检测微小表面温度分布的高分辨率阵列式温敏二极管温度传感器

检测微小 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面温度分布的高分辨率阵列式温敏二极管温度传感器 检测微小表面温度分布的高分辨率阵列式温敏二极管温度传感器 1.导言 微观结构中的各种相互作用通常都涉及流体流动或者是能量的交换，由热力学第二定律可知热转移是一种不可逆转的现象.在许多的微型机械系统中热量是至关重要的其中包括微观结构中遇到的生物中的生理反应和处理，燃料电池，高性能热 热交换器和冷却装置，和化学过程，以此仅举几例。 微型系统中热现象的研究中有着大量的基于MEMS的应用以及各种测量技术的采纳使得其备受关注。微型机械系统中表面温度分布测量技术的研究更是一项很具有挑战的课题研究。基于电学，光学，或辐射特性的温度传感器是检测微型机械系统表面温度分布具有代表性的温度传感器。在这些当中商业的热电偶因其使用的方便性在微型结构表面温度的测量当中的得到了广泛的应用。但是 这种热电偶具有一个致命的缺陷就是其大小有数百微米因此不可能将很多热电偶精准的放置在一块微小的区域中。作为一种替代方法开发出各种温度传感器如微电阻阵列式传感器和阵列式微热电偶。微电阻阵列式传感器和阵列式微热电偶分别利用热电偶电阻和电动势测量温度。这些传感器会存放在一个圆片或玻璃表面通过溅射或薄膜式蒸发形成检测过程。 但是，每一个传感器需要两根导线和两个相互连接的电气点来传送这个传感器的信号到外部的数据采集系统。也就是说，例如为了检测一个微小区域内的1000个位置的温度情况，需要2000根导线和交互连接点。因此一体化的高密度微电阻或微阵列式热电偶并不是一个切实的选择。 为了克服这两种阵列式传感器的缺点，目前的工作是研究出阵列式二极管传感(DTSA)利用DTSA能够检测出特定区域的多个位置的温度而且这当中的许多导线和连接点能有很好的布局，这是因为信号由扫描二极管的阵列得到。二极管的最主要的特性是其单向性即电流只能由其阳极流向阴极，这种特点使得在扫描过程时当中的某一二极管传感器与其他的有电气上的分离，避免了干扰。因为在RTD或者热电偶传感器的扫描当中不能很简单的做到这种分离所以这种技术并没有适用于这两种传感器中。因此，扫描技术使DTSA测量1024个点的温度时只用64个互联的连接点就能代替使用2048个互联的连接点的RTD或者热电偶阵列。这种做法类似于经常在DRAM对存储单元阵列使用的扫描(或解码)技术。 许多的研究小组的研究已经发展了二极管传感器。金等人在马里兰大学发展了二极管传感器阵列，以便研究沸腾时的传热现象。然而，他们只能够在实验的情况下实现只有16个二极管的控制在小区域内。.我们改善和扩大了他们的工作。最后，为了验证DTSA的实际可行性，将其应用于测量底层材料的热效应。 2.DTSA的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与构造 2.1 DTSA的工作原理 如图1所示恒流电流通过硅二极管时会产生一个正向压降，它会随着硅二极管的温度的升高而下降。二极管两端的压降与其绝对温度成反比例。通常，二极管两度的压降是0.7V。在室温情况下这个电压随温度每增加1.c下降2mv.然而，由于不同的制造工艺，晶片的不同放置位置以及各种杂质，许多市面上的二极管并没有一致的温度特性。因此，所有的二极管温度传感器必须进行校准，以确定温度变化与压降间的关系。这可以通过温度控制箱来实现，如果控制箱的温度是知道的，那么二极管传感器的温度信号就可以校准。 图1 二极管传感器的工作原理 将大量的温度传感器集成在一个微小的区域需要用到新的集成技术,举一个简单的例子来说明这种新技术。图2中描述了4×4的二极管阵列是如何连接在一起的。