CH343492A

CH343492A - Résistance électrique

Info

Publication number: CH343492A
Authority: CH
Inventors: Davis Koblitz James
Original assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1955-09-30
Filing date: 1956-09-28
Publication date: 1959-12-31
Also published as: DE1066654B; FR1159853A; GB809190A; FR1159854A; BE551424A; GB806189A; US2915730A; CH341885A

Description

Résistance électrique La présente invention a pour objet une résistance électrique comportant un corps en verre, tel qu'un tube, une tige ou une feuille, recouvert d'un film adhérent électroconducteur en oxyde métallique, et des bornes espacées en contact électrique avec le film.

Pour la fabrication de ce type de résistance, un corps en verre est chauffé à une température d'envi ron 500 à 700,1 C. Le corps chauffé est alors mis en contact avec une vapeur ou une solution pulvérisée d'une matière hydrolisable choisie afin de produire sur la surface exposée du corps un film d'oxyde élec- troconducteur mince et extrêmement adhérent.

Les matières et mélanges aptes à produire de tels films comprennent les chlorures, les bromures, les iodures, les nitrates, les oxalates, les sulfates et les acétates d'étain, d'indium, de cadmium, d'étain et d'antimoine, d'étain et d'indium, ou d'étain et de cadmium avec ou sans sel hydrolisable similaire ou autre composé d'un métal de modification tel que le zinc, le fer, le cuivre ou le chrome. Le film est composé de l'oxyde ou des oxydes correspondants.

L'épaisseur du film augmente avec la durée d'ex position du corps chaud aux vapeurs de la solution et la résistance électrique du film diminue générale ment quand son épaisseur augmente.

On peut admettre pour le calcul de la résistance électrique de ces films très minces que l'épaisseur est constante. Dans ces conditions, on a
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dans laquelle Rf est la résistance d'un film rectan gulaire de largeur 1 et de longueur L et o f est la ré sistance d'un film carré de grandeur quelconque, ex primée en ohms par carré . On peut obtenir des films ayant des épaisseurs in férieures à celle du premier ordre de couleurs d'in terférence, ou atteignant le dixième ordre et la résis tance électrique correspondante passe de1000 000 ou plus jusqu'à 5 ohms ou moins par carré.

On peut également obtenir des résistances plus élevées en découpant un film d'une résistance donnée déposé sur un corps cylindrique pour lui donner la forme d'une bande spiralée d'une longueur et d'une- largeur prédéterminées.

Les résistances composées de films électroconduc- teurs de ce type présentent, pour de nombreuses ap plications, certains avantages comparés aux autres types de résistances. Toutefois, leur résistance élec trique a tendance à l'instabilité, particulièrement si elles sont utilisées en courant continu. Cette instabi lité se manifeste par un changement temporaire ou permanent de la résistance en service. Bien que cette tendance soit observable à basse température, elle de vient progressivement plus importante à mesure que la température développée augmente.

Cette tendance a grandement limité l'emploi des résistances à film électroconducteur et a eu pour résultat d'en inter dire l'emploi dans un grand nombre d'applications, particulièrement dans les cas d'utilisation entraînant la production de hautes températures de fonctionne ment. La présence d'ions de métal alcalin dans le corps en verre a une influence néfaste sur la stabilité du film et cette influence devient progressivement plus importante au fur et à mesure que la température augmente.

On admet que les ions de métal alcalin se dépla cent en contact avec le film et en provoquent la rup- ture partielle, probablement à la suite d'une réaction chimique ou électrochimique se produisant entre les ions migrateurs et les composants du film.

La résistance, objet de cette invention, est carac térisée en ce que le corps en verre est pratiquement exempt d'ions de métal alcalin. Le terme pratique ment exempt y> signifie que les ions de métal alcalin ne sont pas ajoutés intentionnellement et sont évités, autant que possible, par une sélection soigneuse des matières brutes et par le choix de l'appareillage utili sé pour produire le corps en verre.

En réalité, toutes les matières brutes contiennent au moins des traces de composés de métaux alcalins. Ces traces elles-mêmes peuvent être supprimées par une extraction ou purification spéciale mais, ce pro cédé est d'ordinaire impraticable du point de vue éco nomique et il est inutile d'aller si loin.

