DE1212607B - Semiconductor thermocouple for measuring infrared rays - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
Int. Cl.:Int. Cl .:
HOImHOIm
Deutsche KL: 21b-27/06 German KL: 21b-27/06
Nummer: 1212607Number: 1212607
Aktenzeichen: K 46505 VIII c/21 bFile number: K 46505 VIII c / 21 b
Anmeldetag: 17. April 1962 Filing date: April 17, 1962
Auslegetag: 17. März 1966Opened on: March 17, 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Thermoelement zum Messen von Infrarotstrahlen mit einem η-leitenden und einem p-leitenden Schenkel, die aus einer dotierten intermetallischen Verbindung einer Zusammensetzung entsprechendThe invention relates to a semiconductor thermocouple for measuring infrared rays with one η-conducting and one p-conducting leg, that of a doped intermetallic compound of a composition corresponding to
{*Bi+(l-Jt)Sb)2 {yTe+(l-y)Se)3 {* Bi + (l-Jt) Sb) 2 {yTe + (ly) Se) 3
mit den Nebenbedingungen O^.x^.1 und Q^Iy ^l bestehen, sowie einer die beiden Schenkel verbindenden dünnen Folie, welche als Strahlungsempfänger dient.with the secondary conditions O ^ .x ^ .1 and Q ^ Iy ^ l exist, as well as a thin film connecting the two legs, which serves as a radiation receiver.
Bei Halbleiter-Thermoelementen dieser Art steigt die Temperatur der als Strahlungsempfänger dienenden Folie in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke an, so daß die sich ergebende thermoelektrische Kraft ein Maß für die Bestrahlungsstärke ist. Die Kontaktfläche zwischen Empfängerfolie und Thermoelementschenkel muß möglichst klein sein, damit die Wärmeableitung von der Folie möglichst gering ist. Außerdem muß natürlich das Thermoelement als ganzes möglichst klein sein.In the case of semiconductor thermocouples of this type, the temperature of those used as radiation receivers rises Foil depending on the irradiance, so that the resulting thermoelectric force is a measure of the irradiance. The contact area between the receiver foil and the thermocouple leg must be as small as possible so that the heat dissipation from the film is as low as possible. aside from that the thermocouple as a whole must of course be as small as possible.
Es ist bereits bekannt, daß sich intermetallische Halbleiterkörper aus Bi2Te3-Verbindungen in elektrischer Hinsicht vorzüglich für Thermoelemente eignen. Da derartige Kristalle jedoch sehr spröde und zerbrechlich und schwierig bearbeitbar sind, wurden sie bisher wegen dieser mechanischen Nachteile als unbrauchbar für Infrarot-Thermoelemente angesehen und hierfür nicht benutzt. Insbesondere erschien es nicht möglich, extrem dünne und kleine Plättchen aus Bi2Te3-Verbindungen zur Verwendung als Thermoelementschenkel herzustellen.It is already known that intermetallic semiconductor bodies made of Bi 2 Te 3 compounds are ideally suited for thermocouples in electrical terms. However, since such crystals are very brittle and fragile and difficult to work with, they have hitherto been regarded as unusable for infrared thermocouples because of these mechanical disadvantages and have not been used for this purpose. In particular, it did not appear possible to produce extremely thin and small platelets from Bi 2 Te 3 compounds for use as thermocouple legs.
Die Erfindung liegt darin, daß die Thermoelementschenkel aus durch Abspalten gewonnenen Halbleiterkristallen bestehen.The invention lies in the fact that the thermocouple legs are made from semiconductor crystals obtained by cleavage exist.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß aus den genannten Halbleiterkristallen extrem dünne Spaltungskörper nicht nur relativ leicht hergestellt werden können, sondern daß diese Spaltungskörper auch eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und vor allem biegsam sind. Durch die Erfindung bietet sich somit erst die Möglichkeit einer praktischen Verwertung von Bi2Te3-Verbindungen für Infrarot-Thermoelemente, wodurch erst die vorteilhaften thermoelektrischen Eigenschaften zum Tragen kommen. Die Dicke solcher Thermoelementschenkel kann bis zu 10 μ herabgesetzt und auch die übrigen Abmessungen können äußerst klein gehalten werden, was die Meßgenauigkeit und -empfindlichkeit sowie die Anwendungsmöglichkeiten der Elemente wesentlich erhöht.It has namely been shown that extremely thin cleavage bodies can not only be produced relatively easily from the semiconductor crystals mentioned, but that these cleavage bodies also have a high mechanical strength and, above all, are flexible. The invention thus only offers the possibility of a practical utilization of Bi 2 Te 3 compounds for infrared thermocouples, whereby the advantageous thermoelectric properties come into play. The thickness of such thermocouple legs can be reduced by up to 10 μ and the other dimensions can also be kept extremely small, which significantly increases the measurement accuracy and sensitivity as well as the possible uses of the elements.
