Neuer Temperatursensor kann die thermische Überwachung von Schaltkreisen vereinfachen

Jul 15, 2023

Da Geräte gleichzeitig schrumpfen und gleichzeitig ihre Leistung erhöhen, wird Wärme in Anwendungen zu einem Problem, bei denen sie vor einigen Jahren noch keine Rolle gespielt hätte. Als Kühlmethode reicht es nicht mehr aus, einfach ein paar Lüftungslöcher in das Gehäuse zu schneiden oder einen Lüfter einzubauen. Früher haben diese schnellen Lösungen vielleicht funktioniert, aber heute ist die Entwicklung der thermischen Eigenschaften eines Designs genauso wichtig wie die EMI- und Signalintegrität.

Designer müssen nun die Wärme auf eine Weise messen und überwachen, die in ein Design passt, innerhalb eines Budgets liegt und die reale betriebliche thermische Umgebung genau abbildet. Forscher der Universität Tokio (UT) könnten eine Lösung liefern, die alle diese Parameter erfüllt.

Die teuersten Chips verfügen heute über integrierte Wärmesensoren zum Schutz vor Überhitzung und thermischem Durchgehen. Auch geschäftskritische PC-Platinen können diese Sensoren an wichtigen Stellen enthalten. Kosten- und Platzbeschränkungen verhindern jedoch häufig die Überwachung mehr als einiger kritischer Bereiche. Stattdessen müssen Ingenieure ihr Bestes tun, um thermische Probleme zu beheben, bevor die Produktion beginnt.

Während der Entwicklung fügen Konstrukteure, die sich Gedanken über die Hitze machen, normalerweise Sensoren an verdächtigen Bereichen eines Prototyps hinzu und charakterisieren die thermischen Eigenschaften während Probeläufen. Auch thermische Simulationssoftware hilft bei der Charakterisierung des Produkts.

Obwohl diese Ansätze sinnvoll und größtenteils effektiv sind, stoßen sie bei kompakten Geräten oder Geräten, die in schwer zu simulierenden Umgebungen betrieben werden, an Grenzen. Thermosensoren, die aus Drähten und kleinen Halbleiterbauelementen bestehen, sind für die aktuelle Generation ultraminiaturisierter Halbleiter und kompakter Bauformen nicht klein genug. Die Sensoren liefern möglicherweise nur eine thermische Ansicht einzelner Punkte und nicht des gesamten in Betrieb befindlichen Systems.

Um dieser Einschränkung zu begegnen, hat ein Team an der UT einen flexiblen Folien-Wärmesensor entwickelt, der Designer dabei unterstützen kann, Schaltkreiskomponenten präzise zu charakterisieren und zu überwachen, und das zu geringeren Kosten und mit weniger Beeinträchtigung des physischen Layouts des Produkts. Das Team stellte die Sensoren her, indem es Material auf einen PET-Film aufsputterte und den Sensor ätzte.

Der dünne Film kann dort eingesetzt werden, wo viele andere Sensoren nicht hinkommen. Darüber hinaus kann es während der Herstellung zur Überwachung der Lebensdauer eingesetzt werden, ohne dass sich dies erheblich auf die mechanischen Anordnungen des Produkts auswirkt.

Die meisten Wärmesensoren basieren auf dem thermoelektrischen Seebeck-Effekt (SE), bei dem zwei unterschiedliche Materialien (normalerweise Metalle oder Halbleiter) erhitzt werden, was zu einem Stromfluss führt. Alessandro Volta selbst entdeckte bereits 1794 die Wurzeln des thermoelektrischen Effekts. Das Phänomen ist nach Thomas Seebeck benannt, der es 1821 unabhängig wiederentdeckte.

Wenn dem verbundenen Ende zweier unterschiedlicher Materialien Wärme zugeführt wird, regt der Wärmeunterschied zwischen dem heißen, verbundenen Ende und den kühleren, nicht verbundenen Enden des Stromkreises die Elektronen so stark an, dass einige von ihnen durch das Material von einem Material zum anderen wandern gemeinsam. Dieser Elektronenfluss ist proportional zur Wärmedifferenz und kann gemessen werden.

Die neuen Sensoren von UT nutzen einen weniger bekannten, aber verwandten thermoelektrischen/thermomagnetischen Effekt, den sogenannten anomalen Nernst-Effekt (ANE). Wie der Seebeck-Effekt wandelt ANE Wärme in Elektrizität um. ANE basiert jedoch auf magnetischen Materialien und arbeitet in einer Ebene senkrecht zur Wärme. In Verbindung mit der Methode von UT zur Abscheidung magnetischer Materialien auf Eisen- und Galliumbasis auf Kunststofffolie ergibt dies einen Flachflächensensor.

Eine Herausforderung bei der Verwendung des ANE besteht darin, dass das thermoelektrische SE stärker ist und die ANE-Flächenanzeige verdeckt. Der UT-Prozess neutralisiert die SE durch alternierende Muster. Dadurch kann die geätzte Schaltung ein genaueres Wärmebild des Bereichs liefern.

Vor dieser Forschung waren thermoelektrische Sensoren groß, unhandlich dimensioniert, zerbrechlich und schwer in mehr als punktuelle Anwendungen zu integrieren. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit flexibler, formschlüssiger Wärmesensoren, die in nahezu jede Anwendung passen.

Da diese Technologie unauffällig ist, kann sie die thermischen Eigenschaften während der Entwicklung genau charakterisieren. Entwickler können diesen Sensor auch dauerhaft in viele Geräte einbauen, um die Wärme während der gesamten Lebensdauer des Geräts aktiv zu steuern. Zusammen können ein robustes thermisches Design und eine genaue thermische Überwachung die Lebensdauer eines Geräts verlängern. Die Erfinder des neuen Sensors hoffen, dass neben elektronischen Anwendungen auch die Medizintechnikindustrie ihre Technologie aufgreifen könnte, um Wärmekarten des menschlichen Körpers für Diagnosezwecke zu erstellen.