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Title:
DEVICE AND METHOD FOR ELECTRICALLY CHARACTERIZING PROPERTIES OF MATERIALS, ASSEMBLIES, AND/OR COMPONENTS IN AN ENVIRONMENT WITH A HIGH TEMPERATURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2023/001608
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device and a method for electrically characterizing properties of materials, assemblies, and/or components in an environment with a high temperature, for example in order to characterize electromechanical SAW components with respect to the function thereof under action of temperature. The aim of the invention is to develop a device which allows a fail-proof positioning of a measuring object, a quick and simple change of the measuring object, and a reliable characterization at high temperatures. This is achieved by a device containing a sample holder which has means for a galvanic or capacitive in-coupling and/or out-coupling of electric signals, at least one support element, at least one high-temperature waveguide, at least one low-temperature waveguide, wherein at least the high-temperature waveguide(s) is/are designed as a coaxial conductor with solid dielectricum elements made of electrically non-conductive ceramic, at least one coupling component, at least one heat shield, at least one temperature sensor which is arranged in the support element, and at least one flange part.

Inventors:
WINDISCH THOMAS (DE)
SCHMIDT HAGEN (DE)
WESER ROBERT (DE)
BISCOP UWE (DE)
Application Number:
PCT/EP2022/069228
Publication Date:
January 26, 2023
Filing Date:
July 11, 2022
Export Citation:
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Assignee:
LEIBNIZ INST FUER FESTKOERPER UND WERKSTOFFFORSCHUNG DRESDEN E V (DE)
International Classes:
G01N22/00; G01N27/22
Foreign References:
EP0961292A11999-12-01
GB2583361A2020-10-28
US20180175488A12018-06-21
US20150123688A12015-05-07
EP2145501B12012-03-28
EP2296219B12011-08-24
Other References:
ALTEROVITZ S A ET AL: "High-Temperature RF Probe Station for Device Characterization Through 500$^circ$C and 50 GHz", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, IEEE, USA, vol. 54, no. 1, February 2005 (2005-02-01), pages 369 - 376, XP011125276, ISSN: 0018-9456, DOI: 10.1109/TIM.2004.838137
SHANE BRINGHURST ET AL: "Thin-Sample Measurements and Error Analysis of High-Temperature Coaxial Dielectric Probes", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, IEEE, USA, vol. 45, no. 12, December 1997 (1997-12-01), XP011037018, ISSN: 0018-9480
J. BARDONG ET AL.: "Characterisation Setup of SAW Devices at High Temperatures an Ultra High Frequencies", IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2009, pages 28 - 32, XP031492333
Attorney, Agent or Firm:
RAUSCHENBACH, Marion (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung, enthaltend einen Probenhalter, der mindestens ein Trägerelement für die reversible Anordnung und drahtlose Fixierung mindestens eines DUT enthält, wobei der Probenhalter Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale in und/oder aus den DUTs aufweist, mindestens einen Flochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter für das Zu- und/oder Ableiten von FIF-Signalen, Betriebsspannungen und/oder elektrischen Steuersignalen zu oder von den zu charakterisierenden DUTs, wobei zumindest der oder die für das Zu- und/oder Ableiten von FIF-Signalen dienenden Flochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind, mindestens ein Koppelbauteil zum elektrischen Verbinden und/oder Fixieren des Flochtemperaturwellenleiters mit dem Niedertemperaturwellenleiter, mindestens ein Flitzeschild, angeordnet zwischen dem Probenhalter und dem Koppelbauteil, mindestens ein im Trägerelement angeordneter Temperatursensor, und mindestens ein Flanschteil zur gas- und/oder vakuumdichten Befestigung der Vorrichtung in einer Heizvorrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige oder sämtliche Bauteile der Vorrichtung modular ausgeführt und lösbar miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter, das Koppelbauteil und/oder die Hitzeschilder aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und/oder aus Zirkonium-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturwellenleiter ein koaxialer Leiter mit Innen- und Außenleiter aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Zirkon-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außen leiterwerkstoffe und/oder das Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters austauschbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter und/oder das Trägerelement und/oder das DUT Mittel zur antennenbasierten Signalübertragung aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor in einem Abstand von maximal 5 mm zum DUT angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen im Probenhalter mindestens teilweise mittels Nutensteinen ausgeführt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale mindestens ein austauschbares Leitelement ist, das mit dem Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest elektrisch verbunden ist.

10. Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einer Heizeinrichtung in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung betrieben wird, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Betrieb die Probentemperatur gemessen und die Messwerte in die elektrische Charakterisierung des DUT einbezogen sowie zur Steuerung der Heizeinrichtung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Betriebes eine Hochfrequenzkalibrierung der Vorrichtung, insbesondere eine TOSM (Through - Open - Short - Match)-Kalibrierung, einmalig oder mehrfach durchgeführt wird, wobei die Hochfrequenzkalibrierung bis einschließlich des Anschlusses des Hochtemperaturwellenleiters am Koppelbauteil durchgeführt wird, und wobei für die restlichen Bauteile der Vorrichtung und das DUT eine separate Kompensationskalibrierung durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kalibrierung der Vorrichtung vor oder nach der Messung des DUT ein Kalibrierstandard an dessen Stelle eingesetzt wird.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur, beispielsweise zur Charakterisierung von elektro-mechanischen OFW-Bauelementen (OFW - Oberflächenwellen) hinsichtlich ihrer Funktion unter Temperatureinwirkung.

Die Vorrichtung ist speziell konzipiert zum Einsatz in Umgebungen mit hoher Temperatur, beispielsweise zur Verwendung in Fleizvorrichtungen mit Temperaturen bis zu 1800°C unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung. Sie erlaubt die elektrische Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen, die mit Gleichspannung oder im Niederfrequenz- oder Flochfrequenzbereich getestet werden sollen.

Die Vorrichtung und das Verfahren können beispielsweise zur Ermittlung der Alterung von Stoffen und Baugruppen unter Temperatureinflüssen und/oder unter bestimmten Umgebungsbedingungen verwendet werden.

Aus der EP 2 145501 B1 ist ein Strukturbauteil auf der Basis eines bei Temperaturen oberhalb von 800 °C weitestgehend stabilen keramischen Körpers bekannt, wobei das Strukturbauteil im Einsatz mit einer heißen Schmelze oder einem zu brennenden Material in Kontakt steht. Innerhalb des Strukturbauteils ist mindestens ein OFW- Sensor integriert, mit dem während des Betriebs des Strukturbauteils mindestens eine der folgenden Informationen erfassbar und an ein Datenverarbeitungssystem übertragbar ist: Identifikation des Strukturbauteils, physikalische Eigenschaften des Strukturbauteils, Bewegungen des Strukturbauteils, Zeitpunkt des Betriebs des Strukturbauteils, Ort des Strukturbauteils, wobei der OFW-Sensor mit einer Antenne zum drahtlosen Empfang und zum drahtlosen Aussenden von Funksignalen ausgebildet ist.

Aus der EP 2296219 B1 ist ein Schieberverschluss für ein metallurgisches Gefäß mit einer metallischen Struktur zur Konfektionierung eines feuerfesten keramischen Bauteils bekannt, wobei in dem Bauteil ein Sensor integriert ist, sowie einem konstruktiv in die metallische Struktur integrierten Hohlleiter zur Übertragung elektromagnetischer Wellen vom und zum Sensor.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Parameter von Oberflächenwellen-Chips (OFW-Chips) unter hohen Temperaturen bis zu 1000°C (J. Bardong et al. : Characterisation Setup of SAW Devices at High Temperatures an Ultra High Frequencies, IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 28-32, 2009). Bei dieser Vorrichtung wird ein keramischer Chipträger verwendet. Auf dem Chipträger befinden sich mit Keramikkleber aufgeklebte Kontaktflächen. Die Befestigung und Kontaktierung der OFW-Chips erfolgt an den Kontaktflächen mittels direkt verlöteter Bonddrähte aus Platin. An die Kontaktflächen sind auch mittels eines Klemmmechanismus HF-Leitungen für die elektrischen Messsignale angeklemmt. Die HF-Leitungen sind Spezialanfertigungen und verfügen über einen Stahlmantel, in dem sich ein Dielektrikum aus Si0 2 -Pulver befindet. Die HF-Leitungen sind mittels vakuumdichter SMA-Durchführungen durch einen Flansch geführt, um die elektrischen Messsignale zur Auswertung nach außerhalb des Ofens zu leiten, in dem die Testung der OFW-Chips unter hohen Temperaturen vorgenommen wird.

Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass die OFW-Chips irreversibel über die Bonddrähte mit den aufgeklebten Kontaktflächen verbunden sind. Damit ist das Wechseln von OFW-Chips bei dieser Vorrichtung schwierig und zeitaufwändig.

Nachteilig ist auch das in den HF-Leitungen als Dielektrikum enthaltene Si0 2 -Pulver. Der gasgefüllte Raum zwischen den Pulverteilchen zeigt durch das langsame Ausdiffundieren von Gasmolekülen unter Vakuum erhebliche Nachteile. So bedarf es signifikant zusätzlicher Zeit, bis das Pulver vollständig evakuiert ist und dadurch schnelle Wechsel der Testatmosphäre verhindert werden. Auch besteht die Gefahr, dass sich unkontrolliert neue Gaskavitäten öffnen und dies das Vakuum erneut kontaminiert. Zusätzlich zeigen sich Probleme in der Handhabung bezüglich des ungewollten Austretens des Pulvers.

Das Überstreichen eines derart hohen Temperaturbereiches bedarf zudem einer

Beachtung der Längenänderung, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Teile der Vorrichtung und jeweils lokal auftretenden Temperaturen. Dies betrifft sämtliche stoffschlüssige Verbindungen,

Federelemente und insbesondere den langgestreckten Wellenleiter. Aufgrund dessen Länge, z.B. 50 cm, zeigen sich erhebliche Längendifferenzen, z.B. 3 mm bei 1000 °C Temperaturdifferenz zwischen Installations- und Testtemperatur. Die Verbindungspunkte, welche gleichzeitig den elektrischen wie auch mechanischen Kontakt darstellen, müssen stabil genug sein, um den erheblichen mechanischen Spannungen und Kräften allein kraft- oder formschlüssig standzuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen unter Temperatureinwirkung zu entwickeln, die auch bei sehr hohen Temperaturen eine versagenssichere Messobjektpositionierung gewährleistet, zudem ein rasches und einfaches Wechseln der Messobjekte ermöglicht und eine zuverlässige Charakterisierung unter konstanten atmosphärischen Bedingungen gewährleistet. Eingeschlossen in diese Aufgabe ist die Entwicklung eines Verfahrens zur vorteilhaften Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung bereitgestellt, enthaltend einen Probenhalter, der mindestens ein Trägerelement für die reversible Anordnung und drahtlose Fixierung mindestens eines DUT, wobei der Probenhalter Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale in und/oder aus den DUTs aufweist, mindestens einen Hochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen, Betriebsspannungen und/oder elektrischen Steuersignalen zu oder von den zu charakterisierenden DUTs, wobei zumindest der oder die zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen dienenden Hochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind, mindestens ein Koppelbauteil zum elektrischen Verbinden und/oder Fixieren des Hochtemperaturwellenleiters mit dem Niedertemperaturwellenleiter, mindestens ein Hitzeschild, angeordnet zwischen dem Probenhalter und dem Koppelbauteil, mindestens ein im Trägerelement angeordneter Temperatursensor, und mindestens ein Flanschteil zur gas- und/oder vakuumdichten Befestigung der Vorrichtung in einer Heizvorrichtung.

Vorteilhafterweise sind mindestens einige oder sämtliche Bauteile der Vorrichtung modular ausgeführt und lösbar miteinander verbunden.

Weiterhin vorteilhafterweise bestehen der Probenhalter, das Koppelbauteil und/oder die Hitzeschilder aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und/oder aus Zirkonium-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik.

Auch vorteilhafterweise ist der Hochtemperaturwellenleiter ein koaxialer Leiter mit Innen- und Außenleiter aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Zirkon-, Silikat- oder Aluminiumoxidkeramik.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Innen- und Außenleiterwerkstoffe und/oder das Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters austauschbar.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der Probenhalter oder/und das Trägerelement und/oder das DUT Mittel zur antennenbasierten Signalübertragung aufweisen.

Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor in einem Abstand von maximal 5 mm zum DUT angeordnet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die kraft- und/oder formschlüssigen Verbindungen im Probenhalter mindestens teilweise mittels Nutensteinen ausgeführt.

