5 Temperatursensoren in Mikrosystemen
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5 Temperatursensoren in Mikrosystemen Nano & Micro Systems Institute of Physics 5.1 Übersicht 5.2 Thermo-Widerstände 5.3 Thermo- Dioden, Thermo-Transistoren 5.4 Thermo-Elemente EF x Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 1 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Übersicht 5.1. Übersicht Temperatursensoren Kontakt nichtelektrische Thermometer Thermofarben (dieses Kapitel) Strahlung (Kapitel 6) elektrische elektrische Signalauswertung Optofibers SAW generierende modulierte Thermoelemente Rauschgeneratoren Thermoschalter Thermowiderstände (Thermistoren) Thermodioden in Silizium möglich Thermotransistoren Kalorimeter Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 2 5. Kontakttemperatursensoren 5.1. Übersicht Die Temperatur Nano & Micro Systems Institute of Physics Die Temperatur eines Körpers ist eine stoffliche Eigenschaft (intensive Größe, die durch Teilen gleich bleibt), während Energie Eigenschaften einer Menge hat (extensive Größe, die aufgeteilt werden kann). Bringt man zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Kontakt, fließt solange Wärme vom Körper mit der höheren Temperatur zum Körper mit der geringeren Temperatur, bis beide Körper die gleiche Temperatur haben; die Endtemperatur liegt dabei nicht außerhalb der beiden Anfangstemperaturen. Viele physikalische Eigenschaften sind direkt von der Temperatur abhängig und können daher zur Bestimmung der Temperatur dienen. Alle festen Stoffe, Flüssigkeiten und Gase bestehen aus sehr kleinen Teilchen, den Atomen und Molekülen. Diese befinden sich in ständiger ungeordneter Bewegung und zwischen ihnen wirken Kräfte. Die Geschwindigkeiten der Teilchen eines Körpers sind verschieden. Der Mittelwert der Geschwindigkeitsbeträge aller Teilchen eines ruhenden Körpers hängt von der Art des Stoffes, vom Aggregatzustand und vor allem von der Temperatur ab. Für feste, flüssige und gasförmige Körper gilt: Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto größer ist der mittlere Geschwindigkeitsbetrag seiner Teilchen. Dieser anschauliche Zusammenhang legt nahe, dass es eine tiefste mögliche Temperatur gibt, den absoluten Nullpunkt, an dem sich die kleinsten Teilchen nicht mehr bewegen. Aufgrund der Unschärferelation ist eine völlige Bewegungslosigkeit jedoch nicht möglich (Nullpunktsenergie). Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 3 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Übersicht 5.1. Übersicht Top Ten der Sensortypen nach Marktanteil: 1. Temperatursensoren 2. Absolutdrucksensoren 3. Flußsensoren 4. Positions-Schaltsensoren (Lichtschranken, Annäherung) 5. Positionssensoren 6. Chemische Sensoren in Flüssigkeiten 7. Füllstandsensoren (incl. Differenzdrucksensoren) 8. Geschwindigkeits-/Umdrehungssensoren 9. Chemische Gassensoren 10. Kamin- und Feuersensoren Quelle: www.intechnoconsulting.com Temperatur ist eine wichtige Einflußgröße, da viele Vorgänge temperaturaktiviert sind Q X X 0 exp kT Kleine Temperaturänderungen ändern exponentiell andere Werte X Es ist wichtig die Temperatur zu messen, zu kontrollieren und als Störgröße zu kompensieren Temperaturmessung: im Haushalt (Kühlschrank, Heizung,...) Medizin (Körpertemperatur, ..) Umwelt (Lufttemperatur, ..) Fahrzeuge (Motortemperatur, ..) Verfahrenstechnik (Stahlherstellung, Waferherstellung, ..) Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 4 5. Kontakttemperatursensoren 5.1. Übersicht Allgemeine Größen zu Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Charakteristisch für die Temperaturabhängigkeit einer Größe X ist der Temperaturkoeffizient (TK, TC) : 1 X X T % K Er gibt an, um wieviel sich eine Größe X mit der Temperatur T ändert und ist auf einen Ausgangswert X bezogen Querempfindlichkeit: Praktisch alle Meßgrößen in Sensoren sind temperaturabhängig. Die Temperatur stellt somit eine Störgröße für die Sensorgröße dar. In der Praxis sind daher Kompensationsmaßnahmen notwendig. Selbstaufheizung: In stromdurchflossenen Sensoren führt die zugeführte elektrische Leistung P=U*I zur Erzeugung von Joulescher Wärme. Ein Teil dieser Wärme wird nach außen abgeführt, ein Teil davon heizt aber den Sensor auf und führt zu einer weiteren Störgröße. Im eingeschwungenen Zustand von allen Sensoren muß daher zu der Temperatur noch die Aufheiztemperatur berücksichtigt werden. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 5 5 Temperatursensoren in Mikrosystemen Nano & Micro Systems Institute of Physics 5.1 Übersicht 5.2 Thermo-Widerstände 5.3 Thermo- Dioden, Thermo-Transistoren 5.4 Thermo-Elemente EF x Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 6 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Überblick: - Thermo-Widerstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Metalle: Hier bilden die etwa 1022 freien Elektronen/cm³ ein Fermi-Gas. Ihre Anzahl ist praktisch nicht temperaturabhängig. Aufgrund der Sommerfeld-Theorie der elektrischen Leitung kann aber nur ein Teil der Elektronen an der Fermi-Kante am Stromtransport teilnehmen. Bei höheren Temperaturen wird dieser Anteil größer, der Widerstand sollte absinken. Mit zunehmender Temperatur steigt aber die Anzahl der Gitterschwingungen im Kristall, die