DE4007129A1 - Temperatursensor - Google Patents
TemperatursensorInfo
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- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
- G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
- G01K7/183—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer characterised by the use of the resistive element
Description
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einer
auf einem elektrisch isolierenden und eine geringe
Strahlungsabsorption aufweisenden Substrat dünnschicht
technisch in Mäanderform aufgebrachten elektrisch
leitenden Schicht, deren beide Endpunkte an eine Meßwerk
schaltung anschließbar sind.
Ein derartiger Temperatursensor ist zum Beispiel aus
dem Typenblatt 90.255 der Firma M. K. Juchheim GmbH & Co.,
W-6400 Fulda, bekannt. Bei diesem Sensor ist eine Platin
schicht dünnschichttechnisch auf ein Keramiksubstrat
aufgebracht. Die Platinschicht füllt bis auf isolierende
Ritzen die Oberfläche des Keramiksubstrates voll aus
und bildet einen Mäander. An dem einen Ende des Keramik
substrates ist der Temperatursensor an zwei
Anschlußdrähte angeschlossen. Über den Anschlußpunkten
auf dem Keramiksubstrat ist eine Zugentlastung aus
Keramik aufgebracht.
Durch die Verwendung von Platin als Widerstandsschicht
sind Temperaturen bis 750°C meßbar. Platin ist
genügend rein und damit reproduzierbar herstellbar und
es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Widerstand der
Schicht und seiner Temperatur durch einen Potenzreihen
ansatz.
Bei der Erfassung der Temperatur beim Ballonaufstieg
einer Wettersonde muß die Temperatur der Luft vom
Erdboden ab bis in einen Höhenbereich von ungefähr
30 km mit einer Genauigkeit von ±0,2°C bestimmt
werden, wobei der Temperaturmeßbereich zwischen -70°
und +50°C liegt. Als zusätzliche Erschwernis
der Messung fällt der Druck von Normaldruck in Erd
bodennähe bis auf wenige Millibar in der Höhe ab und eine
direkte Sonneneinstrahlung auf die Wettersonde ist
zumeist auch unvermeidbar.
Bei solchen Messungen müssen dann Strahlungskorrekturen
in der Größenordnung von mehreren Grad durchgeführt
werden, die die Genauigkeit der Temperaturfassung
begrenzen.
Ein weiterer Meßfehler tritt dadurch auf, daß sich die
Widerstandsschicht durch Verschleppung von Wärme, zum
Beispiel über die Anschlußdrähte, zusätzlich erwärmt.
Die oben beschriebenen Strahlungsfehler werden aufgrund
von empirischem Wissen aus vergleichenden Radiosonden
aufstiegen korrigiert. Bei der deutschen Wettersonde M
60 zum Beispiel wird im oberen Höhenbereich je nach
Stand der Sonne bezüglich der Sonde eine rechnerische
Strahlungskorrektur der erfaßten Temperatur von bis zu
30°C vorgenommen. Damit ist eine Meßgenauigkeit
von ±0,2°C unmöglich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin
dung die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor der
eingangs genannten Art zu schaffen, der es gestattet,
auf Zehntel-Grad-Celsius genaue Temperaturmeßwerte im
Temperaturbereich von -80° bis +50°C bei einem
vorherrschenden Druck zwischen Normaldruck und wenigen
Millibar ohne Anwendung einer empirischen Strahlungs
korrektur zu erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
das Substrat im optisch sichtbaren Wellenlängenbereich
transparent ist, daß die elektrisch leitende Schicht
eine Vielzahl von mäanderförmigen Leiterbahnen in einem
Meßfenster umfaßt, wobei die Gesamtoberfläche der
Leiterbahnen in der Projektion auf die Ebene des
Substrates zu der Oberfläche des Meßfensters in einem
Bedeckungsverhältnis von kleiner als 20% steht,
und daß die Summe der Oberflächen des Meßfensters und
des das Meßfenster umgebenden Meßfensterrahmens zu der
das Substrat im Meßfensterbereich umrandenden Randober
fläche in einem Flächenverhältnis von größer als 4 zu 1
steht.
