ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ Российский патент 2016 года по МПК G01K11/32 

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к устройствам контроля температуры компонентов электронного модуля, использующего в качестве коммуникационной среды оптическое излучение, и, в частности, может быть использовано в составе высокоскоростных оптических каналов микросхем.

Использование оптического излучения для передачи информационных сигналов и формирования высокоскоростных каналов между компонентами электронного модуля позволяет не только исключить влияние переходных процессов, возникающих в медных проводниках, приводящих к ошибкам в работе сложных вычислительных схем, но и снизить температурные нагревы модуля. Для распространения оптического излучения внутри микросхем служат волноводы. С целью интеграции оптических волноводов с прочими компонентами радиоэлектронных устройств волноводы могут быть сформированы на базе существующих кремниевых материалов и технологий. В связи с этим, наиболее перспективными, для непрерывного контроля температуры микросхем и компонентов электронных модулей, представляются решения, позволяющие осуществлять анализ температурных эффектов с использованием оптических кремниевых элементов.

Известен волоконно-оптический термометр, содержащий волоконно-оптический датчик, выполненный из оптического волокна с расположенным на его конце термочувствительным элементом из кремния, соединенным с оптическим волокном через согласующий слой из окиси кремния (патент Российской Федерации на полезную модель №47203, 2005).

Недостатками аналога являются сложная технология изготовления, хрупкость конструкции из-за использования оптического волокна, а также сложность обеспечения контакта термочувствительного элемента с поверхностью объекта, применительно к измерению температуры компонентов электронного модуля.

Известен волоконно-оптический термометр, содержащий источник света, микроконтроллер, светораспределительную систему, оптический фильтр, волоконно-оптический переключатель, фотоприемники, волоконно-оптический щуп, выполненный в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, одномодовые волоконные световоды, соединяющие основные компоненты устройства, опорный и измерительный каналы (патент Российской Федерации №2491523, 2013).

Недостатками аналога являются сложность технологии изготовления устройства, сложность осуществления контактного измерения температуры в электронном модуле, при котором должен быть обеспечен надежный непрерывный контакт волоконно-оптического щупа с поверхностью элемента модуля. Волоконное исполнение налагает существенные ограничения на допустимые механические воздействия в процессе монтажа устройства, кроме того, использование волоконного световода затрудняет интеграцию волоконно-оптического термометра с компонентами радиоэлектронных устройств, изготовленных уже отработанными методами кремниевой литографии.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, снабженный корпусом, представляющим собой электрокорундовый или шамотный тигель, внешняя стенка которого выполнена либо гладкой, либо со спиралевидным каналом, внутри которого по всей длине расположен световод, при этом в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга, а световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней гладкой стенке корпуса в некоторых точках, которые определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде (патент Российской Федерации на полезную модель №140576, 2014) - прототип.

Недостатком прототипа является сложность его конструктивной реализации применительно к измерению температуры компонентов электронного модуля. Полиамидное покрытие волоконно-оптического световода налагает существенные ограничения на применение датчика, особенно в радиоэлектронной технике, поскольку полиамидные материалы обладают невысокой термостойкостью и повышенной электризуемостью. Кроме того, ввиду разнородности материалов световода и корпуса, особую сложность представляет учет их коэффициентов температурного расширения при закреплении световода. Это связано с необходимостью согласования температурных деформаций этих элементов датчика для исключения явлений гистерезиса (при температурных расширениях корпуса и световода, не должно возникать малых проскальзываний последнего в местах расположения волоконно-оптических решеток Брэгга). Использование волоконного световода затрудняет интеграцию датчика с кремниевыми электронными компонентами.

Задачей изобретения является создание устройства для непрерывного измерения и преобразования в информационный оптический сигнал температуры микросхем и компонентов электронных модулей, свободного от всех или по крайней мере какого-то недостатка прототипа.

Техническим результатом изобретения является упрощение интеграции датчика температуры электронного модуля с компонентами радиоэлектронных устройств.

Технический результат достигается тем, что в датчике температуры электронного модуля, включающем излучатель, приемник излучения, волноводный канал, выполненный в виде изолированного волновода и основания, термочувствительный элемент, термочувствительный элемент выполнен из нелегированного монокристаллического кремния в виде решетки Брэгга, сформированной в изолированном волноводе.

Волноводный канал может содержать более одного термочувствительного элемента.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена схема датчика температуры электронного модуля, где 1 - излучатель, 2 - волноводный канал, 3 - термочувствительный элемент, 4 - приемник изучения.

На фиг. 2 схематично представлено поперечное сечение волноводного канала в области расположения термочувствительного элемента 3, где 5 - основание волноводного канала, 6 - изолятор волноводного канала, 7 - волновод.

На фиг. 3 схематично представлено продольное сечение волноводного канала в области расположения термочувствительного элемента 3, где волновод имеет структуру периодической решетки, с периодом повторения элементов волновода Τ и общей длиной L.

На фиг. 4 волноводный канал в области расположения термочувствительного элемента 3 представлен в изометрии.

