WO1999031493A1 - Differential thermoanalysis device - Google Patents

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WO1999031493A1
WO1999031493A1 PCT/EP1998/007916 EP9807916W WO9931493A1 WO 1999031493 A1 WO1999031493 A1 WO 1999031493A1 EP 9807916 W EP9807916 W EP 9807916W WO 9931493 A1 WO9931493 A1 WO 9931493A1
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WO
WIPO (PCT)
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coupling
sensor plate
temperature
semiconductor material
reference sample
Prior art date
Application number
PCT/EP1998/007916
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen SCHILZ
Wolf Eckhard MÜLLER
Gerhard BÄHR
Lutz Rauscher
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/48Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
    • G01N25/4806Details not adapted to a particular type of sample
    • G01N25/4813Details not adapted to a particular type of sample concerning the measuring means
    • G01N25/482Details not adapted to a particular type of sample concerning the measuring means concerning the temperature responsive elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K19/00Testing or calibrating calorimeters

Definitions

  • the invention relates to a differential thermal analysis device for the metrological examination or determination of a thermophysical parameter of a test sample, in particular for the investigation of phase transitions or for determining the specific heat of the test sample.
  • DTA devices Differential thermal analysis devices
  • DSC heat flow differential calorimeter
  • test sample to be examined and a reference sample are subjected to a predetermined temperature curve at the same time. If there is a phase change in the sample or there is a difference in the specific heat between the sample and the reference, this is noticeable in a temperature difference between the sample and the reference substance.
  • This temperature difference is detected via thermocouples suitably attached to the sample and reference substance and converted into an electrical voltage. This measuring method has been established for decades and is used both at low temperatures down to the milli-Kelvin range and at high temperatures up to over 2000 ° C.
  • the “quality” or “efficiency” of a system with the measuring principle explained above is determined by the sensitivity of the temperature resolution ⁇ and the time constant of the arrangement ⁇
  • the sensitivity of the temperature resolution depends in particular on the level of the thermal voltage that forms on the thermocouples. This should advantageously be particularly large.
  • thermocouple was used for temperature measurement, but one
  • Fast conventional measuring arrangements contain a single sensor plate made of a metallic thermocouple material such as. B. Chromel, constantan or platinum, at which two thermocouple wires are attached.
  • the two crucibles with the measurement sample and the comparison or reference sample are located at these positions.
  • Such a system is also called a disc measuring system.
  • the plate at the crucible positions and in their immediate vicinity is thin, this area has a very small thermal mass and the arrangement thus achieves a small time constant.
  • the system is relatively insensitive due to the low thermal stresses of the metallic thermocouple materials.
  • the task of a differential thermal analysis system is to measure a temperature difference between the sample and a reference substance in a dynamic temperature curve in such a way that quantitative conclusions about conversion energies or specific heat are possible.
  • the temperature difference can be measured in different ways depending on the type and task. Is it z. B. on the detection of an extremely low conversion heat, so far preferably a cup system with a thermopile has been used. Because of the large time constants in the temperature difference-over-time display, this results in a flat signal which decays only slowly. If several conversions close to each other on the temperature scale have to be resolved, the case can occur, that the time resolution is no longer sufficient due to the large time constants.
  • the invention has for its object to provide a differential thermal analysis device which ensures maximum sensitivity of the temperature resolution with low time constants.
  • the invention proposes a differential thermal analysis device for the metrological examination or determination of a thermophysical parameter of a thermophysical test sample, in particular for the investigation of phase transitions or for determining the specific heat of the test sample, the differential thermal analysis device being provided with - a heat source, a sensor plate thermally coupled to the heat source, on which a measurement sample coupling zone for the thermal coupling of a measurement sample to be measured and a reference sample coupling zone for the thermal coupling of a reference sample with a behavior known with regard to the parameter to be examined or measured are formed
  • the sensor plate at least within its measurement sample and reference sample coupling zones, consists of thermoelectric semiconductor material which is in ceramic or monocrystalline or polycrystalline form.
  • thermocouples which are connected to the coupling zones of the sensor plate and output a voltage difference representing the temperature difference between them
  • two second temperature sensors for determining the temperatures of the coupling zones of the sensor plate and an evaluation unit which is connected to the thermocouples and the second temperature sensors is, the evaluation unit during a heating caused by the heat source and / or cooling of the sensor plate at time intervals the voltage difference between the two thermocouples and the temperature values of the two second
  • Temperature of the sensor plate determined at the respective times of inquiry forms a characteristic curve of the Seebeck coefficient against the temperature of the sensor plate from the calculated values for the Seebeck coefficient and carries out a subsequent thermal analysis taking into account the measured characteristic curve of the Seebeck coefficient.
  • a heat source feeds a sensor plate which is thermally coupled to the heat source.
  • At least one coupling zone for thermal coupling of the measurement sample to be measured and at least one coupling zone for thermal coupling are on the sensor plate of the reference sample.
  • Two temperature sensors are thermally coupled to each coupling zone, one of which is in particular designed as a thermocouple.
  • Each thermocouple acts as a contact point for a supply line (thermo line) with the test sample or Reference sample coupling zone.
  • the two thermal lines each consist of a material that is different from the material of the coupling zones. Together with the sensor plate, the thermal lines connected to form a closed electrical circuit thus form a differential thermocouple. Due to the Seebeck effect, there is an electrical voltage when heated between the two leads of the differential thermocouple to the coupling zones, which is characteristic of the temperature difference between the two contact points of the measuring sample coupling zone and the reference sample coupling zone cable.
  • a voltage difference thus arises across the two thermal lines connected to the measurement sample and reference sample coupling zones if these two zones are heated to different extents.
  • a statement can be made about the temperature difference.
  • the sensor plate of the differential thermal analysis device consists, at least within its measurement sample and reference sample coupling zones, of thermoelectric semiconductor material which is in ceramic or monocrystalline or polycrystalline form.
  • the decisive disadvantage of the known disk systems namely the relatively low sensitivity, can be achieved according to the invention by using ceramic, single or polycrystalline semiconducting material with thermoplastic electrical properties can be overcome.
  • Such materials show a significantly increased sensitivity with the same or even reduced time constants in a temperature range, even if limited, since they have significantly higher Seebeck coefficients in this temperature range.
  • the limited temperature range results from the fact that, combined with the temperature profile of the conduction behavior typical of semiconductors, the Seebeck coefficient (often also referred to as "thermal force”) forms a characteristic maximum in the range of its highest values.
  • the device according to the invention is therefore provided with a self-calibration for checking and adapting the characteristic of the Seebeck coefficient of the semiconductor material with regard to its age-related changes.
  • This self-calibration makes it possible to regularly and automatically check long-term aging processes (i.e. measurable changes in the characteristic curve in the period from a few hours to a few weeks or months) and, in particular, to correct them with the aid of a computer.
  • This makes the use of highly sensitive ceramic sensor plates made of single or polycrystalline semiconducting material practically usable over a longer period of time.
  • Self-calibration is possible in the device according to the invention by measuring the temperature difference between the two coupling zones. This can be done using temperature sensors that measure the local temperatures of the two coupling zones. In particular, these temperature sensors are in turn as Thermocouples formed, it being sufficient to connect an additional supply line, consisting of a different material than that of the thermal lines of the differential thermocouple, which are attached to the coupling zones to generate the temperature difference proportional voltage, with each of the coupling zones. The voltage difference and the temperature difference can be used to calculate the Seebeck coefficient of the semiconductor material of the sensor plate or the coupling zones, using the formula
  • the Seebeck coefficients calculated in this way for different temperatures are used as support points for a characteristic curve which is calculated and stored in the evaluation unit.
  • the actual thermal analysis is carried out on the basis of this characteristic.
  • the characteristic curve deviates from a predetermined characteristic curve by more than a maximum tolerable amount, for example due to extreme signs of aging, this is preferably indicated optically or acoustically, so that the user of the device is informed in this respect.
  • the Seebeck coefficient is determined in the above manner for several temperature values.
  • An additional sensor can be used to determine the (average) temperature of the sensor plate. However, this additional sensor can be saved in that the average of the two temperature values supplied by the second temperature sensors is formed.
  • the high sensitivity of the differential thermal analysis device according to the invention is thus brought about by special semiconductor physical effects of the semiconductor material used at least for the coupling zones, these effects being inextricably linked to the specific temperature characteristic of the Seebeck coefficient.
  • the Seebeck coefficient rises steadily with temperature before it decreases again when the intrinsic cable is inserted and drops to very low values.
  • the advantage of an extremely high sensitivity can thus be exploited with the differential thermal analysis device according to the invention.
  • the differential thermal analysis device should have an essentially uniformly high sensitivity (and temperature resolution) over a wide temperature range, that is to say a uniformly large thermal voltage. Based on the current state of knowledge, it has always been assumed that this requirement can only be met by metallic sensor plates ' . ' Although these systems have low values of the Seebeck coefficient, they rise to high temperatures or stabilize at medium values.
  • the known metallic sensors are well structured, due to the high charge carrier densities of the metals insensitive to impurities and phase stable. The latter is particularly important for such a sensitive measuring system as the differential thermal analysis.
  • thermoelectric semiconductor materials with the possibility of determining the temperature dependency of the Seebeck coefficient of the sensor plate or the active sensor element of a differential thermal analysis device that changes as a result of aging of the semiconductor material
  • thermal analysis systems with a high level can also be used Realize sensitivity over a wide temperature range.
  • the solution to this problem is that the sensor plate has a combination of several different semiconductor materials with the highest sensitivity (thermal force) in different temperature ranges.
  • the characteristic temperature at which the Seebeck coefficient of semiconducting materials begins to fall is determined by the doping concentration and the width of the band gap in the semiconductor.
  • the band gap is a material-specific parameter and varies from material to material.
  • the doping concentration can be set in a defined manner over several powers of ten. In this way, the onset of self-conduction and thus the maximum of the Seebeck coefficient can be practically "programmed" for a given temperature.
  • the temperature range relevant for practical measuring systems can already be covered.
  • the differential thermal analysis device aimed at increasing the temperature range can be implemented in two fundamentally different ways.
  • Both variants have in common that the sensor plate has several pairs, each of a measurement sample and a reference sample coupling zone, the two coupling zones within a pair of the same Semiconductor material with the same thermoelectric properties exist, but the semiconductor materials or their thermoelectric properties differ from pair to pair.
  • the coupling zones of each pair are arranged centrally symmetrically on the sensor plate, with the heat output being fed in by the heat source in the center of symmetry of the sensor plate or centrally - symmetrically from the outside.
  • the individual coupling zones are spaced apart from one another to such an extent that several identical measurement samples and several identical reference samples are used.
  • Each measurement sample or reference sample is thus thermally coupled to a single coupling zone. All coupling zones are provided with temperature sensors, in particular thermocouples, the output voltages of which are fed to the evaluation unit.
  • the evaluation unit now selects the coupling zone pair for the difference measurement whose associated temperature sensors deliver the greatest output voltages.
  • the structure of the sensor plate described above makes it necessary that several identical measurement samples are measured or examined simultaneously. Depending on the test sample, this can be problematic, especially when the amount of substance to be examined is limited. For such a case, it makes sense to concentrate different semiconductor materials in a common coupling zone, these individual coupling sub-zones being arranged so closely adjacent to one another that they are all in thermal contact with a measurement sample or a reference sample at the same time.
  • the individual coupling partial zones are arranged in a centrally symmetrical manner.
  • a circular area is an example of a geometrical shape for a coupling zone.
  • the sensor plate has a thermal resistance concentration around the individual coupling zones. Too large thermal resistances, however, have a disadvantageous effect on the time constant of the overall system, which in principle increases as the thermal resistance of the sensor plate increases. By choosing suitable materials, a compromise can be found here that, with reasonable time constants, allows sufficiently large thermal resistances to develop around the coupling zones, which in turn has a positive effect on the sensitivity in that the heat flow from the coupling zones to the rest of the sensor plate is impeded and is thereby affected forms an increased temperature difference between the coupling zone and the main mass of the sensor plate.
  • An increase in the thermal resistance around the coupling zones can be realized constructively by reducing the amount of material in the area between the coupling zones and the rest of the sensor plate. This in turn can be achieved by reducing the thickness of the sensor plate in the connection area between the coupling zones and the main mass of the sensor plate and / or by introducing cutouts in this connection area.
  • the recesses can be made by an etching technique, by laser cutting, mechanical grinding or the like. known material processing techniques can be realized.
  • a protective layer between the semiconducting material and the metal coating, which is preferably an oxide.
  • a non-conductive, chemically inert coating in particular Si0 2 , SiN, Al 2 0 3 .
  • the sensor plate provided with coupling zones made of thermoelectric semiconducting ceramic or monocrystalline or polycrystalline semiconductor material as the active material.
  • the sensor plate it is possible for the sensor plate to be made of metal or another base material with good thermal conductivity, a disk or piece of semiconducting thermoelectric material being inserted, welded, soldered or otherwise fixed into the plate for each coupling zone to be created.
  • the at least two coupling zones are electrically connected to one another via the base material, so that the required temperature difference measurement can be carried out using the Seebeck effect by means of the thermocouples.
  • the sensor plate As an alternative to the structure mentioned above, it makes sense to manufacture the sensor plate from insulating or electrically poorly conductive material (for example oxide ceramic, sapphire, mica, lightly doped semiconductors) the sensor plate carries one or more layers or conductor tracks made of ceramic or crystalline thermoelectric semiconductors, which form the coupling zones and connect them electrically.
  • the sensor plate it is also conceivable to manufacture the sensor plate from electrically insulating or poorly conductive material with good thermal conductivity, the electrical contacts between the highly sensitive coupling zones, which are arranged in the above manner on or in the sensor plate, by means of an applied metallization or otherwise metallic connections is made.
  • thermoelectric material the following materials are used as the semiconducting thermoelectric material:
  • the currently largest market for thermal analysis devices is quality control in the material manufacturing and processing industry.
  • the polymer range should be mentioned here in particular, where polymerisation behavior is tested in temperature ranges up to 400 ° C.
  • the achievable sensitivities of today's disc measuring systems are sufficient here. Nevertheless, an improvement can be achieved by the differential thermal analysis device according to the invention, since the increased sensitivity enables a higher heating rate and thus shortens the cycle time for the entire measurement.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the structure of a differential thermal analysis device
  • FIG. 2 shows a plan view of a sensor plate according to a second exemplary embodiment of the invention with a heat resistance concentration implemented in a constructive manner around the measurement sample and reference sample positions
  • Fig. 3 is a schematic representation of a differential thermal analysis device according to another
  • Embodiment of the invention in which the sensor plate has several reference sample and measurement sample positions with different semiconducting materials.
  • FIG. 4 shows a plan view of the sensor plate of the device according to FIG. 3,
  • Fig. 5 is a plan view from above of the sensor plate of a further differential thermal analysis device and
  • FIG. 6 is a bottom view of the sensor plate according to FIG. 5.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a differential thermal analysis device 10 in principle poses.
  • This device 10 has a heat source 12, the heat of which is fed via a thermally coupled rod 14 or an outer covering, capsule or the like to a disk-shaped sensor plate 16.
