WO2023001608A1 - Vorrichtung und verfahren zur elektrischen charakterisierung von eigenschaften von stoffen, baugruppen und/oder bauteilen in einer umgebung mit hoher temperatur - Google Patents

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WO2023001608A1
WO2023001608A1 PCT/EP2022/069228 EP2022069228W WO2023001608A1 WO 2023001608 A1 WO2023001608 A1 WO 2023001608A1 EP 2022069228 W EP2022069228 W EP 2022069228W WO 2023001608 A1 WO2023001608 A1 WO 2023001608A1
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temperature
waveguide
dut
components
sample holder
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PCT/EP2022/069228
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Thomas Windisch
Hagen Schmidt
Robert Weser
Uwe Biscop
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Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2801—Testing of printed circuits, backplanes, motherboards, hybrid circuits or carriers for multichip packages [MCP]
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    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references

Definitions

  • the invention relates to a device and method for electrically characterizing properties of materials, assemblies and/or components in a high-temperature environment, for example for characterizing electromechanical SAW components (SAW - surface waves) with regard to their function under the influence of temperature.
  • SAW - surface waves electromechanical SAW components
  • the device is specially designed for use in high temperature environments, for example for use in heating devices with temperatures up to 1800°C under vacuum or gas impingement. It allows the electrical characterization of the properties of materials, assemblies and/or components that are to be tested with direct current or in the low-frequency or high-frequency range.
  • the device and the method can be used, for example, to determine the aging of materials and assemblies under the influence of temperature and/or under specific environmental conditions.
  • a structural component based on a ceramic body that is largely stable at temperatures above 800° C. is known from EP 2 145501 B1, the structural component being in contact with a hot melt or a material to be burned during use.
  • At least one SAW sensor is integrated within the structural component, with which at least one of the following information can be recorded and transmitted to a data processing system during operation of the structural component: identification of the structural component, physical properties of the structural component, movements of the structural component, time of operation of the structural component, Location of the structural component, wherein the SAW sensor is designed with an antenna for wireless reception and wireless transmission of radio signals.
  • SAW chips surface wave chips
  • a ceramic chip carrier is used in this device. On the chip carrier there are contact surfaces glued with ceramic adhesive. The SAW chips are attached and contacted on the contact surfaces by means of directly soldered platinum bonding wires.
  • HF lines for the electrical measurement signals are also clamped to the contact surfaces by means of a clamping mechanism.
  • the HF lines are custom-made and have a steel jacket containing a dielectric made of Si0 2 powder.
  • the HF lines are routed through a flange using vacuum-tight SMA bushings in order to route the electrical measurement signals outside the oven for evaluation, in which the SAW chips are tested at high temperatures.
  • a disadvantage of this known solution is that the SAW chips are irreversibly connected to the glued-on contact surfaces via the bonding wires. This makes changing SAW chips difficult and time-consuming in this device.
  • the Si0 2 powder contained in the HF lines as a dielectric is also disadvantageous.
  • the gas-filled space between the powder particles shows significant disadvantages due to the slow out-diffusion of gas molecules under vacuum. Significant additional time is required until the powder is completely evacuated, which prevents rapid changes in the test atmosphere. There is also the danger that new gas cavities will open in an uncontrolled manner and this will contaminate the vacuum again. In addition, there are problems in handling with regard to the powder escaping unintentionally.
  • Spring elements and in particular the elongate waveguide Because of that length, eg 50 cm, there are considerable length differences, eg 3 mm at 1000 °C temperature difference between installation and test temperature.
  • the connection points, which represent the electrical as well as the mechanical contact at the same time, must be stable enough to withstand the considerable mechanical stresses and forces alone with a non-positive or positive fit.
  • the object of the invention is to develop a device for the electrical characterization of properties of materials, assemblies and/or components under the influence of temperature, which ensures fail-safe positioning of the measurement object even at very high temperatures, also enables quick and easy changing of the measurement objects and a reliable Characterization guaranteed under constant atmospheric conditions. Included in this task is the development of a method for the advantageous use of the device according to the invention.
  • a device for the electrical characterization of properties of test objects in the form of substances, assemblies and/or components (DUT) in a high-temperature environment under vacuum or gas pressure containing a sample holder, which has at least one carrier element for the reversible arrangement and wireless fixation of at least one DUT, the sample holder having means for galvanic or capacitive coupling and/or decoupling of electrical signals into and/or out of the DUTs, at least one high-temperature waveguide and at least one low-temperature waveguide for supplying and/or dissipating HF signals, Operating voltages and/or electrical control signals to or from the DUTs to be characterized, with at least the high-temperature waveguide or high-temperature waveguides used to supply and/or derive HF signals being designed as coaxial conductors with solid dielectric elements made of electrically non-conductive ceramics are, at least one coupling component for electrically connecting and / or fixing the high-temperature waveguide with the low-temperature wave
  • At least some or all of the components of the device are of modular design and are detachably connected to one another.
