DE4035952C1 - Method of measuring temperature of electrical conductors - has electrode forming condenser with capacitance compared to calibration graph - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines elektri­ schen Leiters insbesondere eines Supraleiters der als flächenförmiges Gebilde auf einem Trägersubstrat aufge­ bracht ist.

Weitverbreitet sind Meßverfahren, bei denen die Tempera­ turabhängigkeit von Widerständen oder die Temperaturab­ hängigkeit der Thermospannung gekoppelter Metalle ge­ nutzt wird und entsprechende Sensoren verwendet werden. In dem Aufsatz "Instrumentation and methods for low tem­ perature measurements in high magnetic fields" H.H. Sam­ ple and L.G. Rubin, Cryogenics, November 1977, Seiten 597 bis 606 sind mehrere Arten von Temperatursensoren aufgeführt und es ist auf Seite 602 insbesondere auch auf die Möglichkeit hingewiesen die Kapazitätsänderung eines Kondensators mit SrTiO₃ als Dielektrikum zur Tem­ peraturmessung zu nutzen, also einen Kondensator als Sensor anzuordnen.

Ein Sensor, bei dem die temperaturabhängige Kapazitätsände­ rung für Messungen bei Zimmertemperatur genutzt wird, ist aus der US-PS 48 83 366 bekannt. Dieser Sensor ist unter Verwendung eines flächenförmigen keramischen, dielektri­ schen Substrats, das mit Elektroden versehen ist, aufgebaut und mit einem Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material versehen. Die Temperatur des Sensors, die in einer Meßan­ ordnung bestimmt wird, kann deutlich von der zu messenden Temperatur eines außerhalb des Sensors befindlichen Mediums abweichen.

Aus der DE 36 11 614 A1 ist eine Anordnung mit einem ther­ mischen Sensor bekannt, wobei auf einem Substrat sowohl Teile des Sensors, als auch Teile einer Flüssigkristall­ zelle angeordnet sind. die Temperaturmessung erfolgt nach dem Prinzip eines Thermoelements. Thermoelemente arbeiten bei kryogenen Temperaturen nicht sehr sensitiv.

Allen Temperatursensoren ist gemeinsam, daß sie nur die Temperatur an dem Ort erfassen, an dem sie sich befin­ den. Inwieweit die eigentlich interessierende Temperatur gemessen werden kann, hängt davon ab, wie gut die Ankop­ plung des Sensors ist. Weiterhin hängt die Genauigkeit der Messung davon ab, ob das Messignal groß ist und ob im benötigten Messbereich eine starke Temperaturabhän­ gigkeit besteht.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zur Mes­ sung der Temperatur eines schicht- oder plattenförmigen elektrischen Leiters anzugeben und zwar unter Nutzung der temperaturabhängigen Kapazitätsänderung eines Kon­ densators der als Dielektrikum einen Perovskit enthält.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Mes­ sung der Temperatur T mittels eines Perovskits der auf zwei gegenüberliegenden Hauptflächen mit je einer Elek­ trode zur Bildung eines Kondensators versehen ist und wobei die Kapazität C des Kondensators gemessen und mit Hilfe einer zuvor erstellten Eichkurve C=f(T) die Tempe­ ratur T ermittelt wird, und wobei als Perovskit das aus einem solchen Material hergestellte Substrat als Träger für einen elektrischen Leiter verwendet wird, dessen Temperatur T gemessen werden soll, der elektrische Lei­ ter 1 als erste Elektrode des Kondensators auf das Trä­ gersubstrat so aufgebracht wird, daß ein guter thermi­ scher Kontakt zwischen Elektrode und Substrat besteht und als zweite Elektrode ein beliebiger elektrischer Leiter flächenförmig aufgebracht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben, die sich auf die bevorzugte Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur eines Supralei­ ters beziehen.

Das Verfahren läßt sich gut anwenden für Temperaturmes­ sungen in elektronischen Schaltungen, die zum Beispiel supraleitende Leiterbahnen enthalten. In einem weiteren Patentanspruch ist eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen dar­ in, daß mit geringem Aufwand, nämlich lediglich einer zusätzlichen elektrisch leitenden Schicht auf einem Sub­ strat, eine sehr genaue Temperaturmessung ermöglicht wird. Es wird exakt die Temperatur am interessierenden Ort ermittelt.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung ist eine Meßanordnung dargestellt zur Messung der Temperatur eines Hochtemperatursupraleiters 1 der als epitaktische Schicht auf ein Substrat 2 aufge­ bracht ist. Der Hochtemperatursupraleiter 1 ist ein so­ genannter 1-2-3-Supraleiter (Y₁Ba₂Cu₃O_7-d). Es könnte sich bei dem elektrischen Leiter 1 jedoch auch um einen sonstigen Supraleiter oder um einen beliebigen anderen elektrischen Leiter handeln. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich lediglich auf eine bevorzugte Anwendung zur Messung der Temperatur eines Hochtemperatursupraleiters der zum Beispiel in einer elektronischen Schaltung ent­ halten sein kann.

