DE1539332B2 - Contact piece for contacting thermocouple legs in thermogenerators - Google Patents
Contact piece for contacting thermocouple legs in thermogeneratorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktstück zur Kontaktierung von Thermoelementschenkeln aus Silizium als Legierungskomponente enthaltenden Halbleiterkörpern in Thermogeneratoren. Eine Materialkomponente des Kontaktstückes ist Silizium. Kontaktstücke, die Silizium enthalten,, sind aus der österreichischen Patentschrift 217 735. bekannt.The invention relates to a contact piece for contacting thermocouple legs Semiconductor bodies containing silicon as an alloy component in thermal generators. A material component of the contact piece is silicon. Contact pieces that contain silicon are made from Austrian patent specification 217 735. known.
Das Kontaktstück kann als Anschlussstück für eine elektrische Leitung oder als Teil einer Kontaktbrücke dienen. Es muß etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial haben, damit bei einer Temperaturänderung des Kontaktes keine zu großen mechanischen Spannungen entstehen. Es muß gute mechanische Eigenschaften, z. B. eine große Festigkeit, haben. Weiterhin muß das Kontaktstück gegenüber einer agressiven Atmosphäre beständig sein. Kontaktbrücken in einem Thermogenerator müssen eine große elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen, da der Wirkungsgrad eines Thermogenerators unter anderem von diesen Größen abhängt. The contact piece can be used as a connection piece for an electrical line or as part of a contact bridge to serve. It must have about the same coefficient of expansion as the semiconductor material, so when the temperature of the contact changes, no excessive mechanical stresses arise. It must have good mechanical properties, e.g. B. have great strength. Furthermore, the contact piece be resistant to an aggressive atmosphere. Contact bridges in a thermal generator must have a high electrical and thermal conductivity, as the efficiency of a thermal generator among other things depends on these sizes.
Aus »Journal of Applied Physics«, Bd. 35, 1964, Nr. 1, S. 247 und 248, sind bereits Kontaktstücke zur Kontaktierung von Thermoelementschenkeln aus Germanium-Silizium-Halbleitermaterial in Thermogeneratoren bekannt, die am kalten Schenkelende aus Kupfer und am heißen Schenkelende aus Molypdän bestehen. Nach der deutschen Auslegeschrift 1200 905 kann das heiße Schenkelende auch aus Wolfram bestehen.From "Journal of Applied Physics", Vol. 35, 1964, No. 1, pp. 247 and 248, there are already contact pieces for Contacting of thermocouple legs made of germanium-silicon semiconductor material in thermogenerators known, the one at the cold end of the leg made of copper and the hot end of the leg made of Molypdän exist. According to the German interpretation 1200 905, the hot leg end can also be made of tungsten exist.
In der französischen Patentschrift 1 389 727 sind auch Kontaktstücke aus Tantal, Rhenium und Niob oder entsprechenden Legierungen beschrieben. Solche Materialien ermöglichen zwar hohe Betriebstemperaturen, es muß jedoch die Oxydation ihrer Oberfläche vor oder während der Kontaktierung verhindert werden.In the French patent 1 389 727 there are also contact pieces made of tantalum, rhenium and niobium or corresponding alloys. Such materials allow high operating temperatures, however, it must prevent the oxidation of their surface before or during the contacting will.
Ein Kontaktstück der einleitend genannten Art, das alle diese Forderungen erfüllt, besteht erfindungsgemäß aus einer Hafnium-Silizium-Legierung, und das Mischungsverhältnis der Komponenten Hafnium und Silizium entspricht wenigstens angenähert einer eutektischen oder distektischen Zusammensetzung. Solche Kontaktstücke sind noch bei hohen Temperaturen von beispielsweise 1000° C oxydationsbeständig.According to the invention, there is a contact piece of the type mentioned in the introduction that meets all of these requirements from a hafnium-silicon alloy, and the mixing ratio of the components hafnium and silicon corresponds at least approximately to a eutectic or distectic composition. Such contact pieces are resistant to oxidation even at high temperatures of 1000 ° C, for example.
Mischungsverhältnisse der genannten Art sind besonders günstig, da man bei ihnen das Material des Konitaktstückes entweder in Form eines mikroskopischen Gemenges der reinen Kristalle beider Komponenten oder als stöchiometrische Verbindung ererhält. Distektika können weiterhin noch vorteilhaft sein, wenn das Kontaktstück einen besonders hohen Schmelzpunkt besitzen soll. Ausschlaggebend für die günstige Auswahl des Mischungsverhältnisses ist die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Legierung für das Kontaktstück. Beide Größen sollen besonders groß sein.Mixing ratios of the type mentioned are particularly favorable because they use the material of the Contact piece either in the form of a microscopic mixture of the pure crystals of both components or obtained as a stoichiometric compound. Distectics can still be beneficial be if the contact piece should have a particularly high melting point. Crucial for the A favorable selection of the mixing ratio is the electrical and thermal conductivity of the alloy for the contact piece. Both sizes are supposed to be especially big.
