DE3707631A1 - Multiple thermocouple having a very low temperature coefficient as a monolithically integrated chip for precise differential temperaure measurements in radiation sensors and multiple thermoconverters - Google Patents

Multiple thermocouple having a very low temperature coefficient as a monolithically integrated chip for precise differential temperaure measurements in radiation sensors and multiple thermoconverters

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Abstract

The precise differential temperature measurement in radiation sensors and in multiple thermoconverters (for measuring alternating voltage and alternating current) requires multiple thermocouples having a very low temperature coefficient for changes in room temperatures, while increasing the sensitivity of the temperature measurement requires multiplication of the thermocouples in a very small space. Both requirements are fulfilled, according to the invention, by constructing the series circuit (1) of thermocouples using thin-film technology on a preferably < 100 > oriented silicon wafer (2) having oxidised surfaces for the purpose of electrical insulation. To reduce the thermal conduction, a window covered only with a thin silicon dioxide skin is made by isotropically or anisotropically etching the silicon in the region of the multiple thermocouple. The thermocouples and the heater (5) or the radiation-absorbing layer are applied to the window. The frame (2) of the window acts as the heat sink and the reference temperature for all the thermocouples. Using this construction, compared with earlier constructions, an improvement in the sensitivity to 10<-9> W/Hz and temperature coefficients for the... by the choice of the material and the geometry of the thermocouples ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Vielfachthermoelement mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter Chip für prä zise Temperaturdifferenzmessungen bei Strahlungssensoren und Vielfachthermokonvertern nach dem Oberbegriff des Anspruches. The invention relates to a multiple thermocouple with a very small temperature coefficient as a monolithically integrated chip for pre zise temperature difference measurements of radiation sensors and multiple thermal converters according to the preamble of the claim.

Sowohl bei Strahlungssensoren wie auch bei Vielfachthermokonvertern wird die Temperaturerhöhung infolge einfallender Strahlung auf eine lichtabsorbierende Schicht zum Strahlungssensor bzw. infolge Joulescher Wärme des elektrischen Stromes in einem Heizer beim Thermokonverter mit Thermoelementen gemessen. Both radiation sensors as well as in multi-thermal converters, the temperature increase due to incident radiation to a light-absorbing layer to the radiation sensor or due to Joule heat of the electric current in a heater in thermal converter is measured by thermocouples. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit sowie zur gleichmäßigen Wärmeableitung wird eine Reihenschaltung von möglichst vielen Thermoelementen verwendet. To increase the sensitivity as well as for uniform heat dissipation, a series circuit of as many thermocouples is used. Bei Erhöhung der Anzahl der Thermoelemente wird jedoch die Wärmeablei tung aus der Meßstelle erhöht, und deren Temperatur wird verringert. Increasing the number of thermocouples however, the Wärmeablei processing is increased from the point of measurement, and its temperature is reduced. Zur Minimierung der Wärmeableitung müssen die Thermoelemente aus sehr dünnen Drähten hergestellt (Durchmesser bis herab zu 20 µm) werden, wodurch die Herstellung sehr schwierig wird. To minimize heat dissipation, the thermocouples must be made of very thin wires (diameter of down to 20 microns), whereby the production becomes very difficult. Die Empfindlich keit der Anordnung wird weiter erhöht, wenn für die Thermoelemente Materialien mit großem Seebeckfkoeffizienten gewählt werden. The Susceptibility of the assembly is increased further when materials with large Seebeckfkoeffizienten be selected for the thermocouples. Gleich zeitig ist aber für einen solchen hochempfindlichen Temperatursensor ein kleiner TK bei Änderung der Umgebungstemperatur notwendig, um seine Empfindlichkeit ausnutzen zu können. but at the same time a small TK is necessary when changing the ambient temperature in order to exploit its sensitivity for such a highly sensitive temperature sensor.

Ein Verfahren zur Herstellung der Reihenschaltung von mehreren Ther moelementen pro mm für Vielfachthermokonverter wird von /Klonz 1987/ angegeben. A process for the preparation of the series connection of several Ther moelementen per mm for multiple thermal converter is of / Klonz / specified 1987th

Dabei wird ein Wickel aus CuNi44-Draht partiell von den "warmen" bis zu den "kalten" Verbindungsstellen mit Kupfer beschichtet. Here, a coil of wire CuNi44 partially "warm" is from the up to the "cold" junctions coated with copper.