Und auch vorteilhafterweise ist das Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein und/oder Auskopplung elektrischer Signale mindestens ein austauschbares Leitelement, das mit dem Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest elektrisch verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von

Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen

(DUT) unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorstehenden Ansprüche angegeben, bei dem die Vorrichtung in einer Heizeinrichtung in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung betrieben wird, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Betrieb die Probentemperatur gemessen und die Messwerte in die elektrische Charakterisierung des DUT einbezogen sowie zur Steuerung der Heizeinrichtung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor oder während des Betriebes eine Hochfrequenzkalibrierung der Vorrichtung, insbesondere eine TOSM (Through - Open - Short - Match)-Kalibrierung, einmalig oder mehrfach durchgeführt, wobei die Hochfrequenzkalibrierung bis einschließlich des Anschlusses des Hochtemperaturwellenleiters am Koppelbauteil durchgeführt wird, und wobei für die restlichen Bauteile der Vorrichtung und das DUT eine separate Kompensationskalibrierung durchgeführt wird.

Und auch vorteilhafterweise wird bei der Kalibrierung der Vorrichtung vor oder nach der Messung des DUT ein Kalibrierstandard an dessen Stelle eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen unter Temperatureinwirkung bereitgestellt, die auch bei sehr hohen Temperaturen eine versagenssicher reversible Messobjektpositionierung gewährleistet, zudem ein rasches und einfaches Wechseln der Messobjekte ermöglicht und eine zuverlässige Charakterisierung unter konstanten atmosphärischen Bedingungen gewährleistet.

Dies wird durch eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung erreicht.

Im Rahmen der Erfindung sollen Testobjekte in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen als DUT (Device UnderTest) verstanden und benannt werden, die von einem Trägerelement eines Probenhalters aufgenommen, in diesem angeordnet und drahtlos fixiert werden.

Die reversible Anordnung und drahtlose Fixierung mindestens eines DUT hat den technischen Vorteil, dass die DUTs in kosten- und zeitsparender Weise ohne Löten, Bonden oder Kleben im Trägerelement angeordnet und reversibel wieder entfernt werden können. Erfindungsgemäß weist der Probenhalter Mittel zur galvanischen oder kapazitiven Ein und/oder Auskopplung elektrischer Signale in und/oder aus dem DUT auf, mit denen eine einfache und schnelle Kommunikation, Testung und Charakterisierung durchgeführt werden kann.

Die vorgeschlagene neue Vorrichtung weist zudem mindestens einen Hochtemperaturwellenleiter und mindestens einen Niedertemperaturwellenleiter zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen, Betriebsspannungen und/oder elektrischen Steuersignalen zu oder von den zu charakterisierenden DUTs auf, wobei zumindest der oder die zur Zu- und/oder Ableitung von HF-Signalen dienende(n) Hochtemperaturwellenleiter als Koaxialleiter mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik ausgeführt sind.

Unter einem massiven Dielektrikumselement aus elektrisch nicht leitfähiger Keramik soll ein bei Koaxialleitern notwendiger Abstandshalter verstanden werden, bei dem im Gegensatz zu bekannten keramischen Pulvern eine hochverdichtete Keramik verstanden wird, die unter hohem Temperatureinfluss keine oder nur äußerst geringe Ausgasungen erzeugen. Das massive Dielektrikumselement ist temperaturstabil und vakuumtauglich und daher mit einem äußerst geringen Anteil offener oder sich öffnenden Gaskavitäten versehen. Vorteilhafterweise ist das Dielektrikum beispielsweise aus Zirkonium- oder Aluminiumoxidkeramik ausgeführt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen massiven Dielektrikumselemente haben den wesentlichen Vorteil, dass durch das fehlende Austreten von ungewünschten Gasen aus dem Dielektrikumselement unter hohem Temperatureinfluss ein schneller Atmosphärenwechsel innerhalb des Probenhalters realisiert werden kann. Dadurch werden eine längere thermische Belastung des DUT und des Probenhalters vermieden, was insbesondere zu genaueren Messergebnissen sowie einer verbesserten Standzeit der Vorrichtung führt.

Vorteilhafterweise ist der Hochtemperaturwellenleiter ein koaxialer Leiter mit Innen- und Außenleiter aus hochschmelzenden metallischen Werkstoffen wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Platin, Iridium oder deren Legierungen und mit massiven Dielektrikumselementen aus elektrisch nicht leitfähiger Zirkon- oder Aluminiumoxidkeramik. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Innen- und Außenleiterwerkstoffe und/oder das Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters austauschbar. Die vorgeschlagene Austauschbarkeit ermöglicht, dass beispielsweise unter Berücksichtigung des Einsatzgebietes sowie der geforderten Temperaturbereiche die Werkstoffe des koaxialen Hochtemperaturwellenleiters miteinander kombiniert, ersetzt und ausgetauscht werden können. So ist vorstellbar, dass der Innenleiter und das massive Dielektrikum des Hochtemperaturwellenleiters mehrfach verwendet werden, während je nach Einsatztemperatur der Außenleiter variiert wird. Dadurch lässt sich der koaxiale Hochtemperaturwellenleiter flexibel auf das benötigte Einsatzgebiet anpassen, wodurch zusätzlich Kosten gespart werden.

