Probenumgebung für interferometrische Untersuchungen an piezokeramischen Werkstoffen im Temperaturbereich von 20 °C bis 200 °C

Probenumgebung für interferometrische Untersuchungen an piezokeramischen Werkstoffen im Temperaturbereich von 20 °C bis 200 °C Präzise Messungen stellen immer eine Vielzahl von Anforderungen an einen Messaufbau und dessen Umgebung. Für die Untersuchung piezoelektrischer Materialien bei hohen Temperaturen sind die folgenden Anforderungen von einer Probenumgebung zu erfüllen:

- Temperieren der Proben im Hochvakuum im Temperaturbereich von 20 °C bis 200 °C
- Aufspannung der Probe auf einer Referenzplatte mit möglichst geringer mechanischer Beeinflussung der Probe
- Elektrische Kontaktierung der Proben zum Anlegen einer Hochspannung und
- Schutz, der umgebenden Komponenten in der Vakuumkammer, vor der entstehenden Wärmestrahlung.

Aufgebaut ist die Probenumgebung aus einem Heizelement, einer Temperaturregelung, einer Probenplatte zur Aufnahme der Probe, einer Kontaktierung der Probe und einer geeigneten Abschirmung.

Im realisierten Aufbau wird die erforderliche Heizleistung durch ein Heizmodul der Firma Kammrath und Weiss erbracht. Das Heizmodul ist für den Einsatz im Hochvakuum konzipiert und verfügt bereits über ein Regelsystem, das eine stabile Temperierung gewährleistet. Die Wärme des Heizmoduls wird durch einen guten Flächenkontakt auf die Referenzplatte aus Aluminiumnitrit übertragen. Die Probe liegt dabei nicht direkt auf der Aluminiumnitritplatte auf, sondern liegt nur mit ihrem Randbereich auf drei radial nach außen verlaufenden, auf dem Aluminiumnitrid aufgebrachten, Goldstreifen auf. Diese Auflage auf drei Stellen ist für einen guten Wärmeübergang zwar ungünstig, ist aber erforderlich, da sich die Stirnfläche der Probe durch die angelegte elektrische Spannung verformt.

Elektrisch kontaktiert wird die Probe von der Unterseite über die drei Goldstreifen und von oben über drei Kontaktarme. Diese liegen auf der Probe gegenüber den Punkten der Drei-Punkt-Auflage auf und halten so die Probe auf der Referenzplatte fest. Die Auflagekraft der Arme ist durch Massestücke von ca. 0 g bis ca. 10 g variabel einstellbar. Dadurch kann die mechanische Belastung auf die Probe möglichst gering gehalten werden. Ein vierter Kontaktarm bildet den Kontakt zu den Goldstreifen auf der Referenzplatte. Die Kontaktarme sind auf einem Grundkörper aus Glaskeramik befestigt, der die elektrische Isolierung sicher stellt.

Da die Kontaktarme in den geheizten Bereich hineinragen, sind diese glänzend vergoldet, um damit einen großen Teil der auftreffenden Wärmestrahlung zu reflektieren und nicht nach außen abzuleiten.


Bild 1: Kontaktierte Probe∅ ~ 15 mm x 2 mm auf einer Test-Referenzplatte ∅ ~50 mm

Um die Verluste durch abgestrahlte Wärme weiter zu minimieren und die Umgebung vor Wärmestrahlung zu schützen, sind weitere in Bild 1 nicht gezeigte glänzend vergoldete Wärmeschilde um die geheizten Komponenten angeordnet. Eine Erwärmung der Bauteile kann aber nicht ganz verhindert werden. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers aus Glaskeramik reduziert aber eine Ableitung der Wärme in die Anschlussbauteile.

Ein vergoldetes Shutterblech kann für die Heizdauer über dem Aufbau in den Strahlengang eingeschwenkt werden, um die darüber befindlichen Optiken vor direkter Wärmestrahlung zu schützen. Es wird nur für die interferometrischen Messungen geöffnet. Das einschwenkbare Shutterblech ist so angeordnet, dass es die auftreffende Wärmestrahlung nicht in den Heizbereich zurück reflektiert, sondern gegen die Wand der Vakuumkammer. Dadurch wird das thermische Gleichgewicht im Heizbereich möglichst wenig gestört.


Bild 2: Probenumgebung mit Wärmeschutzrohr und Shutterblech

Bei geöffnetem Shutterblech erfolgt dann die interferometrische Messung der Stirnfläche der temperierten Probe gegen die Stirnfläche der Referenzplatte.