Il nuovo sensore di temperatura può semplificare il monitoraggio termico dei circuiti

Jul 15, 2023

Poiché i dispositivi si restringono e allo stesso tempo aumentano la potenza, il calore sta diventando un problema in applicazioni in cui non sarebbe stato preso in considerazione fino a qualche anno fa. Il semplice taglio di alcuni fori di ventilazione nel case o l'inserimento di una ventola non è più adeguato come metodo di raffreddamento. Queste soluzioni rapide potrebbero aver funzionato contemporaneamente, ma oggi, progettare le proprietà termiche di un progetto è importante quanto l'EMI e l'integrità del segnale.

I progettisti devono ora misurare e monitorare il calore in un modo che si adatti al progetto, rientri nei limiti del budget e rappresenti accuratamente l'ambiente termico operativo reale. I ricercatori dell’Università di Tokyo (UT) potrebbero fornire una soluzione che soddisfi tutti questi parametri.

I chip più costosi oggi sono dotati di sensori termici integrati per la protezione dal surriscaldamento e dalla fuga termica. Le schede PC mission-critical possono anche includere questi sensori in punti chiave. Tuttavia, i limiti di costo e di spazio spesso impediscono di monitorare più di poche aree critiche; gli ingegneri devono invece fare del loro meglio per risolvere i problemi termici prima dell’inizio della produzione.

Durante lo sviluppo, i progettisti preoccupati per il calore in genere aggiungono sensori alle aree sospette di un prototipo e caratterizzano le proprietà termiche durante le prove di shakedown. Il software di simulazione termica aiuta anche a caratterizzare il prodotto.

Sebbene questi approcci siano ragionevoli e per lo più efficaci, incontrano dei limiti con apparecchiature compatte o apparecchiature che operano in ambienti difficili da simulare. I sensori termici, costituiti da fili e piccoli componenti semiconduttori, non sono abbastanza piccoli per l'attuale raccolto di semiconduttori ultraminiaturizzati e design compatti. I sensori possono fornire solo una visione termica di punti discreti anziché dell'intero sistema in funzione.

Per risolvere questa limitazione, un team dell'UT ha sviluppato un sensore termico a pellicola flessibile che può aiutare i progettisti a caratterizzare e monitorare accuratamente i componenti del circuito a un costo inferiore e con minori interferenze con il layout fisico del prodotto. Il team ha prodotto i sensori spruzzando la deposizione di materiale su una pellicola di PET e incidendo il sensore.

La pellicola sottile può arrivare dove molti altri sensori non riescono. Inoltre, può essere installato durante la produzione per il monitoraggio della durata senza un impatto significativo sulle disposizioni meccaniche del prodotto.

La maggior parte dei sensori termici si basa sull'effetto Seebeck termoelettrico (SE), il riscaldamento di due materiali diversi (solitamente metalli o semiconduttori) con conseguente flusso di corrente. Lo stesso Alessandro Volta scoprì le radici dell'effetto termoelettrico già nel 1794. Il fenomeno prende il nome da Thomas Seebeck, che lo riscoprì in modo indipendente nel 1821.

Quando viene applicato calore all'estremità unita di due materiali diversi, il differenziale di calore tra l'estremità calda unita e le estremità più fredde non unite del circuito eccita gli elettroni abbastanza da far sì che alcuni di essi si spostino da un materiale all'altro attraverso il giunto. Questo flusso di elettroni è proporzionale alla differenza di calore e può essere misurato.

I nuovi sensori dell'UT utilizzano un effetto termoelettrico/termomagnetico meno comunemente noto ma correlato chiamato effetto Nernst anomalo (ANE). Come l'effetto Seebeck, l'ANE converte il calore in elettricità. Tuttavia, l’ANE si basa su materiali magnetici e opera su un piano perpendicolare al calore. Questo, insieme al metodo dell'UT per depositare materiali magnetici a base di ferro e gallio su pellicola di plastica, produce un sensore ad area piatta.

Una sfida nell’utilizzo dell’ANE è che l’SE termoelettrico è più forte e oscura la lettura dell’area ANE. Il processo UT neutralizza l'SE alternando modelli. Ciò consente al circuito inciso di fornire un'immagine termica più accurata dell'area.

Prima di questa ricerca, i sensori termoelettrici erano grandi, di dimensioni scomode, fragili e difficili da integrare in applicazioni che non fossero semplicemente puntiformi. Questa ricerca apre la possibilità di sensori termici flessibili e adattabili alla forma che possono adattarsi praticamente a qualsiasi applicazione.