CN201053905Y - 滤波式光学读出微梁温度传感器 - Google Patents

Abstract

滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是设置双材料微梁单元于感温头内，点光源以其投射光束投射在微梁反光板上；在来自微梁反光板的反射光的汇聚谱平面上设置直线边界滤波单元，成像透镜位于直线边界滤波单元之后，设置在成像透镜的成像位置上的光电接受器为光强接收器。本实用新型采用直线边界滤波的光学方法，检测双材料为悬臂梁自由端的热致转角变形，从而精密测量环境温度的变化。

Description

滤波式光学读出微梁温度传感器

技术领域

本实用新型涉及用于探测环境温度的传感元件，尤其涉及一种基于双材料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，提供一种接触型高灵敏度滤波式光学读出微梁温度传感器，采用直线边界滤波的光学方法，检测双材料为悬臂梁自由端的热致转角变形，从而精密测量环境温度的变化。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案。

本实用新型滤波式光学读出微梁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，点光源以其投射光束投射在微梁反光板上；

在来自微梁反光板的反射光的汇聚谱平面上设置直线边界滤波单元，成像透镜位于直线边界滤波单元之后，设置在成像透镜的成像位置上的光电接受器为光强接收器。

本实用新型滤波式光学读出微梁温度传感器的特征也在于：

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。

本实用新型滤波式光学读出微梁温度传感器的特征还在于：

来自点光源的投射光束经准直透镜准直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束经汇聚透镜汇聚，汇聚透镜的后焦平面位于直线边界滤波单元所在的平面。

或点光源的投射光束的准直和微梁反光板上反射光束的汇聚采用同一只透镜。

或是以点光源的汇聚光束为投射光束直接投射在微梁反光板上，经微梁反光板反射后形成的反束光束汇聚光斑的焦点处在滤波单元的所在平面上。

也可以是：光电接受器为光电二极管或光电倍增管。

也可以是：设置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。

也可以是：微梁单元的微梁热变形腿是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。

本实用新型采用双材料微悬臂梁，通过光学滤波方法检测出双材料微悬臂梁的热变形的参量，例如微悬臂梁的端部位移，就可以得到被测物体的温度。与现有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型由于采用光学滤波的方法，将微悬臂梁转角变形引起的读出光束的偏转转变为固定位置光斑的光强变化，光电接收器为光强传感器，可以使光电信号的接收和处理变得更容易。

2、本实用新型由于采用光学滤波的方法，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。

3、本实用新型中由于微悬臂梁的尺寸在微米量级，而梁的厚度甚至到亚微米，因而对环境温度变化非常敏感，用光学滤波方法检测微梁自由端的转角变形或端部位移，可以检测出微K级量级的温度变化。

4、本实用新型通过把微悬臂梁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)。使得温度探测头的面积-体积比增大，提高热导的同时降低了热容量，缩短了热响应时间。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。

5、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为本实用新型传感器结构示意图。

图2、图3为本实用新型传感器不同实施方式结构示意图。

图4为本实用新型温度测试曲线图。

图5为本实用新型滤波方式工作原理示意图。

图中标号：1点光源、2准直透镜、3透光窗、4双材料微梁单元、5感温头、6汇聚透镜、7滤波单元、8成像透镜、9光电接受器、10电源和信号处理装置，11透镜。

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

实施例1：

参见图1，设置双材料微梁单元4于感温头5内，点光源1位于微梁反光板的入射方，并投射在微梁反光板上；

在位于微梁反光板的反射方、来自微梁反光板的反射光的汇聚谱平面上设置直线边界滤波单元7，成像透镜8位于直线边界滤波单元7的后级，设置在成像透镜8的成像位置上的光电接受器9为光强接收器。

图1所示，感温头5由热良导体外壳和充满热良导液体的密闭室构成，密闭室的顶盖为透可见光的透光窗3，双材料微梁单元4浸没于密闭室内的液体中。

本实施例中，来自点光源1的照明光束经准直透镜2准直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束经汇聚透镜6汇聚，汇聚透镜6的后焦平面位于直线边界滤波单元7所在的平面。

