DE4316781A1

DE4316781A1 - Multiple thermoconverter in thin film construction

Info

Publication number: DE4316781A1
Application number: DE4316781A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dillner; Ernst Kesler
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1993-05-19
Publication date: 1994-11-24

Abstract

The invention relates to a multiple thermoconverter in thin film construction which is used for precise returning of r.m.s. values of electrical voltages and currents to equivalent zero-frequency quantities. The object of the invention, which is to specify a thin-film multiple thermoconverter which avoids, to the greatest possible extent, transfer differences due to the Thomson and Peltier effect in thin-film multiple thermoconverters, is achieved according to the invention in that the heating resistor is given a lateral dimension which exceeds the lateral dimension of the thermopile on both sides by an amount of at least one tenth of the lateral dimension of the thermopile and/or the distance to the boundary line of the thermopile from the boundary line, respectively adjacent to it, of the free suspension of the support diaphragm is fixed at essentially the same size and the sum of these separations is fixed at the order of magnitude of half the lateral dimension (b) of the thermopile.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vielfachthermokonverter in Dünnschichtausführung, der der präzisen Rückführung von Effektivwerten von elektrischen Spannungen und Stromstär ken auf äquivalente Gleichgrößen dient.The invention relates to a multiple thermal converter in Thin film version, the precise return of RMS values of electrical voltages and currents ken to equivalent direct quantities.

Vielfachthermokonverter sind sowohl in Draht- als auch Dünnschicht-Ausführung bekannt. Ein wichtiges Problem beim Entwurf solcher Thermokonverter besteht darin, ac-dc- Transferdifferenzen, die bekanntermaßen infolge des Thomson- und Peltiereffekts auftreten, zu minimieren. Beim Einsatz von Vielfachthermokonvertern in konventionellen Drahtausführungen zeigt KLONZ, M. "AC-DC transfer diffe rence of the PTB multÿunction thermal converter in the frequency range from 10 Hz to 100 kHz", IEEE Trans. Instrum. Meas., IM-36 (1987) S. 320, daß eine Verringerung genannter Transferdifferenzen durch eine Verringerung von Temperaturdifferenzen zwischen den "warmen" Kontaktstellen einer Thermosäule erreicht werden kann. Derartige aus Draht bestehende Bauelemente bedingen jedoch einen erheblichen und auch kostenaufwendigen Fertigungs aufwand, der einer Massenfertigung abträglich ist. Ebenso sind diese Bauelemente wenig integrationsfreundlich. Aus diesem Grund wurden im Laufe der letzten Jahre eine Reihe von Vorschlägen unterbreitet, die Vielfachthermokonverter in Dünnschichttechnik ausführen. Derartige Vorschläge sind z. B. in:Multiple thermal converters are available in both wire and Thin-film version known. An important problem with Such a thermal converter is designed to ac-dc- Transfer differences known to be the result of Minimize Thomson and Peltier effects. At the Use of multiple thermal converters in conventional KLONZ, M. "AC-DC transfer diffe shows wire versions rence of the PTB multÿunction thermal converter in the frequency range from 10 Hz to 100 kHz ", IEEE Trans. Instrument. Meas., IM-36 (1987) p. 320 that a reduction mentioned transfer differences by reducing Temperature differences between the "warm" contact points a thermopile can be reached. However, such components made of wire require a considerable and also costly production effort that is detrimental to mass production. As well these components are not very easy to integrate. Out for this reason, a number have been developed over the past few years of proposals, the multiple thermal converter run in thin-film technology. Such suggestions are e.g. B. in:

- Van HERWAARDEN, A.W., et al "Integrated true RMS con verter ", IEEE Trans. Instrum. Meas., IM-35 (1986) p. 224;
- DE 37 07 631 A1;
- KLONZ, M., WEIMANN, T., "Accurate thin film multi junction thermal converter on a silicon chip ", IEEE Trans. Instrument. Meas., IM-38 (1989), p. 335;
- YONEZAKI, G. et al "A proposal for a multi-function thermal converter ", IEEE Trans. Instrum. Meas., IM-38 (1989) pp. 338 and
- BERLICKI, T. et al "Thermal thin film sensors for r.m.s. value measurements ", Sensors and Actuators A, 25-27 (1991) 5,629

beschrieben.described.

