[go: up one dir, main page]

DE19703932B4 - Thermoelectric sensor - Google Patents

Thermoelectric sensor Download PDF

Info

Publication number
DE19703932B4
DE19703932B4 DE19703932A DE19703932A DE19703932B4 DE 19703932 B4 DE19703932 B4 DE 19703932B4 DE 19703932 A DE19703932 A DE 19703932A DE 19703932 A DE19703932 A DE 19703932A DE 19703932 B4 DE19703932 B4 DE 19703932B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sensor element
sensor
active layer
layer
thermoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE19703932A
Other languages
German (de)
Other versions
DE19703932A1 (en
Inventor
Dr. Betz Josef
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fortech HTS GmbH
Original Assignee
Fortech HTS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19605384A external-priority patent/DE19605384C1/en
Application filed by Fortech HTS GmbH filed Critical Fortech HTS GmbH
Priority to DE19703932A priority Critical patent/DE19703932B4/en
Publication of DE19703932A1 publication Critical patent/DE19703932A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE19703932B4 publication Critical patent/DE19703932B4/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/80Constructional details
    • H10N60/84Switching means for devices switchable between superconducting and normal states

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

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 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.From the German Offenlegungsschift 2456 748 For example, a temperature sensor for measuring the temperature of metallic workpieces in a heating oven is known which has a water-cooled support or support system for cooling the sensor housing.

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.In order to avoid the aforementioned disadvantages and to provide a sensor which provides a power-proportional drift-free output voltage even under continuous load is in the older, but not pre-published German Patent 196 05 384 additionally proposed that in the beam path of the radiation to be measured, an optical system is provided which images this radiation on the surface of the active layer in a spot whose diameter is smaller than the dimension of the active in each axial direction lying in the plane of the surface of the active layer Layer in the respective axial direction, and that a cooling is provided for the sensor element, which is designed symmetrically to a center plane which is perpendicular to the surface of the active layer and to which the sensor element is designed mirror-symmetrically.

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:

1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine Ausführungsform des thermoelektrischen Sensors gemäß der DE 196 05 384 C1 ; 1 in a simplified representation and in section an embodiment of the thermoelectric sensor according to the DE 196 05 384 C1 ;

2 in vergrößerter Einzeldarstellung einen Schnitt durch das Substrat und die aktive Detektorschicht des Detektorelementes zur Verwendung bei dem Sensor der 1; 2 in enlarged detail a section through the substrate and the active detector layer of the detector element for use in the sensor of 1 ;

3 eine Draufsicht auf das Detektorelement der 1; 3 a plan view of the detector element of 1 ;

4 in vereinfachter Darstellung und im Längsschnitt einen für eine Temperaturmessung geeigneten Sensor gemäß der Erfindung; 4 in a simplified representation and in longitudinal section a suitable temperature for a sensor according to the invention;

5 in vergrößerter Detaildarstellung das Sensorelement des Temperatursensors der 4. 5 in an enlarged detail the sensor element of the temperature sensor of 4 ,

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.The sensor shown in the figures consists essentially of a closed housing 1 with a peripheral wall 2 , with a caseback 3 and with an upper housing termination 4 , Inside the housing is the sensor element forming the active part of the sensor 5 housed, and that at the housing closure 4 opposite side of the floor 3 ,

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.The sensor element 5 , which in detail or in section in the 2 is reproduced again, is a thermoelectric detector, such as those skilled in the art, for example from the DE 43 06 497 C2 is known. This detector consists of the substrate 6 and the thin active layer provided on a surface side of this substrate 7 , In the sensor, this sensor element is mounted such that the layer 7 the housing closure 4 facing and lying in a plane perpendicular to an optical axis A of an optic 8th is arranged, the housing closure 4 is provided adjustable in the direction of the axis A and the radiation to be measured 9 (eg laser beam) on the layer 7 in a surface (spot), preferably in a circular area with the diameter I ', which is smaller than the corresponding dimensions of the layer 7 and also smaller than the diameter I of the measuring beam 9 before passing through the optics 8th ,

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.In particular, the active layer 7 a thin layer of a crystalline solid with anisotropic thermo-force, wherein the surface normal of the layer does not coincide with any of the main anisopropy-directions.

