HotSens - Temperaturdioden für den Hochtemperaturbereich mit Ein-Punkt-Kalibrierung

02.03.2020

Für Hochtemperaturbauelemente wird ein stetig wachsender Markt prognostiziert. Laut einer Studie von IndustryARC wird der Markt für Temperatursensoren von 4,87 Milliarden USD im Jahr 2017 um 6,2% auf 7,9 Milliarden USD im Jahr 2023 ansteigen. Ein Wachstumstreiber ist hierbei das Gebiet der Hochtemperaturelektronik, die ständig neue Technologien als Alternative zu den herkömmlichen Metallschichtwiderständen aufweist. Besonders der asiatische Raum wird als Wachstumstreiber betrachtet.

Ziel des Forschungsprojektes HotSens war es daher, Temperaturdioden herzustellen, die im Hochtemperaturbereich bis maximal 300°C mit einer Ein-Punkt-Kalibrierung verwendbar sind. Durch die Anwendung entsprechender Algorithmen soll die Temperatur möglichst kalibrierfrei ermittelt werden. Dies bedeutet für das Produkt eine erhebliche Kostenreduktion aufgrund verringerter Kalibrierkosten sowie eine Steigerung der Kundenfreundlichkeit.

Die Messungen erfolgten mit einem Klimaschrank, der in einem Temperaturbereich von -40°C bis +140°C aufwies sowie mit einem Hochtemperaturschrank mit einem Arbeitsbereich von 50°C bis 600°C. Dabei wurde der Hochtemperaturschrank sowohl für zyklische Messungen im Bereich von 50°C bis 260°C verwendet als auch für Belastungsmessungen bei einer Temperatur über sehr lange Zeiträume.

Ergänzt wurden diese Messungen durch Arbeiten am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, Fachgebiet Prozessmesstechnik an der TU Ilmenau. Dort erfolgten die experimentellen Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit der Strom-Spannungs-Kennlinie von Halbleiter-Temperatursensoren im Bereich von 5 °C bis 250 °C, im Wasser- bzw. Öl-Bad. Apparativ bedingt wurden die Messreihen in zwei sich überlappende Abschnitte unterteilt (-40°C bis 140°C sowie 50°C bis 260°C). Neben der Temperaturabhängigkeit wurden auch die Nichtlinearität sowie die Hysterese untersucht.

Eine Ein-Punkt-Kalibrierung ist aufgrund des geringeren messtechnischen Aufwandes bei der Anwendung gegenüber der kalibrierfreien Messung eine interessante Alternative. Allerdings sollte diese eine relativ hohe Genauigkeit aufweisen (± 0.5K). Dieses Ziel wird erreicht und sogar noch erheblich unterschritten, indem man die physikalisch bedingte parabelförmige Überhöhung der Kennlinie mit einbezieht. Diese Kennlinie ist bei einer gleichbleibenden stabilen Prozessierung aller Temperaturdioden einer Wafercharge immer identisch. Mit dieser Variante werden beispielsweise in einem Temperaturbereich von -40°C bis +125°C Abweichungen von maximal ± 0.2K erreicht. Mit einer Modifikation dieser Variante (Erweiterung der Datenbasis für höhere Temperaturen) sind sogar maximale Abweichungen von ±0.02K realisierbar.