-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Probenhalter für die Differenz-Thermoanalyse mit einem auf einer ebenen Oberfläche eine Probenposition zur Aufnahme eines Probenmaterials und eine Referenzposition zur Aufnahme eines Referenzmaterials aufweisenden Substrat, durch das je ein Wärmestrom zwischen einer an den Probenhalter thermisch angekoppelten Wärmequelle und der Probenposition bzw. der Referenzposition leitbar ist, mit einer im Bereich der Probenposition und im Bereich der Referenzposition angeordneten Thermoelementanordnung zur Lieferung eines einer Differenz zwischen den beiden Temperaturen an der Probenposition und der Referenzposition entsprechenden thermoelektrischen Signals, und mit auf dem Substrat ausgebildeten Anschlüssen, an denen das der Differenz zwischen den beiden Temperaturen entsprechende thermoelektrische Signal abgreifbar ist, wobei auf dem Substrat an mindestens einer der beiden Positionen eine weitere Thermoelementanordnung zur Lieferung eines der Absoluttemperatur entsprechenden thermoelektrischen Signals ausgebildet ist, die Anschlüsse aufweist, an denen das der Absoluttemperatur entsprechende thermoelektrische Signal abgreifbar ist.
-
Probenhalter, deren von ihrer Thermoelementanordnung geliefertes thermoelektrisches Signal der Temperaturdifferenz zwischen der Probenposition und der Referenzposition entspricht, sind bekannt (
DE 39 16 311 A1 ). Bekanntlich ist diese Temperaturdifferenz ein Maß für die Differenz zwischen den beiden Wärmeströmen, die sich zwischen einer an den Probenhalter angekoppelten Wärmequelle und der Probenposition bzw. der Referenzposition ausbilden. Im Idealfall vollständiger thermischer Symmetrie ist die Differenz zwischen diesen beiden Wärmeströmen exakt Null, wenn sich weder an der Probenposition noch an der Referenzposition ein Probenmaterial bzw. ein Referenzmaterial befindet. Für diesen Idealfall liefert dann der mit dem Probenmaterial und dem Referenzmaterial beladene Probenhalter den mit dem Probenmaterial zusammenhängenden Wärmestrom relativ zu dem thermisch inert ausgewählten Referenzmaterial, und diese Wärmestromdifferenz bildet die Grundlage für die weitere thermoanalytische Auswertung. Für diesen Idealfall absoluter thermischer Symmetrie brauchen Absoluttemperaturen an der Probenposition oder an der Referenzposition nicht erfaßt zu werden. Statt dessen genügt es, die Absoluttemperatur der mit dem Probenhalter gekoppelten Wärmequelle zu messen und gemäß einem für die thermoanalytische Untersuchung gewünschten Temperaturprogramm zu steuern.
-
In der Praxis läßt sich selbst bei sorgfältigster Ausführung des Probenhalters die vollständige thermische Symmetrie zwischen Probenposition und Referenzposition nicht erreichen. Theoretische Untersuchungen der thermischen Unsymmetrie mit einer Betrachtung der der Probenposition bzw. der Referenzposition zugeordneten einzelnen Wärmeströme haben gezeigt, daß die Unsymmetrien rechnerisch korrigiert werden können, wenn zusätzlich zur Temperaturdifferenz zwischen der Probenposition und der Referenzposition weitere Temperaturgrößen gemessen werden.
