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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Probenhalter für
die Differenz-Thermoanalyse mit einem auf einer ebenen Oberfläche eine
Probenposition zur Aufnahme eines Probenmaterials und eine Referenzposition
zur Aufnahme eines Referenzmaterials aufweisenden Substrat, durch
das je ein Wärmestrom zwischen
einer an den Probenhalter thermisch angekoppelten Wärmequelle
und der Probenposition bzw. der Referenzposition leitbar ist, mit
einer im Bereich der Probenposition und im Bereich der Referenzposition
angeordneten Thermoelementanordnung zur Lieferung eines einer Differenz
zwischen den beiden Temperaturen an der Probenposition und der Referenzposition
entsprechenden thermoelektrischen Signals, und mit auf dem Substrat
ausgebildeten Anschlüssen,
an denen das der Differenz zwischen den beiden Temperaturen entsprechende
thermoelektrische Signal abgreifbar ist.
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Ein derartiger Probenhalter ist aus
DE 39 16 311 A1 bekannt.
Das von seiner Thermoelementanordnung gelieferte thermoelektrische
Signal entspricht der Temperaturdifferenz zwischen der Probenposition
und der Referenzposition. Bekanntlich ist diese Temperaturdifferenz
ein Maß für die Differenz zwischen
den beiden Wärmeströmen, die
sich zwischen einer an den Probenhalter angekoppelten Wärmequelle
und der Probenposition bzw. der Referenzposition ausbilden. Im Idealfall
vollständiger
thermischer Symmetrie ist die Differenz zwischen diesen beiden Wärmeströmen exakt
Null, wenn sich weder an der Probenposition noch an der Referenzposition ein
Probenmaterial bzw. ein Referenzmaterial befindet. Für diesen
Idealfall liefert dann der mit dem Probenmaterial und dem Referenzmaterial
beladene Probenhalter den mit dem Probenmaterial zusammenhängenden
Wärmestrom
relativ zu dem thermisch inert ausgewählten Referenzmaterial, und
diese Wärmestromdifferenz
bildet die Grundlage für
die weitere thermoanalytische Auswertung. Für diesen Idealfall absoluter
thermischer Symmetrie brauchen Absoluttemperaturen an der Probenposition
oder an der Referenzposition nicht erfaßt zu werden. Statt dessen
genügt
es, die Absoluttemperatur der mit dem Probenhalter gekoppelten Wärmequelle
zu messen und gemäß einem
für die
thermoanalytische Untersuchung gewünschten Temperaturprogramm zu
steuern.
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In der Praxis läßt sich selbst bei sorgfältigster Ausführung des
Probenhalters die vollständige
thermische Symmetrie zwischen Probenposition und Referenzposition
nicht erreichen. Theoretische Untersuchungen der thermischen Unsymmetrie
mit einer Betrachtung der der Probenposition bzw. der Referenzposition
zugeordneten einzelnen Wärmeströme haben
gezeigt, daß die
Unsymmetrien rechnerisch korrigiert werden können, wenn zusätzlich zur
Temperaturdifferenz zwischen der Probenposition und der Referenzposition
weitere Temperaturgrößen gemessen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Probenhalter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln,
daß bei
einem einfachen, zuverlässigen
und kompakten Aufbau Meßgrößen zur
Korrektur thermischer Unsymmetrien zur Verfügung stehen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
daß auf
dem Substrat an mindestens einer der beiden Positionen eine weitere
Thermoelementanordnung zur Lieferung eines der Absoluttemperatur
entsprechenden thermoelektrischen Signals sowie Anschlüsse, an
denen das der Absoluttemperatur entsprechende thermoelektrische
Signal abgreifbar ist, ausgebildet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Probenhalter sind
also auf dem Substrat zusätzlich
zu den Anschlüssen,
an denen das der Differenz zwischen den Temperaturen an der Probenposition
und der Referenzposition entsprechende thermoelektrische Signale
abgreifbar ist, eine weitere Thermoelementanordnung und Anschlüsse ausgebildet,
an denen ein thermoelektrisches Signal zur Verfügung steht, das die Absoluttemperatur
an einer der beiden Positionen, vorzugsweise an beiden Positionen,
darstellt. Diese zusätzliche
Temperaturinformation kann dazu benutzt werden, thermische Symmetrieabweichungen
