DE3438764A1

DE3438764A1 - Thermoelektrischer detektor

Info

Publication number: DE3438764A1
Application number: DE19843438764
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Elbel; Jürgen Dipl.-Phys. DDR 6902 Jena Müller; Friedemann Dipl.-Phys. DDR 6900 Jena Völklein
Original assignee: HERMSDORF KERAMIK VEB; KOMBINAT VEB KERAMISCHE WERKE HERMSDORF DDR 6530 HERMSDORF; Keramische Werke Hermsdorf VEB
Current assignee: Tridelta GmbH
Priority date: 1983-12-06
Filing date: 1984-10-23
Publication date: 1985-06-13
Also published as: GB8430158D0; JPS6122676A; DD221604A1; HUT36613A; GB2154367A; GB2154367B; US4665276A

Description

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Kombinat VEB Keramische _gMO1».

Werke Hermsdorf « 8438

Thermoelektrischer Detektor

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Detektor, der zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung Verwendung findet.

Es ist grundsätzlich zwischen einer Reihe verschiedener Typen thermoelektrischer Detektoren zu unterscheiden, je nachdem

- ob deren Funktionselemente auf einer massereichen Wärmesenke ("Wärmesenkentyp") oder einer massearmen, freitragend aufgespannten Folie ("Aufhängetyp") angeordnet sind,

- ob die Funktionselemente aus kompaktem Material (z.B. in Form von kleinen Zapfen bzw. dünnen Drähten) oder aus dünnen Schichten bestehen und

- ob die Funktionselemente in einem evakuierten oder in einem mit Schutzgas gefüllten Gehäuse untergebracht sind.

Das gegenwärtig weit verbreitete Interesse an weitgehend miniaturisierten und gleichzeitig möglichst empfindlichen thermoelektrischen Detektoren hat zur Entwicklung eines Detektortyps geführt, der als Aufhängetyp konzipiert, in Dünnschichttechnik realisiert und unter Schutzgasatmosphäre in standardisierten Transistorgehäusen gekapselt ist. Bekannte thermoelektrische Detektoren dieses Typs sind z. B. in TO-5-Gehäuse mit Np-, Ar- oder Xe-Schutzgasatmosphäre von Normaldruck hermetisch verkapselt. Bei einer Größe der strahlungsauf nehmenden Empfängerfläche von 1 mm χ 1 mm bzw. 1 mm Durchmesser erreichen thermoelektrische Detektoren, die in Dünnschichttechnik hergestellt sind, mit 6 - 15 in unterschiedlicher Konfiguration in Reihe geschalteten Einzelthermoeleraenten typische Empfindlichkeiten von 7 - 23,5 V/W

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(Wollmann, L. R.: Electro-Optical Systems Design, Sept. 1979, S. 37 - 44).

Im Bestreben, noch empfindlichere Geräte zur berührungslosen Temperaturmessung, für die Gasanalyse oder für Uberwachungs- und Sicherungsanlagen zur Verfügung zu haben, besteht jedoch ein großes Interesse an noch empfindlicheren thermoelektrischen Detektoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Detektor zu schaffen, bei welchem unter Beibehaltung üblicher Materialien für die Thermopaare durch eine neuartige Formgebung derselben bei gleichzeitiger Einhaltung einer erforderlichen Mindestanzahl von Thermopaaren für den angestrebten Detektortyp Mindestempfindlichkeiten von 35 V/W erreichbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Schenkelpaarungen untereinander größenordnungsmäßig vergleichbarer Wärmeleitwerte eingesetzt sind und eine Mindestanzahl von 25 thermoelektrischen Paarungen über der detektiven Fläche angeordnet sind, wobei jedem Thermoschenkel ein Verhältnis von Schenkellänge und Schenkelbreite von mindestens 20, insbesondere zwischen 20 und 30, vorzugsweise 27 gegeben ist. Der erfindungsgemäße thermoelektrische Detektor ist mittels bekannter Vakuumbeschichtungs-

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verfahren und fotolithografischer Strukturierungsverfahren herstellbar. Es gelingt mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mittel, unter Verwendung bekannter thermoelektrischer Materialien und an sich bekannten Detektorausführungen vom Aufhängetyp unter Normaldruckgasfüllung mit detektiver Fläche in der Größenordnung von einem Quadratmillimeter in überraschend einfacher Weise eine Empfindlichkeitssteigerung des vorgeschlagenen Detektortyps auf 35 V/W zu erreichen. Schon mit 25 thermoelektrischen Einzelpaaren gelingt es, unter geeigneter Schutzgasfüllung Empfindlichkeiten vom Typ 50 V/W zu erreichen. Es sei betont, daß es ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegt, nicht jedem Thermoschenkel das erfindungsgemäße Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite zu geben. Es kann sich z. B. aus Kontakt!erungsgründen erforderlich machen, einen kleinen Teil der Thermoschenkel anders zu dimensionieren. Wesentlich ist, daß dem überwiegenden Teil der Thermoschenkel das erfindungsgemäße Verhältnis gegeben ist. Im Verhältnis zur erreichbaren Empfindlichkeitssteigerung ist der technologische Herstellungsaufwand relativ gering.

