CN100549643C - 一种微测辐射热计的微桥 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微测辐射热计技术，具体地说是涉及一种利用等强度理论设计和使用微机械加工MEMS技术制造的微测辐射热计的微桥，其特点是：微桥的桥腿的根据由桥面自重产生的弯矩沿桥腿变化情况，将桥腿设计成变截面的等强度桥腿，使桥腿的任一截面的最大弯曲正应力均相同，即为在桥腿高度h不变的前提下，任一截面宽度b要与截面所受力矩M成正比，桥腿两端宽，向中间线形变窄。所述的桥面为正多边形，相当于截去了矩形的四个角；具有在同等强度下热导更小，填充因子更大，热应力更小等优点。

Description

一种微测辐射热计的微桥

技术领域

本发明涉及微测辐射热计技术，具体地说是涉及一种利用等强度理论设计和使用微机械加工MEMS技术制造的微测辐射热计的微桥。

背景技术

目前，微测辐射热计是一种可在室温下工作的探测仪器。它的探测元件吸收红外辐射后温度发生变化，红外探测器的测量方法是通过测量温度变化而导致的敏感元件物理性质(如尺寸、电阻、共振频率等)的变化量来进行探测红外辐射。它低成本、低功耗、小型化等方面均有明显的优势，具有较大的应用潜力。

现有微测辐射热计微桥结构，图1和图2所示，微桥由多晶锗硅3与底衬硅片构成，其平面结构有桥面1、与桥面相连的两个直杆桥腿2。图3所示所为现有微测辐射热计的微桥ANSYS受力模拟分析图；以及图4所示为现有微测辐射热计的微桥ANSYS热应力模拟分析图；从中可以看出桥腿两端应力最大，中部最小。目前，在微测辐射热计中的微桥结构设计，热导和填充因子是主要考虑的因素。填充因子是指微桥占整个像素单元的比例大小，填充因子越大，而微桥的热导越小，测辐射热计的性能才能越好；热导的大小与微桥的桥腿截面积成正比，与桥腿的长度成反比。因此，在热学设计中都尽可能将桥腿设计成细长形，但是，桥腿过长会使得桥腿本身占据较大面积，影响了填充因子；同时从力学角度来看，桥腿过细会使微桥的强度削弱，容易坍塌。在设计时各个因素之间相互矛盾，互相制约，很难找到一个各方面性能都得到提高的方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述微测辐射热计的微桥现有结构存在的不足，提供一种具有在同等强度下热导更小，填充因子更大，热应力更小的微测辐射热计的微桥设计方法，及利用本方法设计出的微测辐射热计的微桥。

本发明是通过下述方法实现的：

一种微测辐射热计的微桥，由桥面与两个连接桥面的桥腿构成，其特征是：所述的桥腿的根据由桥面自重产生的弯矩沿桥腿变化情况，将桥腿设计成变截面的等强度桥腿，使桥腿的任一截面的最大弯曲正应力均相同，即为在桥腿高度h不变的前提下，任一桥腿截面宽度b要与截面所受力矩M成正比，桥腿两端宽，向中间线形变窄。所述的桥面为正多边形，相当于截去了矩形的四个角。

本发明一种微测辐射热计的微桥的理论分析基础是：

首先，只考虑由桥面自重产生的应力，忽略其它应力。如图5所示，建立微桥力学模型计算弯矩：将桥腿和桥面拉直到同一直线上。由于桥面受力相对于桥腿很小，形变可忽略，所以将其视为质点。将两个桥腿简化为两个梁，由此简化的力学模型可得出弯矩沿桥腿分布，如图6所示，两端受弯矩最大，中部所受弯矩基本为零。

在弯曲梁中，由弯矩而产生正应力，在不同截面所受应力一般不同，在按照最大弯矩设计的传统的等截面梁中，除最大弯矩所在截面外，其余截面的材料强度均未得到充分利用，根据弯矩沿梁的变化情况，将梁设计成变截面的梁，理想的变截面梁是使梁的任一截面的最大弯曲正应力均相同，使每一段梁都得到充分利用，称之为等强度梁。

任一截面最大正应力与该截面所受弯矩的关系为： ${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{6M}{{\mathrm{bh}}^2}$

σmax为最大应力，M为弯矩，b为(桥腿)截面宽度，h为(桥腿)截面高度。若要形成等强度梁(即任一截面应力相同)，在高度h不变的前提下，任一截面宽度b要与该截面所受力矩M成正比。本发明一种微测辐射热计的微桥等强度梁桥腿的俯视图，如图6所示，两端宽，向中间线形变窄。其中最大正应力

中的弯矩M为：

因为梁两端为固定端，所以图示力学模型的边界条件为：

ωa＝ωb＝O；

θa＝θb＝O    (1)

ωa，ωb；θa，θb分别为两端的挠度和转角由于对称，有：

$F_a=F_b=\frac{1}{2}F$ F_a，F_b为两端受力

M_a＝M_b＝M    (2)

所以未知量只剩下一个，即M.