  • the sensor plate 16 is thermally coupled to the rod 14, the rod 14 being connected to the center of the sensor plate 16 or at its periphery.
  • a coupling zone 18 for a measurement sample 20 and a coupling zone 22 for a reference sample 24 are formed on the sensor plate 16. These two coupling zones 18, 22 are diametrically opposed to one another and thus centrally symmetrical to the center of the sensor plate 16.
  • the measurement sample 20 and the reference sample 24 are accommodated in crucibles 26, 28 which are in good thermal contact on the coupling zones 18, 22.
  • the sensor plate 16 consists consistently of a ceramic, single or polycrystalline thermoelectric semiconducting material, which is in particular one of the materials mentioned in the introduction to the description. On the underside of the sensor plate 16 in the area of
  • Coupling zones 18, 22 are thermocouples 30, 32, which are realized by connecting electrical supply lines 34, 36 to the sensor plate 16.
  • the material of these leads 34, 36 is different from the material of the sensor plate 16.
  • the usual metallic thermocouple materials are used as the material for the leads 34, 36.
  • the supply lines 34, 36 lead to an evaluation unit 38, in which the voltage difference between the two supply lines 34, 36 that is established due to the temperatures of the coupling zones 18, 22 is evaluated. The result is displayed on a display device 40 or stored on a control computer.
  • the sensor plate 16 has metallizations in the area of its coupling zones 18, 22, which serve to improve the heat transfer from the sensor plate 16 to the crucibles 26, 28. Between these metallization coatings 42, 44 and the sensor plate 16, a (for example, electrically insulating) protective layer, in particular made of an oxide, can be arranged in order to suppress interference signals by phase conversions. In the remaining area outside the coupling zones 18, 22, the sensor plate is provided with a protective layer 46 made of, for example, SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 .
  • the sensor plate 16 is heated by the heat source 12.
  • the heat flow runs from the heat source 12 via the rod 14 to the center of the sensor plate 16, from where it is radially evenly discharged to the outside.
  • the differential thermal analysis device 10 shown in FIG. 1 is provided with a self-calibration of the temperature profile of the Seebeck coefficient of the semiconductor material of the sensor plate 10.
  • the device 10 has two further thermocouples 34-60-64 and 36-62-66 Temperature sensors, which are electrically connected to the evaluation unit 38 via feed lines 34, 64 and 36, 66.
  • the material of the supply lines 64 and 66 is different from the material of the supply lines 34 and 36, the connections of the supply lines 34 and 64 on the one hand and 36 and 66 on the other hand being directly adjacent to the sensor plate 16.
  • the voltage differences occurring between the supply lines 34 and 64 on the one hand and 36 and 66 on the other hand are converted into absolute temperatures T x and T 2 in evaluation circuits 68, 70 which are arranged within the evaluation unit 38.
  • the voltage difference between the leads 34 and 36 is measured. Since the Seebeck coefficient can be calculated from the quotient of this voltage difference and the difference between the temperatures T 2 and T 2 , it is now possible to determine the associated Seebeck coefficient for any temperature value. In this way, the temperature profile of the Seebeck coefficient of the semiconductor material of the sensor plate 16 can be measured again at any time, as a result of which changes due to signs of aging of the semiconductor material can be taken into account for subsequent thermal analysis measurements. The average of the two measured temperatures T x and T 2 is taken as the temperature assigned to the calculated Seebeck coefficient. The support points of the Seebeck coefficient over temperature determined in this way create a compensation curve which forms the characteristic curve required for later thermal analysis measurements.
  • the characteristic curve can be recorded both in the heating and in the cooling mode of the device 10.
  • the time constant can also be recorded in the device 10 in order in relation to the determined value of the heating rate Device 10 to be adapted, whereby a minimal measurement time is achieved.
  • the previously customary metallic sensor plates can be replaced by a semiconducting ceramic with high thermal voltages such as suitably doped Si, Ge, Si-Ge, FeSi 2 or material based on Bi 2 Te 3 .
  • These materials have thermal stresses that are more than an order of magnitude higher than those of the usual metallic thermocouple materials. Similar or even higher values of thermal conductivity are achieved, which results in design variants with an extremely short time constant.
  • the sensitivity of a disc measuring system can easily be increased by an order of magnitude by using a semiconducting thermoelectric sensor plate without the design having to be changed significantly.
  • the constructional change of the measuring system consists essentially in the fact that instead of a single thermocouple line at each measuring point a pair of thermocouples is attached. Absolute temperature differences can be read out via both pairs in a regular calibration procedure a current sensor characteristic curve can be recorded continuously. Since all thermal analysis systems are now computerized, the constant updating of the conversion function is no longer a practical problem.
  • the measurement and evaluation method further development consists in the synchronous recording of two measuring voltages instead of one.
  • the absolute temperature difference between the sample and reference position is recorded simultaneously with the associated thermo-voltage measured value.
  • the current temperature profile of the thermal force of the sensor can be calculated therefrom by means of standard mathematical methods of the compensation calculation after the end of the temperature measurement series (in sections or over the entire temperature range).
  • the decisive advantage of this procedure lies in its methodical simplicity and in the low additional equipment expenditure.
  • FIG. 2 shows a top view of an alternative embodiment of the sensor plate 16 of FIG. 1.
  • this sensor plate is designated 16 '.
  • the parts of the sensor plate 16 ' correspond to those of the sensor plate 16 of FIG. 1, they are provided with the same reference symbols in FIG. 2.
  • Zones 18, 22 each have a specially designed connection area 48, in which a plurality of continuous recesses 50 with radially extending webs 52 are made in the sensor plate 16 '.
  • the coupling zones 18, 22 are therefore mechanically and electrically connected to the rest of the sensor plate 16 'via the connecting webs 52.
  • the connecting webs 52 also have a smaller thickness than the sensor plate 16 'in its remaining area. This spoke-like construction leads to an increased thermal resistance around the coupling zones 18, 22, which increases the measuring sensitivity of the sensor plate 16 '.
  • FIG. 3 shows a basic illustration of a differential thermal analysis device 10 "according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the sensor plate 16 "of the thermal analysis device 10" has a total of three coupling zones 18a “, 18b” and 18c "for three measuring samples and three coupling zones 22a", 22b “and 22c" for three reference samples.
  • the measuring samples and the reference samples must All pairs of measurement sample and reference sample coupling zones 18a “, 22a”, 18b “, 22b”, 18c “, 22c” are diametrically opposed to each other and thus central - symmetrical to the center of the sensor plate 16 "or mirror-symmetrical to one Line of symmetry arranged.
  • the coupling zones 18a “and 22a” have a first semiconductor material
  • the coupling zones 18b “and 22b” have a second semiconductor material
  • the coupling zones 18c “and 22c” have a third semiconductor material, which are either due to their semiconductor material or because of their doping (with respect to the Doping material and / or the doping concentration) differentiate.
  • a thermocouple 30a “-30c” and 32a "-32c” is assigned to each coupling zone. These thermocouples are connected in pairs to the evaluation unit 38 ′′.
  • thermoelectric semiconductor materials have been used for the coupling zones of these three pairs, voltages of different sizes result between the respectively assigned thermocouples 30a “, 32a” -30c ", 32c". This is because the maximum of the temperature profile of the Seebeck coefficient of the three thermoelectric semiconducting materials selected for the coupling zones is at different temperatures.
  • the evaluation unit 38 "selects the largest of the three (measuring) voltages supplied to it for the evaluation and carries out its calculations on the basis of this largest measuring voltage, which gives a uniformly maximum sensitivity of the sensor plate 16" over a wide temperature range.
  • FIGS. 5 and 6 A further exemplary embodiment of a sensor plate 16 ′′ ′′ with several different thermoelectric semiconducting materials is shown in FIGS. 5 and 6. It also applies here that those parts of the sensor plate 16 '''which correspond to those parts of the sensor plate 16 of FIG. 1 are identified by the same reference numerals, but with three lines.
  • the sensor plate 16 ′′ also has a plurality of measurement sample coupling zones 18a ′′ ′′ -18d ′′ ′′ and a plurality of reference sample coupling zones 22a ′′ ′′ -22d ′′ ′′, which are pair-symmetrically central to the center of the Sensor plate 16 ′′ ′′.
  • sensor plate 16 ′′ only one measurement sample position and one reference sample position are provided for sensor plate 16 ′′ ′′.
  • a crucible for the measurement sample contacts all four measurement sample coupling zones 18a '''-18d''', while the crucible for the reference sample contacts all reference sample coupling zones 22a '''-22d''''.
  • the individual coupling zones are designed in the manner of quarter circle surfaces, but are arranged at a distance from one another (see column 54 in FIGS. 5 and 6).
  • Each coupling zone is in turn provided with a thermocouple 30a '''-30d''' and 32a '''-32d''', the feed lines of which are fed in pairs to the evaluation unit. Since the measurement sample and reference sample coupling zones consist in pairs of identical semiconductor material and from pair to pair of different semiconductor materials, different voltage differences U1-U4 are established at the thermocouples assigned to the coupling zones of a pair.
  • the evaluation unit selects the largest of the voltage differences for evaluation purposes.
  • the measurement sample coupling zones and the reference sample coupling zones are connected by electrically insulating, highly heat-conducting ceramic disks 56 (generally disks made of electrically insulating material which is thermally well coupled to the coupling zones), which are each arranged in the middle of the coupling zones.
  • the crucibles for the measurement sample and the reference sample are placed on these ceramic disks 56.
  • FIGS. 5 and 6 described embodiment of the sensor plate 16 '' 'is particularly suitable when the same semiconductor base material, but with different doping is used for the coupling zones. Because of the proximity of the arrangement of the coupling zones, it is in fact expedient if they show the same temperature expansion behavior. This is best guaranteed if the base materials are the same and differ only slightly in the doping. In this way, the requirement that the sensor plate 16 '' 'should not be destroyed due to thermal stresses is satisfied.

Abstract

A differential thermoanalysis device (10) used to examine or determine the parameters of a test sample, especially the phase transition point or specific warmth of the test sample, by means of measurement. The inventive device consists of a heat source (12) and a sensor plate (16) coupled thereto. A test sample coupling zone (18) is arranged on said sensor plate for thermal coupling of a test sample (20), in addition to a reference sample coupling zone (22) for thermal coupling of a reference sample (24) exhibiting a known behaviour with respect to the parameter to be measured or examined. The sensor plate (16) consists of a ceramic or a monocrystalline or polycrystalline thermoelectric semiconductor material, at least inside the test sample and reference sample coupling zones (18, 22). The Seebeck coefficient and temperature development of the semiconductor material can be periodically measured and calculated in order to take the effects of ageing into account.

Description

Pifferenz-Thermoanalvse-Vorrichtung Difference thermal analysis device
Die Erfindung betrifft eine Differenz-Thermoanalyse- Vorrichtung zur meßtechnischen Untersuchung oder Ermittlung eines thermophysikalischen Parameters einer Meßprobe, insbesondere zur Untersuchung von Phasen- Übergängen oder zur Ermittlung der spezifischen Wärme der Meßprobe .The invention relates to a differential thermal analysis device for the metrological examination or determination of a thermophysical parameter of a test sample, in particular for the investigation of phase transitions or for determining the specific heat of the test sample.
Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtungen (DTA-Vorrichtungen) dienen zur (quantitativen) Untersuchung von Phasen- Übergängen sowie zur Messung der spezifischen Wärme einer Substanz. Beispiele hierfür sind in PCT-A-94/06000 und US-A-4 126 032 beschrieben. Im Fall der quantitativen Meßmöglichkeit spricht man auch vom Wärmestrom-Differenz- Kalorimeter (DSC) . Im folgenden soll nicht explizit zwischen diesen beiden Typen unterschieden werden, da ihnen dasselbe Meßprinzip zu Grunde liegt.Differential thermal analysis devices (DTA devices) are used for (quantitative) investigation of phase transitions and for measuring the specific heat of a substance. Examples of this are described in PCT-A-94/06000 and US-A-4 126 032. In the case of the quantitative measurement option, one also speaks of the heat flow differential calorimeter (DSC). In the following, no distinction should be made explicitly between these two types, since they are based on the same measuring principle.
Bei der Differenz-Thermoanalyse werden die zu untersuchende Meßprobe und eine Referenzprobe gleichzeitig einem vorgegebenen Temperaturverlauf unterworfen. Tritt eine Phasenumwandlung der Probe auf bzw. gibt es eine Differenz in der spezifischen Wärme zwischen Probe und Referenz, so macht sich dies in einer Temperaturdifferenz zwischen Probe und Vergleichssubstanz bemerkbar. Diese Temperaturdifferenz wird über geeignet an Probe und Referenzsubstanz angebrachte Thermoelemente detektiert und in eine elektrische Spannung umgewandelt . Diese Meßmethode ist seit Jahrzehnten etabliert und wird sowohl bei tiefen Temperaturen bis hinab in den Milli-Kelvin-Bereich als auch bei hohen Temperaturen bis über 2000 °C eingesetzt.In differential thermal analysis, the test sample to be examined and a reference sample are subjected to a predetermined temperature curve at the same time. If there is a phase change in the sample or there is a difference in the specific heat between the sample and the reference, this is noticeable in a temperature difference between the sample and the reference substance. This temperature difference is detected via thermocouples suitably attached to the sample and reference substance and converted into an electrical voltage. This measuring method has been established for decades and is used both at low temperatures down to the milli-Kelvin range and at high temperatures up to over 2000 ° C.
Die "Güte" oder "Effizienz" eines Systems mit dem oben erläuterten Meßprinzip wird dabei durch die Empfindlichkeit der Temperatur-Auflösung ξ und die Zeitkonstante der Anordnung τThe "quality" or "efficiency" of a system with the measuring principle explained above is determined by the sensitivity of the temperature resolution ξ and the time constant of the arrangement τ
bestimmt. Dabei hängt die Empfindlichkeit der Temperatur- Auflösung insbesondere von der Höhe der sich an den Thermoelementen ausbildenden Thermospannung ab. Diese sollte vorteilhaft besonders groß sein.certainly. The sensitivity of the temperature resolution depends in particular on the level of the thermal voltage that forms on the thermocouples. This should advantageously be particularly large.
Um einen großen Probendurchsatz zu erhalten, ist somit eine möglichst große Empfindlichkeit, d. h. große Temperatur-Auflösung bei möglichst geringer Zeitkonstante erwünscht .In order to obtain a large sample throughput, the greatest possible sensitivity, i. H. Large temperature resolution with the shortest possible time constant is desirable.
