——热敏感与执行原理.ppt

1、第4章，热灵敏度和执行原理，热传感器和致动器概述-热传感器和致动器-热传递的基本原理-热致动器和基于热膨胀的致动器-热双层的基本原理-使用微型传感器的热致动器的热电偶和热电阻示例-热微型致动器的制动模式示例-热致动器、热传感器和致动器概述-热传感器包括两种含义：用于测量温度和热量等热属性的传感器。(2)基于传热原理的传感器。热传感器和致动器概述热致动器、微型器件和结构的实现可以通过向它们注入或从中提取热量来实现。温度分布的变化将通过热膨胀、热收缩或相变导致机械位移或力输出。微结构通过吸收电磁波热、欧姆热、热传导和热对流来提高温度；通过热传导、热对流、热辐射和主动热电制冷可以降低微结构的温度。热

2、执行原理已被用于商用微机电系统产品。如今，许多喷墨打印机利用墨水的热膨胀来喷射墨滴。热敏喷墨打印机墨水喷嘴示意图如下图所示。热传感器和致动器概述热传递的基本原理。原子在微尺度上的振动证明了温度的存在。当材料中存在温度梯度时，就会发生热传递。从一点到另一点的热传递有四种可能的机制：1)传导，即当存在温度梯度时，热量通过固体介质传递；2)自然对流，即热量从表面传递到静态流体，流体中的温度梯度通过浮力引起液体的局部流动，流体质量的运动促进热量传递；3)强制对流，即热量传递到运动流体的内部，这比自然热对流引起的热传递更强；4)辐射，即在真空或空气中传播的电磁辐射引起的热量损失或增加。传感器和致动器基于

3、热膨胀，这是材料的常见行为。当温度升高时，由半导体、金属和绝缘体材料组成的结构的尺寸和体积将增加。热双层原理对于传感和执行，热双金属效应是一种非常常见的方法。这种效应可以将微结构的温度变化转化为机械梁的横向位移。图热双金属的弯曲()，基于热膨胀传感器和致动器热双层的原理，热双层由两种材料沿纵向连接在一起组成，这两种材料构成一个机械单元。它们长度相同，但热膨胀系数不同(CTE)。当温度均匀变化时，两层的长度变化不同。光束弯曲到热膨胀系数较小的材料层一侧。这样就产生了横梁弯曲。许多常用的机电恒温器都使用这一原理。恒温器是螺旋双层金属线圈。绕组梁的末端与继电器相连，继电器是一个密封的含汞玻璃管。当环

4、境温度变化时，线圈末端倾斜并触发水银柱下降继电器的移动，从而控制加热/冷却回路中的电流。例4.1双层悬臂梁由两个不同长度的层组成。上层由铝(材料2)制成，下层由氮化硅(材料1)制成。两层的宽度都是20微米。从a点到b点的长度是100微米，从b点到c点的长度也是100微米。铝和氮化硅的杨氏模量分别为。厚度是。热膨胀系统是指悬臂梁在室温下是直的。相对于室温，梁被均匀加热20，并计算悬臂梁的曲率半径(r)和自由端的垂直位移。这种组合梁有两个部分。在双层效应的影响下，A点到B点的截面发生弯曲。从B点到C点的截面仅由一种材料组成，这种材料本身不会弯曲，但会随着B点的弯曲而弯曲.对于截面AB，以下表达式可

5、用于计算曲率半径。的半径如果层状热双层材料堆叠在垂直表面上，会发生面内位移，但是很难制造这种堆叠结构。曲梁电热致动器是一种基于单一材料的热致动器，可以产生面内位移。如右图所示，弯曲光束由掺杂到一定浓度的硅制成，充当欧姆加热器。流经弯曲梁的电流导致两个分支扩展，导致顶端向横向移动。图曲梁电热执行器、热电偶、两段由两种不同材料制成的导线在一点上组合成热电偶。热电偶最常用于测量敏感点和参考点之间的温差。根据两个接点之间的温度梯度，热电偶也可以发电。与热电阻和其他温度传感方法相比，热电偶有一些独特的优势。热电偶的输出没有偏移和漂移。除了光，它不受任何物理信号的干扰，并且热电偶是自供电的，而不是施加电压

6、。热敏电阻是一种温度传感器，通常由半导体氧化物制成，它显示出大而优良的热系数，通常为负值。通常使用负温度系数的热电阻，电阻由施泰因哈特-哈特方程计算。热电阻和热电阻可以由金属或半导体制成。在这两种情况下，热阻的大小随温度而变化。常用的热敏电阻指的是半导体热敏电阻。半导体热敏电阻具有电阻率大、易于小型化的优点。TCR是电阻的温度系数，热电阻的伏安曲线的弯曲程度与绝缘热有关。对于两个相同的热阻，在给定的电压下，隔热性较好的热阻会达到较高的温度，热阻变化较大；相反，隔热性差的装置平衡温度较低，其伏安曲线不太弯曲。加速度计结构包括欧姆加热器和围绕加热器对称放置的两个温度传感器。硅片被放置在一个内部有空