rechnerisch zu korrigieren, die durch die bloße Temperaturdifferenzmessung
zwischen der Probenposition und der Referenzposition nicht erfaßt werden
und deren Nichterfassung einen Auswertefehler zur Folge hat, weil
durch die Unsymmetrie die Temperaturdifferenz nicht genau der Differenz
zwischen den beiden Wärmeströmen der
Probenposition und der Referenzposition entspricht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens besteht darin, daß die zur Lieferung des der
Differenz zwischen den beiden Temperaturen entsprechenden thermoelektrischen
Signals dienende Thermoelementanordnung je eine der Probenposition
bzw. der Referenzposition zugeordnete Reihe von zu einer Thermosäule hintereinandergeschalteten,
aus zwei unterschiedlichen Thermoelementmaterialien zusammengesetzten
Thermokontakten, die abwechselnd jeweils auf zwei in bezug auf die
Probenposition bzw. die Referenzposition zentrischen Kreisen unterschiedlicher
Radien angeordnet sind, und die zur Lieferung des der Absoluttemperatur
entsprechenden thermoelektrischen Signals dienende Thermoelementanordnung
einen von der entsprechenden Reihe von Thermokontakten konzentrisch
umgebenen kreisförmig
begrenzten Bereich eines ersten Thermoelementmaterials aufweist,
von dem aus sich ein Verbindungsbereich zu einem der auf der Oberfläche des
Substrats ausgebildeten Anschlüsse
erstreckt.
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Bei dieser Ausgestaltung sind die
thermischen Symmetrieabweichungen durch die Gestalt der beiden Thermosäulen, welche
die Probenposition und die Referenzposition jeweils kreisringförmig umgeben,
weitgehend minimiert, so daß die
aufgrund der zusätzlich
gemessenen Absoluttemperaturen anzuwendenden Korrekturen klein sein
können.
Jede der beiden Thermosäulen
benutzt die Tatsache, daß der
Wärmestrom
proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei längs des
Wärmestrompfades voneinander
beabstandeten Temperaturmeßpunkten ist.
Näherungsweise
sind die der Probenposition bzw. der Referenzposition zugeordneten
Wärmeströme in bezug
auf die Zentren der Probenposition und der Referenzposition bei
geeigneter Ankopplung an die Wärmequelle
radialsymmetrisch. Somit stellen die auf dem radial inneren Kreis
und auf dem radial äußeren Kreis
angeordneten Thermokontakte geeignete Temperaturmeßpunkte
im Wärmestrompfad
dar, wobei die Hintereinanderschaltung der dazwischen auftretenden
Thermospannungen in der Thermosäule
zu einer Gesamtthermospannung führt,
die dem betreffenden Wärmestrom
sehr nahekommt. Dabei dient es der thermischen Symmetrie, daß die zur Messung der
Absoluttemperatur dienende Thermoelementanordnung innerhalb des
radial inneren Kreises von Thermokontakten ebenfalls im wesentlichen radialsymmetrisch
ist, indem sein auf das Substrat aufgebrachtes erstes Thermoelementmaterial
kreisförmig
begrenzt und konzentrisch zu den Kreisen der Thermokontakte der
Thermosäulen
angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist dieses erste Thermoelementmaterial
kreisringförmig
ausgebildet, also mit einer zentralen Ausnehmung versehen.
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Zweckmäßigerweise wird die Ausbildung und
Abgreifbarkeit der der Absoluttemperatur entsprechenden Thermospannung
dadurch bewerkstelligt, daß auf
dem kreisförmig
begrenzten Bereich des ersten Thermoelementmaterials ein Thermokontakt mit
einem davon verschiedenen zweiten Thermoelementmaterial ausgebildet
ist, das sich zu einem der auf dem Substrat ausgebildeten Anschlüsse erstreckt.
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Dabei dient es in einer weiteren
Ausgestaltung der Vereinfachung und besseren Ausnutzung der Platzverhältnisse
auf dem Probenhalter, daß auf dem
Substrat eine Verbindung zwischen den zweiten Thermoelementmaterialien
der Probenposition und der Referenzposition ausgebildet und zu einem
gemeinsamen Anschluß geführt ist.
Zwischen diesem gemeinsamen Anschluß und den beiden mit dem ersten
Thermoelementmaterial verbundenen Anschlüssen der Probenposition und
der Referenzposition läßt sich
jeweils das der Absoluttemperatur der Probenposition bzw. der Referenzposition
entsprechende thermoelektrische Signal abgreifen.