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.As a thermoelectrically anisotropic material, for example, a high-temperature superconductor is used, wherein the orientation of the Hauptisisopropieachsen, for example, by epitaxial growth on a suitable oriented, the substrate 6 forming crystal is achieved. As a thermoelectrically anisotropic material, for example, the high-temperature superconductor RBa 2 Cu 3 O 7-δ (R = rare earth) is suitable. The alignment of the anisotropy axes is then carried out by appropriate epitaxial growth on a substrate 6 forming crystal, which is cut so that its (100) surfaces emerge from the substrate surface at the angle α> 0, so that in the epitaxial growth layer also a corresponding angle between the surface normal of the layer 7 and the crystallographic c-axis of this layer.

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.
For the production of the sensor element 5 For example, it is possible to proceed as follows:
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 ( 2 ). The crystallographic C axis of the YBCO layer thus forms the angle α with the surface normal.

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.Upon impact of the beam 9 on the layer 7 this is strongly heated, in particular on its exposed upper side, so that in the direction of the thickness of the layer 7 a temperature gradient arises, which due to the angle α, among others, one of this temperature gradient and thus of the thermal energy of the beam 9 dependent stress field parallel to the surface of the layer 7 generated.

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.For picking up by heating the surface of the layer 7 generated and the power of the beam 9 dependent output voltage serve the two contacts 10 in the illustrated embodiment, each along an edge of the square sensor element 5 on top of the layer 7 are provided and extend over the full length of a page. The contacts 10 are formed by thin layers of gold, namely by these layers or contacts 10 be sputtered with a laser. This has especially with the sensor element 5 the advantage that by sputtering material of the contacts 10 also in the shift 7 penetrates and thus a particularly high durability and liability for the contacts 10 results.

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.The electrical connection to the contacts 10 via contact elements 11 , which are designed as contact springs and at least at their contact surfaces made of silver. Furthermore, the contact elements 11 , especially the transition to the contacts 10 sealed to prevent corrosion.

Die an den Kontakten 10 anliegende Ausgangsspannung läßt sich, wie folgt darstellen: U = (Sab – Sc) × (T1 – T2) × I'/d × sin(α). The at the contacts 10 applied output voltage can be represented as follows: U = (Sab-Sc) × (T1-T2) × I '/ d × sin (α).

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.
Here are:
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 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.With the layer 7 opposite surface side is the substrate 6 directly on the inner surface of the soil 3 attached. In the ground 3 a cooling is formed, and that symmetrical to a center plane M, to which the sensor element 5 also regarding the contacts 10 is designed mirror-symmetrical and includes the axis A with. For this symmetrical cooling is in the ground a cold room or cooling channel 12 formed, which by a cooling medium (eg., Water) can be flowed through. Of the cooling channel 12 extends perpendicular to the plane of the 1 over a length greater than the dimension of the sensor element 5 in this axial direction. Furthermore, the width of the cooling channel 12 also larger than the width of the sensor element 5 so that this in all its areas reliably by the cooling channel 12 flowing medium is cooled.

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.The two connections serve to supply the cooling medium 13 and 14 , which are also arranged symmetrically to the median plane M. The discharge of the cooling medium is also symmetrical to the center plane M, for example, characterized in that at one end of the cooling channel 12 an over the entire width of this channel extending outlet 15 is provided.

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.For a particularly good and uniform thermal contact between the substrate 6 and the floor 3 to reach is the substrate 6 polished on its back and with a thermal compound on the also polished surface of the floor 3 applied. Due to the fact that the radiation to be measured 9 with the help of optics 8th is concentrated to a spot diameter I ', which is substantially smaller in size than the dimensions of the active layer 7 , And by the symmetrical cooling is achieved that even at a high continuous load of up to 20 watts / cm 2, the drift or deviation of the contacts 10 at most 1 to 2%.

