DE4110653C2 - Thermoelektrischer Wandler, Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Wandlers und auf eine Verwendung desselben.

Solche Wandler eignen sich beispielsweise zur Messung von Temperaturdifferenzen und von anderen Größen, die sich in eine Temperaturdifferenz wandeln lassen, und sind bereits bekannt (JP-OS 1-138 429). Die beiden Ebenen von Kontakt- und Verbindungsstellen befinden sich im Abstand voneinander, in den eine im Querschnitt trapezförmige Erhebung eingefügt ist.

Es ist auch ein thermoelektrischer Wandler bekannt (DE-OS 37 07 631), bei dem eine Vielzahl von Thermoelementen auf einem monolithischen Chip in Reihenschaltung planar angeordnet ist.

Aus der DE-PS 25 53 672 ist außerdem bekannt, mit einem Thermoelement infrarote Strahlung zu detektieren und aus der DE-OS 38 39 414 ist ein sogenannter Planar-Pellistor bekannt, bei dem auf einem der in einer Wheatstoneschen Brücke angeordneten Temperatur-Meßwiderstände eine Katalysatorschicht angebracht ist. Aus der DE-OS 35 19 397 sind Katalysatoren für verschiedene Zwecke bekannt.

Schließlich ist ein Wandler mit einem als Kern dienenden Substrat bekannt (GB-OS 22 18 261), welcher Kontakt- und Verbindungsstellen unterschiedlicher thermoelektrischer Materialien voneinander trennt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wandler der eingangs genannten Gattung hinsichtlich Herstellbarkeit, Stabilität und Sensibilität zu verbessern.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6. Ein Verfahren zur Herstellung des Erfindungsgegenstandes ist in den Ansprüchen 7-11 angegeben, während sich vorteilhafte Verwendungen aus den Ansprüchen 12-15 ergeben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung einer Vielzahl von Thermoelementen,

Fig. 2 Details einer solchen Anordnung,

Fig. 3a bis 3e Stufen des Herstellungsverfahrens,

Fig. 4 einen Sensor zur Messung infraroter Strahlung und

Fig. 5 einen Sensor zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten.

In der Fig. 1 sind mit der Bezugszahl 1 Filmstreifen eines ersten thermoelektrischen Materials, nachfolgend erstes Leitermaterial genannt und mit der Bezugszahl 2 Filmstreifen eines zweiten thermoelektrischen Materials, nachfolgend zweites Leitermaterial genannt, bezeichnet. Diese Filmstreifen 1, 2 sind zweifach entgegengesetzt um jeweils etwa 90 Grad abgewinkelt. So besteht jeder Filmstreifen 1, 2 aus einem ersten Schenkel 1a, 2a (Fig. 2), einem Mittelstück 1b, 2b und einem zweiten Schenkel 1c, 2c, wobei die ersten Schenkel 1a, 2a und die zweiten Schenkel 1c, 2c parallel liegen und die Mittel­ stücke 1b, 2b annähernd senkrecht dazu stehen. Die Film­ streifen 1 des ersten Leitermaterials und die Filmstreifen 2 des zweiten Leitermaterials sind dabei so angeordnet (Fig. 1), daß der zweite Schenkel 1c aus dem ersten Leitermaterial mit dem zweiten Schenkel 2c aus dem zweiten Leitermaterial des nächstfolgenden Filmstreifens 2 direkt leitend in Verbindung steht und dabei eine Verbindungsstelle 3 erster Art bildet, während der erste Schenkel 2a aus dem zweiten Leitermaterial mit dem ersten Schenkel 1a des nächsten Filmstreifens 1 aus dem ersten Leitermaterial direkt leitend in Verbindung steht und dabei eine Verbindungsstelle 4 zweiter Art bildet. Alle Verbindungsstellen 3 erster Art liegen in einer ersten Ebene 5 und alle Verbindungsstellen 4 zweiter Art liegen in einer zweiten Ebene 6.