Bei dieser Konstruktion wird wie bei keiner anderen bisher ange gebenen Konstruktion für Vielfachthermoelemente ein sehr kleiner TK der Thermospannung bei Änderung der Umgebungstemperatur dadurch er reicht /Klonz 1987/, daß die TK der Thermospannung und der Wärmeleit werte der Thermoelemente durch geeignete Wahl der Schichtdicke des Kupfers einander kompensieren. In this construction, a very small TK of the thermal voltage is at the ambient temperature changes thereby it extends / Klonz 1987 / that the TC of the thermal stress and the thermal conductivity values ​​of the thermocouples by a suitable choice of the layer thickness of the copper as with any other previously-mentioned construction for multiple thermocouples compensate each other.

Durch Aufbringen eines Heizers auf die "warmen" Verbindungsstellen wird aus diesem Temperatursensor ein Vielfachthermokonverter, mit dem die im Heizer durch einen Wechselstrom bzw. durch einen äquivalenten Gleichstrom hervorgerufenen Übertemperaturen verglichen werden können. By applying a heater to the "hot" junctions a multi-thermal converter, with which the induced by an alternating current in the heater or by an equivalent DC excess temperatures can be compared is made from this temperature sensor. Der Wechselstrom kann dabei im Frequenzbereich bis zu einigen MHz liegen. The alternating current can lie in the frequency range up to a few MHz.

Durch exakt gleiche Geometrie aller Thermoelemente, die die Wärmeab leitung vom Heizer besorgen, gelingt es, eine periodische Temperatur verteilung auf dem Heizer zu erzeugen, wodurch wiederum systematische Änderungen der Temperaturverteilung infolge Joulescher Wärme bei Gleichstrom durch thermoelektrische Effekte im Heizer vermieden wer den, so daß die Rückführung von Wechselströmen auf äquivalente Gleichströme mit einer Unsicherheit von einigen 10 -7 möglich ist, und auf diese Weise die Messung von Wechselgrößen sehr genau durchge führt werden kann. With an exact geometry of all thermocouples that line the Wärmeab get from the heater, it is possible a periodic temperature distribution on the heater to produce, which in turn systematic changes in temperature distribution due to Joule heat in DC avoided by thermoelectric effects in the heater who the so the feedback of alternating currents to direct currents equivalent with an uncertainty is of a few 10 -7 possible, and the measurement of alternating sizes leads Runaway very accurately in this manner can be.

Die Herstellung dieser Vielfachthermokonverter ist sehr aufwendig, da Drähte mit Durchmessern von 10 µm bis 20 µm unter einem Mikroskop ge handhabt, miteinander und mit der Wärmesenke verklebt und spezielle Punktschweiß- und Lichtbogenschweißtechniken angewendet werden müssen. The preparation of these multiple thermal converter is very expensive, since wires with diameters of 10 .mu.m to 20 .mu.m handles ge under a microscope, bonded together and to the heat sink and specific spot welding and arc welding techniques must be applied. Die Grundplatte, auf die das Vielfachthermoelement auf gesetzt wird, besteht aus einer präzis angefertigten und damit teuren Cu-Platte, die wegen ihres guten Wärmeleitwertes die Wärme senke und Referenztemperatur für die Temperaturdifferenzmessung dar stellt. The base plate on which the multiple thermocouple is set up, consisting of a precision-built and thus expensive Cu plate, the lower the heat because of their good Wärmeleitwertes and provides reference temperature for the temperature difference measurement. Die Einzelanfertigung dieser Vielfachthermokonverter führt zu sehr hohen Stückpreisen. The one-off production of these multiple thermal converter leads to very high unit prices. Die Schwierigkeiten der Fertigung und der hohe Preis stehen einer wünschenswerten breiten Einführung dieses Konvertertyps in die industrielle Wechselstrom-Meßtechnik ent gegen. The difficulties of the production and the high price are facing ent a desirable wide introduction of this type converter in the industrial AC measurement technique. Nachteilig ist weiterhin, daß dieser Aufbau infolge seiner Größe eine Integration dieses Bauelementes in moderne integrierte elektronische Schaltkreise nicht zuläßt. A further disadvantage is that this structure does not allow due to its size, the integration of this component in modern integrated electronic circuits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion für das Vielfachthermoelement zu finden, die eine billige Massenfertigung bei Einhaltung der Spezifikation, besonders der vernachlässigbar kleinen thermoelektrischen Effekte und des kleinen TK des beschrie benen Vielfachthermokonverters bzw. Vielfachthermoelementes für Strahlungsmessungen ermöglicht und die in integrierte Schaltkreise integriert werden kann. The invention is based on the object of finding a design for the multiple thermocouple, which enables cheap mass production in compliance with the specification, particularly the negligible thermoelectric effects and the small TC of beschrie surrounded multijunction thermal converter or multiple thermocouple for radiation measurements and integrated into integrated circuits can be.

