DE19804487C2 - Thermoelektrischer Detektor zur Detektion von kontinuierlicher und gepulster Strahlung und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Detektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus den Druckschriften [1] und [2] bekannt ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Detektors.

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. "Atomlagenthermosäulen" aus Hochtemperatursupraleitermaterialien (HTSL-Material­ ien), die durch eine Abfolge von atomaren CuO₂-Lagen und Zwischenlagen gekennzeichnet sind, sind aus den Druckschriften [1] und [2] bekannt. Auf geeigneten Substraten werden HTSL-Dünnschichten (typischerweise etwa 100 nm) derart aufgebracht, daß CuO₂-Lagen und Zwischenlagen einen Kippwinkel α ≠ 0° zur Substrat- bzw. Schichtoberfläche bilden. Bei dieser Geometrie erzeugt - infolge der Anisotropie der Thermokraft in den HTSL - ein Temperaturgradient senkrecht zur Schichtoberfläche ein thermoelektrisches Feld parallel zur Schicht, das als Spannungssignal an den Schichträndern abgegriffen werden kann.

Bei Entwicklung, Produktion und Einsatz dieser Atomlagenthermosäulen ergeben sich jedoch eine Reihe von Problemen: Die Dünnschichten müssen orientiert ("off-c-axis") hergestellt werden, es ist epitaktisches Wachstum erforderlich, welches in der erwünschten Weise bisher nur bei HTSL-Materialien erhalten wurde. Man ist somit in der Wahl der Materialien - erwünscht wäre hohe Anisotropie der Thermokraft - sehr beschränkt. Außerdem gelingt off-axis Wachstum bei HTSL nur in einem kleinen Bereich von Kippwinkeln α ≈ 0°... 20°, größere Kippwinkel (α ≈ 45°) würden evtl. größere Thermospannungen liefern. Ferner können HTSL aufgrund thermodynamischer Instabilitäten altern, außerdem kann sich durch Sauerstoffverlust die Anisotropie der Thermokraft verringern. Aufgrund ihrer geringen Dicke sind die Schichten leicht durch zu große Laserleistung - gegebenenfalls durch einen einzigen Bestrahlungspuls - zu zerstören.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, von den genannten Beschränkungen hinsichtlich Materialauswahl, Kippwinkel, Alterung und Schichtdicke bei den durch natürliches Kristallwachstum gegebenen Materialien loszukommen.

Diese Aufgabe wird von dem dem Strahlungsdetektor nach dem Anspruch 1 und dem Verfahren nach dem Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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 [3]

E = S . ∇T, (1)

wobei S der Thermokraft-Tensor des Materials ist. Mit dem in Fig. 1b gezeigten Koordinatensystem hat der Thermokraft-Tensor eines Materials mit tetragonaler Symmetrie die Form [3]

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

entlang der x-Achse. Dabei ist S∥ die Thermokraft parallel zu den Lagen, und S_⟂ die Thermokraft senkrecht zu den Lagen. Für eine Multilagenstruktur A-B-A-B-..., bestehend aus Metallagen, 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 [4]

Für die Wahl A: Kupferfolien, B: Konstantanfolie erhält man mit σ_Cu = 5,9 . 10⁵ 1/Ω cm, σ_Ko = 0,2 . 10⁵ 1/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 [5] 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 [5]

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.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

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 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 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 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-Multilagenstruktur (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, 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-Folien zur Wärmeleitung in z-Richtung anwächst und somit ∇_ZT bei gleicher Lichtintensität mit wachsendem α abnimmt. Eine genauere Rechnung, in der die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt wird, erklärt den Effekt gut (gestrichelte Kurve 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] Offenlegungsschrift DE 44 34 904 A1
[2] Patentschrift DE 43 06 497 C2
[3] H. Lengfellner, S. Zeuner, W. Prettl, K. F. Renk, Europhys. Lett. Bd. 25, 4, 375 ff. (1994).
[4] D. K. C. MacDonald, Thermoelectricity, New York, Wiley 1962.
[5] Landolt-Börnstein, physikalische-chemische Tabellen, Berlin, Springer 1992.

Claims (5)

1. Thermoelektrischer Strahlungsdetektor zur Detektion von kontinuierlicher und gepulster Strahlung,
dessen aktiver Detektorbereich als Multilagenstruktur A-B-A-B-... aus schichtartig angeordneten Lagen A und B ausgebildet ist,
wobei die Lagen A und B elektrisch leitend sind und unterschiedliche Thermokräfte S_A und S_B ihrer Materialien aufweisen,
wobei die Multilagenstruktur einen Kippwinkel α < 0° aufweist, so daß die Normale auf die A-B-Lagen in einem Winkel α zur Oberflächennormalen der Multilagenstruktur geneigt ist,
und wobei die Verbindungslinie von elektrischen Kontakten, die an der Multilagenstruktur zum Detektieren thermoelektrischer Signale vorhanden sind, mit der Richtung zusammenfällt, die sich aus der Projektion der Normalen zu den A-B-Lagen auf die Oberfläche der Multilagenstruktur ergibt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Multilagenstruktur mit den abwechselnd aufeinanderfolgenden Lagen A und B aus flächig miteinander verbundenen Folien gebildet wird.

2. Thermoelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächig miteinander verbundenen Folien der Lagen A und B Metallfolien sind.

3. Thermoelektrischer Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien der Lagen A und B aus den Materialien Kupfer mit der Thermokraft S_A und Konstantan mit der Thermokraft S_B bestehen.

4. Thermoelektrischer Detektor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippwinkel α zwischen 20° und 40° liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Detektors nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Folien der Lagen A und B in zusammengepreßtem Zustand in einem Ofen zusammengesintert werden,
• b) aus dem zusammengesinterten Multilagen-Block durch Fräsen eine Multilagen­ struktur mit einem vorgegebenen Kippwinkel α herauspräpariert wird,
• c) die Multilagenstruktur auf eine Unterlage aufgebracht wird, und
• d) an der Multilagenstruktur elektrische Kontakte angebracht werden.