DE19703932B4 - Thermoelectric sensor - Google Patents
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Abstract
Thermoelektrischer Sensor mit wenigstens einem thermoelektrischen Sensorelement (5a), welches eine aktive Detektorfläche aus einer dünnen aktiven Schicht (7) eines kristallinen Festkörpers mit anisotroper Thermokraft aufweist und bei dem die Oberflächennormale der Schicht (7) nicht mit einer der Hauptanisotropierichtungen zusammenfällt, wobei an der dünnen aktiven Schicht (7) wenigstens zwei Kontakte (10) zum Abgreifen einer durch die Erwärmung der Oberfläche der Schicht (7) erzeugten Spannung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoelektrische Sensor als Temperatursensor (16) mit einem rohrartigen Gehäuse (17) ausgebildet ist, daß das Sensorelement (5a) pyramidenstumpfförmig ausgebildet und zur Kühlung auf einem von einem Kühlmedium durchströmten und/oder umströmten Träger (3a) aus einem thermisch leitenden Material befestigt ist und daß eine den Träger (3a) umfassende rückseitige Kühlung (3a, 17') für das Sensorelement (5a) vorgesehen ist, die symmetrisch zu einer Mittelebene (M) ausgeführt ist, welche senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht (7) angeordnet ist und zu welcher das Sensorelement (5a) spiegelsymmetrisch ausgeführt ist, und das Sensorelement (5a) an einer Stirnseite des rohrartigen, einen Kühler bildenden Gehäuses (17) vorgesehen istThermoelectric sensor having at least one thermoelectric sensor element (5a) which has an active detector surface of a thin active layer (7) of a crystalline solid with anisotropic thermoelectric force and in which the surface normal of the layer (7) does not coincide with one of the main anisotropy directions Thin active layer (7) at least two contacts (10) for picking up a voltage generated by the heating of the surface of the layer (7) are present, characterized in that the thermoelectric sensor as a temperature sensor (16) with a tubular housing (17) in that the sensor element (5a) is designed in the shape of a truncated pyramid and is fastened on a carrier (3a) through which a cooling medium flows and / or flows from a thermally conductive material, and in that a back-cooling (3a, 17 ') encompassing the carrier (3a) is provided. ) is provided for the sensor element (5 a), the symm etrisch to a center plane (M) is executed, which is arranged perpendicular to the plane of the active layer (7) and to which the sensor element (5a) is mirror-symmetrical, and the sensor element (5a) on an end face of the tubular, a cooler forming housing (17) is provided
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen Sensor gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.The invention relates to a thermoelectric sensor according to the preamble of claim 1.
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.Such a sensor can be used as a fast-reacting sensor for measuring the thermal power of a radiation, in particular laser radiation. The active layer here consists of a thin anisotropic high-temperature superconductor layer grown on a monocrystalline substrate with a tilt angle. At contact surfaces, a voltage can be tapped which is proportional to the temperature gradient between the temperature at the top of the active layer and the temperature which the active layer has at the transition to the substrate. The known thermal detector basically has the advantage that the active layer can be made very thin with low mass and thereby very short time constants in the range of ns. are reachable. In a continuous load or radiation, especially in a continuous load with higher average power, however, the known thermoelectric detector or its output voltage on a pronounced drift behavior, which consists in the fact that the measurement or output voltage drops despite the same irradiation. A disadvantage of the known detector also that this signal drift is still dependent on the movement of the radiation incident on the active layer along this active layer, d. H. For example, a movement of one millimeter can increase signal drift by a factor of ten.
Aus der
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
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Sensors, der ohne Driftverhalten eine schnelle Temperaturmessung ermöglicht.Object of the present invention is to provide a sensor that allows a fast temperature measurement without drift behavior.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Sensor entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.To solve this problem, a sensor according to the characterizing part of claim 1 is formed.
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.An essential component of the invention is the symmetrical cooling, which ensures that in each case in the region of the two contacts in each case the same temperature conditions, in particular in the active layer, so therefore can not build up a drift of the output causing lateral temperature gradient.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of an embodiment. Show it:
Der in den Figuren dargestellte Sensor besteht im wesentlichen aus einem geschlossenem Gehäuse
Das Sensorelement
Im einzelnen ist die aktive Schicht
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
Für die Herstellung des Sensorelementes
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 (
On a SrTiO 3 substrate tilted (100) planes at the angle α (α> 0) from the surface, a thin layer of the high temperature superconductor YBa becomes laser ablation at 680 ° C and 300 mTorr O 2 atmosphere 2 Cu 3 O 7-δ (YBCO) applied. The YBCO (100) planes grow parallel to the SrTiO 3 (100) planes (
Beim Auftreffen des Strahles
Zum Aufnehmen der durch die Erwärmung der Oberfläche der Schicht
Die elektrische Verbindung zu den Kontakten
Die an den Kontakten
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.