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Weiter ist es im Hinblick auf eine
Minimierung der auf dem Substrat anzubringenden Anschlußstruktur
vorteilhaft, daß auf
dem Substrat eine Verbindung zwischen zwei elektrisch äquivalenten Enden
der der Probenposition bzw. der Referenzposition zugeordneten Thermosäulen ausgebildet
ist und die beiden anderen Enden der Thermosäulen jeweils mit den zum Abgriff
des der Differenz zwischen den beiden Temperaturen entsprechenden
thermoelektrischen Signals dienenden Anschlüssen verbunden sind. Bei dieser
Ausgestaltung sind die beiden Thermosäulen elektrisch gegeneinandergeschaltet, so
daß an
den beiden Anschlüssen
das der Differenz der Temperaturen an der Probenposition bzw. der Referenzposition
entsprechende thermoelektrische Signal auftritt.
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Zusätzlich kann es für die Auswertung
und Korrekturberechnung wünschenswert
sein, die näherungsweise
den einzelnen Wärmeströmen entsprechenden
Ausgangssignale der beiden Thermosäulen getrennt abgreifen zu
können.
Für eine
Minimierung der hierfür
erforderlichen Anschlußstruktur
auf dem Substrat ist es vorteilhaft, daß die Verbindung mit einem
auf dem Substrat ausgebildeten gemeinsamen Anschluß verbunden
ist. Zwischen diesem gemeinsamen Anschluß und den zu ihren betreffenden
Anschlüssen
geführten
Enden der beiden Thermosäulen
kann somit jeweils getrennt das Ausgangssignal beider Thermosäulen abgegriffen
werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere vorgesehen,
daß die
auf dem Substrat ausgebildeten Thermoelementanordnungen als Dickfilme
ausgebildet sind. Die Anwendung der Dickfilmtechnik für die Herstellung
der Thermoelementanordnungen auf dem Substrat ist in der eingangs
genannten
DE 39 16 311
A1 und dem darauf erteilten deutschen Patent
DE 39 16 311 C2 unter Darstellung
der dadurch erreichten Vorteile näher erläutert. Der Offenbarungsgehalt
dieser beiden Schriften wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende
Patentanmeldung eingeschlossen. Insbesondere löst die Dickfilmtechnik auf
einfache Weise auch die Isolierung der einzelnen Strukturelemente
der Thermoelementanordnungen nach außen, d. h. gegenüber Probentiegeln
und Referenztiegeln, die auf die Probenposition und die Referenzposition
aufgesetzt werden, sowie die gegenseitige Isolierung von sich überschneidenden
Teilen der Strukturen, wie sie zwischen Strukturelementen der Thermosäulen und
Verbindungen der zur Absoluttemperaturmessung dienenden Thermoelementanordnungen
und ihren Anschlüssen
auftreten.
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Hinsichtlich der erwünschten
thermischen Inertheit und Beständigkeit
des Probenhalters ist es von Vorteil, daß das Substrat ein keramisches
Material ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert
ist. Hierin zeigen:
- 1 eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform
eines Probenhalters, und
- 2 eine Aufsicht
auf eine zweite Ausführungsform
des Probenhalters.
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Ein kreisscheibenförmiges keramisches Substrat 1,
das in 1 in einer Aufsicht
auf seine ebene Oberfläche 2 dargestellt
ist, ist dort mit einer in Dickfilmtechnik aufgebrachten Struktur
versehen, die zur Lieferung von zur Durchführung der Differenz-Thermoanalyse
geeigneten thermoelektrischen Signalen dient. Auf einem durch den
Mittelpunkt des kreisscheibenförmigen
Substrats 1 gezogenen Strahl liegen unter gleichem radialem
Abstand zum Mittelpunkt die Zentren 3 bzw. 4 einer Probenposition 5 und
einer Referenzposition 6.
