DE4300084A1 - Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand in Form einer im wesentlichen aus einem Metall der Platinmetallgruppe bestehenden Widerstandsschicht in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm, die auf einer elek­ trisch isolierenden Oberfläche eines Trägers aufgebracht und mit einer elek­ trisch isolierenden Abdeckschicht versehen ist.

Aus der DE-PS 25 27 739 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes für ein Widerstandsthermometer bekannt, bei dem der Meßwider­ stand auf einem Träger aus keramischem Material einen durch Zerstäubung herge­ stellten Platindünnfilm in vorgegebener Form trägt, der einen vorbestimmten Temperaturkoeffizienten aufweist; dabei wird eine solche Keramik verwendet, deren mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient sich von demjenigen des Thermometerplatins um weniger als plus/minus 30% unterscheidet, das als Aus­ gangsmaterial für Substrate von durch Aufstäuben hergestellte Platindünn­ schichtwiderstände für Widerstandsthermometer dient, die in sauerstoffhaltiger Atmosphäre soweit erhitzt werden, daß das Substrat nach der Wärmebehandlung weniger als 15 ppm Chrom, weniger als 30 ppm Eisen, weniger als 45 ppm Blei und weniger als 70 ppm Silicium in mit Platin reaktionsfähiger Form enthält; bei gleichzeitiger Abwesenheit aller vorgenannten Metalle überschreitet die Summe der Verunreinigungen durch diese Metalle nicht 20 ppm, wobei das in einer Dicke von 0,1-10 µm mit Platin beschichtete Substrat bei einer Tempe­ ratur im Bereich von 1000 bis 1400°C während mindestens 60 Minuten in sauer­ stoffhaltiger Atmosphäre erhitzt wird. Das Substrat besteht entweder aus Alu­ miniumoxidkeramik, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Magnesiumoxid oder einem Magne­ siumsilikat; das Substrat wird während der Beschichtung einer Temperatur im Bereich von 500 bis 900°C ausgesetzt. Vorzugsweise wird Aluminiumoxidkeramik als Substrat eingesetzt, wobei die Platinschicht eine Dicke von 1-5 µm auf­ weist.

Weiterhin ist aus der DE-PS 40 26 061 die Herstellung eines elektrischen Meß­ widerstandes mit vorgegebenem Temperaturkoeffizienten, insbesondere für Wider­ standsthermometer bekannt, wobei auf ein Substrat ein Platin-Dünnfilm aufge­ dampft oder aufgestäubt wird, auf den im Siebdruckverfahren ein Rhodiumsulfo­ resinat enthaltendes Präparat im Siebdruckverfahren aufgebracht und einge­ brannt wird, so daß das Rhodium in der Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt ist; bei Einsatz eines Metallsubstrates weist die dem Platin-Dünnfilm zuge­ wandte Seite des Substrates eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aus Glaskeramik auf.

Als problematisch erweisen sich die nach den bekannten Verfahren hergestellten Schicht-Meßwiderstände im Tieftemperaturbereich, da reproduzierbare Tieftempe­ raturmessungen nur innerhalb eines größeren Streubereiches möglich sind. Unterhalb von -50°C erreicht die Platinmeßschicht das plastische Verhalten, so daß wiederholbare Messungen gar nicht mehr gesichert sind.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Platinmeßwiderstand in Dünnfilmtechnik als Flachmeßfühler anzugeben, der als Temperatursensor im Bereich von -200 bis +500°C mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden kann. Dabei sollen mechanische Spannungen der sensitiven Platinschicht verhindert werden, so daß sich eine Kennliniencharakteristik wie bei einem freihängenden Platindrahtwiderstand ergibt; weiterhin soll eine möglichst geringe Differenz zu der vorgegebenen DIN-Sollwert-Kennlinie erzielt werden.

Die Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektrisch isolierende Oberfläche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht der Träger aus einem Sub­ strat aus Titan, auf das eine elektrisch isolierende Schicht aus Glas oder Glaskeramik mit einer Dicke im Bereich von 1 µm bis 50 µm mit einem Wärme­ ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 ppm/K bis 10,5 ppm/K aufgebracht ist, wobei sich auf dieser Schicht eine Widerstandsschicht aus Platin befin­ det, die als elektrischer Meßwiderstand strukturiert ist.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird als Träger ein Substrat aus Silikatglas oder aus einer Keramik aus A1₂O₃ und MgO eingesetzt, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten jeweils im Bereich von 8,5 ppm/K liegen; das Mischungsverhältnis Aluminiumoxid zu Magnesiumoxid der Keramik liegt im Be­ reich von 1 : 4 bis 1 : 2. Die aus Platin bestehende Widerstandsschicht ist auf dem Substrat aus Silikatglas oder Keramik aufgebracht, wobei sie als elektrischer Meßwiderstand strukturiert ist.

