Novo sensor de temperatura pode simplificar o monitoramento térmico de circuitos

Jul 15, 2023

À medida que os dispositivos encolhem e aumentam simultaneamente a potência, o calor está a tornar-se um problema em aplicações onde não teria sido considerado há alguns anos. Simplesmente cortar alguns orifícios de ventilação no gabinete ou colocar uma ventoinha não é mais adequado como método de resfriamento. Essas soluções rápidas podem ter funcionado em algum momento, mas hoje, projetar as propriedades térmicas de um projeto é tão importante quanto a EMI e a integridade do sinal.

Os projetistas devem agora medir e monitorar o calor de uma forma que caiba no projeto, caiba no orçamento e retrate com precisão o ambiente térmico operacional do mundo real. Pesquisadores da Universidade de Tóquio (UT) podem fornecer uma solução que atenda a todos esses parâmetros.

Os chips mais caros hoje possuem sensores térmicos integrados para proteção contra superaquecimento e fuga térmica. Placas de PC de missão crítica também podem incluir esses sensores em locais importantes. Contudo, as limitações de custo e de espaço muitas vezes proíbem a monitorização de mais do que algumas áreas críticas; em vez disso, os engenheiros devem fazer o possível para resolver os problemas térmicos antes do início da produção.

Durante o desenvolvimento, os projetistas preocupados com o calor normalmente adicionam sensores às áreas suspeitas de um protótipo e caracterizam as propriedades térmicas durante as execuções de shakedown. O software de simulação térmica também auxilia na caracterização do produto.

Embora essas abordagens sejam razoáveis ​​e, em sua maioria, eficazes, elas atingem limites com equipamentos compactos ou equipamentos operando em ambientes difíceis de simular. Os sensores térmicos, constituídos por fios e pequenos componentes semicondutores, não são pequenos o suficiente para a atual safra de semicondutores ultraminiaturizados e designs compactos. Os sensores podem fornecer apenas uma visão térmica de pontos discretos, e não de todo o sistema em operação.

Para resolver essa limitação, uma equipe da UT desenvolveu um sensor térmico de filme flexível que pode ajudar os projetistas a caracterizar e monitorar com precisão os componentes do circuito a um custo menor e com menos interferência no layout físico do produto. A equipe produziu os sensores pulverizando a deposição de material em um filme PET e gravando o sensor.

O filme fino pode chegar onde muitos outros sensores não conseguem. Além disso, pode ser implementado durante a fabricação para monitoramento da vida útil sem um impacto significativo nos arranjos mecânicos do produto.

A maioria dos sensores térmicos depende do efeito termoelétrico Seebeck (SE), o aquecimento de dois materiais diferentes (geralmente metais ou semicondutores) resultando em fluxo de corrente. O próprio Alessandro Volta descobriu as raízes do efeito termoelétrico em 1794. O fenômeno leva o nome de Thomas Seebeck, que o redescobriu de forma independente em 1821.

Quando o calor é aplicado à extremidade unida de dois materiais diferentes, o diferencial de calor entre a extremidade quente unida e as extremidades não unidas mais frias do circuito excita elétrons o suficiente para fazer com que alguns deles se movam de um material para outro através do articulação. Este fluxo de elétrons é proporcional ao diferencial de calor e pode ser medido.

Os novos sensores da UT usam um efeito termoelétrico / termomagnético menos conhecido, mas relacionado, chamado efeito Nernst anômalo (ANE). Assim como o efeito Seebeck, o ANE converte calor em eletricidade. No entanto, o ANE depende de materiais magnéticos e opera num plano perpendicular ao calor. Isto, em conjunto com o método da UT para depositar materiais magnéticos à base de ferro e gálio em filme plástico, produz um sensor de área plana.

Um desafio no uso do ANE é que o SE termoelétrico é mais forte e obscurece a leitura da área do ANE. O processo UT neutraliza o SE alternando padrões. Isso permite que o circuito gravado forneça uma imagem térmica mais precisa da área.

Antes desta pesquisa, os sensores termoelétricos eram grandes, de tamanho estranho, frágeis e difíceis de integrar em aplicações além de fontes pontuais. Esta pesquisa abre a possibilidade de sensores térmicos flexíveis e ajustados que podem se adequar a praticamente qualquer aplicação.