  • the sample holder, the coupling component and/or the heat shields consist of high-melting metallic materials such as molybdenum, tungsten, tantalum, platinum, iridium or their alloys and/or of zirconium, silicate or aluminum oxide ceramics.
  • the high-temperature waveguide is also advantageously a coaxial conductor with inner and outer conductors made of high-melting metallic materials such as molybdenum, tungsten, tantalum, platinum, iridium or their alloys and with solid dielectric elements made of electrically non-conductive zirconium, silicate or aluminum oxide ceramics.
  • the inner and outer conductor materials and/or the dielectric of the high-temperature waveguide can be exchanged.
  • sample holder and/or the carrier element and/or the DUT have means for antenna-based signal transmission.
  • the temperature sensor is advantageously arranged at a maximum distance of 5 mm from the DUT.
  • the non-positive and/or positive connections in the specimen holder are at least partially implemented by means of sliding blocks.
  • the means for galvanic or capacitive coupling and/or decoupling of electrical signals is at least one exchangeable conducting element, which is at least electrically connected to the inner and/or outer conductor of the high-temperature waveguide.
  • DUT specified using a device according to the preceding claims, wherein the device in a heating device in an environment with is operated at high temperature under vacuum or gas pressure, the sample temperature being measured before and/or during and/or after operation and the measured values being included in the electrical characterization of the DUT and being used to control the heating device and/or a calibration.
  • a high-frequency calibration of the device in particular a TOSM (Through - Open - Short - Match) calibration, is carried out once or several times before or during operation, the high-frequency calibration being carried out up to and including the connection of the high-temperature waveguide to the coupling component , and a separate compensation calibration is performed for the remaining components of the device and the DUT.
  • TOSM Gate - Open - Short - Match
  • a calibration standard is used in its place.
  • a device for the electrical characterization of properties of materials, assemblies and/or components under the influence of temperature which ensures failsafe, reversible measurement object positioning even at very high temperatures, and also enables the measurement objects to be changed quickly and easily, and reliable characterization under constant atmospheric conditions guaranteed.
  • test objects in the form of substances, assemblies and/or components are to be understood and named as DUT (Device UnderTest) which are picked up by a carrier element of a sample holder, arranged in it and fixed wirelessly.
  • DUT Device UnderTest
  • the reversible arrangement and wireless fixing of at least one DUT has the technical advantage that the DUTs can be arranged in the carrier element in a cost- and time-saving manner without soldering, bonding or gluing and can be removed again in a reversible manner.
  • the sample holder has means for galvanic or capacitive coupling and/or decoupling of electrical signals into and/or out of the DUT, with which simple and fast communication, testing and characterization can be carried out.
  • the proposed new device also has at least one high-temperature waveguide and at least one low-temperature waveguide for supplying and/or dissipating HF signals, operating voltages and/or electrical control signals to or from the DUTs to be characterized, with at least the one or or derivation of HF signals serving high-temperature waveguide (s) are designed as coaxial conductors with solid dielectric elements made of electrically non-conductive ceramic.
  • a solid dielectric element made of electrically non-conductive ceramic is to be understood as a spacer required for coaxial conductors, in which, in contrast to known ceramic powders, a highly compressed ceramic is understood that produces no or only extremely low outgassing under the influence of high temperatures.
  • the solid dielectric element is temperature-stable and suitable for vacuum and therefore has an extremely small proportion of open or opening gas cavities.
  • the dielectric is advantageously made of zirconium or aluminum oxide ceramic, for example.
  • the massive dielectric elements proposed according to the invention have the significant advantage that a rapid change of atmosphere within the sample holder can be realized due to the fact that undesired gases do not escape from the dielectric element under the influence of high temperature. This avoids prolonged thermal stress on the DUT and the sample holder, which in particular leads to more accurate measurement results and an improved service life of the device.
  • the high-temperature waveguide is advantageously a coaxial conductor with inner and outer conductors made of high-melting metallic materials such as molybdenum, tungsten, tantalum, platinum, iridium or their alloys and with solid dielectric elements made of electrically non-conductive zirconium or aluminum oxide ceramics.
  • the inner and outer conductor materials and/or the dielectric of the high-temperature waveguide can be exchanged.
  • the proposed interchangeability makes it possible for the materials of the coaxial high-temperature waveguide to be combined with one another, replaced and exchanged, for example taking into account the field of application and the required temperature ranges.