Zu beiden bevorzugten Ausführungsformen ist auf der Widerstandsschicht eine elektrisch isolierende Abdeckschicht aus Silikatglas oder silikatischer Glas­ keramik mit einer Dicke im Bereich von 0,1 µm bis 20 µm vorgesehen.

Als vorteilhaft erweist sich, daß der erfindungsgemäße Meßwiderstand mit nur sehr geringer Abweichung dem DIN-Polynom für PT 100 folgt und somit im Hin­ blick auf die Kennliniencharakteristik für Flachmeßfühler ein ähnliches Ver­ halten wie bei Platinwiderständen in gewickelter Form festgestellt werden kann; auch ist der Fühler in flüssigem Stickstoff bei -196°C sehr stabil; darüber hinaus tritt keinerlei Hysterese nach der Tieftemperaturmessung ein, wie es bei konventionellen Meßwiderständen in Schichtbauweise zu beobachten ist. Aufgrund der möglichen Miniaturisierung des Meßfühlers können Meßwider­ stände, d. h. Temperatursensoren mit sehr kleinen Abmessungen verwirklicht werden, wobei gleichzeitig eine kostengünstige Produktion möglich ist.

Zur Herstellung des Meßwiderstandes wird die elektrisch isolierende Schicht im Siebdruckverfahren auf das Titansubstrat aufgebracht und unter Zufuhr von Stickstoff eingebrannt. Es ist jedoch auch möglich, die elektrisch isolierende Schicht aus Glas oder Glaskeramik im bekannten Dünnschichtverfahren aufzu­ tragen. Das zur Messung vorgesehene Platin wird auf diese elektrisch iso­ lierende Schicht in Dick- oder Dünnschichttechnik aufgebracht. Vorzugsweise werden dünne Schichten durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder Aufdampfen oder auch durch Siebdrucktechnik (Resinattechnik) erzeugt. Das beschichtete Substrat wird anschließend im Temperprozeß einer Temperatur zwischen 500°C und 650°C in einem Zeitraum von 40 h bis 100 h ausgesetzt.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß weder beim Beschichten noch beim photo­ lithografischen Strukturieren besonders angepaßte Prozesse vorzunehmen sind, da auf die standarisierten Prozeßparameter für Platinmeßfühler auf Aluminium­ oxidkeramiksubstrate zurückgegriffen werden kann. Aufgrund des Temperprozesses des beschichteten Substrates wird der nach DIN geforderte Temperaturkoeffi­ zient TK des Platins von 3850 ppm/K auf zuverlässige Weise erreicht.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß mit dem Aufbringen einer dielek­ trischen Abdeckschicht auf dem mäanderförmigen Platinfilm und nach dem Kontak­ tieren mit Anschlußdrähten der Meßwiderstand auf konventionelle Art unter Verwendung bisher üblicher Fertigungsmittel komplettiert werden kann. Die Abdeckschicht besteht vorzugsweise aus einer silikatischen Glaskeramik, die im Siebdruckverfahren aufgebracht wird. Aber auch hier sind Dünnschichttechniken möglich.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Meßwiderstand in Explosionszeichnung,

Fig. 2 zeigt anhand eines Kennlinienfeldes die Widerstandsdifferenz zu den DIN-Sollwerten in Ohm (Ω) über der Temperaturachse t in °C.

