[發明專利]一種高精度接觸式溫度測量方法

在審

• 申請號: 202010250304.9
• 申請日: 2020-04-01
• 公開（公告）號: CN111256858A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 馮士維;李軒;鄭翔;何鑫;白昆;潘世杰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01K7/01
• 分類號: G01K7/01
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明公開了一種高精度接觸式溫度測量方法，屬于熱學測量技術領域。所述方法包括：制作由PN結組成的半導體測溫探頭，實現接觸式溫度測量。測量中采用串聯PN結的方式成倍提高正向導通壓降的溫度系數，減少噪聲信號對溫度測量的影響，降低電路設計成本，從而提高溫度測量的精度以及大幅度提高溫升檢測的敏感度。

技術領域：

本發明公開了一種高精度接觸式溫度測量方法，屬于熱學測量技術領域。

背景技術：

隨著半導體芯片產業的發展，芯片的可靠性問題已經成為企業生產和科學研究中重點關注的領域。由于溫度導致的芯片失效已經占據芯片總失效的三分之一以上，因此熱管理和熱可靠性的研究是芯片可靠性研究的重中之重。芯片溫度的測量是熱可靠性分析的基礎，電學法則是通過測量半導體器件中與溫度密切相關的電學參數，進而推算出半被測樣品的實時溫度，溫度范圍廣，反應時間迅速，是目前實時在線測溫最有效的方法。因此，電學參數的選取和信號采集是影響電學法溫度測量性能的關鍵指標，其中電學參數與溫度的函數關系和采集信號的信噪比是影響溫度計算精度和準確度的關鍵。

由于PN結在正向小電流下，結壓降和溫度具有良好的線性對應關系，因此目前對于絕大部分半導體器件而言，通常采用芯片內部的PN結、寄生二極管和肖特基結等結構作為測溫元件進行半導體芯片溫度的測量。但是由于單個PN結正向結壓降的溫度系數(正向結壓降隨溫度變化而變化的速率)僅約為1.5mV/℃～2.5mV/℃之間，微小的測量誤差和噪聲干擾都會嚴重影響溫度的測量精度。即使在經過信號放大電路的處理，最終可以達到溫度精度約為0.1℃。因此在一些對溫度精度要求更高的特殊場合，往往難以達到設計需求，同時也會對電路設計和有效信號的提取有較大考驗。而且在溫度變化較小的情況下，也不能準確反映器件的溫度變化，對測量靈敏度有一定影響。

發明內容：

本發明的目的在于，為了優化溫度測量技術，提出了高精度接觸式溫度測量的方法。

本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

在一個半導體芯片上制作多個串聯形式的PN結結構作為測溫探頭。測溫探頭與被測樣品緊密基礎，從而實現實時溫度測量。在電學法溫度測量過程中，采用選取多個串聯PN結的正向結壓降作為反映半導體器件溫度的溫敏參數。由于單個PN結正向結壓降的溫度系數僅約為1.5mV/℃～2.5mV/℃，整個電路中微小的測量誤差和噪聲干擾也會對溫度測量結的果造成嚴重的誤差，難以實現溫度的高精度測量。

當多個PN結串聯時，該結構正向結壓降的溫度系數相當于單個PN結正向結壓降的溫度系數的數倍放大，達到N×(1.5～2.5)mV/℃的溫度系數，其中N為PN結串聯個數。單個PN結溫度系數一般為1.5～2.5mV/℃。

進一步，串聯PN結的溫敏系數＝單個PN結的溫敏系數×PN結串聯個數。串聯PN結是相同的PN結。

從而能夠有效減少測量系統中噪聲對測量精度的影響，在減少電路的設計成本的同時，得到0.01℃甚至更高的溫度精度。同時由于溫度系數的增大，可以測量到更加微小的溫度變化，從而提高溫度測量的靈敏度。

一種高精度接觸式溫度測量的方法，其特征在于：

選用多個串聯PN結的正向結壓降作為溫敏參數實現高精度的溫度測量；

所述一種高精度接觸式溫度測量的方法包括的裝置有：100：探頭芯片；200：測量系統

所述探頭芯片100包括：101：PN結；金屬連線：102；

所述測量系統200包括：201：控制系統；202：采集系統；203：測量源；

應用上述裝置實現高精度接觸式溫度測量的方法，其特征在于：