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Neues Primärnormal für den Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfer

18.02.2005

Vielfach-Thermokonverter (Multijunction Thermal Converter, MJTC) in dreidimensionaler Bauart bilden in der PTB seit 20 Jahren die Grundlage für den Transfer von Wechsel- zu Gleichstromstärke. Die Transferdifferenz eines solchen MJTC (Heizerwiderstand 27 Ω) ist für Stromstärken von 20 bis 50 mA im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz kleiner als 1 μA/A mit einer berechenbaren Unsicherheit von 1 bis 3 μA/A im Bereich 1 bis 100 kHz. Die Herstellung dieser MJTC ist allerdings sehr aufwändig. Sie wurde schon Ende der 80er Jahre eingestellt, nachdem ein planarer Vielfach-Thermokonverter auf einem Silizium-Chip (PMJTC) entworfen und zusammen mit dem Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. (IPHT) bis zur Serienreife entwickelt worden war. Dieser wird vom IPHT seit einigen Jahren hergestellt und weltweit vertrieben. Als Primärnormal wurde aber weiterhin der dreidimensionale MJTC verwendet, da die Transferdifferenzen des PMJTC nicht mit hinreichend geringer Unsicherheit berechnet werden konnten.

Durch die Verwendung von Quarz als Substrat für den PMJTC ist es nun gelungen, die für den Frequenzgang der Transferdifferenz verantwortlichen Parameter wie Kapazitäten und dielektrische Verluste im Heizerbereich auf der Membran und an den Anschlussstellen auf dem Substrat hinreichend klein und messbar zu machen, so dass sie in einer Computersimulation zur Berechnung der Transferdifferenzen verwendet werden konnten. Im Modell wurden auch die Kapazitäten und Induktivitäten sowie der Skineffekt in den Zuleitungen berücksichtigt (s. Bild). Die geringsten Transferdifferenzen ergeben sich für den PMJTC mit dem kleinsten Heizerwiderstand. Die Unsicherheiten der Berechnung sind bis 100 kHz kleiner als 0,2 μA/A und bis 1 MHz kleiner als 1,5 μA/A (k=2).

Mit dem PMJTC auf Quarz-Substrat als neuem Primärnormal der PTB kann der Frequenzbereich bei Bedarf auf 1 MHz erweitert werden. Die Unsicherheiten bei der Kalibrierung von Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormalen für den Deutschen Kalibrierdienst wurden im Stromstärkebereich von 3 mA bis 1 A erheblich verringert (s. Tabelle).


Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transferdifferenzen δ i planarer Vielfach-Thermokonverter auf Quarz-Substrat mit verschiedenen Heizerwiderständen RH.

Stromstärke\Frequenz

10 Hz bis 20 kHz

50 kHz

70 kHz

100 kHz

3 mA / 5 mA

5 μA/A

5 μA/A

5 μA/A

5 μA/A

10 mA / 50 mA

3 μA/A

3 μA/A

3 μA/A

3 μA/A

100 mA / 200 mA

5 μA/A

5 μA/A

5 μA/A

5 μA/A

300 mA / 500 mA

5 μA/A

5 μA/A

10 μA/A

10 μA/A

1 A

5 μA/A

10 μA/A

10 μA/A

15 μA/A

Unsicherheiten für die Kalibrierung von Wechselstrom-Gleichstromstärke- Transfernormalen von 3 mA bis 1 A für Frequenzen von 10 Hz bis 100 kHz (k=2))