einen bestimmten Betrag von Kriechdehnung zeigt. Solche geringen Änderungen sind in der Praxis vernachlässigbar. Prüfungen unter Last- und Temperaturbedingungen haben auch gezeigt, daß bei einer geeigneten Wahl der Materialien der Widerstand für viele tausend Stunden betriebsfähig bleibt.

Noch größere Stabilität kann erreicht werden, indem der Epoxyteil des zusammengesetzten Substrats nach Anbringung auf dem Chip einem Aushärtvorgang bei Temperaturen unterworfen wird, welche diejenigen überschreiten, die während der Verwendung auftreten. Dies hat das Bestreben, das Auftreten von Abmessungsänderungen in dem Epoxyteil in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur zu verringern. Nach der Ausführung dieses Aushartvorgangs zeigt der fertige Widerstand eine noch größere Stabilität.

Der feste Teil des zusammengesetzten Substrats kann auch ein Metall sein, vorausgesetzt, daß er elektrisch von dem Widerstandsfilm und den Leitungen isoliert ist.

Das Gehäuse 18 kann auch nichtmetallisch sein, beispielsweise Keramik oder Kunststoff. Ein Kunststoffgehäuse oder -form wird nicht empfohlen, falls eine hermetische Abdichtung gewünscht wird. Ein Gießen kann auch verwendet werden, um den Chip zu schützen, der mit einem weichen Polster überzogen ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE

26/8 Orthstraße 12

D-8000 München 60

Vishay Intertechnology, Inc.

63, Lincoln Highway

Malvern, Penna. 19355, U.S.A.

Patentansprüche

Präzisionswiderstand mit einem Metallfilm, der das Widerstandsmaterial bildet, und mit einem Substrat, das den FiIm trägt und auf dem dieser mit einer Klebstoffschicht fest angebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine zusammengesetzte Anordnung aus wenigstens zwei Teilen aus verschiedenen Materialien ist, die parallel zu dem Widerstandsmetallfilm liegen, wobei der Teil nahe dem Widerstandsmetallfilm im wesentlichen fest ist und der Teil weiter weg von dem Metallfilm ein Kunststoff mit einer Dicke ist, die der Dicke des festen Teils vergleichbar ist.
2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilm einen spezifischen Widerstand aufweist, der sich als nichtlineare Funktion der Temperatur über einen vorbestimmten Betriebsbereich ändert, und daß der feste Teil und der Kunststoffteil des zusammengesetzten Substrats bezüglich Dicke, Elastizitätsmodul und thermischem Ausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß die Abmessungen der Oberfläche des festen Teils nahe dem Metallfilm sich nichtlinear innerhalb des Widerstandsbetriebstemperaturbereichs in solcher Weise ändern, daß die durch die Beanspruchung veranlaßten Widerstandsänderungen, die auf den Film durch die Fläche des benachbarten festen Teils übertragen werden, im wesentlichen die nichtlineare Widerstandsänderung des Films selbst im Betriebsbereich kompensieren.

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3. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation derart ist, daß der T.C. des Widerstands im wesentlichen Null im Betriebsbereich ist.
4. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Teil aus der Gruppe von Keramik, Glas und Metall ausgewählt ist.
5- Widerstand nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Teil nahe dem Widerstandsfilm aus Metall besteht und von dem Widerstandsfilm isoliert ist.
6. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des zusammengesetzten Substrats und des Films durch einen Klebstoff, der im wesentlichen frei von Kriechdehnungen ist, ausgeführt ist.
7· Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilm mit einer Schutzschicht aus Kunststoffmaterial bedeckt ist, die mehrfach dünner als der Kunststoffteil des zusammengesetzten Substrats ist.
8. Widerstand nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilm, die Schutzschicht und das Substrats in ein weiches Polster eingeschlossen sind, das wiederum in ein Gehäuse eingeschlossen ist.
9. Widerstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Teil des zusammengesetzten Substrats eine im allgemeinen lineare thermische Expansion aufweist, während der Kunststoffteil des zusammengesetzten Substrats eine nichtlineare thermische Expansion aufweist, und daß die Dicke des Kunststoffteils vor dem Einkapseln eingestellt wird, um die gewünschte Abmessungsänderung als Funktion der Temperatur, die zu dem gewünschten T.C. führt, vorzusehen.
10. Widerstand nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung durch wenigstens eine wenigstens teilweise Eindringung in die Dicke des Kunststoffteils ausgeführt wist.