Elektronen streuen häufiger, ihre Beweglichkeit µ wird verkleinert, der Widerstand sollte ansteigen. Beide Anteile sind materialabhängig verschieden, meist überwiegt jedoch die Streuungskomponente. Im allgemeinen steigt der Widerstand von Metallen vom absoluten Nullpunkt monoton (oft linear) an Halbleiter: Bei Halbleitern wird die Leitfähigkeit vorrangig durch die Anzahl der Dotieratome bestimmt. Die Anzahl der von den Dotieratomen freigesetzten Ladungsträger ist stark temperaturabhängig. Ebenso ist die Beweglichkeit der Ladungsträger stark temperaturabhängig. Im typischen Temperaturbereich -50°C bis +150°C ist die Anzahl der Ladungsträger etwa konstant, die Beweglichkeit nimmt aufgrund der Streuung etwa linear ab, der Widerstand steigt. Im allgemeinen steigt der Widerstand von Halbleitern im typischen Temperaturbereich -50°C bis + 150°C monoton (oft linear) an Materialien mit ansteigendem Widerstand (positiver Temperatur-Koeffizient) werden als PTC-Widerstände oder Kaltleiter bezeichnet Keramiken: Keramiken sind heiß- und/oder druckgepreßte (gesinterte) Pulver aus wide-gap Halbleitern oder Isolatoren (meist Metalloxide). Hier ist die Erzeugung von Ladungsträgern im typischen Temperaturbereich -50°C bis + 150°C noch temperaturaktiviert, der Widerstand sinkt ab. Durch Anwesenheit vieler Störladungen (z.B. in den Korngrenzen) können aber Energiebarrieren gebildet werden, die den Widerstand erhöhen. Mit dem Material, der Materialmischung und dem Herstellungsverfahren kann je nach Wunsch der eine oder andere Mechanismus als dominierend eingestellt werden. Mit Keramiken stellt man meist einen mit der Temperatur abfallenden Widerstand (negativer Temperatur-Koeffizient) ein. Solche Widerstände werden als NTC-Widerstände oder Heißleiter bezeichnet. Technologien der Mikrosystemtechnik Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon Modul 1247 MST, 5 - 7 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Metalle als Thermo-Widerstände In Metallen liefert jedes Atom etwa 1 freies Elektron für den Ladungsträgertransport, dies sind etwa 1022 freie Elektronen/cm³ . Ihre Anzahl ist praktisch nicht temperaturabhängig. Elektronen sind quantenmechanische Teilchen, jedes Elektron muß eine andere Energie haben. Bei T = 0K bilden Elektronen daher eine Energiekugel , deren Rand die Fermi-Energie genannt wird. pz py px pF2 2 k F2 EF 2m 2m p = m*v klassischer Impuls der Elektronen ħk: quantenmechanische Impuls der Elektronen m= 9.1* 10-31 kg , Masse des Elektrons 2 2 EF 3 2 n 3 2m Fermi-Verteilung Planck constant: h = 6,62606876·10-34 [Js]=6.6 ×10−16 [eV*s] EF eV 3.65 1015 n n: Elektronendichte 2 3 cm 3 typisch: ~ eV Aufgrund der Sommerfeld-Theorie der elektrischen Leitung kann aber nur ein Teil der Elektronen an der Fermi-Kante am Stromtransport teilnehmen. Bei höheren Temperaturen wird dieser Anteil größer, der Widerstand sollte absinken. Man kann so tun, als wäre die Fermi-Energie wie bei einem klassischen Gas durch Zufuhr von Wärmeenergie entstanden: EF k BTF und der Fermi-Energie eine Temperatur zuordnen. kB = 1.38*10-23 J/K , Boltzmann-Konstante Man erkennt: die Aufweichzone beträgt etwa 4 kT Umrechnung: EJ k BT EeV Beispiel: Bei Raumtemperatur 300K und EF~ 5eV nehmen am Stromtransport nur 2% der freien Elektronen teil: Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 T [K ] 11600 4k BT 4 0.026eV 0.02 EF 5eV Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 8 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Metalle als Thermo-Widerstände Mit zunehmender Temperatur steigt aber die Anzahl der Gitterschwingungen im Kristall, die Elektronen streuen häufiger, ihre Beweglichkeit µ wird verkleinert, der Widerstand sollte ansteigen. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 9 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Metalle als Thermo-Widerstände 5.2. Thermo-Widerstände Beide Anteile sind materialabhängig verschieden, meist überwiegt jedoch die Streuungskomponente. Änderung des elektrischen Widerstandes mit der Temperatur bei Metallen Da die Widerstandsänderung oft nicht linear ist, ist der Temperaturkoeffizient auch keine Konstante sondern hat bei jeder Temperatur einen anderen Wert. Beispiel Platin Der Temperaturkoeffizient von Platin (ändert sich mit der Temperatur) Platin weist im Vergleich zu anderen Metallen eine sehr lineare Kennlinie über einen weiten Temperaturbereich auf Zur Temperaturmessung sollte der Temperaturkoeffizient möglichst groß sein spez.Widerstand bei 20°C, in 10-6 cm Temperaturkoeffizient R bei 20°C in 10-3 /K Gold, Au 2.3 3.9 Silber 1.63 4.1 Kupfer 1.67 4.3 Platin 10.6 3.9 Eisen 9.7 6.5 Nickel 6.8 6.8 Konstantan 55% Cu, 45% Ni 49 ± 0.02 Material Anforderungen an Sensormaterial: Edelmetalle ~ 4 Übergangsmetalle ~6 Hoher Temperaturkoeffizient chemisch inert elastische Anpassung an Substratmaterial Alle Punkte werden am besten (seit über 100 Jahren) von Platin erfüllt Aber: Für Normal- und Präzisionswiderstände sollte der Temperaturkoeffizient so klein als möglich sein ( <2*10-5 /K). Technologien der Mikrosystemtechnik Hierzu werden Metalle gemischt (Legierungen) Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon Modul 1247 MST, 5 - 10 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Metalle als Thermo-Widerstände Moderne