TWI709734B - 具有熱隔離的溫度檢測器探針 - Google Patents

具有熱隔離的溫度檢測器探針 Download PDF

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TWI709734B
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Abstract

本揭示係有關一溫度檢測器探針，其包括一殼體，一對電連接器，一支撐蓋，及一感測器。該殼體係界定一縱向延伸經過殼體之孔徑，且該對電連接器延伸經過該孔徑。支撐蓋置設於該殼體的一第一端部分。感測器設置於該支撐蓋上且電性耦接至該對電連接器。支撐蓋被定位於該對電連接器與該支撐蓋之間。

Description

具有熱隔離的溫度檢測器探針
此申請案係對於2018年3月23日提申的美國臨時申請案No. 62/647094主張優先權。上述申請案的整體內容以參考方式併入本文。
本揭示係有關一用以檢測一表面的溫度之表面溫度感測器裝置。
此段的陳述僅提供關於本揭示的背景資訊並可能不構成先前技藝。
表面溫度檢測器係設計用於靠近或甚至接觸一表面以測量該表面的溫度。此等溫度檢測器係用來提供溫敏性程序中的溫度測量。例如，半導體程序係仰賴精確溫度測量來控制一處理腔室內之不同組件的溫度，諸如用於形成半導體晶圓之夾盤/基座。
典型地，一表面溫度檢測器係包括一熱感測裝置，諸如一電阻性溫度裝置，其被定位於一殼體中。熱感測裝置的精確度係例如以殼體與感測裝置之間的熱傳導、熱感測裝置相對於被測量表面的位置、熱感測裝置的材料性質、及其他因素為基礎而變異。在本揭示的教示中係討論這些及其他議題。
此段提供本揭示的概括性總結而非其完整範圍的全面揭示或其全部特徵。
本揭示係有關一溫度檢測器探針，其包括一殼體，一對電連接器，一支撐蓋，及一感測器。該殼體係界定一縱向延伸經過殼體之孔徑(bore)。該對電連接器縱向延伸經過孔徑。支撐蓋置設於殼體的一第一端部分，且感測器設置於支撐蓋上並電性耦接至該對電連接器。支撐蓋被定位於該對電連接器與支撐蓋之間。
在一形式中，溫度檢測器探針進一步包括一對電銷針，該對電銷針延伸經過殼體的一第二端部分且電性耦接至該對電連接器。
在另一形式中，該對電連接器係為POGO銷針，其經由支撐蓋被電性耦接至感測器。
在又另一形式中，該對電連接器係為一對導線，其經由支撐蓋被電性耦接至感測器。
在一形式中，支撐蓋由聚醯胺製成。
在另一形式中，支撐蓋包括二個經鍍覆通孔(plated through-holes)以電性耦接該對電連接器及感測器。
在再另一形式中，感測器係為一電阻溫度檢測器感測器晶片。
在一形式中，感測器係為一被沉積於支撐蓋上之薄膜電阻性元件，且薄膜電阻性元件具有一高的電阻溫度係數(temperature coefficient of resistance)。在一變異中，薄膜電阻性元件係為銅、鎳、鎳-鐵、或鉑中的一者。
在另一形式中，溫度檢測器探針進一步包括一被置設於感測器的一表面上之溫度絕緣材料。
在又另一形式中，感測器係組配為直接接觸一物體的一表面以測量該物體的溫度。
在一形式中，殼體界定沿著殼體的一外部之一或多個周緣溝槽。
在另一形式中，感測器為一熱電偶。
在一形式中，溫度檢測器探針進一步包括一信號處理電路，其可聯通地耦接至感測器以調控來自感測器的一信號。在一變異中，殼體係界定在殼體的一第二端部分處之一腔室，且信號處理電路置設於腔室處。該對電連接器電性耦接至信號處理電路以可聯通地耦接感測器及信號處理電路。
在另一形式中，本揭示係有關一包含一物體、及本揭示的溫度檢測器探針之系統。溫度檢測器探針置設於物體中，且溫度檢測器探針的感測器直接面對物體的表面。