Dadurch, daß das Substrat im optisch sichtbaren Wellen
längenbereich transparent ist und die Oberfläche der
Hauptebene des Substrates mindestens um einen Faktor 3
größer ist als die das Substrat berandenden Kanten
flächen, ist ein günstiges Strahlungsaufnahme- und -abgabe
verhältnis für den Temperatursensor geschaffen. Die
Verwendung von zum Beispiel weniger als 30 Mikrometer
breiten elektrisch leitenden Schichten in Mäandern
schafft eine lange Widerstandsbahn, wobei jedoch die
Gesamtoberfläche des Meßfensters im Substrat höchstens
zu einem Fünftel abgedeckt ist. Dadurch können die
mäanderförmigen Leiterbahnen leicht Wärme an die Umge
bung abgeben, ohne dabei mit dem Strahlungsabgabever
halten von benachbarten Leiterbahnen zu interferieren.
Gemäß einem Nebenanspruch wird die oben genannte Aufgabe
auch dadurch gelöst, daß die Schicht eine Vielzahl
von mäanderförmigen Leiterbahnen in einem Meßfenster
umfaßt, wobei die Gesamtoberfläche der Leiterbahnen in
der Projektion auf die Ebene des Substrates zu der
Oberfläche des Meßfensters in einem Bedeckungsverhältnis
von kleiner 20% steht, daß das Substrat
unter den Leiterbahnen im Meßfenster im wesentlichen
weggeätzt ist.
Dadurch, daß das Substrat unterhalb der Leiterbahnen im
Meßfenster im wesentlichen weggeätzt ist, hat eine
Erwärmung des Substrates keinen Einfluß mehr auf die
Temperatur der Leiterbahnen. Dies gilt insbesondere,
wenn die auf dem Substrat aufliegenden Umkehrschleifen
der Leiterbahnen einer größere Querschnittsfläche als
die Leiterbahnen selbst aufweisen.
Bei einem vorteilhaften Flächenverhältnis von größer
als 10 : 1 verkleinert sich der durch eine Strahlungs
korrektur zu kompensierende Temperaturfehler auf unter
ein Viertel Grad Celsius.
Vorzugsweise weisen die Umkehrschleifen eine um 5- bis
15mal größere Querschnittsfläche als die Querschnitts
fläche der Leiterbahnen auf, wobei diese Erhöhung der
Querschnittsfläche durch eine Verdickung oder eine
Verbreiterung der Leiterbahnen erzeugt werden kann. Die
Umkehrschleifen tragen dann zur temperaturempfindlichen
Widerstandsschicht nur noch in sehr kleinem Umfang bei,
so daß ein von dort stammender Temperaturfehler unter
drückt ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die
Umkehrschleifen aus einer in der Temperaturmessung
neutralen Schicht z. B. Konstantan oder Ni/Cr-80/20
ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
besteht das Substrat aus Silizium, das leicht struktu
rierbar ist. Zusätzlich kann der Rahmenbereich um das
Meßfenster beidseitig verspiegelt sein, wobei die
Leiterbahnen und die Umkehrschleifen mit einer Isolier
schicht, zum Beispiel aus Siliziumoxid abgedeckt sind.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin
dung ist das Substrat im optisch sichtbaren Wellen
längenbereich transparent und besteht aus strukturier
barem Glas, das in leichter Weise ätzbar ist.
Silizium und ätzbares Glas sind beide im infraroten
Spektralbereich hervorragende Emitter, die aufgenommene
Wärme leicht wieder abgeben können.
Vorteilhafterweise weisen Substrate eine Dicke zwischen
300 und 500 Mikrometern auf, die dann genügend stabil
sind und nur über kleine in das Flächenverhältnis
eingehende Randflächen verfügen.
Vorteilhafte Leiterbahnen weisen eine Dicke zwischen
0,5 und 1 Mikrometer und eine Breite von weniger als 30
Mikrometern auf, womit sich eine ungefähre Quer
schnittsfläche im Bereich von 10 µm² ergibt.
