CN115291071A - 基于锁相放大器的led阵列光热一体检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置及方法，涉及LED光谱和结温检测技术。测量方法包括：将LED阵列固定在控温台上，测试***环境暗光谱；在不同温度点给待测芯片注入小占空比脉冲信号，得峰值波长或半高宽与温度的关系曲线；设定某一工作温度，给待测芯片注入大占空比脉冲信号，其他芯片注入同电流直流信号，得混合光中待测芯片发光光谱并根据关系曲线计算其实际工作结温；对光谱校准，得待测芯片在工作条件下的光功率和光通量。本发明排除其他芯片光和外界环境光的干扰，实现阵列在不同工作条件下对单一芯片工作结温、光功率和光通量的检测；待测芯片同时具有光源和热敏传感双重功能；实现对阵列正常工作时光热一体化的分析。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管(LED)光谱和结温检测技术领域，尤其是涉及一种基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置及方法。
背景技术
随着半导体产业技术的不断发展，大功率LED多芯片模块(multi-chip modules,MCM)因为其体积小、效能好、可靠性高、组装密度大等优点逐渐成为照明领域的研究热点。现如今，MCM已经被广泛应用到可见光通信、汽车照明、屏幕显示等多个领域，解决单芯片器件光输出功率低的难题。但是MCM普遍存在热量集中导致光效降低、色温漂移、芯片老化等不可逆的结果。LED阵列内部存在多个热源，芯片间热耦合效应明显，无法用单颗LED的结温来评估整个阵列的工作结温。且由于LED芯片的发光特性受温度的影响明显，而LED阵列中存在热耦合，造成每个芯片的发光特性不仅受自身热源和发光特性的影响，还受到周围其他芯片的热耦合及发光特性的影响，即所谓的光热耦合效应。此外，LED阵列工作时存在光串扰现象，无法简单测量出单个芯片的发光特性。所以在LED阵列正常工作时，如何实现对每颗芯片的光热监控，成为MCM的热管理改善及其进一步推广应用的关键环节。
传统的结温检测方法大都是针对单颗LED芯片，如正向电压法、反向电流法、红外热成像法、相对辐射强度法、峰值波长法、半峰全宽法等等(Y.Xiao,T.Z.Wu,S.J.Dang,“Determining Junction Temperature of LEDs by the Relative Reflected Intensityof the Incident Exciting Light,”IEEE Transactions on Electron Devices,64(5),2017.)。由于阵列中的芯片在正常工作时封装完整，不再简单裸露在空气中，以正向电压法为代表的接触式测量方法和以红外热成像法为代表的辐射类方法都不再适用。峰值波长法和半峰全宽法是根据LED发光光谱随结温的变化规律实现结温测量，虽然可以不破坏LED阵列的工作结构，但是无法解决各个芯片之间的光热耦合及光串扰问题。张晶晶等人设计小型化LED阵列结温光谱检测***，利用多路光纤来获取相应多路光源所发出的光，实现物理隔离。但是芯片距离很近且同时发光时，无法简单通过添加光阑的方法消除芯片间的光谱串扰(J.J.Zhang,T.Zhang,S.S.Liu,“Feasibility analysis of junction temperaturemeasurement for GaN-based high power white LEDs by the peak-shift method,”Chinese Optics Letters,11(9),2013.)。因此研究适用于多芯片LED阵列的光热一体化的检测技术具有重要的实际意义。
锁相放大器(Lock-In Amplifier，LIA)利用待测信号和参考信号的互相关检测原理对信号进行窄带化处理，通过相敏检波，只允许与参考信号频率特性相同的信号通过，从而抑制噪声，提高检测精度。张虎，苏江晨利用数字锁相检测半导体激光二极管，抑制杂散光干扰(中国发明专利，公布号CN 107091808A)。朱腾飞等人提出一种基于锁相放大器的分布光度测量方法和***(中国发明专利，公布号CN 106225919 A)，用光斩波器提供参考信号。但上述专利中均未考虑待测器件发热及阵列中热耦合对光源发光特性的影响，也未考虑驱动信号占空比对测试结果的影响，特别是对受热影响显著的LED阵列，仅用锁相技术简单把交流信号和直流信号分开还不能准确检测光强度(或光通量)。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供可以有效测量出LED阵列正常工作时单个芯片的光谱分布，并预测不同电流下各个芯片的工作结温、光功率和光通量等参数，达到光热一体化的检测目的的一种基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置及方法。
