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Funktionsgradiertes Eisendisilizid für linearisierte Hochtemperatur-Sensoren

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Auf Grund ihres extrem hohen Seebeck-Koeffizienten („Thermokraft“) und ihrer außergewöhnlichen Temperaturcharakteristik eignen sich spezielle hoch dotierte Halbleiter (vor allem Silizide und Oxide) hervorragend zum Einsatz in hochempfindlichen thermischen Sensoren für hohe Temperaturen. Gegenüber metallischen Sensormaterialien lässt sich eine um mehr als eine Größenordnung gesteigerte Empfindlichkeit bei ähnlich gutem dynamischem Verhalten realisieren. Nachteilig wirkt sich die im allgemeinen starke Temperaturabhängigkeit der Thermokraft aus, welche eine hohe Empfindlichkeit in der Anwendung auf einen schmalen Temperaturbereich begrenzt. Daraus resultiert eine starke Nichtlinearität der Kennlinie, die eine komplexe Nachfolgeelektronik und Messdatenverarbeitung zur Berechnung der eigentlichen thermischen Messgröße aus der Messspannung notwendig macht.

Dies kann wesentlich vereinfacht werden, wenn die Sensorelemente in Richtung des Temperaturgradienten aus Segmenten unterschiedlicher Zusammensetzung oder Dotierung aufgebaut werden, die in benachbarten Temperaturbereichen maximale Empfindlichkeit zeigen (Prinzip der Funktionsgradierung). Dieses Prinzip erlaubt es, die Sensor-Kennlinie weitgehend zu linearisieren, d. h. eine temperaturunabhängige Empfindlichkeit des Sensors über einen breiten Temperaturbereich zu erreichen. Simultan zum Temperaturverlauf des Seebeck-Koeffizienten muss dazu derjenige der Wärmeleitfähigkeit gesteuert werden. FEM-Rechnungen gestatten die Bestimmung der optimalen Gradierungsfunktion des thermoelektrischen Materials.

Der Funktionsnachweis dieses Konzepts wurde von der DLR-Arbeitsgruppe „Thermische Sensoren“ im DFG-Schwerpunktprogramm „Gradientenmaterialien“ (1996-2001) für p-leitendes Eisendisilizid erbracht. Weiterführend sollen auch linearisierte pn-Elemente realisiert werden. Damit kann über eine Strukturierung von Multi-Thermoelementen (Thermopiles) eine Vervielfachung der Signalempfindlichkeit erreicht werden.

Integraler Bestandteil der DLR-Arbeiten sind Studien zur langzeitlichen konstitutionellen und funktionellen Stabilität thermoelektrischer Sensormaterialien bei hohen Temperaturen als einer Grundbedingung für den praktischen Sensoreinsatz.