  • the inner conductor and the solid dielectric of the high-temperature waveguide are used several times, while the outer conductor is varied depending on the operating temperature.
  • the coaxial high-temperature waveguide can be flexibly adapted to the required area of application, which also saves costs.
  • Further components of the device according to the invention are at least one coupling component for electrically connecting the high-temperature waveguide to the low-temperature waveguide and at least one heat shield for thermally shielding temperature-sensitive components of the device, which is arranged between the sample holder and the coupling component.
  • the device has at least one temperature sensor arranged in the carrier element and a flange part for fastening the device in a heating device.
  • the at least one coupling component fulfills the task of electrically connecting the high-temperature waveguide and the low-temperature waveguide with low-loss signal transmission, mechanically stable and safe, and easily detachable. Both lines are designed as coaxial conductors, consisting of an outer conductor, dielectric and inner conductor.
  • At least some or even all of the components of the device are of modular design and are detachably connected to one another, as a result of which the area of use is significantly expanded and flexibility is increased.
  • sample holder and/or the carrier element and/or the DUT advantageously have means for antenna-based signal transmission.
  • this provides fast, secure and wireless transmission of measurement and control signals and reduces costs for the otherwise necessary provision of further coaxial high-temperature and low-temperature waveguides saved.
  • Such a means can, for example, be at least one exchangeable guide element which is at least partially electrically connected to the inner and/or outer conductor of the high-temperature waveguide.
  • the electrical connection can be designed in such a way that at least one exchangeable conducting element at least partially overlaps and/or borders on the inner and/or outer conductor of the high-temperature waveguide and at least partially overlaps and/or borders on the DUT and is connected by means of galvanic and/or or capacitive coupling creates an electrical connection. This allows soldering or bonding processes to be partially or completely dispensed with and leads to time and cost savings.
  • an advantageous embodiment of the device can provide for the temperature sensor to be arranged at a maximum distance of 5 mm from the DUT.
  • the device according to the invention is used in a method for electrically characterizing properties of test objects in the form of materials, assemblies and/or components (DUT).
  • the device is operated in a heating device in a high-temperature environment under vacuum or gas pressure, the sample temperature being measured before and/or during and/or after operation and the measured values being converted into electrical Characterization of the DUT are included and used to control the heater and / or a calibration.
  • a high-frequency calibration of the device is carried out before and/or during operation.
  • a TOSM (Through-Open-Short-Match) calibration can be carried out once or multiple times, with the high-frequency calibration being carried out up to and including the connection of the high-temperature waveguide to the coupling component.
  • a separate compensation calibration is performed for the remaining components of the device and the DUT.
  • a calibration standard is used instead of the DUT in order to improve the functioning of the device and the measurement results when calibrating the device before or after the measurement.
  • a device for the electrical characterization of a DUT specifically an SAW component, is provided, which is designed as a measuring probe.
  • the measuring probe is introduced into the wall of a heating device through a mounting cap and connected to the wall of the heating device in a gas-tight manner by means of a flange part.
  • a sample holder made of tantalum has a temperature sensor, high-temperature and Low-temperature waveguide, a heat shield and a coupling component. Within the coupling component, high-temperature and low-temperature waveguides are connected electrically, with low losses and mechanically stable and detachable via a mechanical clamping device.
  • the high-temperature and low-temperature waveguides are designed as coaxial conductors, consisting of an outer conductor, dielectric and inner conductor.
  • the outer and inner conductors of the high-temperature waveguide and low-temperature waveguide are made of tungsten.
  • the high-temperature waveguide has a length of 50 cm, the low-temperature waveguide has a length of 25 cm.
  • the dielectric is also temperature-stable and is made of solid aluminum oxide ceramic.
  • the coupling component consists of a mount for the outer conductor of the high-temperature waveguide, a mount for the coupling point of the inner conductor and a mount for the outer conductor of the low-temperature waveguide.
  • the receptacles enable the inner and outer conductors to be fixed in a force-fitting and form-fitting manner and the inner and outer conductors of the high-temperature and low-temperature waveguides to be electrically connected at the same time.
  • the sample holder contains a base body and a closure part, the closure part being connected to the base body in a form-fitting manner via a joint.
  • the SAW component and the conductors of the high-temperature waveguide are positively contacted and electrically connected with guide elements using spring and stamp elements.
  • a modular support element positions and insulates the SAW component and the conducting elements.
  • the spring elements are positioned using positive and non-positive connections. All connections consist of fail-safe threaded pins, which are frictionally connected to sliding blocks.