Bislang war es bedingt durch die relativ geringe Thermo- kraft der eingesetzten metallischen Thermoelement-So far, it was due to the relatively low thermal power of the metallic thermocouple used
Materialien nur möglich, lediglich einen dieser ParameterMaterials only possible, only one of these parameters
auf Kosten des anderen in Richtung größerer Effizienz des at the expense of the other towards greater efficiency of the
Meßsystems zu steigern. Eine hohe Auflösung wurde z. B. dadurch erreicht, daß nicht ein einzelnes Thermoelement zur Temperaturmessung verwendet wurde, sondern eineMeasuring system to increase. A high resolution was e.g. B. achieved in that not a single thermocouple was used for temperature measurement, but one
Thermosäule, die in den Probentiegel integriert wurde. Die dadurch erreichte Empfindlichkeitssteigerung eines solchen sogenannten Bechersystems geht allerdings mit einerThermopile integrated in the sample pan. The resulting increase in sensitivity of such a so-called cup system, however, goes with one
Vergrößerung der Zeitkonstanten einher, da sich durch die Ausführung in Bechergestalt die wirksame thermische Masse des Meßkopfes erhöht .Enlargement of the time constant goes hand in hand, since the effective thermal mass of the measuring head increases due to the design in the form of a cup.
Schnelle herkömmliche Meßanordnungen enthalten eine einzelne Sensorplatte aus einem metallischen Thermo- element-Material wie z. B. Chromel, Konstantan oder Platin, an der an zwei Stellen Thermoelement-Drähte angebracht sind. An diesen Positionen befinden sich die beiden Tiegel mit der Meßprobe und Vergleichs- bzw. Referenzprobe. Solch ein System wird auch als Scheiben- meßsystem bezeichnet. Da die Platte an den Tiegel- Positionen und in ihrer unmittelbaren Umgebung möglichst dünn ausgeführt ist, besitzt dieser Bereich eine sehr kleine thermische Masse und die Anordnung erreicht somit eine kleine Zeitkonstante. Allerdings ist das System wegen der geringen Thermospannungen der metallischen Thermo- element-Materialien relativ unempfindlich.Fast conventional measuring arrangements contain a single sensor plate made of a metallic thermocouple material such as. B. Chromel, constantan or platinum, at which two thermocouple wires are attached. The two crucibles with the measurement sample and the comparison or reference sample are located at these positions. Such a system is also called a disc measuring system. As possible, the plate at the crucible positions and in their immediate vicinity is thin, this area has a very small thermal mass and the arrangement thus achieves a small time constant. However, the system is relatively insensitive due to the low thermal stresses of the metallic thermocouple materials.
Herkömmliche Scheibenmeßsysteme aus metallischen thermo- elektrischen Legierungen weisen Zeitkonstanten um 10 s auf, die je nach Meßaufgabe eine Aufheizrate bis zu 100 K/Minute erlauben, wobei eine maximale Empfindlichkeit von 10 μV/mW erreicht wird. Bechersysteme erreichen Empfindlichkeiten von bis zu 100 μV/mW, wobei hier allerdings wegen der schlechten zeitlichen Auflösung (Zeitkonstanten größer als 30 s) nur Aufheizraten bis 20 K/Minute sinnvoll sind.Conventional disk measuring systems made of metallic thermoelectric alloys have time constants of around 10 s, which, depending on the measuring task, allow a heating rate of up to 100 K / minute, with a maximum sensitivity of 10 μV / mW being achieved. Cup systems achieve sensitivities of up to 100 μV / mW, although here, due to the poor temporal resolution (time constants greater than 30 s), only heating rates of up to 20 K / minute make sense.
Es sei noch angemerkt, daß z. B. aus US-A-5 , 059, 543 Strahlungsdetektoren bekannt sind, bei denen Halbleitermaterial als aktives Sensorelement eingesetzt wird.It should also be noted that e.g. B. from US-A-5, 059, 543 radiation detectors are known in which semiconductor material is used as an active sensor element.
Die Aufgabe eines Differenz-Thermoanalyse-Systems ist es, eine Temperaturdifferenz zwischen Probe und einer Vergleichssubstanz bei einem dynamischen Temperaturverlauf derart zu messen, daß möglichst quantitative Schlüsse über Umwandlungsenergien oder die spezifische Wärme möglich werden. Die Messung der Temperaturdifferenz kann dabei je nach Bauart und Aufgabenstellung auf unterschiedliche Weise erfolgen. Kommt es z. B. auf die Detektierung einer extrem geringen Umwandlungswärme an, so wird bisher vorzugsweise ein Bechersystem mit Thermosäule verwendet. Dies resultiert wegen der großen Zeitkonstanten in der Temperaturdifferenz-über-Zeit Darstellung in einem flachen Signal, welches nur langsam abklingt. Müssen dabei mehrere auf der Temperaturskala nahe beieinander liegende Umwandlungen aufgelöst werden, so kann der Fall eintreten, daß die Zeit-Auflösung auf Grund der großen Zeitkonstanten nicht mehr ausreicht.The task of a differential thermal analysis system is to measure a temperature difference between the sample and a reference substance in a dynamic temperature curve in such a way that quantitative conclusions about conversion energies or specific heat are possible. The temperature difference can be measured in different ways depending on the type and task. Is it z. B. on the detection of an extremely low conversion heat, so far preferably a cup system with a thermopile has been used. Because of the large time constants in the temperature difference-over-time display, this results in a flat signal which decays only slowly. If several conversions close to each other on the temperature scale have to be resolved, the case can occur, that the time resolution is no longer sufficient due to the large time constants.
Geht man in diesem Fall zum schnelleren herkömmlichen Scheibenmeßsystem über, so kann man auf Grund der kürzeren Zeitkonstanten die verschiedenen Signale voneinander trennen; verliert aber gleichzeitig Empfindlichkeit in der Auflösung der Temperaturdifferenz, so daß die Signale kleiner werden und unter Umständen ganz im Rauschen verschwinden.In this case, if you switch to the faster conventional disk measuring system, you can separate the different signals from each other due to the shorter time constants; but at the same time loses sensitivity in the resolution of the temperature difference, so that the signals become smaller and may disappear entirely in the noise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Differenz- Thermoanalyse-Vorrichtung zu schaffen, die bei geringen Zeitkonstanten eine maximale Empfindlichkeit der Temperatur-Auflösung gewährleistet .The invention has for its object to provide a differential thermal analysis device which ensures maximum sensitivity of the temperature resolution with low time constants.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung zur meßtechnischen Untersuchung oder Ermittlung eines thermophysikalischen Parameters einer thermophysikalischen Meßprobe, insbesondere zur Untersuchung von Phasenübergängen oder zur Ermittlung der spezifischen Wärme der Meßprobe vorgeschlagen, wobei die Differenz-Thermoanalyse- Vorrichtung versehen ist mit - einer Wärmequelle, einer thermisch mit der Wärmequelle gekoppelten Sensorplatte, auf der eine Meßproben-Ankoppelzone zur thermischen Ankopplung einer zu vermessenden Meßprobe und eine Referenzproben-Ankoppelzone zur thermischen Ankopplung einer Referenzprobe mit einem bezüglich des zu untersuchenden oder zu messenden Parameters bekannten Verhalten ausgebildet sind, wobei die Sensorplatte zumindest innerhalb ihrer Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen aus thermoelektrischem Halbleitermaterial besteht, das in keramischer oder ein- oder polykristalliner Form vorliegt, zwei jeweils als Thermoelemente ausgebildeten ersten Thermosensoren, die mit den Ankoppelzonen der Sensorplatte verbunden sind und eine die Temperaturdifferenz zwischen diesen repräsentierende Spannungsdifferenz ausgeben, zwei zweiten Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperaturen der Ankoppelzonen der Sensorplatte und einer Auswerteeinheit, die mit den Thermoelementen und den zweiten Temperatursensoren verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit während einer durch die Wärmequelle hervorgerufenen Erwärmung und/oder einer Abkühlung der Sensorplatte in zeitlichen Abständen die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Thermoelementen und die Temperaturwerte der beiden zweitenTo achieve this object, the invention proposes a differential thermal analysis device for the metrological examination or determination of a thermophysical parameter of a thermophysical test sample, in particular for the investigation of phase transitions or for determining the specific heat of the test sample, the differential thermal analysis device being provided with - a heat source, a sensor plate thermally coupled to the heat source, on which a measurement sample coupling zone for the thermal coupling of a measurement sample to be measured and a reference sample coupling zone for the thermal coupling of a reference sample with a behavior known with regard to the parameter to be examined or measured are formed The sensor plate, at least within its measurement sample and reference sample coupling zones, consists of thermoelectric semiconductor material which is in ceramic or monocrystalline or polycrystalline form. two first thermal sensors each designed as thermocouples, which are connected to the coupling zones of the sensor plate and output a voltage difference representing the temperature difference between them, two second temperature sensors for determining the temperatures of the coupling zones of the sensor plate and an evaluation unit which is connected to the thermocouples and the second temperature sensors is, the evaluation unit during a heating caused by the heat source and / or cooling of the sensor plate at time intervals the voltage difference between the two thermocouples and the temperature values of the two second
Temperatursensoren abfragt , anhand der sich aus den Temperaturmeßwerten der zweiten Thermosensoren ergebenden Temperaturdifferenz und der Spannungsdifferenz den Seebeck- Koeffizienten des Halbleitermaterials für dieQueries temperature sensors on the basis of the temperature difference resulting from the temperature measurement values of the second thermal sensors and the voltage difference the Seebeck coefficient of the semiconductor material for the
Temperatur der Sensorplatte zu den jeweiligen Abfragezeitpunkten ermittelt, aus den errechneten Werten für den Seebeck- Koeffizienten eine Kennlinie des Seebeck- Koeffizienten über der Temperatur der Sensorplatte bildet und eine anschließende Thermoanalyse unter Berücksichtigung der gemessenen Kennlinie des Seebeck- Koeffizienten durchführt.Temperature of the sensor plate determined at the respective times of inquiry, forms a characteristic curve of the Seebeck coefficient against the temperature of the sensor plate from the calculated values for the Seebeck coefficient and carries out a subsequent thermal analysis taking into account the measured characteristic curve of the Seebeck coefficient.
Bei der erfindungsgemäßen Differenz-Thermoanalyse- Vorrichtung speist eine Wärmequelle eine Sensorplatte, die mit der Wärmequelle thermisch gekoppelt ist . Auf der Sensorplatte sind mindestens eine Ankoppelzone zur thermischen Ankopplung der zu vermessenden Meßprobe und mindestens eine Ankoppelzone zur thermischen Ankopplung der Referenzprobe ausgebildet. Mit jeder Ankoppelzone sind zwei Temperatursensoren thermisch gekoppelt, von denen jeweils einer insbesondere als Thermoelement ausgebildet ist. Jedes Thermoelement stellt sich dabei als Kontakt- stelle einer Zuleitung (Thermoleitung) mit der Meßprobenbzw. Referenzproben-Ankoppelzone dar. Die beiden Thermoleitungen bestehen dabei jeweils aus einem Material, das von dem Material der Ankoppelzonen unterschiedlich ist. Zusammen mit der Sensorplatte bilden die zu einem geschlossenen elektrischen Kreis verbundenen Thermoleitungen damit ein Differenzthermoelement. Aufgrund des Seebeck-Effekts kommt es bei Erwärmung zu einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Zuleitungen des Differenzthermoelements zu den Ankoppelzonen, die charakteristisch ist für die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktstellen Zuleitung Meßproben-Ankoppelzone und Zuleitung Referenzproben-Ankoppelzone.In the differential thermal analysis device according to the invention, a heat source feeds a sensor plate which is thermally coupled to the heat source. At least one coupling zone for thermal coupling of the measurement sample to be measured and at least one coupling zone for thermal coupling are on the sensor plate of the reference sample. Two temperature sensors are thermally coupled to each coupling zone, one of which is in particular designed as a thermocouple. Each thermocouple acts as a contact point for a supply line (thermo line) with the test sample or Reference sample coupling zone. The two thermal lines each consist of a material that is different from the material of the coupling zones. Together with the sensor plate, the thermal lines connected to form a closed electrical circuit thus form a differential thermocouple. Due to the Seebeck effect, there is an electrical voltage when heated between the two leads of the differential thermocouple to the coupling zones, which is characteristic of the temperature difference between the two contact points of the measuring sample coupling zone and the reference sample coupling zone cable.
Über die beiden mit den Meßproben- und Referenzproben- Ankoppelzonen verbundenen Thermoleitungen stellt sich also eine Spannungsdifferenz ein, wenn diese beiden Zonen unterschiedlich stark erwärmt sind. Anhand des temperaturabhängigen Verlaufs des Seebeck-Koeffizienten des Materials der Ankoppelzonen kann damit eine Aussage über die Temperaturdifferenz getroffen werden.A voltage difference thus arises across the two thermal lines connected to the measurement sample and reference sample coupling zones if these two zones are heated to different extents. On the basis of the temperature-dependent course of the Seebeck coefficient of the material of the coupling zones, a statement can be made about the temperature difference.
Erfindungsgemäß besteht die Sensorplatte der Differenz- Thermoanalyse-Vorrichtung zumindest innerhalb ihrer Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen aus thermo- elektrischem Halbleitermaterial, das in keramischer oder ein- oder polykristalliner Form vorliegt.According to the invention, the sensor plate of the differential thermal analysis device consists, at least within its measurement sample and reference sample coupling zones, of thermoelectric semiconductor material which is in ceramic or monocrystalline or polycrystalline form.
Der entscheidende Nachteil der bekannten Scheibensysteme, nämlich die relativ geringe Empfindlichkeit, kann erfindungsgemäß durch die Verwendung von keramischem, ein- oder polykristallinem halbleitendem Material mit thermo- elektrischen Eigenschaften überwunden werden. Derartige Materialien zeigen nämlich bei gleichen oder sogar verminderten Zeitkonstanten in einem wenn auch begrenzten Temperaturbereich eine erheblich gesteigerte Empfindlichkeit, da sie in diesem Temperaturbereich wesentlich höhere Seebeck-Koeffizienten aufweisen. Der begrenzte Temperaturbereich resultiert daraus, daß verbunden mit dem für Halbleiter typischen Temperaturverlauf des Leitungsverhaltens der Seebeck-Koeffizient (oft auch als "Thermokraft " bezeichnet) im Bereich seiner höchsten Werte ein charakteristisches Maximum ausbildet .The decisive disadvantage of the known disk systems, namely the relatively low sensitivity, can be achieved according to the invention by using ceramic, single or polycrystalline semiconducting material with thermoplastic electrical properties can be overcome. Such materials show a significantly increased sensitivity with the same or even reduced time constants in a temperature range, even if limited, since they have significantly higher Seebeck coefficients in this temperature range. The limited temperature range results from the fact that, combined with the temperature profile of the conduction behavior typical of semiconductors, the Seebeck coefficient (often also referred to as "thermal force") forms a characteristic maximum in the range of its highest values.
