DE3630393C2 - Widerstandsthermometer - Google Patents

Widerstandsthermometer

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Widerstands­ thermometer.
Im allgemeinen wird Platin als Material für Temperatur- Sensoren verwendet, da Platin aufgrund seiner günstigen chemischen Stabilität leicht in hoher Reinheit erhält­ lich ist, während es gleichzeitig eine starke Tempera­ turabhängigkeit seines elektrischen Widerstandes be­ sitzt. In Verbindung mit Vorstehendem findet ein Tempe­ ratur-Sensor, bei dem ein sehr feiner Platin-Draht, der schraubenförmig um einen Isolator wie Glimmer oder der­ gleichen gewickelt ist, in ein Schutzrohr eingesetzt, weit verbreitete Anwendung bei Widerstandsthermometern im tatsächlichen Einsatz. Normen hierfür sind speziell in JIS (japanischen Industrie-Standards) C-1604, DIN 43760 und IEC Pub. 751 angegeben.
Aus DE-OS 28 01 720 und EP 150 784 A2 sind Widerstands­ thermometer mit mäanderförmigen Widerstandsfilmen mit Einstellmustern bekannt. Die Einstellwerte sind ange­ zeigt.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung darin, die Einstellwerte für die jeweiligen Einstellteile in dem den Widerstand einstellenden Muster auf einen Blick deutlich erkennbar zu machen.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Besondere Ausführungsformen sind den davon abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die bekannten Platin-Widerstandsthermometer, auf die im Vorstehenden Bezug genommen wurde, weisen jedoch, obwohl sie mit hoher Genauigkeit ausgestattet sind, die fol­ genden Nachteile auf:
  • (i) Geringe mechanische Festigkeit;
  • (ii) Schwierige Arbeitsgänge der Fertigung;
  • (iii) Hohe Größenabmessungen;
  • (iv) Hohe Kosten.
Zur Überwindung der oben aufgeführten Nachteile wurden kürzlich Widerstandsthermometer entwickelt, bei denen dicke Filme oder dünne Filme aus Platin verwendet wer­ den, und einige von diesen Widerstandsthermometern sind zur Zeit bereits im Handel erhältlich. Das Dünnfilm- Platin-Widerstandsthermometer gemäß der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
  • (i) Da leicht ein sehr feines Muster gebildet wird, läßt sich das Dünnfilm-Widerstandsther­ mometer in sehr kompakter Größe herstellen, wobei eine hohe Empfindlichkeit desselben vermittels eines hohen Widerstandes erzielt werden kann.
  • (ii) Hohe mechanische Festigkeit.
  • (iii) Die Streuung der Kennwerte kann durch eine Wafer-Behandlung vermindert werden, und in­ folgedessen eignet sich das Thermometer für die Massenproduktion, womit eine Kostensenkung verbunden ist.
Als Substrate für den Platin-Dünnfilm werden Aluminium­ oxid, Saphir, Silicon, Glas etc. eingesetzt, und haben ihre im Folgenden abgehandelten Vor- und Nachteile.
Ein Aluminiumoxid-Substrat ist billig und wärmebeständig und weist ein überlegenes Haftvermögen für Platin auf, aber seine rauhe Oberfläche stellt ein Problem für die Ausbildung des sehr feinen Musters dar. Obwohl die Ober­ fläche geglättet werden kann, wenn eine Polierbehandlung der Oberfläche durchgeführt wird, ist das Polieren des Aluminiumoxid-Substrats mit hoher Härte mit einer außer­ ordentlichen Steigerung seiner Kosten als Substratmate­ rial verbunden. Das Saphir-Substrat ist überlegen hin­ sichtlich der Wärmebeständigkeit, des Haftvermögens für Platin und der Glattheit auf der Oberfläche, hat aber den Nachteil, daß es sehr teuer ist und überdies auch nur schwierig in sehr kleine Chips geschnitten werden kann etc. Obwohl ein Silicon-Substrat insofern vorteil­ haft ist, daß es vergleichsweise billig ist, gute Glatt­ heit aufweist und sich leicht verarbeiten läßt, ist es mit dem Nachteil behaftet, daß mit dem Platin-Dünnfilm bei Durchführung einer Wärmebehandlung bei hohen Tempe­ raturen eine Legierung gebildet wird, was Probleme in bezug auf die Sensor-Charakteristik nach sich zieht. Ein Glas-Substrat ist billig, jedoch mit den Problemen be­ haftet, daß es nicht genügend Haftvermögen für Platin besitzt und eine schlechtere Wärmebeständigkeit besitzt.
