CN201025457Y

CN201025457Y - 双材料微梁光学读出温度传感器

Info

Publication number: CN201025457Y
Application number: CNU2007200351658U
Authority: CN
Inventors: 张青川; 李凯; 伍小平
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2017-03-20

Abstract

双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是设置双材料微梁单元于感温头内，光源以其投射光束直接投射在微梁反光板上；对应于来自微梁单元中微梁反光板上的反射光束，设置反射光束光学接收器，光学接收器以微梁热变形引起的反射光偏转位置为检测信号。本实用新型采用光杠杆的原理检测双材料微梁自由端的热致转角变形，可用于精密测量环境温度的变化。

Description

双材料微梁光学读出温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于探测环境温度的传感元件，尤其涉及一种基于微悬臂梁的光学读出温度传感器。

背景技术

温度传感器根据工作方式的不同可分为两个大类：接触型和非接触型。接触型温度传感器中，常用的有热电偶、热电阻。非接触型温度传感器最常见的是红外温度传感器。

热电偶有着广泛的使用。热电偶是根据热电势效应制成，两根不同材料的金属导线一端焊接在一起为工作端，未焊接的一端为自由端，两根导线称为电极。使用时将工作端置于待测温度场中，自由端接入仪表以测其电势，并使其温度恒定。热电偶产生的电势称为热电势，通过测量这一电势的变化即可实现对目标温度的测量。其工作范围可在-200～1500℃内，精度通常可达到0.01℃。由于其在工作过程中必须配置一个稳定的温度参考端，使用起来不是很方便，并且由于它在整个传感过程中都是以电信号的传递、测量为基础的，为了达到较高的测量精度需要作大量的电路装置，导致制造成本的提高。此外，在复杂的电磁环境中工作时，作为电子器件，很容易受到其它的非信号噪声干扰。

热电阻传感器工作范围一般在-55～1000℃，测温精度可达到0.1℃，这类探测器所面临的最大问题是严重的非线性，特别是在扩大测温范围、提高测量精度时，这一问题尤为突出。

红外温度传感器是进行非接触式测温的主要工具。一切物体只要它的温度不是热力学零度，总是在不断地发射红外辐射，如电机、电器、炉火，甚至冰块都能产生红外辐射。物体温度变化时，它所辐射的光谱就会发生变化，通过测量这种光谱的改变即可实现对目标物体温度的探测。这种温度传感器的工作范围通常在-80～3000℃，温度分辨率为0.1℃。但这种温度传感器需要配以一套接收辐射以及分析光谱的附加装置，这使得其造价昂贵、系统复杂、体积大。目前，这种温度探测器主要用于对温度较高目标物体的非接触式温度测量，比如炼钢厂中对高温炉的温度检测。

已有的双材料梁热变形温度传感器，由于其传感方式的简单和成本的廉价，被人们当做双金属温度保护器而广泛使用。比如，通过在电器的工作电路中接入此种温度传感器，当电器设备工作出现异常，工作电流随之增加而导致接入的双金属温度传感器发生热变形并自动断开电路，从而使工作电器得到保护。它的工作原理很简单：由于梁是双材料的，当梁周围介质的温度发生变化时，梁吸收热量并转化为其自身的温升，进而引发热变形，由此实现传感。但是，目前此种传感手段所能实现的温度探测灵敏度有限，其原因主要有三个方面，第一、所使用的探测微梁变形的方法精度不高，由此导致传感器的温度分辨率较低；第二、当前普遍使用的双材料梁尺寸都在厘米量级，由此导致其弯曲刚度较大而热变形较小，并且热容较大，热响应时间较长，因此它的温度分辨率(约为0.5℃)和动态响应性能(响应时间约秒量级)都不很理想；第三、当梁的尺寸比较微小(如微米量级)时，准确探测微梁变形存在技术难度。

发明内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种高灵敏度双材料微梁光学读出温度传感器，它采用光杠杆的原理检测双材料微梁自由端的热致转角变形，精密测量环境温度的变化。

本实用新型采用如下技术方案来解决其技术问题：

本实用新型双材料微梁光学读出温度传感器的结构特点是设置双材料微梁单元于感温头内，光源以其投射光束直接投射在微梁反光板上；对应于来自微梁单元中微梁反光板上的反射光束，设置反射光束光学接收器，光学接收器以微梁热变形引起的反射光偏转位置为检测信号。

本实用新型双材料微梁光学读出温度传感器的结构特点也在于：

感温头由热良导体外壳和充满热良导液体的密闭室构成，密闭室的顶盖为可见光透光窗，双材料微梁单元浸没于密闭室内的热良导液体中。

光学接收器采用位移传感器PSD或采用一维线阵电荷耦合器件CCD。

本实用新型双材料微梁光学读出温度传感器的结构特点还在于：

半球状感温头的半径为1～10mm，微梁单元的热变形腿厚度为0.3～3μm，长度为50～1000μm。

微梁单元的热变形腿是Au层和SiNx层的复合薄膜，复合薄膜中Au层和SiNx层的厚度比为0.75，或为0.02，长度为200μm或为800μm。

光源采用聚焦激光束。

本实用新型在具体设计中的温度敏感单元采用双材料微悬臂梁，通过光杠杆原理检测出双材料微梁的热变形的参量，例如微梁的端部位移，就可以得到被测物体的温度。与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1、本实用新型中采用微梁，其热变形腿的长度在数百微米量级，而梁的厚度甚至到亚微米(典型尺寸为长×宽×厚＝200μm×20μm×1μm)，因而对环境温度变化非常敏感，且响应时间短、在实现对温度场的局部温度探测时对温度场本身影响较小。

