專利名稱：濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探測(cè)環(huán)境溫度的傳感元件，尤其涉及一種基于雙材料微懸臂梁的光學(xué)讀出溫度傳感器。
背景技術(shù)：
溫度傳感器根據(jù)工作方式的不同可分為兩個(gè)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(jiàn)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(jù)熱電勢(shì)效應(yīng)制成，兩根不同材料的金屬導(dǎo)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(dǎo)線稱為電極。使用時(shí)將工作端置于待測(cè)溫度場(chǎng)中，自由端接入儀表以測(cè)其電勢(shì)，并使其溫度恒定。熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)，通過(guò)測(cè)量這一電勢(shì)的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)溫度的測(cè)量。其工作范圍可在-200～1500℃內(nèi)，精度通常可達(dá)到0.01℃。由于其在工作過(guò)程中必須配置一個(gè)穩(wěn)定的溫度參考端，使用起來(lái)不是很方便，并且由于它在整個(gè)傳感過(guò)程中都是以電信號(hào)的傳遞、測(cè)量為基礎(chǔ)的，為了達(dá)到較高的測(cè)量精度需要作大量的電路裝置，導(dǎo)致制造成本的提高。此外，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作時(shí)，作為電子器件，很容易受到其它的非信號(hào)噪聲干擾。
熱電阻傳感器工作范圍一般在-55～1000℃，測(cè)溫精度可達(dá)到0.1℃，這類探測(cè)器所面臨的最大問(wèn)題是嚴(yán)重的非線性，特別是在擴(kuò)大測(cè)溫范圍、提高測(cè)量精度時(shí)，這一問(wèn)題尤為突出。
紅外溫度傳感器是進(jìn)行非接觸式測(cè)溫的主要工具。一切物體只要它的溫度不是熱力學(xué)零度，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射，如電機(jī)、電器、爐火，甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射。物體溫度變化時(shí)，它所輻射的光譜就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量這種光譜的改變即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體溫度的探測(cè)。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(jià)昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、體積大。目前，這種溫度探測(cè)器主要用于對(duì)溫度較高目標(biāo)物體的非接觸式溫度測(cè)量，比如煉鋼廠中對(duì)高溫爐的溫度檢測(cè)。
已有的雙材料梁熱變形溫度傳感器，由于其傳感方式的簡(jiǎn)單和成本的廉價(jià)，被人們當(dāng)做雙金屬溫度保護(hù)器而廣泛使用。比如，通過(guò)在電器的工作電路中接入此種溫度傳感器，當(dāng)電器設(shè)備工作出現(xiàn)異常，工作電流隨之增加而導(dǎo)致接入的雙金屬溫度傳感器發(fā)生熱變形并自動(dòng)斷開電路，從而使工作電器得到保護(hù)。它的工作原理很簡(jiǎn)單由于梁是雙材料的，當(dāng)梁周圍介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時(shí)，梁吸收熱量并轉(zhuǎn)化為其自身的溫升，進(jìn)而引發(fā)熱變形，由此實(shí)現(xiàn)傳感。但是，目前此種傳感手段所能實(shí)現(xiàn)的溫度探測(cè)靈敏度有限，其原因主要有三個(gè)方面，第一、所使用的探測(cè)微梁變形的方法精度不高，由此導(dǎo)致傳感器的溫度分辨率較低；第二、當(dāng)前普遍使用的雙材料梁尺寸都在厘米量級(jí)，由此導(dǎo)致其彎曲剛度較大而熱變形較小，并且熱容較大，熱響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此它的溫度分辨率(約為0.5℃)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能(響應(yīng)時(shí)間約秒量級(jí))都不很理想；第三、當(dāng)梁的尺寸比較微小(如微米量級(jí))時(shí)，準(zhǔn)確探測(cè)微梁變形存在技術(shù)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種接觸型高靈敏度濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，采用直線邊界濾波的光學(xué)方法，檢測(cè)雙材料為懸臂梁自由端的熱致轉(zhuǎn)角變形，從而精密測(cè)量環(huán)境溫度的變化。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案。