Die Leiterbahnen bestehen vorzugsweise aus einem Werk
stoff hoher Reflektivität wie einer Schichtenfolge aus
Chrom-Nickel-Chrom oder aus Platin oder aus einem
Werkstoff hoher Transparenz im optischen Wellenlängen
bereich wie z. B. Indiumzinnoxid (ITO).
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfin
dung sind dünnschichttechnisch auf das Substrat aufge
brachte erste Spannungsanschlußbahnen vorgesehen, die
von einem in großer Entfernung von dem Meßfenster
angeordneten Anschlußpunkt zu dem zugehörigen Endpunkt
im Meßfenster verlaufen. Dadurch können zur elektronischen
Auswerteschaltung verlaufende metallische Drähte
in großer Entfernung von dem Meßfenster angeordnet
werden, so daß keine Wärmeverschleppung über sich
erwärmende Metallteile der Sondenausrüstung auf die von
dem Temperatursensor ermittelte Temperatur Einfluß
haben kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeich
nungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Temperatursensor
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Temperatursensor
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit
einem weggeätzten Meßfenster,
Fig. 3 einen Temperatursensor gemäß Fig. 2 mit
einem Zweipunktabgriff,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Temperatursensor
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit
einer seitlichen Öffnung,
Fig. 5 eine Querschnittsansicht durch eine Leiter
bahn eines Temperatursensors gemäß den
Fig. 1 bis 4 und
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Doppeltemperatur
sensor auf einem einzigen Substrat.
Die Fig. 1 zeigt einen Temperatursensor 10 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Temperatur
sensor 10 ist auf einem Substrat 12 aufgebracht, das
elektrisch isolierend und eine geringe Strahlungsab
sorption aufweist. Das Substrat 12 ist im optisch
sichtbaren Wellenlängenbereich hochtransparent und kann
zum Beispiel aus Glas oder Quarz sein.
Eine geeignete Größe für das Substrat 12 ist zum
Beispiel 10×20 Millimeter mit einer Dicke von 500 Mikro
meter oder weniger. Das Substrat 12 wird in einem
Haltebereich 13 gehaltert, in dessen unmittelbarer Nähe
sich Kontaktpunkte 14 und 15 befinden. An die Kontakt
punkte 14, 15 ist eine die Messung auswertende Meßwerk
schaltung über in der Zeichnung nicht dargestellte
metallische Drähte anschließbar. Zwischen den Kontakt
punkten 14, 15 und den Anschlußpunkten 16, 17 des
Temperatursensors 10 sind Anschlußpfade 18, 19 dünn
schichttechnisch auf das Substrat aufgebracht. Die
Anschlußbahnen 18 und 19 vereinigen sich in den
Anschlußpunkten 16, 17.
Zwischen den Anschlußpunkten 16, 17 sind in einem
Meßfenster 20 eine Vielzahl von mäanderförmig verlegten
Leiterbahnen 21 vorgesehen. Die Breite der dünnschicht
technisch aus das Substrat 12 aufgebrachten Leiterbahnen
21 ist kleiner als 100 Mikrometer und liegt vor
teilhafterweise unter 30 Mikrometer, wobei ihre Dicke
zwischen 50 und 1000 Nanometer beträgt.
Die Leiterbahnen 21 bestehen aus einem elektrisch
leitenden hochreflektierenden Werkstoff. Dies kann zum
Beispiel eine Schichtenfolge Chrom-Nickel-Chrom oder
Platin sein.
