DE3630393C2 - Widerstandsthermometer - Google Patents
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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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