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Diese Anmeldung beansprucht Priorität über die provisorische Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/294,505; eingereicht am 13. Januar 2010.
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Hintergrund
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Herkömmliche Thermistore werden konstruiert, indem entweder ein Bolus aus einer präparierten Paste aus (handelsüblichem) Thermistormaterial zwischen zwei Drähten platziert und dann der Bolus bei hoher Temperatur gebrannt wird, um einen unregelmäßigen ”Ball” aus Thermistormaterial zu ergeben, dessen Drähte sich für den elektrischen Anschluss nach außen hin erstrecken. Wenn sehr feine Drähte verwendet werden, kann diese Anordnung das Thermistorelement von umgebenden Wärmesenken mittels der in den Drähten vorhandenen relativ kleinen Metallfläche isolieren; oder durch den Dickschichtaufdruck von Thermistorpaste auf ein Substrat, wobei elektrische Anschlüsse hergestellt werden, indem das Substrat vor der Abscheidung mit zwei oder mehr Metallspuren präpariert wird oder indem das Substrat vor der Abscheidung des Thermistors metallisiert wird, ehe die obere Fläche des Thermistors in einem zweiten Schritt metallisiert wird.
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Jedenfalls werden in der gegenwärtigen Thermistor-Produktion gewöhnliche elektronische Substrate verwendet, wie beispielsweise Alumina. Diese Substrate weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die resultierenden Thermistore für die Low-Power-Bolometrie ungeeignet wären. Außerdem werden solche Thermistore als größere Platten hergestellt und zurechtgesägt, woraus sich Thermistore ergeben, die zur bolometrischen Verwendung zu groß sind.
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Es besteht folglich in der Fachwelt seit langem ein Bedarf nach einem Dickschichtverfahren, das sehr kleine Thermistore auf einem Substrat, ausgewählt für den Kalttransfer, konstruiert. Ferner muss die Wärmeisolierung verbessert werden, indem die planaren Elektroden aus einem Metall mit geringerer Wärmeübertragung als typische elektrische Metalle hergestellt wird.
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Kurzer Abriss
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Es folgt eine vereinfachte Zusammenfassung zur Herstellung eines grundlegenden Verständnisses einiger der hier beschriebenen neuartigen Ausführungsformen. Diese Zusammenfassung ist kein erschöpfender Überblick und nicht geeignet, Schlüsselelemente oder kritische Elemente zu identifizieren oder deren Geltungsumfang abzugrenzen. Ihr einziger Zweck besteht in der Präsentation einiger Konzepte in vereinfachter Form als Einleitung einer detaillierteren, weiter unten ausgeführten Beschreibung.
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Eine koaxiale Mikrowellen-Bolometer-Architektur wird offenbart, welche Dickschichtverfahren zur Konstruktion sehr kleiner Thermistore auf einem Substrat verwendet, das für eine Kaltübertragung ausgewählt ist. Die Wärmeisolierung ist ferner dadurch verbessert, dass die planaren Elektroden aus einem Metall mit geringerer Wärmeübertragung als typische elektrische Metalle gefertigt sind.
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Zusätzlich ist ein Widerstand mit sehr hohem Temperaturkoeffizienten (Thermistor) so angeordnet, dass die verbindenden Metallpfade axial und als flache, dünne, planare Leiter angeordnet sind. Ferner ist das Substrat des Thermistors so ausgewählt, dass es eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass das Thermistorelement selbst von seiner Umgebung thermisch gut isoliert ist.
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Außerdem kann der koaxiale Mikrowellen-Bolometer einen dualen, coplanaren Hohlleiter benutzen und kann in jeder anderen bolometrischen Anwendung benützt werden, einschließlich Hohlleiter-Leistungsmessköpfen für Mikrowellenenergie, aber möglicherweise auch Spektrometrie, Luftmengenmesser oder andere Anwendungen, in denen ”Perlen-auf-Draht”-Thermistorfühler verwendet werden.
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Zur Erfüllung der genannten und verwandter Zwecke werden hier bestimmte anschauliche Aspekte in Verbindung mit der nachstehenden Beschreibung und den angehängten Zeichnungen beschrieben. Diese Aspekte sind beispielgebend für die unterschiedlichen Möglichkeiten, in denen die hier offenbarten Prinzipien ausgeführt werden können; sämtliche Aspekte und Äquivalente derselben sollen zum Geltungsumfang des beanspruchten Gegenstands gehören. Andere Vorteile und neuartige Merkmale werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Thermistors gemäß der offenbarten Architektur.