Der Abstand der einzelnen insgesamt zwanzig Leiterbahnen
21 voneinander ist um mindestens einen Faktor 5
größer als die Breite der Leiterbahnen selbst. In dem
in der Fig. 2 gezeichneten Meßfenster von 5×6 Milli
meter mit unmaßstäblich dick gezeichneten Leiterbahnen
21 von 30 Mikrometer Breite - und einer Länge von
5 Millimetern - liegt das Bedeckungsverhältnis bei 10%.
Über die Kontaktpunkte 14 und die Anschlußpfade 18 wird
über die Anschlußpunkte 16 und 17 den Leiterbahnen 21
im Meßfenster 20 ein Strom aufgeprägt, wobei über die
Kontaktpunkte 15 und die Anschlußpfade 19 der
Spannungsabfall zwischen den Anschlußpunkten 16 und 17
erfaßt wird. Damit ist der Widerstand der Leiterbahnen
21 im Meßfenster 20 erfaßbar und über einen Potenz
reihenansatz die Temperatur der Leiterbahnen 21 errechen
bar.
Das Meßfenster 20 ist von einem Meßfensterrahmen 22
umgeben, der das Meßfenster 20 um ungefähr mindestens
2 mm an allen Seiten überragt. Der Abstand des
Meßfensters 20 zu dem 5 mm breiten Haltebe
reich, über den Wärme auf das schlecht wärmeleitende
Substrat 12 übergeleitet wird, ist möglichst groß und
beträgt z. B. bei dem in der Zeichnung dargestellten
Substrat 12 einer Dicke von 500 Mikrometern 8 mm.
Es ergibt sich eine Summenoberfläche der Oberflächen
des Meßfensters 20 und des Meßfensterrahmens 22
von 90 mm². Diese Fläche ist um einen Faktor 6,5 größer
als die das Substrat berandende Fläche 23 mit 14 mm².
Dieses Flächenverhältnis ist vorzugsweise größer als
10 : 1.
Die Fig. 2 zeigt einen Temperatursensor 30 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Substrat
32, das dieselben geometrischen Ausmaße wie das Sub
strat 12 aufweist, besteht aus einem elektrisch isolie
renden und eine geringe Strahlungsabsorption aufweisenden
Werkstoff. Dieser Werkstoff kann zum Beispiel
Silizium oder strukturierbares Glas sein, wobei letzteres
unter dem Warenzeichen "FOTURAN" von der Firma
SCHOTT, Mainz vertrieben wird. Strukturierbar heißt in
diesem Fall, daß mittels punktueller UV-Bestrahlung
(Photolithographie) starke Löslichkeitsunterschiede im
Glas hervorgerufen und somit Lochmuster im Substrat 32
erzeugt werden können.
Auf das Substrat 32 sind mit Dünnschichttechnik analog
zur Fig. 1 Kontaktpunkte 14 und 15, Anschlußpfade 18
und 19 sowie Anschlußpunkte 16 und 17 aufgebracht
worden.
Zwischen den Anschlußpunkten 16 und 17 sind in analoger
Weise zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zehn
mäanderförmige Leiterbahnen 21 aus einem elektrisch
leitenden hochreflektierenden Werkstoff aufgebracht
worden. An den Umkehrpunkten der Leiterbahnen 21 sind
Umkehrschleifen 34 vorgesehen, deren Querschnittsfläche
um einen Faktor 5 bis 15 größer als die Querschnitts
fläche der Leiterbahnen 21 selbst ist. Wenn die Leiter
bahnen 21, wie oben angegeben, eine Breite von zum
Beispiel 30 Mikrometer und eine Dicke von 0,5 Mikrometer
und somit eine Querschnittsfläche von 15 µm² aufweisen,
liegt die Querschnittsfläche jeder der Umkehrschleifen
34 zwischen 75 und 225 µm². Zum einen kann, wie in der
Fig. 2 dargestellt, die Leiterbahn bei gleicher Dicke
breiter ausgeführt sein. Es ist jedoch auch möglich und
in der Fig. 5 dargestellt, daß die Umkehrschleifen 34
durch ein galvanisches Verdicken der Leiterbahnen 21
erzeugt werden. Es können auch beide Herstellungsver
fahren gleichzeitig angewendet werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die
Leiterbahnen 21 als unverbundene, parallele Strecken
ausgebildet und die Umkehrschleifen 34 verbinden diese
auf dem Substrat 32 durch dünnschichttechnisch aufge
tragene, rechtwinklig zu den Leiterbahnen 21 verlaufende
Konstantan-Strecken. Neben Konstantan können
andere in der Temperaturmessung neutrale Werkstoffe wie
Ni/Cr-80/20 verwendet werden.
