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Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen Sensor gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
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Ein socher Sensor kann als schnell reagierender Sensor zur Messung der thermischen Leistung einer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung eingesetzt werden. Die aktive Schicht besteht hierbei aus einer dünnen anisotropen Hochtemperatursupraleiterschicht, die auf einem einkristallinen Substrat mit einem Kippwinkel aufgewachsen ist. An Kontaktflächen kann eine Spannung abgegriffen werden, die proportional zu dem Temperaturgradienten zwischen der Temperatur an der Oberseite der aktiven Schicht und derjenigen Temperatur ist, die die aktive Schicht am Übergang zum Substrat besitzt. Der bekannte thermische Detektor hat grundsätzlich den Vorteil, daß die aktive Schicht sehr dünn mit geringer Masse ausgeführt werden kann und hierdurch sehr kurze Zeitkonstanten im Bereich von ns. erreichbar sind. Bei einer kontinuierlichen Belastung bzw. Strahlung, insbesondere auch bei einer kontinuierlichen Belastung mit höherer Durchschnittsleistung, weisen der bekannte thermoelektrische Detektor bzw. dessen Ausgangsspannung allerdings ein ausgeprägtes Driftverhalten auf, das darin besteht, daß die Meß- oder Ausgangsspannung trotz gleichbleibender Bestrahlung abfällt. Nachteilig ist bei dem bekannten Detektor auch, daß diese Signaldrift weiterhin abhängig ist von der Bewegung der auf die aktive Schicht auftreffenden Strahlung entlang dieser aktiven Schicht, d. h. eine Bewegung beispielsweise von einem Millimeter kann die Signaldrift um den Faktor 10 erhöhen.
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Aus der
dt. Offenlegungsschift 2456 748 ist ein Temperaturmessfühler zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken in Wärmofen bekannt, der ein wassergekühltes Abstütz- oder Tragssystem zur Kühlung des Messfühlergehäuses aufweist.
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Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und um einen Sensor zu schaffen, der auch bei Dauerbelastung eine der Leistung proportionale driftfreie Ausgangsspannung liefert, wird in dem älteren, allerdings nicht vorveröffentlichten
deutschen Patent 196 05 384 zusätzlich vorgeschlagen, dass im Strahlenweg der zu messenden Strahlung eine Optik vorgesehen ist, die diese Strahlung auf der Oberfläche der aktiven Schicht in einem Spot abbildet, dessen Durchmesser in jeder in der Ebene der Oberfläche der aktiven Schicht liegenden Achsrichtung kleiner ist als die Abmessung der aktiven Schicht in der betreffenden Achsrichtung, und dass eine Kühlung für das Sensorelement vorgesehen ist, die symmetrisch zu einer Mittelebene ausgeführt ist, welche senkrecht zur Oberfläche der aktiven Schicht angeordnet ist und zu welcher das Sensorelement spiegelsymmetrisch ausgeführt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Sensors, der ohne Driftverhalten eine schnelle Temperaturmessung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Sensor entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
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Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die symmetrische Kühlung, die dafür sorgt, daß insbesondere auch im Bereich der beiden Kontakte jeweils gleiche Temperaturverhältnisse, insbesondere auch in der aktiven Schicht bestehen, sich also auch insofern keine eine Drift des Ausgangssignales verursachenden lateralen Temperaturgradienten aufbauen können.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
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1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine Ausführungsform des thermoelektrischen Sensors gemäß der
DE 196 05 384 C1 ;
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2 in vergrößerter Einzeldarstellung einen Schnitt durch das Substrat und die aktive Detektorschicht des Detektorelementes zur Verwendung bei dem Sensor der 1;
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3 eine Draufsicht auf das Detektorelement der 1;
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4 in vereinfachter Darstellung und im Längsschnitt einen für eine Temperaturmessung geeigneten Sensor gemäß der Erfindung;
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5 in vergrößerter Detaildarstellung das Sensorelement des Temperatursensors der 4.
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Der in den Figuren dargestellte Sensor besteht im wesentlichen aus einem geschlossenem Gehäuse 1 mit einer Umfangswand 2, mit einem Gehäuseboden 3 und mit einem oberen Gehäuseabschluß 4. Im Inneren des Gehäuses ist das den aktiven Teil des Sensors bildende Sensorelement 5 untergebracht, und zwar an der dem Gehäuseabschluß 4 gegenüberliegenden Seite des Bodens 3.