Weitere Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mindestens ein Koppelbauteil zum elektrischen Verbinden des Hochtemperaturwellenleiters mit dem Niedertemperaturwellenleiter und mindestens ein Hitzeschild zur thermischen Abschirmung temperaturempfindlicher Bauteile der Vorrichtung, das zwischen dem Probenhalter und dem Koppelbauteil angeordnet ist.

Außerdem weist die Vorrichtung mindestens einen im Trägerelement angeordneten Temperatursensor und ein Flanschteil zum Befestigen der Vorrichtung in einer Heizvorrichtung auf.

Das mindestens eine Koppelbauteil erfüllt die Aufgabe, den Hochtemperaturwellenleiter und den Niedertemperaturwellenleiter elektrisch mit verlustarmer Signalübertragung, mechanisch stabil und sicher sowie leicht lösbar zu verbinden. Beide Leitungen sind als Koaxialleiter ausgeführt, bestehend aus Außenleiter, Dielektrikum und Innenleiter.

In einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung sind mindestens einige oder auch sämtliche Bauteile der Vorrichtung modular ausgeführt und lösbar miteinander verbunden, wodurch der Einsatzbereich wesentlich erweitert und die Flexibilität erhöht wird.

Vorstellbar ist ebenfalls, dass vorteilhafterweise der Probenhalter oder/und das Trägerelement oder/und das DUT Mittel zur antennenbasierten Signalübertragung aufweisen. Dadurch werden insbesondere eine schnelle und sichere sowie drahtlose Übertragung von Mess- und Steuersignalen bereitgestellt und Kosten für die sonst notwendige Bereitstellung weiterer koaxialer Hochtemperatur- und Niedertemperaturwellenleiter eingespart.

Vorstellbar ist auch, dass die galvanische oder kapazitive Ein- und/oder Auskopplung elektrischer Signale über austauschbare Mittel der stoffgebundenen Signalübertragung erfolgt. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise mindestens ein austauschbares Leitelement sein, das mit dem Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest teilweise elektrisch verbunden ist. So kann die elektrische Verbindung derart ausgebildet sein, dass mindestens ein austauschbares Leitelement den Innen- und/oder Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiters zumindest teilweise überlappt und/oder an diesen angrenzt sowie das DUT zumindest teilweise überlappt und/oder an dieses angrenzt und dabei mittels galvanischer und/oder kapazitiver Kopplung eine elektrische Verbindung herstellt. Dies erlaubt teilweise oder vollständig auf Löt- oder Bondprozesse zu verzichten und führt zu einer Zeit- und Kostenersparnis.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung vorgesehen sein, dass der Temperatursensor in einem Abstand von maximal 5 mm zum DUT angeordnet ist.

Bekannte Vorrichtungen zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen in einer Umgebung mit hoher Temperatur haben den Nachteil, dass durch den thermischen Einfluss insbesondere kraftschlüssige Verbindungselemente verschleißen, versagen oder sogar bei sehr hohen Temperaturen miteinander verschmelzen, sodass wesentliche Bestandteile der Vorrichtung sich irreversibel verbinden und zerstörend ersetzt werden müssen. Zur Beseitigung dieser Nachteile und zur Verbesserung der Standzeit der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen im Probenhalter mindestens teilweise mittels Nutensteinen ausgeführt sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet in einem Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Eigenschaften von Testobjekten in Form von Stoffen, Baugruppen und/oder Bauteilen (DUT) Anwendung. Die Vorrichtung wird dabei in einer Heizeinrichtung in einer Umgebung mit hoher Temperatur unter Vakuum oder einer Gasbeaufschlagung betrieben, wobei vor und/oder während und/oder nach dem Betrieb die Probentemperatur gemessen und die Messwerte in die elektrische Charakterisierung des DUT einbezogen sowie zur Steuerung der Heizeinrichtung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann vorgesehen sein, dass vor und/oder während des Betriebes eine Hochfrequenzkalibrierung der Vorrichtung durchgeführt wird. Insbesondere kann eine TOSM- (Through - Open - Short - Match) Kalibrierung, einmalig oder mehrfach durchgeführt werden, wobei die Hochfrequenzkalibrierung bis einschließlich des Anschlusses des Hochtemperaturwellenleiters am Koppelbauteil durchgeführt wird. Für die restlichen Bauteile der Vorrichtung und den DUT wird eine separate Kompensationskalibrierung durchgeführt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass zur Verbesserung der Funktionsweise der Vorrichtung und der Messergebnisse bei der Kalibrierung der Vorrichtung vor oder nach der Messung des DUT ein Kalibrierstandard an dessen Stelle eingesetzt wird.

