检测微小表面温度分布的高分辨率阵列式温敏二极管温度传感器

检测微小表面温度分布的高分辨率阵列式温敏二极管温度传感器1.导言微观结构中的各种相互作用通常都涉及流体流动或者是能量的交换，由热力学第二定律可知热转移是一种不可逆转的现象.在许多的微型机械系统中热量是至关重要的其中包括微观结构中遇到的生物中的生理反应和处理，燃料电池，高性能热热交换器和冷却装置，和化学过程，以此仅举几例。微型系统中热现象的研究中有着大量的基于MEMS的应用以及各种测量技术的采纳使得其备受关注。微型机械系统中表面温度分布测量技术的研究更是一项很具有挑战的课题研究。基于电学，光学，或辐射特性的温度传感器是检测微型机械系统表面温度分布具有代表性的温度传感器。在这些当中商业的热电偶因其使用的方便性在微型结构表面温度的测量当中的得到了广泛的应用。但是这种热电偶具有一个致命的缺陷就是其大小有数百微米因此不可能将很多热电偶精准的放置在一块微小的区域中。作为一种替代方法开发出各种温度传感器如微电阻阵列式传感器和阵列式微热电偶。微电阻阵列式传感器和阵列式微热电偶分别利用热电偶电阻和电动势测量温度。这些传感器会存放在一个圆片或玻璃表面通过溅射或薄膜式蒸发形成检测过程。

但是，每一个传感器需要两根导线和两个相互连接的电气点来传送这个传感器的信号到外部的数据采集系统。也就是说，例如为了检测一个微小区域内的1000个位置的温度情况，需要2021根导线和交互连接点。因此一体化的高密度微电阻或微阵列式热电偶并不是一个切实的选择。为了克服这两种阵列式传感器的缺点，目前的工作是研究出阵列式二极管传感（DTSA）利用DTSA能够检测出特定区域的多个位置的温度而且这当中的许多导线和连接点能有很好的布局，这是因为信号由扫描二极管的阵列得到。二极管的最主要的特性是其单向性即电流只能由其阳极流向阴极，这种特点使得在扫描过程时当中的某一二极管传感器与其他的有电气上的分离，避免了干扰。因为在RTD或者热电偶传感器的扫描当中不能很简单的做到这种分离所以这种技术并没有适用于这两种传感器中。因此，扫描技术使DTSA测量1024个点的温度时只用64个互联的连接点就能代替使用2048个互联的连接点的RTD或者热电偶阵列。这种做法类似于经常在DRAM对存储单元阵列使用的扫描（或解码）技术。许多的研究小组的研究已经发展了二极管传感器。金等人在马里兰大学发展了二极管传感器阵列，以便研究沸腾时的传热现象。然而，他们只能够在实验的情况下实现只有16个二极管的控制在小区域内。.我们改善和扩大了他们的工作。最后，为了验证DTSA的实际可行性，将其应用于测量底层材料的热效应。2.DTSA的设计与构造2.1DTSA的工作原理

如图1所示恒流电流通过硅二极管时会产生一个正向压降，它会随着硅二极管的温度的升高而下降。二极管两端的压降与其绝对温度成反比例。通常，二极管两度的压降是0.7V。在室温情况下这个电压随温度每增加1.c下降2mv.然而，由于不同的制造工艺，晶片的不同放置位置以及各种杂质，许多市面上的二极管并没有一致的温度特性。因此，所有的二极管温度传感器必须进行校准，以确定温度变化与压降间的关系。这可以通过温度控制箱来实现，如果控制箱的温度是知道的，那么二极管传感器的温度信号就可以校准。图1二极管传感器的工作原理将大量的温度传感器集成在一个微小的区域需要用到新的集成技术,举一个简单的例子来说明这种新技术。图2中描述了4×4的二极管阵列是如何连接在一起的。如果二极管A-2的压降是所要求知道的，可以通过连续的模拟开关将10微安的恒流电流送入到A行，与此同时当其他行为接通状态时第二列通过一个模拟开关被连接起来，则A到2间的压降就可以检测出来了，这个阵列中的其他二极管的压降可以由模拟开关改变不同的列和行得到，直到整个阵列扫描完毕。图24x4阵列A-2间的电压检测取样在当前的研究中，我们采用了在DRAM中存储单元中经常用到的扫描或者说是解码电路。当前的这个设计是很特别的，它容许恒流通过二极管阵列中的某一特定的一个来检测微型结构当中的温度分布情况。