芯片研制用微纳米尺度温度测量方法及其展望

微纳米尺度温度测量,提供微小尺度区域的高精度温度信息。然而现有的测温技术无法满足芯片性能日益提升的需求,例如以热电偶等为代表的接触式测温具有较高的测量精度,但其响应速率慢难以实现宽场热成像;以红外辐射等为代表的非接触式测温可实现芯片表面的快速热场测量,但测温精度较低、空间分辨率受到波长的限制。因此传统测温方法难以同时满足高精度、微纳米尺度的快速温度测量,亟需寻求新的测温技术。随着量子精密测温技术的发展,基于固态量子自旋效应的金刚石带负电的氮-空位(negatively charged nitrogen-vacancy,NV-)色心测温技术有望解决上述问题,突破现有微纳米尺度测温在芯片研制方面的应用瓶颈。鉴于此,首先综述对比了现有芯片用测温技术的特点和发展现状,而后调研分析了金刚石NV色心测温计量特性及小型化、集成化技术发展趋势,并展望了金刚石NV色心测温在芯片研制领域的技术优势和应用前景,提出其发展面临的挑战。

基于电光聚合物薄膜的芯片式光学硅基电场传感器传感及温度特性研究

“双碳”背景下,新型电力系统的数字化转型对电力传感技术提出了更高的要求。文中针对光学电场传感器温度稳定性差的问题,提出了基于电光聚合物薄膜的芯片式光学硅基电场传感器。首先介绍了电光效应原理,电光聚合物的2阶非线性光学效应以及电光能量耦合方法,其次设计了传感器的加工流程并完成了制备,同时在敏感芯片上成功涂覆电光聚合物,最后通过搭建实验测试平台,完成了传感器的线性度、交流响应以及温度特性测试。实验结果表明,所制备的光学电场传感器在工频电场下拥有较好的线性度且灵敏度高达0.945 mV·(kV·m^(-1))^(-1),传感器在0~75℃温度范围内输出幅值及相位稳定,其幅值比最大波动为0.481 dB,相位差最大为3.82°。文中提出的传感结构切实可行地提升了光学硅基集成电场传感器的温度特性,为硅基集成光学电场传感器在电力系统中的使用提供参考方案。

采用AD654芯片的直流电压传感器及其温度漂移补偿

提出一种基于电压-频率变换的光电式电压传感器及电压传感信号温度漂移的补偿方法。电压传感系统主要包括电阻分压器、电压-频率变换芯片、发光二极管、光纤、光电探测与信号处理单元等。利用两块AD654型芯片分别作为被测电压和温度传感单元,通过对两路光传感信号进行非线性数据拟合等方式实现了对电压传感信号温度漂移的实时补偿。实验测量了0.6 kV~5.0 kV范围内的直流电压,并实现了电压传感信号的温度漂移补偿,在-40℃~+60℃的温度范围内,电压传感信号温度漂移的平均相对误差约为±0.7%。

半导体芯片温度系数测试方法初步研究

大功率半导体的兴起推动了散热领域的发展,结温是半导体器件可靠性预测的重要依据,而半导体芯片的温度系数是准确获取结温的重要参数,本文以几种半导体芯片作为研究对象,从实验角度给出了半导体芯片温度系数的获取原则。实验结果表明,合适的感温电流是获得温度系数的首要参数。实验的温度间隔对于数据的拟合结果影响不大,可适当放大以提高采样效率。对于测量的温度范围,线性拟合与非线性拟合器件的计算结果相差很大,应保证覆盖半导体芯片实际使用的温度范围,同时应重视过程数据以及注意保温等。

基于改进DDPG-PID的芯片共晶键合温度控制

芯片共晶键合对加热过程中的升温速率、保温时间和温度精度要求较高,在使用传统的比例-积分-微分(PID)温度控制方法时,存在响应时间过长、超调量过大、控制温度不够准确等问题。针对共晶加热台的温度控制问题,提出了一种基于改进的深度确定性策略梯度(DDPG)强化学习算法优化PID参数的控制方法,采用分类经验回放的思想,以奖励值大小为标准对经验进行分类存放,根据智能体当前的状态和下一步动作,从相应的经验池中进行采样并训练,并根据PID控制算法的特性设计了合理的奖励函数,改善了强化学习中奖励稀疏的问题,提高了算法的收敛速度与性能。仿真结果表明,与传统PID控制、常规DDPG-PID控制相比,改进DDPG-PID控制缩短了响应时间,降低了超调量,近乎消除了稳态误差,提高了控制性能和系统稳定性。

一种芯片的参数温度变化率批量测试方法

阐述一种芯片的参数温度变化率批量自动化测试方法,解决芯片ATE测试中对超低温度变化率(5ppm/℃以下)的芯片参数进行批量化、自动化测试的问题,测试完成后提供与芯片同步测试数据。