Die Verwendung halbleitender Materialien für die Sensorplatte bringt jedoch die Schwierigkeit mit sich, daß derartige Materialien Alterungserscheinungen aufweisen, die quantitativ in die Thermoanalyse-Messungen eingehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher mit einer Selbstkalibrierung zur Überprüfung und Anpassung der Kennlinie des Seebeck-Koeffizienten des Halbleitermaterials hinsichtlich ihrer alterungsbedingten Veränderungen versehen. Diese Selbstkalibrierung macht es möglich, langzeitliche Alterungsprozesse (d.h. meßbare Kennlinienänderungen im Zeitraum von wenigen Stunden bis einigen Wochen oder Monaten) regelmäßig und automatisch zu kontrollieren und insbesondere computergestützt zu korrigieren. Dadurch wird die Verwendung hochempfindlicher keramischer Sensorplatten aus ein- oder polykristallinem halbleitendem Material über einen längeren Zeitraum praktisch einsetzbar.However, the use of semiconducting materials for the sensor plate brings with it the difficulty that such materials have signs of aging which are included quantitatively in the thermal analysis measurements. The device according to the invention is therefore provided with a self-calibration for checking and adapting the characteristic of the Seebeck coefficient of the semiconductor material with regard to its age-related changes. This self-calibration makes it possible to regularly and automatically check long-term aging processes (i.e. measurable changes in the characteristic curve in the period from a few hours to a few weeks or months) and, in particular, to correct them with the aid of a computer. This makes the use of highly sensitive ceramic sensor plates made of single or polycrystalline semiconducting material practically usable over a longer period of time.
Die Selbstkalibrierung wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch möglich, daß die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Ankoppelzonen meßtechnisch erfaßt wird. Dies kann durch TemperaturSensoren erfolgen, die die lokalen Temperaturen der beiden Ankoppelzonen messen. Insbesondere sind diese Temperatursensoren wiederum als Thermoelemente ausgebildet, wobei es ausreicht, jeweils eine zusätzliche Zuleitung, bestehend aus einem anderen Material als dem der Thermoleitungen des Differenz- thermoelements, die zur Erzeugung der temperaturdifferenz- proportionalen Spannung an den Ankoppelzonen angebracht sind, mit jeder der Ankoppelzonen zu verbinden. Anhand der Spannungsdifferenz und der Temperaturdifferenz läßt sich damit der Seebeck-Koeffizient des Halbleitermaterials der Sensorplatte bzw. der Ankoppelzonen berechnen, und zwar nach der FormelSelf-calibration is possible in the device according to the invention by measuring the temperature difference between the two coupling zones. This can be done using temperature sensors that measure the local temperatures of the two coupling zones. In particular, these temperature sensors are in turn as Thermocouples formed, it being sufficient to connect an additional supply line, consisting of a different material than that of the thermal lines of the differential thermocouple, which are attached to the coupling zones to generate the temperature difference proportional voltage, with each of the coupling zones. The voltage difference and the temperature difference can be used to calculate the Seebeck coefficient of the semiconductor material of the sensor plate or the coupling zones, using the formula
S = ΔU / ΔT.S = ΔU / ΔT.
Die auf diese Weise für unterschiedliche Temperaturen errechneten Seebeck-Koeffizienten werden als Stützstellen für eine Kennlinie verwendet, die in der Auswerteeinheit errechnet und abgelegt wird. Auf der Basis dieser Kennlinie wird die eigentliche Thermoanalyse durchgeführt.The Seebeck coefficients calculated in this way for different temperatures are used as support points for a characteristic curve which is calculated and stored in the evaluation unit. The actual thermal analysis is carried out on the basis of this characteristic.
Zweckmäßig ist es, die Kennlinienberechnung von Zeit zu Zeit zu wiederholen, was im übrigen parallel zu einer Thermoanalyse-Messung erfolgen kann, bei der, wie zur Berechnung der Kennlinien erforderlich, die Sensorplatte ebenfalls erwärmt wird. Weicht die Kennlinie, beispiels- weise aufgrund extremer Alterungserscheinungen, von einer vorgegebenen Kennlinie um mehr als ein maximal zu tolerierendes Maß ab, so wird dies vorzugsweise optisch oder akustisch angezeigt, so daß der Benutzer der Vorrichtung insoweit unterrichtet ist.It is expedient to repeat the calculation of the characteristic curve from time to time, which can also be done in parallel to a thermal analysis measurement in which, as required to calculate the characteristic curves, the sensor plate is also heated. If the characteristic curve deviates from a predetermined characteristic curve by more than a maximum tolerable amount, for example due to extreme signs of aging, this is preferably indicated optically or acoustically, so that the user of the device is informed in this respect.
Der Seebeck-Koeffizient wird auf die obige Weise für mehrere Temperaturwerte ermittelt. Zur Ermittlung der (mittleren) Temperatur der Sensorplatte kann ein zusätzlicher Sensor dienen. Dieser zusätzliche Sensor kann jedoch dadurch eingespart werden, daß der Mittelwert der beiden von den zweiten Temperatursensoren gelieferten Temperaturwerte gebildet wird.The Seebeck coefficient is determined in the above manner for several temperature values. An additional sensor can be used to determine the (average) temperature of the sensor plate. However, this additional sensor can be saved in that the average of the two temperature values supplied by the second temperature sensors is formed.
Die hohe Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Differenz- Thermoanalyse-Vorrichtung wird also durch spezielle halbleiterphysikalische Effekte des zumindest für die Ankoppelzonen verwendeten Halbleitermaterials bewirkt, wobei diese Effekte unlösbar mit der spezifischen Temperaturcharakteristik des Seebeck-Koeffizienten verbunden sind. Bei typischer Bandleitung, die bei den höchst-effizienten thermoelektrischen Halbleitern überwiegend vorliegt, steigt der Seebeck-Koeffizient mit der Temperatur stetig an, bevor er beim Einsetzen der Eigenleitung wieder abnimmt und bis auf sehr geringe Werte abfällt. Innerhalb eines begrenzten Temperaturintervalls von maximal einigen 100 K kann also der Vorteil einer extrem hohen Empfindlichkeit mit der erfindungsgemäßen Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung ausgenutzt werden.The high sensitivity of the differential thermal analysis device according to the invention is thus brought about by special semiconductor physical effects of the semiconductor material used at least for the coupling zones, these effects being inextricably linked to the specific temperature characteristic of the Seebeck coefficient. In the case of a typical ribbon cable, which is predominantly present in the most efficient thermoelectric semiconductors, the Seebeck coefficient rises steadily with temperature before it decreases again when the intrinsic cable is inserted and drops to very low values. Within a limited temperature interval of a maximum of a few 100 K, the advantage of an extremely high sensitivity can thus be exploited with the differential thermal analysis device according to the invention.
Um das Meßprinzip der Differenz-Thermoanalyse breitbandig in der Praxis einsetzen zu können, sollte die Differenz- Thermoanalyse-Vorrichtung über einen weiten Temperaturbereich eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Empfindlichkeit (und Temperatur-Auflösung) , also eine gleichmäßig große Thermospannung aufweisen. Aufgrund des heutigen Kenntnisstandes ist man stets davon ausgegangen, daß diese Anforderung nur von metallischen Sensorplatten befriedigt werden kann'.' Diese Systeme weisen zwar geringe Werte des Seebeck-Koeffizienten auf, die jedoch zu hohen Temperaturen hin ansteigen bzw. sich bei mittleren Werten stabilisieren. Zudem sind die bekannten metallischen Sensoren gut strukturiert, durch die hohen Ladungsträgerdichten der Metalle unempfindlich gegen Verunreinigungen sowie phasenstabil. Letzteres ist insbesondere für ein derart empfindliches Meßsystem, wie es die Differenz- Thermoanalyse darstellt, von Bedeutung. Mit der Erfindung, nämlich dem Einsatz thermoelektrischer Halbleitermaterialien mit der Möglichkeit der Bestimmung des sich aufgrund von Alterungen des Halbleitermaterials verändernden Temperaturabhängigkeit des Seebeck- Koeffizienten der Sensorplatte bzw. des aktiven Sensorelements einer Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung, lassen sich jedoch auch Thermoanalyse-Systeme mit hoher Empfindlichkeit über einen weiten Temperaturbereich realisieren. Die Lösung dieses Problems besteht erfindungsgemäß darin, daß die Sensorplatte eine Kombination mehrerer verschiedener Halbleitermaterialien mit in unterschiedlichen Temperaturbereichen höchster Empfindlichkeit (Thermokraft ) aufweist. Die charakteristische Temperatur nämlich, bei der der Abfall des Seebeck-Koeffizienten von halbleitenden Materialien einsetzt, wird durch die Dotierungskonzentration sowie die Breite der Bandlücke im Halbleiter bestimmt. Die Bandlücke ist ein materialspezifischer Parameter und variiert von Material zu Material . Bei den meisten Standardhalbleitern kann die Dotierungskonzentration über mehrere Zehnerpotenzen definiert eingestellt werden. Damit kann das Einsetzen der Eigenleitung und damit das Maximum des Seebeck-Koeffizienten praktisch für eine vorgegebene Temperatur "programmiert" werden. Durch Kombination von lediglich zwei oder drei speziell abgestimmten Halbleitermaterialien kann der für praktische Meßsysteme relevante Temperaturbereich bereits abgedeckt werden.In order to be able to use the measuring principle of differential thermal analysis broadly in practice, the differential thermal analysis device should have an essentially uniformly high sensitivity (and temperature resolution) over a wide temperature range, that is to say a uniformly large thermal voltage. Based on the current state of knowledge, it has always been assumed that this requirement can only be met by metallic sensor plates ' . ' Although these systems have low values of the Seebeck coefficient, they rise to high temperatures or stabilize at medium values. In addition, the known metallic sensors are well structured, due to the high charge carrier densities of the metals insensitive to impurities and phase stable. The latter is particularly important for such a sensitive measuring system as the differential thermal analysis. With the invention, namely the use of thermoelectric semiconductor materials with the possibility of determining the temperature dependency of the Seebeck coefficient of the sensor plate or the active sensor element of a differential thermal analysis device that changes as a result of aging of the semiconductor material, however, thermal analysis systems with a high level can also be used Realize sensitivity over a wide temperature range. According to the invention, the solution to this problem is that the sensor plate has a combination of several different semiconductor materials with the highest sensitivity (thermal force) in different temperature ranges. The characteristic temperature at which the Seebeck coefficient of semiconducting materials begins to fall is determined by the doping concentration and the width of the band gap in the semiconductor. The band gap is a material-specific parameter and varies from material to material. For most standard semiconductors, the doping concentration can be set in a defined manner over several powers of ten. In this way, the onset of self-conduction and thus the maximum of the Seebeck coefficient can be practically "programmed" for a given temperature. By combining only two or three specially matched semiconductor materials, the temperature range relevant for practical measuring systems can already be covered.
Die zuvor beschriebene in Bezug auf die Vergrößerung des Temperaturbereichs abzielende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung kann auf zweierlei grundsätzlich verschiedene Weisen realisiert werden. Beiden Varianten ist gemeinsam, daß die Sensorplatte mehrere Paare aus jeweils einer Meßproben- und einer Referenzproben-Ankoppelzone aufweist, wobei die beiden Ankoppelzonen innerhalb eines Paares aus demselben Halbleitermaterial mit denselben thermoelektrischen Eigenschaften bestehen, die Halbleitermaterialien bzw. deren thermoelektrische Eigenschaften sich jedoch von Paar zu Paar unterscheiden. Die Ankoppelzonen jedes Paares sind zentralsymmetrisch auf der Sensorplatte angeordnet, wobei im Symmetriezentrum der Sensorplatte oder zentral - symmetrisch von außen die Einspeisung der Wärmeleistung durch die Wärmequelle erfolgt. Bei der ersten Realisierungsvariante sind die einzelnen Ankoppelzonen derart weit voneinander beabstandet, daß mit mehreren identischen Meßproben und mehreren identischen Referenz- proben gearbeitet wird. Jede Meßprobe bzw. jede Referenz- probe ist dabei also mit einer einzigen Ankoppelzone thermisch gekoppelt. Sämtliche Ankoppelzonen sind mit Temperatursensoren, insbesondere Thermoelementen versehen, deren AusgangsSpannungen der Auswerteeinheit zugeführt werden. Die Auswerteeinheit wählt nun für die Differenz- messung dasjenige Ankoppelzonenpaar aus, deren zugehörige Temperatursensoren die größten AusgangsSpannungen liefert.The above-described further development of the differential thermal analysis device according to the invention aimed at increasing the temperature range can be implemented in two fundamentally different ways. Both variants have in common that the sensor plate has several pairs, each of a measurement sample and a reference sample coupling zone, the two coupling zones within a pair of the same Semiconductor material with the same thermoelectric properties exist, but the semiconductor materials or their thermoelectric properties differ from pair to pair. The coupling zones of each pair are arranged centrally symmetrically on the sensor plate, with the heat output being fed in by the heat source in the center of symmetry of the sensor plate or centrally - symmetrically from the outside. In the first implementation variant, the individual coupling zones are spaced apart from one another to such an extent that several identical measurement samples and several identical reference samples are used. Each measurement sample or reference sample is thus thermally coupled to a single coupling zone. All coupling zones are provided with temperature sensors, in particular thermocouples, the output voltages of which are fed to the evaluation unit. The evaluation unit now selects the coupling zone pair for the difference measurement whose associated temperature sensors deliver the greatest output voltages.
Der oben beschriebene Aufbau der Sensorplatte macht es erforderlich, daß mehrere identische Meßproben gleichzeitig vermessen bzw. untersucht werden. Dies kann je nach Meßprobe problematisch sein, und zwar dann, wenn die Menge an zu untersuchender Substanz begrenzt ist. Für einen derartigen Fall bietet es sich an, unterschiedliche Halbleitermaterialien in einer gemeinsamen Ankoppelzone zu konzentrieren, wobei diese einzelnen Ankoppelteilzonen derart dicht benachbart zueinander angeordnet sind, daß sie sämtlich gleichzeitig in thermischem Kontakt mit einer Meßprobe bzw. einer Referenzprobe stehen. Auch bei dieser Ausgestaltung der Sensorplatte gilt, daß die einzelnen Ankoppelteilzonen zentralsymmetrisch angeordnet sind. Als geometrische Form einer Ankoppelzone bietet sich beispielsweise eine Kreisfläche an. Bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung der Sensorplatte mit pro Meßproben- bzw. Referenzproben-Ankoppelzone mehreren Teil- zonen ist es insoweit zweckmäßig, ganzzahlige Teilflächen der Kreisfläche mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien zu belegen, wobei die einzelnen Teilflächen elektrisch gegeneinander isoliert sind.The structure of the sensor plate described above makes it necessary that several identical measurement samples are measured or examined simultaneously. Depending on the test sample, this can be problematic, especially when the amount of substance to be examined is limited. For such a case, it makes sense to concentrate different semiconductor materials in a common coupling zone, these individual coupling sub-zones being arranged so closely adjacent to one another that they are all in thermal contact with a measurement sample or a reference sample at the same time. In this embodiment of the sensor plate, too, the individual coupling partial zones are arranged in a centrally symmetrical manner. A circular area is an example of a geometrical shape for a coupling zone. In the previously described configuration of the sensor plate with pro To this extent, it is expedient to cover whole-numbered partial areas of the circular area with different semiconductor materials, the individual partial areas being electrically insulated from one another.
