DD221604A1 - Thermoelektrischer detektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Detektor vom Aufhaengetyp unter Normaldruckgasfuellung unter Verwendung von Duennschichtthermosaeulen mit einer detektiven Flaeche in der Groessenordnung von einem Quadratmillimeter. Die Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit derartiger Detektoren durch eine neuartige Formgebung der Thermoschenkel bei gleichzeitiger Einhaltung einer erforderlichen Mindestanzahl von Thermopaaren zu erhoehen, wird dadurch geloest, dass Schenkelpaarungen mit untereinander groessenordnungsmaessig vergleichbaren Waermeleitwerten eingesetzt sind und eine Mindestanzahl von 25 thermoelektrischen Paarungen ueber der detektiven Flaeche angeordnet ist, wobei den Thermoschenkeln ein Verhaeltnis von Schenkellaenge zu Schenkelbreite von mindestens 20 gegeben ist.

Description

EIbel, Thomas, Dipl.-Ing. H 01 L 35/32

Müller, Jürgen, Dipl.-Phys. 466/5445/111

Völklein, Friedemann, Dipl.-Phys. P I53

15. 11. 1983

Titel der Erfindung Thermoelektrischer Detektor Anwendungsgebiet der Erfindung

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

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

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

- ob deren Punktionselemente 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 Einzelthermoelementen typische Empfindlichkeiten von 7 - 23,5 V/W (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 Überwachungsund Sicherungsanlagen zur Verfügung zu haben, besteht jedoch ein großes Interesse an noch empfindlicheren thermoelektrischen Detektoren.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, unter Verwendung von thermo-· elektrischen Detektoren in DünnSchichtausführung einen unter Normaldruckgasfüllung arbeitenden thermoelektrischen Detektor vom Aufhängetyp mit einer detektiven Fläche in der Größenordnung von einem Quadratmillimeter zu schaffen, der empfindlicher als vergleichbare Detektoren ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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 angestreb-

ten 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 thermoeIektrisehen Paarungen über der detektiven Fläche angeordnet sind, wobei jedem Thermoschenkel ein Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite von mindestens 20, insbesondere zwischen 20 und 30, vorzugsweise 27 gegeben ist. Der erfindungsgemäße thermoelektrische Detektor ist mittels bekannter Vakuumbeschichtungsverfahren und fotolithografischer Strukturierungsverfahren herstellbar. Es gelingt mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mittel, unter Verwendung bekannter thermoelektrischer Materialien und an sich bekannten Detektorausführungen vom Aufhängetyρ unter Hormaldruckgasfüllung 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 von 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 Kontaktierungsgründen 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.

- 4 Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:

Ein als Dünnschichtthermosaule konzipierter thermoelektrische 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

fr

einzelnen thermoelektrischen Paarungen angeordnet ist, die geweils aus zwei Thermoschenkeln bestehen und insgesamt die Thermosaule bilden.

Die Thermoschenkel sind radialsymmetrisch abwechselnd so angeordnet, daß sie von dem äußeren, auf dem Grundkörper aufliegenden Teil der Substratfolie zu deren innerem, 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 Thermosaule 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 nun aufweisen. Die ringförmige Linie, die die warmen Kontaktstellen in ihrer Gesamtheit bilden, umgrenzt die wirksame, der Meßstrahlung ausgesetzte Empfänger-

fläche von 1 mm nach außen hin.

Die Thermosaule besteht aus 50 Einzelthermoelementen, wobei die Thermoschenke.1 beider Materialien der verwendeten Materialpaarung Antimon/Wismut eine Breite von 0,016 mm haben, so daß das Verhältnis von Länge zu Breite der Thermoschenkel

jeweils 27 beträgt. Die Schichtdicken der Materialpäarungen sind, derart festgelegt, da£ 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 Einzelthermoelernenten 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 (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Thermoelektrischer Detektor vom Aufhängetyp unter Jtformaldruckgasfüllung unter Verwendung von Dünnschichtthermosäulen mit einer detektiven Fläche in der Größenordnung von einem Quadratmillimeter, gekennzeichnet dadurch , daß Schenkelpaarungen mit untereinander größenordnungsmäßig vergleichbaren Wärmeleitwerten eingesetzt sind und eine Min.de stan zahl' von 25 thermoelektrischen Paarungen über der detektiven Fläche angeordnet ist, wobei den ThermoschenkeIn ein Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite von mindestens 20 gegeben ist.
2. 2. Thermoelektrischer Detektor nach Punkt 1. gekennzeichnet dadurch, daß bei Einhaltung einer Mindestanzahl von 25 thermoelektrischen Paarungen den ThermoschenkeIn ein Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite zwischen 20 und 30 gegeben ist.
3. 3. Thermoelektrischer Detektor nach Punkt 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß bei

   Einhaltung einer Mindestanzahl von 25 thermoelektrischen Paarungen den Thermoschenkeln ein Verhältnis von Schenkellänge zu Schenkelbreite von 27 gegeben ist.