DD149829A1 - Verfahren und vorrichtung zum tempern von widerstaenden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung und zum Abgleich durch Temperung mit Joulscher Waerme von Widerstandselementen, insbesondere von Schichtwiderstandsbahnen fuer Thermodruckkoepfe. Ziel ist es, dafuer kurze technologische Zeiten zu erreichen und den notwendigen Aufwand an Einrichtungen zu senken und dadurch selbst eine Zerstoerung der Widerstandselemente zu verhindern. Das Wesen besteht darin, dasz in das Widerstandselement ein vom Widerstandswert des Elementes abhaengiger Konstantstrom bis zur zulaessigen Grenzleistung eingespeist wird (steuernder Parameter ist die Elementespannung), und danach eine zunaechst die gleiche Leistung erzielende Konstantspannung ueber das Widerstandselement angelegt wird (steuernder Parameter ist der Elementestrom). Bei Erreichung des Zielstromes wird der Tempervorgang unterbrochen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Tempern von Widerständen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung und zum Abgleich durch Temperung .mit Joulscher Wärme von elektrischen Widerstandselementen, die aus einem Material bestehen, das unter Zuführung eines gasförmigen Mediums oder unter normaler Atmosphäre ab einer bestimmten Temperatur an seiner Oberflächenschicht reagiert und damit eine Widerstandserhöhung und/oder ein Schutz der Grundschicht eintritt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bisher bekannte Verfahren zur Stabilisierung und zum Abgleich von Dürmschichtwiderständen durch thermische Oxydation nach DE-AS 1465 701, DE-AS 1765 567 und DE-AS 1953 070 bestehen aus mehreren Verfahrensschritten, bei denen die auf nichtleitende Träger aufgebrachte Widerstandsschichten bei verschiedenen Drücken einer Schutzgas- bzw· Säuerstoffatmosphäre ausgesetzt werdeno Die dabei erforderlichen Temperaturen der Widerstandsschichten werden teils durch externe Heizer, teils durch einen impulsartigen Stromfluß durch das Widerstandselement erzeugt.»

Nachteilig an den bekannten Verfahren sind einmal die von der Normalatmosphäre abweichenden Drücke, welche besondere aufwendige Einrichtungen, sowie technologisch lange Zeiten

für den Abgleich erfordern. Diese-Zeiten resultieren daraus, daß. einerseits ein bestimmtes Leistungsminimum für den Beginn des Abgleiches erforderlich ist, andererseits ab einer bestimmten Leistung eine Zerstörung des Widerstandselementes erfolgt.

Ziel der Erfindung

Zweck der Erfindung ist es, Widerstandselemente durch Temperung so zu stabilisieren und abzugleichen, daß kurze technologische Zeiten erreicht werden und der dazu notwendige Aufwand an Einrichtungen gesenkt wird·

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine Stabilisierung und ein Abgleich von Y/iderstandselementen erfolgt und dadurch selbst eine Zerstörung der Widerstandselemente verhindert wird»

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das Verfahren dadurch gelöst, daß in das Widerstandselement ein vom Widerstandswert des Elementes abhängiger Konstantstrora bis zur zulässigen Grenzleistung eingespeist wird, daß danach eine zunächst die gleiche Leistung erzielende Konstantspannung über dem Widerstandselement angelegt wird, daß der die Leistung steuernde charakteristische Parameter des Widerstandselementes vor Umschalten auf Konstantspannung die Elementespannung U_Et ist, mit der bei Überschreiten eines Grenzwertes die Umschaltung auf Konstantspannung erfolgt und nach Umschalten auf Konetantspannung der Elementestrom I^_T ist und daß bei Erreichen

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des Zielstromes der Tempervorgang unterbrochen wirdo Dadurch wird der erfindungsgemäße Selbstschutz gegen Zerstörung erreichte

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß der Übergang von Konstaлtstrom auf Konstantspannung stetig aber innerhalb eines begrenzten Zeitraumes erfolgt und daß der

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Tempervorgang erst nach Verlassen dieses Übergangszeitintervalls bei Erreichen des Zielstromes abgebrochen wird·