Ausfuhrungsbeispiel

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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:

Ein als Dünnschichtthermosäule konzipierter thermoelektrischer Detektor vom Aufhängetyp besteht aus einem Grundkörper, in dessen Zentrum sich eine Öffnung befindet, die von einer dünnen Substratfolie überspannt ist, auf der eine Vielzahl von einzelnen thermoelektrischen Paarungen angeordnet ist, die jeweils aus zwei Thermoschenkeln bestehen und insgesamt die Thermosäule bilden.

Die Terhmoschenkel sind radialsymmetrisch abwechselnd so angeordnet, daß sie von dem äußeren, auf dem Grundkörper aufliegenden Teil der Substratfolie zu deren inneren, freitragend aufgespannten Teil bzw. in umgekehrter Richtung führen, wobei sie an ihren Endstellen jeweils in einer thermoelektrisch wirksamen Kontaktstelle mit dem nächstfolgenden Thermoschenkel oder am Anfang und Ende der Thermosäule mit deren elektrischen Anschlußträgern verbunden sind, Die Kontaktstellen zweier benachbarter Thermoschenkel liegen bei dieser Anordnung abwechselnd auf dem freitragend aufgespannten Teil der Substratfolie, wo sie der Meßstrahlung ausgesetzt sind, und auf dem aufliegenden Teil der Substratfolie, wo sie durch das Detektorgehäuse vor Meßstrahlung geschützt sind. Die der Meßstrahlung ausgesetzten "warmen" Kontaktstellen sind in einem Abstand von 0,565 mm, die vor Meßstrahlung geschützten "kalten" Kontaktstellen in einem Abstand von 1 mm vom Mittelpunkt des Detektorsystems angeordnet, so daß alle Thermoschenkel eine Länge von 0,435 mm aufweisen. Die ringförmige Linie, die die warmen Kontaktstellen in ihrer Gesamtheit bilden, umgrenzt die wirksame, der Meßstrahlung ausgesetzte Empfängerfläche vom 1mm² nach außen hin.

Die Termosäule besteht aus 50 Einzelthermoelementen, wobei die Thermoschenkel beider Materialien der verwendeten Materialpaarung Antimon/Wismut eine Breite von 0,016 mm

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haben, so daß das Verhältnis von Länge zu Breite der Thermoschenkel jeweils 27 beträgt. Sie Schichtdicken der Materialpaarungen sind derart festgelegt, daß beide Schenkel eines Thermopaares etwa den gleichen Wärmeleitwert aufweisen.

Der Vorteil der Thermosäule besteht darin, daß ihre Empfindlichkeit mit 100 V/W größer als die bekannter Thermosäulen ist, wobei die Anordnung von 50 Einzelthermoelementen mit 0,016 mm Schenkelbreite unter Verwendung bekannter fotolithografischer Verfahren mit einem vergleichsweise geringen ökonomischen Aufwand realisiert ist. Beim Betrieb eines vorgeschlagenen thermoelektrischen Detektors ergeben sich keine Besonderheiten gegenüber bekannten Detektoren.

Claims

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Erfindungsanspruch

1♦ Thermoelektrischer Detektor vom Aufhängetyp unter Normaldruckgasfüllung unter Verwendung von Dünnschlchtthermosäulen mit einer detektiven Fläche in der Größenordnung von einem Quadratmillimeter, gekennzeichnet dadurch, daß Schenkelpaarungen mit untereinander größenordnungsmäßig vergleichbaren Wärmeleitwerten eingesetzt sind und eine Mindestanzahl von 25 thermoelektrischen Paarungen über der detektiven Fläche angeordnet ist, wobei den Thermoschenkeln ein Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite von mindestens 20 gegeben ist.
2. Thermoelektrischer Detektor nach Punkt 1, g e k e η η zeichnet dadurch, daß bei Einhaltung einer Hindestanzahl von 25 thermoelektrische!! Paarungen den Thermoschenkeln ein Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite zwischen 20 und 30 gegeben ist.

3· Thermoelektrischer Detektor nach Punkt 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß bei Einhaltung einer Mindestanzahl von 25 thermoelektrischen Paarungen den Thermoschenkeln ein Verhältnis von Schnekellänge zu Schenkelbreite von 27 gegeben ist.