[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes
mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten für ein Widerstandsthermometer, der
auf einem Träger einen Platin enthaltenden Dünnfilm als Widerstands- schicht aufweist,
wobei die die Widerstandsschicht tragende Oberfläche des Trägers aus elektrisch isolierendem
Werkstoff besteht.
[0002] Aus der US-PS 4,375,056 ist ein Dünnschicht-Widerstandsthermometer mit einem vorgegebenen
Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bekannt, bei dem ein dünner elektrisch leitender
Metallfilm auf ein elektrisch isolierendes Substrat aufgebracht wird, wobei die Dicke
des Metallfilms im Bereich von 0,05 und 0,8 um liegt; im Bereich dieser geringen Schichtstärke
ist es möglich einen geringeren Temperaturkoeffizienten zu erzielen als beim Vollmaterial.
Das Verhältnis der relativen Änderung des Temperaturkoeffizienten zur relativen Änderung
der Schichtstärke ist größer als 0,01. Als Dünnschichtmaterial wird vorzugsweise ein
Platinfilm eingesetzt. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Meßwiderstandes
ist in der US-PS 4,469,717 beschrieben.
[0003] Aus der DE-PS 25 27 739 bzw. der entsprechenden US-PS 4,050,052 ist ein Verfahren
zur Herstellung eines elektrischer Meßwiderstandes für ein Widerstandsthermometer
bekannt, der auf einem Träger aus keramischem Material einen durch Zerstäubung hergestellten
Platin Dünnfilm in einer Dicke von 0,1 bis 10 um trägt, der einen vorbestimmten Temperaturkoeffizienten
aufweist; der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats unterscheidet
sich um weniger als +/- 30 % von demjenigen des Thermometerplatins. Als Substrat wer-
den Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Magnesiumoxid oder ein Magne- siumsilikat
eingesetzt, wobei das Substrat nach einer Wärmebehandlung weniger als 20 ppm an Metallen
enthält, die in mit Platin reaktionsfähiger Form vor- liegen.
[0004] Aus Figur 3 des Aufsatzes "Rhodium-Platinum Alloys" von A. S. Darling in der Zeitschrift
Platinum Metals Review, Seite 60, Vol. 5, 1961 ist die Funktion des Temperaturkoeffizienten
einer Platinlegierung in Abhängigkeit vom Rhodiumanteil dargestellt.
[0005] Als problematisch erweist es sich nach dem Stand der Technik, eine einfache und rasche
Einstellung des gewünschten elektrischen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes
je nach Anwendungsfall - beispielsweise im Bereich von 1600 bis 3860 ppm/K-vorzunehmen,
da beim Aufdampfen der Widerstandsschicht aufgrund verschiedener Dampfdrücke der aufzubringenden
Materialien die gewünschte Legierung nicht mit ausreichender Sicherheit einstellbar
ist, bzw. bei der Kathodenzerstäubung das Targetmaterial zuvor in der gewünschten
Legierung entsprechend herzustellen ist; die Einstellung eines gewünschten TemperaturKoeffizienten
des elektrischen Widerstandes über die Variation der Schichtstärke führt dagegen aufgrund
der damit verbundenen Änderung des Leiterquerschnitts der Widerstandsbahn auch zu
einer Änderung der Breite oder Länge der Widerstandsbahn zwecks Anpassung an den vorgegebenen
Nennwiderstand des Meßwiderstandes, woraus sich eine Änderung der Struktur der Widerstandsbahn
ergibt.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, nach dem eine Platin-Dünnfilm-Widerstandsschicht
vorgegebener Schichtstärke durch Dotierung mit Fremdatomen so behandelt wird, daß
ein gewünschter elektrischer Temperaturkoeffizient im Bereich von 1600 ppm/k bis 3860
ppm/k einstellbar ist.
