1 Überblick über die Sensorik

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40 3.2 Thermoelektrische Sensoren 3.2.2 Thermoelemente 41
den. Nach den Daten in Abschnitt 3.2.1 wären hierfür im Prinzip niedrig dotierte Halbleiter
am besten geeignet. Dennoch werden solche Thermoelemente nur in wenigen Sonderfällen
eingesetzt aus den folgenden Gründen:
– Die Orte für die Messung und die Festlegung der Referenztemperatur T 1 sollten in
großem räumlichen Abstand vom Ort der Meßtemperatur gewählt werden, weil anderenfalls
eine gegenseitige Beeinflussung durch Wärmeleitung zu einer Verfälschung
der Meßergebnisse führt.
– die Zuleitungen zum Meßpunkt sollten robust und mechanisch beanspruchbar
sein, dabei sollten störanfällige Übergänge zwischen unterschiedlichen Werkstoffen
vermieden werden.
Beide Randbedingungen lassen sich bei Anwendung von Halbleiterwerkstoffen nicht
erfüllen: Die Überbrückung größerer räumlicher Entfernungen mit halbleitenden elektrischen
Leitern ist unmöglich, da die Abmessungen von Halbleiterbauelementen in der
Regel auf die Größe der Einkristallscheiben (Band 2, Abschnitt 8.1) beschränkt sind,
außerdem sind die Halbleiterwerkstoffe meist spröde und damit bruchanfällig. Das technologische
Problem der Herstellung von Halbleiter-Metallkontakten, die auch bei höheren
Temperaturen (z.B. 500 °C) noch stabil sind, ist heute immer noch problematisch.
Vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten von Halbleiterthermoelementen ergeben
sich aber im Bereich der Bolometer (Messung einer Strahlungsintensität über eine
Temperaturerhöhung im Sensor, Bild 3.2.2-2, s. auch Abschnitt 6.3).
Sehr negativ auswirken können sich parasitäre Thermospannungen in Halbleiterbauelementen,
z.B. in integrierten Schaltungen. Gerade bei hochverstärkenden Bauelementen
sind daher eine sorgfältige Kompensation solcher Spannungen, sowie Maßnahmen
zur Unterdrückung thermisch generierter Instabilitäten (z.B. Neigung zu parasitären
Schwingungen) unbedingt erforderlich.
Im Gegensatz zu den Halbleiterwerkstoffen kann eine Vielzahl reiner Metalle und Metallegierungen
die obengenannten Kriterien für die Herstellung praktisch einsetzbarer
Thermoelementen erfüllen: Die plastisch leicht verformbaren (Band 1, Abschnitt 3.2.1)
Metalle lassen sich gut zu Drähten verarbeiten, bei denen auch nach intensiver mechanischer
Beanspruchung (Zug, Druck, Biegung u.a.) nur in ungünstigen Fällen ein
Bruch (Band 1, Abschnitt 3.5) auftritt. Über langgestrecke Metalldrähte lassen sich auch
größere Entfernungen niederohmig überbrücken. Die Isolation der beiden Thermoelementdrähte
gegeneinander kann durch Keramikröhrchen erfolgen. In Bild 3.2.2-3 und
Tab. 3.2.2-1 sind die Daten verschiedener praktisch wichtiger Thermoelementkombinationen
von Metallen und Metallegierungen zusammengestellt.
Bild 3.2.2-3
Praktisch wichtige Kombinationen von Metallen und Metallegierungen für die
Herstellung von Thermoelementen. Eingetragen ist weiterhin die maximal zulässige
Betriebstemperatur (nach [3.9]).
Tab. 3.2.2-1 Eigenschaften wichtiger Thermoelement-Werkstoffe (nach [3.10]).