DE19804487A1

DE19804487A1 - Thermoelektrischer Detektor zur Detektion von kontinuierlicher und gepulster Strahlung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE19804487A1
Application number: DE19804487A
Authority: DE
Inventors: Lengfellner; Zahner; Foerg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: DE19804487C2

Description

Thermoelemente werden schon seit längerer Zeit als Strahlungsdetektoren insbesondere im infraroten Spektralbereich verwendet. Die Zusammenschaltung mehrerer Thermoelemente zu einer Thermosäule führt zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit [1, 2]. Bei "Atomlagenthermosäulen" aus dünnen Schichten des Materials YBa₂Cu₃O_7-δ (YBCO), einem Hochtemperatursupraleiter, ergibt sich die richtige Abfolge und Zusammenschaltung einzelner Thermoelemente von selbst durch natürliches Kristallwachstum [3, 4]. Das thermoelektrische Spannungssignal wird von einer Thermosäule erzeugt, die aus Cu-O-Ebenen und Zwischenebenen besteht, die derart orientiert sind, daß die kristallographische c-Achse der Schicht unter einem Kippwinkel α gegen die Oberflächennormale der Schicht geneigt ist [5].

Wir setzten uns zur Aufgabe, eine Struktur, die aus einer Abfolge A-B-A-B-. . . von elektrisch leitenden Schichten A und B zweier verschiedener Materialien A, B mit verschiedenen absoluten Thermokräften S_A, S_B besteht, in Nachahmung der YBCO-Atomlagenthermosäule künstlich herzustellen. Die Normale zu den A-B-Schichten soll unter einem Kippwinkel α zur Oberflächennormalen der Schicht geneigt sein (Fig. 1b). An dieser Struktur sollte untersucht werden, ob Temperaturgradienten quer zur Probe - etwa erzeugt durch Absorption von Licht - in ähnlicher Weise wie in verkippten YBCO-Schichten elektrische Spannungssignale an Kontakten an den Probenenden erzeugen.

Im folgenden wird die erstmalige Beobachtung eines transversalen thermoelektrischen Feldes in einer künstlich hergestellten verkippten (Kippwinkel α) Multilagenstruktur beschrieben. Ein Herstellungsverfahren für die verwendete Kupfer-Konstantan- Multilagenstruktur wird angegeben. Die Anwendung der Multilagenstruktur als Laserdetektor wird demonstriert. Zunächst wird die Signalerzeugung beschrieben.

Die Signalerzeugung erfolgt aufgrund der Anisotropie des Seebeck-Effekts. Entsprechend der tensoriellen Beschreibung des Seebeck-Effekts entsteht durch einen Temperaturgradienten ∇T in einem Material ein elektrische Feld [5]

E = S∇T (1)

wobei S der Seebeck-Tensor des Materials ist. Mit dem in Fig. 1b gezeigten Koordinatensystem hat der Seebeck-Tensor eines Materials mit tetragonaler Symmetrie die Form [5]

Ein Temperaturgradient ∇T entlang der z-Achse (Fig. 1b) erzeugt demnach ein elektrisches Feld

entlang der x-Achse. Dabei ist S_|| die Thermokraft entlang den Ebenen (A-B-Ebenen), und S_┴ die Thermokraft senkrecht zu den Ebenen. Für eine Multilagenstruktur A-B-A-B-. . ., bestehend aus Metallschichten, die durch σ_A, R_A, S_A bzw. σ_B, R_B, S_B gekennzeichnet sind (σ ist die spezifische Leitfähigkeit und R der thermische Widerstand des jeweiligen Materials) gilt [6]

Für die Wahl A: Kupferschicht, B: Konstantanschicht erhält man mit σ_Cu = 5,9.10⁵ Ω/cm, σ_Ko = 0,2.10⁵ Ω/cm, R_Cu = 0,25 cmK/W, R_Ko = 5,1 cmK/W, S_Cu = 1,7 µV/K, S_Ko = -37 µV/K [7] die Werte S_|| = 0,4 µV/K und S_┴ = -35 µV/k.

Durch heizen der Oberfläche einer Struktur, wie in Fig. 1b gezeichnet, ergibt sich nach Gl. (3) ein elektrisches Spannungssignal

wobei l den Durchmesser der beheizten Zone angibt.

Die Detektor-Zeitkonstante ergibt sich aus der Zerfallszeit des Temperaturgradienten in der Probe, also aus der Zeit, die die Wärme benötigt, um über die Dicke d der Probe in das Trägermaterial, auf dem die Probe aufgebracht ist, abzufließen. Diese Zeit ist im wesentlichen durch die Wärmediffusionszeit [8]

bestimmt, wobei D die thermische Diffusionskonstante des Probenmaterials ist. Für die im folgenden beschriebene Kupfer-Konstantan-Struktur ergibt eine Abschätzung D ≈ 0,14 cm²/s [9].

Eine verkippte Kupfer-Konstantan-Multilagenstruktur kann wie folgt hergestellt werden. Zunächst wird ein Stapel (Fig. 1a) von in wechselnder Folge aufeinandergelegten Kupfer- und Konstantan-Metallfolien (Stärke der Folien z. B. 0,1 mm) in zusammengepreßtem Zustand in einem Ofen gesintert. Das Zusammensintern geschieht bei 950°C unter Argon-Schutzgas. Aus dem so erzeugten Multilagen-Block werden durch Fräsen Proben herauspräpariert (Fig. 1b) mit verschiedenen Kippwinkeln α und Dicken von etwa 1 mm. Für Versuche mit gepulster Strahlung bzw. zur Reduzierung der thermischen Zeitkonstanten wurden Proben auf bis zu Dicken von d ≈ 10 µm abpoliert.