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß mindestens eine Gruppe von Widerstandselementen ausgemessen wird, für diese Gruppe ein mittlerer charakteristischer Parameter, vorzugsweise die mittlere Widerstandsgröße ermittelt wird, von deren Größe abhängig das weitere gemeinsame Temperregime aller Elemente pro Gruppe vorgenommen wird, daß damit zugleich ein den den Totalausfall des Widerstandselementes durch Überhitzung zeitlich vorher anzeigender Parameter, ζ·Β. der Elementespannung, überwacht wird und derselben das Temperregime unterhalb der kritischen Parameterwerte, die den Totalausfall definieren, führt,.daß der Elementewiderstand überwacht und bei Erreichung des Zielwertes in warmen Zustand der Tempervorgang unterbrochen und zwecks Temperung nun auf das nächste Widerstandselement der Gruppe weitergeschaltet wird, daß nach Temperung der gesamten Gruppe die erzielte Größe des charakteristischen Parameters im abgekühlten Zustand schrittweise für alle Elemente gemessen wird und eine Gut-/ Schiecht-Auswahl anhand zulässiger Grenzen der charakteristischen Parameterwerte vorgenommen wird·

Dieser Verfahrensschritt läßt sich vorteilhaft für Schichtswider Standsbahnen bei einem Thermodruckkopf, aufgebracht auf ein gemeinsames Substrat, anwenden«. Von der Widerstandsgröße abhängig wird das weitere Temperregime (Verläufe von Elementestrom, Elementespannung oberhalb der den Tempervorgang ermöglichenden Schwelleistung und Elementeleistung) vorgenommen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus den Punktionsgruppen Spannungsquelle, Treiber, bei dem ein Transistor mit einem Emitterwiderstand in bekannter V/eise in Reihe geschaltet cind, Stromvorv/ahlnetzwerk, sowie weiterhin bestehend aus opannungsvorwahlnetzwerk, Umschalt-

netzwerk, Abschaltnetzwerk und einem Schutzwiderstand, ist dadurch gekennzeichnet, daß das durch Temperung nach höheren Widerstandswerten zuverändernde, zunächst niederohmige, Widerstandselement in Reihe mit Schutzwiderstand, dem Schalter und dem zunächst eine innere Stromquelle darstellenden Treiber geschaltet ist, ein die Eingangsgrößen Elementesollwiderstand R™- ,, und die zulässige Grenzleistung ?n_renz verknüpfendes SpannungsVorwahlnetzwerk der zunächst die Referenzspannungsquelle darstellenden Spannungsquelle vorgeschaltet ist; der Steuerausgang A eines die Eingangsgrößen 2_n^_n„„₉

Lrrenz

t -,, und Ug verknüpfendes Stromvorwahlnetzwerkes mit dem Steuereingang E des Treibers über einen Schalter verbunden ist; das Stromvorwahlnetzwerk parallel zur Spannungsquelle und der Serienschaltung bestehend aus dem Widerstandselement, dem Schutzwiderstand, dem Schalter und dem Treiber geschaltet ist; dem Schalter ein, die Eingangsgröße IjjLsoll äiskriminierendes, Abschaltnetzwerk zugeordnet ist; dem Schalter ein, das Weiterschaltsignal W verarbeitendes, Umschaltnetzwerk zugeordnet ist, und das Abschaltnetzwerk und das Umschaltnetzwerk miteinander verbunden sind; das durch Temperung nunmehr hochohmige Widerstandselement in Reihe mit dem Schutzwiderstand, dem Schalter und dem nunmehr einen volleitenden Schalter darstellenden Treiber und einer nunmehr die Konstantspannungsquelle darstellenden Spannungsquelle geschaltet ist*

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nun an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert werden< > Dabei zeigen:

Pig# 1: den zeitlichen Verlauf der einzelnen verfahrensbestimmender Parameter

Pig. 2: eine Schaltungsanordnung für eine Gruppe von Widerstandselementen

Fig. 3: den Verlauf der Temperleistung in Abhängigkeit vom Elementewiderstand Rg,

Bei dem ersten Verfah.renssch.ritt wird in das Widerstandselement ein vom Widerstandswert des Elementes abhängiger Konstantstrom eingespeist φ Dieser Strom ist in seinem Wert so bemessen, daß in dem Widerstandselement eine Leistung, die oberhalb der Schwelleistung bei der der Tempervorgang möglieh ist, umgesetzt wird. Mit der Widerstandserhöhung des Widerstandselementes steigt zunächst auch die umgesetzte Leistung im Widerstandselement an und beschleunigt den Tempervorgang·