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.The 4 and 5 show a temperature sensor 16 characterized by a particularly fast response with response times in the range of 10 nanoseconds and is thus suitable for very fast temperature measurements. With the currently available on the market temperature sensors, such as hot wire thermometers or thin film resistors, such response times can not be realized.

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.
Fields of application for the temperature sensor 16 are among others
  • • 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 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.The temperature sensor 16 consists of a tubular housing 17 , at one end of which the sensor element 5a is provided. The latter is the same as the sensor element 5 constructed, ie it consists essentially of the substrate 6 with the active layer 7 and from the bottom or support designed as a cooling element 3a , However, the sensor element is 5a at the active layer 7 and on the substrate 6 truncated pyramid is designed so that it tapers to the side formed by the active layer and the contacts 11a starting from the active layer 7 obliquely backwards from the active layer 7 extend away. The sensor element 5a lies with the substrate 6 opposite side of its active layer 7 in a plane with the open side of the housing 17 , The between the inner surface of the housing 17 and the peripheral surface of the sensor element 5a remaining space is with a suitable, high thermal load casting compound 18 poured out, in particular also such that the contacts 11a at least as far as possible from the Eingußmasse 18 are covered.

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.Also the sensor element 5a has a back cooling to achieve a stable reference point. For cooling, the carrier is used 3a , which is made as a cylindrical piece of a thermally highly conductive material, namely of metal or with its and the substrate 6 opposite end in one inside the case 17 formed refrigerator 17 ' extends, which is flowed through by a cooling medium. At the other end of the cylinder 3a is the substrate 6 attached. By the on the carrier 3a provided back and symmetrical to the median plane M between the contacts 10 trained cooling also has the temperature sensor 16 a clear, fixed reference point and drifting through contact voltages is largely suppressed. This also contributes to the truncated pyramidal design of the sensor element.

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.At the end of the housing facing away from the sensor element 17 is a connection head 19 provided, which has an electrical connection 20 at which the electrical signal of the sensor 5a can be removed, as well as two connections 21 and 22 for the coolant, of which the connection 21 for supplying the coolant to the refrigerator 17 ' and the connection 22 for removing the coolant from the refrigerator 17 ' serves. The coolant connections between the connections 20 and 22 and the fridge 17 ' are realized, for example, that in the housing 17 and also in the head 19 a partition 23 is provided, that of the housing 17 and the head 19 formed interior divided into two sub-channels, both Känale each with the refrigerator 17 ' communicate and the one sub-channel the connection 22 and the other sub-channel connecting 22 having.

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.The housing 17 is at its the sensor element 5a having pressure-tight side. Furthermore, the housing has 17 on its peripheral surface an external thread 24 on which a screwing, in particular a pressure-tight screwing the temperature sensor 16 z. B. allows in the wall of a combustion chamber of an internal combustion engine. Due to the flat design on the the sensor element 5a The temperature sensor can have the 16 be arranged at the same level with a wall in flow areas, so that protruding, reaching into the flow sections are avoided.

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).By embedding the contacts 11a in the potting compound 18 These contacts are embedded in a temperature-stable structure with a relatively large thermal time constant, so that disturbances of the measuring signals of the active layer 7 , which result from temperature-induced contact voltages, are avoided, or are separable without problems from the fast voltage signals of the active layer. It is understood that the contacts to the carrier 3a are electrically isolated (insulator 25 ).

