RU2573449C1

RU2573449C1 - Electronic module temperature sensor

Info

Publication number: RU2573449C1
Application number: RU2014137880/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Верба; Леонид Викторович Воронцов; Александр Николаевич Даниленко; Сергей Александрович Даниленко
Original assignee: Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега"
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-01-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: electronic module temperature sensor includes an emitter, a radiation receiver, a wave guide channel made in the form of an insulated wave guide and a base, a heat sensitive element. Besides, the heat sensitive element is made of non-alloyed single-crystal silicon in the form of the Bragg grating formed in an insulated wave guide. The wave guide may contain more than one heat sensitive element.

EFFECT: simplified integration of an electronic module temperature sensor with components of radioelectronic devices.

2 cl, 4 dwg

Description

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.The invention relates to electronics, and in particular to devices for controlling the temperature of components of an electronic module that uses optical radiation as a communication medium, and, in particular, can be used as part of high-speed optical channels of microcircuits.

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.The use of optical radiation for transmitting information signals and forming high-speed channels between the components of the electronic module allows not only to exclude the influence of transients that occur in copper conductors, leading to errors in the operation of complex computational circuits, but also to reduce the temperature heating of the module. Waveguides are used to propagate optical radiation inside microcircuits. In order to integrate optical waveguides with other components of electronic devices, waveguides can be formed on the basis of existing silicon materials and technologies. In this regard, the most promising solutions for the continuous monitoring of the temperature of microcircuits and components of electronic modules are solutions that allow the analysis of temperature effects using optical silicon elements.

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).A fiber optic thermometer is known, comprising a fiber optic sensor made of optical fiber with a thermosensitive element of silicon located at its end, connected to the optical fiber through a matching layer of silicon oxide (patent of the Russian Federation for utility model No. 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.The disadvantages of the analogue are the complex manufacturing technology, the fragility of the structure due to the use of optical fiber, as well as the difficulty of contacting the heat-sensitive element with the surface of the object, as applied to measuring the temperature of the components of the electronic module.

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).Known fiber optic thermometer containing a light source, a microcontroller, a light distribution system, an optical filter, a fiber optic switch, photodetectors, a fiber optic probe made in the form of a Bragg fiber optic array, single-mode fiber optic fibers connecting the main components of the device, the reference and measuring channels (patent of the Russian Federation No. 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.The disadvantages of the analogue are the complexity of the manufacturing technology of the device, the complexity of the contact temperature measurement in the electronic module, in which reliable continuous contact of the fiber-optic probe with the surface of the module element must be ensured. Fiber design imposes significant restrictions on permissible mechanical stresses during installation of the device, in addition, the use of a fiber light guide makes it difficult to integrate a fiber-optic thermometer with components of electronic devices manufactured by already developed methods of silicon lithography.

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.Known fiber-optic temperature sensor containing a sensing element, made in the form of a fiber optic fiber with a polyamide coating and recorded in it a Bragg fiber optic lattice, equipped with a housing representing an electrocorundum or fireclay crucible, the outer wall of which is made either smooth or with a spiral channel, inside of which a fiber is located along the entire length, while at least two spectrally and spatially spaced optical fibers are recorded in the fiber Bragg gratings, and a light guide is mounted in helical channel or on the outside a smooth wall of the body at certain points as defined locations of optical fiber Bragg gratings in the optical fiber (Russian utility model patent №140576, 2014) - prototype.

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.The disadvantage of the prototype is the complexity of its structural implementation in relation to measuring the temperature of the components of the electronic module. The polyamide coating of the fiber optic fiber imposes significant restrictions on the use of the sensor, especially in electronic equipment, since polyamide materials have low heat resistance and increased electrification. In addition, due to the heterogeneity of the materials of the fiber and the casing, it is particularly difficult to take into account their thermal expansion coefficients when fixing the fiber. This is due to the need to coordinate the temperature deformations of these sensor elements to eliminate hysteresis (during thermal expansions of the housing and the fiber, small slippages of the latter should not occur at the locations of the Bragg fiber-optic gratings). The use of a fiber waveguide makes it difficult to integrate the sensor with silicon electronic components.

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.The objective of the invention is to provide a device for continuous measurement and conversion into an information optical signal of the temperature of microcircuits and components of electronic modules, free from all or at least some disadvantage of the prototype.

Техническим результатом изобретения является упрощение интеграции датчика температуры электронного модуля с компонентами радиоэлектронных устройств.The technical result of the invention is to simplify the integration of the temperature sensor of the electronic module with the components of electronic devices.

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.The technical result is achieved by the fact that in the temperature sensor of the electronic module, which includes an emitter, a radiation receiver, a waveguide channel made in the form of an insulated waveguide and a base, a heat-sensitive element, a heat-sensitive element is made of undoped monocrystalline silicon in the form of a Bragg grating formed in an insulated waveguide.

Волноводный канал может содержать более одного термочувствительного элемента.The waveguide channel may contain more than one heat-sensitive element.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4.The invention is illustrated in FIG. 1-4.

На фиг. 1 представлена схема датчика температуры электронного модуля, где 1 - излучатель, 2 - волноводный канал, 3 - термочувствительный элемент, 4 - приемник изучения.In FIG. 1 is a diagram of the temperature sensor of the electronic module, where 1 is the emitter, 2 is the waveguide channel, 3 is the heat-sensitive element, 4 is the study receiver.