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Die Probenposition 5 ist
von einer Thermosäule
aus hintereinandergeschalteten Thermokontakten umgeben, die abwechselnd
in einem kleineren bzw. einem größeren radialen
Abstand zum Zentrum 3 angeordnet sind. Sowohl die in dem
kleineren radialen Abstand angeordneten Thermokontakte 7 als auch
die in dem größeren radialen
Abstand angeordneten Thermokontakte 8 liegen jeweils auf
zu dem Zentrum 3 konzentrischen Kreisen. Dabei sind die auf
dem radial äußeren Kreis
angeordneten Thermokontakte 8 gegenüber den auf dem radial inneren Kreis
angeordneten Thermokontakten 7 in Umfangsrichtung jeweils
mittig versetzt. Innerhalb der Thermosäule erstrecken sich die beiden
verschiedenen Thermoelementmaterialien zwischen den Thermokontakten 7, 8 in
der Form geradliniger Streifen 9, 10 näherungsweise
radial.
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Innerhalb des radial inneren Kreises
von Thermokontakten 7 ist in einem kleinen radialen Abstand
dazu ein ringförmiges
erstes Thermoelementmaterial 11 in zentrischer Anordnung
relativ zum Zentrum 3 der Probenposition 5 auf
dem Substrat 1 ausgebildet. In dem durch den inneren Ringumfang 12 umgrenzten
Bereich weist das Substrat 1 eine axial durchgehende Ausnehmung
auf.
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Die Referenzposition 6 ist
mit einer zu dieser Struktur der Probenposition 5 in bezug
auf den Mittelpunkt des Substrats 1 symmetrisch ausgebildeten Struktur
versehen. Die den Bezugszeichen der Struktur der Probenposition 5 entsprechenden
Bezugszeichen sind in 1 mit
einem Strich versehen, und für sie
gilt analog die vorstehend für
die Probenposition 5 angegebene Beschreibung.
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Weiter ist aus 1 ersichtlich, daß zwei elektrisch äquivalente
Enden der beiden Thermosäulen
durch eine auf dem Substrat 1 ausgebildete Verbindung 13 zusammengeschaltet
sind. Die beiden anderen Enden sind mittels Verbindungsstreifen 14, 14' zu je einem
Anschlußbereich 15 bzw. 15' herausgeführt. Die
gesamte Verbindungs- bzw. Anschlußstruktur 13, 14, 14', 15, 15' ist in bezug
auf die Mittelsenkrechte auf den Verbindungsstrahl zwischen den Zentren 3, 4 spiegelsymmetrisch
ausgeführt.
Die Verbindung 13 umgeht dabei einen Mittenbereich des keramischen
Substrats 1, indem in dem keramischen Substrat 4 axiale
Durchgänge 16, 17, 18, 19 ausgebildet
sind, deren Zentren paarweise und mittensymmetrisch auf dem Verbindungsstrahl
zwischen den Zentren 3, 4 bzw. der Mittelsenkrechten
dazu angeordnet sind. An diesen axialen Durchgängen ist ein thermisches Kopplungsglied
festlegbar, das zur thermischen Verbindung des Probenhalters mit
einer Wärmequelle
dient.
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Auf der der Verbindung 13 und den
Anschlußbereichen
15,
15' in bezug auf
den Verbindungsstrahl zwischen den Zentren
3,
4 gegenüberliegenden
Seite der Oberfläche
2 des
Substrats
1 ist eine weitere Anschlußstruktur ausgebildet. Diese weist
zwei spiegelsymmetrisch zur Mittelsenkrechten des Verbindungsstrahls
zwischen den beiden Zentren
3,
4 angeordnete Anschlußbereiche
20,
20' auf, von denen
aus sich ebenfalls jeweils spiegelsymmetrisch zur Mittelsenkrechten
Anschlußstreifen
21,
21' in etwa radial
zu dem ersten Thermoelementmaterial
11 bzw.
11' hin erstrecken
und eine elektrische Verbindung zwischen letzterem und den Anschlußbereichen
20 bzw.
20' herstellen.
Die erforderliche elektrische Isolierung zwischen dieser Anschlußstruktur und
den davon überquerten
Thermoelementstrukturen wird bei der Dickfilmherstellung berücksichtigt. Auf
die diesbezügliche
Offenbarung in
DE 39
16 311 A1 bzw.
DE
39 16 311 C2 wird verwiesen.
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Auf der Mittelsenkrechten ist auf
der mit den Anschlußbereichen 20, 20' belegten Seite
des Substrats 1 ein gemeinsamer Anschluß 22 zentriert, von dem
aus sich längs
der Mittelsenkrechten zwischen den beiden Anschlußbereichen 20, 20' hindurch ein Verbindungsstück 23 bis
zu einer Y-förmigen
Verzweigung erstreckt, von wo aus sich das Verbindungsstück 23 mit
zwei streifenförmigen
Armen 24, 24' spiegelsymmetrisch
zur Mittelsenkrechten unter Isolierung über die Thermosäulenstruktur
hinweg bis in die ringförmigen
ersten Thermoelementmaterialien 11, 11' hinein erstreckt.