一种基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置，包括：LED阵列、控温台、第一驱动电源、第二驱动电源、积分球、光谱仪、光电倍增管、高压电源、锁相放大器、电压源表和计算机；
所述LED阵列固定在控温台上，第二驱动电源用于给待测芯片提供稳定的脉冲信号，第二驱动电源的同步触发信号连接到锁相放大器的外部参考信号输入端，第一驱动电源用于为阵列中的其他芯片提供恒流信号或者不同频率的脉冲信号，LED阵列全部点亮后的混合光通过采样口被积分球收集，再经由光纤传输给光谱仪进行单色扫描；光电倍增管用于将单色光强度转换为电信号，光电倍增管的输出端连接锁相放大器的信号输入口；高压电源与光电倍增管相连，用于为光电倍增管提供稳定的直流高电压；锁相放大器的输出信号与电压源表相连接，电压源表通过控制接口与计算机进行数据传输。
一种基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测方法，包括以下步骤：
1)将LED阵列固定在控温台上，在LED阵列未通电时测试***环境的暗光谱；
2)调节控温台的温度，在不同的温度点下给待测芯片注入小占空比(<5％)的脉冲信号，利用所述基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置采集待测芯片的发光光谱；
3)对光谱进行校准，将峰值波长或者半高宽与温度进行线性拟合，得到待测芯片结温的校准关系；
4)设定LED阵列在正常工作条件下的温度，给待测芯片注入一定电流的大占空比(>95％)脉冲信号，其他芯片注入同电流的直流信号；待其工作稳定后，利用所述基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置获得混合光中待测芯片的发光光谱；
5)对光谱进行校准，求出峰值波长或者半高宽并代入到结温校准关系中得到待测芯片在阵列中实际的工作结温；
6)计算得到待测芯片在正常工作下的光功率和光通量；
7)改变工作条件，重复上述步骤，得到不同芯片的发光光谱，校准后求得阵列中每个芯片在不同条件下的工作结温、光功率和光通量。
在步骤3)和5)中，所述对光谱进行校准，光电倍增管对不同波长单色光的响应率不同，测量之前需对***进行光谱校准，以确保测试结果的准确性，使用已校准过的光谱功率分布为C(λ)的大功率卤素灯作为校准光源，光谱功率分布为A(λ)，校准系数K(λ)为：
检测不同占空比下芯片的光谱强度，进行归一化处理，拟合后得出锁相放大器的输出与矩形波的占空比呈正弦关系，即直流输出y(x)为：
y(x)＝sin(πx)
其中，x为占空比；
待测光源的光谱功率分布为A’(λ)，考虑占空比关系，则绝对光谱功率分布为：
C’(λ)＝A’(λ)K(λ)/y(x)。
在步骤7)中，所述改变工作条件包括改变待测芯片的输入电流或改变待测芯片的位置等。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明基于锁相放大器可以检测出输入信号中与参考信号同频信号的特点，可有效提取阵列中单个芯片的发光光谱，不受阵列其它芯片光和外界环境光的干扰。
2、本发明利用LED阵列在工作状态下的发光光谱准确地得到光功率和光通量，并利用峰值波长、半高宽与温度的线性关系，实现了对LED阵列中各个芯片的结温的检测，进而实现光热一体化检测。
3、本发明所用方法赋予芯片兼具照明光源和热敏传感器的双重功能。在多芯片LED阵列中，待测芯片既可以正常工作充当发光光源，又可以作为热传感器检测阵列相应位置的热分布。
附图说明
图1为本发明的***结构图；
图2为锁相放大器的输出特性图；
图3为RGB LED阵列模型图；
图4为红光LED芯片在不同温度下的归一化光谱曲线；
图5为红光LED芯片的温度校准曲线；
图6为RGB LED不同位置的结温分布；
图7为六颗蓝光LED阵列模型图；
图8为蓝光LED阵列中单颗芯片在不同电流下的光功率变化；
图9为蓝光LED阵列中单颗芯片在不同电流下的光通量变化；
图10为六颗蓝光LED阵列不同位置的光功率分布。