Vorzugsweise hat die Hafnium-Silizium-Legierung die ZusammensetzungThe hafnium-silicon alloy preferably has the composition
HfxSi1...Hf x Si 1 ...
mit 0 < χ <C 0,15. Innerhalb dieses Bereiches kann die Legierung die Zusammensetzungwith 0 < χ <C 0.15. Within this range, the alloy can have the composition
TTf c:TTf c:
ni0,075 O10,925 ni 0.075 O1 0.925
haben. Diese Legierung hat besonders gute elektrische und chemische Leitfähigkeit.to have. This alloy has particularly good electrical and chemical conductivity.
Das Kontaktstück nach der Erfindung erfüllt nicht nur die obenerwähnten Forderungen, es besitzt weitere vorteilhafte Eigenschaften. Es hat eine sehr große Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit und wegen seiner metallischen Komponente eine große Härte und eine große Bruchfestigkeit. Versuche haben ergeben, daß die Kontaktstelle ohne weiteres bis über 1000° C betrieben werden kann, so daß bei Thermogeneratoren ein besserer Wirkungsgrad als bei den bisher bekannten Kontaktstückmaterialien möglich ist. Außerdem dotiert das im Kontaktstück enthaltene Hafnium die Germanium-Silizium-Legierung nicht.The contact piece according to the invention not only meets the above-mentioned requirements, it has others advantageous properties. It has a very high resistance to temperature and thermal shock and because of its metallic component, great hardness and breaking strength. try have shown that the contact point can easily be operated up to over 1000 ° C, so that with thermal generators a better efficiency than with the previously known contact piece materials is possible. In addition, the hafnium contained in the contact piece dopes the germanium-silicon alloy not.
Da das Kontaktstück eine Komponente des HaIbleitermaterial enthält, ist der Halbleiterkörper unmittelbar auflegierbar, ohne daß die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters in ungünstigem Sinne merklich beeinflußt werden. Dieses unmittelbare Auflegieren ist aus der belgischen Patentschrift 623 190 für die Verbindung von Kontaktstücken aus Wolfram mit Germanium-Silizium-Schenkeln bekannt.As the contact piece is a component of the semiconductor material contains, the semiconductor body can be placed directly without the electrical Properties of the semiconductor are noticeably influenced in an unfavorable sense. This immediate imposition is from Belgian patent specification 623 190 for the connection of tungsten contact pieces known with germanium-silicon legs.
Zur Kontaktierung des Halbleiterkörpers mit dem Kontaktstück kann der Halbleiterkörper auch auf die vorgehende Berührungsfläche mit dem Kontaktstück aufgeschmolzen werden.For contacting the semiconductor body with the contact piece, the semiconductor body can also on the previous contact surface with the contact piece are melted.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.
In der Zeichnung ist ein Thermogenerator dargestellt mit einem Wärmeaustauscher 1 für ein gasförmiges Medium an der heißen Kontaktstelle und einem Wärmeaustauscher 2 für ein flüssiges Medium an der kalten Kontaktstelle. Der Thermogenerator enthält zwei Thermoelementschenkel 3 und 4 aus einer Germanium-Silizium-Legierung, von denen der eine durch eine Dotierung mit z. B. Bor, Gallium oder Indium p-leitend, der andere durch eine Dotierung mit z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon η-leitend gemacht ist. Das Material der Thermoelementschenkel kann auch eine Eisen-Silizium-Legierung sein. Die Kontaktstücke 5, 6 und 7 des Thermogenerators, von denen das erste als Brücke ausgebildet ist, bestehen aus einer Hafnium-Silizium-Legierung. Sie sind durch eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht 9 und 10, die AIu-In the drawing, a thermal generator is shown with a heat exchanger 1 for a gaseous Medium at the hot contact point and a heat exchanger 2 for a liquid medium at the cold contact point. The thermogenerator contains two thermocouple legs 3 and 4 a germanium-silicon alloy, one of which by doping with z. B. boron, gallium or indium p-conductive, the other by doping with z. B. phosphorus, arsenic or antimony is made η-conductive. The material of the thermocouple legs can also be an iron-silicon alloy be. The contact pieces 5, 6 and 7 of the thermal generator, the first of which as a bridge is formed, consist of a hafnium-silicon alloy. They are by an electrically insulating and thermally conductive layer 9 and 10, the AIu-
+5 miniumoxyd sein kann, von den Wärmeaustauschern getrennt. Die Kontaktstücke 6 und 7 besitzen elektrische Zuleitungen 11 und 12.+5 may be miniumoxide from heat exchangers separated. The contact pieces 6 and 7 have electrical leads 11 and 12.
Die Kontaktierung wird auf die folgende Weise durchgeführt: Kontaktstücke aus einer Hafnium-Silizium-Legierung werden entsprechend vorgeformt. Auf sie werden Thermoelementschenkel an den vorgesehenen Berührungsflächen 8 aufgeschmolzen oder aufgelötet.The contact is carried out in the following way: Contact pieces made of a hafnium-silicon alloy are preformed accordingly. Thermocouple legs are attached to them Contact surfaces 8 melted or soldered on.
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