本發(fā)明濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置雙材料微梁?jiǎn)卧诟袦仡^內(nèi)，點(diǎn)光源以其投射光束投射在微梁反光板上；在來(lái)自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設(shè)置直線邊界濾波單元，成像透鏡位于直線邊界濾波單元之后，設(shè)置在成像透鏡的成像位置上的光電接受器為光電接收器。
本發(fā)明濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的特征也在于感溫頭由熱良導(dǎo)體外殼和充滿熱良導(dǎo)液體的密閉室構(gòu)成，密閉室的頂蓋為可見(jiàn)光透光窗，雙材料微梁?jiǎn)卧](méi)于密閉室內(nèi)的熱良導(dǎo)液體中。
本發(fā)明濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的特征還在于來(lái)自點(diǎn)光源的投射光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束經(jīng)匯聚透鏡匯聚，匯聚透鏡的后焦平面位于直線邊界濾波單元所在的平面。
或點(diǎn)光源的投射光束的準(zhǔn)直和微梁反光板上反射光束的匯聚采用同一只透鏡。
或是以點(diǎn)光源的匯聚光束為投射光束直接投射在微梁反光板上，經(jīng)微梁反光板反射后形成的反束光束匯聚光斑的焦點(diǎn)處在濾波單元的所在平面上。
也可以是光電接受器為光電二極管或光電倍增管。
也可以是設(shè)置半球狀感溫頭的半徑為1~10mm，微梁?jiǎn)卧臒嶙冃瓮群穸葹?.3~3μm、長(zhǎng)度為50~1000μm。
也可以是微梁?jiǎn)卧奈⒘簾嶙冃瓮仁茿u層和SiNx層的復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜中Au層和SiNx層的厚度比為0.75，或?yàn)?.02，長(zhǎng)度為200μm或?yàn)?00μm。
本發(fā)明采用雙材料微懸臂梁，通過(guò)光學(xué)濾波方法檢測(cè)出雙材料微懸臂梁的熱變形的參量，例如微懸臂梁的端部位移，就可以得到被測(cè)物體的溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、本發(fā)明由于采用光學(xué)濾波的方法，將微懸臂梁轉(zhuǎn)角變形引起的讀出光束的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄎ恢霉獍叩墓鈴?qiáng)變化，光電接收器為光強(qiáng)傳感器，可以使光電信號(hào)的接收和處理變得更容易。
2、本發(fā)明由于采用光學(xué)濾波的方法，可高精度地探測(cè)微梁的端部轉(zhuǎn)角變形或端部位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的溫度探測(cè)。
3、本發(fā)明中由于微懸臂梁的尺寸在微米量級(jí)，而梁的厚度甚至到亞微米，因而對(duì)環(huán)境溫度變化非常敏感，用光學(xué)濾波方法檢測(cè)微梁自由端的轉(zhuǎn)角變形或端部位移，可以檢測(cè)出微K級(jí)量級(jí)的溫度變化。
4、本發(fā)明通過(guò)把微懸臂梁集成在一個(gè)微小的熱良導(dǎo)體殼中，并充滿良性的導(dǎo)熱流體介質(zhì)而形成一個(gè)微小的溫度探測(cè)頭(典型尺寸在毫米量級(jí))。使得溫度探測(cè)頭的面積-體積比增大，提高熱導(dǎo)的同時(shí)降低了熱容量，縮短了熱響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)的局部溫度探測(cè)時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)本身影響較小。
5、根據(jù)材料力學(xué)以及熱力學(xué)的分析，微梁的變形與梁的厚度成反比，與長(zhǎng)度的平方成正比。優(yōu)化微梁的尺寸后，該溫度探測(cè)器的分辨率可達(dá)到微K量級(jí)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到亞秒級(jí)。


圖1為本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2、圖3為本發(fā)明傳感器不同實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明溫度測(cè)試曲線圖。圖中A部分為微梁顯微照片。