图中各标记为：1-LED阵列，2-控温台，3-驱动电源，4-驱动电源，5-积分球，6-光谱仪，7-光电倍增管，8-高压电源，9-锁相放大器，10-电压源表，11-计算机。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
本发明所述光热一体检测***的整体结构如图1所示，包括LED阵列1、控温台2、第一驱动电源3和4、积分球5、光谱仪6、光电倍增管7、高压电源8、锁相放大器9、电压源表10和计算机11。
所述LED阵列1固定在控温台2上。第二驱动电源4给待测芯片提供稳定的脉冲信号，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。第一驱动电源3为阵列中的其他芯片提供恒流信号或者不同频率的脉冲信号。LED阵列1全部点亮后的混合光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，连接到锁相放大器9的信号输入口。高压电源8为光电倍增管7提供稳定的直流高电压。锁相放大器9的输出信号与电压源表10相连接，电压源表10通过控制接口与计算机11进行数据传输。
第一步，标定过程。
LED阵列1固定在控温台2上，在LED阵列1和控温台2之间需要涂上导热硅胶，增加接触面积，提高热流通量。第一驱动电源3和4用于驱动LED阵列1，包括恒压模式、恒流模式、脉冲电压模式、脉冲电流模式四种模式。在未通电时测试***环境的暗光谱，以后每次光谱测量都要扣除该光谱信息。第二驱动电源4以小占空比脉冲电流驱动待测芯片，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。调节控温台的温度，LED阵列1中待测芯片点亮后的光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，作为锁相放大器9的输入信号。高压电源8为光电倍增管7提供稳定的直流高电压。锁相放大器9的输出信号与电压源表10相连接，再通过控制接口传输到计算机11得到待测芯片的光谱数据。应用公式(3)对光谱进行校准。改变控温台的温度，重复上述过程，将光谱的峰值波长或者半高宽与温度进行线性拟合，得到待测芯片结温的校准关系。
第二步，测试过程。
LED阵列1固定在控温台2上。第二驱动电源4以大占空比脉冲电流驱动待测芯片，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。第一驱动电源3以恒流模式驱动阵列中的其他芯片。调节控温台温度，LED阵列1的混合光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，作为锁相放大器9的输入信号。高压电源8为光电倍增管7提供稳定的直流高电压。锁相放大器9的输出信号与电压源表10相连接，再通过控制接口传输到计算机11得到待测芯片的光谱数据。应用公式(3)对光谱进行校准，计算得到待测芯片在正常工作下的光功率和光通量。将光谱的峰值波长或者半高宽代入校准关系，求出实际的工作结温。
光电倍增管7对不同波长单色光的响应率不同，测量之前需要对***进行光谱校准，以确保测试结果的准确性。本***使用已校准过的光谱功率分布为C(λ)的大功率卤素灯作为校准光源，测得的光谱功率分布为A(λ)，则校准系数K(λ)为：
锁相放大器9的输入信号是采用占空比可调的矩形波信号，当矩形波信号幅值相同、占空比不同时，锁相放大器9的直流输出是不相同的。实验中第二驱动电源4给待测芯片注入大小为200mA，周期为50ms，占空比分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的脉冲电流信号，第二驱动电源4的同步触发端输出大小为3V，周期为50ms，占空比为0.5的脉冲电压信号作为锁相放大器9的参考信号。利用该***检测出不同占空比下芯片的光谱强度，并进行归一化处理，拟合后发现锁相放大器9的输出与矩形波的占空比呈正弦关系，如图2所示，即直流输出y(x)为：
y(x)＝sin(πx) (2)
其中，x为占空比，当x为0.5时有最大输出值，x为0.4和0.6时输出相同，x为0.3和0.7时输出相同，具有对称性。在实验中对不同占空比的信号源进行测量时需要进行绝对值的校准。
由式(1)和式(2)可知，在实际测试中测得待测光源的光谱功率分布为A’(λ)，并考虑占空比关系，则绝对光谱功率分布
C’(λ)＝A’(λ)K(λ)/y(x) (3)
由于在小占空比时(<5％)，脉冲电流驱动芯片所产生的自热效应可以忽略不计，在大占空比下(>95％)，脉冲电流驱动芯片所产生的自热效应几乎与直流电流下的自热效应相同。