In einem dem Aufbringen der vorgenannten Leiterbahnen
21 und Umkehrschleifen 34 nachfolgenden Verfahrens
schritt wird in dem Meßfenster 20 eine Öffnung 36
geätzt, deren Größe derart bemessen ist, daß die
Leiterbahnen 21 zwischen den Umkehrschleifen 34 frei
tragend sind, wobei die Umkehrschleifen 34 einen
Befestigungsgrund auf dem Substrat 32 bilden. In der recht
winklig zu den Leiterbahnen 21 verlaufenden Richtung
ist die Öffnung zum z. B. 200 Mikrometer breiter als der
Abstand der beiden äußersten Leiterbahnen 21 voneinander.
Die verdickten Umkehrschleifen 34 verhindern auch
einen Widerstandseinfluß infolge der Temperatur des
Substrates 32 auf die Leiterbahnen 21.
Das Substrat 32 ist zum Beispiel aus Silizium herge
stellt. Dann ist vorteilhafterweise das Substrat 32 im
Meßfensterrahmen 22 beidseitig verspiegelt, wobei die
Leiterbahnen 21 und die Umkehrschleifen 34 mit einer in
der Zeichnung nicht dargestellten Isolierschicht, zum
Beispiel aus Siliziumdioxid, abgedeckt sind.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht
das Substrat 32 aus einem im optischen Wellenlängenbe
reich transparenten Werkstoff. Dieser Werkstoff kann
Glas oder strukturierbares Glas sein. In diesem Falle
ist eine Verspiegelung des Meßfensterrahmens 22 nicht
notwendig.
Die Fig. 3 zeigt einen Temperatursensor 30 gemäß Fig. 2
mit einem Zweipunktanschluß. Hierbei wird aus dem vom
Meßfenster 20 entfernten Haltebereich 13 nur jeweils
ein Anschlußpfad 19 von einem Kontaktpunkt 15 zu den
Anschlußpunkten 16 und 17 herangeführt. Die Anschluß
pfade 19 sind stark verdickt mit einer Breite von
0,3 mm ausgestaltet. Auch diese Breite ist
jedoch genügend schmal, um eine Verschleppung von Wärme
durch Wärmeleitung über die Anschlußpfade 19 zu den
Leiterbahnen des Meßfensters 20 hin zu vermeiden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen
die Leiterbahnen 21 aus einem Werkstoff hoher Transpa
renz im optischen Wellenlängenbereich wie Indiumzinn
oxid der Antimonzinnoxid. Die Leiterbahnen können auch
in einer sehr dünnen, mit einer Passivierung versehenen
Goldschicht realisiert sein. Dadurch kann wie bei den
oben genannten hochverspiegelten Leiterbahnen die
Strahlungsabsorption der Leiterbahnen selbst niedrig
gehalten werden.
Die Fig. 4 zeigt in einer Draufsicht einen Temperatur
sensor 40 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Hierbei ist die weggeätzte Öffnung 36 im Meßfenster 20
um eine seitliche Mündung 42 erweitert. Dadurch bildet
das Substrat 32 eine U-förmige Gabel, zwischen deren
Armen 43 und 44 sich die Leiterbahnen 21 erstrecken.
Vorteilhafterweise wird beim Einsatz des Temperatursensors
40 bei einer Wettermeßsonde die Mündung 42 in
Windrichtung ausgerichtet, so daß die Luft, deren
Temperatur zu erfassen ist, in der Richtung des Pfeils
42 frei an den Leiterbahnen 21 vorbeistreichen kann,
ohne von in der Nähe des Temperatursensors angeordneten
und in der Zeichnung nicht dargestellten Gegenständen
vorerwärmt zu werden. Die untere Kante 46 der Öffnung
36 ist in einem Abstand von vorzugsweise nicht unter
500 Mikrometern von der äußersten unteren Leiterbahn 21
angeordnet. Vorteilhafterweise ist die untere Kante 46
der Öffnung 36 als Keil in der Ebene des Substrates 32
ausgebildet, so daß die gegen ihn stoßende Luftströmung
ohne große Verwirbelung das Meßfenster 20 verläßt.