如果二极管A-2的压降是所 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 知道的，可以通过连续的模拟开关将10微安的恒流电流送入到A行，与此同时当其他行为接通状态时第二列通过一个模拟开关被连接起来，则A到2间的压降就可以检测出来了 ，这个阵列中的其他二极管的压降可以由模拟开关改变不同的列和行得到，直到整个阵列扫描完毕。 图2 4x4阵列A-2间的电压检测取样 在当前的研究中，我们采用了在DRAM中存储单元中经常用到的扫描或者说是解码电路。当前的这个设计是很特别的，它容许恒流通过二极管阵列中的某一特定的一个来检测微型结构当中的温度分布情况。这个独特的设计是通过一个多路模拟开关实现的，这种扫描技术使得DTSA仅用64个焊盘连接点就可以检测1024个检测点的温度，而通常下用RED或者是热电偶阵列则需要2048个互联焊盘点。 2.2 布局和构成 DTSA二极管的设计如图3所示，此种制造工艺过程是常规CMOS工艺的一种。首先，一系列的N -井形成了一个圆型基片。然后，利用N +和P +杂质扩散形成P +和N +离子区。第三，放置多晶硅加热器来加热和控制DTSA的温度 。第四，导电片1和导电片2放置在圆形片上分别用来连接行和列的二极管。第五个步骤，放置金属片3连接多晶硅加热器。最后放置铝片做焊盘料。 图3 DTSA中单二极管示意图 我们使用商业布局设计程序(Cadence公司的)来设计DTSA的外形布局。图4显示了在DTSA内使用Cadence设计的一个二极管的布局。单单一个二极管的尺寸大小是50umX50um,如图2所示的是32X32形成的二极管阵列。如图5所示则是DTSA的原型，在12mmX12mm的芯片上组成包括1024个二极管，8个加热器以及80个互联垫(其中16个是为了加热器)。DTSA的焊垫的大小是600umx600um.8个1千欧姆的单晶硅加热器嵌入到硅晶片用来加热DTSA芯片的特殊点，并如图5所示。因为现在这种焊盘垫，DTSA的有效遥感区域可以减少到8mmX8mm.三个金属层被用来连接二极管和加热器，第一个金属层被用于连接二极管的n+的参杂区与DTSA的行焊盘。而第二金属层则是用来连接二极管P+参杂区和列焊盘。最后，第三层是用来连接单晶硅加热器和DTSA的加热器焊盘。 图4 利用Cadence 程序进行二极管布局 这种二极管是由现代半导体公司的商业制造过程制备成的。DTSA的构成如图6(a)所示。在DTSA的边界内的小正方形物是互连的焊盘而纤细的条线是多晶硅 b)是DTSA的放大图在这个图中二极管和加热器分别有小方形和加热器。图6( 浅色的条带表示出来。 图5 (a) 32x32二极管阵列 图5(b)DTSA 的加热器模式 2.3( DTSA的包装 我们设计了一个PCB板，他的作用就如同一个包装中的固定结构。采用倒装芯片封装方法将DTSA的芯片封装在PCB板中。PCB的设计大小是50mmX50mm，用来连接PCB焊盘与DTSA芯片的焊球的直径是300微米 因为铅或者锡焊球不能粘附DTSA和PCB的铝焊盘，需要将镍电镀到DTSA的焊盘当凸块底层金属，将金电镀到PCB的焊盘上。首先，将焊球滴放到PCB的焊盘上，并放在一个氮气炉中回流到240摄氏度。然后，芯片的连接点和PCB的焊盘在同样的温度下被焊接在弹性的板上，并且同时给与其500克的负荷压在其上100秒。最后的芯片结构如图7所示。 2.4 DTSA的电路设计 DTSA信号板的设计适合二极管的扫描和DTSA信号条件的要求。它包括一个FPGA(现场可编程门阵列，放大器，功率驱动器，模拟多路复用器(复用器) ，恒定电流源，数据采集板，如图8所显示。FPGA是用来在32X32的二极管中挑选其中的一个作为检测管。