Fabrication of Planar Multi-junction Thermal Converter

평면형 다중접합 열전변환기의 제작

Planar multi-junction thermal converters were fabricated for precise measurements of the ac voltage and current by an ac-dc transfer method. A heater and a thermocouple array were fabricated onto a sandwiched membrane, $Si_{3}N_{4}$ (200 nm) / $SiO_{2}$ (400 nm) / $Si_{3}N_{4}$ (200 nm), a thickness of $0.8\;{\mu}m$ and a size of $2{\times}4\;mm^{2}$, which is supported by a surrounding frame. The NiCr heater is located at the center of the membrane vertically. Hot junctions of $48{\sim}156$ pairs of thermocouples (Cu-CuNi44) are located near or onto the heater, and cold junctions are located onto the silicon frame. Output of the thermal converters for 10 mA dc input was $76\;mV{\sim}382\;mV$ dependent on a model, and short term stability of the outputs was ${\pm}5{\sim}15\;ppm$/ 10 min with 5 mA dc input. Responsivity in air was in the range of $3.9{\sim}14.5V/W$. Responsivity of the model BF48 in air which has 48 thermocouples was 2 times or greater than that of 3 dimensional multi-junction thermal converter in vacuum which has 56 thermocouples. AC-DC transfer differences with an input of 10 mA or less were less than ${\pm}1\;ppm$ in the frequency range from 5 Hz to 2 kHz, and about $2{\sim}3\;ppm$ at 5 kHz and 10 kHz.

교류-직류 변환방법으로 교류전압 및 전류를 정밀측정하기 위한 평면형 다중접합 열전변환기를 제작하였다. 실리콘 기판에 지지된 $Si_{3}N_{4}$ (200 nm) / $SiO_{2}$ (400 nm) / $Si_{3}N_{4}$ (200 nm) 샌드위치구조의 두께 $0.8\;{\mu}m$ (크기 $2{\times}4\;mm^{2}$)의 멤브레인 위에 가열선과 열전대 접합을 형성하였다. 멤브레인의 세로방향 중앙에 NiCr 가열선을 배치하고, 가열선 주위 또는 그 위에 동-콘스탄탄(Cu- CuNi44)으로 $48{\sim}156$ 개의 열전대의 열(熱)접합을 형성하였으며, 열전대의 냉(冷)접합은 실리콘 기판 위에 형성하였다. 직류 10 mA의 입력에 대한 열전대의 출력전압은 종류에 따라 $76\;mV{\sim}382\;mV$를 얻었으며, 입력 5 mA일때 출력전압의 단기안정도는 ${\pm}5{\sim}15\;ppm4/ 10 min이었다. 공기분위기에서 감응도는 $3.9{\sim}14.5V/W$로 측정되었고, 열전대의 수가 48개인 모델 BF48의 경우 공기중에서의 감응도가 3.9 V/W로써, 56개의 열전대를 갖는 3차원구조 다중접합 열전변환기의 진공분위기에서의 감응도보다 2배 이상 크게 나타났다. 또한 측정전류 10 mA 이하, 측정주파수 $5\;Hz{\sim}2\;kHz$에서의 교류-직류 변환차이는 약 ${\pm}1\;ppm$ 이하이었고, 5 kHz 및 10 kHz에서는 약 $2{\sim}3\;ppm$ 이었다.