Die zwischen den Armen 43 und 44 gespannten Mäander 21
weisen in verschiedenen Bereichen des Temperatursensors
40 durch die sich zur Kante 46 verjüngenden Seiten
kanten 47 eine unterschiedliche Länge auf und verkürzen
sich insbesondere zu der Kante 46 hin. In einer in der
Zeichnung nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfin
dung verlaufen die Seitenkanten 47 der Öffnung 36
parallel zueinander, so daß die zwischen den Armen 43
und 44 gespannten Mäander 21 in allen Bereichen des
Meßfensters 20 die gleiche Länge aufweisen.
Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Temperatur
sensor 10, 30 oder 40 mit einer Leiterbahn 21 im
Schnitt. Die Leiterbahn 21 besteht aus einer dreilagigen
Metallschicht. Auf einer dünnen Chromschicht 54 ist
eine Nickelschicht 55 aufgebracht, die wiederum von
einer weiteren hochreflektierenden Chrom-Schicht 54
abgedeckt ist. Die Chromschichten 54 weisen z. B. eine
Dicke von 20 Nanometern auf, während die Nickelschicht
55 über eine Dicke zwischen 400 und 1000 Nanometer
verfügt. Im Bereich des Substrates 52 sind die Umkehr
schleifen 34 angeordnet, die in dem bezeichneten Aus
führungsbeispiel eine galvanisch aufgetragene Ver
dickung der Leiterbahnen 21 sind. Die Dicke der Umkehr
schleifen 34 liegt zum Beispiel im Bereich zwischen 1
und 4 Mikrometern. Die Seitenkanten 53 des weggeätzten
Meßfensters 20 verlaufen trapezoidal zueinander, wobei
sich die Öffnung 36 zu den Leiterbahnen 21 hin ver
jüngt. In anderen Ausführungsformen des Temperatursensors
können diese Seitenkanten 53 auch parallel zuein
ander rechtwinklig zu der Ebene der Leiterbahnen 21
sein.
Die Fig. 6 zeigt einen Doppeltemperatursensor 60 auf
einem Substrat 52. Zwei in ihrem Werkstoff gleiche
Leiterbahnen 21a und 21b sind an ihren Anschlußpunkten
16 bzw. 17 in bekannter Weise an die oben erwähnte
Meßwerkschaltung mit Vierpunkt-Abgriff angeschlossen.
Dabei können die Sensoren 60a und 60b über einen
gemeinsamen Mittelabgriff 17 in einem Anschlußpunkt
verbunden sein. In der Fig. 6 besteht der Unterschied
zwischen den beiden Einzeltemperatursensoren 60a und
60b darin, daß das Bedeckungsverhältnis des Sensors 60a
größer als das Bedeckungsverhältnis des Sensors 60b
ist. In der Fig. 6 ist das Bedeckungsverhältnis um die
Hälfte größer. Dadurch ergibt sich eine andere Wärmeab
sorption für beide Sensoren, so daß aufgrund der von
den Sensoren 60a und 60b gemessenen Temperaturen T60a
und T60b sowie der Temperaturdifferenz zwischen den
beiden Sensoren 60a und 60b eine im Meßzeitpunkt aufge
nommene Strahlungskalibrierung der Temperatursensoren
60 durchgeführt werden kann und somit die Temperatur
auf Zehntel Grad und besser korrigierbar ist.
Der Unterschied zwischen den Sensoren 60a und 60b kann
außer im Bedeckungsverhältnis und damit der Anzahl
ihrer Leiterbahnen 21a und 21b im gleich großen Meß
fenster 20 auch darin liegen, daß sich der Werkstoff der
Leiterbahn 21a von dem der Leiterbahn 21b unterscheidet.