圖5為本發(fā)明濾波方式工作原理示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1點(diǎn)光源、2準(zhǔn)直透鏡、3透光窗、4雙材料微梁?jiǎn)卧?感溫頭、6匯聚透鏡、7濾波單元、8成像透鏡、9光電接受器、10電源和信號(hào)處理裝置，11透鏡。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1參見(jiàn)圖1，設(shè)置雙材料微梁?jiǎn)卧?于感溫頭5內(nèi)，點(diǎn)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、來(lái)自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設(shè)置直線邊界濾波單元7，成像透鏡8位于直線邊界濾波單元7的后級(jí)，設(shè)置在成像透鏡8的成像位置上的光電接受器9為光強(qiáng)接收器，光強(qiáng)接收器。
圖1所示，感溫頭5由熱良導(dǎo)體外殼和充滿熱良導(dǎo)液體的密閉室構(gòu)成，密閉室的頂蓋為透可見(jiàn)光的透光窗3，雙材料微梁?jiǎn)卧?浸沒(méi)于密閉室內(nèi)的液體中。
本實(shí)施例中，來(lái)自點(diǎn)光源1的照明光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束經(jīng)匯聚透鏡6匯聚，匯聚透鏡6的后焦平面位于直線邊界濾波單元7所在的平面。
光電接受器9為光電二極管或光電倍增管。由點(diǎn)光源1發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2的準(zhǔn)直后，在雙材料微梁?jiǎn)卧?的微梁反光板上反射，再經(jīng)匯聚透鏡6聚焦，在匯聚透鏡譜平面匯聚斑中心放置濾波單元7進(jìn)行濾波，之后成像透鏡8將濾波后的光成像在光電接受器9上轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)。電源和信號(hào)處理裝置10設(shè)置在支架上。
設(shè)置半球形感溫頭5的半徑為1~10mm，微梁?jiǎn)卧?變形腿的厚度為0.3~3μm，長(zhǎng)度為50~1000μm。
具體實(shí)施中，如圖4所示，微梁是在氮化硅膜上鍍金，其微梁的熱變形腿由厚度為1μm的SiNx和厚度為0.02μm的Au復(fù)合薄膜構(gòu)成，SiNx與Au的厚度比為1∶0.02，長(zhǎng)度為200μm，11度的溫度變化引起的光電接受器的數(shù)值變化為(3340-3180)＝160，微梁的熱響應(yīng)靈敏度為11/160＝0.06875K/光強(qiáng)單位，光電接收器可分辨0.1個(gè)光強(qiáng)單位，溫度分辨率為6.8mK；對(duì)微梁雙材料的厚度比進(jìn)行調(diào)整，可以提高其工作性能，比如采用SiNx∶Au＝1∶0.75時(shí)，同樣長(zhǎng)度的微梁，溫度分辨率可以提高一個(gè)量級(jí)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(shù)差異越大的雙材料組合越能夠提高此溫度探測(cè)器的探測(cè)靈敏度，舉例來(lái)說(shuō)，選用Al和SiNx搭配就比Au與SiNx搭配的效果要好，因?yàn)锳l的熱膨脹率比Au要大。
實(shí)施例2參見(jiàn)圖2，本實(shí)施例中，點(diǎn)光源1的照明光束的準(zhǔn)直和微梁反光板上反射光束的匯聚采用同一個(gè)透鏡11，即準(zhǔn)直透鏡兼匯聚透鏡11，使機(jī)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。
實(shí)施例3參見(jiàn)圖3，相對(duì)于上述實(shí)施例1和實(shí)施例2，本實(shí)施例是以點(diǎn)光源1的匯聚光為照明光束直接照射在微梁反光板上，經(jīng)微梁反光板反射后形成的反束光束匯聚光斑的焦點(diǎn)處在濾波單元7的所在平面上。
圖5給出了當(dāng)采用圖1所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，被微梁反射的光束在匯聚透鏡6后焦平面上形成的衍射譜和光學(xué)濾波單元7之間的相對(duì)位置關(guān)系。
