專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 輻射熱通量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及采用雙材料微懸臂梁受熱翹曲原理測(cè)量目標(biāo)輻射熱通量的方法及裝置。
背景技術(shù)：
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NationalInsitiute of Standards and Technology, NIST)出版的國(guó)際論壇論文集《Measurement needs for fire safety》 (Thomas J. 0. , Erik L. J. and Richard G. Gann，NISTIR 6527,2000)中，將火焰輻射熱通量列為在火安全科學(xué)與技術(shù)研究中必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取的重要參量之一。而現(xiàn)有熱通量的測(cè)量基本上局限于差溫法(Differential temperature techniques)、量熱法 (Calorimetric techniques)禾口傳質(zhì)類(lèi)比法(Mass transfer techniques)等/L禾中方法，且因受傳感器制作材料的影響和限制，以及測(cè)量方法本身的局限性，上述方法的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、靈敏度等特性都比較差。此外，現(xiàn)有熱通量傳感器因其熱接收面易于被污染、劃損等原因，其測(cè)量性能和結(jié)果往往很易受到測(cè)試對(duì)象或外界因素的影響。因此，亟需發(fā)展基于新原理和新技術(shù)的輻射熱通量測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰等目標(biāo)輻射熱通量高靈敏度、高精度的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量。黃淵在他的博士論文《基于光學(xué)讀出的微懸臂梁生化傳感技術(shù)研究》(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文，2009)中提到，微懸臂粱的上下表面應(yīng)力差與微懸臂粱的端部位移之間遵循斯托尼(Stoney)公式
權(quán)利要求
1.一種基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，包括殼體(6)內(nèi)壁上設(shè)有支架 (8)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1)、激光器(3)、透鏡(4)和光信號(hào)接收器(9)固定在支架(8)上；其特征在于內(nèi)部抽成真空的腔體(10)密閉固定在殼體(6)的透明下端面(5-2)上，真空腔體 (10)朝向激光器(3)的方向設(shè)有透明窗口(5-1)；所述激光器(3)發(fā)出的入射光(Bi)經(jīng)透鏡(4)后會(huì)聚在微懸臂梁(11)的梁體(D)的反光膜層(Cl)上；光信號(hào)接收器(9)置于可接收到反光膜層(Cl)產(chǎn)生的反射光束(B2)形成光斑位置范圍之內(nèi)；所述微懸臂梁(11)包括上表面鍍有雙材料薄膜的單晶硅基底(C3)和在基底(C3)上表面向一側(cè)探出的雙材料復(fù)合薄膜微懸臂梁梁體(D)，該雙材料微懸臂梁梁體(D)為由鋁層和氮化硅層或由金層和氮化硅層所構(gòu)成的雙層復(fù)合平面板；梁體(D)長(zhǎng)百微米至千微米量級(jí)，寬十微米至百微米量級(jí)， 雙層復(fù)合平面板各層厚千納米至微米量級(jí)；單晶硅基底(C3)長(zhǎng)毫米量級(jí)到厘米量級(jí)，寬十微米至百微米量級(jí)，厚百微米量級(jí)，梁體(D)的長(zhǎng)度與基底(C3)的長(zhǎng)度之比為1 100至 1 1 ；其中作為反光膜層(Cl)的材料為鋁或金；作為輻射吸收膜層(C2)的材料是氮化硅； 所述光信號(hào)接收器(9)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)傳輸線(xiàn)(7)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器1轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)數(shù)據(jù)線(xiàn)(2)輸送至電腦(12)，根據(jù)所記錄下來(lái)的信號(hào)的變化計(jì)算輻射功率大小根據(jù)由斯托尼方程、熱變形理論公式和球形面積公式推導(dǎo)得到微懸臂梁梁體的翹曲距離
2.如權(quán)利要求1所述基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征在于所述雙材料微懸臂梁梁體(D)的制作，采取先在長(zhǎng)度為毫米到厘米量級(jí)、寬度十微米至百微米、厚度為十微米至百微米的單晶硅基底(C3)表面采用鍍膜或者低壓化學(xué)氣相沉積法沉積一層氮化硅輻射吸收膜層(C2)，沉積厚度為百納米量級(jí)至十微米量級(jí)，然后采用蒸發(fā)鍍膜、濺射或脈沖激光沉積法鍍膜方法在氮化硅輻射吸收膜層(C2)上表面鍍一層膜厚為百納米量級(jí)至十微米量級(jí)的鋁或金反光膜層(Cl)，在氮化硅輻射吸收膜層(C2)表面形成雙層平面板型復(fù)合結(jié)構(gòu)；采用光刻和刻蝕方法對(duì)作為反光膜層(Cl)和作為輻射吸收膜層(C2)的雙材料復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)加工得到所需尺寸的及表面形狀為三角形或矩形的幾何圖形部件；繼而再次采用刻蝕法去除準(zhǔn)備作為微懸臂梁梁體(D)懸臂部分下面的基底，得到微懸臂梁梁體 (D)；所述刻蝕法采用濕法腐蝕或干法刻蝕。
3.如權(quán)利要求1所述基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征在于所述激光器(3)選用毫瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器、二極管激光器或氦氖激光器。
4.如權(quán)利要求1所述基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征在于所述會(huì)聚透鏡(4)采用單個(gè)凸透鏡或準(zhǔn)直透鏡組。
5.如權(quán)利要求(1)所述基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征在于所述殼體(6)的材料選用金屬材料鋁合金、銅或不銹鋼，或硬度相當(dāng)?shù)乃苣z材料，殼體(6)的形狀選用圓筒形或空心長(zhǎng)方柱體。
6.如權(quán)利要求1所述基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征在于所述光信號(hào)接收器(9)采用位置敏感器，包括一維位移傳感器或二維位移傳感器，或采用電荷耦合器件。
7.如權(quán)利要求1所述基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征在于所述真空腔體(10)采用透明材料包括玻璃、有機(jī)玻璃或者石英玻璃來(lái)制作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置，特征是在復(fù)合結(jié)構(gòu)的微懸臂梁中作為反光膜層的材料為鋁或金；作為輻射吸收膜層的材料是氮化硅；激光經(jīng)透鏡會(huì)聚在反光膜層上反射到光信號(hào)接收器范圍之內(nèi)經(jīng)信號(hào)傳輸線(xiàn)接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器將變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再輸送到電腦計(jì)算出微懸臂梁兩種材料之間的應(yīng)力差與翹曲度的大小，進(jìn)一步計(jì)算得出火災(zāi)輻射功率的大小。本發(fā)明基于雙材料微懸臂梁的輻射熱通量測(cè)量裝置時(shí)間響應(yīng)快，適于瞬態(tài)變化輻射熱信號(hào)測(cè)量；非接觸式測(cè)量，對(duì)目標(biāo)無(wú)干擾、測(cè)量精度高；雙材料微懸臂梁敏感器件采用真空腔封裝，不受環(huán)境因素及被測(cè)目標(biāo)的損傷、污染等影響，適用于火災(zāi)等熱災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)使用。
文檔編號(hào)G01J5/12GK102288300SQ20111012006
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者劉冰, 王喜世, 陶常法 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)