1 Überblick über die Sensorik

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