CN112649103B - 一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统，通过在处理器芯片的硅衬底背面集成一个MEMS RTD阵列，并将MEMS RTD集成到接口电路，来实现精确的温度测量。本发明旨在为实时处理器芯片温度传感，调理(滤波和放大)，处理和无线传输提供了一种简单，供选择的解决方案。

Description

一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统
技术领域
本发明涉及芯片测温技术领域，具体涉及一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统。
背景技术
在现代的GPU和CPU中，半导体产业的发展导致了极高的晶体管密度。由于高晶体管密度会带来功率密度和芯片运行温度的提升，用微尺度的温度传感器进行实时的热监控已经成为在芯片性能优化中不可分割的一部分。
由于低成本和多点集成的要求，拥有小面积(<0.01mm2)和低功率(微瓦特量级)的温度传感器是非常可取的。另外，传感器和CMOS工艺流程兼容，可以被集成进电路，也是很重要的。微机电(MEMS)薄膜温度传感器例如热电阻(RTD)、热电偶，都是常见的可以用来监测局部温度变化的传感器，并且拥有高精确度和稳定性。此外，CMOS-MEMS平台已经期望能实现不同MEMS元件和电路接口的整体集成。然而，大多数以往的研究都聚焦于传感器件的设计，而没有进行系统集成。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统。通过在硅基的硅衬底的背面集成一个MEMS RTD阵列，并将MEMS RTD集成到接口电路，来实现精确的温度测量。本发明旨在为实时处理器芯片温度转换，调理(放大和滤波)，处理和无线传输提供了一种简单，供选择的解决方案。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统，包括设置于芯片的硅衬底的背面的RTD传感器阵列，所述RTD传感器阵列配置在用来信号转换、处理和传输的集成电路中。
进一步的，RTD传感器阵列为由4个铬/金RTD构成的传感器阵列，传感器采用蛇形传感器设计。
进一步的，所述集成电路包括模拟部分和数字部分；模拟部分包括电源管理模块、电桥、反相放大器和电平平移、RTD传感器阵列；电源管理模块为系统中的各个部分提供不同的电压源；电桥将RTD传感器阵列电阻值转换为电压信号；反相放大器和电平平移将电桥的输出电压信号进行放大和平移；RTD传感器阵列中的一个置于反相放大器的反馈支路；数字部分包含单片机、蓝牙模块；单片机内置的模数转换器将反相放大器和电平平移的输出电压信号转换为数字电压信号，并通过串口送到蓝牙模块；蓝牙模块将数字电压信号无线发送到上位机。
进一步的，所述集成电路设置于PCB板，设有接口与封装后的配置有RTD阵列的芯片连接；所述RTD阵列设置于芯片封装前硅衬底的背面，封装时有引脚将每个RTD的电阻两端引出。
有益效果：
1、本发明中的温度传感器使用了硅基的薄膜金属热电阻，与CMOS加工的基底相同，故可将热电阻传感器阵列制造在搭载处理器芯片的硅衬底的背面，实现直接、快速的温度检测。由于薄膜金属热电阻的结构简单，现有的微加工技术可以将其做到微米尺度，实现多点的测量。
2、本发明是一套基于热电阻的集成测温系统。RTD使用MEMS加工工艺制作在需要测量温度的处理器芯片的硅衬底背面，RTD的引脚在封装时引出，处理器芯片封装后焊接在PCB板上。PCB板上设有处理电路，可以通过RTD的阻值得到处理器实时的温度，直接将数据无线上传至上位机，无需繁冗的检测设备。从而实现了一套集成测温系统。
3、本发明将MEMS RTD集成到接口电路来获得准确温度测量，从而针对实时处理器芯片温度转换、调理(放大和滤波)、处理和无线传输的技术挑战，提供了一种简单的，可选择的解决方案。作为原理证明，一个由4个MEMS RTD构成的阵列被制造在硅衬底上，并且集成在外部用来信号转换的PCB板上。原型系统的灵敏度为1.20mV/℃，线性范围为25～70℃。基于这些实验结果和更深入的优化方法，本发明在芯片热管理领域很有前途。
附图说明
图1中(a)和(b)为热电阻设计示意图；其中1为传感器阵列，2为硅衬底，3为处理器晶圆；
图2中(a)为电桥原理图；(b)为电路系统框图；
图3为实验数据，(a)和(b)分别为热电阻标定和系统标定，(c)和(d)分别为系统高温稳定性和室温稳定性，(e)为测试7805工作温度；
图4为电桥部分电路图，其中R12接入热电阻，U3为运算放大器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步解释说明。
本实施例的主要内容包括：
1、热电阻设计
热电阻的结构配置如图1(a)所示，由于大多的集成电路制造工艺都只在硅衬底的正面，衬底的背面便可以用来集成RTD传感器阵列。硅衬底有很好的热传导性质和相对小的热质量，产生的热可以快速地被传递到传感器，几乎没有延时。值得注意的是，这种传感器配置在3D集成电路中，测量两个堆叠晶圆间的平均温度尤其有用。
本发明中的热电阻使用了标准的微加工工艺，制造了一个由4个铬/金(Cr/Au)RTD构成的传感器阵列。如图1(b)所示，我们使用了标准的蛇形传感器设计。
2、电路设计
本发明还包括了用来信号转换、处理和传输的外部电路。在该系统中，电阻测量方案是基于模拟线性化的惠斯通电桥。使用直流电桥测电阻的原因是它搭建起来比较容易，而且高精度的参考电压芯片(例如REF50XX)很容易获得。如电桥原理图所示(图2(a))，引入一个放大器来消除电桥的非线性，RTD放置在放大器的反馈支路，它的电阻表示为R+ΔR，R是室温时RTD的电阻值，和它相连的桥臂在校准时也调整到大约与R相同的电阻值。因此，当被测的芯片温度改变时，RTD电阻变化ΔR，电桥输出电压计算得到：
Figure BDA0002814445720000031
如图2(b)所示，完整的电路由模拟部分和数字部分构成。模拟部分包括电源管理模块(PMM)，一个电桥，一个反相放大器和电平平移。PMM为系统中的各个部分提供不同的电压源。它利用一系列的电源转换模块将9V直流(电池)转换为+2.5V，+3.3V和±5V。电桥将电阻值转换为电压信号，而电桥的输出电压信号经过下一级放大和平移。数字部分包含一块单片机，拥有内置的模数转换器(ADC)，以及一个蓝牙模块。这部分将电压信号进行处理，并无线传输到上位机。
3、系统标定和性能指标测试
为了验证本发明的合理和稳定性，我们将MEMS RTD独立地集成在PCB板上，制作了一套由MEMS RTD阵列和PCB构成的原型系统。制造出来的MEMS RTD和PCB在使用之前都进行了标定。标定过程如下：将RTD和一款商用的PT1000电阻式温度传感器同时放在恒温平台上，PT1000作为温度参考。在平台温度从室温上升到80℃的过程中，用数字万用表(Keithley 2000)来记录RTD和PT1000的电阻值。如此可以建立RTD电阻和温度的关系。接着，标定过的RTD用来建立ADC输出电压和温度的关系。当平台温度增加，PT1000电阻用万用表测量，同时ADC的输出电压被传输和记录到上位机。标定完成后，用同样的实验装置，还测量了系统其它的性能指标，例如系统灵敏度和在高温时的测量稳定性。最后，用于初步的展示，用完全标定过的系统检测了线性稳压电源(LM7805)的工作温度。
分析实验数据(图3)可得实验结果为：在温度测量范围(25～70℃)内，达到很高的温度-输出电压线性度(R2＝0.996)。它的灵敏度为1.20mV/℃，稳定性在±0.6℃(3σ)。这样的性能指标可以满足芯片测温的技术要求，故，证明了该方法的工程可行性和可靠性。

Claims (2)

1.一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统，其特征在于，包括使用MEMS加工工艺制作在芯片的硅衬底的背面的RTD传感器阵列，所述RTD传感器阵列配置在用来信号转换、处理和传输的集成电路中；RTD传感器阵列使用了硅基的薄膜金属热电阻，与CMOS加工的基底相同；所述集成电路包括模拟部分和数字部分；模拟部分包括电源管理模块、电桥、反相放大器和电平平移、RTD传感器阵列；电源管理模块为系统中的各个部分提供不同的电压源；电桥将RTD传感器阵列电阻值转换为电压信号；反相放大器和电平平移将电桥的输出电压信号进行放大和平移；RTD传感器阵列中的一个置于反相放大器的反馈支路；数字部分包含单片机、蓝牙模块；单片机内置的模数转换器将反相放大器和电平平移的输出电压信号转换为数字电压信号，并通过串口送到蓝牙模块；蓝牙模块将数字电压信号无线发送到上位机；所述集成电路设置于PCB板，设有接口与封装后的配置有RTD阵列的芯片连接；所述RTD阵列设置于芯片封装前硅衬底的背面，封装时有引脚将每个RTD的电阻两端引出。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜金属热电阻的芯片测温系统，其特征在于，RTD传感器阵列为由4个铬/金RTD构成的传感器阵列，传感器采用蛇形传感器设计。
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