[0007] Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Träger Aluminiumoxid
verwendet ; es ist jedoch auch möglich, einen Träger aus einem Stahl-Substrat zu verwenden,
das auf der zur Aufbringung des Platin-Dünnfilms vorgesehenen Oberfläche eine elektrisch
isolierende Zwischenschicht aufweist, die aus Si0
2, BaO, A1
20
3 und einer anorganischen, Kobalt enthaltenden Farbstoffverbindung besteht, wie sie
beispielsweise in der DE-PS 34 26 804 beschrieben ist. Der Platin-Dünnfilm wird mittels
Elektronenstrahlverdampfung auf den Träger aufgebracht. Das im Siebdruckverfahren
aufzubringende Präparat weist vorzugsweise einen Rhodiumgehalt im Bereich von 0,1
bis 12 Gew.-%, bezogen auf den Gehalt von Platin und Rhodium im Präparat, auf. Der
nach dem Verfahren hergestellte Meßwiderstand weist eine Dicke im Bereich von 0,85
bis 1,3 um auf.
[0009] Als vorteilhaft erweist es sich, daß in dem Verfahren bisher allgemein übliche Verfahrensschritte
wie das Aufdampfen der Platinschicht und das Aufbringen des Präparats im Siebdruckverfahren
angewendet werden und somit preiswert und exakt auszuführen sind. Ein weiterer Vorteil
ist in der einfachen Variation des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes
durch Änderung des Rhodiumanteils im Präparat zu sehen.
[0010] Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Figur 1 a zeigt im Längsschnitt das Substrat mit der aufgebrachten Platinschicht,
Figur 1 b die Platinschicht gemäß Figur 1 a mit der im Siebdruckverfahren aufgebrachten
Präparat-Schicht,
Figur 1 c die mit Rhodium legierte Meßwiderstandsschicht im Längsschnitt.
Figur 2 zeigt den Meßwiderstand in einer Draufsicht nach der Strukturierung des Widerstandsmäanders.
Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten vom Rhodium-Anteil in der
Meßwiderstandsschicht.
[0011] Gemäß Figur 1 wird auf das aus Aluminiumoxid bestehende Substrat 1 im Elektronenstrahlverfahren
oder Kathodenzerstäubungsverfahren ein Platin-Dünnfilm 2 ganzflächig aufgebracht.
Nach Aufbringen des Platin-Dünnfilms 2 erfolgt gemäß Figur 1 die Aufbringung eines
Präparates aus einer Lösung von Platinresinat und Kunstharz in organischen Lösungsmitteln
(12,5 % Pt) und aus einer Lösung von Rhodiumsulforesinat in organischen Lösungsmitteln
(5 % Rh) im Siebdruckverfahren; die genannten Lösungen sind beispielsweise unter den
Bezeichnungen RP 10001/145B und MR 4511-L bei der W. C. Heraeus GmbH, Hanau, erhältlich.
Nach Auftragung der Siebdruck-Schicht 3 wird diese bei einer Temperatur im Bereich
von 80 bis 120°C getrocknet und anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 800
bis 950 C eingebrannt, wobei die organischen Lösungsmittel verbrennen oder verdampfen
und die Resinate zersetzt werden. Der Rhodiumgehalt der Schicht 3 liegt dabei im Bereich
von 0,1 % bis 12 %, bezogen auf den Gehalt von Platin und Rhodium. Nach dem Einbrennen
der Schicht 3 wird das Substrat 1 zusammen mit seinen beiden Schichten 2,3 einer Wärmebehandlung
unter atmosphärischen Bedingungen in einem Ofen bei einer Temperatur im Bereich von
1000 bis 1400°C solange unterzogen, bis das Rhodium in der sich bildenden Widerstandsschicht
2' gleichmäßig verteilt ist, wobei auch zumindest ein teilweiser Austausch der Platin-Atome
aus der Schicht 3 mit Platinatomen der Schicht 2 stattfindet.