Zusammenfassend ergeben sich aus der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere technische Vorteile, nämlich

- eine kostengünstige und preiswerte Vorrichtung,

- eine zeitsparende Messdurchführung von DUTs,

- ein reversibles Einsetzen des DUT und die Wiederverwendbarkeit dessen,

- eine hohe Flexibilität im entsprechenden Einsatzgebiet aufgrund des modularen Aufbaus der Vorrichtung sowie der einzelnen Bestandteile und Elemente,

- eine lange Standzeit und hohe Reproduzierbarkeit bei hoher thermischer Mehrfachbelastung der Vorrichtung,

- eine verbesserte Messgenauigkeit.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Es wird eine Vorrichtung zur elektrischen Charakterisierung eines DUT, speziell eines OFW-Bauelementes bereitgestellt, die als Messlanze ausgebildet ist. Die Messlanze ist durch eine Montagekappe in der Wand einer Heizvorrichtung eingebracht und mittels eines Flanschteils mit der Wand der Heizvorrichtung gasdicht verbunden. Ein Probenhalter aus Tantal weist einen Temperatursensor, Hochtemperatur- und Niedertemperaturwellenleiter, ein Hitzeschild und ein Koppelbauteil auf. Innerhalb des Koppelbauteiles sind Hochtemperatur- wie auch Niedertemperaturwellenleiter über eine mechanische Klemmvorrichtung elektrisch, verlustarm und mechanisch stabil sowie lösbar verbunden. Der Hochtemperatur- wie auch Niedertemperaturwellenleiter sind als Koaxialleiter ausgeführt, bestehend aus Außenleiter, Dielektrikum und Innenleiter. Der Außen- wie auch der Innenleiter des Hochtemperaturwellenleiters und Niedertemperaturwellenleiters sind aus Wolfram hergestellt. Der Hochtemperaturwellenleiter hat eine Länge von 50 cm, der Niedertemperaturwellenleiter hat eine Länge von 25 cm. Das Dielektrikum ist ebenfalls temperaturstabil aus einer massiven Aluminiumoxidkeramik hergestellt.

Das Koppelbauteil besteht aus einer Aufnahme für den Außenleiter des Hochtemperaturwellenleiter, einer Aufnahme der Koppelstelle der Innenleiter sowie einer Aufnahme für den Außenleiter des Niedertemperaturwellenleiters. Die Aufnahmen ermöglichen das kraft- und formschlüssiges Fixieren der Innen- und Außenleiter sowie ein gleichzeitiges elektrisches Verbinden der Innen- und Außenleiter der Hochtemperatur- und Niedertemperaturwellenleiter.

Der Probenhalter enthält einen Grundkörper und ein Verschlussteil, wobei das Verschlussteil formschlüssig über ein Gelenk mit dem Grundkörper verbunden ist. Im Probenhalter werden das OFW-Bauelement und die Leiter des Hochtemperaturwellenleiters mithilfe von Feder- und Stempelelementen mit Leitelementen kraftschlüssig kontaktiert und elektrisch verbunden. Ein modulares Trägerelement positioniert und isoliert das OFW-Bauelement sowie die Leitelemente. Die Federelemente sind durch kraft- und formschlüssige Verbindungen positioniert. Sämtliche Verbindungen bestehen versagenssicher aus Gewindestiften, die kraftschlüssig mit Nutensteinen verbunden sind. Die elektrische Kontaktierung des OFW-Bauelementes erfolgt durch leitende Flächen in den Überlappungen mit den Leitelementen in Form galvanischer Kopplung.