Lösung solution

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bisherige dreidimensionale Thermoelementenreihenschaltung planar angeordnet und in Dünnfilmtechnik hergestellt wird (( 1 ) in Bild 1 und Schnitt AA in Bild 2). This object is inventively achieved in that the previous three-dimensional thermocouples series circuit disposed planar and is manufactured in thin-film technology ((1) in Figure 1 and Section AA in Figure 2).

Die Grundplatte bildet ein Silizium-Wafer ( 2 ) mit vorzugsweiser ⟨100⟩ Orientierung der Kristallachsen des Einkristalls, der auf beiden Sei ten zur elektrischen Isolierung der Thermoelemente eine Oxid- oder Nitridschicht ( 3 ) besitzt. The base plate is a silicon wafer (2), preferably having ⟨100⟩ orientation of the crystal axes of the single crystal of ten on both Be for electrical insulation of the thermoelements an oxide or nitride layer (3) has. Im Bereich der Thermoelemente wird zur Verringerung der Wärmeableitung vom Heizer zum Silizium von unten her ein maßhaltiges Fenster ( 4 ) durch isotropes oder anisotropes Ätzen eingebaut, das dann nur noch von der oberseitigen Isolierschicht über spannt wird. In the area of thermocouples a dimensionally stable window (4) is incorporated by isotropic or anisotropic etching to reduce the heat dissipation from the heater to the silicon from the bottom, which is then clamped only by the upper-side insulating layer over. Auf dieses Fenster werden die Thermoelemente ( 1 ) und der Heizer ( 5 ) bzw. an seiner Stelle eine lichtabsorbierende Schicht aufge dampft oder gesputtert. Are thermocouples (1) and the heater (5) on the window or be deposited in its place a light-absorbing layer or sputtered. Die Strukturen werden mit Hilfe von Masken und Fotolithografie hergestellt. The structures are produced with the help of masks and photolithography. Die Anschlüsse zu den Thermoelemen ten und zum Heizer und die kalten Verbindungsstellen der thermo elemente liegen auf dem Si-Rahmen ( 2 ), der infolge seiner guten Wärme leitung die Wärmesenke und Referenztemperatur für die Temperaturdif ferenzmessung bildet. The connections to the Thermoelemen th and to the heater and the cold junctions of the thermocouples are located on the Si frame (2), which forms as a result of its good heat conduction, the heat sink and reference temperature for the reference measurement Temperaturdif.

Für die Thermoelementenreihenschaltung können alle Materialpaarungen (Metalle, Metallegierungen und Halbleiter), die einen kleinen posi tiven TK der Thermospannung und wenigstens das Material eines Schen kels einen negativen TK des Wärmeleitwertes und einen positiven TK des elektrischen Widerstandes haben, verwendet werden. For thermocouples series connection all material combinations (metals, metal alloys and semiconductors) can, having a small posi tive TK of the thermoelectric voltage and at least the material of one's kels a negative TC of Wärmeleitwertes and a positive TC of the electrical resistance, can be used. Die Geometrie dieses Schenkels (Breite und Dicke) muß so gewählt werden, daß seine TK′s den TK der Thermospannung kompensieren. The geometry of this leg (width and thickness) must be chosen so that its TK's compensate for the TK of the thermal voltage. Diesem Schenkel kann wahlweise das Material des anderen Schenkels in galvanischem Kontakt unterlegt werden. This leg, the material of the other leg can be selectively highlighted in galvanic contact.

Der Heizer wird aus Widerstandsmaterial mit vernachlässigbar kleinem TK ausgeführt. The heater is made of resistance material with negligible TK.

Der Siliziumchip wird in einem Keramikhalterung in gutem Wärmekontakt eingebaut und die Kontaktierung erfolgt durch Bonden. The silicon chip is mounted in a ceramic holder in good thermal contact, and the contacting is effected by bonding.

Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen besonders darin, daß Handarbeit unter einem Mikroskop und Schweißtechnik bei der Ein zelanfertigung des dreidimensionalen Vielfachthermoelementes durch Masken- und Aufdampftechniken bei der Herstellung der Dünnfilm strukturen von Thermoelementen und Heizern bzw. lichtabsorbierenden Schichten sowie die mechanische Formgebung von Metall durch präzise Ätztechnik in Silizium ersetzt werden. The advantages obtained with this invention consist especially in the fact that manual labor under a microscope and welding technology in which a zelanfertigung the three-dimensional multiple thermocouple by masking and vapor deposition techniques in the production of thin-film structures of thermocouples and heaters and light absorbing layers and the mechanical shaping of metal by precise etching be replaced in silicon.

Mit diesem Verfahren können in reproduzierbarer Weise auf einem 3-Zoll-Wafer 20 bis 50 Vielfachthermokonverter oder Strahlungssen soren gleichzeitig hergestellt werden, wodurch eine erhebliche Kostensenkung gegenüber der dreidimensionalen Konstruktion erzielt werden kann. With this method, 20 to 50 multiple-thermal converter or Strahlungssen whereby a considerable cost reduction compared with the three-dimensional structure can be obtained can in a reproducible manner on a 3-inch wafer sensors simultaneously be prepared.

Literatur: Literature:

Entwicklung von Vielfachthermokonvertern zur genauen Rückführung von Wechselgrößen auf äquivalente Gleichgrößen. Development of multiple thermal converters for accurate return of alternating quantities to equivalent DC sizes. Dissertation TU Braunschweig, 1985. Dissertation TU Braunschweig., 1985

Claims (1)

  1. . , Vielfachthermoelement mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten als monolithisch integrierter Chip für präzise Temperaturdifferenzmes sungen bei Strahlungssensoren und Vielfachthermokonvertern, dadurch gekennzeichnet , daß die Thermoelementenreihenschaltung in Dünnfilm-Technik auf einem vorzugsweise ⟨100⟩ orientierten Silizium wafer hergestellt wird, dessen Oberfläche zur elektrischen Isolie rung eine Oxid- oder Nitridschicht und der im Bereich des Vielfach thermoelementes ein Fenster enthält, das in reproduzierbarer Geo metrie gegenüber der Thermoelementenreihenschaltung durch isotropes oder anisotropes Ätzen des Siliziums hergestellt wird, und dessen Rahmen die Funktion der Wärmesenke und der Referenztemperatur für alle Thermoelemente übernimmt, gegen die als Strahlungssensor die Temperaturdifferenz einer lichtabsorbierenden Schicht oder als Vielfachthermokonverter die Temperaturdifferenz eines Heizers mit in reproduzierbarer Geometrie angeordneten Thermoelementen gemes Multiple thermocouple with a very small temperature coefficient as a monolithically integrated chip for precise Temperaturdifferenzmes measurements in radiation sensors and multiple thermal converters, characterized in that the thermocouples series circuit in thin-film technology on a ⟨100⟩ oriented silicon is produced wafer preferably, the surface for electrical Isolie tion an oxide or nitride layer and in the region of the multiple thermocouple, a window containing the geometry in a reproducible Geo opposite the thermocouples in series by isotropic or anisotropic etching of the silicon is prepared and its frame takes over the function of the heat sink and the reference temperature for all thermocouples, against which as a radiation sensor, the temperature difference of a light-absorbing layer or in a multiple thermal converter, the temperature difference with a heater disposed in a reproducible geometry thermocouples gemes sen wird, deren Material und Geometrie für die Thermoelementenausgangs spannungen einen Temperaturkoeffizienten (TK) bei Änderung der Umge bungstemperatur von weniger als 10 -5 K -1 ergeben, weil der positive TK der Thermospannung durch den negativen TK des Wärmeleitwerts und/oder durch den positiven TK des elektrischen Widerstandes eines Thermoelementenschenkels, der partiell von dem Material des anderen Schenkels überdeckt wird, infolge geeigneter Schichtdicke dieses Schenkels kompensiert wird, und der Heizer aus Widerstandsmaterial mit vernachlässigbar kleinem TK ausgeführt wird. sen is, the material and geometry for the thermocouples output voltages a temperature coefficient (TK) when changing the surrounding ambient temperature of less than 10 -5 K -1 result, because the positive TC of the thermal voltage by the negative TC of thermal conductance and / or by the positive TK of the electrical resistance of a thermocouple leg which is partially covered by the material of the other leg, as a result of suitable layer thickness of this arm is compensated, and the heater of resistive material with negligible TK is executed.
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