Thermoelektrik

Thermoelektrische Hochtemperatur-Sensoren



Thermoelektrisch segmentierter Schichtsensor (Schema)
Vergrößerung hier
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Eine Messung mit thermoelektrischen Hochtemperatur-Sensoren
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Thermoelektrische Hochtemperatur-Sensoren
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Thermoelektrische Hochtemperatur-Sensoren
Ziel der Entwicklungen zu sensorischen Materialien und Systemen am DLR sind Wärmestromsensoren zur Messung des Wärmeflusses und Wärmeübergangskoeffizienten an heißen Bauteiloberflächen insbesondere in thermischen Strömungsmaschinen, z. B. auf Turbinenbauteilen, in Fahrzeugmotoren sowie in der industriellen Verfahrenstechnik zur Steuerung der Betriebsbedingungen anhand thermischer Prozessdaten. Ziel der Systementwicklung sind Sensoren von geringer Baugröße für schnelle dynamische Messungen. Arrays solcher Sensoren ermöglichen ein Monitoring zweidimensionaler Profile der thermischen Messgrößen über kritischen Bereichen der Bauteiloberfläche.

Solche Wärmestromsensoren lassen sich in schichttechnischer Ausführung mit rampenförmiger thermischer Widerstandsstrecke entwerfen (Abb.). Die kontinuierliche Änderung des Wärmewiderstands der Deckschicht über dem halbleitenden thermoelektrischen Sensormaterial bewirkt den Aufbau eines ausgedehnten lateralen Temperaturgradienten über dem segmentierten Sensorbereich.

In thermoelektrischen Sensoranordnungen, in denen der Seebeck-Effekt, also das Entstehen einer elektrischen Spannung im Temperaturgradienten, zur Wärmestrombestimmung dient, ist durch den Halbleitereinsatz eine erheblich höhere Detektivität im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Systemen realisierbar. Als Sensormaterial kommen neben Eisendisilizid auch weitere silizidische Materialien und andere hoch dotierte Halbleiter in Betracht, sofern sie hohe Thermospannungen mit der Verfügbarkeit hoch entwickelter Technologien zur Herstellung und Bearbeitung verbinden.

Besondere Bedeutung kommt der Formgebung der Sensorelemente zu, da die Empfindlichkeit, die Reproduzierbarkeit und das Zeitverhalten wesentlich durch die räumliche Verteilung des Wärmestroms im Sensor bestimmt werden. Der Betrag der Empfindlichkeit wird durch den thermischen Widerstand definierter Wärmeleitstrecken im Sensor vorgegeben. Numerische Simulationsrechnungen zur Empfindlichkeit und zum Zeitverhalten thermischer Sensoren mit Finite-Elemente-Methoden werden als geeignetes Instrument zur geometrischen Optimierung genutzt. Zur präzisen Formgebung miniaturisierter Sensorstrukturen werden modernste etablierte Mikrobearbeitungstechniken (Abb.) herangezogen.

Der Prototyp einer DLR-Sensorentwicklung für messtechnische Anwendungen erreichte bei gleichwertigem Zeitverhalten mehr als 16fache Empfindlichkeit gegenüber vergleichbaren herkömmlichen Lösungen mit metallischen Sensoren. Praktisch relevant ist neben der Spannungsempfindlichkeit vor allem die erreichbare Detektivität bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis. Die äquivalente Rauschleistung des DLR-Sensors (bestimmt in Abhängigkeit von Temperatur, Digitalisierungsrate usw.) betrug etwa ein Zehntel des Wertes für konventionelle Systeme. Die Zusammenführung aller Teilaspekte mündete in eine prototypische Gesamtlösung von hoher Reife bei der praktischen Nutzung.

Aktuelles Ziel der technologischen Entwicklung ist es, mit hochempfindlichen segmentierten thermoelektrischen Sensorstrukturen durch Pastentechnologien, Sinterverfahren, Lasermikrobearbeitung und -kontaktierung miniaturisierte Hochtemperatur-Thermopiles mit linearer Empfindlichkeit bis 800 °C Einsatztemperatur zu entwickeln.


Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Wolf Eckhard Müller
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Thermoelektrische Materialien und Systeme
Tel: +49 2203 601-3556

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: Eckhard.Mueller@dlr.de
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Texte zu diesem Artikel
Funktionsgradiertes Eisendisilizid für linearisierte Hochtemperatur-Sensoren (http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-1696/3089_read-4909/usetemplate-print/)