这个独特的设计是通过一个多路模拟开关实现的，这种扫描技术使得DTSA仅用64个焊盘连接点就可以检测1024个检测点的温度，而通常下用RED或者是热电偶阵列则需要2048个互联焊盘点。2.2布局和构成DTSA二极管的设计如图3所示，此种制造工艺过程是常规CMOS工艺的一种。首先，一系列的N-井形成了一个圆型基片。然后，利用N+和P+杂质扩散形成P+和N+离子区。第三，放置多晶硅加热器来加热和控制DTSA的温度。第四，导电片1和导电片2放置在圆形片上分别用来连接行和列的二极管。第五个步骤，放置金属片3连接多晶硅加热器。最后放置铝片做焊盘料。图3DTSA中单二极管示意图我们使用商业布局设计程序(Cadence公司的)来设计DTSA的外形布局。图4显示了在DTSA内使用Cadence设计的一个二极管的布局。单单一个二极管的尺寸大小是50umX50um,如图2所示的是32X32形成的二极管阵列。如图5所示则是DTSA的原型，在12mmX12mm的芯片上组成包括1024个二极管，8个加热器以及80个互联垫（其中16个是为了加热器）。DTSA的焊垫的大小是600umx600um.8个1千欧姆的单晶硅加热器嵌入到硅晶片用来加热DTSA芯片的特殊点，并如图5所示。因为现在这种焊盘垫，DTSA的有效遥感区域可以减少到8mmX8mm.三个金属层被用来连接二极管和加热器，第一个金属层被用于连接二极管的n+的参杂区与DTSA的行焊盘。而第二金属层则是用来连接二极管P+参杂区和列焊盘。最后，第三层是用来连接单晶硅加热器和DTSA的加热器焊盘。图4利用Cadence程序进行二极管布局这种二极管是由现代半导体公司的商业制造过程制备成的。DTSA的构成如图6（a）所示。在DTSA的边界内的小正方形物是互连的焊盘而纤细的条线是多晶硅加热器。图6（b）是DTSA的放大图在这个图中二极管和加热器分别有小方形和浅色的条带表示出来。图5(a)32x32二极管阵列图5（b）DTSA的加热器模式2.3．DTSA的包装我们设计了一个PCB板，他的作用就如同一个包装中的固定结构。采用倒装芯片封装方法将DTSA的芯片封装在PCB板中。PCB的设计大小是50mmX50mm，用来连接PCB焊盘与DTSA芯片的焊球的直径是300微米因为铅或者锡焊球不能粘附DTSA和PCB的铝焊盘，需要将镍电镀到DTSA的焊盘当凸块底层金属，将金电镀到PCB的焊盘上。首先，将焊球滴放到PCB的焊盘上，并放在一个氮气炉中回流到240摄氏度。然后，芯片的连接点和PCB的焊盘在同样的温度下被焊接在弹性的板上，并且同时给与其500克的负荷压在其上100秒。最后的芯片结构如图7所示。2.4DTSA的电路设计DTSA信号板的设计适合二极管的扫描和DTSA信号条件的要求。它包括一个FPGA（现场可编程门阵列，放大器，功率驱动器，模拟多路复用器（复用器），恒定电流源，数据采集板，如图8所显示。FPGA是用来在32X32的二极管中挑选其中的一个作为检测管。PFGA芯片用到的是Verilog程序，1024个二极管的压降通过模拟多路复用器复合成一个信号，这些信号有放大电路进行放大。放大器电路包括差分放大器和直流偏移调整放大器。该放大器的增益，采集板上的信号相对于二极管的信号是13V每V.数据采集板（PCI-6052E，美国国家仪器）采用A/D转换器转换信号并且将控制信号送到功率驱动器用来加热DTSA的表面。在运行中FPGA（EPM3064）接收到由数据采集板产生的同步时钟信号。然后FPGA对同步时钟信号进行计数并传送控制信号到行列模拟二极管选择器。接着恒流（10微安）流入所选的二极管，最后这个正下压降就由放大器检测出来。图9是这个DTSA的完整图。在左边一侧的传感局是DTSA的封装。我们使用LABVIEW来控制和操纵数据采集板。3结果和总结3.1DTSA信号的校定正如在上一节中，二极管传感器需要进行校准，以便利用DTSA准确的测量温度。为此我们通过实验确定每个DTSA中的二极管的正向压降和温度之间的关系。DTSA（32X32的二极管阵列）被连接到电路中如图9所示，而且被放在温度控制室中进行测试。二极管的压降通过改变温度控制箱的温度可以测出。