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Thermopiles

Thermopiles sind thermische Detektoren, auch Thermosäule genannt, und detektieren Gleichlichtsignale. Die breitbandig empfindlichen Thermopiles werden für die Laserleistungsmessung, die allgemeine Strahlungsmessung, zur absoluten Temperaturmessung und für Gasanalysatoren verwendet.

Miniatur-Thermopiles

Spektral flach von UV bis IR. Chipgröße von 0,25 bis 6 mm Kantenlänge.

Thermopiles

Das Thermopile ist als thermischer Detektor über den gesamten Wellenlängenbereich empfindlich, d. h. von Röntgenstrahlung bis zum fernen Infrarot. Die einzige Forderung ist, dass die Strahlung absorbiert wird und den Detektor erwärmt. Dieser Effekt wird durch eine aufgebrachte Schwarzschicht verbessert, wobei die spektrale Empfindlichkeit flach vom UV bis zum fernen IR ist (Ausnahme: ST-Serie). Allerdings ist die Anwendung im infraroten Spektralbereich am weitesten verbreitet.

Das Thermopile ist ein DC-Detektor, d. h. er reagiert auf Gleichlicht und ist immun gegen Mikrofonie. Das Rauschen ist frequenzunabhängig und durch das thermische Rauschen des Detektorwiderstandes bestimmt (Johnson-Rauschen).

Typische Applikationen sind die berührungslose Temperaturmesstechnik, Gasmessung und Leistungsmessung (bei niedrigen Leistungen).

Funktionsprinzip

Das Thermopile ist ein thermischer Detektor, der auf dem Seebeck-Effekt beruht. Der Vorgänger war das Thermopaar, bestehend aus einem Übergang zwischen zwei Metalldrähten mit unterschiedlichen Werten auf der thermoelektrischen Spannungsreihe. Dieser Effekt ist seit 1821 bekannt. Die beiden Metalldrähte erzeugen eine Spannung proportional zu ihrem Temperaturunterschied, d. h. es wird immer relativ gemessen. Durch eine Reihenschaltung mehrerer Paare wird die Empfindlichkeit erhöht. Seit 1934 ist auch bekannt, dass man Dünnschichtthermopiles mittels überlappender Antimon- und Wismutfilme herstellen kann.

Aufbau

Die traditionellen Dexter-Thermosäulen (1M, 2M u. ä.) bestehen aus Antimon-Wismut Kontaktpaaren, wobei die strahlungsempfindlichen "heißen" Kontakte auf einer geschwärzten Folie angeordnet sind. Die "kalten" Referenzkontakte befinden sich auf einem massiven Keramiksubstrat, das als Wärmesenke wirkt. Mit dieser Anordnung wird das beste D* bei Thermosäulen erreicht. Bedingt durch die Herstellungstechnologie müssen allerdings Parameterschwankungen von ca. 30% bei der Serienproduktion in Kauf genommen werden.

Die Detektoren der S-Reihe basieren auf Phosphor dotierten Poly-Silizium-Gold-Kontakten, die eine wesentlich höhere Thermokraft als Antimon-Wismut besitzen, d. h. die Empfindlichkeit ist höher (ca. um den Faktor 5). Allerdings wird dies mit einem höheren Widerstand und darum auch höherem Rauschen erkauft. In der Praxis bedeutet dies, dass nur kleine Detektoren sinnvoll sind, der größte Si-Detektor ist gegenwärtig 1.5 mm x 1.5 mm.

Demgegenüber stehen folgende Vorteile:

  • diese Thermopiles sind um ca. den Faktor 3 schneller
  • diese Thermopiles sind um den Faktor 3 unempfindlicher gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur.

Je nach Anwendung wird man sich also für die traditionellen oder die S- bzw. ST-Detektoren entscheiden.

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