Wenn in diesen Arbeiten überhaupt auf das Problem der Verringerung von ac-dc-Transferdifferenzen eingegangen wird, da diese durch die miniaturisierte Ausführung ohne hin nicht mehr in der Weise, wie bei Drahtthermokonvertern ins Gewicht fallen, wird genanntes Problem durch die ohne hin vorhandene nahezu ideale periodische Struktur des Dünnfilmbauelementes selbst und eine nahezu konstante Temperaturverteilung entlang des Heizelementes als gelöst betrachtet. Weitergehend können durch entsprechende Wahl des Materials für das Heizelement Transferdifferenzen infolge des Thomsoneffekts gering gehalten werden. Zusam menfassend kann festgestellt werden, daß genanntes Problem in Zusammenhang mit Bauelementen in Dünnschichtausführung generell als gering bewertet wird.If at all in these works on the problem of Reduced ac-dc transfer differences is because of the miniaturized version without no longer in the same way as with wire thermoconverters the problem is mentioned by those without almost ideal periodic structure of the Thin film component itself and an almost constant Temperature distribution along the heating element as solved considered. You can go further by choosing accordingly of the material for the heating element transfer differences due to the Thomson effect can be kept low. Together To a large extent it can be stated that the problem mentioned in connection with components in thin-film design is generally rated as low.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Dünnschichtkonvertern mit einem Layout nach dem Stand der Technik zwischen zentral bzw. am Rand der Thermosäule gelagerten "warmen" Kontaktstellen der Thermosäule beim Betrieb durchaus Temperaturdifferenzen von mehreren Kelvin pro Milliwatt Heizleistung auftreten können, so daß das Problem der ac- dc-Transferdifferenzen insbesondere bei Anwendung von Dünnschichtvielfachthermokonvertern zur Kalibrierung (Sekundärnormale) und Qualitätssicherung im Bereich der Wechselspannungs- und Wechselstrom-Meßtechnik nicht unberücksichtigt bleiben kann.However, it has been shown that in thin film converters with a prior art layout between "warm" stored centrally or at the edge of the thermopile Contact points of the thermopile during operation Temperature differences of several Kelvin per milliwatt Heating power can occur, so that the problem of ac dc transfer differences, especially when using Thin film multiple thermoconverters for calibration (Secondary standards) and quality assurance in the area of AC voltage and AC measurement technology is not can be disregarded.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Transferdifferenzen infolge des Thomson- und Peltiereffekts bei Dünnschicht vielfachthermokonvertern weitestgehend zu vermeiden.It is therefore an object of the invention to transfer differences due to the Thomson and Peltier effect in thin films Avoid multiple thermoconverters as far as possible.

Die Aufgabe wird durch die Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen in einer wahlweise einzelnen und/oder gemeinsamen Festle gung der relativen Ausdehnung der Thermosäule und des Heizwiderstandes und/oder des Abstandes der Berandungen der Thermosäule zur Berandung der freitragenden Membran.The task is characterized by the characteristics of the claim solved. The essential features of the invention exist in an optional single and / or common Festle the relative expansion of the thermopile and the Heating resistance and / or the distance of the borders the thermopile for the edges of the self-supporting membrane.

Der Vorteil der Erfindung besteht in erster Linie darin, daß es durch das erfindungsgemäße Layout möglich ist, die maximal auftretende Temperaturdifferenz entlang der Ver bindungslinie zwischen den "warmen" Kontaktstellen der Thermosäule (vgl. Fig. 2, Linie zwischen Punkt A und B) um mindestens eine Größenordnung gegenüber dem Stand der Technik abzusenken. Da die ac-dc-Transferdifferenz propor tional zu dieser Temperaturdifferenz ist, ergibt sich für sie eine gleiche Absenkung.The advantage of the invention is primarily that the layout according to the invention makes it possible to determine the maximum temperature difference along the connecting line between the "warm" contact points of the thermopile (see FIG. 2, line between points A and B) lower at least one order of magnitude compared to the prior art. Since the ac-dc transfer difference is proportional to this temperature difference, the same reduction results for them.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand eines Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to an embodiment example explained in more detail. Show it:

Fig. 1 schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Dünn schichtvielfachthermokonverters nach dem Stand der Technik und Fig. 1 shows schematically the basic structure of a thin layer multiple thermal converter according to the prior art and

Fig. 2 einen möglichen schematischen Aufbau eines Dünn schichtvielfachthermokonverters gemäß der Erfin dung. Fig. 2 shows a possible schematic structure of a thin layer multiple thermal converter according to the inven tion.

Gleiche Merkmale sind dabei in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The same features are the same in both figures Provide reference numerals.