[0012] In einem sich anschließenden Verfahrensschritt wird die Widerstandsschicht 2' beispielsweise
durch Sputterätzen in Form eines Mäanders strukturiert.
[0013] Gemäß Figur 2 befindet sich auf dem Substrat 1 die Widerstandsschicht 2' in Mäanderform,
wobei an den Enden des Widerstands-Streifens Kontaktfelder 4,5 für äußere Anschlüsse
vorgesehen sind. Die Kontaktfelder 4 und 5 sind dabei nach dem gleichen Verfahren
aufgebracht wie die Widerstandsschicht 2'.
[0014] Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes TCR vom
Rhodium-Anteil in der Platinlegierung, wobei der Rhodium-Anteil in Gewichts-% der
Platinlegierung angegeben ist. Es ist somit möglich, gemäß Figur 3 durch Variation
des Rhodiumanteils der Widerstandsschicht den Temperaturkoeffizienten im Bereich von
1600 bis 3850 ppm/K für Meßwiderstände auf der Basis von Platinlegierungen exakt einzustellen;
es wird also lediglich der Rhodiumanteil der Platinlegierung ohne Änderung der Schichtdicke
variert, so daß beispielsweise bei einer konstanten Schichtdicke von 1,1 um mit einem
Rhodiumanteil von 0,01 % ein Temperaturkoeffizient von 3850 ppm/K (Punkt A) erzielt
wird; steigt der Rhodiumanteil bei gleicher Schichtdicke auf 0,04 %, so wird ein Temperaturkoeffizient
von 3830 ppm/K (Punkt B) erzielt. Eine weitere Erhöhung des Rhodiumgehaltes auf 0,16
% verringert den Temperaturkoeffizienten auf 3750 ppm/K (Punkt C). Bei einer weiteren
Zunahme des Rhodiumanteils auf beispielsweise 10 % läßt sich ein Temperaturkoeffizient
von 1600 ppm/K (Punkt D) erzielen.
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes mit einem vorgegebenen
Temperaturkoeffizienten für ein Widerstandsthermometer, der auf einem Träger einen
Platin enthaltenden Dünnfilm als Widerstands- schicht aufweist, wobei die die Widerstands-
schicht tragende Oberfläche des Trägers aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Widerstandsschicht (2') zunächst auf das
Substrat (1) ein Platin-Dünnfilm (2) aufgedampft oder aufgestäubt wird, auf den eine
Schicht aus einem Platinresinat und Rhodiumsulforesinat enthaltenden Präparat mit
einem solchen Rhodium-Gehalt im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, daß nach dem
Trocknen und Einbrennen dieser Siebdruck-Schicht (3) und anschließender Wärmebehandlung
des so beschichteten Trägers bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400°C das
Rhodium in der Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt ist und in einem Anteil im
Bereich von 0,01 bis 10 % Gew.-% vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) eine Keramik
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid, Berylliumoxid oder Glaskeramik verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein Metallsubstrat
verwendet wird, das auf der dem Platin-Dünnfilm (2) zugewandten Oberfläche eine elektrisch
isolierende Zwischenschicht aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Stahl
und die elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Glaskeramik mit 40-65 Gewichts-%
Si02, 25-40 Gewichts-% BaO, 5-20 Gewichts-% A1203 und einer anorganischen, Kobalt enthaltenden Farbstoffverbindung besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stahl ferritischer Stahl
eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Präparat
verwendet wird, dessen Rhodium-Gehalt im Bereich von 0,1 bis 99,9 % Gew.-%, bezogen
auf den Gehalt von Platin und Rhodium im Präparat, liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebdruck-Schicht
(3) bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 120°C getrocknet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebdruck-Schicht
(3) bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 950 C eingebrannt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Platin-Dünnfilm
(2) in einer Dicke von 0,8 bis 1,2 um aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Widerstands-Schicht (2') mit einer Dicke im Bereich von 0,85 bis 1,3 um erzeugt wird.