7、气的密封体内。加热器加热空气。在静止状态下，热气囊在空间中对称分布，两个温度传感器具有相同的温度读数。如果对封装施加加速度，芯片将沿着施加加速度的方向轻微移动。由于惯性，气体会落后，导致空气中的温度分布不对称。两个温度传感器的读数将会不同，温度差对应于所施加加速度的大小。基于传热原理的加速度计、应用流量传感器和热线风速仪是测量液体流速的成熟技术。它使用热元件作为热电阻加热器和温度传感器。当热敏电阻工作时，它被偏置在自加热区，其温度和电阻随着液体流动的速度而变化。热线风速仪采用红外传感器，当悬臂梁吸收入射红外辐射时，温度会升高，导致双金属梁弯曲。通过检测双金属梁的弯曲位移可以得到温度的变化。基于

8、电容敏感型红外传感器，热电偶是最常用的热测量传感器。它的工作原理是依靠两根不同的金属丝的末端产生的电动势，这种电动势是在两根金属丝的交叉点(称为节点)被加热时产生的。热电偶传感器，微型传感器的例子-热学、热电偶，在热电偶电路中增加了另一个节点，并使其温度不同于其他节点的温度，从而可以从电路中引入温度梯度。热电偶原理微型温度传感器的一个严重缺点是输出信号随着线和节点尺寸的减小而减小。微型热电堆是小型化热传感的理想解决方案。Choi和Wise于1986年开发的微型热电堆、热阻传感器和热阻效应：材料电阻随温度变化而变化。从阻力公式可以看出。当温度改变时，尺寸也会改变，并且也会显著改变。微致动器致动模

9、式的例子热致动器、由热驱动的热致动器或简单的加热器(电阻器)被广泛用于微机械设备，这是一个领域热气动力型：典型的方法是用密封流体(如空气、水蒸气和液态水等)形成空腔。)。当空腔中的流体被加热时，它将膨胀，压力将增加，从而推动薄膜移动。固体热膨胀：双晶片热致动器。热激励器的一个基本方案是利用两种键合材料不同的热膨胀系数，称为双晶片热激励。加热器通常夹在两层“移动”材料之间，通电后会产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性偏移能量关系和环境稳定性，例如，这些致动器可以在热导率相对较低的液体中工作。缺点包括高功耗、低带宽(由热时间常数决定)和比静电致动器更复杂的结构。双晶片热致动器、双金属致动器和双金属

10、致动器也是热致动器，但是它们不使用固体的体积膨胀，而是使用固体的线性膨胀来制造微致动器。双金属热致动通过加热实现，这使得驱动元件的温度升高，并在结构内部产生热应力，这导致薄膜的线性应变。双金属热驱动方式具有驱动电压低、驱动力大、行程大、线性位移能量关系、结构和制造工艺简单(与热气动方式相比)、驱动能量容易实现、易于集成等特点，具有广阔的应用前景。热膨胀系数，厚度，宽度，美国集成电路传感器公司利用这种双金属驱动原理开发的阀门。其中，具有硅膜厚度、直径、铝层厚度和常开间隙的阀门可以控制0.2兆帕的空气流量，泄漏量仅为45L/min。双金属驱动阀，热气动执行机构：体积膨胀和相变执行机构，也可以通过体

11、积膨胀而不是固体的线性膨胀来制造微机械执行机构。典型的方法是用密封流体(例如空气、水蒸气和液态水等)形成空腔。)，其可以被加热然后膨胀。然而，像许多其他热驱动方法一样，这种方法具有较高的功耗和较低的带宽，这是由于热时间常数。具有不同相的热致动器包括加热时具有可变相的材料，从而体积膨胀以产生压力和机械负载。例如，水可以通过加热从液态变为气态，并且产生的气泡可以用作驱动力。热气蠕动泵，隔膜与管道之间的间隙是常开的，该间隙将被加热驱动关闭，而隔膜的顺序动作将促进流体的定向流动。该泵具有低流量和背压。热气蠕动泵，热气微致动器实例(1)，热气微阀，热气微阀，压力室充满氯甲烷，其液-气相变控制流体用于控制氮气流速至15L/min。热微致动器、热气动微波管致动器和表面微加工“波纹管”致动器的实例(2)具有环形折叠薄膜结构，其可以比简单薄膜偏移更多。热微致动器(3)、热气动活塞致动器和由体积膨胀气体驱动的活塞致动器的例子沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下，形成水蒸气气泡，在活塞腔内膨胀，将活塞向外推