新しい温度センサーにより回路の温度監視が簡素化される可能性がある

Jul 15, 2023

デバイスの縮小と電力増加が同時に行われるため、数年前には考慮されなかったアプリケーションにおいて熱が問題になりつつあります。 ケースにいくつかの通気孔をあけたり、ファンを取り付けたりするだけでは、もはや冷却方法としては適切ではありません。 これらの簡単な修正はかつては機能していたかもしれませんが、現在では、設計の熱特性を設計することが EMI や信号の整合性と同じくらい重要になっています。

設計者は、設計に適合し、予算内に収まり、実際の運用上の熱環境を正確に描写できる方法で熱を測定および監視する必要があります。 東京大学 (UT) の研究者は、これらすべてのパラメータに適合するソリューションを提供する可能性があります。

現在最も高価なチップには、過熱や熱暴走を防ぐための熱センサーが組み込まれています。 ミッションクリティカルな PC ボードの重要な場所にこれらのセンサーが組み込まれている場合もあります。 ただし、コストとスペースの制限により、多くの重要な領域を監視できないことがよくあります。 代わりにエンジニアは、生産が開始される前に熱の問題に対処するために最善を尽くす必要があります。

開発中、熱を懸念する設計者は通常、プロトタイプの疑わしい領域にセンサーを追加し、シェイクダウン実行中に熱特性を特徴付けます。 熱シミュレーション ソフトウェアも製品の特性評価に役立ちます。

これらのアプローチは合理的であり、ほとんど効果的ですが、コンパクトな機器やシミュレーションが難しい設定で動作する機器では限界に遭遇します。 熱センサーはワイヤーと小さな半導体部品で構成されていますが、現在の超小型半導体とコンパクトな設計には十分な大きさではありません。 センサーは、動作中のシステム全体ではなく、個別の点の熱ビューのみを提供する場合があります。

この制限に対処するために、UT のチームは、設計者が低コストで、製品の物理的レイアウトへの干渉を少なくしながら、回路コンポーネントを正確に特性評価および監視できるようにするフレキシブル フィルム熱センサーを開発しました。 研究チームは、PET フィルム上にスパッタリング材料を堆積し、センサーをエッチングすることによってセンサーを製造しました。

薄膜は、他の多くのセンサーが設置できない場所にも設置できます。 さらに、製品の機械的配置に大きな影響を与えることなく、寿命を監視するために製造中に設置することができます。

ほとんどの熱センサーは、熱電ゼーベック効果 (SE)、つまり 2 つの異なる材料 (通常は金属または半導体) の加熱によって電流が流れることに依存しています。 アレッサンドロ ボルタ自身が、熱電効果のルーツを 1794 年に発見しました。この現象は、1821 年に熱電効果を独立して再発見したトーマス ゼーベックにちなんで名付けられました。

2 つの異なる材料の接合端に熱が加えられると、回路の高温の接合端と低温の非接合端との間の熱差によって電子が励起され、電子の一部が回路を通って一方の材料からもう一方の材料に移動します。ジョイント。 この電子の流れは熱差に比例するので、測定することができます。

UT の新しいセンサーは、あまり知られていないものの、異常ネルンスト効果 (ANE) と呼ばれる関連する熱電/熱磁気効果を使用します。 ゼーベック効果と同様に、ANE は熱を電気に変換します。 ただし、ANE は磁性材料に依存しており、熱に対して垂直な面内で動作します。 これは、プラスチックフィルム上に鉄とガリウムをベースとした磁性材料を堆積するUTの方法と連携して、フラットエリアセンサーを生み出します。

ANE を使用する際の 1 つの課題は、熱電 SE がより強力であり、ANE 領域の読み取りがわかりにくくなることです。 UT プロセスは、パターンを交互に繰り返すことで SE を中和します。 これにより、エッチングされた回路がその領域のより正確な熱画像を提供できるようになります。

この研究が行われるまで、熱電センサーは大きく、サイズが扱いにくく、壊れやすく、点光源以外のアプリケーションに統合するのが困難でした。 この研究は、ほぼあらゆる用途に適合できる、柔軟で形状に適合する熱センサーの可能性を開きます。