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DE3707631A1 - Vielfachthermoelement mit sehr kleinem temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter chip fuer praezise temperaturdifferenzmessungen bei strahlungssensoren und vielfachthermokonvertern - Google Patents

Vielfachthermoelement mit sehr kleinem temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter chip fuer praezise temperaturdifferenzmessungen bei strahlungssensoren und vielfachthermokonvertern

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Publication number
DE3707631A1
DE3707631A1 DE19873707631 DE3707631A DE3707631A1 DE 3707631 A1 DE3707631 A1 DE 3707631A1 DE 19873707631 DE19873707631 DE 19873707631 DE 3707631 A DE3707631 A DE 3707631A DE 3707631 A1 DE3707631 A1 DE 3707631A1
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DE
Germany
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thermocouples
thermocouple
thermoconverters
temperature
temperature coefficient
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19873707631
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English (en)
Inventor
Manfred Dipl Ing Klonz
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Individual
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

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  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Vielfachthermoelement mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter Chip für prä­ zise Temperaturdifferenzmessungen bei Strahlungssensoren und Vielfachthermokonvertern nach dem Oberbegriff des Anspruches.
Sowohl bei Strahlungssensoren wie auch bei Vielfachthermokonvertern wird die Temperaturerhöhung infolge einfallender Strahlung auf eine lichtabsorbierende Schicht zum Strahlungssensor bzw. infolge Joulescher Wärme des elektrischen Stromes in einem Heizer beim Thermokonverter mit Thermoelementen gemessen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit sowie zur gleichmäßigen Wärmeableitung wird eine Reihenschaltung von möglichst vielen Thermoelementen verwendet. Bei Erhöhung der Anzahl der Thermoelemente wird jedoch die Wärmeablei­ tung aus der Meßstelle erhöht, und deren Temperatur wird verringert. Zur Minimierung der Wärmeableitung müssen die Thermoelemente aus sehr dünnen Drähten hergestellt (Durchmesser bis herab zu 20 µm) werden, wodurch die Herstellung sehr schwierig wird. Die Empfindlich­ keit der Anordnung wird weiter erhöht, wenn für die Thermoelemente Materialien mit großem Seebeckfkoeffizienten gewählt werden. Gleich­ zeitig ist aber für einen solchen hochempfindlichen Temperatursensor ein kleiner TK bei Änderung der Umgebungstemperatur notwendig, um seine Empfindlichkeit ausnutzen zu können.
Ein Verfahren zur Herstellung der Reihenschaltung von mehreren Ther­ moelementen pro mm für Vielfachthermokonverter wird von /Klonz 1987/ angegeben.
Dabei wird ein Wickel aus CuNi44-Draht partiell von den "warmen" bis zu den "kalten" Verbindungsstellen mit Kupfer beschichtet.
Bei dieser Konstruktion wird wie bei keiner anderen bisher ange­ gebenen Konstruktion für Vielfachthermoelemente ein sehr kleiner TK der Thermospannung bei Änderung der Umgebungstemperatur dadurch er­ reicht /Klonz 1987/, daß die TK der Thermospannung und der Wärmeleit­ werte der Thermoelemente durch geeignete Wahl der Schichtdicke des Kupfers einander kompensieren.
Durch Aufbringen eines Heizers auf die "warmen" Verbindungsstellen wird aus diesem Temperatursensor ein Vielfachthermokonverter, mit dem die im Heizer durch einen Wechselstrom bzw. durch einen äquivalenten Gleichstrom hervorgerufenen Übertemperaturen verglichen werden können. Der Wechselstrom kann dabei im Frequenzbereich bis zu einigen MHz liegen.
Durch exakt gleiche Geometrie aller Thermoelemente, die die Wärmeab­ leitung vom Heizer besorgen, gelingt es, eine periodische Temperatur­ verteilung auf dem Heizer zu erzeugen, wodurch wiederum systematische Änderungen der Temperaturverteilung infolge Joulescher Wärme bei Gleichstrom durch thermoelektrische Effekte im Heizer vermieden wer­ den, so daß die Rückführung von Wechselströmen auf äquivalente Gleichströme mit einer Unsicherheit von einigen 10-7 möglich ist, und auf diese Weise die Messung von Wechselgrößen sehr genau durchge­ führt werden kann.
Die Herstellung dieser Vielfachthermokonverter ist sehr aufwendig, da Drähte mit Durchmessern von 10 µm bis 20 µm unter einem Mikroskop ge­ handhabt, miteinander und mit der Wärmesenke verklebt und spezielle Punktschweiß- und Lichtbogenschweißtechniken angewendet werden müssen. Die Grundplatte, auf die das Vielfachthermoelement auf­ gesetzt wird, besteht aus einer präzis angefertigten und damit teuren Cu-Platte, die wegen ihres guten Wärmeleitwertes die Wärme­ senke und Referenztemperatur für die Temperaturdifferenzmessung dar­ stellt. Die Einzelanfertigung dieser Vielfachthermokonverter führt zu sehr hohen Stückpreisen. Die Schwierigkeiten der Fertigung und der hohe Preis stehen einer wünschenswerten breiten Einführung dieses Konvertertyps in die industrielle Wechselstrom-Meßtechnik ent­ gegen. Nachteilig ist weiterhin, daß dieser Aufbau infolge seiner Größe eine Integration dieses Bauelementes in moderne integrierte elektronische Schaltkreise nicht zuläßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion für das Vielfachthermoelement zu finden, die eine billige Massenfertigung bei Einhaltung der Spezifikation, besonders der vernachlässigbar kleinen thermoelektrischen Effekte und des kleinen TK des beschrie­ benen Vielfachthermokonverters bzw. Vielfachthermoelementes für Strahlungsmessungen ermöglicht und die in integrierte Schaltkreise integriert werden kann.
Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bisherige dreidimensionale Thermoelementenreihenschaltung planar angeordnet und in Dünnfilmtechnik hergestellt wird ((1) in Bild 1 und Schnitt A-A in Bild 2).
Die Grundplatte bildet ein Silizium-Wafer (2) mit vorzugsweiser ⟨100⟩ Orientierung der Kristallachsen des Einkristalls, der auf beiden Sei­ ten zur elektrischen Isolierung der Thermoelemente eine Oxid- oder Nitridschicht (3) besitzt. Im Bereich der Thermoelemente wird zur Verringerung der Wärmeableitung vom Heizer zum Silizium von unten her ein maßhaltiges Fenster (4) durch isotropes oder anisotropes Ätzen eingebaut, das dann nur noch von der oberseitigen Isolierschicht über­ spannt wird. Auf dieses Fenster werden die Thermoelemente (1) und der Heizer (5) bzw. an seiner Stelle eine lichtabsorbierende Schicht aufge­ dampft oder gesputtert. Die Strukturen werden mit Hilfe von Masken und Fotolithografie hergestellt. Die Anschlüsse zu den Thermoelemen­ ten und zum Heizer und die kalten Verbindungsstellen der thermo­ elemente liegen auf dem Si-Rahmen (2), der infolge seiner guten Wärme­ leitung die Wärmesenke und Referenztemperatur für die Temperaturdif­ ferenzmessung bildet.
Für die Thermoelementenreihenschaltung können alle Materialpaarungen (Metalle, Metallegierungen und Halbleiter), die einen kleinen posi­ tiven TK der Thermospannung und wenigstens das Material eines Schen­ kels einen negativen TK des Wärmeleitwertes und einen positiven TK des elektrischen Widerstandes haben, verwendet werden. Die Geometrie dieses Schenkels (Breite und Dicke) muß so gewählt werden, daß seine TK′s den TK der Thermospannung kompensieren. Diesem Schenkel kann wahlweise das Material des anderen Schenkels in galvanischem Kontakt unterlegt werden.
Der Heizer wird aus Widerstandsmaterial mit vernachlässigbar kleinem TK ausgeführt.
Der Siliziumchip wird in einem Keramikhalterung in gutem Wärmekontakt eingebaut und die Kontaktierung erfolgt durch Bonden.
Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen besonders darin, daß Handarbeit unter einem Mikroskop und Schweißtechnik bei der Ein­ zelanfertigung des dreidimensionalen Vielfachthermoelementes durch Masken- und Aufdampftechniken bei der Herstellung der Dünnfilm­ strukturen von Thermoelementen und Heizern bzw. lichtabsorbierenden Schichten sowie die mechanische Formgebung von Metall durch präzise Ätztechnik in Silizium ersetzt werden.
Mit diesem Verfahren können in reproduzierbarer Weise auf einem 3-Zoll-Wafer 20 bis 50 Vielfachthermokonverter oder Strahlungssen­ soren gleichzeitig hergestellt werden, wodurch eine erhebliche Kostensenkung gegenüber der dreidimensionalen Konstruktion erzielt werden kann.
Literatur:
Entwicklung von Vielfachthermokonvertern zur genauen Rückführung von Wechselgrößen auf äquivalente Gleichgrößen. Dissertation TU Braunschweig, 1985.