在一形式中，本揭示係有關一溫度檢測器探針，其包括一殼體，一對電連接器，一支撐蓋，及一感測器。該殼體係界定一縱向延伸經過殼體之孔徑。殼體具有沿著殼體的一外部之一或多個周緣溝槽。該對電連接器縱向延伸經過孔徑。支撐蓋置設於殼體的一第一端部分。支撐蓋包括一面對孔徑之第一表面及一暴露於環境之第二表面。感測器產生一指示一溫度之信號。感測器電性耦接至該對電連接器並置設於遠離孔徑之支撐蓋的第二表面上。
在又另一形式中，溫度檢測器探針進一步包括一對電銷針，該對電銷針延伸經過殼體的一第二端部分。該對電連接器係為一對導線，其經由支撐蓋被電性耦接至該對電銷針及感測器。
將從本文提供的描述得知進一步的可適用領域。應瞭解描述及特定範例係意圖僅供繪示用而無意限制本揭示的範圍。
下列描述僅為範例性質且無意限制本揭示、適用或使用。應瞭解在各圖式中，對應的編號代表類似或對應的元件及特徵。
本揭示係有關一溫度檢測器探針，其係降低或抑制探針與一物體之間的熱傳導、且亦降低溫度測試的熱分流(thermal shunting)。更特別地，如本文所述，溫度檢測器探針包括一殼體，其具有在最靠近被測量表面之探針的一部分處沿著其外部作周緣性延伸之溝槽。溝槽可形成一熱斷器(thermal breaker)以降低物體與探針之間的熱轉移。此外，探針包括一感測器，其置設於殼體外側且被定位為近鄰於或在部分形式中直接接觸到被測量表面。此配置可改良感測器的響應時間，同時使熱分流達到最小。應易於瞭解：本揭示的溫度檢測器探針係處理其他議題，而不應限於本文提供的範例。
參照圖1，一溫度檢測器探針100、其亦可稱為一感測器裝置係可操作以檢測一物體102、且更特別為物體102的一表面104之溫度。物體102可例如為一用以處理半導體晶圓之夾盤或基座。然而，溫度檢測器探針100可用來檢測其他物體的溫度而不應限於本文提供的範例。
在一形式中，溫度檢測器探針100係延伸經過物體102直到表面104。在一形式中，一間隙106設置於溫度檢測器探針100與物體102之間以降低物體102與探針100之間的熱傳導。間隙的尺寸可以應用為基礎而變異。
參照圖2及3，在一形式中，探針100係包括一殼體110，一或多個電連接器112(亦即1121 及1122 )，一支撐蓋114，及一感測器116。殼體110具有一第一端部分120及一第二端部分122，並界定一在第一端部分120及第二端部分122之間縱向延伸經過殼體110之孔徑124。在一形式中，一蓋125設置於第一端部分120處以防止異物進入探針100。殼體110可被視為具有一延伸部分130，其包括第一端部分120，及一感測器部分132，其包括第二端部分122。當位居物體102內時，感測器部分132被定位為比起延伸部分130更靠近物體102的表面104。在一形式中，殼體110的感測器部分132係包括一或多個熱斷器134，其設置成沿著殼體110的一外部被界定的周緣溝槽，以抑制物體102與探針100之間、及延伸部分130與感測器部分132之間的熱傳導。在一形式中，熱斷器134延伸經過殼體110，且在另一形式中，殼體110的一薄壁係設置於熱斷器134與孔徑124之間。殼體110可由塑膠製成，此等高效能以聚醯亞胺為基礎的塑膠，諸如聚醚醚酮，或其他適當材料。
電連接器112延伸經過孔徑124來到感測器部分132的第二端部分122。電連接器112係組配為將感測器116電性耦接且因此可聯通地耦接至一控制系統(未顯示)，該控制系統係接收用以指示出物體的表面溫度之信號。在一範例應用中，控制系統係組配為控制一加熱器、諸如一基座加熱器。控制系統從探針100接收信號，並以信號及其他輸入為基礎控制對於加熱器系統的功率。這只是一範例應用。