Датчик температуры электронного модуля содержит волноводный канал 2 для обеспечения прохождения оптического сигнала от излучателя 1 к приемнику излучения 4. Волноводный канал 2 содержит термочувствительный элемент 3, который расположен в зоне контроля температуры на поверхности элемента электронного модуля (не изображен), причем термочувствительный элемент 3 закреплен на поверхности элемента электронного модуля с обеспечением непрерывного контакта с ним. Основание волноводного канала 5 и волновод 7 по всей длине волноводного канала выполнены из нелегированного монокристаллического кремния, что позволяет осуществить интеграцию производства датчиков температуры электронного модуля с прочими кремниевыми электронными компонентами, поскольку изготовление данных элементов требует однотипных широко освоенных технологических процессов полупроводниковой техники. Изолятор волноводного канала 6 представляет собой слой кварца (диоксида кремния), который служит оболочкой волновода 7 по всей его длине и изготавливается одним из известных методов формирования изолятора на кремнии в микроэлектронике (химическое парофазное или газоплазменное осаждение окисла кремния, термоокисление кремния). Из-за разницы в показателях преломления нелегированного монокристаллического кремния (n=3,5), из которого изготовлен волновод 7, и кварца (n=1,5), из которого изготовлен изолятор волноводного канала 6, оптический сигнал распространяется по волноводному каналу 2 за счет полного внутреннего отражения. Для наилучшей согласованности данного датчика температуры электронного модуля с прочими электронными компонентами, работающими с оптическими сигналами ближней ИК-области спектра, использован диапазон оптического сигнала со значениями в пределах от 1,2 мкм до 1,6 мкм. Известно, что нелегированный монокристаллический кремний является оптически прозрачным для длин волн излучения данного диапазона.

Термочувствительный элемент 3 сформирован в волноводе 7 следующим образом.

В области расположения термочувствительного элемента 3 волновод 7 имеет структуру периодической решетки, с периодом повторения элементов волновода Τ и общей длиной L. Такая решетка изготовлена методом травления бороздок с рассчитанными геометрическими параметрами (в зависимости от используемой длины волны излучения) в соответствии с законом Брэгга. При температурных деформациях брэгговской решетки (растяжение или сжатие) происходит изменение ее периода Τ (увеличение или уменьшение) и, следовательно, изменение спектральных свойств излучения, проходящего через нее. Изменение спектральных свойств излучения выражается в изменении кода резонансной частоты решетки (изменении брэгговской длины волны), который пропорционален удвоенному значению ее периода Т. Длина решетки L выбирается из расчетных значений, исходя из геометрических параметров волновода 7 и используемой длины волны излучения.

Благодаря тому, что решетка Брэгга в волноводе 7 и сам волноводный канал 2 изготовлены по известным в микроэлектронике технологиям (фотолитография с последующим травлением, осаждение двуокиси кремния, термоокисление), создание датчика температуры электронного модуля не требует разработки сложного оборудования.

Излучатель 1 и приемник излучения 4 соединены с обоими концами волноводного канала 2 оптически согласованно (по угловому полю ввода/вывода оптического излучения и углам взаимного расположения оптических элементов) с целью максимального устранения световых потерь в системе.

Благодаря конструктивной простоте датчика температуры электронного модуля, а также ввиду его полной технологической и конструктивной интеграции с элементами микроэлектроники, возможно его применение в составе сложных устройств оптической передачи данных между компонентами электронных блоков, а также при формировании каналов управления и контроля систем специального назначения, где необходим анализ термосостояния элементов.

Волноводный канал 2 может содержать один и более одного термочувствительных элемента 3. При этом каждый термочувствительный элемент изготовлен с индивидуальными параметрами решетки Брэгга (имеет индивидуальный код резонансной частоты решетки).

Датчик температуры электронного модуля работает следующим образом.

Изменение температуры в контролируемой зоне вызывает температурную деформацию решетки Брэгга в термочувствительном элементе 3, закрепленном на поверхности электронного модуля. Деформация брэгговской решетки вызывает изменение спектральных свойств излучения, проходящего через нее от излучателя 1 к приемнику излучения 4. Спектральную обработку оптического сигнала осуществляют в приемнике излучения 4, выявляя изменения температуры.

Благодаря использованию волноводного канала 2 с основанием и волноводом, изготовленными из нелегированного монокристаллического кремния, достигается повышенная жесткость и конструктивная прочность волноводного канала и содержащегося в нем термочувствительного элемента. Это обуславливает повышенную устойчивость предлагаемого датчика температуры электронного модуля к механическим воздействиям в процессе его монтажа и увеличивает сроки эксплуатации устройства.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля температуры компонентов электронного модуля, использующего в качестве коммуникационной среды оптическое излучение, например может быть использовано в составе высокоскоростных оптических каналов микросхем. Заявленный датчик температуры электронного модуля включает излучатель, приемник излучения, волноводный канал, выполненный в виде изолированного волновода и основания, термочувствительный элемент. Причем термочувствительный элемент выполнен из нелегированного монокристаллического кремния в виде решетки Брэгга, сформированной в изолированном волноводе. Волноводный канал может содержать более одного термочувствительного элемента. Технический результат - упрощение интеграции датчика температуры электронного модуля с компонентами радиоэлектронных устройств. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик температуры электронного модуля, включающий излучатель, приемник излучения, волноводный канал, выполненный в виде изолированного волновода и основания, термочувствительный элемент, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен из нелегированного монокристаллического кремния в виде решетки Брэгга, сформированной в изолированном волноводе.

2. Датчик температуры электронного модуля по п. 1, отличающийся тем, что волноводный канал содержит более одного термочувствительного элемента.