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1B ist eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Thermistors, wobei das Thermistormaterial den Spalt abdeckt, gemäß der offenbarten Architektur.
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2 ist eine Draufsicht eines Mikrowellenabschlusses gemäß der offenbarten Architektur.
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3 ist eine Nahansicht des Mikrowellenabschlusses gemäß der offenbarten Architektur.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Herkömmliche Thermistore werden in der Regel auf zwei Arten konstruiert:
(i) Platzieren eines Bolus einer präparierten Paste aus Thermistormaterial zwischen zwei Drähten, dann Brennen des Bolus mit hoher Temperatur, um einen unregelmäßigen ”Ball” aus Thermistormaterial zu ergeben, mit Drähten, die sich für den elektrischen Anschluss auswärts erstrecken; oder (ii) Dickschichtdrucken von Thermistorpaste auf ein Substrat, wobei elektrische Anschlüsse hergestellt werden, indem das Substrat vor der Abscheidung mit zwei oder mehr Metallspuren präpariert wird, oder indem das Substrat vor der Abscheidung des Thermistors metallisiert wird, dann Metallisierung der oberen Fläche des Thermistors in einem zweiten Schritt.
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Jedenfalls werden in der gegenwärtigen Thermistor-Produktion gewöhnliche elektronische Substrate, wie beispielsweise Aluminiumoxid, benutzt. Diese Substrate weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die resultierenden Thermistore für die Low-Power-Bolometrie ungeeignet werden. Außerdem werden solche Thermistore als größere Platten hergestellt und zurechtgesägt, woraus sich Thermistore ergeben, die zur bolometrischen Verwendung zu groß sind.
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Die Verwendung kommerzieller Dickschicht-Thermistoren ist folglich in einem Bolometer unmöglich, da sie von umgebenden Wärmesenken nicht adäquat isoliert werden können. Die Verwendung kommerzieller ”Perle-auf-Draht”-Thermistoren (”Bead an wire”) resultiert in einer inadäquaten induktiven Diskontinuität, wenn sich der Strom von einem breiten Hohlleiter in den sehr dünnen Draht konzentriert, an dem die Perle hängt. Die hier beanspruchte Erfindung löst insofern beide Probleme, als sie planar und auf einem Substrat konstruiert ist, das die Wärme nicht gut leitet. Insbesondere ist ein Widerstand mit sehr starkem Temperaturkoeffizienten (Thermistor) so angeordnet, dass anschließende Metallpfade axial und als flache, dünne, planare Leiter angeordnet sind. Ferner ist das Substrat des Thermistors so ausgewählt, dass es eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass das Thermistorelement selbst von seiner Umgebung gut thermisch isoliert ist.
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Die offenbarte Architektur verwendet Dickschichtverfahren zur Konstruktion sehr kleiner Thermistoren auf einem Substrat, das für eine geringe Wärmeübertragung ausgewählt ist. Die thermische Isolierung wird ferner dadurch verbessert, dass die planaren Elektroden aus einem Metall mit geringerer Wärmeübertragung gemacht sind, als dies bei typischen elektrischen Metallen der Fall ist. Diese Ausführungsform verwendete kristallinen Quarz, der in der Z-Achse gespalten ist, für das Substrat, und Palladium, das nur in Mikronstärke aufgetragen ist, als Elektroden.
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Es ist schwierig, sehr niedrige ohmsche Thermistorwerte in Thermistoren zu erreichen, die eine geeignete Geometrie für die Mikrowellen-Bolometrie in typischen Messfühlern aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden annähernd 0,005” breit, und der Widerstand bei Raumtemperatur beträgt annähernd 1000 Ohm. Indessen können die Elektroden jede praktisch herstellbare Breite aufweisen, die optimal zum zugehörigen Hohlleiter passt, und auch jeden Raumtemperatur-Widerstand, der einen geeigneten HF-Abschluss bei Erwärmung mit einem praktikablen Ausmaß von DC-Ersatzenergie erbringt.
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Der koaxiale Mikrowellen-Bolometer kann außerdem einen dualen, coplanaren Hohlleiter verwenden und in jeder anderen Bolometrie-Anwendung benutzt werden, einschließlich Hohlleiter-Leistungsmessköpfen für Mikrowellenenergie, aber möglicherweise auch für Spektrometrie, Luftmengenmesser oder andere Anwendungen, in denen Perlen-auf-Draht-Thermistoren heute benützt werden.