圖5-1表示的是微梁未受熱時(shí)，光學(xué)濾波單元7和衍射譜的相對(duì)位置關(guān)系；圖5-2表示的是微梁受熱產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)后，光學(xué)濾波單元7和衍射譜的相對(duì)位置關(guān)系。在圖5中，光學(xué)濾波單元的不通光區(qū)域由光學(xué)濾波單元7表示，定義的濾波邊界由701表示。E0，E1和E2分別表示衍射譜0級(jí)、1級(jí)和2級(jí)。圖5中沒(méi)有畫出更高級(jí)次的衍射光，是因?yàn)楣饽茉诟叩难苌浼?jí)次上已經(jīng)相當(dāng)弱，對(duì)光學(xué)濾波已經(jīng)沒(méi)有太大的影響。初始狀態(tài)下，光學(xué)濾波單元7的位于衍射譜的0級(jí)，即衍射譜光強(qiáng)梯度最大的位置。如圖5-1所示；當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，微梁產(chǎn)生彎曲變形，其反射光束的衍射譜發(fā)生移動(dòng)如圖5-2所示。由于衍射譜的平移，其部分衍射光已經(jīng)移出了通光區(qū)域進(jìn)入不通光區(qū)域，相應(yīng)地，光電接受器9上接收到的光強(qiáng)將變?nèi)酰纱藢?shí)現(xiàn)了溫度的傳感。
權(quán)利要求
1.濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是設(shè)置雙材料微梁?jiǎn)卧?4)于感溫頭(5)內(nèi)，點(diǎn)光源(1)以其投射光束投射在微梁反光板上；在來(lái)自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設(shè)置直線邊界濾波單元(7)，成像透鏡(8)位于直線邊界濾波單元(7)之后，設(shè)置在成像透鏡(8)的成像位置上的光電接受器(9)為光電接收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是所述感溫頭(5)由熱良導(dǎo)體外殼和充滿熱良導(dǎo)液體的密閉室構(gòu)成，密閉室的頂蓋為可見(jiàn)光透光窗(3)，雙材料微梁?jiǎn)卧?4)浸沒(méi)于密閉室內(nèi)的熱良導(dǎo)液體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的所述的濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是來(lái)自所述點(diǎn)光源(1)的投射光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(2)準(zhǔn)直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束經(jīng)匯聚透鏡(6)匯聚，所述匯聚透鏡(6)的后焦平面位于直線邊界濾波單元(7)所在的平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是所述點(diǎn)光源(1)的投射光束的準(zhǔn)直和微梁反光板上反射光束的匯聚采用同一只透鏡(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是以點(diǎn)光源(1)的匯聚光束為投射光束直接投射在微梁反光板上，經(jīng)微梁反光板反射后形成的反束光束匯聚光斑的焦點(diǎn)處在濾波單元(7)的所在平面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是所述光電接受器(9)為光電二極管或光電倍增管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是設(shè)置半球狀感溫頭(5)的半徑為1~10mm，微梁?jiǎn)卧?4)的熱變形腿厚度為0.3~3μm、長(zhǎng)度為50~1000μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙材料微梁光學(xué)讀出溫度傳感器，其特征是所述微梁?jiǎn)卧?4)的微梁熱變形腿是Au層和SiNx層的復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜中Au層和SiNx層的厚度比為0.75，或?yàn)?.02，長(zhǎng)度為200μm或?yàn)?00μm。
全文摘要
濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是設(shè)置雙材料微梁?jiǎn)卧诟袦仡^內(nèi)，點(diǎn)光源以其投射光束投射在微梁反光板上；在來(lái)自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設(shè)置直線邊界濾波單元，成像透鏡位于直線邊界濾波單元之后，設(shè)置在成像透鏡的成像位置上的光電接受器為光電接收器。本發(fā)明采用直線邊界濾波的光學(xué)方法，檢測(cè)雙材料為懸臂梁自由端的熱致轉(zhuǎn)角變形，從而精密測(cè)量環(huán)境溫度的變化。
文檔編號(hào)G01K5/48GK101021441SQ20071002066
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者張青川, 李凱, 伍小平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)