实施例1
本实施例结合峰值波长法对RGB大功率LED阵列各个芯片的结温进行测试，具体包括以下步骤：
步骤1、使用3W RGB大功率LED阵列1，单颗芯片大小为45mil，具体结构如图3所示。将LED阵列1固定在控温台2上，在未通电时测试***环境的暗光谱，以后每次光谱测量都要扣除该光谱信息；
步骤2、调节第二驱动电源4的信号为：周期25ms，幅度350mA，占空比2％的短脉冲电流模式，给红光LED通电，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。调节控温台2温度为25℃，此时LED阵列1发出的光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，作为锁相放大器9的输入信号。锁相放大器9的输出信号与电压源表10连接，再通过控制接口传输到计算机11，测量该温度下红光LED的发光光谱，应用公式(3)对光谱进行校准。改变控温台2温度分别为35℃、45℃、55℃、65℃、75℃，重复上述过程。不同温度下红光LED的发光光谱如图4所示；
步骤3、利用测量到的光谱数据获得红光LED在不同温度下的峰值波长，并对峰值波长与温度进行线性拟合，得到结温的校准关系如图5所示；
步骤4、设定控温台2温度为25℃，调节第二驱动电源4的信号为：周期25ms，幅度350mA，占空比98％的脉冲电流模式，给红光LED通电，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。调节第一驱动电源3的信号为：700mA恒流模式，给并联的蓝光、绿光LED通电。此时LED阵列1发出的光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，作为锁相放大器9的输入信号。锁相放大器9的输出信号与电压源表10连接，再通过控制接口传输到计算机11，测量出混合光中红光LED的发光光谱，应用公式(3)对光谱进行校准；
步骤5、通过红光LED的发光光谱求出峰值波长并代入到校准关系中得到红光LED在阵列中实际的工作结温；
步骤6、重复上述步骤，分别求出相同条件下绿光和蓝光LED的工作结温，该阵列中各个芯片的热分布如图6所示。
实施例2
本实施例结合半高宽法对多芯片蓝光LED阵列进行光热一体化测试，具体包括以下步骤：
步骤1、使用六颗蓝光LED阵列，单颗芯片大小为42*43mil，相邻间距为1mm，具体结构如图7所示。将LED阵列1固定在控温台2上，在未通电时测试***环境的暗光谱，以后每次光谱测量都要扣除该光谱信息；
步骤2、因为蓝光LED的峰值波长随电流的变化很小，而半高宽会有明显的上升趋势，所以采用半高宽法进行结温检测。调节第二驱动电源4的信号为：周期25ms，幅度200mA，占空比2％的短脉冲电流模式，给位置1的蓝光LED通电，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。调节控温台2温度为25℃，此时LED阵列1发出的光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，作为锁相放大器9的输入信号。锁相放大器9的输出信号与电压源表10连接，再通过控制接口传输到计算机11，测量出不同温度点下蓝光LED的发光光谱，应用公式(3)对光谱进行校准。改变控温台2温度分别为35℃、45℃、55℃、65℃、75℃，重复上述过程；
步骤3、利用测量到的光谱数据获得蓝光LED在不同温度下的半高宽，并对半高宽和温度进行线性拟合，得到结温的校准关系；
步骤4、设定控温台2温度为25℃，调节第二驱动电源4的信号为：周期25ms，幅度200mA，占空比98％的脉冲电流模式，给位置1蓝光LED通电，第二驱动电源4的同步触发信号连接到锁相放大器9的外部参考信号输入端。调节第一驱动电源3的信号为：1000mA直流模式，给并联的五颗蓝光LED通电。此时LED阵列1发出的光通过采样口被积分球5收集，再经由光纤传输给光谱仪6进行单色扫描。光电倍增管7将单色光强度转换为电信号，作为锁相放大器9的输入信号。锁相放大器9的输出信号与电压源表10连接，再通过控制接口传输到计算机11，测量出混合光中待测芯片的光谱分布，应用公式(3)对光谱进行校准；
步骤5、通过蓝光LED发光光谱求出的半高宽并代入到校准关系中得到位置1蓝光LED在阵列中实际的工作结温；
步骤6、计算得到待测芯片在正常工作下的光功率和光通量；