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.In FIG. 2 schematically shows the cross section of the waveguide channel in the region of the location of the heat-sensitive element 3, where 5 is the base of the waveguide channel, 6 is the insulator of the waveguide channel, 7 is the waveguide.

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.In FIG. 3 schematically shows a longitudinal section of the waveguide channel in the region of the location of the heat-sensitive element 3, where the waveguide has a periodic lattice structure, with a repetition period of the waveguide elements Τ and the total length L.

На фиг. 4 волноводный канал в области расположения термочувствительного элемента 3 представлен в изометрии.In FIG. 4, the waveguide channel in the region of the location of the thermosensitive element 3 is shown in isometry.

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.The temperature sensor of the electronic module contains a waveguide channel 2 to ensure the passage of the optical signal from the emitter 1 to the radiation receiver 4. The waveguide channel 2 contains a temperature-sensitive element 3, which is located in the temperature control zone on the surface of the element of the electronic module (not shown), and the temperature-sensitive element 3 is fixed on the surface of the element of the electronic module with continuous contact with it. The base of the waveguide channel 5 and the waveguide 7 along the entire length of the waveguide channel are made of undoped monocrystalline silicon, which allows integration of the production of temperature sensors of the electronic module with other silicon electronic components, since the manufacture of these elements requires the same type of widely mastered semiconductor technology. The insulator of the waveguide channel 6 is a layer of quartz (silicon dioxide), which serves as the sheath of the waveguide 7 along its entire length and is made by one of the known methods for forming an insulator on silicon in microelectronics (chemical vapor-phase or gas-plasma deposition of silicon oxide, thermal oxidation of silicon). Due to the difference in refractive indices of undoped single-crystal silicon (n = 3.5), from which waveguide 7 is made, and quartz (n = 1.5), from which the insulator of waveguide channel 6 is made, the optical signal propagates through waveguide channel 2 beyond account of total internal reflection. For the best coordination of this temperature sensor of the electronic module with other electronic components that work with optical signals of the near infrared region of the spectrum, the optical signal range with values ranging from 1.2 μm to 1.6 μm is used. It is known that undoped monocrystalline silicon is optically transparent for radiation wavelengths of this range.

Термочувствительный элемент 3 сформирован в волноводе 7 следующим образом.The heat-sensitive element 3 is formed in the waveguide 7 as follows.

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.In the region of location of the heat-sensitive element 3, the waveguide 7 has a periodic lattice structure, with a repetition period of the waveguide elements Τ and a total length L. Such a lattice is made by etching grooves with calculated geometric parameters (depending on the radiation wavelength used) in accordance with the Bragg law. With temperature deformations of the Bragg grating (tension or compression), its period изменение changes (increase or decrease) and, consequently, the spectral properties of the radiation passing through it change. A change in the spectral properties of radiation is expressed in a change in the code of the resonant frequency of the grating (a change in the Bragg wavelength), which is proportional to the double value of its period T. The grating length L is selected from the calculated values based on the geometric parameters of the waveguide 7 and the radiation wavelength used.

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.Due to the fact that the Bragg grating in waveguide 7 and the waveguide channel 2 itself are manufactured using technologies known in microelectronics (photolithography followed by etching, deposition of silicon dioxide, thermal oxidation), the creation of a temperature sensor for an electronic module does not require the development of complex equipment.

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.The emitter 1 and the radiation receiver 4 are connected to both ends of the waveguide channel 2 optically matched (along the angular field of the input / output of optical radiation and the angles of the relative position of the optical elements) in order to maximally eliminate light losses in the system.

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.Due to the structural simplicity of the temperature sensor of the electronic module, and also due to its full technological and constructive integration with elements of microelectronics, it is possible to use it as part of complex devices for optical data transmission between the components of electronic units, as well as in the formation of control channels and control systems for special purposes, where necessary analysis of the thermal state of elements.

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).The waveguide channel 2 may contain one or more one thermosensitive element 3. Moreover, each thermally sensitive element is made with individual Bragg grating parameters (has an individual code of the resonant frequency of the grating).

Датчик температуры электронного модуля работает следующим образом.The temperature sensor of the electronic module operates as follows.

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.A change in temperature in the controlled zone causes temperature deformation of the Bragg grating in the thermosensitive element 3, mounted on the surface of the electronic module. Deformation of the Bragg grating causes a change in the spectral properties of the radiation passing through it from the emitter 1 to the radiation receiver 4. The optical signal is spectrally processed in the radiation receiver 4, detecting temperature changes.

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.By using the waveguide channel 2 with a base and a waveguide made of undoped monocrystalline silicon, increased rigidity and structural strength of the waveguide channel and the heat-sensitive element contained therein are achieved. This leads to increased stability of the proposed temperature sensor of the electronic module to mechanical stress during installation and increases the life of the device.

Claims

1. The temperature sensor of the electronic module, including a radiator, a radiation receiver, a waveguide channel made in the form of an insulated waveguide and a base, a heat-sensitive element, characterized in that the heat-sensitive element is made of undoped monocrystalline silicon in the form of a Bragg grating formed in an insulated waveguide.

2. The temperature sensor of the electronic module according to claim 1, characterized in that the waveguide channel contains more than one heat-sensitive element.