1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 20<br />
38 3.2 Thermoelektrische Sensoren 3.2.2 Thermoelemente 39<br />
Die quantitative Auswertung erfolgt bei Thermoelementen durch Integration der Stromdichtegleichung<br />
unter den Voraussetzungen von (3. 2.1-19), wobei vom Leerlauffall<br />
j n T = 0 ausgegangen wird. Wie bereits in Abschnitt 3.2.2 ausgeführt, hat U a nur dann<br />
<strong>die</strong> Bedeutung einer von außen meßbaren Spannung, wenn <strong>die</strong> beiden freien Enden des<br />
Thermoelements auf derselben Temperatur liegen. Die Integration kann dabei über eine<br />
beliebige Folge hintereinander geschalteter Leiter mit unterschiedlichem thermoelektrischen<br />
Verhalten durchgeführt werden. Für ein Zweileiter-Thermoelement wie in Bild<br />
3.2.2-1 ergibt sich dann mit den entsprechenden Seebeck-Koeffizienten s (i) :<br />
Am Ort der metallurgischen Verbindung (Schweißverbindung) beider Leiter des Thermoelements<br />
gilt dann wie in (3.2.1-6c) nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts<br />
durch Bildung einer Dipolschicht (Band 1, Abschnitt 2.8.3; Band 2, Abschnitt<br />
5.1):<br />
Damit vereinfacht sich (2) zu:<br />
mit der bereits in Bild 3.2.2-1 definierten Thermospannung U th (<strong>die</strong> Polung der äußeren<br />
Spannung U a erfolgt immer so, daß dem höheren Wert der Fermienergie der<br />
Minuspol, dem niedrigeren der Pluspol entspricht).<br />
Aus (4) folgt unmittelbar, daß – je nach Vorzeichen der s<br />
(i)<br />
– in einem Thermoelement<br />
<strong>die</strong> Summe oder Differenz der Seebeck-Koeffizienten eingeht, wie in Bild<br />
3.2.2-1 anschaulich beschrieben. Weiterhin hängt <strong>die</strong> Thermospannung bei nicht orts- oder<br />
temperaturabhängigen s<br />
(i)<br />
nur ab von der Temperaturdifferenz, nicht aber von dem<br />
wirklich vorhandenen Temperaturverlauf T(x).<br />
Bild 3.2.2-2 Anwendung von Halbleiter-Thermoelementen (nach [3.4]):<br />
a) Hintereinanderschaltung einer Vielzahl von Thermoelementen aus p-Silizium und<br />
Aluminium, <strong>die</strong> sich in einer integrierten Technik (d.h. in einem Fertigungsschritt)<br />
herstellen läßt: In ein n-dotiertes Halbleitersubstrat werden parallele niedrig p-dotierte<br />
Siliziumstreifen eindiffun<strong>die</strong>rt (oder ionenimplantiert), <strong>die</strong> – wie im Bild dargestellt<br />
– durch Aluminiumstreifen verbunden werden. Die Herstellung der Struktur erfolgt<br />
über einen Planarprozeß (Band 2, Abschnitt 8.2). Die Temperaturdifferenz wird<br />
zwischen der hinteren und der vorderen Reihe von Silizium-Aluminiumkontakten erzeugt.<br />
Wegen der Serienschaltung vieler Thermelemente (Thermoelementkaskade)<br />
ergeben sich hohe Ausgangssignale und damit eine große Empfindlichkeit.<br />
b) Ausführungsformen für <strong>die</strong> Anwendung der Thermoelementkaskade aus a) für ein<br />
Bolometer. Um eine möglichst große Temperaturerhöhung durch <strong>die</strong> auffallende<br />
Strahlung zu erzielen, wird das unterhalb der Thermoelemente liegende Silizium<br />
über Verfahren der Mikromechanik (Band 1, Abschnitt 3.4) entfernt. Hierdurch wird<br />
eine Verringerung der Temperatur T 2 aufgrund einer Wärmeleitung in das Substrat<br />
unterdrückt. Die Thermoelemente können sowohl parallel wie radial angeordnet<br />
werden. Sensoren <strong>die</strong>ser Art können auf demselben Kristall (Chip) zusammen mit einer<br />
integrierten Schaltung (Band 2, Abschnitt 12) hergestellt werden, so daß <strong>die</strong> Thermospannung<br />
im gleichen Bauelement verstärkt und verarbeitet werden kann. Dieses<br />
ist ein Beispiel für einen integrierten Sensor.<br />
Um möglichst große Meßsignale zu erhalten, müssen nach (4) für Thermoelemente p-<br />
und n-leitende Werkstoffe mit möglichst großen Seebeck-Koeffizienten eingesetzt wer-