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用于发光二极管的现场温度和湿度监测的传感器制造方法

作者：Chi-Yuan Lee *, Ay Su, Yin-Chieh Liu, Pin-Cheng Chan and Chia-Hung Lin

摘要：在这项工作中，微温湿度传感器制造测量发光二极管（LED）的交界处的温度和湿度。结温经常使用热阻测量技术测量.这种方法的缺点是，数据采集的时间不受任何标准.本研究开发了一套能稳定、连续测量温湿度的装置.该装置重量轻，可以实时监测结温湿度.利用微电子机械系统（MEMS），本研究将大小的微型温湿度传感器建立在一个不锈钢箔基板（40mu;厚SS-304）上.微温湿度传感器可固定在LED芯片与框架之间.微型温湿度传感器的灵敏度分别为0.06plusmn;0.005（Ω/°C）和0.033 pF /%RH.

关键词：LED；微机电系统；柔性微温；湿度传感器

1 引言

发光二极管（LED），环保，功耗小，寿命长，在第二十一世纪引起了照明革命.他们很受欢迎，因为其可靠性高，功耗低，几乎没有维护要求.他们已经被采用很长一段时间用做各种设备和计算机信号完整性和运行状态的视觉指示器.发光二极管是一种直接把电能转换成光的固态半导体器件.这是下一代通用照明应用的重要选择.继进一步改进后，LED已被确定为照明设备.高功率，高亮度发光二极管被用于越来越多的照明应用，因为其优良的色彩饱和度和寿命.防止过热对设计师来说是一项具有挑战性的任务.包的热管理取决于外部冷却机制，散热和热接口.在固定冷却条件下，LED的结温增加速率随热阻增大而降低，发光效率下降.因此，LED封装热阻低有效的热设计是提高LED性能的关键[1,2].结温在一定程度上影响LED的性能.中心波长，光谱，功率的输出和可靠性的二极管直接依赖于结的温度.在LED的结温不能使用目前可用的仪器测量.程[ 3 ]估计，使用正向电压法确定的离子注入的LED的结温，显着低于常规LED.senawiratne [ 4 ]热电阻测量将驱动电流从10增加到250毫安来确定一个发光二极管的结温，此外温度、湿度等因素对LED封装的影响显著.水分会分层电子封装.使用聚合物材料模制LED封装.这样的水分扩散到包装，导致膨胀.包装吸湿后膨胀.此外，吸湿膨胀（CME）的匹配系数诱导液压机械应力.谭[ 6 ]调查GaN为基础的包装白光使用非破坏性分析工具和加速湿度测试的LED，用混合统计分布确定光谱分析和参数提取.特别是，尽管事实上，所有封装的集成电路都进行湿度测试，但很少有调查探讨湿度对封装的LED的影响.此外，封装的LED在潮湿的环境中在众多的应用工作.在这项工作中，灵活的微温湿度传感器，用于监测在原位的发光二极管的温度和湿度（SS-304与厚度40mu;m）的微电子机械系统（MEMS）的传感器是装配式不锈钢箔衬底.使用这种技术制造的传感器是：（1）小，（2）高度敏感的，（3）灵活，但具有精确的测量位置，（4）能够大规模生产，和（5）多功能

1. 方法

2.1。微温度传感器理论

在这项研究中，微温度传感器是一个电阻温度探测器（RTD）.对薄膜RTD传感器阵列的各种优点，其中包括体积小、精度高、响应时间短、批量生产能力.PT和Au是用在温度传感器的通用的传统的材料，前者昂贵，后者具有较高的导电性和灵活性.因此，在这项工作中，金被用于设备[ 7 ].随着环境温度的升高，RTD的电阻也增大，因为金属导体具有正温度系数（PTC）.图1描述了微温传感器的结构.

图1

当RTD温度呈线性变化，测得的电阻与温度变化之间的关系可以表示为：

(1)

在RT代表在T情况下的c；RI表示在I下的c；alpha;T代表灵敏度（1 /C）.