Eine Vielzahl von Filmstreifen 1 des ersten Leitermaterials und Filmstreifen 2 des zweiten Leitermaterials liegt dabei hinsichtlich einer Bezugsrichtung R hintereinander. Bezogen auf diese Bezugsrichtung R sind die Verbindungsstellen 3 erster Art charakterisiert durch die Reihung erstes/zweites Leitermaterial, während die Verbindungsstellen 4 zweiter Art durch die Reihung zweites/erstes Leitermaterial gekennzeichnet sind. Die Bezugs­ richtung R ist in der Fig. 1 als Gerade dargestellt, kann jedoch auch als Kurve angesehen werden, die dem tatsächlichen Verlauf der aufeinander folgenden Filmstreifen 1, 2, 1, 2, 1 und so fort folgt.

Die Filmstreifen 1 bestehen bevorzugt aus Wismut, können aber beispielsweise auch aus Silizium, Nickel oder Chrom bestehen. Die Filmstreifen 2 bestehen bevorzugt aus Antimon, können aber beispielsweise auch aus Germanium, Aluminium, Kupfer oder Nickel bestehen. Jeder Filmstreifen 1 bildet mit dem benachbarten Filmstreifen 2 ein Thermoelementpaar. Geeignete Thermo­ elementpaare sind die Werkstoff-Kombinationen Wismut/Antimon, Silizium/Germanium, Silizium/Aluminium, Nickel/Kupfer und Chrom/Nickel. Auch Legierungen dieser Stoffe sind geeignet, so zum Beispiel Legierungen von Wismut und Antimon mit Selen und Tellur.

Ein thermoelektrischer Wandler wird gebildet aus einer Vielzahl von hintereinander in Reihe geschalteten Thermoelementpaaren. Besteht eine Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungs­ stellen 3, 4 erster und zweiter Art, so läßt sich am thermo­ elektrischen Wandler eine Spannung abgreifen, die der Temperaturdifferenz proportional ist. Durch die Hintereinander­ schaltung sehr vieler Thermoelementpaare entsteht auch bei kleiner Temperaturdifferenz eine der genügend genauen Messung zugängliche Spannung. Die Verbindungsstellen 3 erster Art können als Meß- oder Fühlerstellen, die Verbindungsstellen 4 zweiter Art als Referenz- oder Vergleichsstellen bezeichnet werden.

Zur Herstellung eines solchen Wandlers wird von einem Substrat­ plättchen 7 (Fig. 3a) ausgegangen, das mit einem struktur­ formbaren Stoff beschichtet wird. Das Substratplättchen 7 besteht aus einem elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Keramik oder mit Siliziumnitrid beschichtetes Silizium. Als strukturformbarer Stoff kann ein Photoresist verwendet werden. Nach einem der bekannten photo­ lithografischen Verfahren werden anschließend Vertiefungen 8 in der Schicht aus Photoresist erzeugt, so daß schließlich ein in der Fig. 3a gezeigtes Produkt entsteht, das aus einzelnen Blöcken 9 aus Photoresist auf dem Substratplättchen 7 besteht. Die Photoresist-Schicht kann beispielsweise etwa 5 bis 20 µm, vorteilhaft etwa 7 µm dick sein, die Blöcke 9 können eine Breite von etwa 3 µm und einen Abstand von annähernd 3 µm haben. Diese geometrischen Daten können aber über einen großen Bereich variieren. Je größer die Dicke der Photoresist-Schicht ist, je höher also die einzelnen Blöcke sind, desto größer kann die Empfindlichkeit bei einer der später beschriebenen Anwendungen sein. Die Anordnung einer Vielzahl von Blöcken 9 mit dazwischen liegenden Vertiefungen kann auch als Strichgitter bezeichnet werden.

Statt von einer Photoresist-Schicht auszugehen ist es auch möglich, das Substratplättchen 7 zunächst mit Polyimid als strukturformbarem Stoff zu beschichten und dann auf photo­ lithografischem Wege eine der Fig. 3a entsprechende Struktur zu erzeugen, bei der die Blöcke 9 aus Polyimid bestehen.