步骤7、改变待测芯片的输入电流，设定控温台2温度为25℃，调节第二驱动电源4的信号为：周期25ms，幅度分别为100mA、150mA、200mA、250mA、300mA、350mA、400mA、450mA、500mA，占空比98％的脉冲电流模式，给位置1蓝光LED通电。调节第一驱动电源3的信号为：500mA、750mA、1000mA、1250mA、1500mA、1750mA、2000mA、2250mA、2500mA直流模式，给并联的五颗蓝光LED通电。在其工作稳定后，利用该装置获得混合光中待测芯片的发光光谱。先应用公式(3)对光谱进行绝对值校准，再积分求出待测芯片在不同电流点下实际的光功率和光通量，如图8和9所示。两者都呈现一个先快速上升再逐渐平缓的趋势。
步骤8、改变待测芯片的位置，设定控温台2温度为25℃，调节第二驱动电源4的信号为：周期25ms，幅度200mA，占空比98％的脉冲电流模式，给待测蓝光LED通电。调节第一驱动电源3的信号为：1000mA直流模式，给另外五颗并联的蓝光LED通电。其工作稳定后，利用该装置获得混合光中待测芯片的发光光谱。先应用公式(3)对光谱进行绝对值校准，再积分求出待测芯片在不同电流点下实际的光功率。重复上述步骤，分别求出六颗蓝光LED相同条件下的光功率，该阵列中各个芯片的光功率大小分布如图10所示，说明各位置受热耦合影响程度不同，热分布不均匀，从而导致光功率的波动。
Claims (4)
1.基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置，其特征在于包括：LED阵列、控温台、第一驱动电源、第二驱动电源、积分球、光谱仪、光电倍增管、高压电源、锁相放大器、电压源表和计算机；
所述LED阵列固定在控温台上，第二驱动电源用于给待测芯片提供稳定的脉冲信号，第二驱动电源的同步触发信号连接到锁相放大器的外部参考信号输入端，第一驱动电源用于为阵列中的其他芯片提供恒流信号或者不同频率的脉冲信号，LED阵列全部点亮后的混合光通过采样口被积分球收集，再经由光纤传输给光谱仪进行单色扫描；光电倍增管用于将单色光强度转换为电信号，光电倍增管的输出端连接锁相放大器的信号输入口；高压电源与光电倍增管相连，用于为光电倍增管提供稳定的直流高电压；锁相放大器的输出信号与电压源表相连接，电压源表通过控制接口与计算机进行数据传输。
2.基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测方法，其特征在于采用如权利要求1所述基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测装置，所述方法包括以下步骤：
1)将LED阵列固定在控温台上，在LED阵列未通电时测试***环境的暗光谱；
2)调节控温台的温度，在不同的温度点下给待测芯片注入＜5％占空比的脉冲信号，利用装置采集待测芯片的发光光谱；
3)对光谱进行校准，将峰值波长或者半高宽与温度进行线性拟合，得到待测芯片结温的校准关系；
4)设定LED阵列在正常工作条件下的温度，给待测芯片注入一定电流的＞95％占空比的脉冲信号，其他芯片注入同电流的直流信号；待其工作稳定后，利用装置获得混合光中待测芯片的发光光谱；
5)对光谱进行校准，求出峰值波长或者半高宽并代入到结温校准关系中得到待测芯片在阵列中实际的工作结温；
6)计算得到待测芯片在正常工作下的光功率和光通量；
7)改变工作条件，重复上述步骤，得到不同芯片的发光光谱，校准后求得阵列中每个芯片在不同条件下的工作结温、光功率和光通量。
3.如权利要求2所述基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测方法，其特征在于在步骤3)和5)中，所述对光谱进行校准，光电倍增管对不同波长单色光的响应率不同，测量前对***进行光谱校准，以确保测试结果的准确性，使用已校准过的光谱功率分布为C(λ)的大功率卤素灯作为校准光源，光谱功率分布为A(λ)，校准系数K(λ)为：
检测不同占空比下芯片的光谱强度，进行归一化处理，拟合后得出锁相放大器的输出与矩形波的占空比呈正弦关系，即直流输出y(x)为：
y(x)＝sin(πx)
其中，x为占空比；
待测光源的光谱功率分布为A’(λ)，考虑占空比关系，则绝对光谱功率分布为：
C’(λ)＝A’(λ)K(λ)/y(x)。
4.如权利要求2所述基于锁相放大器的LED阵列光热一体检测方法，其特征在于在步骤7)中，所述改变工作条件包括改变待测芯片的输入电流或改变待测芯片的位置。
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