  • the SAW component is electrically contacted by conductive surfaces in the overlaps with the conductive elements in the form of galvanic coupling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur, beispielsweise zur Charakterisierung von elektro-mechanischen OFW-Bauelementen hinsichtlich ihrer Funktion unter Temperatureinwirkung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die bei hohen Temperaturen eine versagenssichere Messobjektpositionierung, rasches und einfaches Wechseln der Messobjekte und eine zuverlässige Charakterisierung ermöglicht. Gelöst wir die Aufgabe durch eine Vorrichtung, enthaltend einen Probenhalter, der Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale aufweist, mindestens ein Trägerelement, mindestens einen Hochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter, wobei zumindest der oder die Hochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind, mindestens ein Koppelbauteil, mindestens ein Hitzeschild, mindestens ein im Trägerelement angeordneter Temperatursensor und mindestens ein Flanschteil.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur, beispielsweise zur Charakterisierung von elektro-mechanischen OFW-Bauelementen (OFW - Oberflächenwellen) hinsichtlich ihrer Funktion unter Temperatureinwirkung.
Die Vorrichtung ist speziell konzipiert zum Einsatz in Umgebungen mit hoher Temperatur, beispielsweise zur Verwendung in Fleizvorrichtungen mit Temperaturen bis zu 1800°C unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung. Sie erlaubt die elektrische Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen, die mit Gleichspannung oder im Niederfrequenz- oder Flochfrequenzbereich getestet werden sollen.
Die Vorrichtung und das Verfahren können beispielsweise zur Ermittlung der Alterung von Stoffen und Baugruppen unter Temperatureinflüssen und/oder unter bestimmten Umgebungsbedingungen verwendet werden.
Aus der EP 2 145501 B1 ist ein Strukturbauteil auf der Basis eines bei Temperaturen oberhalb von 800 °C weitestgehend stabilen keramischen Körpers bekannt, wobei das Strukturbauteil im Einsatz mit einer heißen Schmelze oder einem zu brennenden Material in Kontakt steht. Innerhalb des Strukturbauteils ist mindestens ein OFW- Sensor integriert, mit dem während des Betriebs des Strukturbauteils mindestens eine der folgenden Informationen erfassbar und an ein Datenverarbeitungssystem übertragbar ist: Identifikation des Strukturbauteils, physikalische Eigenschaften des Strukturbauteils, Bewegungen des Strukturbauteils, Zeitpunkt des Betriebs des Strukturbauteils, Ort des Strukturbauteils, wobei der OFW-Sensor mit einer Antenne zum drahtlosen Empfang und zum drahtlosen Aussenden von Funksignalen ausgebildet ist.
Aus der EP 2296219 B1 ist ein Schieberverschluss für ein metallurgisches Gefäß mit einer metallischen Struktur zur Konfektionierung eines feuerfesten keramischen Bauteils bekannt, wobei in dem Bauteil ein Sensor integriert ist, sowie einem konstruktiv in die metallische Struktur integrierten Hohlleiter zur Übertragung elektromagnetischer Wellen vom und zum Sensor.
Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Parameter von Oberflächenwellen-Chips (OFW-Chips) unter hohen Temperaturen bis zu 1000°C (J. Bardong et al. : Characterisation Setup of SAW Devices at High Temperatures an Ultra High Frequencies, IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 28-32, 2009). Bei dieser Vorrichtung wird ein keramischer Chipträger verwendet. Auf dem Chipträger befinden sich mit Keramikkleber aufgeklebte Kontaktflächen. Die Befestigung und Kontaktierung der OFW-Chips erfolgt an den Kontaktflächen mittels direkt verlöteter Bonddrähte aus Platin. An die Kontaktflächen sind auch mittels eines Klemmmechanismus HF-Leitungen für die elektrischen Messsignale angeklemmt. Die HF-Leitungen sind Spezialanfertigungen und verfügen über einen Stahlmantel, in dem sich ein Dielektrikum aus Si02-Pulver befindet. Die HF-Leitungen sind mittels vakuumdichter SMA-Durchführungen durch einen Flansch geführt, um die elektrischen Messsignale zur Auswertung nach außerhalb des Ofens zu leiten, in dem die Testung der OFW-Chips unter hohen Temperaturen vorgenommen wird.
Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass die OFW-Chips irreversibel über die Bonddrähte mit den aufgeklebten Kontaktflächen verbunden sind. Damit ist das Wechseln von OFW-Chips bei dieser Vorrichtung schwierig und zeitaufwändig.