-
Bei einem bekannten Probenhalter der eingangs genannten Art (
US 6 390 669 B1 ) ist auf dem Substrat zusätzlich zu den Anschlüssen, an denen das der Differenz zwischen den Temperaturen an der Probenposition und der Referenzposition entsprechende thermoelektrische Signale abgreifbar ist, eine weitere Thermoelementanordnung ausgebildet, die ein thermoelektrisches Signal zur Verfügung stellt, das die Absoluttemperatur an der Probenposition darstellt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Probenhalter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei einem einfachen, zuverlässigen und kompakten Aufbau eine Korrektur thermischer Unsymmetrien begünstigt ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zur Lieferung des der Differenz zwischen den beiden Temperaturen entsprechenden thermoelektrischen Signals dienende Thermoelementanordnung je eine der Probenposition bzw. der Referenzposition zugeordnete Reihe von zu einer Thermosäule hintereinandergeschalteten, aus zwei unterschiedlichen Thermoelementmaterialien zusammengesetzten Thermokontakten, die abwechselnd jeweils auf zwei in bezug auf die Probenposition bzw. die Referenzposition zentrischen Kreisen unterschiedlicher Radien angeordnet sind, und die zur Lieferung des der Absoluttemperatur entsprechenden thermoelektrischen Signals dienende Thermoelementanordnung einen von der entsprechenden Reihe von Thermokontakten konzentrisch umgebenen kreisförmig begrenzten Bereich eines ersten Thermoelementmaterials aufweist, von dem aus sich ein Verbindungsbereich zu einem der auf der Oberfläche des Substrats ausgebildeten Anschlüsse erstreckt.
-
Die zusätzliche Temperaturinformation der weiteren Thermoelementanordnung kann dazu benutzt werden, thermische Symmetrieabweichungen rechnerisch zu korrigieren, die durch die bloße Temperaturdifferenzmessung zwischen der Probenposition und der Referenzposition nicht erfaßt werden und deren Nichterfassung einen Auswertefehler zur Folge hat, weil durch die Unsymmetrie die Temperaturdifferenz nicht genau der Differenz zwischen den beiden Wärmeströmen der Probenposition und der Referenzposition entspricht. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die thermischen Symmetrieabweichungen durch die Gestalt der beiden Thermosäulen, welche die Probenposition und die Referenzposition jeweils kreisringförmig umgeben, weitgehend minimiert, so daß die aufgrund der zusätzlich gemessenen Absoluttemperaturen anzuwendenden Korrekturen klein sein können. Jede der beiden Thermosäulen benutzt die Tatsache, daß der Wärmestrom proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei längs des Wärmestrompfades voneinander beabstandeten Temperaturmeßpunkten ist. Näherungsweise sind die der Probenposition bzw. der Referenzposition zugeordneten Wärmeströme in bezug auf die Zentren der Probenposition und der Referenzposition bei geeigneter Ankopplung an die Wärmequelle radialsymmetrisch. Somit stellen die auf dem radial inneren Kreis und auf dem radial äußeren Kreis angeordneten Thermokontakte geeignete Temperaturmeßpunkte im Wärmestrompfad dar, wobei die Hintereinanderschaltung der dazwischen auftretenden Thermospannungen in der Thermosäule zu einer Gesamtthermospannung führt, die dem betreffenden Wärmestrom sehr nahekommt. Dabei dient es der thermischen Symmetrie, daß die zur Messung der Absoluttemperatur dienende Thermoelementanordnung innerhalb des radial inneren Kreises von Thermokontakten ebenfalls im wesentlichen radialsymmetrisch ist, indem sein auf das Substrat aufgebrachtes erstes Thermoelementmaterial kreisförmig begrenzt und konzentrisch zu den Kreisen der Thermokontakte der Thermosäulen angeordnet ist.
-
Vorzugsweise ist dieses erste Thermoelementmaterial kreisringförmig ausgebildet, also mit einer zentralen Ausnehmung versehen.
-
Zweckmäßigerweise wird die Ausbildung und Abgreifbarkeit der der Absoluttemperatur entsprechenden Thermospannung dadurch bewerkstelligt, daß auf dem kreisförmig begrenzten Bereich des ersten Thermoelementmaterials ein Thermokontakt mit einem davon verschiedenen zweiten Thermoelementmaterial ausgebildet ist, das sich zu einem der auf dem Substrat ausgebildeten Anschlüsse erstreckt.
-
Dabei dient es in einer weiteren Ausgestaltung der Vereinfachung und besseren Ausnutzung der Platzverhältnisse auf dem Probenhalter, daß auf dem Substrat eine Verbindung zwischen den zweiten Thermoelementmaterialien der Probenposition und der Referenzposition ausgebildet und zu einem gemeinsamen Anschluß geführt ist. Zwischen diesem gemeinsamen Anschluß und den beiden mit dem ersten Thermoelementmaterial verbundenen Anschlüssen der Probenposition und der Referenzposition läßt sich jeweils das der Absoluttemperatur der Probenposition bzw. der Referenzposition entsprechende thermoelektrische Signal abgreifen.