Die Struktur der Fig. 3a wird nun nach dem beispielsweise aus J. Vac. Sci. Technol. B 4 (1), Jan/Feb 1986, S. 365-368 bekannten Verfahren zum Schrägaufdampfen mit einem ersten Leitermaterial, zum Beispiel Wismut, bedampft. Dabei entstehen gemäß der Fig. 3b, wenn unter einem Winkel α₁ bedampft wird, Film­ streifen 1 aus diesem ersten Leitermaterial. Die Größe des Winkels α₁ ist abhängig von den Dimensionen der Blöcke 9 und kann daraus berechnet werden. Die Filmstreifen 1 können an den Wänden der Blöcke 9 etwa 10 bis 20 nm dick sein. Auf der Oberseite der Blöcke 9 und am Grund der Vertiefungen 8 werden sie dann in Abhängigkeit vom Winkel α₁ wesentlich dicker sein. Die Schichtdicke kann abhängig vom elektrischen und thermischen Widerstand des Materials unterschiedlich groß gewählt werden.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt gemäß der Fig. 3c ein Schrägbedampfen mit einem zweiten Leitermaterial, zum Beispiel Antimon. Dabei entstehen, wenn unter einem Winkel α₂ bedampft wird, Filmstreifen 2 aus diesem zweiten Leitermaterial, die die Filmstreifen 1 teilweise überlappen und so in der ersten Ebene 5 (Fig. 1) die Verbindungsstellen 3 erster Art und in der zweiten Ebene 6 die Verbindungsstellen 4 zweiter Art entstehen lassen. Die Größe des Winkels α₂ ist wiederum abhängig von den Dimensionen der Blöcke 9 und kann daraus berechnet werden. Auch die Filmstreifen 2 sind vorzugsweise etwa 10 bis 20 nm dick. Der Überlappungsbereich der Verbindungsstellen 4 zweiter Art soll in der Mitte zwischen den Blöcken liegen. Dann gilt für die Winkel α₁ und α₂ etwa: α₁=90°-α₂.

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt gemäß der Fig. 3d ein Beschichten mit Siliziumdioxid gemäß dem bekannten Verfahren der Kathodenzerstäubung. Dabei entsteht eine die ganze Struktur überdeckende Schicht 10 aus Siliziumdioxid, die dem Schutz der Metallschichten sowie als zusätzliches Stützgerüst für die ganze Struktur dient, deren Dicke beispielsweise 0,1 bis 0,15 µm betragen kann.

Ein solcher thermoelektrischer Wandler nach der Fig. 3d, bei dem die elektrischen Anschlüsse zum Abgriff der Summe der Thermo­ spannungen nicht gezeichnet sind, kann vorteilhaft verwendet werden zur Messung des Wärmedurchgangs senkrecht zur Ebene des Substrats 7. Dabei kann beispielsweise das Substrat 7 unterseitig mit einer Wärmeleitpaste bestrichen und auf einem Festkörper plaziert werden. Damit ist es möglich, den Wärme­ übergang von einem Gas oder einer Flüssigkeit auf diesen Festkörper zu messen. Beim Wärmedurchgang entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen 3 erster Art und den Verbindungsstellen 4 zweiter Art, die als Spannung meßbar ist. Auch die Messung des Wärmeübergangs von einem Festkörper auf einen zweiten Festkörper ist möglich, wenn der thermoelektrische Wandler beidseits mit Wärmeleitpaste bestrichen und zwischen den beiden Festkörpern angeordet wird.

Zur Verbesserung der thermischen Empfindlichkeit eines solchen Wandlers zur Messung des Wärmeübergangs kann es vorteilhaft sein, beim Wandler vor dessen Einsatz den strukturbildenden Stoff (Blöcke 9) herauszulösen.