Ainsi qu'il a déjà été dit dans ce qui précède, un grand nombre de matières connues peuvent être uti lisées pour la production du film électroconducteur. Toutefois, on s'est aperçu que la stabilité électrique optimum est obtenue avec des films d'oxydes d'étain et d'antimoine.

Le film primaire est de préférence une combinaison de ces oxydes contenant jusqu'à 6 % d'oxyde d'antimoine et le film protecteur d'oxyde métallique, s'il existe, a une teneur en oxyde d'anti- moine plus élevée, de l'ordre de 30-60,%.

On décrit ci-après, à titre d'exemple et en réfé rence au dessin annexé, trois formes d'exécution de la résistance, objet de l'invention.

Les fig. 1, 2 et 3 représentent respectivement ces trois formes d'exécution en coupe axiale partielle. La résistance de la fig. 1 comporte un corps 10, en verre pratiquement exempt d'alcali, un film élec- troconducteur d'oxyde métallique 11 déposé sur la surface du corps en verre et une borne électroconduc- trice 12 appliquée sur le film à chaque extrémité du corps. Le film11 est déposé sur la surface du corps 10 au moyen de tout procédé connu.

Les bornes 12 sont métalliques et peuvent être formées par tout pro cédé connu de métallisation.

Un mince revêtement d'une matière organo-mé- tallique telle qu'un résinate de métal noble, peut, par exemple, être cuit sur le corps. En variante, les pâtes métallisantes contenant un flux vitreux telles que les pâtes à l'argent que l'on trouve dans le commerce peuvent être utilisées. Bien que les bornes soient re présentées superposées au film électroconducteur 11, elles peuvent également être appliquées directement au corps 10 avant le dépôt du film. La seule condi tion nécessaire est qu'une liaison électrique appro priée soit établie entre le film 11 et les bornes 12.

Le corps en verre 10 a de préférence une surface lisse et un coefficient de dilatation linéaire variant de 30 à 60 X 10-7/0C. Il est composé d'un verre silico- alumineux contenant des oxydes alcalino-terreux et doit naturellement résister à la température nécessaire pour procéder au revêtement, sans qu'il se produise de déformation ou de ramollissement appréciables. La résistance représentée à la fig. 2 est semblable à celle de la fig. 1, mais comporte en outre un revê tement protecteur 13 déposé sur le film électrocon- ducteur 11 et s'étendant entre les bornes 12.

Ce re vêtement protecteur 13 est en céramique vitrifiée ou émail. Son rôle est de préserver le film électroconduc- teur 11 de l'influence des agents atmosphériques, qui sont également un facteur d'instabilité de la résis tance.

Les ions de métaux alcalins, s'ils existent, peu vent se déplacer à l'intérieur du revêtement protec teur aussi bien que dans le support et avoir aussi une influence néfaste sur le film conducteur. Dans l'inté rêt de la stabilité électrique il est donc également im portant que tout revêtement protecteur employé soit pratiquement exempt d'ions de métal alcalin.

La forme d'exécution préférée est celle de la fig. 3. Elle comprend un corps 10, en verre pratique ment exempt d'alcali, portant un film d'oxyde métal lique électroconducteur 11. Un second film d'oxyde métallique 13 ayant une résistance plus élevée est déposé sur le film 11 et sert de revêtement protecteur et les bornes 12 sont posées sur le film 13. Les deux films d'oxyde métallique peuvent être déposés suc cessivement au cours d'une opération continue de re vêtement.

La résistance électrique du film 13 doit être suffisamment élevée pour ne pas contribuer de manière appréciable à la conductibilité entre les bor nes 12, mais en même temps doit être suffisamment faible pour permettre un contact électrique conve nable entre les bornes 12 et le film 11 sans produc tion de résistance au contact ou d'impédance au pas sage du courant. Il a été établi que ces conditions sont généralement remplies quand le film 13 a une résis tance de 200 ohms à 10 mégohms par carré et que cette résistance est au moins 10 fois celle du film 11 qui peut être de 20 à 10 000 ohms par carré. Des résistances de ce type ainsi que leur fabrication sont décrites en détail dans le brevet No 341885.

