基于单片机的便携式温湿度测量仪的设计相关 外文资料翻译.doc

济南大学毕业设计外文资料翻译Journal of Sensors, 2010, 10； 3363-3372; 原位温湿度监测发光二极管传感器的制作方法Chi-Yuan Lee *, Ay Su, Yin-Chieh Liu, Pin-Cheng Chan and Chia-Hung Lin 机械工程学院，元智燃料电池中心，元智大学，台湾桃园系; 摘要：在这项工作中微温度和湿度传感器被用来测量发光二极管（LED）的结温度和湿度。用热敏电阻测量技术来测量结温度，这种方法的缺点是数据采集的时间不受任何标准的规定。本次调查开发了一种能稳定和持续测量温度和湿度的设备，该设备重量轻并且可以实时监测结温湿度。使用微机电系统（MEMS），本研究尽量减少微温湿度传感器的不锈钢箔衬底（40微米厚的SS-304）构造的大小。微温湿度传感器可以固定在LED芯片和框架之间。微温湿度传感器的灵敏度分别是0.060.005（/）和0.033 PF /相对湿度。关键字：LED; MEMS;灵活的微型温湿度传感器DOI: 10.3390/s1004033631、 引言发光二极管是一种环保、低功耗、寿命长的发光二极管，在第二十一世纪的照明中引起了一场革命。他们得到青睐是因为他们的高可靠性，低功耗，而且几乎没有维护需要。在各种设备和计算机中作为信号完整性和操作状态的视觉指示器，他们已经被采用了很长一段时间。发光二极管是一种固态半导体器件，直接转换电光的能量，它是应用于下一代普通照明的有力候选。继进一步的改进，发光二极管最近已被确定为照明设备。因为其优良的颜色饱和度和长寿命，在越来越多的照明中使用了高亮度，大功率发光二极管。防止它们过热是设计师们艰巨的任务，封装的热管理依赖于外部的冷却机制，散热，和热接口。在一个固定的冷却条件下，随着热电阻的增加，结温的速率增大，发光效率下降，因此，LED封装热阻低有效的热设计是提高LED性能的关键1,2。交界处的温度会影响到一系列的性能，二极管的中心波长、光谱、光输出功率和二极管的可靠性直接取决于连接的温度。目前在一个发光二极管的结温处没有用于测量的仪器。程3估计的离子注入LED的结温度，利用正向电压法测定，比常规的LED的显著降低。Senewiratne4测量热阻来决定发光二极管的结温，随着驱动电流从10增加到250毫安。以及温度，湿度因子显著影响LED封装。水分会导致电子封装分层，发光二极管封装用聚合物材料成型，这样的水分扩散到包，因此膨胀，包吸湿后也会膨胀。此外，水分膨胀（次CME）的失配系数诱导水力机械应力封装5，谭6的研究采用非破坏性故障分析工具和湿度加速测试，混合了统计分布，频谱分析和参数提取来确定GaN的封装白光LED。尽管对所有的封装集成电路进行湿度检测，但是，一些研究已经探索了湿度对封装的LED的影响。此外，封装的LED应用于多种潮湿的环境，在这项工作中，灵活的微温湿度传感器被用来监测在现场的发光二极管的温度和湿度。该传感器被制造在不锈钢箔衬底（SS-304，其厚度为40m）的微机电系统（MEMS）上。使用这种技术制造的传感器是：（1）小，（2）高度敏感，（3）灵活，但具有精确的测量位置，（4）能够被大规模生产，和（5）多功能。2、 方法论2.1微型温度传感器理论在这项研究中，微型温度传感器电阻温度检测器（RTD），对薄膜RTD传感器阵列的各种优点，其中包括体积小、精度高、响应时间短、生产能力和质量。Pt和Au是采用的传统的传感材料I处的温度传感器，前者价格昂贵，后者具有更高的导电性和弹性。因此，在这项工作中，金是在设备中使用 7 。随着环境温度的升高，RTD的电阻也增大，因为金属导体具有正温度系数（PTC）。图1描述了微温度传感器的结构。图1。微温传感器结构。 当RTD温度呈线性变化，测得的电阻与温度变化之间的关系可以表示为：在RT代表性TC；RI在我C的阻力，和T的敏感性（1 /C）。方程（1）可以改写为：2.2微湿度传感器原理湿度传感器的三个主要类别是陶瓷，电解质和聚合物为基础的。聚合物为基础的传感器是电容类型或电阻类型。尽管基于聚合物的传感器的测量范围不如基于陶瓷传感器的大，但是制造简单，成本低，并且非常准确，因为是用高度聚合物聚合的。这对一个快速发展的IC工艺是非常有用的，该聚合物必须具有高电阻和低的介电常数。由于聚合物的吸收的蒸汽量增加，介电常数的增加和电容的增加，可以使用方程（3）其中C为电容（F）;e是真空的介电常数;e是环境的介电常数;A是电极（2）的横截面面积，d为两个电极之间的距离。图2。微湿度传感器图的结构图2显示了微湿度传感器的结构，由方程（4）给出的灵敏度：其中是湿度传感器的灵敏度（C / %RH） 8 。3、 灵活的微型传感器的研制发光二极管中的帧在一个发光芯片中是一个非常重要的导体热量，因此，一种绝缘介质被安装在发光二极管和发光二极管之间的帧之间，以提高热电阻。作者的早期研究涉及一个灵活的微型温度传感器，可以安装在一个发光芯片和框架之间。本工作的设计是基于早期的工作 9 。在本研究中，微传感器被制造在不锈钢箔衬底（SS-30440微米厚）上，在氮化铝（AlN）上通过作为绝缘层，因为它具有优良的绝缘性和高导热特性，众所周知，AlN的溅射率膜有针孔等不电隔离。为了解决这个问题，在本次调查的各种条件下制备的所有的AlN膜，都具有令人满意的质量并且具有光滑的表面，尽管它们确实含有一些针孔缺陷10。电导率进行试验后，它们的分离性能得到了确认。图3显示制造柔性微传感器的方法。首先，利用硫酸和过氧化氢清洗不锈钢箔；然后溅射AlN（1m）作为底部绝缘层，电子束蒸发器进行蒸发的Cr（200）作为氮化铝和金之间的粘合层，和蒸发的Au（2000）作为传感层沉积。