Techniklexikon

Temperatursensor

Temperaturfühler. Sensor, der die physikalische Größe Temperatur erfaßt und in eine elektrische Größe wandelt. Temperaturen lassen sich berührungslos mit Hilfe infraroter Strahlung (Infrarotsensor, Infrarotempfänger) und berührend erfassen. Konventionelle, berührend erfassende T. sind beispielsweise Widerstandsthermometer, Thermoelemente und Heißleiter. In den letzten Jahren wurden Halbleiter-T. auf Sili-ciumbasis (Halbleitersensor) entwickelt, da im p- oder n-dotierten Silicium die Bewegung freier Ladungsträger (Ladungsträgerbeweglichkeit) von der Temperatur abhängt. Zur Temperaturerfassung mit Sili-cium-T. haben sich mehrere unterschiedliche Prinzipien durchgesetzt. Einige basieren auf monolithisch integrierten hochkonstanten Stromquellen, deren Stromergiebigkeit linear von der Temperatur abhängt. Die Auswerteelektronik ist gleichzeitig auf dem Chip integriert. Das am häufigsten angeTemperatursensor, wendete Prinzip ist das nach dem Sprea-ding-Resistance-Effekt. Der T. besteht aus einem meist n-dotierten Siliciumkristall (0,5 mm x 0,5 mm x 0,25 mm), dessen Unterseite ganzflächig mit einem Metallkontakt versehen ist. Der kreisförmige Kontakt (Spreading-Kontakt) der Oberseite hat einen Durchmesser von nur etwa 20 m. Legt man an diese Anordnung eine Spannung (Minuspol an Spreading-Kontakt), breitet sich der Strom kegelförmig im Kristall aus, daher die Bezeichnung spreading resistance, Ausbreitungswiderstand. Der Widerstand zwischen den beiden Kontakten hängt von der Dicke des Kristalls und vom Durchmesser des Spreading-Kontakts ab. Unter der Voraussetzung l> d und h > d läßt sich der Widerstand nach der Beziehung ermitteln. Der Kristallwiderstand q hängt, unter der Voraussetzung, daß die Anzahl der freien Ladungsträger etwa gleich der Anzahl der Dotierungsatome ist, von der Ladungsträgerbeweglichkeit und damit von der Temperatur ab: q Kristall widerstand; e Elementarladung; Ladungsträgerbeweglichkeit; N Dotierungskonstante; t Temperatur. Die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur ist bis zum Einsetzen der Eigenleitung, die vom Grad der Dotierung abhängt, annähernd linear. Mit diesen T. lassen sich Temperaturen von etwa -50 bis + 150°C erfassen. Polt man diese Anordnung um (Pluspol an Spreading-Kontakt), können die bei hohen Temperaturen erzeugten Ladungsträger durch die geringe Ergiebigkeit des n+-Gebiets unterhalb des Spreading-Kontakts den Kristall nicht mehr verlassen, so daß dieser T. zur Temperaturmessung bis + 300°C eingesetzt werden kann. Erst bei Temperaturen über +300°C ist die Eigenleitung auch in diesem Gebiet so stark, daß der Widerstand fällt. Ein Nachteil dieses Prinzips ist, daß die Auswerteelektronik nicht auf dem Elementarsensor integriert ist. Für die Aufnahme der hohen Temperaturen sind spezielle Hochtemperaturgehäuse erforderlich.