Mit Erreichen der zulässigen Grenzleistung P_Grenz i^m Widerstandselement, oberhalb der eine schädliche Temperaturerhöhung den Ausfall des Widerstandselementes herbeiführen würde, (Durchoxidieren der Schicht, Schichtabhebungen, Verlust der Haftfähigkeit für nach dem Tempervorgang aufzubringende weitere Schichten), setzt der zweite Verfahrensschritt ein. Er besteht darin, daß statt Konstantstrom durch das Widerstandseleraent eine, zunächst die gleiche Leistung bewirkende Konstantspannung über dem Widerstandselement angelegt wird. Mit der weiteren Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandseieraentes wird dadurch die im Widerstandselement umgesetzte Elementeleistung P_EI (Temperatur) begrenzt oder verrin gerte Den Verlauf von Elementestrom I-g-r» Elementespannung U„t Elementeleistung ?_Ετ und des Innenwiderstandes R., des Transi stors einer Treiberschaltung zeigt dabei Pig. 1·

Während des ersten Verfahrensschrittes ist die Elementespannung Ujvr» der die Leistung steuernde Parameter des Widerstandselementes, welcher bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes über ein Netzwerk die Umschaltung auf Konstantspannung bewirkt. Nach dieser Umschaltung ist der Elementestrom Ig-r oder steuernde Parameter, der bei Erreichen eines Zielstromes und somit eines vorgegebenen Widerstandswertes des Wideretandselementes über das Netzwerk eine Abschaltung

bewirkt· Damit·ist der angestrebte Selbstschutz gegen Zerstörung erreicht· In Pig· 2 ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.

Die durch eine Temperung in ihrem Widerstandswert im allgemeinen nach höheren Werten zu verändernden Widerstandselemente 8, z· Bo für einen Thermodruckkopf, wo sie meist in Gruppen auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind, sind in Reihe mit einem als Vorwiderstand angeordneten Schutzwiderstand 7 und einem aus einen Transistor und einen Emitterwiderstand bestehenden Treiber 3, der als innere Konstantstromquelle wirkt, geschaltet· Die Größe des Emitterwiderstandes beträgt 1/5 о O₀ 1/10 des Elementewiderstandes· Diese Anordnung wird von einer einstellbaren Spannungsquelle 1 gespeist, der ein Spannungsvorwahlnetzwerk 2 vorgeschaltet ist. Die Größe der Speisespannung Ug wird in Abhängigkeit vom zu erreichenden Elementewiderstand R_EL und der für das jeweilige Widerstandselement typischen Grenzleistung Pg gewählt· Typische Grenzleistungen liegen im Bereich von 0,4 ··«> 0,55 V/ sind aber vom Schichtaufbau und der Geometrie der Widerstandselemente abhängig. Beim vorliegenden Anwendungsfall und Ausgangswerten von ca< > 50 Sb liegen die zu erreichenden Endwerte R„ ,- im Bereich von 70 ··· 80SZ ,

Dem zunächst als innere Stromquelle v/irkenden Treiber 3 ist ein Stromvorwahlnetzwerk 4, das im Ausführungsbeispiel aus einem Spannungsteiler besteht, über einen Schalter 9 vorgeschaltet. Dieses gewinnt die Referenzspannung für den zunächst als Stromquelle arbeitenden Treiber 3 aus der ihr vorgeschalteten Spannungsquelle 1.Es wird dimensioniert nach der Beziehung

(I) W₂ = W₁

wobei W₂ einen verstellbaren Widerstand darstellt.

Das-dem Schalter 9 zugeordnete Abschaltnetzwerk 6 besteht im ausgeführten Beispiel aus einer Triggerstufe, die den EIementesollstrom bgLsoll ^a^^s Eingangsgröße hat und ist mit dem Umschaltnetzwerk 5 verbunden.

Mit Ansteigen des Eleraentewiderstandes verändert sich in einem Übergangsbereich die Punktion des Treibers 3 derart, daß der Transistor anschließend einen volleitenden Schalter darstellt und das Widerstandselement 8 nunmehr in Reihe mit dem Schutzwiderstand 7, dem Schalter 10 an der eine Konstantspannungsquelle darstellenden Spannungsquelle 1 liegto Nachfolgend soll die Funktion erläutert werdeno

Der Beginn des Temperverfahrens zur Stabilisierung und zum Abgleich von elektrischen Widerstandselementen mittels Joulscher Wärme setzt voraus, daß der Auagangswert des Widerstandes des Elementes bekannt ist· Dieser muß also zunächst gemessen und bei einer Anordnung von Widerstandselementen in Gruppen der Mittelwert bestimmt werdeno Dabei wird davon ausgegangen, daß die Elemente einer Gruppe in gemeinsamen technologischen Schritten hergestellt werden und nur eine geringe Abweichung des Ausgangswertes vorliegtо