一种高精度微芯片用于微环境中细胞温度波动监测

温度是生物体中重要的参数,准确测量细胞在代谢过程中的温度波动可为更深入地探究细胞的能量产生和扩散过程提供有价值的信息,从而促进癌症和其他疾病的研究.本文基于微机电加工和微流控技术制备一批可在微环境下监测细胞代谢过程中温度波动的微芯片.微芯片由捕获细胞的C形"微坝"结构、供液体流动的"微缝"和监测温度波动的电极结构组成.可将细胞培养、温度监测在微芯片上完成.将有细胞贴壁生长的微芯片放置在37℃恒温环境中,采用恒电流法实时在线连续监测细胞在代谢过程中的温度波动.该芯片共有9个检测单元,每个单元的检测都是完全独立的,可同时检测多个结构上的细胞温度波动情况.微芯片的准确度优于0.013℃,精度为±0.014℃,响应速度约0.1 s,不同厚度Ti/Pt温度传感器的温度-电阻之间的线性拟合参数R2大于0.999.在(37±0.015)℃的恒温环境下监测细胞,发现人肺腺癌细胞系(human lung adenocarcinoma cell,H1975)在代谢过程中温度波动的极差(0.173℃)大于肝星状细胞(hepatic stellate cell,HSC)的极差(0.127℃).癌细胞H1975的平均温度(37.001℃)高于正常细胞HSC的平均温度(36.989℃).该芯片为细胞代谢监测、药物筛选等方面提供了新的研究平台.

808nm半导体激光芯片电光转换效率的温度特性机理研究

提高808 nm大功率半导体激光器电光转换效率具有重要的学术意义和商业价值,是实现器件小型化、轻量化、高可靠性的必要前提.本文以腔长1.5 mm的传导冷却封装808 nm半导体激光阵列为研究对象,在热沉温度-40—25?C范围内对其进行光电特性测试,对不同温度下电光转换效率的影响因子进行了实验研究和理论分析.结果表明:在-40?C环境温度下,最高电光转换效率从室温25?C时的56.7%提高至66.8%,内量子效率高达96.3%,载流子泄漏损耗的占比贡献由16.6%下降至3.1%.该研究对实现808 nm高效率半导体激光芯片的自主研发具有重要意义.

高速芯片温度检测技术研究与应用

芯片在工作时容易变热,为了保证芯片工作在一个稳定的状态,必须保证芯片温度的变化在可容许的范围以内。对高速芯片采取冷却技术,首先要精确检测工作时的温度变化。温度传感器集成电路是一种完全基于半导体硅的温度检测新技术,能够实现扩展测温范围、进行远程温度监测。采用风扇自动控制技术与温度传感器集成电路,不仅可以节约成本,而且减少噪音污染,是高速芯片冷却技术的发展趋势。

IGBT芯片测温方法与温度分布研究

推导出红外探测温度与真实温度之间的关系.通过确定合适的发射率修正方法,得到了IG-BT芯片的真实温度分布,得出芯片中心温度高于边缘温度,纠正了以往对该问题的错误认识,通过发射率修正和实验数据验证了该结论的正确性.

考虑环境温湿度的空冷PEMFC最佳工作温度研究与控制

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)属于阴极开放式燃料电池,无外部增湿装置,因此空冷型PEMFC阴极入口处空气的温度和湿度必然对燃料电池工作性能有着不可忽视的影响。通过实验研究空冷型PEMFC最佳工作温度与环境温湿度及输出电流之间的关系,分析不同环境温湿度和输出电流对空冷型PEMFC最佳工作温度的影响。最后设计空冷型PEMFC控制系统,根据得到的不同环境温湿度下的空冷型PEMFC最佳工作温度曲线,采用PID控制方法实现不同温湿度环境条件下的最佳工作温度控制。

探究芯片环境温度T_a及芯片壳体温度T_c值

实际工作中,很多电子产品热设计工程师误将测得的芯片壳体温度当做芯片的环境温度(即芯片工作温度),从而导致对热设计结果的误判,或导致热设计冗余量过大后使设备成本不恰当地被提高。为了避免此类问题的再次发生,论文引入热边界层理论探究芯片环境温度和芯片壳体温度。论文从多个层面介绍了有效获取芯片环境温度及芯片壳体温度的方法。由于芯片表面或散热器表面热边界层的客观存在,不可避免地在芯片壳体与边界层外的空气之间产生一定的热阻,使得芯片厂家提供的芯片工作温度必然低于芯片壳体温度。

基于微流控芯片的温度梯度毛细管电泳检测大肠癌石蜡标本中K-ras基因突变

K-ras基因突变检测可用于大肠癌的早期筛查与诊断,并有利于筛选出抗表皮生长因子受体靶向药物治疗有效的大肠癌患者,以实现肿瘤的个体化治疗.采用以倾斜式热辐射原理建立的微流控温度梯度毛细管电泳(temperature gradient capillary electrophoresis,TGCE)基因突变检测系统,实现了对98例石蜡包埋大肠癌组织中K-ras基因突变的高灵敏度筛查,突变阳性检出率为47.96%,显著高于PCR产物直接测序的23.47%.克隆测序显示该方法至少能检测到2.08%的K-ras基因突变体.K-ras基因突变与临床病理学参数的关系分析显示,直肠癌中K-ras基因突变率明显高于结肠癌(P<0.05),而与年龄、性别、组织学类型和肿瘤分期等无显著相关性.该检测方法为肿瘤早期诊断和指导临床用药提供了一种灵敏度高、检测速度快、便于大规模筛查的有效手段.