- Sab / SC:
- Seebeck coefficients (material constants YBCO: Sc approx. 15 μV / K, Sab 0 V / K)
- I ':
- Spot diameter
- d:
- Layer thickness of the active layer
- α:
- tilt angle
- U:
- measured electrical output voltage
- T1:
- Temperature at the surface of the active layer
- T2:
- Temperature at the transition between the active layer and the substrate.
Mit der der Schicht
Zum Zuführen des Kühlmediums dienen die beiden Anschlüsse
Um einen besonders guten und gleichmäßigen Wärmekontakt zwischen dem Substrat
Die
Einsatzgebiete für den Temperatursensor
- • 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.
- • in flow technology to study transitions between laminar and turbulent flow or
- • in combustion research, eg. B. in internal combustion engines to see where the
fast temperature sensor 16 it allows to accurately record and display the time course of a combustion process.
Der Temperatursensor
Auch das Sensorelement
An dem dem Sensorelement abgewandten Ende des Gehäuses
Das Gehäuse
Durch die Einbettung der Kontakte
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Gehäusecasing
- 22
- Umfangswandperipheral wall
- 33
- Bodenground
- 3a3a
- Zylindercylinder
- 44
- Gehäuseabschlußhousing end
- 55
- Sensorelementsensor element
- 66
- Substratsubstratum
- 77
- Aktive SchichtActive shift
- 88th
- Optikoptics
- 99
- zu messender Strahlto be measured beam
- 1010
- Kontaktflächecontact area
- 11, 11a11, 11a
- Kontaktelementcontact element
- 1212
- Kühlkanalcooling channel
- 13, 1413, 14
- KühlmittelanschlußCoolant connection
- 1515
- Kühlmittelauslaßcoolant outlet
- 1616
- Temperatursensortemperature sensor
- 1717
- Gehäusecasing
- 17'17 '
- Kühlraumrefrigerator
- 1818
- Vergußmassesealing compound
- 1919
- Anschlußkopfconnecting head
- 2020
- MeßsignalanschlußMeßsignalanschluß
- 21, 2221, 22
- KühlmittelanschlußCoolant connection
- 2323
- Trennwandpartition wall
- 2424
- Außengewindeexternal thread
Claims (2)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19703932A1 DE19703932A1 (en) | 1998-08-06 |
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ID=26022879
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19703932A Expired - Lifetime DE19703932B4 (en) | 1996-02-14 | 1997-02-04 | Thermoelectric sensor |
Country Status (1)
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Families Citing this family (3)
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EP3980738B1 (en) * | 2019-06-05 | 2023-08-02 | Compagnie Generale Des Etablissements Michelin | Temperature sensor for use in rubber mixers |
CN111795754B (en) * | 2020-06-19 | 2024-09-27 | 大冶特殊钢有限公司 | Protection device of temperature detector |
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DE2456748A1 (en) * | 1973-12-21 | 1975-06-26 | British Steel Corp | TEMPERATURE SENSORS, IN PARTICULAR FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF METALLIC WORKPIECES IN HEAT FURNACES |
DE4306497C2 (en) * | 1993-03-03 | 1995-01-05 | Hans Dr Lengfellner | Thermoelectric detector for the detection of continuous and pulsed radiation and method of manufacture |
DE19605384C1 (en) * | 1996-02-14 | 1997-02-13 | Fortech Hts Gmbh | Thermoelectric sensor |
-
1997
- 1997-02-04 DE DE19703932A patent/DE19703932B4/en not_active Expired - Lifetime
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DE19703932A1 (en) | 1998-08-06 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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AF | Is addition to no. |
Ref document number: 19605384 Country of ref document: DE |
|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8162 | Independent application | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee | ||
8170 | Reinstatement of the former position | ||
R019 | Grant decision by federal patent court | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130928 |
|
R071 | Expiry of right |