光致抗蚀剂（PR）进行旋涂（3m）和微传感器定义轮廓光刻湿法腐蚀，聚酰亚胺是在一个湿度传感器作为传感薄膜旋涂（3微米），光致抗蚀剂（PR）作为保护层旋涂（3m）。最后，不锈钢箔是用王水腐蚀。表1介绍了加工工艺参数。图3。柔性微传感器的制备 表1。工艺参数的制备。4 结果与讨论图4显示微传感器的光学显微镜照片，微温传感器的传感面积为17600平方米，微湿度传感器的传感面积为18900平方米。利用微机电系统制造柔性微温湿度传感器，这种微型传感器具有（1）体积小，（2）质量可制备，（3）多功能性，及（4）灵活而精确的测量位置。图4最后柔性微传感器。图5微型传感器的校准系统。微传感器被放置在一个可编程的温度和湿度室（弘达ht-8045一），电阻和电容的微温湿度用LCR测量仪传感器测量。根据微环境温度和湿度传感器，温度从30到120，湿度从28到98%的相对湿度变化。图6所示的微型温度传感器的校准曲线，结果表明，温度几乎呈线性关系抵抗，我们已经测试了三次，校准曲线仍然是线性的。图7所示的湿度传感器的校准曲线，这表明，湿度是以电容的立方变化的，我们有三次测试，校准曲线为三次方程。在温度和湿度传感器的灵敏度为0.060.005/，0.033 PF /RH情况下，传感器具有小于0.3，3RH的精度。，响应范围为1.72.3秒钟由冯达HT-8045A可程式恒温恒湿室确定。图5。微传感器校准系统。图6。温度传感器的校准曲线图7。湿度传感器的校准曲线。在图8中，微传感器被设置在一个发光芯片和一个框架之间，一个输入电流为350毫安的电流通过二极管，使其发光。LED的温度和湿度稳定后，微传感器的电阻和电容通过LCR计测量，并将结果与微传感器的校准曲线比较，以确定它们的温度和湿度。微传感器需要一个保护层，所以在温度传感器上沉积了一层保温层，然而，这种绝缘层是非常薄的，和热梯度是相比较可以忽略不计。图9显示一个微传感器的发光二极管。LED的结温度可以从基于热电阻测量理论的电压来确定，一个CREEEZ1000芯片和输入电流范围从0到350ma为使用，通过热电阻测量获得的数据与用微型温度传感器测量获取的不同，试验数据在表2中。在350mA示出了使用微温度传感器得到的温度为1.52，比以120mA由热阻测定得到降低，和5.45以下。此外，随电流增加而增加温度。在湿度部分，包装前后由湿度传感器测量的电容是21.98pf，这一结果表明，LED在这项研究中的领导以及包装。图8。微传感器在发光二极管中的演示。图9。微传感器的高功率发光二极管。表2。利用微测温度传感器和热敏电阻测量技术测量的变化。5 结论在这项研究中，灵活的微温湿度传感器，可以被设置在一个发光二极管芯片和一个发光二极管的帧之间，一个40厚的不锈钢箔进行热的LED芯片和框架之间，利用微机电系统制造柔性微温湿度传感器。这些传感器的优点是：（1）体积小，（2）高灵敏度，（3）质量可制备，（4）多功能性，及（5）灵活而精确的测量位置。未来的研究将采用灵活的微温湿度传感器来评估发光二极管的工作参数，从而提高其设计和性能。致谢这项工作是急需的支持，实现和作者想通过授予NSC97-2221-E-155-068感谢来自R. O. C.国家科学委员会这项研究的资金支持。作者还要感谢你NEMS普通实验室和燃料提供访问他们的研究设施的细胞研究中心。参考文献1. Weng, C.J. Advanced thermal enhancement and management of LED packages. Int. Commun.Heat Mass. Trans. 2009, 36, 245-248.2. Lu, X.Y.; Hua, T.C.; Liu, M.J.; Cheng, Y.X. Thermal analysis of loop heat pipe used forhigh-power LED. Thermochim. Acta 2009, 493, 25-29.3. Cheng, Y.W.; Chen, H.H.; Ke, M.Y.; Cheng, C.P.; Huang, J.J. Effect of selective ion-implantedp-GaN on the junction temperature of GaN-based light emitting diodes. Opt. Commun. 2009, 282,835-838.4. Senawiratne, J.; Li, Y.; Zhu, M.; Xia, Y.; Zhao, W.; Detchprohm, T.; Chatterjee, A.; Plawsky, J.L.;Wetzel, C. Junction temperature measurements and thermal modeling of GaInN/GaN quantumwell light-emitting diodes. J. Electron. Mater. 2008, 37, 607-610.Sensors 2010, 1033725. Hu, J.; Yang, L.; Shin, M.W. Mechanism and thermal effect of delamination in light-emittingdiode packages. Microelectr. J. 2007, 38, 157-163.6. Tan, C.M.; Chen, B.K.E.; Xu, G.; Liu, Y. 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