專利名稱：雙材料微梁光學讀出溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于探測環境溫度的傳感元件，尤其涉及一種基于微懸臂梁的光學讀出溫度傳感器。
背景技術：
溫度傳感器根據工作方式的不同可分為兩個大類接觸型和非接觸型。接觸型溫度傳感器中，常用的有熱電偶、熱電阻。非接觸型溫度傳感器最常見的是紅外溫度傳感器。
熱電偶有著廣泛的使用。熱電偶是根據熱電勢效應制成，兩根不同材料的金屬導線一端焊接在一起為工作端，未焊接的一端為自由端，兩根導線稱為電極。使用時將工作端置于待測溫度場中，自由端接入儀表以測其電勢，并使其溫度恒定。熱電偶產生的電勢稱為熱電勢，通過測量這一電勢的變化即可實現對目標溫度的測量。其工作范圍可在-200～1500℃內，精度通常可達到0.01℃。由于其在工作過程中必須配置一個穩定的溫度參考端，使用起來不是很方便，并且由于它在整個傳感過程中都是以電信號的傳遞、測量為基礎的，為了達到較高的測量精度需要作大量的電路裝置，導致制造成本的提高。此外，在復雜的電磁環境中工作時，作為電子器件，很容易受到其它的非信號噪聲干擾。
熱電阻傳感器工作范圍一般在-55～1000℃，測溫精度可達到0.1℃，這類探測器所面臨的最大問題是嚴重的非線性，特別是在擴大測溫范圍、提高測量精度時，這一問題尤為突出。
紅外溫度傳感器是進行非接觸式測溫的主要工具。一切物體只要它的溫度不是熱力學零度，總是在不斷地發射紅外輻射，如電機、電器、爐火，甚至冰塊都能產生紅外輻射。物體溫度變化時，它所輻射的光譜就會發生變化，通過測量這種光譜的改變即可實現對目標物體溫度的探測。這種溫度傳感器的工作范圍通常在-80～3000℃，溫度分辨率為0.1℃。但這種溫度傳感器需要配以一套接收輻射以及分析光譜的附加裝置，這使得其造價昂貴、系統復雜、體積大。目前，這種溫度探測器主要用于對溫度較高目標物體的非接觸式溫度測量，比如煉鋼廠中對高溫爐的溫度檢測。
已有的雙材料梁熱變形溫度傳感器，由于其傳感方式的簡單和成本的廉價，被人們當做雙金屬溫度保護器而廣泛使用。比如，通過在電器的工作電路中接入此種溫度傳感器，當電器設備工作出現異常，工作電流隨之增加而導致接入的雙金屬溫度傳感器發生熱變形并自動斷開電路，從而使工作電器得到保護。它的工作原理很簡單由于梁是雙材料的，當梁周圍介質的溫度發生變化時，梁吸收熱量并轉化為其自身的溫升，進而引發熱變形，由此實現傳感。但是，目前此種傳感手段所能實現的溫度探測靈敏度有限，其原因主要有三個方面，第一、所使用的探測微梁變形的方法精度不高，由此導致傳感器的溫度分辨率較低；第二、當前普遍使用的雙材料梁尺寸都在厘米量級，由此導致其彎曲剛度較大而熱變形較小，并且熱容較大，熱響應時間較長，因此它的溫度分辨率(約為0.5℃)和動態響應性能(響應時間約秒量級)都不很理想；第三、當梁的尺寸比較微小(如微米量級)時，準確探測微梁變形存在技術難度。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種高靈敏度雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，它采用光杠桿的原理檢測雙材料微梁自由端的熱致轉角變形，精密測量環境溫度的變化。
本發明采用如下技術方案來解決其技術問題本發明雙材料微梁光學讀出溫度傳感器的結構特點是設置雙材料微梁單元于感溫頭內，光源以其投射光束直接投射在微梁反光板上；對應于來自微梁單元中微梁反光板上的反射光束，設置反射光束光學接收器，光學接收器以微梁熱變形引起的反射光偏轉位置為檢測信號。
本發明雙材料微梁光學讀出溫度傳感器的結構特點也在于感溫頭由熱良導體外殼和充滿熱良導液體的密閉室構成，密閉室的頂蓋為可見光透光窗，雙材料微梁單元浸沒于密閉室內的熱良導液體中。
光學接收器采用位移傳感器PSD或采用一維線陣電荷耦合器件CCD。
