AC-DC Transfer Characteristics of a Bi-Sb Multijunction Thermal Converter

Bi-Sb 다중접합 열전변환기의 교류-직류 변환 특성

A planar Bi-Sb multijunction thermal converter, which is consisted of a linear or bifilar thin film NiCr-heater and a thin film Bi-Sb thermopile, has been fabricated, and its ac-dc transfer characteristics were examined in a frequency range from 10 Hz to 10 KHz. In order to increase the thermal sensitivity and to decrease the ac-dc transfer error of a thermal converter, the heater and the hot junctions of a thermopile were prepared on a Si$_3$N$_4$/SiO$_2$/Si$_3$N$_4$-diaphragm which acts as a thermal isolation layer, and the cold junctions on the Si$_3$N$_4$/SiO$_2$/Si$_3$N$_4$-thin film supported with the silicon rim which functions as a heat sink. The respective thermal sensitivities in air and in a vacuum of the converter with a built-in bifilar heater were about 14.0 ㎷/㎽ and 54.0 ㎷/㎽, and the ac-dc voltage and the current transfer difference ranges in air were about $\pm$0.60 ppm and $\pm$0.11 ppm, respectively, indicating that the ac-dc transfer accuracy of the converter are much higher than that of a commercial 3-dimensional multijunction thermal converter. However, the output thermoelectric voltage fluctuation of the converter was rather high.

직선 또는 필라멘트 모양의 NiCr 박막 히터 및 Bi-Sb 박막 열전퇴(thermopile)로 구성되는 평면형 Bi-Sb 다중접합 열전변환기를 제작하고, 10 Hz에서부터 10 ㎑까지의 교류 입력신호에 대한 변환기의 교류-직류 변환 특성을 논의하였다. 변환기의 열감도를 증가시키고 또한 교류-직류 변환오차를 감소시키기 위하여, NiCr 히터 및 Bi-Sb 열전퇴의 고온 접합부를 열차단막 역할을 하는 Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄ 다이아프램위에 각각 형성하였고, 열전퇴의 저온 접합부는 방열판 역할을 하는 실리콘 림(rim)에 의해 지지되는 Si₃N₄/SiO₂/Si₃N₄ 박막위에 형성하였다. 단일 bifilar NiCr 히터가 내장된 변환기의 열감도는 공기 및 진공중에서 각각 약 14.0 ㎷/㎽ 및 54.0 ㎷/㎽였고, 교류-직류 전압 및 전류 변환 오차범위는 공기중에서 각각 약 ±0.60 ppm 및 ±0.11 ppm이었다. 변환기의 교류-직류 변환 정확도가 상용 3차원 구조의 다중접합 열전변환기의 것보다 훨씬 더 높게 개선되었으나, 시간에 따른 출력 열기전력의 변화는 비교적 높게 나타났다.