基因芯片PCR温度模糊自整定PID控制算法的研究

在核酸扩增反应仪中,基因芯片核酸扩增反应过程要求实现温度高精度快速跟踪控制,常规温控方案和算法难以实现。将模糊推理系统与常规PID控制方式相结合,采用模糊自整定PID控制算法实现了温度快速跟踪控制。实验结果表明:模糊自整定PID控制算法比常规PID算法具有更强的鲁棒性,能够克服控制对象热惯性参数时变性的影响,降低了输出温度最大超调量,提高了稳态精度。

空域PCR芯片/微装置中温度控制技术

基于微电子机械系统(MEMS)技术而发展起来的空域聚合酶链式反应(空域PCR)芯片/微装置由于其具有反应速度快、所需DNA样品体积小以及自动化程度高等优点,已经日益引起人们的关注。空域PCR芯片/微装置系统中精确的温度控制是DNA成功扩增的关键因素之一。主要介绍国内外空域PCR芯片/微装置中温度控制技术进展,包括空域PCR系统温度循环特征;薄膜电阻加热器/传感器的设计原则;空域PCR反应系统温度均一性等。

聚合物多层微流控芯片超声波键合界面温度研究

针对聚合物多层微流控芯片键合,采用热辅助超声波键合方法实现了4层微流控芯片的键合,搭建了多界面温度测试装置,采用埋置热电偶的方法测试了三个被封接界面的温度场,研究了单独超声波作用和热辅助超声波键合法中各界面的温度并进行了比对.温度测试实验结果表明,在顶层热辅助温度70℃、6μm振幅、30kHz频率、100N超声波焊接压力和25s超声波作用时间下,基于热辅助的多层超声波键合方法可以使各键合界面的温度基本一致,从而实现多层微流控器件的多个界面键合质量一致.本文的研究为聚合物微流控器件的超声波多层键合机理研究提供了有益借鉴.

三维单芯片多处理器温度特性

给出热阻矩阵的表达式,研究三维单芯片多处理器(3D CMP,three-dimensional chip-multiprocessor)的温度特性,通过Matlab分析热容、热阻和功耗对温度的影响.结果表明:减小热阻和功耗可以有效约束3D CMP的稳态温度;热容增大可以导致3D CMP温度上升时间变长,但不影响其最终稳态温度.

基于常规PID和风门开关控制的PCR基因芯片温度快速跟踪算法的研究

在PCR仪中,基因芯片的制作过程对温度控制有着很高的要求,要求升降温速度快,稳态精度高,并且具有良好的温度跟踪性能,普通温控方案和算法难以实现。在详细分析系统结构和特性的基础上,将常规PID控制与风门开关控制方式相结合,提出一种基于PID和风门开关控制的温控算法,解决了温度快速跟踪问题。实际控制结果为最大超调量为3℃,稳态精度为±0.5℃,升温速度可达3℃/s,降温速度可达4℃/s.

一种用于安全芯片的高性能温度监测传感器设计

基于Global Foundry（GF）0.18μm标准CMOS工艺,设计了用于安全芯片的高性能温度监测传感器。该传感器利用PN结正向偏置电压与温度的近似线性关系监测环境温度变化,其集成度高、可靠性高、功耗低,并且能够在宽温度范围内正常工作。测试结果表明：在一定温度范围（-50-140℃）内,其温度系数为-4.47mV/℃,线性度良好;当电源电压为3.3V时,功耗仅为10.04μW,满足安全芯片的设计要求。

微流体芯片中流体温度软测试技术研究

在微流体芯片的众多应用研究领域中,如微反应器、PCR扩增、微流体驱动和控制等,微流体芯片中的流体温度和热量控制是一个非常关键的因素,为此国内外学者在微流体芯片温度测试和热控制方面进行了大量的研究.不管采用何种加热方式,加热板或者是芯片本身,都不能代表微流体芯片中流体本身的温度.本文提出一种微流体芯片中流体温度软测试技术,核心是利用比较容易测量的辅助变量(流体周围的芯片温度)来推断不可测的流体温度变量.通过构造辅助变量与流体温度变量数学映射关系,实现对流体温度的在线估计.根据微流体芯片中微流体传热机理分析,建立了微流体温度软测试数学模型,并用模拟试验验证了模型的正确性.