Электронные устройства постепенно становятся всё более мощными и компактными, и вместе с тем существенно обостряется проблема перегрева компонентов. Как следствие, теперь проработке тепловых эффектов необходимо уделять не меньше внимания, чем проблемам электромагнитных помех или целостности сигналов. Разработчикам нужны средства мониторинга температур, которые не только точно считывают параметры в процессе эксплуатации, но также вписываются как в общий дизайн, так и в бюджет изделий. Исследователи из Токийского университета считают, что их инновационное решение – плёночный термодатчик – в полной мере удовлетворяет все требования индустрии.
Традиционно термодатчики устанавливаются в стереотипно критических участках электронных устройств для их защиты от перегрева и теплового разгона. Однако зачастую стоимость компонентов и дефицит пространства существенно ограничивают площадь контроля, вследствие чего точечное отслеживание параметров не всегда даёт разработчикам и пользователям полную картину состояния устройства. Ещё на этапе разработки инженерам приходится фактически предугадывать потенциальные проблемные участки, полагаясь на собственные теоретические познания, опыт и ПО для симуляции термальных эффектов. Стоит отметить, что до сих пор эти подходы были довольно эффективными, однако их надёжность существенно понижается, когда речь идёт о создании компактных устройств или оборудования, работающего в сложных для симулирования обстоятельствах. Классические термальные сенсоры с полупроводниковыми компонентами недостаточно малы для обслуживания компактной электроники, которой становится всё больше.
Чтобы обойти это ограничение, команда учёных из Токийского университета разработала термодатчик в виде тонкой и гибкой ПЭТ-плёнки, способной отображать тепловую картину по всей площади покрытия без вмешательства в электромеханические свойства обслуживаемой микросхемы. Исследователи создали уникальный плёночный термодатчик за счёт распыления термочувствительного материала на поверхности плёнки с последующим травлением сенсора. Эта тонкая плёнка может размещаться даже в самом ограниченном пространстве, недоступном для классических термодатчиков. По задумке разработчиков, её можно будет наносить на микросхемы ещё на этапе производства для пожизненного отслеживания тепловой нагрузки устройства, и для этого производителям не придётся вносить в компоновку микросхем никаких существенных изменений.
Принцип действия большинства термодатчиков основывается на эффекте Зеебека, описывающем возникновение электродвижущей силы на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Когда на соединённые концы разнородных проводников оказывается тепловое воздействие, возникает градиент температуры, и электроны на «горячих» концах приобретают более высокие энергии и скорости, чем на «холодных». Рост возбуждённости электронов пропорционален росту температуры, и этот показатель можно измерить. Тем временем принцип работы разработанного японскими учёными плёночного термодатчика основывается на менее известном термомагнитном феномене – поперечном эффекте Нернста (ANE). Он отображает изменение параметров электродвижущей силы металлов под влиянием магнитного поля. Данный эффект действует в плоскости, перпендикулярной температурному градиенту. Для его использования учёные нанесли на ПЭТ-плёнку магнитные материалы на основе железа и галлия, формируя совершенно плоский термодатчик. Особое расположение элементов позволяет нейтрализовать эффект Зеебека, тем самым создавая более чёткую температурную картину участка микросхемы только за счёт ANE.
Исследователи из Токийского университета считают, что их наработки позволят интегрировать более гибкие и пластичные термальные сенсоры в самые компактные устройства. Более того, перспективы применения плёночных термодатчиков не ограничены сферой пользовательской электроники. К примеру, подобные сенсоры также можно интегрировать в медицинское оборудование для создания тепловых карт человеческого тела в процессе диагностики и лечения пациентов.
