5. Temperaturmessung Flashcards
Mit welchen physikalischen Effekten kann Temperatur gemessen werden?
- Thermische Ausdehnung von Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen
- Temperaturabhängigkeit des el. Widerstandes bei:
- metallischen Leitern
- halbleitenden Keramiken (NTC, PTC)
- Halbleiterdioden und Transistoren - Thermoelektrischer Effekt bzw. Seebeck-Effekt
- Messung der Wärmestrahlung: Pyrometer bzw. Thermographie
- Frequenzänderung von Quarzoszillatoren
Wofür werden Bimetallthermostate eingesetzt?
Geräte bei Überhitzung abzuschalten.
Temperaturabhängigkeit metallischer Leiter
0,4 % pro K Temperaturerhöhung
Was sind die Vorteile von Temperatursensoren mit metallischen Leitern? z.B. PT Sensor
- Temperaturverlauf ist durch das Material definiert
- Hohe Stabilität, da chemisch stabil
- Ein großer Temperaturbereich von -200 °C bis 850 °C
- Die Eigenschaften sind normiert, dadurch sind sie ohne neue Kalibrierung austauschbar
Wie wird ein PT-Sensor hergestellt? (Photolitographische Fertigung mit Dünnfilmtechnik?)
- Aufdampfen einer dünnen Platinschicht auf einer Al2O3 -Keramikplatte
- Aufbringen eines photoempfindlichen Lacks (Resist)
- Selektives Belichten des Resists durch eine Maske
- Herauslösen des Resists in den belichteten bzw. unbelichteten Bereichen
- Ätzen des Pt dort, wo es nicht durch den Resist abgedeckt ist
- Entfernen des Resists
- Lasertrimmen. Dabei wird mit einem Laser an bestimmten Stellen Platin abgetragen bis der
Widerstandswert von 100 Ω erreicht ist. - Abdecken der Pt Struktur mit einem Glaslot
- Sägen der Keramikplatte in einzelne Bauelemente
- Metallisieren und Beloten der Anschlüsse
- Verpacken in Tape und Reel
Was ist ein PTC
PTC‘s (Positive Temperature Coefficient) haben einen positiven Temperaturkoeffizienten, der
Widerstand steigt also mit der Temperatur. Sie werden deshalb auch Kaltleiter genannt.
Was ist ein NTC?
Bei NTC‘s (Negative Temperature Coefficient) bzw. Heißleitern fällt der Widerstand mit
steigender Temperatur
Kann mit Halbleitern auch Temperatur gemessen werden?
Ja, in Halbleitern gibt es zwei Effekte, die einen Einfluss auf die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes haben:
- die Ladungsträgerkonzentration nimmt mit steigender Temperatur zu
- die Beweglichkeit der Ladungsträger nimmt wie bei Metallen mit steigender Temperatur ab
Vor- und Nachteile von Halbleitertemperatursensoren
+ gut integrierbar in ICs.
- Hohe Exemplarstreuung, dadurch Genauigkeit ohne Kalibrierung nur etwa ±1°C (3σ, -40°C - 100°C)
- Durch den hohen thermischen Widerstand von IC-Gehäusen relativ lange Ansprechzeiten
- Verfälschung der Messung durch Eigenerwärmung der ICs
- Relativ kleiner Messbereich (typisch -50°C bis 150°C)
Definition Thermoelemente
Allgemein ist die Thermoelektrizität die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität, die
in beide Richtungen wirken kann
Seebeck- Effekt
Als Seebeck-Effekt wird bezeichnet, dass in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen
Leitern bei einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung entsteht. Der Seebeck-Effekt wird
genutzt für Temperatursensoren und für thermoelektrische Generatoren beim Energy Harvesting.
Peltier-Effekt
Die Umkehrung ist der Seebeck-Effekt.
Der Peltier-Effekt erzeugt der Stromfluss eine Temperaturdifferenz. Der Peltier-
Effekt wird zum Kühlen oder Temperieren (auch von Sensoren) verwendet
Ursache des Seebeck-Effektes
Ursache des Seebeck-Effekts ist die Thermodiffusion. In einem metallischen Stab mit einem
Temperaturgradienten diffundieren mehr Elektronen von Warm nach Kalt als von Kalt nach Warm, da die
Diffusionsgeschwindigkeit der „warmen“ Elektronen größer ist. Dies führt zum Aufbau eines elektrischen
Feldes, das der gerichteten Diffusion entgegenwirkt. Die Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz
Wie ist das Wirkprinzip bei Temperaturmessungen mit Thermographie?
Wärmestrahlung führt zur Erwärmung
Wie lautet das Stefan-Boltzman-Gesetz
Die gesamte abgestrahlte Leistung P = ε * σ * A * T^4 ε der Emissionsgrad (zwischen 0 und 1) σ = 5,6 10 -8 W/(m² K 4 ) die Stefan-Boltzmann-Konstante A die Fläche
Mikrobolometerarrays
Zweidimensionale Anordnungen thermisch isolierter Dioden oder Widerstände
Warum müssen die Pt-Widerstände mit einem Laser getrimmt werden? Warum ist es
nicht möglich diese direkt mit der nötigen Genauigkeit herzustellen?
Weil es nicht möglich die Schichtdicke der Pt-Schicht beim Aufdampfen oder Sputtern ausreichend genau
einzuhalten. Innerhalb eines Wafers, von Wafer zu Wafer und von Los zu Los wird sich die
Schichtdicke jeweils um mehrere % unterscheiden. Auch die Lithographie ist nicht beliebig genau.
Ungenauigkeiten der Leiterbahnbreiten vergrößern die Variation der Widerstände nochmals.
In der Norm zu PT-Temperatursensoren sind Genauigkeitsklassen festgelegt. Wie
sollten die dabei genannten Toleranzen in einer Berechnung der Messunsicherheit berücksichtigt
werden?
Als unbekannter systematischer Fehler mit Rechteckverteilung.
Warum sind PTC nicht geeignet um über einen weiten Temperaturbereich Temperaturen zu messen?
Bei manchen Widerständen ist die Temperatur nicht eindeutig .
Wie wird die Thermospannung bei Thermoelementen berechnet?
Uth = (Sa-Sb) * delta T (S = Seebeck-Koeffizient)
Wie lautet das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz?
alpha = epsilon (Strahlungsabsorption gleich Strahlungsemission)
Welches der folgenden Materialien ist am wenigsten geeignet um daraus ein Widerstandsthermometer zu fertigen: Aluminium, Messing, Platin, Konstantan, Kupfer oder Silber? Begründen Sie Ihre Antwort!
Konstantan, dader Temperaturkoeffizient des Widerstandes sehr klein ist.
Welche Anforderungen muss ein Gehäuse für ein Mikrobolometerarray erfüllen?
- Damit die Detektorplatten thermisch möglichst gut zum Trägerchip isoliert sind,ist ein gutes Vakuum im Gehäuse notwendig. Es muss deshalb hermetisch sein, also aus Keramik, Metall oder Glas bestehen.
- Es muss ein IR-transparentes Fenster haben.
- Es muss gasdichte elektrische Verbindungen zwischen der Innen-und der Außenseite des Gehäuses haben
Mit welchen Verfahren können Sie eine strukturierte 0,5 μm dicke Schichtaus Pt auf ein Keramiksubstrat aufbringen?
Zuerst vollflächiges Aufdampfen oder Sputtern der Pt-Schicht. Dann mit Photolithographie strukturieren, also Lack durch Spin-Coating aufbringen, durch eine Maske Belichten, Entwickeln, Pt-Ätzen und dann den LackEntschichten.