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)

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 with at least one thermoelectric sensor element ( 5a ), which has an active detector surface made of a thin active layer ( 7 ) of a crystalline solid with anisotropic thermo-force and in which the surface normal of the layer ( 7 ) does not coincide with one of the main anisotropy directions, wherein at the thin active layer ( 7 ) at least two contacts ( 10 ) for picking up by heating the surface of the layer ( 7 ) are present, characterized in that the thermoelectric sensor as a temperature sensor ( 16 ) with a tubular housing ( 17 ) is formed, that the sensor element ( 5a ) designed in the form of a truncated pyramid and for cooling on a carrier through which a cooling medium flows and / or flows ( 3a ) is attached from a thermally conductive material and that one of the carrier ( 3a ) comprehensive back cooling ( 3a . 17 ' ) for the sensor element ( 5a ) which is symmetrical to a median plane (M) which is perpendicular to the plane of the active layer (M). 7 ) is arranged and to which the sensor element ( 5a ) is designed mirror-symmetrically, and the sensor element ( 5a ) on a front side of the tubular, a cooler forming housing ( 17 ) is provided Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mit den Kontakten (10) der aktiven Schicht (7) verbundene Kontaktelemente (11), die sich jeweils von der Ebene der aktiven Schicht (7) zur rückwärtigen Seite des Sensorelementes (5a), vorzugsweise schräg nach rückwärts erstrecken.Sensor according to claim 1, characterized by the contacts ( 10 ) of the active layer ( 7 ) connected contact elements ( 11 ), each of which depends on the level of the active layer ( 7 ) to the rear side of the sensor element ( 5a ), preferably obliquely extend backwards.
DE19703932A 1996-02-14 1997-02-04 Thermoelectric sensor Expired - Lifetime DE19703932B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19703932A DE19703932B4 (en) 1996-02-14 1997-02-04 Thermoelectric sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19605384A DE19605384C1 (en) 1996-02-14 1996-02-14 Thermoelectric sensor
DE19703932A DE19703932B4 (en) 1996-02-14 1997-02-04 Thermoelectric sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE19703932A1 DE19703932A1 (en) 1998-08-06
DE19703932B4 true DE19703932B4 (en) 2013-06-27

Family

ID=26022879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19703932A Expired - Lifetime DE19703932B4 (en) 1996-02-14 1997-02-04 Thermoelectric sensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19703932B4 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1843138B1 (en) 2006-04-06 2012-05-16 Sauer-Danfoss ApS A bolt having a layer of conducting material forming a sensor
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

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Also Published As

Publication number Publication date
DE19703932A1 (en) 1998-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2737345C2 (en) Semiconductor laser device with a Peltier element
DE3422741C2 (en)
DE3515199A1 (en) DEVICE FOR MEASURING LOW MAGNETIC FIELDS WITH SEVERAL GRADIOMETERS
DE4102524A1 (en) INFRARED SENSOR
EP0790491A2 (en) Thermoelectric sensor
DE2553378A1 (en) HEAT RADIATION SENSOR
DE68926628T2 (en) Device for observing superconducting properties in a superconductor
DE3713981A1 (en) HEAT TRANSFER MEASURING DEVICE, IN PARTICULAR FLOW CONTROLLER
DE10113943A1 (en) diode laser component
DE69221901T2 (en) MICROSTRUCTURE DESIGN FOR HIGH IR SENSITIVITY
DE19703932B4 (en) Thermoelectric sensor
DE2000088C3 (en) Anisotropic thermocouple
DE69003498T2 (en) Infrared detection device.
DE2055606A1 (en) Thin-film single crystal component with tunnel effect
DE19756069C1 (en) Differential thermal analysis device
EP0485401A1 (en) Thermopile radiation detector
DE68915098T2 (en) Device for generating an infrared image.
DE3125292C1 (en) Heat radiation imaging device
DE2247962C3 (en) Semiconductor-based thermocouple array
DE2653865C2 (en)
EP0042549A3 (en) Cable-shaped, cryogenically stabilised high-current superconductor
DE19804487C2 (en) Thermoelectric detector for the detection of continuous and pulsed radiation and method of manufacture
DE1539281B1 (en) Thermocouple
DE69120047T2 (en) Cold finger for semiconductor circuit and cryogenic arrangement with such a finger
EP1007952B1 (en) Differential thermoanalysis device

Legal Events

Date Code Title Description
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