Gradierung eines hochempfindlichen halbleitenden Wärmestromsensors zur Ausweitung des Temperaturbereichs und Linearisierung der Kennlinie

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Auf Grund ihrer extrem hohen Seebeck-Koeffizienten (Thermokraft) eignen sich halbleitende Keramiken hervorragend zum Einsatz in hochempfindlichen Wärmestromsensoren. Gegenüber metallischen Systemen läßt sich eine um eine Größenordnung gesteigerte Empfindlichkeit bei gleicher Zeitkonstante realisieren. Nachteilig ist allerdings die starke Temperaturabhängigkeit der Thermokraft, die die individuelle Anwendung nur in einem schmalen Temperaturbereich zuläßt und wegen der stark nichtlinearen Kennlinie eine komplexe Elektronik und Meßdatenverarbeitung benötigt. Dem kann man dadurch begegnen, daß man den Sensor in Richtung des gemessenen Temperaturgradienten kontinuierlich oder segmentiert in Bereiche unterschiedlicher Zusammensetzung oder Dotierung aufteilt, die in jeweils anderen Temperaturbereichen maximale Empfindlichkeit besitzen. Gleichzeitig eröffnet dies die Möglichkeit, die Kennlinie weitgehend zu linearisieren, womit ein einfacher Austausch der bislang verwendeten metallischen Systeme mit halbleitenden Sensoren möglich wird. Um dies zu erreichen, muß simultan zur Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten die der Wärmeleitfähigkeit gesteuert werden. Das vorgesehene Einsatzgebiet der hier entwickelten Sensoren ist die Vermessung von Wärmeübergangskoeffizienten (d. h. des Wärmestromes und der Temperaturverteilung) an der Oberfläche von Turbinenbauteilen. Ziel des Vorhabens ist es, mit den im Vorgängervorhaben (gradierte thermoelektrische Wandler) entwickelten Werkstoffen mittels Heißpressen einen halbleitenden gradierten (lateralen) Wärmestromsensor bis 800 °C Einsatztemperatur zu entwickeln. Zur Bestimmung der Gradierungsfunktion wird das zur Simulation von Energiewandlern aufgestellte Finite-Elemente-Modell weiterentwickelt und auf diesen Anwendungsfall zugeschnitten.