PFGA芯片用到的是Verilog 程序，1024个二极管的压降通过模拟多路复用器复合成一个信号，这些信号有放大电路进行放大。放大器电路包括差分放大器和直流偏移调整放大器。该放大器的增益，采集板上的信号相对于二极管的信号是13V每V.数据采集板(PCI-6052E，美国国家仪器)采用A/D转换器转换信号并且将控制信号送到功率驱动器用来加热DTSA的表面。在运行中FPGA(EPM3064)接收到由数据采集板产生的同步时钟信号。然后FPGA对同步时钟信号进行计数并传送控制信号到行列模拟二极管选择器。接着恒流(10微安)流入所选的二极管，最后这个正下压降就由放大器检测出来。图9是这个DTSA的完整图。在左边一侧的传感局是DTSA的封装。我们使用LABVIEW来控制和操纵数据采集板。 3 结果和总结 3.1 DTSA信号的校定 正如在上一节中，二极管传感器需要进行校准，以便利用DTSA准确的测量温度。为此我们通过实验确定每个DTSA中的二极管的正向压降和温度之间的关系。DTSA(32X32的二极管阵列)被连接到电路中如图9所示，而且被放在温度控制室中进行测试。二极管的压降通过改变温度控制箱的温度可以测出。为了说明压降与温度间的关系，我们可以由图10所选的四个二极管的结果可以得到。正如预期所料，他们表现出强烈的线性关系，但是由于每一个二极管在圆形晶片的位置和所含的杂质的不同而产生不同的偏移电压降。因此校准DTSA中每个二极管的信号需要两个变量(斜率和截距)来描述二极管信号与温度间的线性关系。我们使用最小二乘拟合法找到每个二极管的特性斜率和截距 。在这个实验中，温度信号在0-100摄氏度间其精度是+-0.5摄氏度。 3.2 利用LABVIEW 扫描DTSA信号 LABVIEW程序用来控制DTSA信号板，通过这个程序每一个二极管的压降信号可以独立的检测出来，每一个二极管的压降被转换为1024个温度信号。而每个二极管温度的检出仅需1ms，然后将1024个温度信号绘制成三维图。为了确定DTSA的操作，我们启动了DTSA中的加热器。凸温度场被检测出来并用图11所表示出来。需要说明的是取决于硅衬底厚度的温度是由于在其里面的热传导所致。 3.3 DTSA 的应用领域 以目前的研究水平DTSA有许多潜在的实际应用:微型温度传感器在微型驱动冲击系统的应用，热指纹识别系统，微反应系统中的样品检测。事实上我们应用DTSA作为在倒装芯片封装中底部材料热特性的测试芯片。这种底部材料是用来保护焊盘的连接性免受热膨胀带来的在硅片与有机基质间的不协调。它也可以作为芯片引线框架或印制电路板中的散热材料。DTSA作为底层测试仪测量在其芯片上的温度分布情况。多种不同的测试套件被放置，且每一种都有不同的的底层夹心材料在DTSA与PCB之间。这些底层材料的温度分布结果就被DTSA检测出来，因此DTSA对于确定底层材料的热现象是很成功和有效的。 4.结论 DTSA(二极管温度传感器阵列)-----一种具有高分辨率的检测微小表面温度分布的传感器阵列,已经研制成功。在的表面上一个的二极管阵列放置在其上用来检测温度。DTSA是采用了超大规模集成(超大规模集成电路)技术。倒装芯片封装用来实现DTSA和印制电路板间的电气连接。因此，可以将DTSA安装在微观结构之上用来检测其上的温度分布情况并且这种检测是具有高分辨率的。1024个温度检测点的扫描电路同样得到了发展。该DTSA传感器在二极管的正向电压下降的和温度变化之间有着很好的线性关系。该DTSA可用于各种微系统，如微冲击冷却装置，微型反应装置和热指纹系统，需要集成温度传感器在一个小领域。该DTSA可用于各种微小系统，如微冲击冷却装置，微型反应装置和热指纹系统，或者是需要集成温度传感器的一个小领域。 致谢这项工作通过国家研究实验室得到了韩国科学与工程基金会( KOSEF )。 项目资金由科学技术部提供。