Platin-Widerstände werden in kostengünstiger Dünnschichttechnologie gefertigt Auf ein hochtemperaturbeständiges Keramiksubstrat (~ 4mm x 20mm) wird ein dünner Platinfilm (0.5 - 2 µm) aufgebracht und strukturiert ( in einfacher Photolithographie sind die lateralen Abmessungen der Strukturen 10 - 100µm). Die Einstellung auf einen Nennwiderstand erfolgt durch Laser-Trimmen. Handelsüblich sind 100 -> Bezeichnung: Pt 100 Vorteile: * in einfacher Ausführung kostengünstige Herstellung * durch Lasertrimmen einfache Kalibrierung * hoher Meßbereich (-270°C bis +1000°C) * Kennlinie sehr linear Nachteile: * der Temperaturkoeffizient ist klein (~10-3 / °C) * aufgrund des kleinen spezifischen Widerstandes von Metallen (µ) lassen sich auf kleinem Raum (mm x mm) nur kleine Widerstände realisieren (meist 100 ). -> der Widerstand der Leitungen muß berücksichtigt werden -> 4-Leitertechnik (macht Aufwand und Kosten) Aufgrund ihrer Anwendung werden Metallwiderstände nicht mit Siliziumelektronik integriert: 1. für extreme Temperaturen T < -50°C oder T >150°C arbeitet die Siliziumelektronik sowieso nicht 2. bei Integration wäre aus Platzgründen der Metallwiderstand sehr klein und Kontaktwiderstände (~0.1-1) würden dominieren. Damit ginge die Genauigkeit wieder verloren -> hier haben Halbleiterwiderstände deutlich höhere Widerstände (k) 3. für alle bisherigen Anwendungen (z.B. Überhitzung von Elektronik oder Motoren) reicht eine ungenaue Messung (± 5°C) durchaus aus -> wird von Halbleiterwiderständen oder Temperaturdioden/-transistoren einfacher und kostengünstiger erfüllt Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 11 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Halbleiter als Thermo-Widerstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Halbleiterwiderstände können über die Dotierung in sehr weiten Grenzen in ihrem Wert eingestellt werden Im typischen Temperaturbereich der Siliziumelektronik von -50°C bis +150°C erkennt man: große Widerstandsänderungen R/T erhält man für kleine Dotierungen, etwa < 1016 cm-3 der Grundwiderstand R ist stark dotierungsabhängig Dadurch wird der Temperaturkoeffizient: sehr stark dotierungsabhängig 1 R R T % K Für niedrige Dotierungen ist der Temperaturkoeffizient doppelt so groß wie für Metalle, z.B. Platin) Aber: Die reproduzierbare Einstellung geringster Dotierungen < 1016 cm-3 erfordert spezielle Herstellungsverfahren. Hierzu werden Spezialsubstrate verwendet, die zum einen bei der Einkristallherstellung nach dem Zonenschmelzverfahren hergestellt worden sind (höchste Reinheit, Fremddotierungen < 1014 cm-3) und desweiteren über Neutronentransmutation sehr niedrig, sehr reproduzierbar und sehr homogen über einen wafer n-dotiert werden. Technologien der Mikrosystemtechnik Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon Modul 1247 MST, 5 - 12 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Halbleiter als Thermo-Widerstände: - Herstellungsverfahren Nano & Micro Systems Institute of Physics Herstellung einkristalliner Siliziumwafer: Aus Sand (SiO2) wird Silizium erschmolzen Das Si wird mit HCl verflüssigt und über viele Destillationen gereinigt Mit dem Tiegelziehverfahren werden die meisten Einkristalle und daraus Wafer hergestellt Hochreine Si-Kristalle werden mit dem Zonenschmelzverfahren hergestellt Herstellung homogen niedrigstdotierter Wafer mit der Neutronentransmutation: Neutronen Natürliches Silizium besteht aus einem Isotopengemisch mit einem Anteil von 3.1% aus 30Si. Bei Bestrahlung mit Neutronen aus einem Kernreaktor wandelt sich das Siliziumisotop in Phosphor um. Kennzeichen: Si Gesamtzahl der Nukleonen Anzahl der Protonen 30 14 31 31 n ß Zerfall, 2.6 h Si(3.1%) 15 P 14 Si + sehr homogene Dotierungen - nur n-Dotierung - nur geringe Dotierungen ~1015cm-3 in 10h Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 13 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Halbleiter als Thermo-Widerstände 5.2. Thermo-Widerstände Als integrierte Version wird der Silizium-Widerstand in spreading-resistance Geometrie ausgeführt Theorie: Setzt man eine Nadel (Punktkontakt) auf einen Halbleiter auf und prägt einen Strom ein, so ergibt sich um den Punktkontakt ein etwa radialsymmetrisches elektrisches Feld. Aus der Feldstärke und dem eingeprägten Strom kann man durch Integration über das gesamte elektrische Feld (über die Waferdicke) einen Ausbreitungswiderstand (spreading-resistance) berechnen: In der Halbleitertechnologie wird der Spitzenkontakt (Durchmesser d schwierig zu bestimmen) durch ein Isolationsfenster ersetzt: R Waferdicke R 1 1 R 2 d D d 2 Die Kennlinie dieses Kontaktes ist polungsabhängig (unterschiedliche Kontaktflächen) und bei Gegenpolung nur über einen kleineren Temperaturbereich linear. Deswegen müssen die Anschlüsse gekennzeichnet werden (Extrakosten). Ohne Mehrkosten kann aber durch ein zweites Kontaktloch eine polungsunabhängige Doppelanordnung hergestellt werden (mit doppeltem Widerstand). Vorwärtspolung typische Werte: mit = 7cm (=1015cm-3), d=20µm und D= 350µm ergibt sich ein Widerstand von etwa 1 k Rückwärtspolung Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 14 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Halbleiter als Thermo-Widerstände: - Linearisierung der Kennlinie Nano & Micro Systems