Das Trägersubstrat 2 besteht aus Strontiumtitanat SrTiO₃ oder einem anderen Perovskit, wie zum Beispiel BaTiO₃. Die Dielektrizitätskonstante e_r der Perovskite steigt zu tiefen Temperaturen hin stark an; e_r beträgt etwa 1000 bei 300 Kelvin. Das Substratmaterial wird direkt als Material für den Temperatursensor genutzt. Da ein groß­ flächiger guter thermischer Kontakt zum elektrischen Leiter 1 besteht, kann dessen Temperatur mit hoher Ge­ nauigkeit erfaßt werden.

Der elektrische Leiter 1 wird als erste Elektrode 3 ei­ nes Kondensators genutzt. Zur Bildung einer zweiten Elektrode 4 ist ein beliebiger Leiter als Schicht auf der Unterseite des Trägersubstrats 2 aufgebracht. Die zweite Elektrode 4 kann zum Beispiel durch eine dünne Silberschicht realisiert werden, die zum Beispiel mit 0,1 µm Dicke gesputtert wird. Die Elektrode 4 kann sich über die gesamte untere Fläche des Substrats erstrecken oder nur über eine Teilfläche, je nach den Erfordernis­ sen der Temperaturmessung.

Die Elektroden 3, 4 sind kontaktiert und über Leitungen 5, 6 mit einem handelsüblichen Gerät 7 zur Erfassung der Kapazität C und Auswertung anhand einer Eichkurve C=f(T) und Ausgabe des ermittelten Temperaturwerts.

In Versuchen wurde ermittelt, daß bei einem Substrat von 10·10·1 mm³ SrTiO₃ sich zum Beispiel bei 300 Kelvin eine Kapazität von etwa 0,300 nF ergibt. Bei 77 Kelvin steigt die Kapazität auf etwa 1,800 nF an. Es ist somit eine starke Temperaturabhängigkeit des Substrats gegeben, so daß eine genaue Temperaturmessung möglich ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung der Temperatur T mittels eines Perovskits der auf zwei gegenüberliegenden Haupt­ flächen mit je einer Elektrode zur Bildung eines Konden­ sators versehen ist und wobei die Kapazität C des Kon­ densators gemessen und mit Hilfe einer zuvor erstellten Eichkurve C=f(T) die Temperatur T ermittelt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - als Perovskit das aus einem solchen Material herge­ stellte Substrat 2 als Träger für einen elektrischen Leiter 1 verwendet wird, dessen Temperatur T gemessen werden soll,
• - der elektrische Leiter 1 als erste Elektrode 3 des Kondensators auf das Trägersubstrat 2 so aufgebracht wird, daß ein guter thermischer Kontakt zwischen Elek­ trode 3 und Substrat 2 besteht und
• - als zweite Elektrode 4 ein beliebiger elektrischer Leiter flächenförmig aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Trägersubstrat 2 aus BaTiO₃ oder SrTiO₃ oder LaAlO₃ hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als elektrischer Leiter 1 dessen Tem­ peratur T gemessen werden soll, ein Supraleiter, insbesondere ein Hochtemperatursupraleiter, zum Beispiel ein Supraleiter aus Y₁Ba₂Cu₃O_7-d auf das Trägersubstrat 2 aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter 1 als epitaktische Schicht auf das Trägersubstrat 2 aufge­ bracht wird.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4 zur Temperaturmessung in einer elektroni­ schen Schaltung, in der Supraleitermaterial verwendet wird.

6. Einrichtung zur Messung der Temperatur T eines schicht- oder plattenförmigen elektrischen Leiters 1, insbesondere eines Supraleiters unter Verwendung eines Meßverfahrens, bei dem die temperaturabhängige Kapazi­ tätsänderung eines Kondensators zur Temperaturmessung genutzt wird, wobei der elektrische Leiter 1 mit gutem thermischen Kontakt auf ein Trägersubstrat 2 aus einem Perovskit, zum Beispiel SrTiO₃ oder BaTiO₃ als erste Eletrode 3 auf eine erste Hauptfläche des Substrats 2 aufgebracht ist, ein beliebiger zweiter elektrischer Leiter als zweite Elektrode 4 flächig auf die gegenüber­ liegende zweite Hauptfläche des Substrats 2 aufgebracht ist, und die beiden Elektroden 3, 4 mit einem Gerät 7 zur Erfassung und Auswertung der Kapazitätsänderung elektrisch verbunden sind.