-
Weiter ist es im Hinblick auf eine Minimierung der auf dem Substrat anzubringenden Anschlußstruktur vorteilhaft, daß auf dem Substrat eine Verbindung zwischen zwei elektrisch äquivalenten Enden der der Probenposition bzw. der Referenzposition zugeordneten Thermosäulen ausgebildet ist und die beiden anderen Enden der Thermosäulen jeweils mit den zum Abgriff des der Differenz zwischen den beiden Temperaturen entsprechenden thermoelektrischen Signals dienenden Anschlüssen verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung sind die beiden Thermosäulen elektrisch gegeneinandergeschaltet, so daß an den beiden Anschlüssen das der Differenz der Temperaturen an der Probenposition bzw. der Referenzposition entsprechende thermoelektrische Signal auftritt.
-
Zusätzlich kann es für die Auswertung und Korrekturberechnung wünschenswert sein, die näherungsweise den einzelnen Wärmeströmen entsprechenden Ausgangssignale der beiden Thermosäulen getrennt abgreifen zu können. Für eine Minimierung der hierfür erforderlichen Anschlußstruktur auf dem Substrat ist es vorteilhaft, daß die Verbindung mit einem auf dem Substrat ausgebildeten gemeinsamen Anschluß verbunden ist. Zwischen diesem gemeinsamen Anschluß und den zu ihren betreffenden Anschlüssen geführten Enden der beiden Thermosäulen kann somit jeweils getrennt das Ausgangssignal beider Thermosäulen abgegriffen werden.
-
Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, daß die auf dem Substrat ausgebildeten Thermoelementanordnungen als Dickfilme ausgebildet sind. Die Anwendung der Dickfilmtechnik für die Herstellung der Thermoelementanordnungen auf dem Substrat ist in der eingangs genannten
DE 39 16 311 A1 und dem darauf erteilten deutschen Patent
DE 39 16 311 C2 unter Darstellung der dadurch erreichten Vorteile näher erläutert. Der Offenbarungsgehalt dieser beiden Schriften wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung eingeschlossen. Insbesondere löst die Dickfilmtechnik auf einfache Weise auch die Isolierung der einzelnen Strukturelemente der Thermoelementanordnungen nach außen, d. h. gegenüber Probentiegeln und Referenztiegeln, die auf die Probenposition und die Referenzposition aufgesetzt werden, sowie die gegenseitige Isolierung von sich überschneidenden Teilen der Strukturen, wie sie zwischen Strukturelementen der Thermosäulen und Verbindungen der zur Absoluttemperaturmessung dienenden Thermoelementanordnungen und ihren Anschlüssen auftreten.
-
Hinsichtlich der erwünschten thermischen Inertheit und Beständigkeit des Probenhalters ist es von Vorteil, daß das Substrat ein keramisches Material ist.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert ist. Hierin zeigen:
-
1 eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Probenhalters, und
-
2 eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Probenhalters.
-
Ein kreisscheibenförmiges keramisches Substrat 1, das in 1 in einer Aufsicht auf seine ebene Oberfläche 2 dargestellt ist, ist dort mit einer in Dickfilmtechnik aufgebrachten Struktur versehen, die zur Lieferung von zur Durchführung der Differenz-Thermoanalyse geeigneten thermoelektrischen Signalen dient. Auf einem durch den Mittelpunkt des kreisscheibenförmigen Substrats 1 gezogenen Strahl liegen unter gleichem radialem Abstand zum Mittelpunkt die Zentren 3 bzw. 4 einer Probenposition 5 und einer Referenzposition 6.
