Un nouveau capteur de température peut simplifier la surveillance thermique des circuits

Jul 15, 2023

À mesure que les appareils rétrécissent et augmentent simultanément leur puissance, la chaleur devient un problème dans des applications où elle n'aurait pas été prise en compte il y a quelques années. Le simple fait de découper quelques trous d'aération dans le boîtier ou d'y insérer un ventilateur ne suffit plus comme méthode de refroidissement. Ces solutions rapides ont peut-être fonctionné à un moment donné, mais aujourd'hui, l'ingénierie des propriétés thermiques d'une conception est aussi importante que l'intégrité des interférences électromagnétiques et du signal.

Les concepteurs doivent désormais mesurer et surveiller la chaleur de manière à s'adapter à une conception, à respecter un budget et à représenter avec précision l'environnement thermique opérationnel réel. Les chercheurs de l’Université de Tokyo (UT) pourraient proposer une solution adaptée à tous ces paramètres.

Les puces les plus chères aujourd'hui sont équipées de capteurs thermiques intégrés pour les protéger contre la surchauffe et l'emballement thermique. Les cartes PC critiques peuvent également inclure ces capteurs à des endroits clés. Cependant, les contraintes de coût et d'espace empêchent souvent de surveiller plus que quelques zones critiques ; les ingénieurs doivent plutôt faire de leur mieux pour résoudre les problèmes thermiques avant le début de la production.

Au cours du développement, les concepteurs préoccupés par la chaleur ajoutent généralement des capteurs aux zones suspectes d'un prototype et caractérisent les propriétés thermiques lors des essais de mise au point. Un logiciel de simulation thermique aide également à caractériser le produit.

Bien que ces approches soient raisonnables et généralement efficaces, elles se heurtent à des limites avec des équipements compacts ou fonctionnant dans des environnements difficiles à simuler. Les capteurs thermiques, constitués de fils et de petits composants semi-conducteurs, ne sont pas assez petits pour la gamme actuelle de semi-conducteurs ultra-miniaturisés et de conceptions compactes. Les capteurs peuvent fournir uniquement une vue thermique de points discrets plutôt que de l'ensemble du système en fonctionnement.

Pour remédier à cette limitation, une équipe de l'UT a développé un capteur thermique à film flexible qui peut aider les concepteurs à caractériser et à surveiller avec précision les composants du circuit à moindre coût et avec moins d'interférences avec la disposition physique du produit. L’équipe a produit les capteurs en déposant un matériau par pulvérisation sur un film PET et en gravant le capteur.

Le film mince peut aller là où de nombreux autres capteurs ne le peuvent pas. De plus, il peut être mis en place pendant la fabrication pour un suivi de la durée de vie sans impact significatif sur les dispositions mécaniques du produit.

La plupart des capteurs thermiques reposent sur l'effet thermoélectrique Seebeck (SE), le chauffage de deux matériaux différents (généralement des métaux ou des semi-conducteurs) entraînant un flux de courant. Alessandro Volta lui-même a découvert les racines de l'effet thermoélectrique dès 1794. Le phénomène porte le nom de Thomas Seebeck, qui l'a redécouvert indépendamment en 1821.

Lorsque de la chaleur est appliquée à l'extrémité jointe de deux matériaux différents, la différence de chaleur entre l'extrémité chaude jointe et les extrémités plus froides non jointes du circuit excite suffisamment les électrons pour faire passer certains d'entre eux d'un matériau à l'autre à travers le circuit. articulation. Ce flux d'électrons est proportionnel au différentiel de chaleur et peut être mesuré.

Les nouveaux capteurs de l'UT utilisent un effet thermoélectrique/thermomagnétique moins connu mais associé, appelé effet Nernst anormal (ANE). Comme l'effet Seebeck, l'ANE convertit la chaleur en électricité. Cependant, l'ANE s'appuie sur des matériaux magnétiques et fonctionne dans un plan perpendiculaire à la chaleur. Ceci, de concert avec la méthode de l'UT pour déposer des matériaux magnétiques à base de fer et de gallium sur un film plastique, donne un capteur à surface plane.

L’un des défis liés à l’utilisation de l’ANE est que le SE thermoélectrique est plus puissant et obscurcit la lecture de la zone ANE. Le processus UT neutralise le SE en alternant des modèles. Cela permet au circuit gravé de fournir une image thermique plus précise de la zone.

Avant cette recherche, les capteurs thermoélectriques étaient grands, de taille inconfortable, fragiles et difficiles à intégrer dans des applications autres que ponctuelles. Cette recherche ouvre la possibilité de créer des capteurs thermiques flexibles et ajustés qui peuvent s'adapter à presque toutes les applications.