Nachteilig ist auch das in den HF-Leitungen als Dielektrikum enthaltene Si02-Pulver. Der gasgefüllte Raum zwischen den Pulverteilchen zeigt durch das langsame Ausdiffundieren von Gasmolekülen unter Vakuum erhebliche Nachteile. So bedarf es signifikant zusätzlicher Zeit, bis das Pulver vollständig evakuiert ist und dadurch schnelle Wechsel der Testatmosphäre verhindert werden. Auch besteht die Gefahr, dass sich unkontrolliert neue Gaskavitäten öffnen und dies das Vakuum erneut kontaminiert. Zusätzlich zeigen sich Probleme in der Handhabung bezüglich des ungewollten Austretens des Pulvers.
Das Überstreichen eines derart hohen Temperaturbereiches bedarf zudem einer
Beachtung der Längenänderung, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Teile der Vorrichtung und jeweils lokal auftretenden Temperaturen. Dies betrifft sämtliche stoffschlüssige Verbindungen,
Federelemente und insbesondere den langgestreckten Wellenleiter. Aufgrund dessen Länge, z.B. 50 cm, zeigen sich erhebliche Längendifferenzen, z.B. 3 mm bei 1000 °C Temperaturdifferenz zwischen Installations- und Testtemperatur. Die Verbindungspunkte, welche gleichzeitig den elektrischen wie auch mechanischen Kontakt darstellen, müssen stabil genug sein, um den erheblichen mechanischen Spannungen und Kräften allein kraft- oder formschlüssig standzuhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen unter Temperatureinwirkung zu entwickeln, die auch bei sehr hohen Temperaturen eine versagenssichere Messobjektpositionierung gewährleistet, zudem ein rasches und einfaches Wechseln der Messobjekte ermöglicht und eine zuverlässige Charakterisierung unter konstanten atmosphärischen Bedingungen gewährleistet. Eingeschlossen in diese Aufgabe ist die Entwicklung eines Verfahrens zur vorteilhaften Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung bereitgestellt, enthaltend einen Probenhalter, der mindestens ein Trägerelement für die reversible Anordnung und drahtlose Fixierung mindestens eines DUT, wobei der Probenhalter Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale in und/oder aus den DUTs aufweist, mindestens einen Hochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen, Betriebsspannungen und/oder elektrischen Steuersignalen zu oder von den zu charakterisierenden DUTs, wobei zumindest der oder die zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen dienenden Hochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind, mindestens ein Koppelbauteil zum elektrischen Verbinden und/oder Fixieren des Hochtemperaturwellenleiters mit dem Niedertemperaturwellenleiter, mindestens ein Hitzeschild, angeordnet zwischen dem Probenhalter und dem Koppelbauteil, mindestens ein im Trägerelement angeordneter Temperatursensor, und mindestens ein Flanschteil zur gas- und/oder vakuumdichten Befestigung der Vorrichtung in einer Heizvorrichtung.
Vorteilhafterweise sind mindestens einige oder sämtliche Bauteile der Vorrichtung modular ausgeführt und lösbar miteinander verbunden.
Weiterhin vorteilhafterweise bestehen der Probenhalter, das Koppelbauteil und/oder die Hitzeschilder aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und/oder aus Zirkonium-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik.
Auch vorteilhafterweise ist der Hochtemperaturwellenleiter ein koaxialer Leiter mit Innen- und Außenleiter aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Zirkon-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Innen- und Außenleiterwerkstoffe und/oder das Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters austauschbar.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der Probenhalter oder/und das Trägerelement und/oder das DUT Mittel zur antennenbasierten Signalübertragung aufweisen.
Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor in einem Abstand von maximal 5 mm zum DUT angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die kraft- und/oder formschlüssigen Verbindungen im Probenhalter mindestens teilweise mittels Nutensteinen ausgeführt.
Und auch vorteilhafterweise ist das Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein und/oder Auskopplung elektrischer Signale mindestens ein austauschbares Leitelement, das mit dem Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest elektrisch verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von
Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen
(DUT) unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorstehenden Ansprüche angegeben, bei dem die Vorrichtung in einer Heizeinrichtung in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung betrieben wird, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Betrieb die Probentemperatur gemessen und die Messwerte in die elektrische Charakterisierung des DUT einbezogen sowie zur Steuerung der Heizeinrichtung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor oder während des Betriebes eine Hochfrequenzkalibrierung der Vorrichtung, insbesondere eine TOSM (Through - Open - Short - Match)-Kalibrierung, einmalig oder mehrfach durchgeführt, wobei die Hochfrequenzkalibrierung bis einschließlich des Anschlusses des Hochtemperaturwellenleiters am Koppelbauteil durchgeführt wird, und wobei für die restlichen Bauteile der Vorrichtung und das DUT eine separate Kompensationskalibrierung durchgeführt wird.