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Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Elemente markieren. In der folgenden Beschreibung sind aus Erklärungsgründen zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein gründliches Verständnis zu ermöglichen. Es versteht sich jedoch, dass die neuartigen Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. Im übrigen sind gut bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form von Blockdiagrammen dargestellt, um deren Beschreibung zu erleichtern. Es ist beabsichtigt, sämtliche Modifikationen, Äquivalente und Alternativen zu erfassen, die dem Prinzip und dem Geltungsumfang des beanspruchten Gegenstands untergeordnet werden können.
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In 1A ist ein Thermistor 100 gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Der Thermistor 100 ist ein Widerstand mit einem sehr starken Temperaturkoeffizienten, der so angeordnet ist, dass verbundene Metallpfade axial und als flache, dünne, planare (nicht dargestellte) Leiter angeordnet sind. In 1A ist ein Thermistor 100 offenbart, der durch das Aufbringen dünner, planarer Elektroden 104 auf ein Substrat 102 unter Anwendung eines geeigneten Metallisierungsverfahrens geschaffen wird, einschließlich – aber nicht beschränkt auf – Dickschicht-, Dünnschichtabscheidung und Aufdampfung, und möglicherweise mittels chemischer, Dampf-, Plasma- oder Laser-Ätzverfahren mit oder ohne Masken auf Maß zugeschnitten wird, so dass zwischen den Elektroden ein Spalt 106 geschaffen wird. Über den Spalt 106 wird resistives Thermistormaterial 108 mit einem hohen Temperaturkoeffizienten mittels eines Dickschichtverfahrens angebracht, bei dem es sich um Siebdruck oder Schablonierung unter Anwendung einer Maske handeln kann, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Ferner wird das Substrat 102 mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante und niedriger Wärmeübertragung ausgewählt, zum Unterschied von typischen industriellen Thermistor-Substraten. Die Elektroden 104 sind so angeordnet, dass sie wesentlich breiter als dick sind und eine Breite sowie einen Querschnitt aufweisen, die so zugeschnitten werden können, dass sie einem Oberflächen-Hohlleiter entsprechen, wie etwa einer Streifenleitung oder dem Innenleiter eines coplanaren Hohlleiters. Die Elektroden 104 sind aus leitendem Material gefertigt, bei dem es sich um Metall handeln kann und das eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und gleichzeitig keinen übermäßigen Widerstand einbringt. Durch die Verlängerung der Elektroden 104 um einen Abstand vom eigentlichen resistiven Thermistormaterial 108 dient das dünne Metall dazu, den Thermistor zusätzlich von Metallspuren thermisch zu isolieren, an denen der Thermistor 100 angebracht ist. Der Thermistor 100 ist typischerweise per Epoxid oder Lötung zwischen den distalen Enden der Elektroden 104 und den Metallspuren angebracht. Die gesamte Verarbeitung findet auf einer einzigen Seite des Substrats 102 statt.
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Überdies hat diese Ausführungsform für das Substrat 102 kristallinen Quarz verwendet, der in der Z-Achse gespalten ist, und Palladium, das nur in Mikronstärke abgeschieden ist, als Elektroden 104. In der Regel sind die Elektroden 104 0,005” breit und weisen einen Raumtemperatur-Widerstand von 1000 Ohm auf. Indessen können die Elektroden 104 von jeder praktisch herstellbare Breite sein, die als optimal zum zugehörigen Hohlleiter passend erachtet wird, und von jedem Raumtemperatur-Widerstand, der einen geeigneten HF-Abschluss ergibt, wenn er mit einer praktikablen DC-Ersatzleistung erwärmt wird.
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In 1B ist ein Thermistor 100 gemäß der offenbarten Architektur illustriert, wobei ein Thermistormaterial 108 den von den Elektroden geschaffenen Spalt überbrückt. Insbesondere offenbart 1B einen Thermistor 100, der durch das Aufbringen dünner, planarer Elektroden 104 auf ein Substrat 102 mittels eines geeigneten Metallisierungsverfahrens geschaffen wird, so dass ein (nicht dargestellter) Spalt zwischen den Elektroden 104 geschaffen wird. Über den Spalt hinweg ist resistives Thermistormaterial 108 mit einem hohen Temperaturkoeffizienten mittels eines Dickschichtverfahrens angebracht, bei dem es sich um Siebdruck oder Schablonierung unter Anwendung einer Maske handeln kann, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Ferner ist das Substrat 102 mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante und niedriger Wärmeübertragung ausgewählt, zum Unterschied von typischen industriellen Thermistor-Substraten. Die Elektroden 104 sind so angeordnet, dass sie wesentlich breiter als dick sind und eine Breite sowie einen Querschnitt aufweisen, die so zugeschnitten werden können, dass sie einem Oberflächen-Hohlleiter entsprechen, wie etwa einer Streifenleitung oder dem Innenleiter eines coplanaren Hohlleiters. Durch die Verlängerung der Elektroden 104 um einen Abstand vom eigentlichen resistiven Thermistormaterial 108 dient das dünne Metall dazu, den Thermistor zusätzlich von Metallspuren thermisch zu isolieren, an denen der Thermistor 100 angebracht ist.