Das Verbindungsstück 23 und
seine Arme 24, 24' bestehen
aus einem zweiten Thermoelementmaterial, das mit dem ersten Thermoelementmaterial 11 bzw.
11' jeweils einen
Thermokontakt 25 bzw. 25' bildet. Es ist ohne weiteres ersichtlich,
daß durch
diese Anordnung das am Thermokontakt 25 auftretende thermoelektrische
Signal zwischen dem gemeinsamen Anschluß 22 und dem Anschlußbereich 20 abgreifbar
ist, während
das an dem Thermokontakt 25' auftretende
thermoelektrische Signal zwischen dem gemeinsamen Anschluß 22 und
dem Anschlußbereich 20' abgreifbar
ist.
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Die in 2 dargestellte
Ausführungsform geht über die
in 1 dargestellte Ausführungsform dadurch
hinaus, daß von
der Verbindung 13 ein sich längs
der Mittelsenkrechten des Verbindungsstrahls der beiden Zentren 3, 4 erstreckender
Verbindungssteg 26 abzweigt, der sich bis zu einem gemeinsamen
Anschluß 27 erstreckt,
der in bezug auf den Verbindungsstrahl zwischen den Zentren 3, 4 spiegelsymmetrisch
zu dem gemeinsamen Anschluß 22 angeordnet
ist. Im übrigen
entspricht die in 2 dargestellte
Ausführungsform
der in 1 dargestellten. Dementsprechend
sind insoweit übereinstimmende Bezugszeichen
verwendet und wird auf deren Beschreibung in 1 verwiesen. Während in 1 lediglich die Differenz zwischen den
von den beiden Thermosäulen
gelieferten Thermospannungen an den Anschlüssen 15, 15' zur Verfügung steht,
können bei
der in 2 dargestellten
Ausführungsform
zwischen dem gemeinsamen Anschluß 27 und dem Anschlußbereich 15 bzw. 15' jeweils getrennt
die thermoelektrischen Ausgangssignale der beiden Thermosäulen abgegriffen
werden.
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Ersichtlich sind in beiden Ausführungsformen
die auf der ebenen Oberfläche 2 des
Substrats 1 angeordneten Strukturen hinsichtlich der thermischen
Symmetrie zwischen Probenposition 5 und Referenzposition 6 weitestgehend
optimiert. Zur Erfassung verbleibender Symmetrieabweichungen stellen
die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen
zusätzlich
zu dem zwischen den Anschlüssen 15, 15' auftretenden
Temperaturdifferenzsignal weitere thermoelektrische Signale zur
Verfügung,
welche der Absoluttemperatur an der Probenposition 5 bzw.
der Referenzposition 6 entsprechen. Diese Absoluttemperatursignale
sind zwischen dem gemeinsamen Anschluß 22 und den Anschlußbereichen 20 bzw.
20' abgreifbar.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
sind zusätzlich
die Ausgangssignale der beiden Thermosäulen für sich getrennt zwischen dem
gemeinsamen Anschluß 27 und
den Anschlußbereichen 15, 15' abgreifbar.
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- 1
- Verzeichnis
der BezugszeichenSubstrat
- 2
- ebene
Oberfläche
- 3,
4
- Zentren
- 5
- Probenposition
- 6
- Referenzposition
- 7,
7', 8, 8'
- Thermokontakte
- 9,
9', 10, 10'
- Streifen
aus Thermoelementmaterial
- 11,
11'
- erstes
Thermoelementmaterial
- 12
- innerer
Ringumfang
- 13
- Verbindung
- 14,
14'
- Verbindungsstreifen
- 15,
15'
- Anschlußbereich
- 16,
17, 18, 19
- axiale
Durchgänge
- 20,
20'
- Anschlußbereiche
- 21,
21'
- Anschlußstreifen
- 22
- gemeinsamer
Anschluß
- 23
- Verbindungsstück
- 24,
24'
- Arme
- 25,
25'
- Thermokontakt
- 26
- Verbindungsstreifen
- 27
- gemeinsamer
Anschluß