Und auch vorteilhafterweise wird bei der Kalibrierung der Vorrichtung vor oder nach der Messung des DUT ein Kalibrierstandard an dessen Stelle eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen unter Temperatureinwirkung bereitgestellt, die auch bei sehr hohen Temperaturen eine versagenssicher reversible Messobjektpositionierung gewährleistet, zudem ein rasches und einfaches Wechseln der Messobjekte ermöglicht und eine zuverlässige Charakterisierung unter konstanten atmosphärischen Bedingungen gewährleistet.
Dies wird durch eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung erreicht.
Im Rahmen der Erfindung sollen Testobjekte in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen als DUT (Device UnderTest) verstanden und benannt werden, die von einem Trägerelement eines Probenhalters aufgenommen, in diesem angeordnet und drahtlos fixiert werden.
Die reversible Anordnung und drahtlose Fixierung mindestens eines DUT hat den technischen Vorteil, dass die DUTs in kosten- und zeitsparender Weise ohne Löten, Bonden oder Kleben im Trägerelement angeordnet und reversibel wieder entfernt werden können. Erfindungsgemäß weist der Probenhalter Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein und/oder Auskopplung elektrischer Signale in und/oder aus dem DUT auf, mit denen eine einfache und schnelle Kommunikation, Testung und Charakterisierung durchgeführt werden kann.
Die vorgeschlagene neue Vorrichtung weist zudem mindestens einen Hochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen, Betriebsspannungen und/oder elektrischen Steuersignalen zu oder von den zu charakterisierenden DUTs auf, wobei zumindest der oder die zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen dienende(n) Hochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind.
Unter einem massiven Dielektrikumselement aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik soll ein bei Koaxialleitern notwendiger Abstandshalter verstanden werden, bei dem im Gegensatz zu bekannten keramischen Pulvern eine hochverdichtete Keramik verstanden wird, die unter hohem Temperatureinfluss keine oder nur äußerst geringe Ausgasungen erzeugen. Das massive Dielektrikumselement ist temperaturstabil und vakuumtauglich und daher mit einem äußerst geringen Anteil offener oder sich öffnenden Gaskavitäten versehen. Vorteilhafterweise ist das Dielektrikum beispielsweise aus Zirkonium- oder Aluminiumoxidkeramik ausgeführt.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen massiven Dielektrikumselemente haben den wesentlichen Vorteil, dass durch das fehlende Austreten von ungewünschten Gasen aus dem Dielektrikumselement unter hohem Temperatureinfluss ein schneller Atmosphärenwechsel innerhalb des Probenhalters realisiert werden kann. Dadurch werden eine längere thermische Belastung des DUT und des Probenhalters vermieden, was insbesondere zu genaueren Messergebnissen sowie einer verbesserten Standzeit der Vorrichtung führt.
Vorteilhafterweise ist der Hochtemperaturwellenleiter ein koaxialer Leiter mit Innen- und Außenleiter aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Zirkon- oder Aluminiumoxidkeramik. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Innen- und Außenleiterwerkstoffe und/oder das Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters austauschbar. Die vorgeschlagene Austauschbarkeit ermöglicht, dass beispielsweise unter Berücksichtigung des Einsatzgebietes sowie der geforderten Temperaturbereiche die Werkstoffe des koaxialen Hochtemperaturwellenleiters miteinander kombiniert, ersetzt und ausgetauscht werden können. So ist vorstellbar, dass der Innenleiter und das massive Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters mehrfach verwendet werden, während je nach Einsatztemperatur der Außenleiter variiert wird. Dadurch lässt sich der koaxiale Hochtemperaturwellenleiter flexibel auf das benötigte Einsatzgebiet anpassen, wodurch zusätzlich Kosten gespart werden.
Weitere Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mindestens ein Koppelbauteil zum elektrischen Verbinden des Hochtemperaturwellenleiters mit dem Niedertemperaturwellenleiter und mindestens ein Hitzeschild zur thermischen Abschirmung temperaturempfindlicher Bauteile der Vorrichtung, das zwischen dem Probenhalter und dem Koppelbauteil angeordnet ist.
Außerdem weist die Vorrichtung mindestens einen im Trägerelement angeordneten Temperatursensor und ein Flanschteil zum Befestigen der Vorrichtung in einer Heizvorrichtung auf.
Das mindestens eine Koppelbauteil erfüllt die Aufgabe, den Hochtemperaturwellenleiter und den Niedertemperaturwellenleiter elektrisch mit verlustarmer Signalübertragung, mechanisch stabil und sicher sowie leicht lösbar zu verbinden. Beide Leitungen sind als Koaxialleiter ausgeführt, bestehend aus Außenleiter, Dielektrikum und Innenleiter.
In einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung sind mindestens einige oder auch sämtliche Bauteile der Vorrichtung modular ausgeführt und lösbar miteinander verbunden, wodurch der Einsatzbereich wesentlich erweitert und die Flexibilität erhöht wird.
Vorstellbar ist ebenfalls, dass vorteilhafterweise der Probenhalter oder/und das Trägerelement oder/und das DUT Mittel zur antennenbasierten Signalübertragung aufweisen. Dadurch werden insbesondere eine schnelle und sichere sowie drahtlose Übertragung von Mess- und Steuersignalen bereitgestellt und Kosten für die sonst notwendige Bereitstellung weiterer koaxialer Hochtemperatur- und Niedertemperaturwellenleiter eingespart.
Vorstellbar ist auch, dass die galvanische oder kapazitive Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale über austauschbare Mittel der stoffgebundenen Signalübertragung erfolgt. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise mindestens ein austauschbares Leitelement sein, das mit dem Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest teilweise elektrisch verbunden ist. So kann die elektrische Verbindung derart ausgebildet sein, dass mindestens ein austauschbares Leitelement den Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest teilweise überlappt und/oder an diesen angrenzt sowie das DUT zumindest teilweise überlappt und/oder an dieses angrenzt und dabei mittels galvanischer und/oder kapazitiver Kopplung eine elektrische Verbindung herstellt. Dies erlaubt teilweise oder vollständig auf Löt- oder Bondprozesse zu verzichten und führt zu einer Zeit- und Kostenersparnis.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung vorgesehen sein, dass der Temperatursensor in einem Abstand von maximal 5 mm zum DUT angeordnet ist.
Bekannte Vorrichtungen zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur haben den Nachteil, dass durch den thermischen Einfluss insbesondere kraftschlüssige Verbindungselemente verschleißen, versagen oder sogar bei sehr hohen Temperaturen miteinander verschmelzen, sodass wesentliche Bestandteile der Vorrichtung sich irreversibel verbinden und zerstörend ersetzt werden müssen. Zur Beseitigung dieser Nachteile und zur Verbesserung der Standzeit der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen im Probenhalter mindestens teilweise mittels Nutensteinen ausgeführt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet in einem Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) Anwendung. Die Vorrichtung wird dabei in einer Heizeinrichtung in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung betrieben, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Betrieb die Probentemperatur gemessen und die Messwerte in die elektrische Charakterisierung des DUT einbezogen sowie zur Steuerung der Heizeinrichtung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann vorgesehen sein, dass vor und/oder während des Betriebes eine Hochfrequenzkalibrierung der Vorrichtung durchgeführt wird. Insbesondere kann eine TOSM- (Through - Open - Short - Match) Kalibrierung, einmalig oder mehrfach durchgeführt werden, wobei die Hochfrequenzkalibrierung bis einschließlich des Anschlusses des Hochtemperaturwellenleiters am Koppelbauteil durchgeführt wird. Für die restlichen Bauteile der Vorrichtung und den DUT wird eine separate Kompensationskalibrierung durchgeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass zur Verbesserung der Funktionsweise der Vorrichtung und der Messergebnisse bei der Kalibrierung der Vorrichtung vor oder nach der Messung des DUT ein Kalibrierstandard an dessen Stelle eingesetzt wird.
Zusammenfassend ergeben sich aus der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere technische Vorteile, nämlich
- eine kostengünstige und preiswerte Vorrichtung,
- eine zeitsparende Messdurchführung von DUTs,
- ein reversibles Einsetzen des DUT und die Wiederverwendbarkeit dessen,
- eine hohe Flexibilität im entsprechenden Einsatzgebiet aufgrund des modularen Aufbaus der Vorrichtung sowie der einzelnen Bestandteile und Elemente,
- eine lange Standzeit und hohe Reproduzierbarkeit bei hoher thermischer Mehrfachbelastung der Vorrichtung,
- eine verbesserte Messgenauigkeit.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Ausführungsbeispiel
Es wird eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung eines DUT, speziell eines OFW-Bauelementes bereitgestellt, die als Messlanze ausgebildet ist. Die Messlanze ist durch eine Montagekappe in der Wand einer Heizvorrichtung eingebracht und mittels eines Flanschteils mit der Wand der Heizvorrichtung gasdicht verbunden. Ein Probenhalter aus Tantal weist einen Temperatursensor, Hochtemperatur- und Niedertemperaturwellenleiter, ein Hitzeschild und ein Koppelbauteil auf. Innerhalb des Koppelbauteiles sind Hochtemperatur- wie auch Niedertemperaturwellenleiter über eine mechanische Klemmvorrichtung elektrisch, verlustarm und mechanisch stabil sowie lösbar verbunden. Der Hochtemperatur- wie auch Niedertemperaturwellenleiter sind als Koaxialleiter ausgeführt, bestehend aus Außenleiter, Dielektrikum und Innenleiter. Der Außen- wie auch der Innenleiter des Hochtemperaturwellenleiters und Niedertemperaturwellenleiters sind aus Wolfram hergestellt. Der Hochtemperaturwellenleiter hat eine Länge von 50 cm, der Niedertemperaturwellenleiter hat eine Länge von 25 cm. Das Dielektrikum ist ebenfalls temperaturstabil aus einer massiven Aluminiumoxidkeramik hergestellt.