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Das Sensorelement
5, welches im Detail bzw. im Schnitt in der
2 nochmals wiedergegeben ist, ist ein thermoelektrischer Detektor, wie er dem Fachmann beispielsweise aus der
DE 43 06 497 C2 bekannt ist. Dieser Detektor besteht aus dem Substrat
6 und aus der an einer Oberflächenseite dieses Substrates vorgesehenen dünnen aktiven Schicht
7. Im Sensor ist dieses Sensorelement derart montiert, daß die Schicht
7 dem Gehäuseabschluß
4 zugewandt ist und in einer Ebene liegt, die senkrecht zu einer optischen Achse A einer Optik
8 angeordnet ist, die am Gehäuseabschluß
4 in Richtung der Achse A verstellbar vorgesehen ist und die die zu messende Strahlung
9 (z. B. Laserstrahl) auf der Schicht
7 in einer Fläche (Spot), vorzugsweise in einer Kreisfläche mit dem Durchmesser I' abbildet, der kleiner ist als die entsprechenden Abmessungen der Schicht
7 und weiterhin auch kleiner ist als der Durchmesser I des zumessenden Strahles
9 vor dem Durchtritt durch die Optik
8.
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Im einzelnen ist die aktive Schicht 7 eine dünne Schicht eines kristallinen Festkörpers mit anisotroper Thermokraft, wobei die Oberflächennormale der Schicht nicht mit einer der Hauptanisopropierichtungen zusammenfällt.
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Als thermoelektrisch anisotropes Material wird beispielsweise ein Hochtemperatur-Supraleiter verwendet, wobei die Ausrichtung der Hauptanisopropieachsen beispielsweise durch epitaktisches Schichtwachstum auf einem geeignet orientierten, das Substrat 6 bildenden Kristall erreicht wird. Als thermoelektrisch anisotropes Material eignet sich beispielsweise der Hochtemperatur-Superleiter RBa2Cu3O7-δ (R = seltene Erde). Die Ausrichtung der Anisotropieachsen erfolgt dann durch entsprechendes epitaktisches Wachstum auf einen das Substrat 6 bildenden Kristall, der so geschnitten ist, daß seine (100)-Flächen unter dem Winkel α > 0 aus der Substratoberfläche austreten, so daß sich bei dem epitaktischen Schichtenwachstum auch ein entsprechender Winkel zwischen der Oberflächennormalen der Schicht 7 und der kristallographischen c-Achse dieser Schicht ergibt.
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Für die Herstellung des Sensorelementes 5 kann beispielsweise, wie folgt, verfahren werden:
Auf einem SrTiO3-Substrat, des (100)-Ebenen um den Winkel α (α > 0) gegenüber der Oberfläche geneigt sind, wird durch Laserablation bei 680°C und 300 mTorr O2-Atmosphäre eine dünne Schicht des Hochtemperatur-Superleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) aufgebracht. Die YBCO-(100)-Ebenen wachsen dabei parallel zu den SrTiO3-(100)-Ebenen auf (2). Die kristallographische C-Achse der YBCO-Schicht bildet also den Winkel α mit der Oberflächennormalen.
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Beim Auftreffen des Strahles 9 auf die Schicht 7 wird diese insbesondere an ihrer freiliegenden Oberseite stark erwärmt, so daß in Richtung der Dicke der Schicht 7 ein Temperaturgradient entsteht, der aufgrund des Winkels α u. a. auch ein von diesem Temperaturgradienten und damit von der thermischen Energie des Strahles 9 abhängiges Spannungsfeld parallel zu der Oberfläche der Schicht 7 erzeugt.
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Zum Aufnehmen der durch die Erwärmung der Oberfläche der Schicht 7 erzeugten und von der Leistung des Strahles 9 abhängigen Ausgangsspannung dienen die beiden Kontakte 10, die bei der dargestellten Ausführungsform jeweils entlang eines Randes des quadratischen Sensorelement 5 auf der Oberseite der Schicht 7 vorgesehen sind und sich über die volle Länge einer Seite erstrecken. Die Kontakte 10 sind von dünnen Schichten aus Gold gebildet, und zwar dadurch, daß diese Schichten bzw. Kontakte 10 mit einem Laser aufgesputtert werden. Dies hat speziell bei dem Sensorelement 5 den Vorteil, daß durch das Aufsputtern Material der Kontakte 10 auch in die Schicht 7 eindringt und sich somit eine besonders hohe Haltbarkeit und Haftung für die Kontakte 10 ergibt.
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Die elektrische Verbindung zu den Kontakten 10 erfolgt über Kontaktelemente 11, die als Kontaktfedern ausgeführt sind und zumindest an ihren Kontaktflächen aus Silber bestehen. Weiterhin sind die Kontaktelemente 11, insbesondere auch der Übergang zu den Kontakten 10 versiegelt, um eine Korrosion zu vermeiden.
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Die an den Kontakten 10 anliegende Ausgangsspannung läßt sich, wie folgt darstellen: U = (Sab – Sc) × (T1 – T2) × I'/d × sin(α).