Dans le tableau ci-après sont indiquées des com positions de verre appropriées à la formation du corps de la résistance. Ces compositions sont indiquées en pourcentage de poids des oxydes dans les charges de verre.
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A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP> E
<tb> SiO., <SEP> 62 <SEP> 62 <SEP> 62 <SEP> 58 <SEP> 44
<tb> ALOÏ <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 7
<tb> CaO <SEP> . <SEP> . <SEP> 18 <SEP> 14,7 <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> MgO <SEP> ... <SEP> .. <SEP> 5 <SEP> 8,3 <SEP> 7 <SEP> 7
<tb> BaO <SEP> ..... <SEP> 6 <SEP> 6
<tb> B,O:; <SEP> . <SEP> 4 <SEP> 17
<tb> Pb0 <SEP> 27
<tb> Zn0 <SEP> ........ <SEP> 5 Les compositions A à D sont des verres conte nant essentiellement de la silice, de l'alumine et des oxydes de métaux alcalino-terreux.

Ces verres con viennent particulièrement du fait que leurs coeffi- cients de dilatation thermique sont de 30 à 60 X 10-7/ C et que leurs points de ramollissement sont relativement élevés et permettent donc la formation de film à très haute température. Le verre E, d'autre part, est habituellement utilise comme revêtement protecteur en raison de son point de ramollissement relativement bas. Toutefois, il peut également être utilisé comme corps en cas de dépôt d'un revêtement à basse température bien que ceci ne soit pas à re commander en raison du soin tout particulier à ap porter à l'obtention d'un film satisfaisant à de si basses températures.

On décrit dans les exemples ci-après la fabrica tion de la résistance faisant l'objet de la présente in vention, en montrant ses avantages par rapport aux résistances à film déjà connues. Exemple 1: Les verres A et B du tableau ci-dessus ont été fondus et des barreaux d'environ 6,5 mm de diamè tre produits à l'aide de cette fusion. A titre de com paraison, un barreau de même dimension a été étiré à partir d'un verre ordinaire indiqué ci-après Verre X . Le verre X est par exemple, un verre com mercial ayant la composition ci-après Exemple 2 Les éléments de barreau de verre utilisés sont de mêmes longueurs que dans l'exemple 1 ; ces bar reaux sont faits à l'aide du verre C du tableau et du verre X contenant du Na2O déjà cité à l'exemple 1.

Des films ayant une résistance de 20 - 30 ohms par carré ont été déposés sur des barreaux en les expo sant aux vapeurs d'une solution de chlorures d'étain et d'antimoine capables de produire un film conte- nant environ 95 % d'oxyde d'étain et 5'% d'oxyde d'antimoine.

Des bornes métalliques ont été posées et un revêtement organique à base de silicones a été ensuite appliqué sur le film conducteur et entre les bornes pour assurer la protection contre les agents atmosphériques et contre l'usure ou autres détériora tions mécaniques.

Ces résistances ont ensuite été mises à l'essai en courant continu sous une charge de 8 watts avec une température de service d'environ 3150. L'essai a été arrêté au bout de 312 heures ; la variation de résis tance de la résistance en verre X non conforme à l'invention a été de 8,9'% alors que celle de la ré- sistance en verre C exempt d'alcali n'a été que de 0,5'010. Exemple 3:

60,4 % SiO, , 4,4 % B.O'.; , 18,0 'o/o Al@O;;

, 7,4 % CaO, 8,8 % MgO et 1 @% Na.0. Une portion d'environ 50 mm de longueur a été prélevée sur cha que barreau puis chauffée à une température de 600 à 650e C et exposée à une solution vaporisée de chlo rures d'étain et d'antimoine afin de produire, sur la surface,

un film électroconducteur contenant environ 95 % d'oxyde d'étain et 5'% d'oxyde d'antimoine. L'exposition pour la formation du film a été conti nuée jusqu'à ce que le film ait une résistance d'envi ron 60 ohms par carré. Chacun des barreaux por tant un revêtement électroconducteur a ensuite été muni de bornes métalliques telles que celles repré sentées fig. 1 et sur sa surface d'une glaçure de pro tection correspondant en composition au verre E du tableau.

