HELMHOLTZ-PREIS 1990 (Preisverleihung am 19.03.1990)
Dr.-Ing. Manfred Klonz, Thomas Weimann für die Arbeit „Entwurf und Optimierung eines planaren Vielfachthermokonverters zur präzisen Rückführung des Effektivwertes von Wechselgrößen"

Preisträger 1990: Planarer Vielfachthermokonverter

Manfred Klonz (li.), 1941 in Steinersdorf (Schlesien) geboren, studierte Hochfrequenz- und Nachrichtentechnik an der TH Hannover. 1967 kam er zur PTB Braunschweig, wo er bis 1975 im „Laboratorium für Wechselspannungsnormale“ arbeite. 1987 wurde er an der TU Braunschweig promoviert. Bis 1990 war er im „Laboratorium für Elektrizitätszähler“ tätig, dann wechselte er in die Arbeitsgruppe „Thermoelektrische Sensoren“. Von 1993 bis 2003 leitete er die Arbeitsgruppe „Thermoelektrische Sensoren“, später „Wechselstrom-Gleichstrom-Transfer“ genannt. Bis zu seiner Pensionierung 2006 war er der Leiter des Fachbereichs „Gleichstrom und Niederfrequenz“.

Thomas Weimann (re.) wurde 1961 in Unna geboren, studierte Physik in Münster und schloss sein Studium 1987 mit einer Diplomarbeit ab, die an der PTB Braunschweig von Manfred Klonz betreut wurde. Weimann blieb bei der PTB und arbeitete bis 1990 auf dem Gebiet der Vielfachthermokonverter. Anschließend baute er den Bereich Elektronenstrahllithographie innerhalb der PTB Braunschweig auf. 1995 wurde er in Münster mit einer Arbeit über den planaren Vielfachthermokonverter promoviert. Gegenwärtig leitet er die Arbeitsgruppe „Nanostrukturen“.

Die Werte von elektrischen Gleichspannungen und Widerständen lassen sich mit Hilfe des Josephson- bzw. des Quanten-Hall-Effekts mit einer relativen Unsicherheit von 10–9 reproduzieren. Für Wechselspannungen und Wechselstromstärken, die in der Messtechnik mindestens ebenso wichtig sind, gibt es keine genauen Realisierungen. Man führt deshalb die Wechselgrößen auf äquivalente Gleichgrößen zurück (AC-DC-Transfer), indem man z. B. die von einem Wechselstrom in einem Heizdraht hervorgerufene Temperaturerhöhung mit der von einem Gleichstrom bekannter Größe verursachten Erhöhung der Temperatur vergleicht.

Für diese Aufgabe benutzt man Thermokonverter, in denen die Temperaturerhöhung des Heizdrahtes durch zahlreiche hintereinandergeschaltete Thermoelemente gemessen wird. Die früher gebräuchlichen Thermokonverter hatten einen komplizierten dreidimensionalen Aufbau. Sie mussten in Handarbeit unter dem Mikroskop hergestellt werden und waren deshalb ungeeignet für eine Massenfertigung, die der großen Nachfrage seitens der Kalibrierdienste und der Nationalen Metrologieinstitute hätte nachkommen können. Demgegenüber entwickelten Dr.-Ing. Manfred Klonz und Dipl.-Phys. Thomas Weimann von der PTB einen Thermokonverter, der sich mit Dünnschichttechniken herstellen ließ, wie sie in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden. Für diese Arbeit wurde ihnen der mit 10.000 DM dotierten Helmholtz-Preis 1990 im Bereich „Präzisionsmessung physikalischer Größen“ verliehen.

Der planare Vielfachthermokonverter saß auf einem 2 × 3 mm2 großen und 3 µm dicken Fenster aus Siliziumoxid, das in einen 5 × 8 mm2 großen Siliziumchip anisotropisch geätzt worden war. Ein Heizer und 108 Thermoelemente aus Kupfer und der Kupfer-Nickel-Legierung Konstantan wurden auf das Fenster aufgedampft. Der stromdurchflossene Heizer erwärmte das Fenster, das die Wärme nur sehr schlecht weiterleitete. Die dadurch verursachte Temperaturerhöhung wurde von den Thermoelementen gemessen. Bis zu 100 Thermokonverter konnten auf einem Wafer gleichzeitig hergestellt werden. So war es möglich, das neue Messelement in hoher Stückzahl und mit großer Präzision zu fertigen. Da sich die Eigenschaften des planaren Vielfachthermokonverters in Abhängigkeit von der Größe und Form seiner Komponenten berechnen ließen, konnte man sie durch Computersimulation optimieren.

Auf diese Weise stellten Klonz und Weimann einen planaren Vielfachthermokonverter her, der Wechselspannungen bei 2 V für Frequenzen von 10 Hz bis 1 MHz mit einer Unsicherheit von weniger als 10–6 messen konnte. Seither ist der Vielfachthermokonverter weiterentwickelt worden, sodass die Messunsicherheit für sehr niedrige Frequenzen im mHz-Bereich bei einigen 10–7 und für hohe Frequenzen bis 100 MHz bei einigen 10–6 liegt.

Dadurch konnte die PTB ihre Spitzenstellung beim AC-DC-Transfer weiter ausbauen.

Literatur

Manfred Klonz und Thomas Weimann: Entwurf und Optimierung eines planaren Vielfachthermokonverters zur präzisen Rückführung des Effektivwertes von Wechselgrößen auf äquivalente Gleichgrößen. PTB-Mitteilungen 100, (1990), 243