백금 히터가 내장된 평면형 Bi-Sb 다중접합 열전변환기의 특성

Characteristics of a planar Bi-Sb multijunction thermal converter with Pt-heater

필라멘트 모양의 백금 박막 히터 및 Bi-Sb 박막 열전퇴(thermopile)의 고온 접합부를 열차단막 역할을 하는 $Si_{3}N_{4}/SiO_{2}/Si_{3}N_{4}$ 다이아프램위에, 열전퇴의 저온 접합부를 방열판 역할을 하는 실리콘 기판에 의해 지지되는 유전체 멤버레인위에 각각 형성시켜, 열감도가 높고 교류-직류 변환오차가 작은 평면형 Bi-Sb 다중접합 열전변환기를 제작하고, fast reversed dc 방법으로 변환기의 교류-직류 변환특성을 측정하였다. 단일 bifilar 히터로 제작된 변환기의 열감도는 공기 및 진공중에서 각각 약 10.1 mV/mW 및 14.8 mV/mW였고, 2중 bifilar 히터로 제작된 변환기의 열감도는 안쪽 및 바깥쪽에 있는 히터를 입력으로 하였을 강우 공기 및 진공중에서 각각 약 5.1 mV/mW 및 7.6 mV/mW 그리고 각각 약 5.3 mV/mW 및 7.8 mV/mW로서, 기체에 의한 열손실이 거의 없는 진공중에서의 열감도가 공기중에서의 열감도보다 더 높게 나타났다. 10 kHz이하의 주파수 범위에서 변환기의 교류-직류 전압 및 전류 변환오차 범위는, 단일 bifilar 히터로 제작된 경우 공기중에서 각각 약 ${\pm}1.80\;ppm$ 및 ${\pm}0.58\;ppm$이었고, 2중 bifilar 히터로 제작된 경우 안쪽 및 바깥쪽 히터를 입력으로 하였을 때 공기중에서 각각 약 ${\pm}0.63\;ppm$ 및 ${\pm}0.25\;ppm$ 그리고 각각 약 ${\pm}0.53\;ppm$ 및 ${\pm}0.27\;ppm$였다.

A planar Bi-Sb multijunction thermal converter with high thermal sensitivity and small ac-dc transfer error has been fabricated by preparing the bifilar thin film Pt-heater and the hot junctions of thin film Bi-Sb thermopile on the $Si_{3}N_{4}/SiO_{2}/Si_{3}N_{4}$-diaphragm, which functions as a thermal isolation layer, and the cold junctions on the dielectric membrane supported with the Si-substrate, which acts as a heat sink, and its ac-dc transfer characteristics were investigated with the fast reversed dc method. The respective thermal sensitivities of the converter with single bifilar heater were about 10.1 mV/mW and 14.8 mV/mW in the air and vacuum, and those of the converter with dual bifilar heater were about 5.1 mV/mW and 7.6 mV/mW, and about 5.3 mV/mW and 7.8 mV/mW in the air and vacuum for the inputs of inside and outside heaters, indicating that the thermal sensitivities in the vacuum, where there is rarely thermal loss caused by gas, are higher than those in the air. The ac-dc voltage and current transfer difference ranges of the converter with single bifilar heater were about ${\pm}1.80\;ppm$ and ${\pm}0.58\;ppm$, and those of the converter with dual bifilar heater were about ${\pm}0.63\;ppm$ and ${\pm}0.25\;ppm$, and about ${\pm}0.53\;ppm$ and ${\pm}0.27\;ppm$, respectively, for the inputs of inside and outside heaters, in the frequency range below 10 kHz and in the air.