方程（1）可以重写为：

(2)

2.2。微湿传感器理论

湿度传感器的三个主要类别是陶瓷，电解质和聚合物为基础的传感器.聚合物基传感器是电容式或电阻型.虽然基于聚合物的传感器的测量范围与陶瓷基传感器不一样大，但它是制造简单，低成本，和高度准确的，因为是高度的聚合物聚合.它对快速发展IC工艺是有益的.聚合物必须具有高的电阻和低的介电常数.当聚合物吸收的蒸汽量增加时，介电常数增大，电容的增加可以用方程（3）导出：

其中C是电容（F）；

是真空介电常数；是环境的介电常数；A是电极横截面积（平方米），D是两电极之间的距离（m）

图2

图2显示的微湿传感器的结构，其灵敏度由方程（4）：

(3)

三.柔性微传感器的制备

LED的框架是LED芯片中一个非常重要的热导体，因此在LED框架和LED芯片之间安装绝缘介质以增加热阻.作者早期的研究涉及开发一种可安装在LED芯片和框架之间的柔性微温度传感器.在目前的工作中的设计是基于早期的工作[ 9 ].在本次调查中，在不锈钢箔衬底上制备微传感器（SS-304 40mu;mu;m厚），和将氮化铝（AlN）作为绝缘层，具有优良的绝缘和导热性能高.众所周知，AlN的溅射率膜有针孔等不电隔离.为了解决这个问题，所有AlN的电影，在本次调查中的各种条件下制备的质量令人满意，并且有一个光滑的表面，即他们没有针孔缺陷[ 10 ].电导率测试后，它们的隔离性能被确认.

图3显示了制造柔性微传感器的过程.首先，硫酸和过氧化氢用来清洁不锈钢箔；AlN然后溅射（1mu;m）作为底部绝缘层.电子束蒸发器进行蒸发的Cr（200Aring;）为AlN和金之间的粘合层，和蒸发的Au（2000Aring;）作为传感层沉积.光致抗蚀剂（PR）进行旋涂（3mu;m）和微传感器定义轮廓光刻湿法腐蚀.聚酰亚胺在湿度传感器上旋涂（3mu;m）作为传感膜.再次用光致抗蚀剂（PR）的旋涂（3mu;m）作为一个保护层.最后，用王水腐蚀不锈钢箔.表1给出了制造工艺参数

图3

表1

4结果与讨论

图4显示微传感器的光学显微照片.微温传感器的传感面积为17600 m2，微湿传感器的传感面积为18900 m2.利用MEMS制作柔性微温湿度传感器.这种微型传感器具有体积小（1），（2）质量可制备，（3）多功能性，及（4）灵活而精确的测量位置.

图4

图5给出了微型传感器的校准系统.微传感器被放置在一个可编程的温度和湿度室（弘达ht-8045一）.电阻和电容的微温湿度使用LCR测量仪测量传感器测定的.根据微温湿度传感器的温度和相对湿度分别是从30到120°C和从28到98% RH，图6绘制了微温传感器的标定曲线，结果表明温度与电阻几乎呈线性关系.我们已经测试三次，校准曲线仍然是线性的.图7绘制了微湿传感器的标定曲线，表明电容随湿度的变化而变化.我们也测试三次，校准曲线为三次方程。温度和湿度传感器的灵敏度分别为0.06plusmn;0.005Ω/°C和0.033 pF /%RH，且小于0.3°C和3%相对湿度的精度.响应范围从1.7到2.3秒由弘达ht-8045a可编程温度和湿度室所确定的.

图5

图6

图7

在图8中，微传感器设置在一个LED芯片和一个框架，和一个输入电流为350毫安中，是通过LED，使其发光.LED温度和湿度稳定后，LCR测量仪测得的是微传感器的电阻和电容，并将结果与微传感器的标定曲线比较，确定其温度和湿度.微传感器需要保护层，因此，绝缘层沉积在温度传感器上.然而，这种绝缘层是非常薄的，热梯度可以忽略不计.图9显示LED与微型传感器.

根据热阻测量理论，可以根据电压确定LED的结温.采用CREEreg;ez1000芯片且输入电流范围从0到350毫安.热敏电阻测量获得的数据不同于那些使用微温度传感器获得的那些.数据试验如表2所示.使用微温度传感器获得的温度为1.52°C低于通过热阻测量在120毫安得到的温度.且比在350毫安为5.45°C 更低.此外，变化随温度的升高而增加.

在湿度部分，由湿度传感器在包装前后测得的电容都为21.98 pF.这一结果表明，在这项研究中的LED封装是完好的.

图8

图9

表2

5 结论

在这项研究中，微型温湿度传感器的开发是灵活的，可以在设置一个LED芯片和LED框架之间，和一个40mu;厚的不锈钢箔进行热的LED芯片和框架之间.利用MEMS制作柔性微温湿度传感器.这些传感器的优点是：（1）体积小，（2）灵敏度高

1. 质量可制备，（4）多功能性，及（5）灵活而精确的测量位置,未来的研究将采用灵活的微温湿度传感器来评估LED的工作参数，从而提高他们的设计和性能.

参考文献

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