Institute of Physics Die Temperaturkennlinie des Siliziumwiderstandes ist nicht sehr linear Durch Parallel- oder Serienschaltung eines (nichttemperaturabhängigen) Lastwiderstandes erhält man eine kombinierte Widerstandsfunktion m(T): Serienschaltung Parallelschaltung U meß I RL RT I RL m( T ) RT RL Bildet man die zweite Ableitung der Funktion m(T) und setzt diese am gewünschten Meßpunkt TM gleich Null (es soll keine Krümmung = linear existieren !) so kann hieraus der Lastwiderstand RL berechnet werden und am Meßpunkt TM ist die erste Ableitung, die Steigung der Funktion m(T)=const, d.h. linear. U meß U U M I const RT U m(T ) RT RL I RT Linearisierung auf Kosten der Empfindlichkeit 2 m( T ) m( T ) 0 const 2 T T T T I RT mT M TM Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 15 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Halbleiter als Thermo-Widerstände: - Beispiel KTY.... Nano & Micro Systems Institute of Physics KTY....: ein alter Klassiker, wird von fast allen Halbleiterfirmen hergestellt Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 16 5. Kontakttemperatursensoren Halbleiter als Thermo-Widerstände: - Beispiel KTY.... 5.2. Thermo-Widerstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Kennlinie aus dem Datenblatt: Kennlinie Ausgleichsgerade zur Abschätzung der Werte Temperaturkoeffizient: 1 R R T .4k 0.8k % 1 % K 1.01k 2200 0.008 K C 0C K doppelt so hoch wie Platin bei 25°C Kennlinie: RT R N 1 A T TN B T TN 2 Einstellen der Temperatur in Sekunden (das ist der Standard-Fit für Halbleiter-Kennlinien) Nennwiderstand bei Nenntemperatur: 1k (1k ist der Standardwert für alle Halbleiter-Thermo-Widerstände) Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 17 5. Kontakttemperatursensoren 5.2. Thermo-Widerstände Keramische Temperaturwiderstände Nano & Micro Systems Institute of Physics Keramiken sind heiß- und/oder druckgepreßte (gesinterte) Pulver aus wide-gap Halbleitern oder Isolatoren (meist Metalloxide). Hier ist die Erzeugung von Ladungsträgern im typischen Temperaturbereich -50°C - 150°C noch temperaturaktiviert (weil die Energielücke so groß ist, siehe Kap.2), der Widerstand sinkt ab. Durch Anwesenheit vieler Störladungen (z.B. in den Korngrenzen) können aber Energiebarrieren gebildet werden, die den Widerstand erhöhen. Mit dem Material, der Materialmischung und dem Herstellungsverfahren kann je nach Wunsch der eine oder andere Mechanismus als dominierend eingestellt werden. Da Metalle und Halbleiter einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, stellt man mit Keramiken meist einen mit der Temperatur abfallenden Widerstand (negativer Temperatur-Koeffizient) ein. Solche Widerstände werden als NTC-Widerstände oder Heißleiter bezeichnet. Anwendung: Meist als Anlauf- oder Abschaltverzögerung an Relais (das Relais schaltet, der Sofortstrom wird durch den NTC begrenzt, der sich erst aufwärmen muß, um den Nennstrom durchzulassen). Während Siliziumwiderstände ideal zur Integration sind, Metalle möglich sind, sind Keramiken aufgrund ihres Herstellungsprozesses nicht integrierbar. Keramikwiderstände sind meist kontaktierte Tabletten oder in Glas eingeschmolzene Perlen. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 18 5 Temperatursensoren in Mikrosystemen Nano & Micro Systems Institute of Physics 5.1 Übersicht 5.2 Thermo-Widerstände 5.3 Thermo- Dioden, Thermo-Transistoren 5.4 Thermo-Elemente EF x Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 19 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Temperaturmessung mit Dioden und Transistoren: - Übersicht Nano & Micro Systems Institute of Physics Ideale pn-Diode: -> Sperrstrom proportional T³ * exp[-Egap/kT] -> TK kann große Werte annehmen = schön aber: die idealen Sperrströme sind extrem klein und meist durch schlecht einstellbare Materialgrößen (Lebensdauer der Minoritätsladungsträger abhängig von geringsten Defekten) verfälscht -> schlecht für Praxis -> in Flußrichtung erhält man bei konstanter Stromeinprägung eine der Temperatur proportionale Spannungsänderung -> sehr schön aber: auch hier geht die Sperrstromdichte ein, so daß auch hier schlecht vorherbestimmte Werte erhalten werden Einfache pn-Dioden werden nicht als Temperatursensoren verwendet Bipolartransistor: Hier können materialbestimmte Größen im Sperrstrom (wie Diffusionslänge L oder Ladungsträgerlebensdauern) durch geometrische Größen wie Basisweite ersetzt werden, die reproduzierbarer einstellbar sind. In der Praxis werden immer kurzgeschlossene Transistoren als Dioden eingesetzt Es ergeben sich wesentlich größere Spannungsänderungen (mV/K) als für Thermoelemente (µV/K) Zur Vermeidung der Fertigungsstreuungen (der Sperrstrom ist immer noch in der Kennlinie) benutzt man benachbarte Transistoren (dort wird nur eine kleine Abweichung vermutet) in Stromspiegelschaltung, dann kürzen sich die (als gleichangenommenen) Sperrströme heraus. Die Nichtlinearität ist dann etwa genauso gut wie bei einem Platin-Widerstand Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 20 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Temperaturmessung mit Dioden 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer pn-Diode ergibt sich unter der Annahme, daß über die pn-Barriere nur ein Thermodiffusdionsstrom stattfindet zu: En