Die so hergestellten Proben, z. B. mit Abmessungen Länge ∼10 mm, Breite ∼5 mm. Dicke ∼10 µm, werden dann auf eine Unterlage die sowohl als Träger als auch als Wärmesenke dient aufgebracht (Fig. 1b). Günstig hat sich eine Aufklebung mit Keramikklebstoff erwiesen, da diese Verbindung hitzefest und gut wärmeleitend ist. Als Trägermaterial ist ein Metallblock z. B. aus Kupfer geeignet, der im Bedarfsfall wassergekühlt werden kann. Wichtig ist, daß die Verbindung Probe-Träger elektrisch nichtleitend erfolgt. Zum Aufnehmen des durch Erwärmung der Oberfläche erzeugten Spannungssignals U (entsprechend Gl. (6)) werden an den Probenenden elektrische Kontakte angelötet (Fig. 1b). Die Spannungssignale werden mit einem Oszillographen aufgenommen. Fig. 2 zeigt als Beispiel ein Spannungssignal einer verkippten Kupfer- Konstantan-Multilagenschicht (α = 30°), Schichtdicke d = 10 µm, auf Bestrahlung mit einem Nd-YAG Laserpuls (λ ≈ 1 µm) hin. Die Größe des Spannungssignals stimmt gut mit Berechnungen nach Gl. (6) überein [9], ebenso die Zeitkonstante im µs-Bereich entsprechend Gl. (7) mit d = 10 µm. Um den Einfluß des Kippwinkels zu demonstrieren, wurden eine Serie von Detektoren gleicher Dicke (d = 1 mm) mit verschiedenen Kippwinkeln (bis zu α = 65°) mit einem Diodenlaser (λ = 689 nm, P = 10 mW) bestrahlt, Fig. 3. Das erhaltene Signal ist nicht, wie zunächst aus Gl. (1), (2), (6) zu erwarten, bei α = 45° maximal, sondern bereits bei ca. 30°. Dies kommt dadurch zustande, daß mit steigendem α der Beitrag der thermisch gut leitenden Cu-Schichten zur Wärmeleitung in z-Richtung anwächst und somit ∇_zT bei gleicher Lichtintensität mit wachsendem α abnimmt. Eine genauere Rechnung [9], in der die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt wird, erklärt den Effekt gut (gestrichelte Kurve nach [9], in Fig. 3).

Der beschriebene Detektor eignet sich besonders zur Leistungsmessung von Lasern. Er ist besonders robust, mechanisch unempfindlich und alterungsbeständig. Er ist kostengünstig herzustellen und benötigt keine eigene Stromversorgung. Aufgrund der thermoelektrischen Wirkungsweise kann der Detektor in einem sehr großen elektromagnetischen Spektralbereich (ultraviolett bis mm-Wellen) eingesetzt werden. Der Detektor ist leicht als Leistungsmesser kalibrierbar (z. B. durch einen elektrisch mit gegebener Leistung beheizten Widerstand, der in Oberflächenkontakt mit dem Detektor gebracht wird, so daß die erzeugte Wärme im wesentlichen über den Detektor abfließt, der dann ein dieser Leistung entsprechendes Spannungssignal erzeugt). [1] R.A. Smith, F.E. Jones, and Chasmav, The detection and measurement of infra-red radiation, Oxford, Clarendon Press 1968, sec. edition.
[2] R. Sietmann, Phys. Bl. 49, 42 (1993).
[3] H. Lengfellner, G. Kremb, A. Schnellbögl, J. Betz, K.F. Renk, and W. Prettl, Appl. Phys. Lett. 60, 501 (1992).
[4] Patentschrift DE 43 06 497 C2.
[5] H. Lengfellner, S. Zeuner, W. Prettl, and K.F. Renk, Europhys. Lett. 25, 375 (1994).
[6] D.K.C. MacDonald, Thermoelectricity, New York, Wiley 1962.
[7] Landolt-Börnstein, physikalische - chemische Tabellen, Berlin, Springer 1992.
[8] S. Zeuner, W. Prettl, H. Lengfellner, Appl. Phys. Lett. 66, 1833 (1995).
[9] R. Förg, Th. Zahner, R. Stierstorfer, and H. Lengfellner, "Veröffentlichung in Vorbereitung".

Claims

1. Thermoelektrischer Detektor zur Detektion von kontinuierlicher und gepulster Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die aktive Detektorfläche aus einer künstlich hergestellten Multilagenstruktur A-B-A-B-. . . gebildet wird, wobei A und B aufeinanderfolgende Schichten elektrisch leitender Materialien mit unterschiedlichen Thermokräften S_A, S_B sind, so daß S_A ≠ S_B,
b) die Multilagenstruktur einen Kippwinkel α < 0°, vorzugsweise α = 20°. . .40° aufweist, so daß die Normale auf die A-B-Schichten in einem Winkel α zur Oberflächennormalen der Multilagenstruktur geneigt ist,
c) die Verbindungslinie der elektrischen Kontakte mit der Richtung zusammenfällt, die sich aus der Projektion der Normalen zu den A-B-Schichten auf die Oberfläche der Multilagenstruktur ergibt.

2. Thermoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, bei dem die A-B-Schichten aus zusammengesinterten Metallfolien bestehen.

3. Thermoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, bei dem die Metallschichten aus den Materialien Kupfer und Konstantan bestehen.