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11. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Teil des zusammengesetzten Substrats aus Keramik besteht und daß der Kunststoffteil aus Epoxyharz besteht.
12. Widerstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Teil des zusammengesetzten Substrats etwa dick ist und daß der Epoxyteil des zusammengesetzten Substrats auch etwa ^OO/Vtm dick ist.
13· Widerstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsmetallfilm etwa 2,5/um dick ist und daß die Kunststoffschutzschicht etwa 12,5/um dick ist.
14. Widerstand nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Metallteil, der auch einen Teil des zusammengesetzten Substrats bildet, wobei der Metallteil auf der Seite des keramischen Teils angeordnet ist, die von dem Metallfilm weg weist, und wobei der Metallteil auch eine im allgemeinen lineare thermische Expansion aufweist, welche die lineare Komponente des zusammengesetzten Substrats ändert.
15· Widerstand nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil die Form einer Schicht hat, die zwischen den keramischen Teil und den Epoxyteil des zusammengesetzten Substrats eingesetzt ist.
16. Widerstand nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil die Fore einer Schicht auf der Seite des Epoxyteils hat, die von . dem Widerstandsmetallfilm weg weist.
17- Widerstand nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht nicht kontinuierlich ist.
18. Widerstand nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht die Form von Streifen hat, die Teile von monolithischen Verbindungsleitungen für den Widerstand bilden.

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19. Widerstand nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilschnitt durch wenigstens eine Verbindungsleitung zum Einstellen des T.C. des Widerstands ausgeführt ist.
20. Widerstand nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil die Form von Streifen hat, die Teile von monolithischen Verbindungsleitungen für den Widerstand bilden, und daß die Streifen zwischen dem keramischen Teil und der Seite des Epoxyteils angeordnet sind, die von dem Metallfilm weg weist.
21. Widerstand nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil die !form von Streifen auf der Seite des keramischen Teils aufweist, der von dem Widerstandsmetallfilm weg weist, und daß der Epoxyteil die Räume zwischen den Metallstreifen füllt.
22. Widerstand nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen die Form eines Gitters aus sich kreuzenden Streifen haben.
23· Widerstand nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil die Form einer perforierten Schicht hat und daß der Epoxyteil die Perforationen ausfüllt.
24. Widerstand nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil so ausgebildet ist, daß er darin gebildete Einschnitte aufweist, un die Abmessungsänderung des zusammengesetzten Substrats als Funktion der Temperatur einzustellen.
25. Verfahren zum Herstellen eines Widerstands mit einem Metallfilm, der das Widerstandsmaterial bildet, und mit einem Substrat, auf das der Jil« aufgeklebt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat als ein· zusammengesetzte Anordnung von wenigsten« ewti ia wesentlichen parallelen Teilen gebildet wird, wobei ein Teil im wesentlichen fest und der andere Teil ein Kunststoff iet, daß der Widerstandsmetallfilm an der Fläche des

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festen Teils, die von dem Kunststoffteil weg weist, entweder vor oder nach der Bildung der zusammengesetzten Anordnung fest angeklebt wird und daß der Kunststoffteil mit einer Dicke vorgesehen wird, die vergleichbar mit der Dicke des festen Teils ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Epoxyharz ist und daß der Epoxyteil einem Aushärtvorgang bei einer Temperatur über dem Betriebsbereich des Widerstands unterworfen wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Epoxy eingestellt wird, um den T.C. des Widerstands fein abzustimmen.
28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallteil nahe dem keramischen Teil vorgesehen wird und daß der Metallteil wahlweise durchschnitten wird, um den T.C. des Widerstands fein einzustellen.
29. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärttemperatur wenigstens etwa 1O⁰C über dem Betriebsbereich des Widerstands liegt.
30. Chip zur Verwendung in einem Präzisionswiderstand, wobei der Chip einen Metallfilm, der das Widerstandsmaterial bildet, und ein Substrat enthält, das den PiIm trägt und an dem der PiIa mit einer Klebstoffschicht fest angebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine zusammengesetzte Anordnung von wenigstens zwei Teilen aus verschiedenen Materialien ist, die im wesentlichen parallel zu dem Widerstandsmetallfila liegen, wobei der Teil nahe den Widerstandsmetallfilm in wesentlichen fest ist und der Teil weiter weg von dem Metallfilm ein Kunststoff einer Dicke ist, die vergleichbar mit der Dicke des festen Teils ist.

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31. Verfahren zum Herstellen eines Chips zur Verwendung in einem Präzisionswiderstand, wobei der Chip einen Grundmetallfilm, der das Widerstandsmaterial bildet, und ein Substrat aufweist, an dem der Film angeklebt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat als zusammengesetzte Anordnung von wenigstens zwei im wesentlichen parallelen Teilen gebildet wird, wobei ein Teil im wesentlichen fest ist und der andere Teil ein Kunststoff ist, daß der Widerstandsmetallfilm an der Oberfläche des festen Teils, die von dem Kunststoffteil weg weist, vor oder nach dem Bilden der zusammengesetzten Anordnung fest angeklebt wird und daß der Kunststoffteil mit einer Dicke vorgesehen wird, die vergleichbar mit der Dicke des festen Teils ist.

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