A heat flux sensor test setup

Abstract

Heat flux sensors are used for direct and immediate measurement of the flow-rate of thermal energy in a wide range of existing and potential applications. However, the sensors have traditionally been difficult to manufacture and test. In this Master's Thesis work, the characterization process of a new type of semiconductor chip heat flux sensor was studied. The objective of the Thesis was to design and validate a reliable and time-efficient method for the sensor characterization process. A literature review was conducted on sensors characterization and calibration methods and a test setup was designed, constructed and validated.

The characterization of heat flux sensors requires careful considerations of the thermal excitation and the measurement instrumentation to minimize the sources of error. To achieve sufficient accuracy and efficiency in the calibration process, test setups are usually customized to suit the calibration needs. For semiconductor chip sensors, a suitable system included a wafer probing station in conjunction with a thermal excitation system. The proposed test setup was shown to be suitable for relative characterization, with the validation performed with both calibrated commercial sensors as well as prototype sensors.

Lämpövuoantureita käytetään suoraan ja välittömään lämpöenergian siirtymisen mittaamiseen monissa olemassa olevissa sekä potentiaalisissa sovelluskohteissa. Antureiden valmistaminen ja testaaminen on kuitenkin perinteisesti ollut haastavaa. Tässä työssä käsitellään uudenlaisen piilastu-lämpövuoanturin karakterisointiprosessia. Työn tavoitteena oli suunnitella ja validoida toistettava ja nopea menetelmä anturien karakterisointia varten. Työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus olemassa oleviin kalibrointi- ja karakterisointimenetelmiin, jonka jälkeen rakennettiin ja validoitiin testiasetelma antureille.

Lämpövuoantureiden karakterisoinnissa tulee huomioida monia lämpöeksitaation ja instrumentoinnin yksityiskohtia, jotta karakterisointiprosessin virhelähteiden vaikutus voidaan minimoida. Tyypillisesti antureiden karakterisointiasetelmat vaativat sovelluskohtaisia sovituksia riittävän tarkkuuden ja testaustehokkuuden saavuttamiseksi. Parhaiten puolijohdeantureille soveltuvaksi testiasetelmaksi todettiin lämpöeksitaation lähteen sisältävä probe-asema. Kehitetyn järjestelmän toimintaa validoitiin sekä kalibroiduilla kaupallisilla antureilla että prototyyppiantureilla. Kehitetyn testiasetelman osoitettiin soveltuvan hyvin suhteellisen karakterisoinnin mittauksiin.