Weitere Vorteile und Einzelheiten des Thermoelements nach der Erfindung ergeben sich aus der
Halbleiter-Thermoelement zum Messen von
InfrarotstrahlenFurther advantages and details of the thermocouple according to the invention emerge from the semiconductor thermocouple for measuring
Infrared rays
Anmelder:Applicant:
Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, TokioKabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokyo
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 4Dr.-Ing. E. Maier, patent attorney,
Munich 22, Widenmayerstr. 4th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Tadamsa Hirai, Masayuki Emoto, TokioTadamsa Hirai, Masayuki Emoto, Tokyo
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Japan vom 17. April 1961 (13 063)Japan April 17, 1961 (13 063)
folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Thermoelements beispielsweise dargestellt, und zwar zeigtfollowing description and drawing. In the drawing is an embodiment of the thermocouple for example shown, namely shows
A b b. 1 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines Thermoelements für Infrarotstrahlen gemäß der Erfindung undA b b. 1 is a perspective view of the essential parts of an infrared ray thermocouple according to the invention and
A b b. 2 zwei perspektivische Ansichten in schematischer Darstellung zur Erläuterung des Aufbaues der Schenkel.A b b. 2 two perspective views in a schematic representation to explain the structure the thigh.
Gemäß Abb. 1 besteht das Halbleiter-Thermoelement zum Messen von Infrarotstrahlen im wesentlichen aus einem Schenkel 2 mit p-Leitfähigkeit, einem Schenkel 3 mit n-Leitf ähigkeit, einem zwischen den beiden Schenkeln 2 und 3 angeordneten Isolierkörper 1, Elektroden 4 und 5,»die an die Außenseiten der Schenkel 2 und 3 angeschweißt oder an diese angepreßt sind, und aus einer dünnen Folie 6 zur Strahlungsaufnahme, welche die beiden Schenkel 2 und 3 verbindet. Die dünne Folie 6 besteht aus Gold oder Platin und ist mit Gold- oder Platinmohr als Schwärzungsmittel überzogen, um eine hohe Strahlungsabsorption zu gewährleisten. Das Thermoelement ist in ein evakuiertes Gefäß eingebaut, um ein Absinken der Empfindlichkeit infolge von Wärmeabgabe an die Luft durch Konvektion und Wärmeleitung zu verhindern. As shown in Fig. 1, the semiconductor thermocouple for measuring infrared rays is basically composed from one leg 2 with p-conductivity, one leg 3 with n-conductivity, one between the two legs 2 and 3 arranged insulating body 1, electrodes 4 and 5, »the on the outside the legs 2 and 3 are welded or pressed against them, and made of a thin film 6 for absorbing radiation, which connects the two legs 2 and 3. The thin foil 6 is made of gold or Platinum and is coated with gold or platinum black as a blackening agent to ensure high radiation absorption. The thermocouple is built into an evacuated vessel to show a decrease in sensitivity due to the release of heat to prevent the air through convection and heat conduction.
Der beschriebene Aufbau eines Thermoelements ist bereits bekannt. Die Schenkel 2 und 3 bestehen nach der Erfindung aus Spaltstücken von intermetallischen Halbleiterverbindungen. Als solche sind Bi2Te3-Verbindungen benutzt, welche bekanntlichThe structure of a thermocouple described is already known. According to the invention, the legs 2 and 3 consist of split pieces of intermetallic semiconductor compounds. As such, Bi 2 Te 3 compounds are used, which are known
■ -··--■- ■ -,ι ■ - ·· - ■ - ■ -, ι 609538/156609538/156
gute elektrische Eigenschaften aufweisen. Zur Erreichung einer p-Leitfähigkeit erfolgt eine Dotierung mit Blei oder Wismut und zur Erzielung einer n-Leitfähigkeit eine Dotierung mit Te, J oder Ag.have good electrical properties. Doping takes place in order to achieve p-conductivity with lead or bismuth and doping with Te, J or Ag to achieve n-conductivity.