In Pig· 3 ist die im Widerstandselement 8 umgesetzte Leistung über dem Elementenwiderstand aufgetragen. Dabei stellt das schraffierte Band den möglichen Bereich des Temperas dar. Die untere Begrenzung gibt die Mindestleistung an, bei welcher eine Reaktion der Oberfläche des Widerstandselementes 8 und damit eine Widerstandserhöhung eintritt, die obere Begrenzung die Leistung, oberhalb welcher eine Zerstörung des Widerstandselementes 8 durch Durchoxidierung der Schicht, Schichtabhebung, partielle Verdampfung des Schichtmaterials und damit Unterbrechungen oder Veränderungen der Geometrie des Elementes, eintritt о Die dargestellten Grenzen sind abhängig vom Schichtmaterial, Schichtaufbau sowie der Geometrie des Elementese

Mit den nunmehr bekannten Parametern R-rLAusp- и*¹**

wird aus Pig. 3 so ein Temperverlauf und damit I™- und U. ausgewählt, daß der Tempervorgang mit Sicherheit anläuft, eine Zerstörung des Elementes aber bis zum Erreichen des Zielwertes nicht erfolgen kann. Eine mögliche Arbeitskurve ist in Fig. 3 verstärkt dargestellt. Dieser in Figo 3 dargestellte Ablauf ergibt sich bei Anwendung der in Figo 2 angegebenen Schaltung.

Die Spannungsquelle 1 wird mit Hilfe des Vorwahlnetzwerkes auf die aus Fig. 3 abgelesene Spannung Ug, und der abgelesene Elementestrora Ip-r mit Hilfe des Reglers W^ am Stromvorwahlnetzwerk 4| eingestellte Der Schalter 9 ist geschlossen. Zusammen mit der angelegten konstanten Spannung U„ die die Referenzspannung darstellt., wirkt der Treiber 3 als Konstantstromquelle. Der Schalter 10 verbindet das erste Widerstandselement 8 der Gruppe mit dem Stromkreis. Dieser Konstantstrom I_ET= + setzt in dem zunächst kalten Widerstandselement eine Leistung ein die oberhalb der erforderlichen Mindestleistung liegt. Diese Leistung steigt nach der Beziehung

(^{Ы) P}EL ^{= 1}EL · ^REL

mit der Widerstandserhöhung des Widerstandselementes an und beschleunigt damit den TemperVorgang. Die Spannung über dem Widerstandselement steigt dabei ständig an. Mit der weiteren Erhöhung des Widerstandes des Widerstandselementes nähert sich die Elementespannung U^ immer mehr der Spannung der Spannungsquelle 1, wodurch der Transistor des Treibers 3 in Sättigung geht und die Kollektor-Emitterstrecke niederohmig wirdo Damit stellt der Treiber 3 nunmehr einen voll leitenden Schalter dar und die beschriebene Stromquelle existiert nicht mehr. Am Widerstandselement 8 liegt somit näherungsweise die Konstantspannung Ug der Spannungsquelle 1 unter der ver-

einfachten Annahme, daß der Schutzwideretand 7, und der Emitterwiderstand des Treibers 3 vernachlässigbar sind. Der weitere Tempervorgang verläuft nach der Beziehung

^REL

was bedeutet,

daß mit weiterem Ansteigen des Elementenwiderstandes die im Element umgesetzte Leistung begrenzt bzw· abgesenkt und der erfindungsgemäß angestrebte Selbstschutz gegen Zerstörung erreicht ist·

Der nunmehr durch das Widerstandselement 8 fließende Strom Ι,-,τ ist der charakteristische Parameter für den Widerstandswert des Elementes und bewirkt bei Erreichen des Endwertes R„t η. über das Abschaltnetzwerk б und den Schalter 9» daß der Tempervorgang unterbrochen wird.