Zum Beispiel kann die Leiterbahn 21a aus Platin
und die andere Leiterbahn 21b aus einer Chrom-Nickel-
Chrom-Schicht bestehen. Weiterhin können sich die Quer
schnittsflächen der Leiterbahnen 21a und 21b durch eine
unterschiedliche Dicke der Leiterbahnen 21a und 21b
voneinander unterscheiden. Mit einer Änderung der
Querschnittsfläche durch einen Breitenunterschied der
Leiterbahnen 21 ist gleichzeitig eine Veränderung der
Bedeckung des Meßfensters 20 gegeben.
Der Unterschied zwischen den Sensoren 60 besteht in
einer oder mehreren Eigenschaften bezüglich ihres
Materials oder ihrer Geometrie, insbesondere z. B. auch
darin, daß die Leiterbahnen 21a und 21b auf verschiedenen,
in unmittelbarer Nähe zueinander angeordneten
Substraten 12, 32, 52 aufgebracht sind, so daß die
Sensoren unterschiedliche Absorptions- und Emissions
eigenschaften haben und dadurch die Berechnung des Strahlungs
fehlers möglich wird.
Durch eine Anordnung von jeweils zwei oder mehr Tempe
ratursensoren, die sich jeweils paarweise in einem der
oben beschriebenen Faktoren voneinander unterscheiden,
ist eine hochpräzise Strahlungseichung in jeder Messung
möglich. Insbesondere ist über eine Mustererkennung der
Strahlungsfehler mit hoher Genauigkeit berechenbar. Aus
einer Vielzahl von Meßwerten ist dann die von mehr als
einem Parameter abhängige Temperatur bestimmbar.
Claims (26)
1. Temperatursensor mit einer auf einem elektrisch
isolierenden und eine geringe Strahlungsabsorption
aufweisenden Substrat (12, 32, 52) dünnschichttechnisch
in Mäanderform aufgebrachten elektrisch leitenden
Schicht (21, 34), deren beide Endpunkte (16, 17) an eine
Meßwerkschaltung anschließbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (12, 52)
im optisch sichtbaren Wellenlängenbereich transparent
ist, daß die elektrisch leitende Schicht (21, 34) eine
Vielzahl von mäanderförmigen Leiterbahnen (21) in einem
Meßfenster (20) umfaßt, wobei die Gesamtoberfläche der
Leiterbahnen (21) in der Projektion auf die Ebene des
Substrates (12, 52) zu der Oberfläche des Meßfensters
(20) in einem Bedeckungsverhältnis von kleiner als 20%
steht, und daß die Summe der Oberflächen des
Meßfensters (20) und des das Meßfenster (20) umgebenden
Meßfensterrahmens (22) zu der das Substrat (12, 32) im
Meßfensterbereich umrandenden Randoberfläche (23) in
einem Flächenverhältnis von größer als 4 zu 1 steht.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Substrat (12, 52) Glas oder Quarz ist.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis größer als 10
zu 1 ist.
4. Temperatursensor mit einer auf einem elektrisch
isolierenden und eine geringe Strahlungsabsorption
aufweisenden Substrat (12, 32, 52) dünnschichttechnisch
in Mäanderform aufgebrachten elektrisch leitenden
Schicht (21, 34), deren beide Endpunkte (16, 17) an eine
Meßwerkschaltung anschließbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (21, 34)
eine Vielzahl von mäanderförmigen Leiterbahnen (21) in
einem Meßfenster (20) umfaßt, wobei die Gesamtoberfläche
der Leiterbahnen (21) in der Projektion auf die
Ebene des Substrates (32, 52) zu der Oberfläche des
Meßfensters (20) in einem Bedeckungsverhältnis von
kleiner als 20% steht, daß das Substrat (32, 52)
unter den Leiterbahnen (21) im Meßfenster (20) im
wesentlichen weggeätzt (36) ist.
5. Temperatursensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Querschnittsfläche der auf dem
Substrat (32, 52) aufliegenden Umkehrschleifen (34) der
Leiterbahnen (21) größer als die Querschnittsfläche der
Leiterbahnen (21) ist.
6. Temperatursensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Querschnittsfläche der auf dem
Substrat (32, 52) aufliegenden Umkehrschleifen (34) der
Leiterbahnen (21) 5- bis 15mal größer als die Quer
schnittsfläche der Leiterbahnen (21) ist.
7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 4 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Substrat
(32, 52) aufliegenden Umkehrschleifen (34) der Leiter
bahnen (21) aus widerstandsneutralem Material bestehen.
8. Temperatursensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das widerstandsneutrale Material Konstantan
ist.
9. Temperatursensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das widerstandsneutrale Material Ni/Cr-
80/20 ist.
10. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 4 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32, 52) aus
Silizium hergestellt ist.
11. Temperatursensor nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (32, 52) im Rahmenbereich
beidseitig verspiegelt ist, wobei die Leiterbahnen (21)
und die Umkehrschleifen (34) mit einer Zwischenschicht
gegen die spiegelnde Schicht isoliert sind.
12. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 4 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32, 52) im
optisch sichtbaren Wellenlängenbereich transparent
ist.
13. Temperatursensor nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (32, 52) aus strukturier
barem Glas hergestellt ist.
14. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (32, 52)
eine Dicke zwischen 200 und 500 Mikrometer aufweist.
15. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21)
eine Dicke von 0,5 bis 1 Mikrometer aufweisen.
16. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21)
eine Breite von kleiner als 30 Mikrometer aufweisen.
17. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21)
aus einem Werkstoff hoher Reflektivität im optisch
sichtbaren Wellenlängenbereich hergestellt oder mit
einem solchen Werkstoff beschichtet sind.
18. Temperatursensor nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21) aus einer
Schichtenfolge aus Chrom-Nickel-Chrom (54, 55, 54) bestehen.
19. Temperatursensor nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21) aus Platin
bestehen.
20. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21)
aus einem Werkstoff hoher Transparenz im optisch sicht
baren Wellenlängenbereich sind.
21. Temperatursensor nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (21) aus Indium-
Zinn-Oxid (ITO), Antimon-Zinn-Oxid (SbTO) oder einer
atomar dünnen passivierten Goldschicht bestehen.
22. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedeckungsverhältnis
kleiner als 10% ist.
23. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerkschaltung
zwei dünnschichttechnisch auf das Substrat (12, 32, 52)
aufgebrachte erste Spannungsanschlußbahnen (19) auf
weist, die jeweils von einem in großer Entfernung von
dem Meßfenster (20) angeordneten Anschlußpunkt (15) zu
dem zugehörigen Endpunkt (16, 17) im Meßfenster (20)
verlaufen.
24. Temperatursensor nach Anspruch 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßwerkschaltung zwei dünn
schichttechnisch auf das Substrat (12, 32, 52) aufge
brachte zweite Anschlußbahnen (18) zur Stromeinprägung
aufweist, die jeweils von einem in großer Entfernung
von dem Meßfenster (20) angeordneten Anschlußpunkt (14)
zu dem zugehörigen Endpunkt (16, 17) im Meßfenster (20)
verlaufen.
25. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei von
einander unabhängige mäanderförmige Schichten (21a, 21b)
auf einem Substrat (12, 32, 52) vorgesehen sind, die sich
in mindestens einem ihrer geometrischen Merkmale von
einander unterscheiden, so daß sie unterschiedliche
Absorptions- und Emissionseigenschaften aufweisen.
26. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis
25, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander unab
hängige mäanderförmige Schichten (21a, 21b) vorgesehen
sind, die sich in ihrem Werkstoff, in der Verspiege
lung, in dem Bedeckungsverhältnis oder in der Quer
schnittfläche der Leiterbahnen (21) voneinander unter
scheiden.
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