neg. Elektronenstrom EC Energieverteilung der Elektronen Ei 0 pos. p-Gebiet Durchlaßspannung EF EV n-Gebiet q Vext 1 j jsperr exp k BT Shockley-Gleichung Boltzmannkonstante kB = 1.38*10-23 J/K mit: jsperr q Dn nnp Ln q D p n np für abrupte p+n Diode Lp Dn, Dp : Diffusionskoeffizienten der Elektronen und Löcher Ln, Lp : Diffusionslängen der Elektronen und Löcher (abhängig von der Reinheit und Defektfreiheit des Siliziums) nnp, npn : Minoritätsträgerdichten für Elektronen im p-Gebiet und umgekehrt jsperr Lp N D materialabhängig, schwach T-abhängig (im Vgl zu exp) => man tut erst mal so als wäre j*=const Egap Egap * jsperr T 3 exp j j exp sperr sperr k BT k BT Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 q D p ni2 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 21 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Temperaturmessung mit Dioden 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren In der Realität existieren aber außer dem "idealen" Thermodiffusionsstrom noch andere Strommechanismen, z.B. Generation oder Rekombination von Ladungsträgern an Defekten oder Verunreinigungen, Leckströme, Tunnelströme,... Alle diese Mechanismen erhöhen bei einer angelegten Spannung den Strom durch die pn-Diode im Vergleich zur "Idealkennlinie". Um den tatsächlichen Strom wieder auf den Idealstrom zurückzuführen, verringert man die tatsächliche Spannung V um einen "Idealitätsfaktor" n. q Vext j jsperr exp n k BT Strom I 1 Ireal Iideal analog mit m für den Sperrstrom: V/n V Egap jsperr j*sperr exp m k T B mit j* = const Durch Umstellen erhält man die Spannungsabhängigkeit als Funktion des (eingeprägten) Stromes und der Temperatur: Vext j nk BT ln 1 q jsperr Diese Beziehung ist für einen Temperatursensor ideal, da die gemessene Spannung der Temperatur direkt proportional ist. (in Datenblättern werden diese Sensoren auch PTAT (proportional to absolute temperature) genannt. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 22 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Temperaturabhängigkeit der Diodengleichung 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren in Sperrrichtung: in Flußrichtung: E gap jsperr T 3 exp mkBT wird für Vext >~ Egap die Temperaturabhängigkeit im Exponentialterm sehr viel dominanter als T³ und man faßt den Spannungsteil und den Sperrstromteil zusammen: E e Vext gap m j j*sperr exp n k BT j* E Vext nk BT ln sperr gap j me e dV V ( TN ) dT TN n E gap m e TN siehe: Δ200°C 400mV bei konstanter Sperrspannung verdoppelt sich der Sperrstrom pro 6 K = Änderung des exp-Termes) bei konstantem Strom verringert sich die Durchlaßspannung um etwa -2mV/K aber Ströme inpraktikabel klein für Anwendung (siehe Details nächste Seite) Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 23 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Übung: Temperaturabhängigkeit der Diodengleichung Betreibt man die Diode bei allen Temperaturen mit einem konstanten Strom, so gilt: Differenziert man die PTAT-Gleichung: V I nkT ln 1 q I sperr Nano & Micro Systems Institute of Physics dI 0 dT I n k BT I sperr( T )I const dI sperr( T ) I const dV n k B ln const 1 1 2 dT e e dT I sperr( T ) I const I sperr( T ) I sperr( T ) V(T ) T Mit: Mit Egap * I sperr I sperr exp m kT erhält man: V 3kT I const I sperr( t ) ~ I const dI sperr( T ) dT dI sperr( T ) dV V ( T ) n k BT 1 dT T e I sperr( T ) dT Egap 1 dEgap I sperr( T ) 2 mkT dT mkT und dEgap dT 0 ( 0.0001mV / K ) n E gap dV V ( TN ) m e dT TN TN Für eine Siliziumdiode mit einer Durchlassspannung von V(T)=0.52V bei 300K folgt mit m=n=1.1 ein Temperatur-Koeffizienten der Spannung von -1.96mV/K. Mit einem Grad Temperaturzunahme sinkt die Diodenspannung bei konstantem Strom um etwa 2mV ab. Ist der Diodenqualitätsfaktor n=1.1 und der Faktor m=1 für den Sperrstrom I sperr so ergibt sich der Temperatur-Koeffizienten zu -2.33mV/K. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 24 5. Kontakttemperatursensoren Temperaturmessung mit Dioden 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Nano & Micro Systems Institute of Physics In der Praxis wird daher (da die Sperrstromänderungen sehr klein sind und eine aufwändige Verstärkerelektronik verlangen würden) die Verschiebung der Vorwärtsspannung bei eingeprägtem konstanten Strom gemessen. In der Anwendung muß der Strom durch die Diode so konstant als möglich gehalten werden. Dies erfordert eine Konstantstromquelle oder über einen Widerstand eine Konstantspannungsquelle: wie vorher berechnet: dV/dT ~ -2mV/K 1V auf 500°C Typischerweise wird das Spannungssignal der Thermodiode über einen Operationsverstärker verstärkt: Vorteil der Temperaturmessung mit Dioden: + kostengünstigster Temperatursensor + sofort mit Elektronik integrierbar + hohes Ausgangssignal mit OpAmp ~ 10mV/K Nachteile: - da der Sperrstrom auch von der Temperatur (T³) abhängt, ist die Kennlinie doch nicht so linear (±3%) - der Grundwert des Sperrstroms ist extrem materialabhängig - wegen neg.TK kann eine defekte (hochohmige) Diode einen "zu kalt"-Wert generieren und die Anwendung aufdrehen diese Nachteile kann man mit Transistoren mindern Technologien der Mikrosystemtechnik Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon Modul 1247 MST, 5 - 25 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Kommerzielle