Gemäß Fig. 1 befindet sich auf dem Substrat 1 aus Titan eine elektrisch iso­ lierende Schicht 2 aus Glas oder Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/k insbesondere von 9,5 ppm/k sowie einer Dicke im Bereich von 1 bis 50 µm, vorzugsweise von 26 µm, welche unter Inertgaszufuhr - beispielsweise Stickstoff - eingebrannt worden ist. Auf die elektrisch isolierende Schicht 2 ist eine im wesentlichen aus Platin be­ stehende Schicht in Mäanderform als Meßwiderstand 3 in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise in einer Dicke von 5 µm aufgebracht. Der Meßwider­ stand 3 ist an seinen Enden 4 mit Kontaktflächen 5 und Anschlußdrähten 6 ver­ sehen. Der Meßwiderstand 3 ist durch eine als Schutzüberzug dienende Ab­ deckung 7 aus Silikatglas gegen äußere mechanische bzw. chemische Angriffe geschützt, wobei die Abdeckung 7 Öffnungen 8 aufweist, welche zur Verbindung der Anschlußflächen 4 nach außen durch Öffnungen 8 vorgesehen sind, so daß eine nachträgliche Kontaktierung nach Zusammensetzung möglich ist. Weiterhin sind ebenfalls Anschlußdrähte 6 zur Kontaktierung nach außen vorgesehen. Der mit den Öffnungen 8 versehene Teil der Abdeckung 7 weist einen sogenannten Zugentlastungstropfen 9 aus elektrisch isolierendem Werkstoff auf, welcher nach Kontaktierung und Durchführung der Anschlußleiter von außen durch die Öffnungen 8 aufgebracht wird, um eine spätere mechanische Belastung zwischen dem Meßelement und den Anschlußdrähten zu vermeiden.

Wie gemäß Fig. 2 anhand der Kennlinie a zu entnehmen ist, liegt die Kenn­ linie des erfindungsgemäßen Meßwiderstandes im Bereich von -200 bis 0°C im leicht abfallenden Bereich mit zunehmender Temperatur, wobei sich die Kenn­ linien-Werte noch innerhalb der Ein-Zehntel-Toleranz gegenüber den mit c und d bezeichneten DIN-Kennlinien (Kennlinienfeld) bewegen. Ausgehend vom Nullpunkt steigt die Kennlinie im Bereich bis zu 500°C, wobei ebenfalls bis zum Errei­ chen des 500°C-Wertes sich die Kennlinie innerhalb der Ein-Zehntel-Toleranz gegenüber der mit c und d bezeichneten DIN-Kennlinie bewegt. Zum Vergleich ist die Widerstandsdifferenz zum DIN-Soll-Wert für einen Meßwiderstand PT 100 auf einem Aluminiumoxidsubstrat in Kurve b angegeben, wobei anhand dieser Kurve erkennbar ist, daß sich die Kennlinie b im Bereich zwischen +100 bis 500°C außerhalb des Feldes der Ein-Zehntel-DIN-Toleranz bewegt, so daß eine der DIN-Norm gerechte Messung hierbei nicht mehr möglich ist.

Claims (13)

1. Widerstandsthermometer mit einem Meßwiderstand in Form einer im wesent­ lichen aus einem Metall der Platinmetallgruppe bestehenden Widerstands­ schicht in einer Dicke von 0,1 bis 10 µm, die auf einer elektrisch iso­ lierenden Oberfläche eines Trägers aufgebracht und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Oberfläche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8,5 bis 10,5 ppm/K aufweist.

2. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus Platin besteht.

3. Widerstandsthermometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Widerstandsschicht des Meßwiderstandes (3) die Form eines Mäanders aufweist.

4. Widerstandsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schutzüberzug dienende Abdeckung (9) aus Silikatglas besteht.

5. Widerstandsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die als Schutzüberzug dienende Abdeckung (9) aus SiO₂ oder Si₃N₄ oder Al₂O₃ oder TiO₂ oder MgO oder einer Kombination aus diesen mit einer Dicke im Bereich von 0,1 µm bis 20 µm besteht.

6. Widerstandsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger aus einem im wesentlichen aus einem Metall der Titangruppe bestehenden Substrat (1) gebildet ist und daß die elektrisch isolierende Oberfläche durch eine Schicht (2) mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 50 µm gebildet ist.

7. Widerstandsthermometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Titan besteht.

8. Widerstandsthermometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (2) aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid oder Spinellen besteht.

9. Widerstandsthermometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus einer Kombination von wenigstens zwei Oxiden oder aus Siliziumnitrid mit wenigstens einem Oxid besteht.

10. Widerstandsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger des Meßwiderstandes aus einem Substrat aus Sili­ katglas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8,5 ppm/K bis 10,5 ppm/K besteht.

11. Widerstandsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger aus einer Keramik aus Aluminiumoxid und Mag­ nesiumoxid mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8,5 ppm/K bis 10,5 ppm/K gebildet ist.

12. Widerstandsthermometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis Aluminiumoxid zu Magnesiumoxid der Keramik im Bereich zwischen 1 : 4 und 1 : 2 liegt.

13. Widerstandsthermometer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik eine Mischoxidkeramik ist.