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Hierbei sind:
- Sab/Sc:
- Seebeckkoeffizienten (Materialkonstanten YBCO: Sc ca. 15 μ V/K, Sab 0 V/K)
- I':
- Spotdurchmesser
- d:
- Schichtdicke der aktiven Schicht
- α:
- Kippwinkel
- U:
- gemessene elektrische Ausgangsspannung
- T1:
- Temperatur an der Oberfläche der aktiven Schicht
- T2:
- Temperatur am Übergang zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat.
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Mit der der Schicht 7 abgewandten Oberflächenseite ist das Substrat 6 direkt auf der Innenfläche des Bodens 3 befestigt. Im Boden 3 ist eine Kühlung ausgebildet, und zwar symmetrisch zu einer Mittelebene M, zu der das Sensorelement 5 auch bezüglich der Kontakte 10 spiegelsymmetrisch ausgeführt ist und die die Achse A mit einschließt. Für diese symmetrische Kühlung ist im Boden ein Kühlraum oder Kühlkanal 12 gebildet, der von einem Kühlmedium (z. B. Wasser) durchströmbar ist. Der Kühlkanal 12 erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene der 1 über eine Länge, die größer ist als die Abmessung des Sensorelementes 5 in dieser Achsrichtung. Weiterhin ist die Breite des Kühlkanales 12 ebenfalls größer als die Breite des Sensorelementes 5, so daß dieses in allen seinen Bereichen zuverlässig durch das den Kühlkanal 12 durchströmende Medium gekühlt ist.
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Zum Zuführen des Kühlmediums dienen die beiden Anschlüsse 13 und 14, die ebenfalls symmetrisch zur Mittelebene M angeordnet sind. Das Abführen des Kühlmediums erfolgt ebenfalls symmetrisch zur Mittelebene M beispielsweise dadurch, daß an einem Ende des Kühlkanals 12 ein sich über die gesamte Breite dieses Kanals erstreckende Auslaß 15 vorgesehen ist.
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Um einen besonders guten und gleichmäßigen Wärmekontakt zwischen dem Substrat 6 und dem Boden 3 zu erreichen, ist das Substrat 6 an seiner Rückseite poliert und mit einer Wärmeleitpaste auf der ebenfalls polierten Fläche des Bodens 3 aufgebracht. Dadurch, daß die zu messende Strahlung 9 mit Hilfe der Optik 8 auf einen Spotdurchmesser I' konzentriert ist, der in seinen Abmessungen wesentlich kleiner ist als die Abmessungen der aktiven Schicht 7, sowie durch die symmetrische Kühlung wird erreicht, daß auch bei einer hohen Dauerbelastung von bis zu 20 Watt/cm2 die Drift bzw. Abweichung des an den Kontakten 10 anstehenden elektrischen Signals höchstens 1 bis 2% beträgt.
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Die 4 und 5 zeigen einen Temperatursensor 16, der sich durch ein besonders schnelles Ansprechverhalten mit Ansprechzeiten im Bereich von 10 Nanosekunden auszeichnet und sich somit für sehr schnelle Temperaturmessungen eignet. Mit den derzeit auf dem Markt erhältlichen Temperatursensoren, wie beispielsweise Heißdrahtthermometer oder Dünnschichtwiderstände, können derartige Ansprechzeiten nicht realisiert werden.
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Einsatzgebiete für den Temperatursensor 16 sind u. a.
- • in der Strömungstechnik zur Untersuchung von Übergängen zwischen einer laminaren und turbulenten Strömung oder
- • in der Verbrennungsforschung, z. B. bei Verbrennungsmotoren zu sehen, wo der schnelle Temperatursensor 16 es gestattet, den zeitlichen Verlauf eines Verbrennungsvorganges exakt zu erfassen und darzustellen.
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Der Temperatursensor 16 besteht aus einem rohrartigen Gehäuse 17, an dessen einem Ende das Sensorelement 5a vorgesehen ist. Letzteres ist in gleicher Weise wie das Sensorelement 5 aufgebaut, d. h. es besteht im wesentlichen aus dem Substrat 6 mit der aktiven Schicht 7 und aus dem als Kühlelement ausgebildeten Boden oder Träger 3a. Allerdings ist das Sensorelement 5a an der aktiven Schicht 7 und am Substrat 6 pyramidenstumpfförmig so ausgeführt ist, daß es sich zu der von der aktiven Schicht gebildeten Seite verjüngt und sich die Kontakte 11a ausgehend von der aktiven Schicht 7 schräg nach hinten von der aktiven Schicht 7 weg erstrecken. Das Sensorelement 5a liegt mit der dem Substrat 6 abgewandten Seite seiner aktiven Schicht 7 in einer Ebene mit der offenen Seite des Gehäuses 17. Der zwischen der Innenfläche des Gehäuses 17 und der Umfangsfläche des Sensorelementes 5a verbleibende Raum ist mit einer geeigneten, thermisch hoch belastbaren Eingußmasse 18 ausgegossen, und zwar insbesondere auch derart, daß die Kontakte 11a zumindest weitestgehend von der Eingußmasse 18 abgedeckt sind.
