Светящиеся наночастицы научили точно измерять температуру микрочипов
Как отмечают ученые, обычные контактные датчики температуры плохо подходят для современной микроэлектроники. Они часто оказываются слишком крупными по сравнению с элементами микросхем и к тому же чувствительны к электромагнитным помехам, что мешает получать точные измерения.
Источник: Ilya E. Kolesnikov et al / Applied Materials Today, 2026. Реализация метода люминесцентной термометрии в микроэлектронике.
МОСКВА, 31 марта. /Новости науки/. Ученые разработали бесконтактный способ измерения температуры микроэлектронных устройств с помощью светящихся наночастиц, которые меняют характер свечения при нагреве. Новый материал позволяет с высокой точностью отслеживать температуру микросхем и в перспективе может использоваться не только в электронике, но и в медицине — например, для измерения температуры живых клеток, сообщает пресс-служба РНФ.
«Предложенные нами датчики оказались достаточно эффективными тепловыми сенсорами, работающими в температурном диапазоне, важном для задач микроэлектроники. Они позволят дистанционно измерять температуру электронных компонентов с высокой чувствительностью. В дальнейшем мы планируем повысить надежность и точность измерения температуры с помощью одновременного анализа нескольких температурно-зависимых люминесцентных параметров», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, доктора физико-математических наук, научного сотрудника кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Института химии Санкт-Петербургского государственного университета Ильи Колесникова.
Как отмечают ученые, обычные контактные датчики температуры плохо подходят для современной микроэлектроники. Они часто оказываются слишком крупными по сравнению с элементами микросхем и к тому же чувствительны к электромагнитным помехам, что мешает получать точные измерения.
Одним из решений этой проблемы считается бесконтактная люминесцентная термометрия. В таком подходе используются специальные материалы, которые реагируют на нагрев изменением своего свечения. По этим изменениям можно судить о температуре объекта, не касаясь его и не повреждая его структуру.
Однако до сих пор оставался открытым вопрос, какой именно состав таких люминесцентных датчиков наиболее эффективен для реальных измерений.
Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Южного медицинского университета в Китае предложили использовать для этой цели оксиды редкоземельных элементов, содержащие ионы эрбия и иттербия.
Выбор именно этих элементов связан с тем, что они способны заметно менять свое свечение даже при небольших изменениях температуры. Полученные наночастицы показали интенсивную люминесценцию как при повышении, так и при понижении температуры.
Ученые проверили, насколько такой материал подходит для двух типов термометрии. Первый — вторичная термометрия, где сначала составляют калибровочную зависимость между температурой и свечением, а потом используют ее как эталон. Второй — первичная термометрия, в которой температуру рассчитывают напрямую на основе физических законов без необходимости в предварительной калибровке.
Оказалось, что новые наночастицы эффективно работают в обоих режимах в диапазоне температур от 25 до 110 градусов Цельсия. Именно этот интервал особенно важен для задач микроэлектроники, где перегрев даже на несколько градусов может влиять на стабильность и срок службы компонентов.
Для проверки метода исследователи провели эксперимент на реальном устройстве — графическом процессоре видеокарты. На поверхность чипа они нанесли тонкий слой разработанного материала и затем, меняя нагрузку на процессор, дистанционно отслеживали его нагрев.
Сравнение показало, что результаты люминесцентной термометрии хорошо совпадают с данными тепловизора. Погрешность составила всего 1–2 градуса Цельсия.
Еще лучшие показатели были получены в режиме первичной термометрии с инфракрасным возбуждением, которое имитировало нагрев. В этом случае ошибка измерения оказалась около 0,9 градуса Цельсия.
По мнению исследователей, такая точность уже соответствует требованиям, предъявляемым к системам контроля температуры в микроэлектронике.
Авторы считают, что предложенные материалы могут быть востребованы в самых разных задачах — от контроля нагрева микросхем и электронных компонентов до биомедицинских исследований, где требуется мягкое и точное измерение температуры живых объектов на микроскопическом уровне.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Materials Today.
«Предложенные нами датчики оказались достаточно эффективными тепловыми сенсорами, работающими в температурном диапазоне, важном для задач микроэлектроники. Они позволят дистанционно измерять температуру электронных компонентов с высокой чувствительностью. В дальнейшем мы планируем повысить надежность и точность измерения температуры с помощью одновременного анализа нескольких температурно-зависимых люминесцентных параметров», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, доктора физико-математических наук, научного сотрудника кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Института химии Санкт-Петербургского государственного университета Ильи Колесникова.
Как отмечают ученые, обычные контактные датчики температуры плохо подходят для современной микроэлектроники. Они часто оказываются слишком крупными по сравнению с элементами микросхем и к тому же чувствительны к электромагнитным помехам, что мешает получать точные измерения.
Одним из решений этой проблемы считается бесконтактная люминесцентная термометрия. В таком подходе используются специальные материалы, которые реагируют на нагрев изменением своего свечения. По этим изменениям можно судить о температуре объекта, не касаясь его и не повреждая его структуру.
Однако до сих пор оставался открытым вопрос, какой именно состав таких люминесцентных датчиков наиболее эффективен для реальных измерений.
Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Южного медицинского университета в Китае предложили использовать для этой цели оксиды редкоземельных элементов, содержащие ионы эрбия и иттербия.
Выбор именно этих элементов связан с тем, что они способны заметно менять свое свечение даже при небольших изменениях температуры. Полученные наночастицы показали интенсивную люминесценцию как при повышении, так и при понижении температуры.
Ученые проверили, насколько такой материал подходит для двух типов термометрии. Первый — вторичная термометрия, где сначала составляют калибровочную зависимость между температурой и свечением, а потом используют ее как эталон. Второй — первичная термометрия, в которой температуру рассчитывают напрямую на основе физических законов без необходимости в предварительной калибровке.
Оказалось, что новые наночастицы эффективно работают в обоих режимах в диапазоне температур от 25 до 110 градусов Цельсия. Именно этот интервал особенно важен для задач микроэлектроники, где перегрев даже на несколько градусов может влиять на стабильность и срок службы компонентов.
Для проверки метода исследователи провели эксперимент на реальном устройстве — графическом процессоре видеокарты. На поверхность чипа они нанесли тонкий слой разработанного материала и затем, меняя нагрузку на процессор, дистанционно отслеживали его нагрев.
Сравнение показало, что результаты люминесцентной термометрии хорошо совпадают с данными тепловизора. Погрешность составила всего 1–2 градуса Цельсия.
Еще лучшие показатели были получены в режиме первичной термометрии с инфракрасным возбуждением, которое имитировало нагрев. В этом случае ошибка измерения оказалась около 0,9 градуса Цельсия.
По мнению исследователей, такая точность уже соответствует требованиям, предъявляемым к системам контроля температуры в микроэлектронике.
Авторы считают, что предложенные материалы могут быть востребованы в самых разных задачах — от контроля нагрева микросхем и электронных компонентов до биомедицинских исследований, где требуется мягкое и точное измерение температуры живых объектов на микроскопическом уровне.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Materials Today.