Claims (3)

Erfindungsanspruch

1· Verfahren zum Tempern von Widerständen, die aus einem Material bestehen, das unter Zuführung eines gasförmigen oder unter normaler Atmosphäre ab einer bestimmten Temperatur an seiner Oberflächenschicht reagiert und damit eine Widerstandserhöhung und/oder ein Schutz der Grundschicht eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß in das Widerstandselement ein vom Widerstandswert des Elementes abhängiger Konstantstrom bis zur zulässigen Grenzleistung eingespeist wird, daß danach eine zunächst die gleiche Leistung erzielende Konstantspannung über dem Widerstandselement angelegt wird, daß der die Leistung steuernde charakteristische Parameter des Widerstandselementes vor Umschalten auf Konstant spannung die Elementespannung tL,-. ist, mit der bei Überschreiten eines Grenzwertes die Umschaltung auf Konstantspannung erfolgt und nach Umschalten auf Konstantspannung der Elementestrom Ι_Ετ ist und daß bei Erreichen des Zielstromes der Tempervorgang unterbrochen wird·

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von Konstantstrom auf Konstantspannung stetig aber innerhalb eines begrenzten Zeitraumes erfolgt und daß der Tempervorgang erst nach Verlassen dieses Übergangszeitintervalls bei Erreichen des Zielstromes abgebrochen wird·

3· Verfahren nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Gruppe von Widerstandselementen ausgemessen wird, für diese Gruppe ein mittlerer charakteristischer Parameter, vorzugsweise die mittlere Widerstandsgröße ermittelt wird, von deren Größe abhängig das weitere gemeinsame Temperregime aller Elemente pro Gruppe vorgenommen wird, daß damit zugleich ein den den Totalausfall des Widerstandselementes durch Überhitzung zeitlich vorher anzeigender Parameter, z. B. der Elementespannung, überwacht wird und derselbe das Temperregime unterhalb der kritischen Parameterwerte, die den Totalausfall definie-

ren, führt, daß der Elementewiderstand überwacht und bei Erreichung des Zielwertes in warmen Zustand der Tempervorgang unterbrochen und zwecks Temperung nun auf das nächste V/iderstandselement der Gruppe weitergeschaltet wird, daß nach Temperung der gesamten Gruppe die erzielte Größe des charakteristischen Parameters im abgekühlten Zustand schrittweise für alle Elemente gemessen wird und eineGut-ZSchlecht-Auswahl anhand zulässiger Grenzen der charakteristischen Parameterwerte vorgenommen wird.

4о Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 bestehend aus den Punktionsgruppen Spannungsquelle, Treiber, bei dem ein Transistor mit einem Emitterwiderstand in bekannter Ѵ/еізе in Reihe geschaltet ist, Stroinvorwahlnetzwerk, sowie weiterhin bestehend aus Spannungsvorwahlnetzwerk, Umschal tnetzwefk, Abschaltnetzwerk und einem Schutzwiderstand dadurch gekennzeichnet, daß das durch Temperung nach höheren Widerstandswerten zuverändernde, zunächst niederohmige, V/iderstandselement (8) in Reihe mit Schutzwiderstand (7), dem Schalter (10) und dem zunächst eine innere Stromquelle darstellenden Treiber (3) geschaltet ist; ein die Eingangsgrößen Elementesollwiderstand R_EL ,, und die zulässige Grenzleistung 2„ verknüpfendes Spannungsvorwahlnetzwerk (2) der zunächst die Referenzspannungsquelle darstellenden Spannungsquelle (1) vorgeschaltet ist; der Steuerausgang A eines die Eingangsgrößen ?л_геп » ^ _οτη und U„ verknüpfendes Stromvorwahlnetzwerkes (4) mit dem Steuereingang E des Treibers (3) über einen Schalter (9) verbunden ist, das Stromvorwahlnetzwerk (4) parallel zur Spannungsquelle (1) und der Serienschaltung bestehend aus dem Widerstandselement (8), dem Schutzwiderstand (7), dem Schalter (10) und dem Treiber (3) geschaltet ist; dem Schalter (9) ein, die Eingangsgröße I„_L -,-, diskriminierendes Abjchaltnetzwerk (6) zugeordnet ist; dem Schalter (10) ein, das V/eiterschaltsignal W verarbeitendes, Umschaltnetzwerk (5) zugeordnet ist; und das Abschaltnetzwerk (6) und das Umschaitnetzwerk (5) miteinander verbunden sind; das durch Temperung nunmehr hochohmige Widerstandsele-

ment (8) in Reihe mit dem Schutzwiderstand (7), dem Schalter (10) und dem nunmehr einen volleitenden Schalter darstellenden Treiber (3) und einer nunmehr die Konstantspannungsquelle darstellenden Spannungsquelle (1) geschaltet
ist.

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