Für die Empfindlichkeit der Messung ist es erforderlich, wenn die Sensorplatte um die einzelnen Ankoppelzonen herum eine thermische Widerstandskonzentration aufweisen. Zu große thermische Widerstände jedoch wirken sich nachteilig auf die Zeitkonstante des Gesamtsystems aus, die grundsätzlich mit größer werden dem thermischen Widerstand der Sensorplatte ansteigt. Durch Wahl geeigneter Materialien kann hier ein Kompromiß gefunden werden, der bei noch vertretbaren Zeitkonstanten ausreichend große Wärmewiderstände um die Ankoppelzonen herum entstehen läßt, was wiederum insoweit auf die Empfindlichkeit positiv einwirkt, als der Wärmefluß von den Ankoppelzonen zum Rest der Sensorplatte behindert ist und sich dadurch eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen Ankoppelzone und Hauptmasse der Sensorplatte ausbildet .For the sensitivity of the measurement, it is necessary if the sensor plate has a thermal resistance concentration around the individual coupling zones. Too large thermal resistances, however, have a disadvantageous effect on the time constant of the overall system, which in principle increases as the thermal resistance of the sensor plate increases. By choosing suitable materials, a compromise can be found here that, with reasonable time constants, allows sufficiently large thermal resistances to develop around the coupling zones, which in turn has a positive effect on the sensitivity in that the heat flow from the coupling zones to the rest of the sensor plate is impeded and is thereby affected forms an increased temperature difference between the coupling zone and the main mass of the sensor plate.
Eine Erhöhung des Wärmewiderstandes um die Ankoppelzonen herum läßt sich konstruktiv dadurch realisieren, daß die Menge an Material im Bereich zwischen den Ankoppelzonen und dem Rest der Sensorplatte verringert wird. Dies wiederum kann durch eine Verringerung der Dicke der Sensorplatte im Verbindungsbereich zwischen den Ankoppelzonen und der Hauptmasse der Sensorplatte und/oder durch Einbringung von Aussparungen in diesen Verbindungsbereich realisiert werden. Die Aussparungen können durch eine Ätztechnik, durch Laserschneiden, mechanisches Schleifen o. dgl . an sich bekannte Materialbearbeitungstechniken realisiert werden. Um den thermischen Widerstand zwischen den Ankoppelzonen und den Meß- bzw. Referenzproben zu verringern, ist es zweckmäßig, auf die Ankoppelzonen eine Metallbeschichtung aufzubringen. Hierfür bieten sich insbesondere Ni , Au, Mo, Pt, AI bzw. Legierungen daraus an, wobei die Dicke der Metallbeschichtung allgemein zwischen 0,1 und 500 μm liegen sollte. Zur Unterdrückung von Störsignalen durch Phasenumwandlungen zwischen dem halbleitenden Material der Ankoppelzonen und der Metallisierung ist es zweckmäßig, zwischen das halbleitende Material und die Metallbeschichtung eine Schutzschicht anzuordnen, bei der es sich vorzugsweise um ein Oxid handelt. Zum Schutz vor äußeren Verunreinigungen der halbleitenden Materialien der Sensorplatte ist es zweckmäßig, diese mit einer nicht leitenden chemisch inerten Beschichtung, insbesondere Si02, SiN, Al203 zu versehen.An increase in the thermal resistance around the coupling zones can be realized constructively by reducing the amount of material in the area between the coupling zones and the rest of the sensor plate. This in turn can be achieved by reducing the thickness of the sensor plate in the connection area between the coupling zones and the main mass of the sensor plate and / or by introducing cutouts in this connection area. The recesses can be made by an etching technique, by laser cutting, mechanical grinding or the like. known material processing techniques can be realized. In order to reduce the thermal resistance between the coupling zones and the measurement or reference samples, it is expedient to apply a metal coating to the coupling zones. Ni, Au, Mo, Pt, Al or alloys thereof are particularly suitable for this, the thickness of the metal coating generally being between 0.1 and 500 μm. In order to suppress interference signals due to phase changes between the semiconducting material of the coupling zones and the metallization, it is expedient to arrange a protective layer between the semiconducting material and the metal coating, which is preferably an oxide. To protect against external contamination of the semiconducting materials of the sensor plate, it is advisable to provide it with a non-conductive, chemically inert coating, in particular Si0 2 , SiN, Al 2 0 3 .
Für den Aufbau der mit Ankoppelzonen aus thermo- elektrischem halbleitendem keramischem oder ein- oder polykristallinem Halbleitermaterial als aktivem Material versehenen Sensorplatte bieten sich diverse Lösungskonzepte an. So ist es beispielsweise möglich, daß die Sensorplatte aus Metall oder einem anderen Grundmaterial mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei in die Platte für jede zu schaffende Ankoppelzone eine Scheibe oder ein Stück aus halbleitendem thermoelektrischem Material eingesetzt, eingeschweißt, eingelötet oder in anderer Weise fixiert ist. Über das Grundmaterial sind die mindestens zwei Ankoppelzonen elektrisch miteinander verbunden, so daß durch die Thermoelemente die erforderliche Temperaturdifferenzmessung unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts erfolgen kann. Alternativ zu dem vorstehend genannten Aufbau bietet sich an, die Sensorplatte aus isolierendem oder elektrisch schlecht leit- fähigem Material (beispielsweise Oxidkeramik, Saphir, Glimmer, niedrig dotierter Halbleiter) herzustellen, wobei die Sensorplatte ein oder mehrere Schichten oder Leiterbahnen aus keramischen oder kristallinen thermo- elektrischen Halbleitern tragen, die die Ankoppelzonen bilden und miteinander elektrisch verbinden. Schließlich ist es auch denkbar, die Sensorplatte aus elektrisch isolierendem bzw. schlecht leitfähigem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit herzustellen, wobei die elektrischen Kontakte zwischen den hochempfindlichen Ankoppelzonen, die in obiger Weise auf bzw. in der Sensorplatte angeordnet sind, durch eine aufgebrachte Metallisierung bzw. andersartige metallischer Verbindungen hergestellt wird.Various solution concepts are available for the construction of the sensor plate provided with coupling zones made of thermoelectric semiconducting ceramic or monocrystalline or polycrystalline semiconductor material as the active material. For example, it is possible for the sensor plate to be made of metal or another base material with good thermal conductivity, a disk or piece of semiconducting thermoelectric material being inserted, welded, soldered or otherwise fixed into the plate for each coupling zone to be created. The at least two coupling zones are electrically connected to one another via the base material, so that the required temperature difference measurement can be carried out using the Seebeck effect by means of the thermocouples. As an alternative to the structure mentioned above, it makes sense to manufacture the sensor plate from insulating or electrically poorly conductive material (for example oxide ceramic, sapphire, mica, lightly doped semiconductors) the sensor plate carries one or more layers or conductor tracks made of ceramic or crystalline thermoelectric semiconductors, which form the coupling zones and connect them electrically. Finally, it is also conceivable to manufacture the sensor plate from electrically insulating or poorly conductive material with good thermal conductivity, the electrical contacts between the highly sensitive coupling zones, which are arranged in the above manner on or in the sensor plate, by means of an applied metallization or otherwise metallic connections is made.
Als halbleitendes thermoelektrisches Material kommen insbesondere die nachfolgend genannten Werkstoffe zum Einsatz:In particular, the following materials are used as the semiconducting thermoelectric material:
Si1_xGex mit x zwischen 0 und 1 (einschließlich) , dotiert mit P, Ga, As oder B oder anderen Zusätzen, insbesondere mit Ladungsträgerdichten zwischen 1015 und 1021 cm"3,Si 1 _ x Ge x with x between 0 and 1 (inclusive), doped with P, Ga, As or B or other additives, in particular with charge carrier densities between 10 15 and 10 21 cm "3 ,
FeSi2 dotiert mit Co, AI, Mn, Ni oder Cr, ihren Kombinationen oder weiteren Elementen, so daß die Ladungsträgerdichte Werte zwischen 1015 und 1021 cm"3 annimmt, - Bi2 (Te1_xSex)3 mit x zwischen 0 und 1 (einschließlich) , so dotiert (z. B. mit J, Cl, Sn, o. dgl . oder mittelsFeSi 2 doped with Co, Al, Mn, Ni or Cr, their combinations or other elements, so that the charge carrier density assumes values between 10 15 and 10 21 cm "3 , - Bi 2 (Te 1 _ x Se x ) 3 with x between 0 and 1 (inclusive), so doped (e.g. with J, Cl, Sn, or the like or by means of
Te- oder Se-Überschuß) , daß die LadungsträgerdichteTe or Se excess) that the charge carrier density
Werte zwischen 1015 und 1021 cm"3 annimmt,Assumes values between 10 15 and 10 21 cm "3 ,
(Bi^Sb 2Te3 mit x zwischen 0 und 1 (einschließlich), so dotiert (z. B. mit Pb, Ge, o. dgl. oder mittels Bi- oder Sb-Überschuß) , daß die Ladungsträgerdichte Werte zwischen 1015 und 1021 cm"3 annimmt, und Halbleiter, die durch geeignete Dotierungen Störband- leitungseffekte ("hopping conductivity" ) oder Polaronen-Effekte zeigen, und die daher in der Lage sind, die ThermoSpannung über breite Temperatur- bereiche hinweg zu erhöhen. Hier sind insbesondere die Materialien AlB12, FeSi2 und B1_XCX zu nennen.(Bi ^ Sb 2 Te 3 with x between 0 and 1 (inclusive), doped (e.g. with Pb, Ge, or the like or using an excess of Bi or Sb) such that the charge carrier density values between 10 15 and 10 assumes 21 cm "3 , and semiconductors which, by suitable doping, exhibit interference band line effects (" hopping conductivity ") or polaron effects, and which are therefore able to measure the thermal voltage over a wide temperature range. areas to increase. The materials AlB 12 , FeSi 2 and B 1 _ X C X should be mentioned here in particular.
Der derzeit größte Markt für Thermoanalyse-Geräte ist die Qualitätskontrolle in der materialherstellenden und -verarbeitenden Industrie. Hier ist insbesondere der Polymerbereich zu nennen, wo Polymerisationsverhalten in Temperaturbereichen bis 400 °C getestet wird. Für diesen Markt gibt es etablierte Geräte; teilweise mit automatischem Probenwechsler. Die erreichbaren Empfindlichkeiten der heutigen Scheibenmeßsysteme sind hier ausreichend. Trotzdem kann eine Verbesserung durch die erfindungsgemäße Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung erzielt werden, da die gesteigerte Empfindlichkeit eine höhere Heizrate ermöglicht und damit die Zykluszeit für die gesamte Messung verkürzt .The currently largest market for thermal analysis devices is quality control in the material manufacturing and processing industry. The polymer range should be mentioned here in particular, where polymerisation behavior is tested in temperature ranges up to 400 ° C. There are established devices for this market; some with automatic sample changer. The achievable sensitivities of today's disc measuring systems are sufficient here. Nevertheless, an improvement can be achieved by the differential thermal analysis device according to the invention, since the increased sensitivity enables a higher heating rate and thus shortens the cycle time for the entire measurement.
Seit zwei Jahren beginnt ein neuer Markt für Thermoanalyse-Geräte zu wachsen. Dies ist der Bereich der Lebensmittelkontrolle, in dem die Qualität von Fetten, Stärken, Eiweißen etc. an ihrem Schmelz- bzw. Vernetzungs- oder Denaturierungsverhalten beurteilt wird. Dies spielt sich in der Regel bei Temperaturen unter 150 °C ab. Hier sind die Wärmetönungen bei der Vernetzung oder Umwandlungen so gering, daß sie mit derzeitigen Scheiben- meßsystemen nicht aufgelöst werden können. Deshalb mußte hier bislang auf die empfindlicheren aber langsamen Bechersysteme zurückgegriffen werden.A new market for thermal analysis devices has been growing for two years. This is the area of food control in which the quality of fats, starches, proteins etc. is assessed based on their melting, cross-linking or denaturing behavior. This usually happens at temperatures below 150 ° C. In this case, the heat effects during networking or conversions are so low that they cannot be resolved with current disc measuring systems. For this reason, the more sensitive but slow cup systems had to be used up to now.
Hier stellt sich der wohl größte Markt für die erfindungs- gemäße Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung dar. Eine Abschätzung hat ergeben, daß eine Empfindlichkeits- steigerung gegenüber den üblichen Scheibenmeßsystemen um den Faktor 4 ausreicht, um allen geforderten Ansprüchen gerecht zu werden. Dieses System ist bereits empfindlich genug, ausreichend schnell und automatisierbar. Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:This is arguably the largest market for the differential thermal analysis device according to the invention. An estimate has shown that an increase in sensitivity by a factor of 4 compared to the conventional disk measuring systems is sufficient to meet all the requirements required. This system is already sensitive enough, fast enough and automatable. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. In detail show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung unterFig. 1 is a schematic representation of the structure of a differential thermal analysis device
Verwendung einer Halbleiter-Sensorplatte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit meßtechnischer Aktualisierung des Temperaturverlaufs des Seebeck-Koeffizienten des Halbleitermaterials zur Erfassung und Korrektur seiner Alterungsvorgänge ,Use of a semiconductor sensor plate according to a first exemplary embodiment with measurement-related updating of the temperature profile of the Seebeck coefficient of the semiconductor material to record and correct its aging processes,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Sensorplatte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit auf konstruktive Weise realisierter Wärmewiderstands- konzentration um die Meßproben- und Referenzproben-Positionen,2 shows a plan view of a sensor plate according to a second exemplary embodiment of the invention with a heat resistance concentration implemented in a constructive manner around the measurement sample and reference sample positions,
Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung einer Differenz- Thermoanalyse-Vorrichtung gemäß einem weiterenFig. 3 is a schematic representation of a differential thermal analysis device according to another
Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Sensorplatte mehrere Referenzproben- und Meßproben-Positionen mit unterschiedlichen halbleitenden Materialien aufweist .Embodiment of the invention, in which the sensor plate has several reference sample and measurement sample positions with different semiconducting materials.