Um einen beschriebenen thermoelektrischen Wandler gemäß der Fig. 3d zur Messung von infraroter Strahlung geeignet zu machen, ist es vorteilhaft, die Verbindungsstellen 3 bzw. 4 der einen der beiden Arten mit einem infrarote Strahlung absorbierenden Stoff zu beschichten. Dies kann durch einen weiteren Verfahrens­ schritt erfolgen, bei dem gemäß der Fig. 3e ein Schrägbedampfen mit einem infrarotes Licht gut absorbierenden Stoff erfolgt. Dabei entstehen, wenn unter einem Winkel α₃ bedampft wird, Schichtabschnitte 11 aus diesem infrarote Strahlung absorbierenden Stoff. Die Größe des Winkels α₃ ist wiederum abhängig von den Dimensionen der Blöcke 9 und liegt im allgemeinen bei etwa 160 Grad. Als infrarote Strahlung absorbierender Stoff ist beispielsweise Chrom geeignet, das ca. 40% der auftreffenden Strahlung absorbiert und in Wärme umwandelt. Geeignet ist auch Gold, allerdings nur dann, wenn es in dendritischer Form abgeschieden wird. Bei der Bestrahlung mit infraroter Strahlung entsteht eine Temperaturdiffrenz zwischen den Verbindungsstellen 3 erster Art und den Verbindungsstellen 4 zweiter Art, die als Spannung meßbar ist.

Statt mit einem infrarotes Licht absorbierenden Stoff kann ein thermoelektrischer Wandler gemäß der Fig. 3d auch mit einem Katalysator beschichtet werden. Der Verfahrensschritt entspricht dabei jenem der Fig. 3e. Die Schichtabschnitte 11 bestehen dann aus diesem Katalysator-Werkstoff. Aus der Literatur ist eine Vielzahl von Katalysatoren bekannt, die sich zur Katalyse chemischer Reaktionen eignet. Die bei der katalytischen Reaktion frei werdende Reaktionswärme erzeugt am Katalysator-Werkstoff des thermoelektrischen Wandlers Wärme und dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen 3 erster Art und den Verbindungsstellen 4 zweiter Art, die als Spannung meßbar ist. Diese Spannung kann vorteilhaft zum spezifischen Nachweis des Reaktionspartners, zum Beispiel eines Gases, ausgenutzt werden. Somit kann der thermoelektrische Wandler zur Messung der Konzentration chemischer Substanzen verwendet werden.

Es gibt katalytische Reaktionen, die erst oberhalb bestimmter Temperaturen ablaufen. Um solche Reaktionen zu ermöglichen, muß der Katalysator eine bestimmte Temperatur aufweisen. Es ist deshalb vorteilhaft, einen thermoelektrischen Wandler gemäß Fig. 4, bei dem die Schichtabschnitte 11 aus einem Katalysator- Werkstoff bestehen, mit einer Heizeinrichtung 12 (Fig. 5) zu versehen. Diese Heizeinrichtung 12 kann dabei unter dem Substratplättchen 7 angeordnet sein und wird elektrisch betrieben. Sie kann aber auch, beispielsweise in Dickfilm­ technik, auf der den Verbindungsstellen 3, 4 zugewandten Seite des Substratplättchens 7 angeordnet und mit einer zusätzlichen Isolierschicht abgedeckt sein.

Ein solcher thermoelektrischer Wandler kann zur Messung der Konzentration solcher chemischer Substanzen verwendet werden, die erst oberhalb einer bestimmten Temperatur reagieren.

Die Fig. 5 zeigt allerdings nicht einen solchen thermo­ elektrischen Wandler, der zur Messung der Konzentration chemischer Substanzen geeignet ist, weil ihm die Schicht­ abschnitte 11 aus dem Katalysator fehlen. Der in der Fig. 5 gezeigte thermoelektrische Wandler eignet sich zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Gasen und Flüssigkeiten und beruht auf dem bekannten Prinzip, daß durch die Strömung dem Wandler eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Wärmemenge entzogen wird. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen 3, 4 erster und zweiter Art und somit eine Spannung, die der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.

Für alle zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten gilt, daß die räumliche Trennung der Verbindungsstellen 3, 4 erster und zweiter Art in verschiedene Ebenen den Vorteil bietet, daß gegenüber einer planaren Anordnung eine höhere Anzahl von Thermoelementpaaren auf einer gegebenen Fläche unterzubringen sind. Damit läßt sich auch eine Empfindlichkeitssteigerung erzielen.

