새로운 온도 센서로 회로의 열 모니터링을 단순화할 수 있음

Jul 15, 2023

장치가 축소되고 동시에 전력이 증가함에 따라 몇 년 전만 해도 발열은 고려 대상이 아니었던 응용 분야에서 문제가 되고 있습니다. 단순히 케이스에 통풍구 몇 개를 뚫거나 팬을 넣는 것만으로는 더 이상 냉각 방법으로 적합하지 않습니다. 이러한 빠른 수정이 한때 효과가 있었을 수도 있지만 오늘날에는 설계의 열 특성을 엔지니어링하는 것이 EMI 및 신호 무결성만큼 중요합니다.

이제 설계자는 설계에 적합하고, 예산 범위 내에서, 실제 작동 열 환경을 정확하게 묘사하는 방식으로 열을 측정하고 모니터링해야 합니다. 도쿄 대학(UT)의 연구원은 이러한 모든 매개 변수에 맞는 솔루션을 제공할 수 있습니다.

오늘날 가장 비싼 칩에는 과열 및 열 폭주로부터 보호하기 위해 열 센서가 내장되어 있습니다. 업무상 중요한 PC 보드의 주요 위치에는 이러한 센서가 포함될 수도 있습니다. 그러나 비용 및 공간 제한으로 인해 몇 가지 중요한 영역 이상의 모니터링이 불가능한 경우가 많습니다. 대신 엔지니어는 생산이 시작되기 전에 열 문제를 해결하기 위해 최선을 다해야 합니다.

개발 중에 열을 걱정하는 설계자는 일반적으로 프로토타입의 의심되는 영역에 센서를 추가하고 쉐이크다운 실행 중에 열 특성을 특성화합니다. 열 시뮬레이션 소프트웨어는 제품 특성화에도 도움이 됩니다.

이러한 접근 방식은 합리적이고 대부분 효과적이지만 컴팩트한 장비나 시뮬레이션하기 어려운 설정에서 작동하는 장비의 경우 한계에 부딪힙니다. 와이어와 소형 반도체 부품으로 구성된 열 센서는 현재의 초소형 반도체 및 소형 디자인에 비해 충분히 작지 않습니다. 센서는 작동 중인 전체 시스템이 아닌 개별 지점의 열 보기만 제공할 수 있습니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 UT 팀은 설계자가 더 저렴한 비용으로 제품의 물리적 레이아웃에 대한 간섭을 줄이면서 회로 구성 요소를 정확하게 특성화하고 모니터링하는 데 도움이 될 수 있는 유연한 필름 열 센서를 개발했습니다. 연구팀은 PET 필름에 재료 증착을 스퍼터링하고 센서를 에칭하여 센서를 제작했습니다.

박막은 다른 많은 센서가 갈 수 없는 곳으로 갈 수 있습니다. 또한 제품의 기계적 배열에 큰 영향을 주지 않고 수명 모니터링을 위해 제조 중에 배치할 수 있습니다.

대부분의 열 센서는 두 가지 서로 다른 재료(일반적으로 금속 또는 반도체)를 가열하여 전류 흐름을 발생시키는 열전 제벡 효과(SE)에 의존합니다. 알레산드로 볼타(Alessandro Volta) 자신은 1794년에 열전 효과의 근원을 발견했습니다. 이 현상은 1821년에 독립적으로 재발견한 Thomas Seebeck의 이름을 따서 명명되었습니다.

서로 다른 두 재료의 결합된 끝 부분에 열이 가해지면 회로의 뜨겁고 결합된 끝 부분과 결합되지 않은 차가운 끝 부분 사이의 열 차이로 인해 전자 중 일부가 한 물질에서 다른 물질로 이동하게 될 만큼 전자가 여기됩니다. 관절. 이러한 전자 흐름은 열 차이에 비례하며 측정할 수 있습니다.

UT의 새로운 센서는 변칙적인 네른스트 효과(ANE)라고 불리는 덜 일반적으로 알려져 있지만 관련된 열전/열자기 효과를 사용합니다. Seebeck 효과와 마찬가지로 ANE는 열을 전기로 변환합니다. 그러나 ANE는 자성 물질을 사용하며 열에 수직인 평면에서 작동합니다. 이는 플라스틱 필름에 철과 갈륨을 기반으로 한 자성 물질을 증착하는 UT의 방법과 함께 평면 영역 센서를 생성합니다.

ANE를 사용할 때의 한 가지 과제는 열전 SE가 더 강력하고 ANE 영역 판독을 모호하게 한다는 것입니다. UT 프로세스는 패턴을 번갈아 가며 SE를 중화합니다. 이를 통해 에칭된 회로가 해당 영역의 보다 정확한 열 화상을 제공할 수 있습니다.

이 연구 이전에 열전 센서는 크고, 크기가 적당하지 않으며, 취약하고, 포인트 소스 이상의 응용 분야에 통합하기가 어려웠습니다. 이 연구는 거의 모든 응용 분야에 적합할 수 있는 유연하고 꼭 맞는 열 센서의 가능성을 열어줍니다.