Für das Einstellen des Widerstandes wird neuerdings in vielen Fällen eine Verfahrensweise angewandt, in der ein Teil des den Widerstand einstellenden Musters des Wider­ standsfilms mit Hilfe eines Laserstrahls abgeschnitten wird, und in dieser Abschneide-Bearbeitung wird das den Widerstand einstellende Muster durch Hinzufügen jeweils unterschiedlicher Widerstandswerte in mehreren Stufen abgeschnitten, wodurch schließlich der notwendige Wider­ standswert erreicht wird. Beispielsweise wird die Ein­ stellung in einer solchen Ordnung durchgeführt, daß sie in der ersten Stufe mit der Einheit 5%, in der zweiten Stufe mit der Einheit 1% und in der dritten Stufe mit der Einheit 0,2% erfolgt, jeweils bezogen auf den Ge­ samtwiderstand des Widerstandsfilms. Da gemäß der vor­ stehenden Beschreibung sehr komplizierte Einstellungen des Widerstandswertes erforderlich sind, sind damit solche Probleme verbunden, daß die Produktionsausbeute aufgrund von Fehlern bei der Einstellung der Werte durch das Bedienungspersonal sinkt oder viele Arbeitsstunden für die komplizierte Arbeit benötigt werden.
Das gemäß der vorliegenden Erfindung erhältliche Wider­ standsthermometer ist nicht auf den Einsatz von Platin in Form eines Dünnfilms beschränkt, da auf die gleiche Weise auch ein Platin-Widerstandsthermometer unter Ein­ satz von Platin in Form eines Dickfilms hergestellt werden kann.
Zur Bildung des Aluminiumoxid-Films auf dem Silicon- Substrat kann jedes der gängigen Verfahren der Vakuum- Dampfabscheidung, der Zerstäubung, des Ionenplattierens, der chemischen Dampfabscheidung und der Anodisierung etc. angewendet werden, jedoch werden für diesen Zweck das Verfahren der Vakuumabscheidung, das Zerstäubungs­ verfahren und das Verfahren des Ionenplattierens wegen des geringeren Zumischens von Verunreinigungen bevor­ zugt.
Da aufgrund der obigen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die Einstellwerte für die jeweiligen Einstell­ teile in dem den Widerstandswert einstellenden Muster auf einen Blick deutlich zu erkennen sind, gibt es nahe­ zu keine Möglichkeit mehr für Fehleinstellungen, und auf diese Weise kann die Einstellung äußerst rasch durchge­ führt werden.
Die einzige Figur zeigt eine Draufsicht auf ein Widerstandsthermo­ meter gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden werden die Schritte zur Fertigung des Pla­ tin-Widerstandsthermometers erläutert.
An erster Stelle wird im Aluminiumoxid-Film auf die Oberfläche des Silicon-Substrats mittels des Zerstäu­ bungs- oder des Ionenplattierverfahrens bis zu einer Dicke im Bereich von mehreren hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern so aufgebracht, daß er auf dieser haftet, und mit Hilfe der Einwirkung einer ein- bis dreistündigen Wärmebehandlung an der Atmosphäre bei einer hohen Temperatur in der Nachbarschaft von 1000°C wird der Aluminiumoxid-Film stabilisiert. Auf den so behandelten Aluminiumoxid-Film wird im Platin-Film mit­ tels des Zerstäubungsverfahrens oder dergleichen in einer Dicke von mehreren hundert Nanometern bis zu eini­ gen Mikrometern aufgebracht. Dann wird zur Herstellung eines Musters in Mäanderform aus dem Platin-Film ein Photoresist-Muster über dem Platin-Film gebildet.