光电接受器9为光电二极管或光电倍增管。由点光源1发出的光束经准直透镜2的准直后，在双材料微梁单元4的微梁反光板上反射，再经汇聚透镜6聚焦，在汇聚透镜谱平面汇聚斑中心放置滤波单元7进行滤波，之后成像透镜8将滤波后的光成像在光电接受器9上转变为光电信号。电源和信号处理装置10设置在支架上。

设置半球形感温头5的半径为1~10mm，微梁单元4变形腿的厚度为0.3~3μm，长度为50~1000μm。

具体实施中，如图4所示，微梁是在氮化硅膜上镀金，其微梁的热变形腿由厚度为1μm的SiN_x和厚度为0.02μm的Au复合薄膜构成，SiN_x与Au的厚度比为1∶0.02，长度为200μm，11度的温度变化引起的光电接受器的数值变化为(3340-3180)＝160，微梁的热响应灵敏度为11/160＝0.06875K/光强单位，光电接收器可分辨0.1个光强单位，温度分辨率为6.8mK；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。

实施例2：

参见图2，本实施例中，点光源1的照明光束的准直和微梁反光板上反射光束的汇聚采用同一个透镜11，即准直透镜兼汇聚透镜11，使机构得到简化。

实施例3：

参见图3，相对于上述实施例1和实施例2，本实施例是以点光源1的汇聚光为照明光束直接照射在微梁反光板上，经微梁反光板反射后形成的反束光束汇聚光斑的焦点处在滤波单元7的所在平面上。

图5给出了当采用图1所示的结构时，被微梁反射的光束在汇聚透镜6后焦平面上形成的衍射谱和光学滤波单元7之间的相对位置关系。

图5-1表示的是微梁未受热时，光学滤波单元7和衍射谱的相对位置关系；

图5-2表示的是微梁受热产生偏转后，光学滤波单元7和衍射谱的相对位置关系。在图5中，光学滤波单元的不通光区域由光学滤波单元7表示，定义的滤波边界由701表示。E0，E1和E2分别表示衍射谱0级、1级和2级。图5中没有画出更高级次的衍射光，是因为光能在更高的衍射级次上已经相当弱，对光学滤波已经没有太大的影响。初始状态下，光学滤波单元7的位于衍射谱的0级，即衍射谱光强梯度最大的位置。如图5-1所示；当温度发生变化时，微梁产生弯曲变形，其反射光束的衍射谱发生移动如图5-2所示。由于衍射谱的平移，其部分衍射光已经移出了通光区域进入不通光区域，相应地，光电接受器9上接收到的光强将变弱，由此实现了温度的传感。

Claims (8)

1.滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是：

设置双材料微梁单元(4)于感温头(5)内，点光源(1)以其投射光束投射在微梁反光板上；

在来自微梁反光板的反射光的汇聚谱平面上设置直线边界滤波单元(7)，成像透镜(8)位于直线边界滤波单元(7)之后，设置在成像透镜(8)的成像位置上的光电接受器(9)为光强接收器。

2.根据权利要求1所述的滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是所述感温头(5)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(3)，双材料微梁单元(4)浸没于密闭室内的热良导液体中。

3.根据权利要求2的所述的滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是来自所述点光源(1)的投射光束经准直透镜(2)准直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束经汇聚透镜(6)汇聚，所述汇聚透镜(6)的后焦平面位于直线边界滤波单元(7)所在的平面。

4.根据权利要求3所述的滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是所述点光源(1)的投射光束的准直和微梁反光板上反射光束的汇聚采用同一只透镜(11)。

5.根据权利要求2所述的滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是以点光源(1)的汇聚光束为投射光束直接投射在微梁反光板上，经微梁反光板反射后形成的反束光束汇聚光斑的焦点处在滤波单元(7)的所在平面上。

6.根据权利要求1所述的滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是所述光电接受器(9)为光电二极管或光电倍增管。

7.根据权利要求1所述的滤波式光学读出微梁温度传感器，其特征是设置半球状感温头(5)的半径为1~10mm，微梁单元(4)的热变形腿厚度为0.3~3μm、长度为50~1000μm。

8.根据权利要求7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(4)的微梁热变形腿是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。

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