本發明雙材料微梁光學讀出溫度傳感器的結構特點還在于半球狀感溫頭的半徑為1～10mm，微梁單元的熱變形腿厚度為0.3～3μm，長度為50～1000μm。
微梁單元的熱變形腿是Au層和SiNx層的復合薄膜，復合薄膜中Au層和SiNx層的厚度比為0.75，或為0.02，長度為200μm或為800μm。
光源采用聚焦激光束。
本發明在具體設計中的溫度敏感單元采用雙材料微懸臂梁，通過光杠桿原理檢測出雙材料微梁的熱變形的參量，例如微梁的端部位移，就可以得到被測物體的溫度。與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明中采用微梁，其熱變形腿的長度在數百微米量級，而梁的厚度甚至到亞微米(典型尺寸為長×寬×厚＝200μm×20μm×1μm)，因而對環境溫度變化非常敏感，且響應時間短、在實現對溫度場的局部溫度探測時對溫度場本身影響較小。
2、本發明中由于采用微梁，所以能夠集成在一個微小的熱良導體殼中，并充滿良性的導熱流體介質而形成一個微小的溫度探測頭(典型尺寸在毫米量級)，從而使溫度探測頭的熱導很大而熱容量很小，熱響應時間短。
3、本發明由于采用光杠桿的讀出方式，可高精度地探測微梁的端部轉角變形或端部位移，從而實現高靈敏的溫度探測。
4、根據材料力學以及熱力學的分析，微梁的變形與梁的厚度成反比，與長度的平方成正比。優化微梁的尺寸后，該溫度探測器的分辨率可達到微K量級，響應時間可達到亞秒級。
圖1為本發明結構示意圖。
圖2為本發明光杠桿檢測原理示意圖。
圖3為本發明實施的溫度測試曲線。
圖4為本發明實施的另一溫度測試曲線。
圖中標號1光源、2可見光透光窗、3雙材料微梁單元、4感溫頭、5光學接收器、6電源和信號處理裝置、301為微梁基板、302為微梁變形腿、303為微梁反光板。
以下通過具體實施方式
，并結合附圖對本發明作進一步描述具體實施方式
參見圖1、圖2，設置雙材料微梁單元3于感溫頭4內，光源1位于微梁反光板的入射方，并投射在微梁反光板上；對應于來自雙材料微梁單元3中微梁反光板上的反射光束，設置反射光束光學接收器5，即光學接收器5位于微梁反光板的反射方，以光學接收器5讀出由于微梁熱變形引起的反射光偏轉位置，光源1采用聚焦激光束。
圖1所示，感溫頭4由熱良導體外殼和充滿熱良導液體的密閉室構成，密閉室的頂蓋為可見光透光窗2，雙材料微梁單元3浸沒于密閉室內的熱良導液體中，微梁反光板朝向可見光透光窗2所在的一側。光源1發出的光束從可見光透光窗2引入感溫頭4，經微梁反光板反射后，反射光束的偏轉由光學接收器5接收并檢出，電源和信號處理裝置6置于器件支架上。
參見圖2，雙材料微梁單元3由三部分組成，包括基板301、變形腿302以及微梁反光板303，微梁為雙材料梁，由上下兩層不同材料的薄膜構成。光源1發出的聚焦激光束入射到微梁反光板303之后被反射進入光學接收器5的靶面，當微梁發生熱變形時，反射光束在光學接收器5的靶面上發生位移，光學接收器5將此位移信號轉化為電信號輸出，由此可實現對微梁變形的檢測。
參見圖3，微梁可以為氮化硅膜鍍金做成，其中，SiNx厚為1μm，Au厚為0.02μm，長度為200μm。用微梁的端部位移量表示其產生的熱變形。圖3中顯現20度的溫度變化下微梁的端部位移可達到160nm，即20/160＝0.125K/nm，位移探測系統可分辨微梁端部0.1nm的位移量，可知溫度分辨率為0.0125K。對微梁雙材料的厚度比進行調整，可以提高其工作性能，比如采用SiNx∶Au＝1∶0.75時，同樣長度的微梁，溫度分辨率可以提高一個量級以上。