電連接器112縱向延伸經過孔徑124且電性耦接至感測器116。在一形式中，電連接器112係為一對銷針，諸如一對POGO銷針，且各銷針包括一引線部分140(亦即1401 及1402 )以及一銷針部分142(亦即1421 及1422 )。引線部分140延伸經過第一端部分120且組配為經由一線纜/導線連接而被電性耦接至一控制系統。銷針部分142從引線部分140延伸至第二端部分122並電性耦接至感測器116。電連接器可以其他適當方式作組配，下文提供其一範例。
支撐蓋114係位居第二端部分122，並組配為支撐感測器116並使其對準於物體102的表面104。在一形式中，支撐蓋114具有一碟狀形狀並由一低熱傳導材料諸如聚醯胺製成，以抑制感測器116與殼體110之間的熱傳導。其他材料可包括彈性體材料諸如聚二甲基矽氧烷。支撐蓋114包括一面對孔徑124之第一表面及一暴露於環境之第二表面。支撐蓋114以感測器116尺寸及探針100的包裝尺寸為基礎以不同適當方式作組配。例如，在一形式中，支撐蓋114的厚度係為近似0.001至0.005吋。支撐蓋114亦組配為將感測器116電性耦接至電連接器112。在一形式中，其中感測器116為一表面安裝裝置，支撐蓋114包括經鍍覆通孔144(亦即1441 及1442 )，其電性耦接至感測器116及銲墊及電連接器112。亦可採用用於經由支撐蓋114將感測器116電性耦接至電連接器112之其他適當方法，同時仍位於本揭示的範圍內。
感測器116可操作以測量表面104的一溫度，並將一用以指示出該溫度的信號輸出到控制系統。在一形式中，感測器116係為一位居支撐蓋114上且更特別沿著支撐蓋114的一第二表面之電阻溫度檢測器(RTD)類型感測器。在圖3中，感測器116設置成一RTD表面安裝裝置，其一般包括一殼套及一置設於殼套內具有一高電阻溫度係數(TCR)之電阻性元件。例如，電阻性元件可能但不限於是銅，鎳，鎳-鐵，或鉑。RTD表面安裝裝置係經由迴流銲料安裝至支撐蓋114。在一範例實行方式中，RTD表面安裝裝置係遵循用於表面安裝裝置的一產業標準0603尺寸(0.8 X 1.6 mm)，並具有0.45mm厚度且具有1.9 mg的質量。在另一形式中，感測器116係為一被安裝至支撐蓋114的表面之熱電偶。
以應用為基礎，感測器116係組配為直接接觸或近鄰於物體102的表面104以測量表面104的一溫度。在一形式中，支撐蓋114具有韌性或彈性性質，俾使感測器116的位置呈撓性以接觸到物體102的表面104。此外，由於電連接器112為POGO銷針，銷針係提供一偏壓力抵住支撐蓋114及感測器116以令感測器116接觸到表面104。
在操作中，探針100被定位於物體102中，且藉由電連接器112及導線電性耦接至控制系統。感測器116可直接接觸於或近鄰於表面104以測量表面104的溫度。控制系統係可聯通地耦接至感測器116，並從感測器116接收一用以指示出溫度之信號。
藉由支撐蓋114及殼體110具有溝槽，探針100與物體之間、及感測器116與殼體110之間的熱傳導係被降低或抑制，以潛在地改良例如感測器的精確度、響應時間、及偏移誤差(offset errors)。
圖4A及4B係繪示一具有不同電連接器及感測器之溫度檢測器探針的另一變異。確切地，在一形式中， 一溫度檢測器探針200包括殼體110，一對電銷針或引線 202(亦即2021 及2022 )，一對電連接器204(亦即2041 及2042 )，一支撐蓋206，及一感測器208。電引線202可操作以將探針200電性耦接至控制系統，並延伸經過殼體110的第一端部分120。探針200進一步包括一蓋210，蓋210置設於第一端部分120處以防止異物進入殼體110。
電連接器204係為被連接至引線202之導線 ，例如銲料或點熔接，並可稱為導線204。在一形式中，電連接器204係為小號數導線，諸如36至40號數(gauge)。就像是探針100的電連接器112，導線204延伸經過孔徑124並經由支撐蓋206電性耦接至感測器208。
在一形式中，感測器208係為一具有高TCR的電阻性元件210，其被沉積於支撐蓋206上。亦即，取代了安裝一其中置設有電阻性元件之殼套 ，探針200將電阻性材料直接設置於支撐蓋206上。為此，當置設於物體中時，電阻性材料係直接接觸於或近鄰於物體的表面，並因此可增加感測器208的響應時間及降低熱分流。
在一形式中，支撐蓋206係為低熱膨脹材料諸如石英、矽、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)的一剛性碟。在另一形式中，支撐蓋206由一金屬基材諸如不鏽鋼或Invar製成，其塗覆有一介電質以相對於基材來絕緣電阻性元件(亦即感測器208)。類似於探針100，一經鍍覆通孔可形成於支撐蓋206中以將感測器208(亦即電阻性材料)電性耦接至電連接器204且因此電性耦接至控制系統。支撐蓋206亦可組配於一骨架化結構中以進一步降低感測器208與支撐蓋206之間的熱損失。
參照圖5，溫度檢測器探針100、200可設有額外支撐以提供撓性予感測器及支撐蓋。更特別地，一溫度檢測器探針300係以與探針200相似的方式作組配，但包括探針100的感測器116及支撐蓋114。探針300進一步包括一置設於殼體110的第二端部分122處之扣環302以及一設置於感測器116上的溫度絕緣材料(Temperature Insulating Material，TIM) 304。扣環302將支撐蓋114固接至殼體110。
TIM 304係設置於感測器116上，俾使TIM 304位於感測器116與被測量表面之間。TIM 304的厚度可以採用探針300的應用及支撐蓋114及感測器116的結構為基礎。例如，若支撐蓋114為10到50微米厚，TIM 304可為50到250微米厚。在一形式中，TIM 304係為一頁片材料或模製就位材料，其被沉積到感測器116的經暴露表面。TIM 304係由常為以矽氧為基礎的低硬度聚合物或凝膠以及固體粉末材料諸如氮化硼、不同金屬氧化物或金屬的一組合製成以提供熱傳導。聚合物實質上係為一束縛劑，其用以固持呈可用形式之固體的此複雜組合，典型係為以不同厚度取得以配合應用的一頁片、或一可施配液體或膏形式，其可固化成一較穩定的軟性固體材料。TIM材料的範例係為Fujipoly，Sarcon，SPG20A，Sarcon GTR或Sarcon QR。TIM 304係改良感測器116對於物體的表面之熱介面，以改良溫度測量的精確度。
參照圖6，一溫度檢測器探針400係提供用於支撐及提供撓性予感測器之另一組態。在一形式中，探針400包括探針200的導線(亦即電連接器204)及引線202以將感測器116電性耦接至控制系統。此處，探針400包括一設置於殼體110的第二端部分122處之支撐蓋402。在一形式中，支撐蓋402由彈性體製成，並可以不同適當方式作組配以支撐感測器116。例如，在一形式中，支撐蓋402包括一壁404，其與殼體110的一內壁構成介面，並界定一腔穴406以供容置感測器116及近接埠408(亦即4081 及4082 )用以接收導線。
在一形式中，本揭示的溫度檢測器探針亦可包括額外的電路，以在信號提供至控制系統之前處理來自感測器的信號。例如，參照圖7，一探針500係以與探針200、300、400類似的方式作組配並包括導線，作為電連接器，及引線202。在一形式中，探針500包括一信號處理電路(SPC) 502，其置設於一被界定於殼體110內之腔室504中。SPC 702以一第一組的導線506(亦即5061 及5062 )被電性耦接至感測器(未顯示)，且經由一第二組的導線508(亦即5081 及5082 )電性耦接至引線202。為此，導線506及508係形成電連接器，其將感測器116電性耦接至SPC 502、且將SPC 502電性耦接至引線202。
SPC 502可以不同適當方式作組配以在信號發送到控制系統之前調控來自感測器116的原始信號。例如，在一形式中，SPC 502包括一或多個電組件以例如自原始信號過濾雜訊，增加信號的強度，將信號轉換至由控制系統利用的一特定格式，將信號轉換至一數位值，及/或進行一感測器偏移修正。藉由SPC 502，探針500可對於一特定控制系統作客製，以來自感測器的原始信號為基礎來提供一經增強信號。此外，SPC 502對於殼體110構成熱介面，且殼體110藉由直接接觸構成熱介面，諸如一干涉配合或透過使用對於物體102的一TIM。物體102的溫度被主動地控制且因此使SPC 502維持在與SPC電路及材料相容的溫度。易言之，一設置於SPC 502與物體102之間的熱路徑係將SPC 502的溫度控制在實質與物體102相同的溫度，其係被控制在與電路相容的溫度。
不同探針之間的不同變異係可互換。例如，圖1的探針100可包括引線202及電連接器204來取代電連接器112。反之，探針200、300、400及500可包括圖1的電連接器112以取代引線202及電連接器204。
在又另一變異中，探針100、200、300、400及500的各者可組配為固持一絕緣氣體。例如，若溝槽120以一壁而與孔徑124分離，探針400可充填有一絕緣氣體，諸如氬，以進一步抑制殼體110與感測器116之間的熱傳導。
本揭示的溫度檢測器探針係組配為抑制感測器相對於周遭組件諸如殼體之間的熱傳導，以改良一表面的經測量溫度之精確度。亦藉由使感測器直接與被測量表面構成介面來提供對於測量的額外改良。對於感測器表面添加一TIM係改良與被測量表面之熱介面作用以及感測器可重覆性。撓性支撐蓋提供一恆定力抵住感測器、TIM、及被測量表面。
本揭示的描述僅為範例性質，且因此不脫離本揭示實質之變異係意圖位於本揭示的範圍內。此等變異不被視為脫離本揭示的精神與範圍。
雖然本文可使用第一、第二、第三等用語來描述不同元件、組件、區、層及/或段，這些元件、組件、區、層及/或段不應受限於這些用語。這些用語可用來區分一元件、組件、區、層及/或段以及另一元件、組件、區、層及/或段。除非上下文明示，諸如「第一」、「第二」及其他數值用語在本文使用時並未隱指一順序或次序。因此，一第一元件、組件、區、層或段可稱為一第二元件、組件、區、層或段，而不脫離範例實施例的教示。尚且，一元件、組件、區、層或段可稱為一「第二」元件、組件、區、層或段，而不需使一元件、組件、區、層或段稱為一「第一」元件、組件、區、層或段。
100, 200, 300, 400‧‧‧溫度檢測器探針 102‧‧‧物體 104‧‧‧表面 106‧‧‧間隙 110‧‧‧殼體 112(1121,1122), 204(2041, 2042)‧‧‧電連接器 114, 206, 402‧‧‧支撐蓋 116, 208‧‧‧感測器 120‧‧‧第一端部分 122‧‧‧第二端部分 124‧‧‧孔徑 125‧‧‧蓋 130‧‧‧延伸部分 132‧‧‧感測器部分 134‧‧‧熱斷器 140(1401, 1402)‧‧‧引線部分 142(1421, 1422)‧‧‧銷針部分 144(1441, 1442)‧‧‧經鍍覆通孔 202(2021, 2022)‧‧‧電銷針或引線 210‧‧‧蓋/電阻性元件 302‧‧‧扣環 304‧‧‧溫度絕緣材料(TIM) 404‧‧‧壁 406‧‧‧腔穴 408(4081, 4082)‧‧‧近接埠 500‧‧‧探針 502‧‧‧信號處理電路(SPC) 504‧‧‧腔室 506(5061, 5062)‧‧‧第一組的導線 508(5081, 5082)‧‧‧第二組的導線
為了良好瞭解本揭示，現參照附圖以範例描述其不同形式，其中：
圖1係為根據本揭示的教示之一第一形式中的一具有一溫度檢測器探針之物體的部份橫剖視圖；
圖2係為圖1的溫度檢測器探針之立體圖；
圖3係為圖2的溫度檢測器探針之橫剖視圖；
圖4A係為根據本揭示的教示之一第二形式中的一溫度檢測器探針的橫剖視圖；
圖4B係為用於圖4A的溫度檢測器探針之支撐蓋及感測器的前視圖；
圖5係為根據本揭示的教示之一第三形式中的一溫度檢測器探針的部份橫剖視圖；
圖6係為根據本揭示的教示之一第四形式中的一溫度檢測器探針的部份橫剖視圖；及
圖7係為根據本揭示的教示之一第五形式中的一溫度檢測器探針的部份橫剖視圖。
本文所述的圖式僅供繪示用且無意以任何方式限制本揭示的範圍。
110‧‧‧殼體
112(1121,1122)‧‧‧電連接器
114‧‧‧支撐蓋
116‧‧‧感測器
120‧‧‧第一端部分
122‧‧‧第二端部分
124‧‧‧孔徑
125‧‧‧蓋
130‧‧‧延伸部分
132‧‧‧感測器部分
134‧‧‧熱斷器
140(1401,1402)‧‧‧引線部分
142(1421,1422)‧‧‧銷針部分
144(1441,1442)‧‧‧經鍍覆通孔

Claims (14)

  1. 一種溫度檢測器探針：一殼體，其界定一縱向延伸經過該殼體之孔徑；一對電連接器，其縱向延伸經過該孔徑；一支撐蓋，其置設於該殼體的一第一端部分；及一感測器，其設置於該支撐蓋上並電性耦接至該對電連接器，其中該支撐蓋被定位於該對電連接器與該感測器之間，其中該殼體界定了沿著該殼體的一外部且靠近該感測器之一或多個周緣溝槽，供用作一熱斷器，以降低物體與該溫度檢測器探針之間的熱轉移。
  2. 如請求項1之溫度檢測器探針，其進一步包含一對電銷針，該對電銷針延伸經過該殼體的一第二端部分且電性耦接至該對電連接器。
  3. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該對電連接器係為POGO銷針，其經由該支撐蓋被電性耦接至該感測器。
  4. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該對電連接器係為一對導線，其經由該支撐蓋被電性耦接至該感測器。
  5. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該支撐蓋由聚醯胺製成。
  6. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該支撐蓋包括二個經鍍覆通孔以電性耦接該對電連接器及該感 測器。
  7. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該感測器係為一電阻溫度檢測器感測器晶片。
  8. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該感測器係為一積設於該支撐蓋上之薄膜電阻性元件，且該薄膜電阻性元件具有一高的電阻溫度係數。
  9. 如請求項8之溫度檢測器探針，其中該薄膜電阻性元件係為銅、鎳、鎳-鐵、或鉑中的一者。
  10. 如請求項1之溫度檢測器探針，其進一步包含一置設於該感測器的一表面上之溫度絕緣材料。
  11. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該感測器係組配為直接接觸該物體的一表面以測量該物體的溫度。
  12. 如請求項1之溫度檢測器探針，其中該感測器為一熱電偶。
  13. 如請求項1之溫度檢測器探針，其進一步包含一信號處理電路，其可聯通地耦接至該感測器以調控來自該感測器的一信號。
  14. 如請求項13之溫度檢測器探針，其中：該殼體係界定了在該殼體的一第二端部分處之一腔室，且該信號處理電路置設於該腔室處，及該對電連接器係電性耦接至該信號處理電路以可聯通地耦接該感測器及該信號處理電路。
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