Anschließend wird mit Hilfe des Zerstäubungsätzverfahrens der Platin-Film auf der Grundlage des Photoresist-Musters der Musterbildung unterzogen. Danach wird nach der Entfernung des Photoresist-Musters das Substrat mit dem Platin-Film wiederum einer etwa 0,5- bis 3stündigen Wärmebehandlung an der Atmo­ sphäre in der Nachbarschaft von 1000°C unterworfen. Der durch die vorstehende Wärmebehandlung stabilisierte Platin-Film wird der Einstellung der elektrischen Werte durch Zurecht­ schneiden unterzogen, und danach werden Leitungsdrähte an entgegengesetzten Enden des Platin-Films angeschweißt, wo­ durch das Widerstandsthermometer fertiggestellt wird.
Da in den oben dargestellten Schritten der Fertigung der als Grundschicht für den Platin-Film dienende Alumi­ niumoxid-Film mit der stabilisierenden Wärmebehandlung aufgebracht wird, gibt es keinerlei nachteilige Effekte auf den Platin-Film in bezug auf die elektrischen Kenn­ werte bei der stabilisierenden Wärmebehandlung des Platin-Films, und auf diese Weise kann der Platin-Film mit gleichmäßigen Kennwerten erhalten werden. Dement­ sprechend ist selbst bei einer Herstellung der obigen Widerstandsthermometer durch Massenherstellung in Form von Chips die Streuung der Kenndaten zwischen den Chips gering, und aus diesem Grunde läßt sich eine günstige Reproduzierbarkeit erzielen. Wenn man einen elektrischen Strom mit Hilfe der Leitungsdrähte in dem Platin-Film fließen läßt, ändert sich der Widerstandswert des Platin- Films in Abhängigkeit von den Umgebungstemperaturen.
Infolgedessen können die Umgebungstemperaturen durch Messung der oben genannten elektrischen Widerstände nachgewiesen werden, und auf diese Weise kann der Wider­ stand der vorliegenden Erfindung als Temperatur-Sensor verwendet werden.
Das in der bisher beschriebenen Weise aufgebaute Wider­ standsthermometer gemäß der vorliegenden Erfindung weist die im Folgenden zusammengefaßten besonderen Effekte auf:
  • 1) Da das Widerstandsthermometer der vorliegenden Erfindung das Silicon-Substrat verwendet, ist es billig.
  • 2) Aufgrund der Bauweise von Silicon-Substrat und Aluminiumoxid ist eine günstige Wärmebeständigkeit verfügbar.
  • 3) Da das Silicon-Substrat einmal von dem Aluminium­ oxid bedeckt wird und dann der Platin-Film darauf gebildet wird, bildet auch bei hohen Temperaturen das Platin keine Legierung mit der Grundschicht, während eine feste Haftung des Platin-Films gegeben ist.
  • 4) Aufgrund der Tatsache, daß der Platin-Film auf dem glatten Silicon-Substrat vermittels der Aluminium­ oxid-Schicht gebildet wird, läßt sich das feine Muster des Platin-Films in einfacher Weise ausbil­ den.
  • 5) Das aus Silicon bestehende Substrat läßt sich leicht zu Chips verarbeiten.
  • 6) Die Streuung der Charakteristiken der Widerstands­ temperatur des Platin-Films ist klein, und bei den Sensor-Charakteristiken lassen sich günstige Stabi­ lität und Beständigkeit erzielen.
In der Figur ist ein Widerstandsthermometer gemäß der vor­ liegenden Erfindung dargestellt, das allgemein ein iso­ lierendes Substrat 11, einen Widerstandsfilm 12, der als Dünnfilm in einem Muster ausgebildet ist, sowie Anschluß­ flächen 13, die jeweils an den entgegengesetzten Flächen des Widerstandsfilms 12 angebracht sind, umfaßt. Eine Mehrzahl aus in Abständen zueinander angebrachten Ein­ stellmustern 14 für Widerstandswerte sind elektrisch leitend mit dem Widerstandsfilm 12 verbunden, beispiels­ weise in einer parallelen Anordnung wie dargestellt, und die jeweils durch Markierungen x bezeichneten Einstell­ teile 14a für das Muster 14 sind auf einer geraden Linie angeordnet, während in Positionen dicht bei den jeweili­ gen Einstellteilen 14a die Einstellwerte 15a, 15b und 15c etc. durch eingekreiste Zahlen bezeichnet sind, so daß sie wie dargestellt den betreffenden Einstellteilen 14a entsprechen.