Les résistances ainsi fabriquées ont été essayées en courant continu sous 10 watts et à une tempéra ture d'environ 350 à 375o C au point le plus chaud de la résistance. Au cours d'un service continu de 380 heures, la résistance faite avec le verre A a pré senté une variation maximum de résistance électrique de 4,9 @/o et la résistance faite avec le verre B une variation maximum de 4,7 %. Ces variations maxima se sont produites bien avant la fin de l'essai et en suite,

ces résistances sont revenues à des valeurs voi sines des valeurs initiales et se sont pratiquement sta bilisées à ces valeurs. Pendant ce temps, la résistance au verre X, non conforme à l'invention, a présenté une variation qui n'a cessé de croître et qui a été de 12 % à la fin de l'essai. Des résistances de précision ont été préparées sur des éléments étirés à partir du verre C et du verre X de la manière indiquée à l'exemple 2.

La composi tion du film conducteur de ces résistances était la même que celle des films des exemples 1 et 2 mais ce film était suffisamment mince pour que sa résis tance électrique se trouve au voisinage de 600 à 700 ohms par carré. Le revêtement organique indiqué à l'exemple 2 a été également appliqué sur ces résis tances.

Les résistances ont été essayées en courant con tinu sous une charge de 2 watts et maintenus 500 heu res en essai à une température de service d'environ 145() C. A la fin de l'essai on a observé que la résis tance du film conducteur déposé sur le verre X avait subi une variation de 2,5 '% alors que la variation présentée par le film déposé sur le verre C exempt d'alcali n'était que de 0,22 0/0.

Donc dans cet essai le film déposé sur un verre contenant 1'% de N%O présentait une variation de plus du double de celle admise pour les résistances de précision de ce type, alors que la variation de la résistance du film déposé sur des verres exempts d'alcali se trouvait largement dans les limites admises.

Comme le montrent les résultats ci-dessus, la résistance à film faisant l'objet de l'invention peut être utilisée comme résistance de puissance fonction nant à haute température ainsi que dans d'autres do maines d'application qui lui étaient interdits jusqu'à présent en raison de ses caractéristiques variables en service. D'autre part, cette résistance est de stabilité bien supérieure à celle des résistances à film connues jusqu'à présent, dans les domaines d'application où elles étaient acceptées.

Claims

REVENDICATION Résistance électrique comportant un corps en verre recouvert d'un film adhérent électroconducteur d'oxyde métallique, et des bornes espacées en con tact électrique avec le film, caractérisé en ce que le corps en verre est pratiquement exempt d'ions de métal alcalin. SOUS-REVENDICATIONS 1. Résistance électrique selon la revendication, caractérisée en ce que le corps est composé d'un verre silico-alumineux contenant des oxydes de métaux al calino-terreux et ayant un coefficient de dilatation compris entre 30 et 60 X 10-7 par degré C. 2.

Résistance électrique selon la revendication, caractérisée en ce que le film d'oxyde métallique est composé d'oxyde d'étain et jusqu'à 6 'o/o d'oxyde d'antimoine. 3. Résistance électrique selon la revendication, caractérisée en ce qu'elle comporte une couche pro tectrice recouvrant le film d'oxyde métallique, la couche protectrice étant pratiquement exempte d'ions de métal alcalin. 4. Résistance électrique selon la sous-revendica- tion 3, caractérisée en ce que la couche protectrice est faite de matière céramique vitrifiée. 5.

Résistance électrique selon la sous-revendica- tion 3, caractérisée en ce que la couche protectrice est un second film d'oxyde métallique électroconduc- teur ayant une résistance électrique plus élevée que celle du premier film électroconducteur. 6. Résistance électrique selon la sous-revendica- tion 5, caractérisée en ce que les bornes en contact avec le premier film électroconducteur sont posées sur le second film. 7.

Résistance électrique selon la sous-revendica- tion 5, caractérisée en ce que la résistance en ohms par carré du premier film d'oxyde métallique est de 20 à 10 000 ohms et en ce que celle du second film est de 200 ohms à 100 mégohms et au moins égale à 10 fois la résistance du premier film.