Mit der beschriebenen Herstellungstechnik ist es auch möglich, zweidimensionale Sensorfelder aus mehreren thermoelektrischen Wandlern aufzubauen. So kann beispielsweise ein thermo­ elektrischer Wandler mit Katalysator-Beschichtung zusammen mit einem thermoelektrischen Wandler ohne eine solche Beschichtung zusammen auf dem Substrat 7 angeordnet sein, gegebenenfalls zudem ergänzt durch einen Sensor für die absolute Temperatur.

Die Anwendung der Schrägaufdampftechnik zur Bildung der Thermo­ elementpaare erspart mehrere sehr genaue Lithographie-Prozesse.

Thermolelektrische Wandler der beschriebenen Art können auch als miniaturisierte Energieerzeuger verwendet werden, bei denen aus Strahlung oder chemischer Reaktionswärme direkt elektrische Energie erzeugt wird.

Es ist auch möglich, auf dem Substrat 7 weitere Bauelemente anzuordnen, beispielsweise andere Sensoren und/oder Elemente, die der Signalauswertung dienen. So kann zum Beispiel bei einem Sensor für infrarote Strahlung ein hochohmiger Operations­ verstärker auf dem Substrat 7 angeordnet sein.

Claims (15)

1. Thermoelektrischer Wandler mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen mit Paaren von Thermoelementschenkeln in Form von Filmstreifen aus einem ersten thermoelektrischen Material und einem zweiten unterschiedlichen thermoelektrischen Material, die derart auf einem Substrat angeordnet sind, daß sich Verbindungsstellen erster Art, bei denen hinsichtlich einer Bezugsrichtung die Reihenfolge erstes/zweites thermoelektrisches Material lautet, in einer anderen Ebene als Verbindungsstellen zweiter Art befinden, bei denen hinsichtlich der Bezugsrichtung die Reihenfolge zweites/erstes thermoelektrisches Material lautet, und daß sich beide Ebenen der Verbindungsstellen auf der gleichen Seite des Substrats befinden und daß auf dem Substrat in Abständen Erhebungen angeordnet sind, deren Dicke den Abstand der beiden Ebenen bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen als verhältnismäßig hohe Blöcke (9) ausgebildet sind, die durch demgegenüber verhältnismäßig schmale Vertiefungen (8) getrennt sind, und daß die Filmstreifen (1, 2) des thermoelektrischen Materials zweifach entgegengesetzt um jeweils etwa 90° abgewinkelt sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (9) eine Dicke zwischen 5 und 20 µm und eine Breite in der Größenordnung von 3 µm und die Vertiefungen (8) eine Breite in der Größenordnung von 3 µm aufweisen.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Blöcke (9) aus Fotoresistmaterial bestehen.

4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (9) aus Polyimid bestehen.

5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der den Verbindungsstellen (3, 4) abgewandten Seite des Substrats (7) eine Heizeinrichtung (12) angeordnet ist.

6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (7) zusätzlich ein hochohmiger Operationsverstärker angeordnet ist.

7. Verfahren zum Herstellung eines thermoelektrischen Wandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden thermoelektrischen Materialien jeweils nacheinander auf das Substrat appliziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Leitermaterial unter einem ersten Winkel (α₁) und das zweite Leitermaterial unter einem zweiten, anderen Winkel (α₂) schräg auf das an einer Seite mit Blöcken (9) versehene Substrat (7) aufgedampft wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7) mit einer strukturformbaren Fotoresistschicht beschichtet wird und zur Bildung der Blöcke (9) Vertiefungen (8) zwischen denselben auf fotolithographischen Wege hergestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Blöcke nach dem Herstellen der Verbindungsstellen (3, 4) in den beiden Ebenen (5, 6) herausgelöst werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht (10) auf den Wandler aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Infrarotlicht absorbierendem Material und/oder einem Katalysatormaterial für eine chemische Reaktion unter einem dritten Winkel (α₃) aufgedampft wird.

12. Verwendung eines thermoelektrischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1-6 zur Messung des Wärmedurchgangs senkrecht zur Ebene des Substrats (7).

13. Verwendung eines thermoelektrischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1-6 zur Messung infraroter Strahlung.

14. Verwendung eines thermoelektrischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1-6 zur Messung der Konzentration chemischer Substanzen.

15. Verwendung eines thermoelektrischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1-6 zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten.