一种高精度接触式温度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度接触式温度测量方法，属于热学测量技术领域。所述方法包括：制作由PN结组成的半导体测温探头，实现接触式温度测量。测量中采用串联PN结的方式成倍提高正向导通压降的温度系数，减少噪声信号对温度测量的影响，降低电路设计成本，从而提高温度测量的精度以及大幅度提高温升检测的敏感度。

A high precision contact temperature measurement method

【技术实现步骤摘要】
一种高精度接触式温度测量方法
：本专利技术公开了一种高精度接触式温度测量方法，属于热学测量

技术介绍
：随着半导体芯片产业的发展，芯片的可靠性问题已经成为企业生产和科学研究中重点关注的领域。由于温度导致的芯片失效已经占据芯片总失效的三分之一以上，因此热管理和热可靠性的研究是芯片可靠性研究的重中之重。芯片温度的测量是热可靠性分析的基础，电学法则是通过测量半导体器件中与温度密切相关的电学参数，进而推算出半被测样品的实时温度，温度范围广，反应时间迅速，是目前实时在线测温最有效的方法。因此，电学参数的选取和信号采集是影响电学法温度测量性能的关键指标，其中电学参数与温度的函数关系和采集信号的信噪比是影响温度计算精度和准确度的关键。由于PN结在正向小电流下，结压降和温度具有良好的线性对应关系，因此目前对于绝大部分半导体器件而言，通常采用芯片内部的PN结、寄生二极管和肖特基结等结构作为测温元件进行半导体芯片温度的测量。但是由于单个PN结正向结压降的温度系数(正向结压降随温度变化而变化的速率)仅约为1.5mV/℃～2.5mV/℃之间，微小的测量误差和噪声干扰都会严重影响温度的测量精度。即使在经过信号放大电路的处理，最终可以达到温度精度约为0.1℃。因此在一些对温度精度要求更高的特殊场合，往往难以达到设计需求，同时也会对电路设计和有效信号的提取有较大考验。而且在温度变化较小的情况下，也不能准确反映器件的温度变化，对测量灵敏度有一定影响。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于，为了优化温度测量技术，提出了高精度接触式温度测量的方法。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：在一个半导体芯片上制作多个串联形式的PN结结构作为测温探头。测温探头与被测样品紧密基础，从而实现实时温度测量。在电学法温度测量过程中，采用选取多个串联PN结的正向结压降作为反映半导体器件温度的温敏参数。由于单个PN结正向结压降的温度系数仅约为1.5mV/℃～2.5mV/℃，整个电路中微小的测量误差和噪声干扰也会对温度测量结的果造成严重的误差，难以实现温度的高精度测量。当多个PN结串联时，该结构正向结压降的温度系数相当于单个PN结正向结压降的温度系数的数倍放大，达到N×(1.5～2.5)mV/℃的温度系数，其中N为PN结串联个数。单个PN结温度系数一般为1.5～2.5mV/℃。进一步，串联PN结的温敏系数＝单个PN结的温敏系数×PN结串联个数。串联PN结是相同的PN结。从而能够有效减少测量系统中噪声对测量精度的影响，在减少电路的设计成本的同时，得到0.01℃甚至更高的温度精度。同时由于温度系数的增大，可以测量到更加微小的温度变化，从而提高温度测量的灵敏度。一种高精度接触式温度测量的方法，其特征在于：选用多个串联PN结的正向结压降作为温敏参数实现高精度的温度测量；所述一种高精度接触式温度测量的方法包括的装置有：100：探头芯片；200：测量系统所述探头芯片100包括：101：PN结；金属连线：102；所述测量系统200包括：201：控制系统；202：采集系统；203：测量源；应用上述装置实现高精度接触式温度测量的方法，其特征在于：在进行温度测量时，选用探头芯片100中多个串联PN结的正向结压降作为温敏参数，测量系统200中的采集系统202和测量源203与探头芯片200相连接；控制系统201用于采集系统202和测量源203的时序控制及数据传输；附图说明：图1是单个PN结与多个串联PN结温度系数的对比示意图；其中，图片下方的一簇曲线表示在不同测量电流下单个PN结的温度系数，上方一簇曲线表示在不同测量电流下4个PN结串联后的得到的温度系数。图2是采用一种高精度接触式温度测量的方法实现的温度测量示意图；其中，100：探头芯片；200：测量系统；所述探头芯片100包括：101：PN结；金属连线：102；所述测量系统200包括：201：控制系统；：202：采集系统；203：测量源；具体实施方式：下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明：图1所示为单个PN结与四个串联PN结温度系数的对比示意图，其中，图片中下方的一簇曲线表示在不同测量电流下单个PN结的温度系数，上方一簇曲线表示在不同测量电流下4个PN结串联后得到的温度系数。由图1可以看到当多个PN结串联后，其正向结压降与单个PN结相比得到成倍的增加。在1mA下，单个PN结的温度系数为-2.1mV/℃；而4个串联PN结的温度系数为-8.48mV/℃，为单个PN结温度系数的4倍。因此，从图中可以得到，温度系数提高的倍数为PN结串联的个数。通过提高PN结的串联个数从而提高温度系数是本专利技术的理论基础。在具体温度测量中，可针对不同被测样品的不同温度精度的要求，选用不同的串联个数，从而达到测量精度的要求。图2为应用高精度接触式温度测量方法的示意图。其中，100：探头芯片；200：测量系统；所述探头芯片100包括：101：PN结；金属连线：102；所述测量系统200包括：201：控制系统；202：采集系统；203：测量源；探头芯片100中包含多个PN结101结构，由金属连线102将PN结101串联。测量系统200包括：用于采集PN结正向结压降的采集系统202；为探头芯片100提供测量电流的测量源203；控制采集系统202和测量源203时序的控制系统201；高精度接触式温度测量的方法为：将探头芯片100固定在具有恒温功能的载物台上；设置载物台温度为T1；通过测量系统200设置测量源202产生测量电流I1，并施加于探头芯片100中的串联PN结，采集系统202采集此时探头芯片100中串联PN结电压V1；提高载物台温度为T2并静止一段时间后，采集系统202采集探头芯片100中串联PN结电压V2；重复上述实验5至8次，得到如图1所示的结电压随温度的变化曲线，并计算温度系数K。将探头芯片与被测物体紧密接触，此时通过测量系统200设置测量源202产生测量电流I1，并施加于探头芯片100中的串联PN结；通过采集探头芯片100中串联PN结的实时电压，通过温度系数K计算即可得到被测物体的实时温度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度接触式温度测量方法，其特征在于：在一个半导体芯片上制作由PN结组成的半导体测温探头，测量时半导体测温探头与被测样品紧密接触；在温度测量过程中选用PN结的正向导通压降作为温敏参数并通过串联PN结的方式提高正向结压降的温度系数。/n

【技术特征摘要】
1.一种高精度接触式温度测量方法，其特征在于：在一个半导体芯片上制作由PN结组成的半导体测温探头，测量时半导体测温探头与被测样品紧密接触；在温度测量过程中选用PN结的正向导通压降作为温敏参数并通过串联PN结的方式提高正向结压降的温度系数。


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【专利技术属性】
技术研发人员：冯士维，李轩，郑翔，何鑫，白昆，潘世杰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11