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Sensorplatte der Vorrichtung gemäß Fig. 3,4 shows a plan view of the sensor plate of the device according to FIG. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht von oben auf die Sensorplatte einer weiteren Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung undFig. 5 is a plan view from above of the sensor plate of a further differential thermal analysis device and
Fig. 6 eine Unteransicht der Sensorplatte gemäß Fig. 5.6 is a bottom view of the sensor plate according to FIG. 5.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Differenz -Thermoanalyse-Vorrichtung 10 prinzipiell darge- stellt. Diese Vorrichtung 10 weist eine Wärmequelle 12 auf, deren Wärme über einen thermisch gekoppelten Stab 14 oder eine äußere Umhüllung, Kapsel o. dgl. einer scheibenförmigen Sensorplatte 16 zugeführt wird. Die Sensorplatte 16 ist thermisch mit dem Stab 14 gekoppelt, wobei der Stab 14 im Mittelpunkt der Sensorplatte 16 oder an ihrem Umfang mit dieser verbunden ist. Auf der Sensorplatte 16 sind eine Ankoppelzone 18 für eine Meßprobe 20 und eine Ankoppelzone 22 für eine Referenzprobe 24 ausgebildet. Diese beiden Ankoppelzonen 18,22 sind diametral einander gegenüberliegend und damit zentralsymmetrisch zum Mittelpunkt der Sensorplatte 16 angeordnet. Die Meßprobe 20 und die Referenzprobe 24 sind in Tiegeln 26,28 untergebracht, die in thermisch gut leitendem Kontakt auf den Ankoppelzonen 18,22 stehen. Die Sensorplatte 16 besteht durchgehend aus einem keramischen, ein- oder polykristallinen thermoelektrischen halbleitenden Material, bei dem es sich insbesondere um einen der in der Beschreibungseinleitung genannten Werkstoffe handelt. An der Unterseite der Sensorplatte 16 im Bereich der1 shows a first exemplary embodiment of a differential thermal analysis device 10 in principle poses. This device 10 has a heat source 12, the heat of which is fed via a thermally coupled rod 14 or an outer covering, capsule or the like to a disk-shaped sensor plate 16. The sensor plate 16 is thermally coupled to the rod 14, the rod 14 being connected to the center of the sensor plate 16 or at its periphery. A coupling zone 18 for a measurement sample 20 and a coupling zone 22 for a reference sample 24 are formed on the sensor plate 16. These two coupling zones 18, 22 are diametrically opposed to one another and thus centrally symmetrical to the center of the sensor plate 16. The measurement sample 20 and the reference sample 24 are accommodated in crucibles 26, 28 which are in good thermal contact on the coupling zones 18, 22. The sensor plate 16 consists consistently of a ceramic, single or polycrystalline thermoelectric semiconducting material, which is in particular one of the materials mentioned in the introduction to the description. On the underside of the sensor plate 16 in the area of
Ankoppelzonen 18,22 befinden sich Thermoelemente 30,32, die durch Verbinden von elektrischen Zuleitungen 34,36 mit der Sensorplatte 16 realisiert sind. Das Material dieser Zuleitungen 34, 36 ist verschieden von dem Material der Sensorplatte 16. Als Material für die Zuleitungen 34,36 kommen die üblichen metallischen Thermoelementmaterialien zum Einsatz. Die Zuleitungen 34,36 führen zu einer Auswerteeinheit 38, in der die sich aufgrund der Temperaturen der Ankoppelzonen 18,22 einstellende Spannungsdifferenz zwischen den beiden Zuleitungen 34,36 ausgewertet wird. Das Ergebnis wird auf einer Anzeigevorrichtung 40 angezeigt bzw. auf einem Steuerrechner gespeichert .Coupling zones 18, 22 are thermocouples 30, 32, which are realized by connecting electrical supply lines 34, 36 to the sensor plate 16. The material of these leads 34, 36 is different from the material of the sensor plate 16. The usual metallic thermocouple materials are used as the material for the leads 34, 36. The supply lines 34, 36 lead to an evaluation unit 38, in which the voltage difference between the two supply lines 34, 36 that is established due to the temperatures of the coupling zones 18, 22 is evaluated. The result is displayed on a display device 40 or stored on a control computer.
Wie bei 42 und 44 angedeutet, weist die Sensorplatte 16 im Bereich ihrer Ankoppelzonen 18,22 Metallisierungen auf, die der Verbesserung des Wärmeübergangs von der Sensorplatte 16 zu den Tiegeln 26,28 dienen. Zwischen diesen Metallisierungsbeschichtungen 42,44 und der Sensorplatte 16 kann jeweils noch eine (z. B. elektrisch isolierende) Schutzschicht aus insbesondere einem Oxid zur Unterdrückung von Störsignalen durch Phasenumwandlungen angeordnet sein. Im übrigen Bereich außerhalb der Ankoppelzonen 18,22 ist die Sensorplatte mit einer Schutzschicht 46 aus beispielsweise Si02, SiN, Al203 versehen.As indicated at 42 and 44, the sensor plate 16 has metallizations in the area of its coupling zones 18, 22, which serve to improve the heat transfer from the sensor plate 16 to the crucibles 26, 28. Between these metallization coatings 42, 44 and the sensor plate 16, a (for example, electrically insulating) protective layer, in particular made of an oxide, can be arranged in order to suppress interference signals by phase conversions. In the remaining area outside the coupling zones 18, 22, the sensor plate is provided with a protective layer 46 made of, for example, SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 .
Während des Meßbetriebs der Vorrichtung 10 wird die Sensorplatte 16 durch die Wärmequelle 12 erwärmt. Dabei verläuft der Wärmefluß von der Wärmequelle 12 über den Stab 14 zum Mittelpunkt der Sensorplatte 16, von wo aus er radial gleichmäßig nach außen abgeführt wird. Zur Durchführung schneller Messungen ist es zweckmäßig, wenn der Wärmewiderstand nur gering ist. Andererseits sollte zur Verhinderung eines Wärmeabflusses von den Ankoppelzonen 18,22 zum übrigen Bereich der Sensorplatte 16 dafür gesorgt werden, daß der Wärmewiderstand um die Ankoppel- zonen 18,22 herum vergrößert ist.During the measuring operation of the device 10, the sensor plate 16 is heated by the heat source 12. The heat flow runs from the heat source 12 via the rod 14 to the center of the sensor plate 16, from where it is radially evenly discharged to the outside. To carry out quick measurements, it is advisable if the thermal resistance is only low. On the other hand, in order to prevent heat flow from the coupling zones 18, 22 to the remaining area of the sensor plate 16, care should be taken to ensure that the thermal resistance around the coupling zones 18, 22 is increased.
Aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens von Meßprobe 20 und Referenzprobe 24 werden sich die diesen zugeordneten Ankoppelzonen 18 bzw. 22 unterschiedlich stark erwärmen. Diese Temperaturdifferenz wird über das Differenz- thermoelement (DTE) 34,16,36 detektiert und in eine Meßspannung umgewandelt, die in der Auswerteeinheit 38 ausgewertet wird.Due to the different behavior of measurement sample 20 and reference sample 24, the coupling zones 18 and 22 assigned to them will heat up to different degrees. This temperature difference is detected via the differential thermocouple (DTE) 34, 16, 36 and converted into a measuring voltage, which is evaluated in the evaluation unit 38.
Die in Fig. 1 dargestellte Differenz-Thermoanalyse- Vorrichtung 10 ist mit einer Selbstkalibrierung des Temperaturverlaufs des Seebeck-Koeffizienten des Halbleitermaterials der Sensorplatte 10 versehen. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 10 zwei weitere als Thermoelemente 34-60-64 bzw. 36-62-66 ausgebildete Temperatursensoren auf, die über Zuleitungen 34,64 und 36,66 mit der Auswerteeinheit 38 elektrisch verbunden sind. Das Material der Zuleitungen 64 und 66 ist von dem Material der Zuleitungen 34 und 36 verschieden, wobei die Verbindungen der Zuleitungen 34 und 64 einerseits und 36 und 66 andererseits mit der Sensorplatte 16 unmittelbar benachbart sind. Die sich zwischen den Zuleitungen 34 und 64 einerseits sowie 36 und 66 andererseits einstellenden Spannungsdifferenzen werden in Auswerteschaltungen 68,70, die innerhalb der Auswerteeinheit 38 angeordnet sind, in Absoluttemperaturen Tx und T2 umgesetzt. Zwischen den Zuleitungen 34 und 36 wird, wie gehabt, die Spannungsdifferenz gemessen. Da sich der Seebeck-Koeffizient aus dem Quotienten dieser Spannungsdifferenz und der Differenz der Temperaturen T2 und T2 berechnen läßt, ist nun die Möglichkeit gegeben, zu jedem beliebigen Temperaturwert den zugehörigen Seebeck-Koeffizienten zu ermitteln. Auf diese Weise läßt sich der Temperaturverlauf des Seebeck- Koeffizienten des Halbleitermaterials der Sensorplatte 16 jederzeit neu vermessen, wodurch Veränderungen infolge von Alterungserscheinungen des Halbleitermaterials für nachfolgende Thermoanalyse-Messungen berücksichtigt werden können. Als dem jeweils errechneten Seebeck-Koeffizienten zugeordnete Temperatur wird der Mittelwert der beiden gemessenen Temperaturen Tx und T2 genommen. Durch die auf diese Weise ermittelten Stützstellen des Seebeck- Koeffizienten über der Temperatur wird eine Ausgleichs- kurve gelegt, die die für spätere Thermoanalyse-Messungen benötigte Kennlinie bildet.The differential thermal analysis device 10 shown in FIG. 1 is provided with a self-calibration of the temperature profile of the Seebeck coefficient of the semiconductor material of the sensor plate 10. For this purpose, the device 10 has two further thermocouples 34-60-64 and 36-62-66 Temperature sensors, which are electrically connected to the evaluation unit 38 via feed lines 34, 64 and 36, 66. The material of the supply lines 64 and 66 is different from the material of the supply lines 34 and 36, the connections of the supply lines 34 and 64 on the one hand and 36 and 66 on the other hand being directly adjacent to the sensor plate 16. The voltage differences occurring between the supply lines 34 and 64 on the one hand and 36 and 66 on the other hand are converted into absolute temperatures T x and T 2 in evaluation circuits 68, 70 which are arranged within the evaluation unit 38. As before, the voltage difference between the leads 34 and 36 is measured. Since the Seebeck coefficient can be calculated from the quotient of this voltage difference and the difference between the temperatures T 2 and T 2 , it is now possible to determine the associated Seebeck coefficient for any temperature value. In this way, the temperature profile of the Seebeck coefficient of the semiconductor material of the sensor plate 16 can be measured again at any time, as a result of which changes due to signs of aging of the semiconductor material can be taken into account for subsequent thermal analysis measurements. The average of the two measured temperatures T x and T 2 is taken as the temperature assigned to the calculated Seebeck coefficient. The support points of the Seebeck coefficient over temperature determined in this way create a compensation curve which forms the characteristic curve required for later thermal analysis measurements.
Die Kennlinie kann sowohl im Aufheiz- als auch im Abkühlmodus der Vorrichtung 10 aufgenommen werden. Parallel zur Selbstkalibrierung kann bei der Vorrichtung 10 auch die Zeitkonstante aufgenommen werden, um in Relation zum ermittelten Wert der Aufheizgeschwindigkeit der Vorrichtung 10 angepaßt zu werden, wodurch eine minimale Meßdauer erreicht wird.The characteristic curve can be recorded both in the heating and in the cooling mode of the device 10. In parallel to the self-calibration, the time constant can also be recorded in the device 10 in order in relation to the determined value of the heating rate Device 10 to be adapted, whereby a minimal measurement time is achieved.
Mit der hier beschriebenen Differenz-Thermoanalyse- Vorrichtung 10 können die bislang üblichen metallischen Sensorplatten durch eine halbleitende Keramik mit hohen Thermospannungen wie z.B. geeignet dotiertes Si, Ge, Si- Ge, FeSi2 oder Material auf Bi2Te3-Basis ersetzt werden. Diese Werkstoffe weisen Thermospannungen auf, die durchaus um mehr als eine Größenordnung höher sind als die der üblichen metallischen Thermoelementmaterialien. Dabei werden ähnliche oder sogar höhere Werte der Wärmeleitfähigkeit erreicht, wodurch sich Designvarianten mit äußerst geringer Zeitkonstante ergeben. Insgesamt kann durch den Einsatz einer halbleitenden thermoelektrischen Sensorplatte die Empfindlichkeit eines Scheibenmeßsystems leicht um eine Größenordnung angehoben werden, ohne daß die Bauart wesentlich verändert werden muß.With the differential thermal analysis device 10 described here, the previously customary metallic sensor plates can be replaced by a semiconducting ceramic with high thermal voltages such as suitably doped Si, Ge, Si-Ge, FeSi 2 or material based on Bi 2 Te 3 . These materials have thermal stresses that are more than an order of magnitude higher than those of the usual metallic thermocouple materials. Similar or even higher values of thermal conductivity are achieved, which results in design variants with an extremely short time constant. Overall, the sensitivity of a disc measuring system can easily be increased by an order of magnitude by using a semiconducting thermoelectric sensor plate without the design having to be changed significantly.
Auch wenn die Halbleitertechnologie heute Zusammensetzung und Dotierung reproduzierbar einstellen kann, so daß die Sensoreigenschaften in engeren Toleranzen vorgebbar sind, ist eine häufige Kontrolle des Verfahrens nötig, da in der Regel langsame Alterungsvorgänge ablaufen. Diese Schwierigkeiten beim Einsatz keramischer thermoelektrischer Materialien können durch die modifizierte Konstruktion der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und die konsequente Anwendung des Kalibrierungsverfahrens überwunden werden .Even if semiconductor technology today can reproducibly adjust the composition and doping so that the sensor properties can be specified within narrow tolerances, frequent checking of the method is necessary, since slow aging processes generally take place. These difficulties when using ceramic thermoelectric materials can be overcome by the modified construction of the device according to FIG. 1 and the consequent application of the calibration method.
Die konstruktive Änderung des Meßsystems besteht im wesentlichen darin, daß anstelle jeweils einer einzelnen Thermoelement-Leitung an den Meßstellen je ein Thermoelement-Paar angebracht wird. Über beide Paare können in einem turnusmäßigen Kalibrierungsverfahren absolute Temperaturdifferenzen ausgelesen werden, wodurch ständig eine aktuelle Sensorkennlinie mitgeschrieben werden kann. Da mittlerweile alle Thermoanalyse-Anlagen computerisiert sind, stellt die ständige Aktualisierung der Umrechnungsfunktion kein praktisches Problem mehr dar.The constructional change of the measuring system consists essentially in the fact that instead of a single thermocouple line at each measuring point a pair of thermocouples is attached. Absolute temperature differences can be read out via both pairs in a regular calibration procedure a current sensor characteristic curve can be recorded continuously. Since all thermal analysis systems are now computerized, the constant updating of the conversion function is no longer a practical problem.
Die meß- und auswertemethodische Weiterentwicklung besteht in der synchronen Aufzeichnung von zwei Meßspannungen anstelle einer einzigen bisher. Zusätzlich zum eigentlichen Meßwert, der DSC-Kurve, wird die absolute Temperaturdifferenz zwischen Proben- und Referenzposition gleichzeitig mit dem zugehörigen Thermospannungs-Meßwert aufgezeichnet. Durch mathematische Standardverfahren der Ausgleichsrechnung kann nach Abschluß der Temperaturmeßreihe (abschnittsweise oder über den gesamten Temperaturbereich) daraus der aktuelle Temperaturverlauf der Thermokraft des Sensors berechnet werden. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner methodischen Einfachheit und im geringen zusätzlichen apparativen Aufwand.The measurement and evaluation method further development consists in the synchronous recording of two measuring voltages instead of one. In addition to the actual measured value, the DSC curve, the absolute temperature difference between the sample and reference position is recorded simultaneously with the associated thermo-voltage measured value. The current temperature profile of the thermal force of the sensor can be calculated therefrom by means of standard mathematical methods of the compensation calculation after the end of the temperature measurement series (in sections or over the entire temperature range). The decisive advantage of this procedure lies in its methodical simplicity and in the low additional equipment expenditure.