为了说明压降与温度间的关系，我们可以由图10所选的四个二极管的结果可以得到。正如预期所料，他们表现出强烈的线性关系，但是由于每一个二极管在圆形晶片的位置和所含的杂质的不同而产生不同的偏移电压降。因此校准DTSA中每个二极管的信号需要两个变量（斜率和截距）来描述二极管信号与温度间的线性关系。我们使用最小二乘拟合法找到每个二极管的特性斜率和截距。在这个实验中，温度信号在0-100摄氏度间其精度是+-0.5摄氏度。3.2利用LABVIEW扫描DTSA信号LABVIEW程序用来控制DTSA信号板，通过这个程序每一个二极管的压降信号可以独立的检测出来，每一个二极管的压降被转换为1024个温度信号。而每个二极管温度的检出仅需1ms，然后将1024个温度信号绘制成三维图。为了确定DTSA的操作，我们启动了DTSA中的加热器。凸温度场被检测出来并用图11所表示出来。需要说明的是取决于硅衬底厚度的温度是由于在其里面的热传导所致。3.3DTSA的应用领域以目前的研究水平DTSA有许多潜在的实际应用：微型温度传感器在微型驱动冲击系统的应用，热指纹识别系统，微反应系统中的样品检测。事实上我们应用DTSA作为在倒装芯片封装中底部材料热特性的测试芯片。这种底部材料是用来保护焊盘的连接性免受热膨胀带来的在硅片与有机基质间的不协调。它也可以作为芯片引线框架或印制电路板中的散热材料。DTSA作为底层测试仪测量在其芯片上的温度分布情况。多种不同的测试套件被放置，且每一种都有不同的的底层夹心材料在DTSA与PCB之间。这些底层材料的温度分布结果就被DTSA检测出来，因此DTSA对于确定底层材料的热现象是很成功和有效的。4.结论DTSA(二极管温度传感器阵列)-----一种具有高分辨率的检测微小表面温度分布的传感器阵列,已经研制成功。在的表面上一个的二极管阵列放置在其上用来检测温度。DTSA是采用了超大规模集成（超大规模集成电路）技术。倒装芯片封装用来实现DTSA和印制电路板间的电气连接。因此，可以将DTSA安装在微观结构之上用来检测其上的温度分布情况并且这种检测是具有高分辨率的。1024个温度检测点的扫描电路同样得到了发展。该DTSA传感器在二极管的正向电压下降的和温度变化之间有着很好的线性关系。该DTSA可用于各种微系统，如微冲击冷却装置，微型反应装置和热指纹系统，需要集成温度传感器在一个小领域。该DTSA可用于各种微小系统，如微冲击冷却装置，微型反应装置和热指纹系统，或者是需要集成温度传感器的一个小领域。致谢这项工作通过国家研究实验室得到了韩国科学与工程基金会（KOSEF）。

项目资金由科学技术部提供。

社会实践报告系别：班级：学号：姓名：作为祖国未来的事业的继承人，我们这些大学生应该及早树立自己的历史责任感，提高自己的社会适应能力。假期的社会实践就是很好的锻炼自己的机会。当下，挣钱早已不是打工的唯一目的，更多的人将其视为参加社会实践、提高自身能力的机会。许多学校也积极鼓励大学生多接触社会、了解社会，一方面可以把学到的理论知识应用到实践中去，提高各方面的能力；另一方面可以积累工作经验对日后的就业大有裨益。进行社会实践，最理想的就是找到与本专业对口单位进行实习，从而提高自己的实战水平，同时可以将课本知识在实践中得到运用，从而更好的指导自己今后的学习。但是作为一名尚未毕业的大学生，由于本身具备的专业知识还十分的有限，所以我选择了打散工作为第一次社会实践的方式。目的在于熟悉社会。就职业本身而言，并无高低贵贱之分，存在即为合理。通过短短几天的打工经历可以让长期处于校园的我们对社会有一种更直观的认识。实践过程：自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，我开始了我这个假期的社会实践-走进天源休闲餐厅。实践，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面，实践可为以后找工作打基础。通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践。