Dioden als Temperatursensor Nano & Micro Systems Institute of Physics der MTS ist keine pn-Diode, sondern ein Transistor mit kurzgeschlossener Basis-Kollektor-Diode Betrieb zwischen 0.1mA und 1mA zur Vermeidung der Selbstaufheizung nahezu idealer Temperaturkoeffizient typische Absolutfehler über den gesamten Meßbereich: MTS102 -> 2° MTS103 -> 3° Ungenauigkeiten in der Typ-Bezeichnung gekennzeichnet MTS105 -> 5° Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 26 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Transistoren als Temperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Bipolartransistor: In Bipolartransistoren ist die Diffusionslänge der Ladungsträger durch die geomettrische Dicke d der Basisschicht begrenzt. Schließt man die Basis mit dem Kollektor zusammen, so besteht der Transistor eigentlich nur noch aus der Emitter-Basis-Diode. Dadurch wird in der Gleichung für den Sperrstrom die schwierig zu kontrollierende Diffusionslänge Ln (die von der Lebensdauer der Ladungsträger und damit empfindlich von Defektdichten, Dotierprofilen,..) abhängt) durch die einfacher zu kontrollierende Basisdicke ersetzt: jsperr q D p ni2 Lp N D jsperr q D p ni2 d ND Damit hat man gegenüber einer einfachen pn-Diode etwas mehr Reproduzierbarkeit von Stück zu Stück gewonnen. Die Sensitivität bleibt die gleiche wie bei der Diode: -2mV/K Aus dem Datenblatt der MTS-Reihe Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 27 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Transistoren als Temperatursensoren Material- und Fertigungsstreuungen ( und damit insbesondere Schwankungen in jsperr) auf einem wafer kann man mit einem Trick umgehen. Entweder man steuert einen Transistor wechselweise mit unterschiedlichen Strömen (j und r*j) an, dann kürzen sich bei der Differenzbildung die Materialparameter (insbesondere der Sperrstrom) exakt heraus: VEB ,1 kT j E gap ln * j e e sperr VEB ,2 kT r j E gap ln * j e e sperr k BT ln( r ) VEB VEB ,2 VEB ,1 e Diese Variante ist in der Praxis nur mit Aufwand zu realisieren, da wechselweise zwei unterschiedliche Konstantströme möglichst präzise geliefert werden müssen. Oder man vertraut darauf, daß benachbarte Transistoren sich nicht zu sehr unterscheiden ( j sperr1 ~ jsperr2 ), und steuert zwei Transistoren mit unterschiedlichen Strömen an: Die Emitter der gleichen Transistoren Q3, Q4 liegen auf gleichem Potential (U=0), die Basen sind zusammengeschlossen und ebenfalls auf gleichem Potential. Dies erzwingt gleich große Ströme durch den linken und den rechten Zweig. In der zweiten Stufe hat der Transistor Q2 eine 8x größere Emitterfläche wie Q1. Dadurch fließt durch Q1 eine 8x höhere Stromdichte als durch Q2 . Die Spannungsdifferenz: VEB VEB ,1 VEB ,2 kT ln( 8 ) e wird am Widerstand R abgegriffen Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 28 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Beispiel: Transistorschaltung AD590 Nano & Micro Systems Institute of Physics Die AD590 ist ein echter Klassiker und seit 1988 auf dem Markt Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 29 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Beispiel: Transistorschaltung AD590 Nano & Micro Systems Institute of Physics Auf dem wafer werden mit einem Laser die Widerstände R5, R6 so getrimmt, daß bei etwa 25°C ein Strom von 298µA fließt und sich pro K der Strom um 1µA ändert. 298µA = Grundwert für 273K=0°C+25°C = 298 K Dann sollte der Sensor folgenden Ausgang haben und Vorteil: I < 1mA, wegen Selbstaufheizung llung T 205C nachEinste I 205µA der Nennwert bei 25°C auf 298 µA (=298K) Da in der wafer-Fab die Temperatur nicht exakt 25°C ist, kann die Kalibrationslinie etwas verschoben sein Thermostrom 1µA/K Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Der Anwender kann, wenn er sehr genaue Messungen haben möchte, den Sensor nachkalibrieren. Werkseitig müßte die Kalibrierung von 1µA/K an 1000 einen Spannungsabfall von 1mV/K ergeben. Der Anwender mißt die Temperatur anderswie ganz exakt und stellt dann mit dem 100 Widerstand an 5V Versorgungsspannung den Temperaturgang nach. Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 30 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Beispiel: Transistorschaltung AD590 Aber leider ist die Sensorkurve nicht so linear wie die Theorie es erwarten läßt. Nano & Micro Systems Institute of Physics Die Nichtlinearität kann durch den Anwender in einer weiteren Zusatzschaltung linearisiert werden: Die Nichtlinearität wird durch einen "besten Fit" erfaßt und AD garantiert dazu eine Maximalabweichung von 0.8°C nach Kalibrierung (siehe unten) Dies wird gewöhnlich zwischen zwei Punkten gemacht: Wenn der Anwender nicht nachkalibriert, garantiert AD eine Maximalabweichung von 2.33°C bei -55°C und von 3.02°C bei 150°C. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 31 5. Kontakttemperatursensoren 5.3 Thermo-Dioden/-Transistoren Beispiel: Transistorschaltung AD590 Nano & Micro Systems Institute of Physics Man erkennt, daß man mit dem 2-Transistor-Trick besser als mit dem Einzeltransistor (z.B. der zuvor betrachtete MTS102) werden kann Der Vorteil der Schaltung liegt weiter darin, daß das Spannungsversorgungssignal selbständig den Sensorausgangsstrom liefert -> man kommt mit zwei Anschlüssen aus. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 32 5 Temperatursensoren in Mikrosystemen Nano & Micro Systems Institute of Physics 5.1 Übersicht 5.2 Thermo-Widerstände 5.3 Thermo- Dioden, Thermo-Transistoren 5.4 Thermo-Elemente EF x Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 33 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Thermoelemente 5.4 Thermo-Elemente Wenn zwei Materialien in Kontakt gebracht werden und die Kontaktstelle eine andere Temperatur als die freien Enden hat, so wird in der Kontaktstelle eine meßbare Spannung erzeugt, die Thermospannung. Dieser Effekt wird Seebeck-Effekt genannt. Die Thermospannung ändert sich mit der Temperatur, die Änderung SB=dV/dT wird Seebeck-Koeffizient genannt. Material1 Uth Temperatur T2 Material2 Qualitative Erklärung des Effektes: Temperatur T1 Die (richtungsabhängige) Bandstruktur der Materialien gibt für die anwesenden Ladungsträger die möglichen Energiezustände und deren Besetzungswahrscheinlichkeiten (Zustandsdichten) vor. Entsprechend der Umgebungstemperatur haben die Ladungsträger eine Energieverteilung und besetzen damit die möglichen Energiezustände. Der oberste besetzte Energiezustand wird Fermi-Energie genannt. Die theoretische Berechnung der Fermi-Energie ist schwierig, es müssen Annahmen über die Bandstruktur, die Zustandsdichten, der Statistik der Besetzungswahrscheinlichkeiten und das noch richtungsabhängig durchgeführt werden. Qualitativ erhält man für Metalle: und für dotierte Halbleiter: 2 2 EF 3 2 n 3 2m die Fermi-Energie ist nur von der Dichte (n=Anzahl/Volumen) der Ladungsträger abhängig (die Temperaturabhängigkeit ist hier noch nicht sichtbar) N EC EF kT ln C ND für n Halbleiter N EF EV kT ln V NA für p Halbleiter die Fermi-Energie ist von der Temperatur und dem Logarithmus der Ladungsträgerdichten ND oder NA abhängig. Da das Fermi-Niveau das oberste besetzte Niveau angibt, muß im thermodynamischen Gleichgewicht innerhalb eines Festkörpers das Fermi-Niveau an allen Orten gleich sein (sonst würden Elektronen an Orte mit niedrigerem Fermi-Niveau hinwandern, dort freie Zustände besetzen und damit das Fermi-Niveau anheben). Technologienwieder der Mikrosystemtechnik Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon Modul 1247 MST, 5 - 34 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Thermoelemente 5.4 Thermo-Elemente Verändert man die Temperatur des Materials, so können sich die Anzahl der Ladungsträger, die Lage der Energiezustände, Zustandsdichten und die Besetzungswahrscheinlichkeiten ändern, und damit ändert sich auch die Fermi-Energie. Die Änderung der Fermi-Energie mit der Temperatur beträgt qualitativ: für Metalle: EF ( T ) EF 0 2 6 kT 2 d (ln N C ) dE für Halbleiter: N EC EF kT ln C ND für n Halbleiter N EF EV kT ln V NA für p Halbleiter Erhitzt man nun ein Ende eines länglichen Materialstückes, so wird dort das Fermi-Niveau erniedrigt (der Halbleiter wird intrinsischer) und Elektronen laufen an diese Stelle. Werden die Elektronen nicht abgesaugt, so gleicht sich das Fermi-Niveau wieder aus. Allerdings ist jetzt das heiße Ende des Stabes negativ geladen, das kalte Ende positiv (ähnlich wie bei einer Batterie). Werden die beiden Enden kontaktiert, so werden laufend Elektronen nachgeliefert, es fließt ein Strom (elektromotorische Kraft). Als Seebeck-Koeffizient ergibt sich für Halbleiter: EF Sb EF x sn: Streufaktor für Elektronenbeweglichkeit n : Streufaktor zu Phononen q T k q k N 3 ln C 1 sn n q N D 2 NV 3 1 s p p N A 2 Sb ln für für n Halbleiter p Halbleiter Theoretisch ist der Seebeck-Koeffizient in Halbleitern nicht temperaturabhängig (Dies ist zwischen 0°C und 150°C auch der Fall) -> siehe Folie 39 Für Metalle sollte der Seebeck-Koeffizient nach obiger Gleichung eine (lineare) Temperaturabhängigkeit zeigen (Differenzierung dE/dT von T²). In der Praxis wird allerdings für den betrachteten Temperaturbereich immer ein temperaturunabhängiger Seebeck-Koeffizient angenommen. Technologien der Mikrosystemtechnik Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon Modul 1247 MST, 5 - 35 2 Materialgrundlagen 2.3 Eigenschaften von Halbleitern Zur Erinnerung (Kap.2) - Intrinsische Elektronendichte Nano & Micro Systems Institute of Physics Leitungsband Fermiverteilung Ferminiveau Bandmitte Bandlücke (intrinsic Niveau) Valenzband Vereinfachtes Banddiagramm eines Halbleiters Durch thermische Energie werden Elektronen-Loch-Paare generiert (Anregungsenergie = Egap = 1.1 eV in Si) Anzahl der Elektronen: Anzahl der Löcher: Es gilt: E EF n N c exp c kT E EV p NV exp F kT ni2 n p Die Elektronen bewegen sich im Leitungsband, die Löcher im Valenzband Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 36 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Seebeck-Koeffizient in Silizium 5.4 Thermo-Elemente Unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes kann man die Dotierart von Halbleitern aus der Stromrichtung bestimmen: kalt heiß Ist das heiße Ende positiv geladen gegenüber dem kalten Ende, so ist es ein n-Halbleiter, umgekehrt ein p-Halbleiter EF Sb T q k N ln C q N D EC EF Ei 3 1 sn n 2 EF für n Halbleiter EF EV k q EC EV Ausgleich ohne Temperatur T EF wird kleiner mit T (Minuszeichen) T am heißen Ende laufen die Elektronen weg -> positive