Wesentlich für die Realisierbarkeit ist dabei, daß man die Langzeitänderung der Sensorkennlinie vollständig durch das Langzeitverhalten des Seebeck-Koeffizienten beschreiben kann, da die Wärmeleitf higkeit von Halbleitern mit sehr geringer elektrischer Ladungsträgerkonzentration praktisch nicht von deren Betrag abhängig ist .It is essential for the feasibility that the long-term change in the sensor characteristic can be completely described by the long-term behavior of the Seebeck coefficient, since the thermal conductivity of semiconductors with a very low electrical charge carrier concentration is practically not dependent on their amount.
Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine alternative Ausgestaltung der Sensorplatte 16 der Fig. 1. In Fig. 2 ist diese Sensorplatte mit 16' bezeichnet. Soweit die Teile der Sensorplatte 16' denjenigen der Sensorplatte 16 der Fig. 1 entsprechen, sind sie in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.FIG. 2 shows a top view of an alternative embodiment of the sensor plate 16 of FIG. 1. In FIG. 2, this sensor plate is designated 16 '. Insofar as the parts of the sensor plate 16 'correspond to those of the sensor plate 16 of FIG. 1, they are provided with the same reference symbols in FIG. 2.
Bei der alternativen Ausgestaltung der Sensorplatte 16' ist zur Erhöhung des Wärmewiderstandes um die Ankoppel- zonen 18,22 herum jeweils ein speziell ausgestalteter Verbindungsbereich 48 geschaffen, in dem in die Sensorplatte 16' mehrere durchgehende Aussparungen 50 mit dazwischenliegenden radial verlaufenden Stegen 52 eingebracht sind. Über die Verbindungsstege 52 sind also die Ankoppelzonen 18,22 mechanisch und elektrisch mit dem Rest der Sensorplatte 16' verbunden. Die Verbindungsstege 52 weisen zudem eine geringere Dicke als die Sensorplatte 16' in ihrem übrigen Bereich auf. Diese speichenähnliche Konstruktion führt zu einem erhöhten Wärmewiderstand um die Ankoppelzonen 18,22 herum, was die Meßempfindlichkeit der Sensorplatte 16' erhöht.In the alternative configuration of the sensor plate 16 ', the coupling resistance is increased to increase the thermal resistance. Zones 18, 22 each have a specially designed connection area 48, in which a plurality of continuous recesses 50 with radially extending webs 52 are made in the sensor plate 16 '. The coupling zones 18, 22 are therefore mechanically and electrically connected to the rest of the sensor plate 16 'via the connecting webs 52. The connecting webs 52 also have a smaller thickness than the sensor plate 16 'in its remaining area. This spoke-like construction leads to an increased thermal resistance around the coupling zones 18, 22, which increases the measuring sensitivity of the sensor plate 16 '.
Fig. 3 zeigt in prinzipieller Darstellung eine Differenz- Thermoanalyse-Vorrichtung 10" gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier gilt, daß diejenigen Teile, die der Differenz-Thermoanalyse- Vorrichtung 10 der Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gegebenenfalls doppeltgestrichen versehen sind. Die Sensorplatte 16" der Thermoanalyse-Vorrichtung 10" weist insgesamt drei Ankoppelzonen 18a" ,18b" und 18c" für drei Meßproben und drei Ankoppelzonen 22a", 22b" und 22c" für drei Referenzproben auf. Die Meßproben und die Referenzproben müssen jeweils untereinander identisch sein. Sämtliche Paare aus Meßproben- und Referenzproben- Ankoppelzonen 18a", 22a", 18b", 22b", 18c", 22c" sind diametral einander gegenüberliegend und damit zentral - symmetrisch zum Mittelpunkt der Sensorplatte 16" oder spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrielinie angeordnet. Um die Ankoppelzonen herum befinden sich die mit 48" gekennzeichneten Verbindungsbereiche, in denen die Sensorplatte 16" einen erhöhten thermischen Widerstand aufweist.3 shows a basic illustration of a differential thermal analysis device 10 "according to a further exemplary embodiment of the invention. Here, too, it applies that those parts which correspond to the differential thermal analysis device 10 of FIG. 1 may be double-crossed with the same reference symbols The sensor plate 16 "of the thermal analysis device 10" has a total of three coupling zones 18a ", 18b" and 18c "for three measuring samples and three coupling zones 22a", 22b "and 22c" for three reference samples. The measuring samples and the reference samples must All pairs of measurement sample and reference sample coupling zones 18a ", 22a", 18b ", 22b", 18c ", 22c" are diametrically opposed to each other and thus central - symmetrical to the center of the sensor plate 16 "or mirror-symmetrical to one Line of symmetry arranged. Around the coupling zones are the connection areas labeled 48 ", in which the sensor plate 16" has an increased thermal resistance.
Für die Ankoppelzonen 18a" -18c" und 22a" -22c" werden paar- weise identische halbleitende Materialien und von Paar zuFor the coupling zones 18a "-18c" and 22a "-22c" pairs are identical semiconducting materials and from pair to
Paar unterschiedliche halbleitende Materialien bzw. Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen thermo- elektrischen Eigenschaften eingesetzt. So weisen beispielsweise die Ankoppelzonen 18a" und 22a" ein erstes Halbleitermaterial, die Ankoppelzonen 18b" und 22b" ein zweites Halbleitermaterial und die Ankoppelzonen 18c" und 22c" ein drittes Halbleitermaterial auf, die sich entweder aufgrund ihres Halbleitermaterials oder aufgrund ihrer Dotierung (bezüglich des Dotierungsmaterials und/oder der Dotierungskonzentration) unterscheiden. Jeder Ankoppelzone ist ein Thermoelement 30a" -30c" und 32a" -32c" zugeordnet. Diese Thermoelemente sind paarweise mit der Auswerteeinheit 38" verbunden.Pair of different semiconducting materials or Semiconductor materials with different thermo-electrical properties are used. For example, the coupling zones 18a "and 22a" have a first semiconductor material, the coupling zones 18b "and 22b" have a second semiconductor material and the coupling zones 18c "and 22c" have a third semiconductor material, which are either due to their semiconductor material or because of their doping (with respect to the Doping material and / or the doping concentration) differentiate. A thermocouple 30a "-30c" and 32a "-32c" is assigned to each coupling zone. These thermocouples are connected in pairs to the evaluation unit 38 ″.
Unter der Voraussetzung, daß sich auf den Ankoppelzonen 18a" -18c" identische Meßproben und auf den Ankoppelzonen 22a" -22c" identische Referenzproben befinden, stellt sich zwischen jedem Paar von Ankoppelzonen 18a" , 22a" -18c" , 22c" die gleiche Temperaturdifferenz ein. Da jedoch für die Ankoppelzonen dieser drei Paare unterschiedliche thermo- elektrische Halbleitermaterialien eingesetzt worden sind, ergeben sich zwischen den jeweils zugeordneten Thermoelementen 30a" ,32a" -30c" , 32c" unterschiedlich große Spannungen. Dies liegt daran, daß das Maximum des Temperaturverlaufs des Seebeck-Koeffizienten der drei für die Ankoppelzonen ausgewählten thermoelektrischen halbleitenden Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen liegt. Die Auswerteeinheit 38" wählt für die Auswertung die größte der drei ihr zugeführten (Meß-) Spannungen aus und führt ihre Berechnungen auf der Grundlage dieser größten Meßspannung aus, womit über einen breiten Temperaturbereich eine gleichmäßig maximale Empfindlichkeit der Sensorplatte 16" gegeben ist.Provided that there are identical measurement samples on the coupling zones 18a "-18c" and identical reference samples on the coupling zones 22a "-22c", there is the same temperature difference between each pair of coupling zones 18a ", 22a" -18c ", 22c" on. However, since different thermoelectric semiconductor materials have been used for the coupling zones of these three pairs, voltages of different sizes result between the respectively assigned thermocouples 30a ", 32a" -30c ", 32c". This is because the maximum of the temperature profile of the Seebeck coefficient of the three thermoelectric semiconducting materials selected for the coupling zones is at different temperatures. The evaluation unit 38 "selects the largest of the three (measuring) voltages supplied to it for the evaluation and carries out its calculations on the basis of this largest measuring voltage, which gives a uniformly maximum sensitivity of the sensor plate 16" over a wide temperature range.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensorplatte 16''' mit mehreren unterschiedlichen thermoelektrischen halbleitenden Materialien ist in den Fign. 5 und 6 gezeigt. Auch hier gilt, daß diejenigen Teile der Sensorplatte 16''', die denjenigen Teilen der Sensorplatte 16 der Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch dreifach gestrichen gekennzeichnet sind.A further exemplary embodiment of a sensor plate 16 ″ ″ with several different thermoelectric semiconducting materials is shown in FIGS. 5 and 6. It also applies here that those parts of the sensor plate 16 '''which correspond to those parts of the sensor plate 16 of FIG. 1 are identified by the same reference numerals, but with three lines.
Wie bei der Sensorplatte 16", weist auch die Sensorplatte 16' ' ' mehrere Meßproben-Ankoppelzonen 18a' ' ' -18d' ' ' und mehrere Referenzproben-Ankoppelzonen 22a' ' ' -22d' ' ' auf, die paarweise zentralsymmetrisch zum Mittelpunkt der Sensorplatte 16''' angeordnet sind. Im Unterschied zur Sensorplatte 16" ist bei der Sensorplatte 16''' jedoch lediglich eine Meßproben- und eine Referenzproben-Position vorgesehen. Mit anderen Worten kontaktiert (thermisch) ein Tiegel für die Meßprobe sämtliche vier Meßproben-Ankoppel- zonen 18a' ' ' -18d' ' ' , während der Tiegel für die Referenzprobe sämtliche Referenzproben-Ankoppelzonen 22a' ' ' -22d' ' ' kontaktiert. Wie sich aus den Fign. 5 und 6 ergibt, sind die einzelnen Ankoppelzonen nach Art von Viertelkreisflächen ausgebildet, die jedoch mit Abstand zueinander angeordnet sind (siehe die Spalte 54 in den Fign. 5 und 6) . Jede Ankoppelzone ist wiederum mit einem Thermoelement 30a' ' ' -30d' ' ' und 32a' ' ' -32d' ' ' versehen, deren Zuleitungen paarweise der Auswerteeinheit zugeführt werden. Da die Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen paarweise aus identischem Halbleitermaterial und von Paar zu Paar aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen, stellen sich an den den Ankoppelzonen jeweils eines Paares zugeordneten Thermoelementen unterschiedliche Spannungsdifferenzen U1-U4 ein. Die Auswerteeinheit wählt zu Auswertungszwecken die größte der Spannungsdifferenzen aus. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß über den gesamten interessierenden Temperaturbereich hinweg jeweils mit maximal großen Spannungsdifferenzen gearbeitet werden kann, was dazu führt, daß die Sensorplatte 16''' über den gesamten interessierenden Temperaturbereich hinweg eine große Empfindlichkeit aufweist. Anstelle einer zentralsymmetrischen Anordnung der Ankoppelzonen ist auch eine zu einer Symmetrieachse symmetrische Anordnung möglich. Dies gilt für sämtliche der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele.As with the sensor plate 16 ″, the sensor plate 16 ″ also has a plurality of measurement sample coupling zones 18a ″ ″ -18d ″ ″ and a plurality of reference sample coupling zones 22a ″ ″ -22d ″ ″, which are pair-symmetrically central to the center of the Sensor plate 16 ″ ″. In contrast to sensor plate 16 ″, only one measurement sample position and one reference sample position are provided for sensor plate 16 ″ ″. In other words, a crucible for the measurement sample contacts all four measurement sample coupling zones 18a '''-18d''', while the crucible for the reference sample contacts all reference sample coupling zones 22a '''-22d''''. As can be seen from FIGS. 5 and 6 results, the individual coupling zones are designed in the manner of quarter circle surfaces, but are arranged at a distance from one another (see column 54 in FIGS. 5 and 6). Each coupling zone is in turn provided with a thermocouple 30a '''-30d''' and 32a '''-32d''', the feed lines of which are fed in pairs to the evaluation unit. Since the measurement sample and reference sample coupling zones consist in pairs of identical semiconductor material and from pair to pair of different semiconductor materials, different voltage differences U1-U4 are established at the thermocouples assigned to the coupling zones of a pair. The evaluation unit selects the largest of the voltage differences for evaluation purposes. In this way, it is ensured that maximum voltage differences can be used across the entire temperature range of interest, which means that the sensor plate 16 '''has a high sensitivity over the entire temperature range of interest. Instead of a centrally symmetrical arrangement of the coupling zones, an arrangement symmetrical to an axis of symmetry is also possible. This applies to all of the exemplary embodiments described here.
Wie in den Fign. 5 und 6 gezeigt, sind die Meßproben- Ankoppelzonen und die Referenzproben-Ankoppelzonen durch elektrisch isolierende gut wärmeleitende Keramikscheiben 56 (allgemein Scheibe aus elektrisch isolierendem, thermisch gut an die Ankoppelzonen angekoppelten Material) verbunden, die jeweils in der Mitte der Ankoppelzonen angeordnet sind. Auf diese Keramikscheiben 56 werden die Tiegel für die Meßprobe und die Referenzprobe gestellt.As shown in Figs. 5 and 6, the measurement sample coupling zones and the reference sample coupling zones are connected by electrically insulating, highly heat-conducting ceramic disks 56 (generally disks made of electrically insulating material which is thermally well coupled to the coupling zones), which are each arranged in the middle of the coupling zones. The crucibles for the measurement sample and the reference sample are placed on these ceramic disks 56.
Die anhand der Fign. 5 und 6 beschriebene Ausgestaltung der Sensorplatte 16''' eignet sich insbesondere dann, wenn für die Ankoppelzonen das gleiche Halbleiter-Grundmaterial, jedoch mit unterschiedlichen Dotierungen eingesetzt wird. Wegen der Nähe der Anordnung der Ankoppelzonen ist es nämlich zweckmäßig, wenn diese das gleiche Temperaturausdehnungsverhalten zeigen. Dies ist am ehesten gewährleistet, wenn die Grundmaterialien gleich sind und sich nur geringfügig durch die Dotierungen unterscheiden. Auf diese Weise wird auch der Erfordernis, daß es infolge der Erwärmung der Sensorplatte 16''' nicht zu deren Zerstörung aufgrund thermischer Spannungen kommen darf, Genüge geleistet. The on the basis of FIGS. 5 and 6 described embodiment of the sensor plate 16 '' 'is particularly suitable when the same semiconductor base material, but with different doping is used for the coupling zones. Because of the proximity of the arrangement of the coupling zones, it is in fact expedient if they show the same temperature expansion behavior. This is best guaranteed if the base materials are the same and differ only slightly in the doping. In this way, the requirement that the sensor plate 16 '' 'should not be destroyed due to thermal stresses is satisfied.