而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，前天才刚学到的知识可能在今天就已经被淘汰掉了，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。在餐厅里,别人一眼就能把我人出是一名正在读书的学生,我问他们为什么,他们总说从我的脸上就能看出来,也许没有经历过社会的人都有我这种不知名遭遇吧!我并没有因为我在他们面前没有经验而退后,我相信我也能做的像他们一样好.我的工作是在那做传菜生,每天9点钟-下午2点再从下午的4点-晚上8:30分上班,虽然时间长了点但,热情而年轻的我并没有丝毫的感到过累,我觉得这是一种激励,明白了人生,感悟了生活,接触了社会,了解了未来.在餐厅里虽然我是以传菜为主,但我不时还要做一些工作以外的事情，有时要做一些清洁的工作，在学校里也许有老师分配说今天做些什么，明天做些什么，但在这里，不一定有人会告诉你这些，你必须自觉地去做，而且要尽自已的努力做到最好，一件工作的效率就会得到别人不同的评价。在学校，只有学习的氛围，毕竟学校是学习的场所，每一个学生都在为取得更高的成绩而努力。而这里是工作的场所，每个人都会为了获得更多的报酬而努力，无论是学习还是工作，都存在着竞争，在竞争中就要不断学习别人先进的地方，也要不断学习别人怎样做人，以提高自已的能力！记得老师曾经说过大学是一个小社会，但我总觉得校园里总少不了那份纯真，那份真诚，尽管是大学高校，学生还终归保持着学生的身份。而走进企业，接触各种各样的客户、同事、上司等等，关系复杂，但我得去面对我从未面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是，学生的实际操作能力与在校理论学习有一定的差距。在这次实践中，这一点我感受很深。在学校，理论的学习很多，而且是多方面的，几乎是面面俱到；而在实际工作中，可能会遇到书本上没学到的，又可能是书本上的知识一点都用不上的情况。或许工作中运用到的只是很简单的问题，只要套公式似的就能完成一项任务。有时候我会埋怨，实际操作这么简单，但为什么书本上的知识让人学得这么吃力呢？这是社会与学校脱轨了吗？也许老师是正确的，虽然大学生生活不像踏入社会，但是总算是社会的一个部分，这是不可否认的事实。但是有时也要感谢老师孜孜不倦地教导，有些问题有了有课堂上地认真消化，有平时作业作补充，我比一部人具有更高的起点，有了更多的知识层面去应付各种工作上的问题，作为一名大学生，应该懂得与社会上各方面的人交往，处理社会上所发生的各方面的事情，这就意味着大学生要注意到社会实践，社会实践必不可少。毕竟，很快我就不再是一名大学生，而是社会中的一分子，要与社会交流，为社会做贡献。只懂得纸上谈兵是远远不及的，以后的人生旅途是漫长的，为了锻炼自己成为一名合格的、对社会有用的人才.很多在学校读书的人都说宁愿出去工作，不愿在校读书；而已在社会的人都宁愿回校读书。我们上学，学习先进的科学知识，为的都是将来走进社会，献出自己的一份力量，我们应该在今天努力掌握专业知识，明天才能更好地为社会服务。实践心得：虽然这次的实践只有短短的几天，而且从事的是比较简单的服务工作，但是通过与各种各样的人接触，还是让我学会了很多道理。首先是明白了守时的重要性。工作和上学是两种完全不同的概念，上学是不迟到很多时候是因为惧怕老师的责怪，而当你走上了工作岗位，这里更多的是由于自己内心的一种责任。这种责任是我学会客服自己的惰性，准时走上自己的岗位。这对我以后的学习生活也是一种鞭策，时刻牢记自己的责任，并努力加强自己的时间观念。其次让我真实的体会到了合作的重要性。虽然我工作的只是小小的一家餐厅，但是从点单到制作到递送到结帐这一环环的工作都是有分工的，只有这样才能使整家店的工作效率都大大的提高。以前虽然在书上看见过很多的团队合作的例子，但这一次是深刻的体会到了，正所谓“众人拾柴火焰高”，“团结就是力量”。在以后的学习和工作中，一定会要牢记这一点，将自己融入到集体中，和大家一起携手走向辉煌。再次，这次打工的经历也让我的心理更加趋