Claims (1)

  1. . Vielfachthermoelement mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter Chip für präzise Temperaturdifferenzmes­ sungen bei Strahlungssensoren und Vielfachthermokonvertern, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementenreihenschaltung in Dünnfilm-Technik auf einem vorzugsweise ⟨100⟩ orientierten Silizium­ wafer hergestellt wird, dessen Oberfläche zur elektrischen Isolie­ rung eine Oxid- oder Nitridschicht und der im Bereich des Vielfach­ thermoelementes ein Fenster enthält, das in reproduzierbarer Geo­ metrie gegenüber der Thermoelementenreihenschaltung durch isotropes oder anisotropes Ätzen des Siliziums hergestellt wird, und dessen Rahmen die Funktion der Wärmesenke und der Referenztemperatur für alle Thermoelemente übernimmt, gegen die als Strahlungssensor die Temperaturdifferenz einer lichtabsorbierenden Schicht oder als Vielfachthermokonverter die Temperaturdifferenz eines Heizers mit in reproduzierbarer Geometrie angeordneten Thermoelementen gemessen wird, deren Material und Geometrie für die Thermoelementenausgangs­ spannungen einen Temperaturkoeffizienten (TK) bei Änderung der Umge­ bungstemperatur von weniger als 10-5 K-1 ergeben, weil der positive TK der Thermospannung durch den negativen TK des Wärmeleitwerts und/oder durch den positiven TK des elektrischen Widerstandes eines Thermoelementenschenkels, der partiell von dem Material des anderen Schenkels überdeckt wird, infolge geeigneter Schichtdicke dieses Schenkels kompensiert wird, und der Heizer aus Widerstandsmaterial mit vernachlässigbar kleinem TK ausgeführt wird.
DE19873707631 1987-03-10 1987-03-10 Vielfachthermoelement mit sehr kleinem temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter chip fuer praezise temperaturdifferenzmessungen bei strahlungssensoren und vielfachthermokonvertern Withdrawn DE3707631A1 (de)

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