Claims

A N S P R Ü C H E EXPECTATIONS
1. Differenz-Thermoanalyse-Vorrichtung zur meßtechnischen Untersuchung oder Ermittlung eines Parameters einer Meßprobe, insbesondere des Phasenübergangs oder der spezifischen Wärme der Meßprobe, mit einer Wärmequelle (12) , einer thermisch mit der Wärmequelle (12) gekoppelten Sensorplatte (16, 16 ' , 16" , 16 ' ' ' ) , auf der eine Meßproben-Ankoppelzone (18 , 18 ' , 18 " , 18 ' ' ' ) zur thermischen Ankopplung einer zu vermessenden Meßprobe (20) und eine Referenzproben-Ankoppelzone (22,22' ,22", 22' '' ) zur thermischen Ankopplung einer Referenzprobe (24) mit einem bezüglich des zu untersuchenden oder zu messenden Parameters bekannten Verhalten ausgebildet sind, wobei die Sensorplatte zumindest innerhalb ihrer Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen ein keramisches oder ein ein- oder polykristallines thermoelektrisches Halbleitermaterial aufweist, zwei jeweils als Thermoelemente ausgebildeten ersten Thermosensoren (32 , 32 ' , 32 ' ' , 32 ' ' ' ) , die mit den Ankoppelzonen (18 , 22 , 18 ' , 22 ' , 18 " , 22 " , 18 ''',22''') der Sensorplatte (16 , 16 ' , 16" , 16 ' ' ' ) verbunden sind und eine die Temperaturdifferenz zwischen diesen repräsentierende Spannungs- differenz ausgeben, zwei zweiten Temperatursensoren (60,62) zur Ermittlung der Temperaturen der Ankoppelzonen (18,22,18' ,22' , 18 " , 22 " , 18 ' " ,22' " ) der Sensorplatte (16,16' ,16", 16' " ) und einer Auswerteeinheit (38,38"), die mit den Thermoelementen (30,32,30' ,32' ,30" ,32", 30''', 32''') und den zweiten Temperatursensoren (60, 62) verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit1. Differential thermal analysis device for the metrological examination or determination of a parameter of a measurement sample, in particular the phase transition or the specific heat of the measurement sample, with a heat source (12), a sensor plate (16, 16 'thermally coupled to the heat source (12), 16 ", 16 '''), on which a measurement sample coupling zone (18, 18', 18", 18 ''') for the thermal coupling of a measurement sample (20) to be measured and a reference sample coupling zone (22,22', 22 ", 22 ''') are designed for the thermal coupling of a reference sample (24) with a behavior which is known with regard to the parameter to be examined or measured, the sensor plate having a ceramic or a coupling in or in at least within its measuring sample and reference sample coupling zones has polycrystalline thermoelectric semiconductor material, two first thermosensors (32, 32 ', 32'',32''') each formed as thermocouples, which are connected to the coupling ones (18, 22, 18 ', 22', 18 ", 22", 18 ''',22''') of the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16''') are connected and the temperature difference output voltage difference between them, two second temperature sensors (60, 62) for determining the temperatures of the coupling zones (18, 22, 18 ', 22', 18 ", 22", 18 '", 22'") of the sensor plate ( 16,16 ', 16 ", 16'") and an evaluation unit (38,38 "), which with the thermocouples (30,32,30 ', 32', 30", 32 ", 30 ''',32''') and the second temperature sensors (60, 62) is connected, the evaluation unit
(38,38") während einer durch die Wärmequelle (12) hervorgerufenen Erwärmung und/oder einer Abkühlung der Sensorplatte (16, 16 ' , 16" , 16 ' ' ' ) in zeitlichen Abständen die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Thermoelementen (30,32,30' ,32' ,30", 32", 30' " ,32' " ) und die Temperaturwerte der beiden zweiten Temperatursensoren (60,62) abfragt, anhand der sich aus den Temperaturmeßwerten der zweiten Thermosensoren (60,62) ergebenden Temperaturdifferenz und der Spannungsdifferenz den Seebeck-Koeffizienten des Halbleitermaterials für die Temperatur der Sensorplatte (16, 16' , 16" , 16' ' ' ) zu den jeweiligen Abfragezeitpunkten ermittelt, aus den errechneten Werten für den Seebeck- Koeffizienten eine Kennlinie des Seebeck- Koeffizienten über der Temperatur der Sensorplatte (16,16' ,16", 16' ' ' ) bildet und eine anschließende Thermoanalyse unter Berücksichtigung der gemessenen Kennlinie des Seebeck-Koeffizienten durchführt .(38.38 ") during a heating and / or cooling of the sensor plate (16, 16 ', 16", 16' '') caused by the heat source (12), the voltage difference between the two thermocouples (30,32 , 30 ', 32', 30 ", 32", 30 '", 32'") and the temperature values of the two second temperature sensors (60, 62), based on the temperature measurement values of the second thermal sensors (60, 62) Temperature difference and the voltage difference determined the Seebeck coefficient of the semiconductor material for the temperature of the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16"') at the respective times of inquiry, a characteristic of the Seebeck coefficient from the calculated values for the Seebeck coefficient above the temperature of the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16"') and carries out a subsequent thermal analysis taking into account the measured characteristic of the Seebeck coefficient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Sensorplatte (16, 16 ',16", 16'''), die einem berechneten Wert für den Seebeck- Koeffizienten zugeordnet ist, der Mittelwert der beiden von den zweiten Temperatursensoren (60,62) gelieferten Temperaturwerten ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the temperature of the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16' ''), which is assigned a calculated value for the Seebeck coefficient, is the average of the two of the second temperature sensors (60 , 62) delivered temperature values.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (38) die jeweils errechneten Kennlinien des Temperaturverlaufs des Seebeck-Koeffizienten mit einer Vorgabe-Kennlinie vergleicht und ein Ausgangssignal erzeugt, wenn eine errechnete Kennlinie um mehr als ein bezüglich seiner Absolutgröße und seines Vorzeichens vorgebbares Maß von der Vorgabe-Kennlinie abweicht.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the evaluation unit (38) the calculated characteristic curves of the temperature profile of the Seebeck coefficient with a default characteristic curve compares and generates an output signal if a calculated characteristic curve deviates from the specified characteristic curve by more than a dimension which can be predetermined with regard to its absolute size and its sign.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Halbleitermaterial mit P, Ga, As oder B in einer Ladungsträgerdichte zwischen 1015 und 1021 l/cm3 dotiertes Si^Ge,, ist, wobei x zwischen 0 und 1, einschließlich, liegt.Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the thermoelectric semiconductor material is Si ^ Ge ,, doped with P, Ga, As or B in a charge carrier density of between 10 15 and 10 21 l / cm 3 , where x is between 0 and 1, including.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Halbleitermaterial mit Co, AI, Mn, Ni oder Cr oder Kombinationen davon in einer Ladungsträgerdichte zwischen 1015 und 1021 l/cm3 dotiertes FeSi2 ist.Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the thermoelectric semiconductor material is FeSi 2 doped with Co, Al, Mn, Ni or Cr or combinations thereof in a charge carrier density between 10 15 and 10 21 l / cm 3 .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Halbleitermaterial mit Te oder Se in einer Ladungsträgerdichte zwischen 1015 und 1021 l/cm3 dotiertes Bi2 (Te-^Se 3 ist, wobei x zwischen 0 und 1, einschließlich, liegt.Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the thermoelectric semiconductor material is Bi 2 (Te- ^ Se 3 ) doped with Te or Se in a charge carrier density of between 10 15 and 10 21 l / cm 3 , where x is between 0 and 1 , including, lies.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Halbleitermaterial mit Bi oder Sb in einer Ladungsträgerdichte zwischen 1015 und 1021 l/cm3 dotiertes (Bix-xSbx) 2Te3 ist, wobei x zwischen 0 und 1, einschließlich, liegt.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thermoelectric semiconductor material with Bi or Sb in a charge carrier density between 10 15 and 10 21 l / cm 3 doped (Bi x - x Sb x ) 2 Te 3 , where x between 0 and 1, inclusive.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Halbleitermaterial durch Dotierung hervorgerufene Störband- leitungseffekte oder Polaronen-Effekte aufweist und insbesondere aus AlB12, FeSi2 und B-^Cx mit x zwischen 0 und 1, einschließlich, besteht. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thermoelectric semiconductor material has interference band conduction effects or polaron effects caused by doping and in particular AlB 12 , FeSi 2 and B- ^ C x with x between 0 and 1, inclusive, consists.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Sensorplatte (16,16') aus dem thermoelektrischen Halbleitermaterial besteht .9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the entire sensor plate (16,16 ') consists of the thermoelectric semiconductor material.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorplatte (16, 16 ',16", 16''') eine Trägerplatte aufweist, mit der die Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen10. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16' '') has a carrier plate with which the measurement sample and reference sample coupling zones
(18,22,18' ,22' ,18", 22", 18' '' ,22' " ) aus dem thermoelektrischen Halbleitermaterial thermisch verbunden sind.(18,22,18 ', 22', 18 ", 22", 18 '' ', 22' ") are thermally connected from the thermoelectric semiconductor material.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the temperature sensors
(30,32,30' ,32' ,30", 32", 30' " ,32' " ) als Thermoelemente ausgebildet sind, die jeweils eine mit den Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen(30,32,30 ', 32', 30 ", 32", 30 '", 32'") are designed as thermocouples, each with the measurement sample and reference sample coupling zones
(18, 22, 18', 22', 18 ",22 ",18''', 22''') verbundene Zuleitung (34,36) aus einem von dem thermoelektrischen Halbleitermaterial der Ankoppelzonen(18, 22, 18 ', 22', 18 ", 22", 18 '' ', 22' '') connected supply line (34, 36) from one of the thermoelectric semiconductor material of the coupling zones
(18,22, 18' ,22' ,18", 22", 18" ' ,22' " ) unterschiedlichen Material aufweisen, wobei die Temperaturdifferenz zwischen der Meßproben-Ankoppelzone und der Referenzproben-Ankoppelzone (18 , 22 , 18 ' , 22 ' , 18" , 22" , 18' ' ' ,22' ' ' ) als Spannungsdifferenz zwischen den beiden zu den Thermoelementen führenden Zuleitungen(18, 22, 18 ', 22', 18 ", 22", 18 "', 22'") have different material, the temperature difference between the measurement sample coupling zone and the reference sample coupling zone (18, 22, 18 ', 22 ', 18 ", 22", 18' '', 22 '' ') as the voltage difference between the two leads leading to the thermocouples
(34,36) vorliegt.(34.36) is present.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorplatte (16, 16' , 16" , 16' ' ' ) im Umgebungsbereich um die Ankoppelzonen (18,22,18' ,22' ,18 ",22 ",18' ' ' ,22' ' ' ) herum einen erhöhten Wärmewiderstand aufweist . 12. The device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16''') in the surrounding area around the coupling zones (18, 22, 18 ', 22', 18", 22 ", 18 ''',22''') around has an increased thermal resistance.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Wärmewiderstand konstruktiv durch Verringerung der Menge an Material im Umgebungs- bereich (48) der Ankoppelzonen (18 , 22 , 18 ' , 22 ' , 18", 22", 18' ' ' ,22' ' ' ) realisiert ist.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the increased thermal resistance constructively by reducing the amount of material in the surrounding area (48) of the coupling zones (18, 22, 18 ', 22', 18 ", 22", 18 '' ', 22' '') is realized.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsbereich (48) Aussparungen und/oder Verdünnungen (52) aufweist.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the surrounding area (48) has recesses and / or dilutions (52).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorplatte (16", 16''') mehrere Paare von Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen (18 ",22 ",18' ' ' ,22' ' ' ) aufweist, wobei jedes Paar aus Halbleitermaterial mit verschiedenen thermoelektrischen Eigenschaften besteht, daß jede Meßproben- und Referenzproben- Ankoppelzone (18" ,22 ",18' ' ' ,22' ' ' ) ein erster Temperatursensor (30 ",32 ",30' '',32''') zugeordnet ist, die sämtlich elektrisch mit der Auswerteeinheit (38") verbunden sind, und daß die Auswerteeinheit (38") die Differenztemperatur anhand der größten15. Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the sensor plate (16 ", 16 '' ') several pairs of measurement sample and reference sample coupling zones (18", 22 ", 18' '', 22 '' '), wherein each pair of semiconductor material with different thermoelectric properties consists of each measurement sample and reference sample coupling zone (18 ", 22", 18' '', 22 '' ') a first temperature sensor (30 ", 32", 30 '' ', 32' ''), which are all electrically connected to the evaluation unit (38 "), and that the evaluation unit (38") is the difference temperature based on the largest
Ausgangssignale der einem Paar von Meßproben- und Referenzproben-Ankoppelzonen (18" , 22" , 18 ' ' ' , 22 ' ' ' ) zugeordneten Temperatursensoren (30 ",32", 30' '',32''') ermittelt.Output signals of the temperature sensors (30 ", 32", 30 "", 32 "") assigned to a pair of measurement sample and reference sample coupling zones (18 ", 22", 18 "", 22 "") are determined.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ankoppelzone (18 ",22") zur thermischen Kopplung mit einer Meß- oder Referenzprobe (20,24) vorgesehen ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that each coupling zone (18 ", 22") is provided for thermal coupling with a measurement or reference sample (20, 24).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere, insbesondere sämtliche Meßproben- Ankoppelzonen (18''') und mehrere, insbesondere sämtliche Referenzproben-Ankoppelzonen (22''') gemeinsam zur thermischen Kopplung mit einer Meßprobe (20) bzw. einer Referenzprobe (24) vorgesehen sind.17. The apparatus according to claim 15, characterized in that several, in particular all measurement sample coupling zones (18 ''') and several, in particular all reference sample coupling zones (22''') are provided together for thermal coupling with a measurement sample (20) or a reference sample (24).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelzonenpaare (18 ",22 ",18' ' ' ,22' ' ' ) aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen.18. Device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the coupling zone pairs (18 ", 22", 18 '' ', 22' '') consist of different semiconductor materials.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelzonenpaare (18", 22", 18' ' ' ,22' ' ' ) aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen, jedoch unterschiedliche Dotierungen und/oder Dotierungsladungsträgerdichten aufweisen.19. Device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the coupling zone pairs (18 ", 22", 18 '' ', 22' '') consist of the same semiconductor material, but have different doping and / or doping charge carrier densities.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorplatte (16, 16' , 16" ,16' ' ' ) in den Ankoppelzonen (18 , 22 , 18 ' , 22 ' , 18 ",22 ",18' ' ' ,22' ' ' ) mit einer Metallbeschichtung (42,44) versehen ist.20. Device according to one of claims 1 to 19, characterized in that the sensor plate (16, 16 ', 16 ", 16' '') in the coupling zones (18, 22, 18 ', 22', 18", 22 " , 18 '' ', 22' '') is provided with a metal coating (42, 44).
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Metallbeschichtung (42,44) und dem Halbleitermaterial der Ankoppelzonen (18 , 22 , 18 ' , 22 ' , 18" ,22", 18' ' ' ,22' ' ' ) eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist . 21. The apparatus according to claim 20, characterized in that between the metal coating (42,44) and the semiconductor material of the coupling zones (18, 22, 18 ', 22', 18 ", 22", 18 '' ', 22' '' ) an electrically insulating layer is arranged.
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