圖4所示為具體實施的另一溫度測試曲線。微梁的SiNx厚為1μm，Au厚為0.02μm，長為800μm。20度的溫度變化引起的微梁端部位移為900nm，即20/900＝0.022K/nm，位移探測系統可分辨微梁端部0.1nm的位移量，可知溫度分辨率為0.0022K。同樣的，對微梁雙材料的厚度比進行調整，可以提高其工作性能，比如采用SiNx∶Au＝1∶0.75時，同樣長度的微梁，溫度分辨率可以提高一個量級以上。此外，雙材料微梁所使用的材料也不限于前面的Au和SiNx，熱膨脹系數差異越大的雙材料組合越能夠提高此溫度探測器的探測靈敏度，舉例來說，選用Al和SiNx搭配就比Au與SiNx搭配的效果要好，因為Al的熱膨脹率比Au要大。
具體實施中，光學接收器5可以采用位移傳感器PSD；也可采用一維線陣電荷耦合器件CCD。
半球形感溫頭4的半徑為1～10mm，微梁單元變形腿的尺寸為厚度0.3～3μm，長度50～1000μm。例如，經過優化后的典型尺寸是感溫頭4的尺寸為3mm，微梁3的厚度為1μm，其中Au層和SiNx層的厚度比為0.75，長度800μm。
實施例1如圖3所示，微梁的熱變形腿由厚度為1μm的SiNx和0.02μm的Au復合薄膜構成，長度為200μm。
實施例2如圖4所示，微梁的熱變形腿由厚度為1μm的SiNx和0.02μm的Au復合薄膜構成，長度為800μm。
權利要求
1.雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是設置雙材料微梁單元(3)于感溫頭(4)內，光源(1)以其投射光束直接投射在微梁反光板上；對應于來自微梁單元(3)中微梁反光板上的反射光束，設置反射光束光學接收器(5)，所述光學接收器(5)以微梁熱變形引起的反射光偏轉位置為檢測信號。
2.根據權利要求1所述的雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是所述感溫頭(4)由熱良導體外殼和充滿熱良導液體的密閉室構成，密閉室的頂蓋為可見光透光窗(2)，雙材料微梁單元(3)浸沒于密閉室內的熱良導液體中。
3.根據權利要求1所述的雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是所述光學接收器(5)采用位移傳感器(PSD)或采用一維線陣電荷耦合器件(CCD)。
4.根據權利要求1所述的雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是所述的半球狀感溫頭(4)的半徑為1～10mm，微梁單元(3)的熱變形腿厚度為0.3～3μm，長度為50～1000μm。
5.根據權利要求4所述的雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是所述微梁單元(3)的熱變形腿是Au層和SiNx層的復合薄膜，復合薄膜中Au層和SiNx層的厚度比為0.75，或為0.02，長度為200μm或為800μm。
6.根據權利要求1所述的雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是所述光源(1)采用聚焦激光束。
全文摘要
雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是設置雙材料微梁單元于感溫頭內，光源以其投射光束直接投射在微梁反光板上；對應于來自微梁單元中微梁反光板上的反射光束，設置反射光束光學接收器，光學接收器以微梁熱變形引起的反射光偏轉位置為檢測信號。本發明采用光杠桿的原理檢測雙材料微梁自由端的熱致轉角變形，可用于精密測量環境溫度的變化。
文檔編號G01K5/48GK101021440SQ20071002066
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月20日 優先權日2007年3月20日
發明者張青川, 李凱, 伍小平 申請人:中國科學技術大學
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