Auf einer Trägermembran 1, bspw. aus einer Schichtfolge von Si₃N₄-SiO-Si₃N₄ bestehend, die innerhalb ihrer darge stellten Berandung freitragend ist, sind ein, bspw. aus NiCr-O bestehender, bifilar ausgebildeter Heizwiderstand 2 und eine Thermosäule 3 aufgebracht. Im verifizierten Bei spiel besteht die gesamte Thermosäule aus Bi/Sb-Thermo schenkeln und ist in 100 nicht näher dargestellte, einzel ne Thermoelemente aufgeteilt, von denen sich je 50 auf beiden Seiten des Heizwiderstands befinden. Gemäß der Erfindung sind die Bemaßungen der wesentlichen Einzelbe standteile des Dünnschichtvielfachthermokonverters dabei folgendermäßen festgelegt:
Die freitragende Membran 1 hat eine Längsausdehnung a + b + c von 5200 µm und nimmt eine Fläche von 5200 µm·2600 µm ein. Die Thermosäule besteht aus zwei Teilflächen mit einer Länge b = 3000 µm und einer Breite von 1040 µm. Die Dicke der Thermosäulenschicht beträgt 0,4 µm. Zwischen den zwei Thermosäulenbereichen ist ein jeweils um 20 µm von den Thermosäulenbereichen beabstandeter, bifilar ausgebil deter, planarer Heizwiderstand, mit um ebenfalls 20 µm beabstandeten Heizwiderstandsteilbereichen angeordnet. Die Breite des Heizwiderstands beträgt 230 µm und seine Länge 4300 µm bei einer Schichtdicke von 0,2 µm. Die erfindungs wesentliche Überragungslänge d des Heizwiderstands gegenüber der Thermosäule beträgt 400 µm und die Summe a + c der im wesentlichen gleich groben Abstände a und c (dem Ab stand der jeweiligen Berandungslinien 4 und 5) der Thermo säule zu den jeweils benachbarten Berandungen 5 der frei tragenden Membran ist auf 2200 µm festgelegt. Die mit dieser Anordnung erreichbare Reduzierung der Transferdif ferenz liegt um wenigstens eine Größenordnung unter der einer sonst identischen Ausführung gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1).On a support membrane 1 , for example. Consisting of a layer sequence of Si ₃ N ₄ -SiO-Si₃N₄, which is self-supporting within its Darge presented borders, a, for example. NiCr-O, bifilar heating resistor 2 and a thermopile 3 are applied . In the verified example, the entire thermopile consists of Bi / Sb thermocouples and is divided into 100 individual thermocouples, not shown, 50 of which are located on both sides of the heating resistor. According to the invention, the dimensions of the essential individual components of the thin-film multiple thermal converter are defined as follows:
The self-supporting membrane 1 has a longitudinal extension a + b + c of 5200 µm and occupies an area of 5200 µm · 2600 µm. The thermopile consists of two sections with a length b = 3000 µm and a width of 1040 µm. The thickness of the thermopile layer is 0.4 µm. Between the two thermopile regions, a bifilarly designed, planar heating resistor, each with a distance of 20 μm from the thermopile regions, is arranged, with heating resistor sections also spaced by 20 μm. The width of the heating resistor is 230 µm and its length is 4300 µm with a layer thickness of 0.2 µm. The inventive transmission length d of the heating resistor compared to the thermopile is 400 microns and the sum a + c of the substantially coarse distances a and c (from the stand of the respective boundary lines 4 and 5 ) of the thermopile to the adjacent borders 5 of the free supporting membrane is set to 2200 µm. The reduction in transfer difference achievable with this arrangement is at least one order of magnitude less than that of an otherwise identical embodiment according to the prior art ( FIG. 1).

Claims

Multiple thermal converter in thin-layer design consisting of a heating resistor ( 2 ) and a thermopile ( 3 ), which are essentially applied to a thin support membrane ( 1 ), characterized in that the heating resistor ( 2 ) is given a lateral extent (in the x direction) , which projects beyond the lateral extent (b) of the thermopile ( 3 ) on both sides by an amount (d) of at least one tenth of the lateral extent (b) of the thermopile and / or the distance of the boundary line ( 4 ) of the thermopile ( 3 ) of the adjacent boundary line ( 5 ) of the free suspension of the support membrane ( 1 ) is essentially the same roughly and the sum of these distances (a + c) is of the order of half the lateral extent (b) of the thermopile.