由于力矩平衡，对于左段梁任一截面x有平衡方程

F_ax-M_a＝M₁(x)     (3)

即：

$M_1\left(x\right)=\frac{1}{2}\mathrm{Fx}-M$ (0≤x≤L)             (4)

同理，对于右段梁任一截面x有平衡方程：

F_ax-M_a-F(x-L)＝M₂(x)L为桥腿长

(5)

即：

$M_2\left(x\right)=\mathrm{FL}-M-\frac{1}{2}\mathrm{Fx}$ (L≤x≤2L)        (6)

将左段梁力矩M1(x)表达式代入挠度与力矩M1(x)的关系方程 $\frac{d^2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{M1\left(x\right)}{\mathrm{EI}}$ 可得微分方程：

$\frac{d^2{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{\frac{1}{2}\mathrm{Fx}-M}{\mathrm{EI}}$ E为杨氏模量，I为转矩       (7)

一次积分后，并考虑到挠度与转角的关系式 $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dx}},$ 可得：

${\mathrm{\θ}}_1\left(x\right)=\frac{F}{4\mathrm{EI}}{x}^2-\frac{M}{\mathrm{EI}}x+C_1---\left(8\right)$

将式(1)中的θa＝O也即θ₁(O)＝O带入(8)，得常数C₁＝O。所以左段梁的转角函数为：

${\mathrm{\θ}}_1\left(x\right)=\frac{F}{4\mathrm{EI}}{x}^2-\frac{M}{\mathrm{EI}}x---\left(9\right)$

同理，对于右段梁可得微分方程：

$\frac{d^2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{\mathrm{FL}-M-\frac{1}{2}\mathrm{Fx}}{\mathrm{EI}}---\left(10\right)$

一次积分后得：

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{FL}-M}{\mathrm{EI}}x-\frac{F}{4\mathrm{EI}}{x}^2+C_2---\left(11\right)$

将式(1)中的θb＝O也即θ₂(2L)＝O带入式(11)得：

$C_2=\frac{2\mathrm{ML}}{\mathrm{EI}}-\frac{{\mathrm{FL}}^2}{\mathrm{EI}}---\left(12\right)$

所以右段梁的转角函数为：

${\mathrm{\θ}}_2\left(x\right)=\frac{\mathrm{FL}-M}{\mathrm{EI}}x-\frac{F}{4\mathrm{EI}}{x}^2+\frac{2\mathrm{ML}}{\mathrm{EI}}-\frac{{\mathrm{FL}}^2}{\mathrm{EI}}---\left(13\right)$

由于转角的连续性，所以在x＝L即中点处，有：

θ₁(L)＝θ₂(L)            (14)

所以有：

$\frac{{\mathrm{FL}}^2}{4\mathrm{EI}}-\frac{\mathrm{ML}}{\mathrm{EI}}=\frac{{\mathrm{FL}}^2}{\mathrm{EI}}-\frac{\mathrm{ML}}{\mathrm{EI}}-\frac{{\mathrm{FL}}^2}{4\mathrm{EI}}+\frac{2\mathrm{ML}}{\mathrm{EI}}-\frac{{\mathrm{FL}}^2}{\mathrm{EI}}---\left(15\right)$

化简得：

$M=\frac{1}{4}\mathrm{FL}---\left(16\right)$

将式(16)的结果分别带入式(4)与式(6)得弯矩M的函数为：

$M_1\left(x\right)=\frac{1}{2}\mathrm{Fx}-\frac{1}{4}\mathrm{FL}---\left(17\right)$

$M_2\left(x\right)=\frac{3}{4}\mathrm{FL}-\frac{1}{2}\mathrm{Fx}---\left(18\right)$