2、本实用新型中由于采用微梁，所以能够集成在一个微小的热良导体壳中，并充满良性的导热流体介质而形成一个微小的温度探测头(典型尺寸在毫米量级)，从而使温度探测头的热导很大而热容量很小，热响应时间短。

3、本实用新型由于采用光杠杆的读出方式，可高精度地探测微梁的端部转角变形或端部位移，从而实现高灵敏的温度探测。

4、根据材料力学以及热力学的分析，微梁的变形与梁的厚度成反比，与长度的平方成正比。优化微梁的尺寸后，该温度探测器的分辨率可达到微K量级，响应时间可达到亚秒级。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型光杠杆检测原理示意图。

图3为本实用新型实施的温度测试曲线。

图4为本实用新型实施的另一温度测试曲线。

图中标号：1光源、2可见光透光窗、3双材料微梁单元、4感温头、5光学接收器、6电源和信号处理装置、301为微梁基板、302为微梁变形腿、303为微梁反光板。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一步描述：

具体实施方式

参见图1、图2，设置双材料微梁单元3于感温头4内，光源1位于微梁反光板的入射方，并投射在微梁反光板上；对应于来自双材料微梁单元3中微梁反光板上的反射光束，设置反射光束光学接收器5，即光学接收器5位于微梁反光板的反射方，以光学接收器5读出由于微梁热变形引起的反射光偏转位置，光源1采用聚焦激光束。

图1所示，感温头4由热良导体外壳和充满热良导液体的密闭室构成，密闭室的顶盖为可见光透光窗2，双材料微梁单元3浸没于密闭室内的热良导液体中，微梁反光板朝向可见光透光窗2所在的一侧。光源1发出的光束从可见光透光窗2引入感温头4，经微梁反光板反射后，反射光束的偏转由光学接收器5接收并检出，电源和信号处理装置6置于器件支架上。

参见图2，双材料微梁单元3由三部分组成，包括基板301、变形腿302以及微梁反光板303，微梁为双材料梁，由上下两层不同材料的薄膜构成。光源1发出的聚焦激光束入射到微梁反光板303之后被反射进入光学接收器5的靶面，当微梁发生热变形时，反射光束在光学接收器5的靶面上发生位移，光学接收器5将此位移信号转化为电信号输出，由此可实现对微梁变形的检测。

参见图3，微梁可以为氮化硅膜镀金做成，其中，SiNx厚为1μm，Au厚为0.02μm，长度为200μm。用微梁的端部位移量表示其产生的热变形。图3中显现20度的温度变化下微梁的端部位移可达到160nm，即20/160＝0.125K/nm，位移探测系统可分辨微梁端部0.1nm的位移量，可知温度分辨率为0.0125K。对微梁双材料的厚度比进行调整，可以提高其工作性能，比如采用SiNx∶Au＝1∶0.75时，同样长度的微梁，温度分辨率可以提高一个量级以上。

图4所示为具体实施的另一温度测试曲线。微梁的SiNx厚为1μm，Au厚为0.02μm，长为800μm。20度的温度变化引起的微梁端部位移为900nm，即20/900＝0.022K/nm，位移探测系统可分辨微梁端部0.1nm的位移量，可知温度分辨率为0.0022K。同样的，对微梁双材料的厚度比进行调整，可以提高其工作性能，比如采用SiNx∶Au＝1∶0.75时，同样长度的微梁，温度分辨率可以提高一个量级以上。此外，双材料微梁所使用的材料也不限于前面的Au和SiNx，热膨胀系数差异越大的双材料组合越能够提高此温度探测器的探测灵敏度，举例来说，选用Al和SiNx搭配就比Au与SiNx搭配的效果要好，因为Al的热膨胀率比Au要大。

具体实施中，光学接收器5可以采用位移传感器PSD；也可采用一维线阵电荷耦合器件CCD。

半球形感温头4的半径为1～10mm，微梁单元变形腿的尺寸为：厚度0.3～3μm，长度50～1000μm。例如，经过优化后的典型尺寸是感温头4的尺寸为3mm，微梁3的厚度为1μm，其中Au层和SiNx层的厚度比为0.75，长度800μm。

实施例1如图3所示，微梁的热变形腿由厚度为1μm的SiN_x和0.02μm的Au复合薄膜构成，长度为200μm。

实施例2如图4所示，微梁的热变形腿由厚度为1μm的SiN_x和0.02μm的Au复合薄膜构成，长度为800μm。

Claims

1.双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是设置双材料微梁单元(3)于感温头(4)内，光源(1)以其投射光束直接投射在微梁反光板上；对应于来自微梁单元(3)中微梁反光板上的反射光束，设置反射光束光学接收器(5)，所述光学接收器(5)以微梁热变形引起的反射光偏转位置为检测信号。

2.根据权利要求1所述的双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是所述感温头(4)由热良导体外壳和充满热良导液体的密闭室构成，密闭室的顶盖为可见光透光窗(2)，双材料微梁单元(3)浸没于密闭室内的热良导液体中。

3.根据权利要求1所述的双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是所述光学接收器(5)采用位移传感器(PSD)或采用一维线阵电荷耦合器件(CCD)。

4.根据权利要求1所述的双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是所述的半球状感温头(4)的半径为1～10mm，微梁单元(3)的热变形腿厚度为0.3～3μm，长度为50～1000μm。

5.根据权利要求4所述的双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是所述微梁单元(3)的热变形腿是Au层和SiNx层的复合薄膜，复合薄膜中Au层和SiNx层的厚度比为0.75，或为0.02，长度为200μm或为800μm。

6.根据权利要求1所述的双材料微梁光学读出温度传感器，其特征是所述光源(1)采用聚焦激光束。