Aufladung Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 NV 3 1 s p p N A 2 Sb ln für p Halbleiter EF Ei EF EF T EF wird größer mit T (Pluszeichen) T im Ausgleich muß Ef=const gelten -> Bandverbiegung -> Elektronen laufen zur heißen Stelle Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 37 5. Kontakttemperatursensoren 5.4 Thermo-Elemente Seebeck-Koeffizient in Silizium Nano & Micro Systems Institute of Physics Der Seebeck-Koeffizient ist von Material zu Material verschieden und kann positiv oder negativ sein. Außerdem ist der Seebeck-Koeffizient auch nicht konstant, sondern ändert sich mit der Temperatur. Im Halbleiter Silizium ist der Seebeck-Koeffizient um mehr als einen Faktor 100 größer als in Metallen In der Literatur muß man gut aufpassen, ob bei der Angabe der Seebeck-Koeffizienten oder der Thermospannungsänderung das Material selbst oder in Bezug auf ein Referenzmaterial (meist Platin) angegeben ist. Alle Halbleiter zeigen einen großen Seebeck-Koeffizienten Leider ist der Seebeck-Koeffizient doch temperaturabhängig in Metallen. Der Seebeck-Koeffizient kann sich um etwa 1µV/K bei 30 K Temperaturänderung ändern. Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 38 5. Kontakttemperatursensoren Nano & Micro Systems Institute of Physics Seebeck-Koeffizient in Silizium 5.4 Thermo-Elemente In Halbleitern ist der Wert des Seebeck-Koeffizienten dotierungsabhängig EF Sb q T k q k N 3 ln C 1 sn n q N D 2 NV 3 1 s p p N A 2 Sb ln für für n Halbleiter p Halbleiter da der elektrische (spezifische) Widerstand umgekehrt proportional zur Anzahl (Dichte) der Ladungsträger ist, kann man obige Gleichungen grob vereinfachen: Sb k m ln D q 0 V K mit: m 2.6 0 5 106 m im Temperaturbereich von 0°C bis 150°C ist der Seebeck-Koeffizient nicht temperaturabhängig (beachte Auftragung *T !) *T ist linear in T -> muß ~ const. sein Fit die Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 39 5. Kontakttemperatursensoren 5.4 Thermo-Elemente Nano & Micro Systems Institute of Physics Seebeck-Koeffizient in Silizium Aus der Tabelle erkennt man, daß Halbleiter deutlich größere Werte an Thermospannung generieren als Metalle Damit würden sich Halbleiter viel eher als Thermoelemente als Metalle empfehlen Aber hier gelten ähnliche Argumente wie für Halbleiter-Thermo-Widerstände 1. die beiden Kontaktstellen sind örtlich auf einen chip beschränkt, auf diese Nähe gleichen sich Temperaturunterschiede sehr schnell aus, es gäbe Fehlmessungen 2. Halbleiter sind spröde, daher auch im täglichen Umfeld nicht sehr robust 3. der eingeschränkte Temperaturbereich Halbleiter-Thermoelemente bieten bisher zwei Anwendungen: 1. Thermo-Kernreaktoren 2. Bolometer Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 40 5. Kontakttemperatursensoren 5.4 Thermo-Elemente Thermo-Generatoren mit Thermoelementen Nano & Micro Systems Institute of Physics Radio-Nuklid-Batterien * * *** * * * * ** * * * ** Jeweils zwei gegendotierte Halbleiter werden zusammengeschaltet (wegen der Gegendotierungen sind die Seebeck-Koeffizienten mit entgegengesetztem Vorzeichen, so daß sich ein doppelter Hub ergibt). Durch Einbau radioaktiver Isotope * wird die Kontaktstelle aufgrund des radioaktiven Zerfalles erhitzt. Die generierte Thermospannung wird an den kalten Enden abgegriffen und zum Betrieb elektrischer Geräte verwendet. Für Thermogeneratoren gibt es eine Güte-Darstellung (figure of merit), die die Effizienz der Umwandlung von aufgenommener Wärmemenge am heißen Ende zur abgegebenen elektrischen Leistung am kalten Ende darstellt: die kalten Enden sind meist unter 100°C die heißen Enden werden meist auf 500°C erhitzt. Warum ?* man kann einige Watt/kg erzeugen (das ist nicht viel) * ab 500°C verringert Wärmestrahlung die Effizienz Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 41 5. Kontakttemperatursensoren 5.4 Thermo-Elemente Nano & Micro Systems Institute of Physics Silizium-Thermoelemente als Strahlungssensoren In ein n-Silizium-Substrat werden p-Streifen eindotiert und jeweils von hinten nach vorne mit Metallbahnen verbunden. Zwischen der vorderen, kalten Kontaktstelle und der hinteren, heißen Stelle wird dadurch eine Thermospannung erzeugt. Durch Hintereinanderschaltung addieren sich die Thermospannungen auf und man erhält hohe Empfindlichkeiten. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Silizium können auf den begrenzten chip-Abmessungen keine großen Temperaturunterschiede aufrecht erhalten werden. Als Verbesserung versucht man mit mikromechanischen Mitteln das Silizium von unten wegzunehmen. Wegen der hohen Empfindlichkeit und des nicht hohen Temperaturunterschiedes können solche Halbleiter-Thermoelemente als Strahlungssensoren (Bolometer) verwendet werden siehe nächstes Kapitel Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 42 5 Temperatursensoren in Mikrosystemen Nano & Micro Systems Institute of Physics Temperatursensoren Kontakt nichtelektrische Thermometer Thermofarben (dieses Kapitel) Strahlung (Kapitel 6) elektrische elektrische Signalauswertung Optofibers SAW generierende modulierte Thermoelemente Rauschgeneratoren Thermoschalter Thermowiderstände (Thermistoren) Thermodioden in Silizium möglich Thermotransistoren Kalorimeter Technologien der Mikrosystemtechnik Modul 1247 Prof.Dr.W.Hansch, Dipl.Phys.S.Simon MST, 5 - 43