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In 2 ist ein Beispiel eines Mikrowellenabschlusses 200 dargestellt, in dem der Thermistor 100 als Abschlusswiderstand zur Herstellung eines DC-Substitutinsleistungsmesskopfes verwendet wird. Die genauen Einzelheiten des Sensors sind Gegenstand der US-Patentanmeldung Nummer 12/983,526, die diesem Dokument einverleibt ist. Insbesondere in 2 ist dargestellt, wie der Thermistor 100 an einen coplanaren Mikrowellen-Hohlleiter angepasst werden kann, wobei der Innenleiter 202 dieselbe Breite wie die Thermistor-Elektroden 104 aufweist. Im Unterschied zu einigen Thermistoren, die sowohl Befestigung wie Drahtbonden benötigen, ist der Thermistor 100 direkt an Schaltkreisspuren angebunden, wozu Lötungen oder leitendes Epoxid in kleinen Punkten an den äußeren (nicht dargestellten) Elektroden eingesetzt werden.
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3 ist eine Nahansicht des Mikrowellenabschlusses 200 gemäß der offenbarten Architektur. Die Elektroden des Thermistors 100 sind so angeordnet, dass sie wesentlich breiter als dick sind und präsentieren eine Breite und einen Querschnitt, die so zugeschnitten werden können, dass sie einem Oberflächen-Hohlleiter entsprechen, wie einer Streifenleitung oder dem Innenleiter 202 eines coplanaren Hohlleiters. Insbesondere in 3 ist dargestellt, wie der Thermistor 100 an einen coplanaren Mikrowellen-Hohlleiter angepasst werden kann, wobei der Innenleiter 202 dieselbe Breite wie die Thermistor-Elektroden aufweist.
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Durch die Verlängerung der Elektroden um einen Abstand vom eigentlichen resistiven Thermistormaterial dient das dünne Metall dazu, den Thermistor zusätzlich von Metallspuren thermisch zu isolieren, an denen der Thermistor 100 angebracht ist. Der Thermistor 100 ist typischerweise per Epoxid-Befestigungspunkten 204 oder Lötungen zwischen den distalen Enden der Elektroden des Thermistors 100 und den Metallspuren befestigt. Insbesondere ist der Thermistor 100 an Schaltkreisspuren des Mikrowellenabschlusses 200 über leitende Epoxid-Befestigungspunkte 204 an den äußeren Enden des Thermistors 100 befestigt und liegt nicht flach am Mikrowellenabschluss 200 an, um eine thermische Leistung zu gewährleisten.
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Zusätzlich kann der koaxiale Mikrowellen-Bolometer (Thermistor) einen dualen, coplanaren Hohlleiter benutzen und kann in jeder anderen bolometrischen Anwendung benützt werden, einschließlich Hohlleiter-Leistungsmessköpfen für Mikrowellenenergie, aber auch möglicherweise für Spektrometrie, Luftmengenmesser oder andere Anwendungen, in denen Perlen-auf-Draht-Thermistorfühler Anwendung finden.
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Die voranstehende Beschreibung umfasst Beispiele der offenbarten Architektur. Es ist natürlich unmöglich, jede denkbare Kombination aus Komponenten und/oder Methoden zu beschreiben, doch einschlägig bewanderte Fachpersonen erkennen, dass zahlreiche andere Kombinationen und Abwandlungen möglich sind. Dementsprechend soll die Architektur sämtliche dieser Änderungen, Modifikationen und Variationen umfassen, die dem Prinzip und dem Geltungsumfang der angehängten Patentansprüche untergeordnet werden können. Ferner gilt, dass überall dort, wo der Ausdruck ”umfasst” in der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet wird, derselbe als einschließend zu betrachten ist.