Zur Durchführung der Widerstandseinstellungen in dem Widerstandsthermometer mit der oben beschriebenen Bau­ weise ist beim Abschneiden des erforderlichen Einstell­ teils 14a mittels eines Laserstrahls der Widerstandswert des Musters an dem so abgeschnittenen Teil zu addieren. Da in diesem Fall der infolge des Abschneides eines solchen Teils 14a zu addierende Widerstandswert als Einstellwert 15a, 15b, 15c neben dem entsprechenden Einstellteil 14a angezeigt ist, kann die Einstellung ohne Fehler in der Weise durchgeführt werden, daß man das Abschneiden vornimmt, während man den Einstellwert 15a, 15b, 15c beobachtet. Die Anordnung der Einstellteile 14a auf einer geraden Linie ist besonders zweckmäßig für eine effiziente und rasche Verarbeitung in dem obigen Fall.
Die eingekreisten Zahlen (5), (1) und (0,2), die als Einstellwerte 15a bis 15c in Fig. 1 angezeigt sind, stellen jeweils Prozentwerte in bezug auf den Gesamt- Widerstandswert des Widerstandsfilms 12 dar und zeigen in dieser Ausführungsform 5%, 1% und 0,2%. Auf diese Weise ist die Ausführungsform so eingerichtet, daß die Einstellung der Widerstandswerte in Schritten von 0,2% bis zu einem Maximum von 14,8% vorgenommen werden kann.
Auch die Widerstandswerte selbst können als Einstell­ werte 15a bis 15c angezeigt werden, jedoch ist es auf­ grund der Tatsache, daß die Widerstandswerte der je­ weiligen Teile des Musters zur Widerstandseinstellung zu Streuungen zwischen den Elementen oder Partien neigen, zu bevorzugen, die Werte wie in der obigen Ausführungs­ form als Prozentzahlen oder den Prozentzahlen entspre­ chende Symbole anzuzeigen.
Außerdem sollten solche Einstellwerte 15a bis 15c vor­ zugsweise gleichzeitig durch das gleiche Material wäh­ rend der Bildung des Widerstandsfilms 12 durch Ätzen gebildet werden. Darüber hinaus ist die Anordnung der Einstellteile 14a auf einer geraden Linie wie in der vorliegenden Ausführungsform dahingehend vorteilhaft, daß während des aufeinanderfolgenden Schneidens einer großen Zahl von Elementen, die in einem Wafer ausgerich­ tet sind, ein solcher Wafer oder eine Verarbeitungsquelle in gerader Linie fortbewegt werden kann, und auf diese Weise wird der Betrieb im Sinne einer verbesserten Ar­ beitseffizienz vereinfacht.

Claims (3)

1. Widerstandsthermometer, mit einem isolierenden Substrat (11), einem aus einem Dünnfilm oder Dickfilm in Mäander­ form auf dem isolierenden Substrat (11) gebildeten Wider­ standsfilm (12) und mit dem Widerstandsfilm (12) elek­ trisch leitend verbundenen Einstellmustern (14) für Widerstandswerte, die Einstellteile (14a) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß Einstellwerte (15a, 15b, 15c) in der Nachbarschaft der jeweiligen Einstellteile (14a) durch Prozentzahlen in bezug auf den Gesamtwiderstandswert des Widerstandsfilms (12) angezeigt werden.
2. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einstellwerte (15a, 15b, 15c) durch das gleiche Material wie das des Widerstandsfilms (12) angezeigt werden.
3. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einstellmuster (14) zur Einstellung der Wider­ standswerte so ausgebildet ist, daß die betreffenden Einstellteile (14a) auf einer geraden Linie angeordnet sind.
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