-
Die Probenposition 5 ist von einer Thermosäule aus hintereinandergeschalteten Thermokontakten umgeben, die abwechselnd in einem kleineren bzw. einem größeren radialen Abstand zum Zentrum 3 angeordnet sind. Sowohl die in dem kleineren radialen Abstand angeordneten Thermokontakte 7 als auch die in dem größeren radialen Abstand angeordneten Thermokontakte 8 liegen jeweils auf zu dem Zentrum 3 konzentrischen Kreisen. Dabei sind die auf dem radial äußeren Kreis angeordneten Thermokontakte 8 gegenüber den auf dem radial inneren Kreis angeordneten Thermokontakten 7 in Umfangsrichtung jeweils mittig versetzt. Innerhalb der Thermosäule erstrecken sich die beiden verschiedenen Thermoelementmaterialien zwischen den Thermokontakten 7, 8 in der Form geradliniger Streifen 9, 10 näherungsweise radial.
-
Innerhalb des radial inneren Kreises von Thermokontakten 7 ist in einem kleinen radialen Abstand dazu ein ringförmiges erstes Thermoelementmaterial 11 in zentrischer Anordnung relativ zum Zentrum 3 der Probenposition 5 auf dem Substrat 1 ausgebildet. In dem durch den inneren Ringumfang 12 umgrenzten Bereich weist das Substrat 1 eine axial durchgehende Ausnehmung auf.
-
Die Referenzposition 6 ist mit einer zu dieser Struktur der Probenposition 5 in bezug auf den Mittelpunkt des Substrats 1 symmetrisch ausgebildeten Struktur versehen. Die den Bezugszeichen der Struktur der Probenposition 5 entsprechenden Bezugszeichen sind in 1 mit einem Strich versehen, und für sie gilt analog die vorstehend für die Probenposition 5 angegebene Beschreibung.
-
Weiter ist aus 1 ersichtlich, daß zwei elektrisch äquivalente Enden der beiden Thermosäulen durch eine auf dem Substrat 1 ausgebildete Verbindung 13 zusammengeschaltet sind. Die beiden anderen Enden sind mittels Verbindungsstreifen 14, 14' zu je einem Anschlußbereich 15 bzw. 15' herausgeführt. Die gesamte Verbindungs- bzw. Anschlußstruktur 13, 14, 14', 15, 15' ist in bezug auf die Mittelsenkrechte auf den Verbindungsstrahl zwischen den Zentren 3, 4 spiegelsymmetrisch ausgeführt. Die Verbindung 13 umgeht dabei einen Mittenbereich des keramischen Substrats 1, indem in dem keramischen Substrat 4 axiale Durchgänge 16, 17, 18, 19 ausgebildet sind, deren Zentren paarweise und mittensymmetrisch auf dem Verbindungsstrahl zwischen den Zentren 3, 4 bzw. der Mittelsenkrechten dazu angeordnet sind. An diesen axialen Durchgängen ist ein thermisches Kopplungsglied festlegbar, das zur thermischen Verbindung des Probenhalters mit einer Wärmequelle dient.
-
Auf der der Verbindung
13 und den Anschlußbereichen
15,
15' in bezug auf den Verbindungsstrahl zwischen den Zentren
3,
4 gegenüberliegenden Seite der Oberfläche
2 des Substrats
1 ist eine weitere Anschlußstruktur ausgebildet. Diese weist zwei spiegelsymmetrisch zur Mittelsenkrechten des Verbindungsstrahls zwischen den beiden Zentren
3,
4 angeordnete Anschlußbereiche
20,
20' auf, von denen aus sich ebenfalls jeweils spiegelsymmetrisch zur Mittelsenkrechten Anschlußstreifen
21,
21' in etwa radial zu dem ersten Thermoelementmaterial
11 bzw.
11' hin erstrecken und eine elektrische Verbindung zwischen letzterem und den Anschlußbereichen
20 bzw.
20' herstellen. Die erforderliche elektrische Isolierung zwischen dieser Anschlußstruktur und den davon überquerten Thermoelementstrukturen wird bei der Dickfilmherstellung berücksichtigt. Auf die diesbezügliche Offenbarung in
DE 39 16 311 A1 bzw.
DE 39 16 311 C2 wird verwiesen.
