Herstellung und Charakterisierung eines Thermosensors mit hohem zeitlichen und räumlichen Auflösungsvermögen

Marco Munzel

Das Ziel dieses Projektes ist die Herstellung eines mikroskopischen Thermoelements für vielfältige Anwendungen in der Fluiddynamik.

Motivation hierfür ist neben dem Einsatz in der Raster-Tunnel-Thermographie (SThM) der passive Skalartransport in der Turbulenzforschung. Hier benötigt man zur Messung von Temperaturverteilungen in turbulenten Fluiden ergänzende Sensoren zur bestehenden Technik mit Hitzdrähten. Die für das Mischen und die Dissipation interessante Längenskalen unterhalb eines Millimeters sollen hiermit experimentell zugänglich gemacht werden.

Der Temperatursensor muß in der Strömung stehen und darf diese lokal nicht verändern. Für diesen Zweck empfielt sich der Aufbau als Spitze: ein Draht aus beispielsweise Gold wird hierfür dünn ausgezogen und kann nach elektrischer Isolierung bis auf einen möglichst kleinen Bereich auf der Spitze mit einem zweiten Material zur Bildung eines Thermoelements bedampft werden.

Freistrahl
Abbildung 1 zeigt einen Freistrahl von Wasser in Wasser. Zur Visualisierung wurde ein flourezierder Farbstoff beigemengt. Die Beleuchtung erfolgt durch einen Lichtschnitt senkrecht zur Betrachtungsebene. Zur vollständigen Messung der Temperaturverteilung muß der Sensor möglichst kleiner als alle Wirbelstrukturen sein.

Die kritischen Aspekte bestehen dabei neben der elektrischen Isolierung haupsächlich in der mechanischen Stabilität der Spitze. Zur Lösung der Problemstellung werden Metalldrähte von 25 Mikrometer Duchmesser in 1 mm Quarzpipetten zu Spitzen kleiner 1 Mikrometer gezogen. Diese Mikropipetten werden anschließend mit einer 100nm Platinschicht bedampft. Der schematische Aufbau ist in Abbildung 2 gezeigt.

Spitzenaufbau Mikrospitze
Abbildung 2 skizziert den Aufbau einer Thermospitze. Der Innenleiter wird mit der Quarzumhüllung ausgedünnt, bis er in einem kleinen Spitzenbereich freisteht. Die Platinbeschichtung komplettiert anschließend das Thermoelement. Abbildung 3 zeigt eine Mikroskopaufnahme einer auf 1 Mikrometer (entspricht dem kleinsten Skalenteil) ausgezogenen Quarzpipette mit einem Golddraht als Innenleiter. Deutlich zu erkennen ist die aus dem Glas herausragende Goldspitze.

Als Außenbeschichtung wird bewußt Platin verwendet, damit sich die Sensoren beispielsweise auch für Messungen in destilliertem Wasser und anderen Flüssigkeiten eignen. Mit einem Gold/Platin-Thermokontakt erreicht man eine Thermospannung von 8 Mikrovolt/Kelvin. Die Verwendung von Antimon als Innenleiter erhöht die Thermospannung auf 39 Mikrovolt/Kelvin und ermöglicht so eine höhere Bandbreite bei gleichem Signalrauschen. Da Antimon äußerst spröde ist, kann es nicht als Draht gezogen werden, sondern muß als flüssiges Metall unter Sauerstoffabschluß in eine vorgezoge Spitze eingebracht werden. Abbildung 5 zeigt eine solche Spitze.

Mikropipettenziehgerät Mikrospitze mit Antimon
Abbildung 4 zeigt das Mikropipettenziehgerät für die Thermospitzen, mit dem sonst in der Mikrobiologie Elektroden zum Kontaktieren von Zellen hergestellt werden. Zu erkennen sind zwei gezogene Spitzen. Die zum Aufschmelzen notwendige Hitze wird durch einen Infrarotlaser eingebracht und durch den Kondensorblock (mittig im Bild) gleichmäßig verteilt. Abbildung 5 zeigt eine fertig prozessierte Thermospitze mit Antimonfüllung und Platinbeschichtung. Der vordere Spitzenteil wurde zur Veranschaulichung des Schichtaufbaus abgebrochen.

Das nächste Planungsziel ist die Verwendung von Halbleitermaterialien als Innenleiter. Dadurch ließe sich die Thermospannung um etwa eine Größenordnung weiter erhöhen. Die bisher hergestellten Sensoren werden demnächst bei der TU Ilmenau als Projektpartner in dem dort aufgebauten und einmalig großen Konvektionsexperiment eingesetzt. Abbildung 6 zeigt das "Ilmenauer Faß" getaufte Großexperiment.

Für weitergehende Informationen wenden Sie sich bitte an Marco@ehf.uni-oldenburg.de

Ilnemauer Faß
Abbildung 6 zeigt das weltweit einmalige Konvektionsexperiment "Ilmenauer Faß" der TU Ilmenau. Hier werden die Thermosensoren als weiteres Meßsystem eingesetzt.



17.06.2002 Webmaster