Новый датчик температуры может упростить тепловой мониторинг цепей

Jul 15, 2023

Поскольку устройства одновременно уменьшают и увеличивают мощность, нагрев становится проблемой в приложениях, где несколько лет назад это не рассматривалось бы. Простого прорезания нескольких вентиляционных отверстий в корпусе или установки вентилятора уже недостаточно для охлаждения. Эти быстрые решения, возможно, когда-то и работали, но сегодня разработка тепловых свойств конструкции так же важна, как электромагнитные помехи и целостность сигнала.

Теперь дизайнеры должны измерять и контролировать тепло таким образом, чтобы это вписывалось в проект, укладывалось в бюджет и точно отражало реальную рабочую тепловую среду. Исследователи из Токийского университета (Юта) могут предложить решение, соответствующее всем этим параметрам.

Самые дорогие сегодня чипы имеют встроенные термодатчики для защиты от перегрева и температурного выхода из-под контроля. Платы ПК для критически важных задач также могут включать эти датчики в ключевых местах. Однако ограничения по стоимости и пространству часто не позволяют контролировать более чем несколько критических областей; вместо этого инженеры должны сделать все возможное для решения тепловых проблем до начала производства.

Во время разработки проектировщики, обеспокоенные нагревом, обычно добавляют датчики в подозрительные области прототипа и характеризуют тепловые свойства во время испытаний. Программное обеспечение для теплового моделирования также помогает определить характеристики продукта.

Хотя эти подходы разумны и в основном эффективны, они сталкиваются с ограничениями, связанными с компактным оборудованием или оборудованием, работающим в условиях, которые трудно смоделировать. Тепловые датчики, состоящие из проводов и небольших полупроводниковых компонентов, недостаточно малы для современного поколения сверхминиатюрных полупроводников и компактных конструкций. Датчики могут обеспечивать тепловое изображение только отдельных точек, а не всей работающей системы.

Чтобы устранить это ограничение, команда UT разработала гибкий пленочный термодатчик, который может помочь разработчикам точно определять характеристики и контролировать компоненты схемы при меньших затратах и ​​с меньшим вмешательством в физическую компоновку продукта. Команда изготовила датчики путем напыления материала на ПЭТ-пленку и травления датчика.

Тонкая пленка может пройти то, чего не могут сделать многие другие датчики. Кроме того, его можно установить во время производства для мониторинга срока службы без существенного влияния на механическое устройство продукта.

Большинство термодатчиков основаны на термоэлектрическом эффекте Зеебека (SE), нагреве двух разнородных материалов (обычно металлов или полупроводников), приводящем к протеканию тока. Сам Алессандро Вольта открыл корни термоэлектрического эффекта еще в 1794 году. Явление названо в честь Томаса Зеебека, который независимо переоткрыл его в 1821 году.

Когда к соединенному концу двух разнородных материалов прикладывается тепло, разница тепла между горячим, соединенным концом и более холодными, несоединенными концами цепи возбуждает электроны настолько, что некоторые из них перемещаются из одного материала в другой через соединение. Этот поток электронов пропорционален разнице тепла и может быть измерен.

Новые датчики из UT используют менее известный, но родственный термоэлектрический/термомагнитный эффект, называемый аномальным эффектом Нернста (ANE). Как и эффект Зеебека, ANE преобразует тепло в электричество. Однако ANE основан на магнитных материалах и работает в плоскости, перпендикулярной теплу. В сочетании с методом UT по нанесению магнитных материалов на основе железа и галлия на пластиковую пленку это дает датчик с плоской поверхностью.

Одна из проблем при использовании ANE заключается в том, что термоэлектрический SE более силен и скрывает показания площади ANE. Процесс UT нейтрализует SE путем чередования паттернов. Это позволяет вытравленной схеме обеспечить более точную тепловую картину области.

До этого исследования термоэлектрические датчики были большими, неуклюжими по размеру, хрупкими и их было трудно интегрировать в приложения, ориентированные только на точечные источники. Это исследование открывает возможность создания гибких, подходящих по форме термодатчиков, которые могут подойти практически для любого применения.