将x＝O；x＝L带入式(17)，将x＝L；x＝2L带入式(18)得：

$M\left(0\right)=-\frac{1}{4}\mathrm{FL}---\left(19\right)$

$M\left(L\right)=\frac{1}{4}\mathrm{FL}---\left(20\right)$

$M\left(2L\right)=-\frac{1}{4}\mathrm{FL}---\left(21\right)$

以上所进行的理论推导数学公式中：M-弯矩，σmax为最大应力，b为(桥腿)截面宽度，h为(桥腿)截面高度，L为桥腿长，E为杨氏模量，I为转矩。

图7是本发明微测辐射热计的微桥结构的俯视图；图8是本发明微测辐射热计的微桥ANSYS受力模拟分析图；图9是本发明微测辐射热计的微桥ANSYS热应力模拟分析图；根据由桥面自重产生的弯矩沿桥腿变化情况，将桥腿设计成变截面的等强度桥腿后应力场分布，使桥腿各个截面的应力相等，并减小了集中应力。

图10是本发明微测辐射热计的微桥的桥面ANSYS热应力模拟分析图。从图中可以看到由于微加工不可避免高温过程，在高温时结合在一起的薄膜当冷却到室温时就会由于料热膨胀系数不同而产生热应力。所以是在考虑受力和热应力的影响下本发明微测辐射热计的微桥的桥腿的模拟分析，从而证明了本发明的正确性和合理性。

本发明涉及的一种微测辐射热计的微桥与现有技术比较，具有突出的实质性特点和显著的效果为：

1)等强度梁和等截面梁相比省去了不少材料，除了在最大弯矩所在截面相等外，等强度梁的截面积都小于同等位置的等截面梁。因为热导和桥腿的横截面积成正比，所以在同等强度的条件下等强度梁大大减小了桥腿的热导。

2)等强度梁由于宽度减小，使桥腿在整个像素单元所占面积减小，让出的位置可以用来增大填充因子。

3)改进后的桥腿受到的热应力小于原方案。

4)改进后的方案，由于桥腿形状的影响，桥面更接近于正多边形，相当于截去了矩形的四个角。因此在同等桥面面积的前提下改进方案桥面受到的热应力更小。

附图说明

图1为现有微测辐射热计的微桥结构图；

图2为现有微测辐射热计的微桥结构的剖面图；

图3为现有微测辐射热计的微桥ANSYS受力模拟分析图；

图4为现有微测辐射热计的微桥ANSYS热应力模拟分析图；

图5为微测辐射热计的微桥的力学模型；

图6为微测辐射热计的微桥桥腿弯矩图；

图7为本发明微测辐射热计的微桥结构的俯视图；

图8为本发明微测辐射热计的微桥ANSYS受力模拟分析图；

图9为本发明微测辐射热计的微桥ANSYS热应力模拟分析图；

图10为本发明微测辐射热计的微桥桥面ANSYS热应力模拟分析图；

图11为本发明微测辐射热计的微桥平面结构图。

具体实施方式

如图11所示，是本发明微测辐射热计的微桥平面结构图；一种微测辐射热计的微桥由多晶锗硅3和基底硅片构成，在平面上有桥面1、与桥面相连的两个直杆桥腿2，所述的桥腿的根据由桥面自重产生的弯矩沿桥腿变化情况，将桥腿设计成变截面的等强度桥腿，使桥腿的任一截面的最大弯曲正应力均相同，即为在桥腿高度h不变的前提下，任一桥腿截面宽度b要与截面所受力矩M成正比，桥腿两端宽，向中间线形变窄。所述的桥面更接近于正多边形，相当于截去了矩形的四个角。在桥腿中部，由于最小线宽的工艺限制，最窄处只能达到5μm。

Claims (2)

1、一种微测辐射热计的微桥，微桥由多晶锗硅(3)与底衬硅片(4)构成，在平面上有桥面(1)、与桥面相连的两个直杆桥腿(2)，其特征是：所述的桥腿根据由桥面自重产生的弯矩沿桥腿变化情况，将桥腿设计成变截面的等强度桥腿，使桥腿的任一截面的最大弯曲正应力均相同，即为在桥腿高度h不变的前提下，任一截面宽度b要与截面所受力矩M成正比，桥腿两端宽，向中间线形变窄。

2、根据权利要求1所述的一种微测辐射热计的微桥，其特征是：所述的桥面为正多边形，相当于截去了矩形的四个角(3)。

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