Kalorimetrisches Messsystem auf Basis planarer Temperatursensoren für die Untersuchung dünner Schichten im Hochtemperaturbereich

Abstract:
Der präzisen Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften dünner Schichten kommt eine Schlüsselrolle in der Sensorik oder bei der Entwicklung von Dünnschichtsystemen zu. Um entsprechende Informationen zu erhalten, wurde eine neue Technik, die Dünnschichtkalorimetrie (Thin-Film Calorimetry, TFC), entwickelt. Dabei erlaubt der Einsatz hochtemperaturstabiler planarer Temperatursensoren eine Ausdehnung des Messbereichs bis ca. 1000 °C. Die verwendeten Sensoren ermöglichen dabei ein Auflösungsvermögen der detektierten Wärmemenge von DeltaQ ˜ 0,6 mJ. Hauptkomponente der TFC ist ein piezoelektrischer Dickenscherschwinger. Dessen Resonanzfrequenz zeigt eine kontinuierliche Temperaturabhängigkeit über den gesamten Messbereich, so dass eine Temperaturreferenz des kalorimetrischen Messsignals entsteht. Phasenumwandlungen der zu untersuchenden Schichten resultieren in Störungen des ansonsten kontinuierlichen Frequenzganges. Diese Frequenzabweichungen können in Temperatur- und Wärmemengenänderungen umgerechnet werden, was eine Bestimmung der Enthalpien ermöglicht. Das hier vorgestellte kalorimetrische Sensorsystem wurde mittels verschiedener bekannter Materialien getestet bzw. kalibriert. Anwendungsrelevante Beispiele werden diskutiert.