-
Auf der Mittelsenkrechten ist auf der mit den Anschlußbereichen 20, 20' belegten Seite des Substrats 1 ein gemeinsamer Anschluß 22 zentriert, von dem aus sich längs der Mittelsenkrechten zwischen den beiden Anschlußbereichen 20, 20' hindurch ein Verbindungsstück 23 bis zu einer Y-förmigen Verzweigung erstreckt, von wo aus sich das Verbindungsstück 23 mit zwei streifenförmigen Armen 24, 24' spiegelsymmetrisch zur Mittelsenkrechten unter Isolierung über die Thermosäulenstruktur hinweg bis in die ringförmigen ersten Thermoelementmaterialien 11, 11' hinein erstreckt. Das Verbindungsstück 23 und seine Arme 24, 24' bestehen aus einem zweiten Thermoelementmaterial, das mit dem ersten Thermoelementmaterial 11 bzw. 11' jeweils einen Thermokontakt 25 bzw. 25' bildet. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß durch diese Anordnung das am Thermokontakt 25 auftretende thermoelektrische Signal zwischen dem gemeinsamen Anschluß 22 und dem Anschlußbereich 20 abgreifbar ist, während das an dem Thermokontakt 25' auftretende thermoelektrische Signal zwischen dem gemeinsamen Anschluß 22 und dem Anschlußbereich 20' abgreifbar ist.
-
Die in 2 dargestellte Ausführungsform geht über die in 1 dargestellte Ausführungsform dadurch hinaus, daß von der Verbindung 13 ein sich längs der Mittelsenkrechten des Verbindungsstrahls der beiden Zentren 3, 4 erstreckender Verbindungssteg 26 abzweigt, der sich bis zu einem gemeinsamen Anschluß 27 erstreckt, der in bezug auf den Verbindungsstrahl zwischen den Zentren 3, 4 spiegelsymmetrisch zu dem gemeinsamen Anschluß 22 angeordnet ist. Im übrigen entspricht die in 2 dargestellte Ausführungsform der in 1 dargestellten. Dementsprechend sind insoweit übereinstimmende Bezugszeichen verwendet und wird auf deren Beschreibung in 1 verwiesen. Während in 1 lediglich die Differenz zwischen den von den beiden Thermosäulen gelieferten Thermospannungen an den Anschlüssen 15, 15' zur Verfügung steht, können bei der in 2 dargestellten Ausführungsform zwischen dem gemeinsamen Anschluß 27 und dem Anschlußbereich 15 bzw. 15' jeweils getrennt die thermoelektrischen Ausgangssignale der beiden Thermosäulen abgegriffen werden.
-
Ersichtlich sind in beiden Ausführungsformen die auf der ebenen Oberfläche 2 des Substrats 1 angeordneten Strukturen hinsichtlich der thermischen Symmetrie zwischen Probenposition 5 und Referenzposition 6 weitestgehend optimiert. Zur Erfassung verbleibender Symmetrieabweichungen stellen die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen zusätzlich zu dem zwischen den Anschlüssen 15, 15' auftretenden Temperaturdifferenzsignal weitere thermoelektrische Signale zur Verfügung, welche der Absoluttemperatur an der Probenposition 5 bzw. der Referenzposition 6 entsprechen. Diese Absoluttemperatursignale sind zwischen dem gemeinsamen Anschluß 22 und den Anschlußbereichen 20 bzw. 20' abgreifbar. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind zusätzlich die Ausgangssignale der beiden Thermosäulen für sich getrennt zwischen dem gemeinsamen Anschluß 27 und den Anschlußbereichen 15, 15' abgreifbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Substrat
- 2
- ebene Oberfläche
- 3, 4
- Zentren
- 5
- Probenposition
- 6
- Referenzposition
- 7, 7', 8, 8'
- Thermokontakte
- 9, 9', 10, 10'
- Streifen aus Thermoelementmaterial
- 11, 11'
- erstes Thermoelementmaterial
- 12
- innerer Ringumfang
- 13
- Verbindung
- 14, 14'
- Verbindungsstreifen
- 15, 15'
- Anschlußbereich
- 16, 17, 18, 19
- axiale Durchgänge
- 20, 20'
- Anschlußbereiche
- 21, 21'
- Anschlußstreifen
- 22
- gemeinsamer Anschluß
- 23
- Verbindungsstück
- 24, 24'
- Arme
- 25, 25'
- Thermokontakt
- 26
- Verbindungsstreifen
- 27
- gemeinsamer Anschluß