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Auch das Sensorelement 5a besitzt eine rückseitige Kühlung zur Erzielung eines stabilen Referenzpunktes. Zur Kühlung dient der Träger 3a, der als Zylinderstück aus einem thermisch gut leitenden Material, nämlich aus Metall bzw. hergestellt ist und mit seinem dem Substrat 6 abgewandten Ende in einen im Inneren des Gehäuses 17 gebildeten Kühlraum 17' hineinreicht, welcher von einem Kühlmedium durchströmt wird. An dem anderen Ende des Zylinders 3a ist das Substrat 6 befestigt. Durch die am Träger 3a vorgesehene rückseitige und symmetrisch zur Mittelebene M zwischen den Kontakten 10 ausgebildete Kühlung hat auch der Temperatursensor 16 einen eindeutigen, festen Referenzpunkt und ein Driften durch Kontaktspannungen ist weitestgehend unterdrückt. Hierzu trägt auch die pyramidenstumpfartige Ausbildung des Sensorelementes bei.
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An dem dem Sensorelement abgewandten Ende des Gehäuses 17 ist ein Anschlußkopf 19 vorgesehen, der einen elektrischen Anschluß 20, an dem das elektrische Signal des Sensors 5a abgenommen werden kann, sowie zwei Anschlüsse 21 und 22 für das Kühlmittel aufweisen, von denen der Anschluß 21 zum Zuführen des Kühlmittels an den Kühlraum 17' und der Anschluß 22 zum Abführen des Kühlmittels aus dem Kühlraum 17' dient. Die Kühlmittelverbindungen zwischen den Anschlüssen 20 und 22 und dem Kühlraum 17' sind beispielsweise dadurch realisiert, daß im Gehäuse 17 und auch im Kopf 19 eine Trennwand 23 vorgesehen ist, die den vom Gehäuse 17 und dem Kopf 19 gebildeten Innenraum in zwei Teilkanäle unterteilt, wobei beide Känale jeweils mit dem Kühlraum 17' in Verbindung stehen und der eine Teilkanal den Anschluß 22 und der anderen Teilkanal den Anschluß 22 aufweist.
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Das Gehäuse 17 ist an seiner das Sensorelement 5a aufweisenden Seite druckdicht abgeschlossen. Weiterhin weist das Gehäuse 17 an seiner Umfangsfläche ein Außengewinde 24 auf, welches ein Einschrauben, insbesondere auch ein druckdichtes Einschrauben des Temperatursensors 16 z. B. in die Wandung eines Brennraumes eines Verbrennungsmotors ermöglicht. Durch die flache Ausbildung an der das Sensorelement 5a aufweisenden Seite kann der Temperatursensor 16 in Strömungsbereichen niveaugleich mit einer Wandung angeordnet werden, so daß vorstehende, in die Strömung hineinreichende Abschnitte vermieden sind.
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Durch die Einbettung der Kontakte 11a in die Vergußmasse 18 sind diese Kontakte in ein temperaturstabiles Gefüge mit relativ großer thermischer Zeitkonstante eingebettet, so daß Störungen der Meßsignale der aktiven Schicht 7, die von temperaturbedingten Kontaktspannungen resultieren, vermieden sind, bzw. ohne Probleme von den schnellen Spannungssignalen der aktiven Schicht separierbar sind. Es versteht sich, daß die Kontakte gegenüber dem Träger 3a elektrisch isoliert sind (Isolator 25).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Umfangswand
- 3
- Boden
- 3a
- Zylinder
- 4
- Gehäuseabschluß
- 5
- Sensorelement
- 6
- Substrat
- 7
- Aktive Schicht
- 8
- Optik
- 9
- zu messender Strahl
- 10
- Kontaktfläche
- 11, 11a
- Kontaktelement
- 12
- Kühlkanal
- 13, 14
- Kühlmittelanschluß
- 15
- Kühlmittelauslaß
- 16
- Temperatursensor
- 17
- Gehäuse
- 17'
- Kühlraum
- 18
- Vergußmasse
- 19
- Anschlußkopf
- 20
- Meßsignalanschluß
- 21, 22
- Kühlmittelanschluß
- 23
- Trennwand
- 24
- Außengewinde