Das Koppelbauteil besteht aus einer Aufnahme für den Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiter, einer Aufnahme der Koppelstelle der Innenleiter sowie einer Aufnahme für den Außenleiter des Niedertemperaturwellenleiters. Die Aufnahmen ermöglichen das kraft- und formschlüssiges Fixieren der Innen- und Außenleiter sowie ein gleichzeitiges elektrisches Verbinden der Innen- und Außenleiter der Hochtemperatur- und Niedertemperaturwellenleiter.
Der Probenhalter enthält einen Grundkörper und ein Verschlussteil, wobei das Verschlussteil formschlüssig über ein Gelenk mit dem Grundkörper verbunden ist. Im Probenhalter werden das OFW-Bauelement und die Leiter des Hochtemperaturwellenleiters mithilfe von Feder- und Stempelelementen mit Leitelementen kraftschlüssig kontaktiert und elektrisch verbunden. Ein modulares Trägerelement positioniert und isoliert das OFW-Bauelement sowie die Leitelemente. Die Federelemente sind durch kraft- und formschlüssige Verbindungen positioniert. Sämtliche Verbindungen bestehen versagenssicher aus Gewindestiften, die kraftschlüssig mit Nutensteinen verbunden sind. Die elektrische Kontaktierung des OFW-Bauelementes erfolgt durch leitende Flächen in den Überlappungen mit den Leitelementen in Form galvanischer Kopplung.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung, enthaltend einen Probenhalter, der mindestens ein Trägerelement für die reversible Anordnung und drahtlose Fixierung mindestens eines DUT enthält, wobei der Probenhalter Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale in und/oder aus den DUTs aufweist, mindestens einen Flochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter für das Zu- und/oder Ableiten von FIF-Signalen, Betriebsspannungen und/oder elektrischen Steuersignalen zu oder von den zu charakterisierenden DUTs, wobei zumindest der oder die für das Zu- und/oder Ableiten von FIF-Signalen dienenden Flochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind, mindestens ein Koppelbauteil zum elektrischen Verbinden und/oder Fixieren des Flochtemperaturwellenleiters mit dem Niedertemperaturwellenleiter, mindestens ein Flitzeschild, angeordnet zwischen dem Probenhalter und dem Koppelbauteil, mindestens ein im Trägerelement angeordneter Temperatursensor, und mindestens ein Flanschteil zur gas- und/oder vakuumdichten Befestigung der Vorrichtung in einer Heizvorrichtung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige oder sämtliche Bauteile der Vorrichtung modular ausgeführt und lösbar miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter, das Koppelbauteil und/oder die Hitzeschilder aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und/oder aus Zirkonium-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturwellenleiter ein koaxialer Leiter mit Innen- und Außenleiter aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Zirkon-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außen leiterwerkstoffe und/oder das Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters austauschbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter und/oder das Trägerelement und/oder das DUT Mittel zur antennenbasierten Signalübertragung aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor in einem Abstand von maximal 5 mm zum DUT angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen im Probenhalter mindestens teilweise mittels Nutensteinen ausgeführt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale mindestens ein austauschbares Leitelement ist, das mit dem Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest elektrisch verbunden ist.
10. Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einer Heizeinrichtung in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung betrieben wird, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Betrieb die Probentemperatur gemessen und die Messwerte in die elektrische Charakterisierung des DUT einbezogen sowie zur Steuerung der Heizeinrichtung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Betriebes eine Hochfrequenzkalibrierung der Vorrichtung, insbesondere eine TOSM (Through - Open - Short - Match)-Kalibrierung, einmalig oder mehrfach durchgeführt wird, wobei die Hochfrequenzkalibrierung bis einschließlich des Anschlusses des Hochtemperaturwellenleiters am Koppelbauteil durchgeführt wird, und wobei für die restlichen Bauteile der Vorrichtung und das DUT eine separate Kompensationskalibrierung durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kalibrierung der Vorrichtung vor oder nach der Messung des DUT ein Kalibrierstandard an dessen Stelle eingesetzt wird.
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