Eine intermetallische Verbindung des Typs Bi2Te3 hat einen rhomboedrischen Aufbau, bei dem Wismut (bzw. Antimon) unxLTellur (bzw. Selen) in Schichten angeordnet sind. Diese Schichtfläche hat die Eigenschaft, daß sie nur in einer Richtung leicht gespalten werden kann, wie beispielsweise Glimmer.An intermetallic compound of the Bi 2 Te 3 type has a rhombohedral structure in which bismuth (or antimony) and tellurium (or selenium) are arranged in layers. This layer surface has the property that it can only be easily split in one direction, such as mica, for example.
Demgemäß haben durch Abspalten von der erwähnten Spaltungsfläche erhaltene Elemente eine große Biegsamkeit und eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit. Da die Elemente darüber hinaus mit einer Dicke von bis zu 10 μ hergestellt werden können, ist es möglich, die Kontaktflächen der Schenkel 2 und 3 und der Strahlungsempfängerfolie 6 auf einen extrem kleinen Wert zu vermindern. Infolgedessen wird beim Bestrahlen der Empfängerfolie 6 mit Infrarotstrahlung der Anteil der von der Folie 6 über den p-leitenden Schenkel 2 und den η-leitenden -Schenkel 3 abgeleiteten Wärme auf einen recht geringen Betrag im Vergleich zu bekannten Thermoelementen verringert werden. Deshalb wird die Temperatur der Folie 6 bereits durch eine sehr geringe Infrarotintensität gesteigert, wodurch eine thermoelektrische Kraft erzeugt wird. Somit erreicht man eine ausgezeichnete Empfindlichkeit dieses Thermoelements.Accordingly, elements obtained by cleaving from the aforementioned cleavage face have a great flexibility and high mechanical resistance. As the elements in addition with a thickness of up to 10 μ can be produced, it is possible to use the contact surfaces of the Legs 2 and 3 and the radiation receiving film 6 to reduce to an extremely small value. Consequently When the receiver film 6 is irradiated with infrared radiation, the proportion of the Foil 6 on the p-conductive leg 2 and the η-conductive leg 3 on a dissipated heat quite small amount compared to known thermocouples. Therefore will the temperature of the film 6 already increased by a very low infrared intensity, whereby a thermoelectric force is generated. Thus, excellent sensitivity of this can be achieved Thermocouple.
Außerdem ist.es möglich, die p- bzw. n-leitenden Schenkel, wie in der Abb. 2 gezeigt,' abzuwandern. Danach wird unter Berücksichtigung der Richtung der Spaltungsfläche ein monokristalliner Körper derart ausgeschnitten, daß die Spaltungsfläche 7 in Abb. 2 bezüglich der Achse des Quaders 8 geneigt ist. Gleichzeitig erhält der Querschnitt die Grundflächenerstreckung des fertigen, abgekanteten Elements. Dann wird dieser Körper einer geeigneten 5 Oberflächenbehandlung unterworfen und vom Mittelteil, abgetrennt. , ,.„>—_·._.. ^. -,...V4- ' -.. ■It is also possible to migrate the p- or n-conductive legs, as shown in Fig. 2. Then, taking into account the direction of the cleavage surface, a monocrystalline body is cut out in such a way that the cleavage surface 7 in FIG. 2 is inclined with respect to the axis of the cuboid 8. At the same time, the cross-section is given the extension of the base of the finished, bevelled element. Then this body is subjected to a suitable surface treatment and separated from the central part. ,,. "> —_ · ._ .. ^. -, ... V 4 - '- .. ■
Die Oberfläche des monokristallinen Körpers wird beispielsweise mit Schellack oder Pizein behandelt, da es notwendig-ist,'den Körper während seiner Herstellung zu verstärken. Wird der Körper auf die oben angegebene Weise hergestellt, so wird die Kante 9 sehr scharf. Demgemäß wird ein sehr dünner Körper erhalten, der die oben beschriebenen Vorteile aufweist. The surface of the monocrystalline body is treated with shellac or pizein, for example, since it is necessary to 'the body during its manufacture to reinforce. If the body is manufactured in the above-mentioned manner, the edge 9 very sharp. Accordingly, a very thin body is obtained which has the advantages described above.
Claims (1)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 054 519;
britische Patentschrift Nr. 817 077.Selected publications:
German Auslegeschrift No. 1,054,519;
British Patent No. 817 077.
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