第四章第四章 热敏感与执行原理热敏感与执行原理热传感器与执行器概述-热传感器n热传感器包括两种含义：用于测量诸如温度和热等热学性质的传感器；（2）基于热传递原理的传感器。热传感器与执行器概述-热执行器n微器件和结构的执行可以通过注入或抽走其中的热量来实现。温度分布的变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力的输出。微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导和热对流的热量，温度可以升高；而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷，微结构的温度可以降低。n热执行原理已用于商业的MEMS产品中。现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。热传感器与执行器概述-热传递基本原理n微尺度下原子的振动证明了温度的存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。热量从一点传递到另一点有四种可能的机制：n1）传导，即当存在温度梯度时，热量通过固体媒介传递；n2）自然对流，即热量从表面传递到静止流体内部，流体里的温度梯度通过浮力引起了液体的局部流动，流体质量的运动促进了热传递；n3）强迫对流，即热量传递到运动流体的内部，这种内部流体运动比自然热对流引起的热传递要强；n4）辐射，即通过真空或空气中传播的电磁辐射引起热量的损失或增加。基于热膨胀的传感器和执行器n热膨胀是材料的普遍行为。温度上升后，由半导体、金属、绝缘体材料构成结构的尺寸和体积都会变大。n热双层片原理热双层片原理n 对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。图 热双金属片弯曲（ ）基于热膨胀的传感器和执行器-热双层片原理n热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。它们有相同的长度，但热膨胀系数（CTE)不同.当温度均匀变化T时，两层的长度变化不一样。梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。横向的梁弯曲由此产生。n许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。静电执行热双层片执行优点低频时低功耗较大的运动范围很快的响应速度同等位移下较小的覆盖面积缺点较小的运动范围因电流产生欧姆热，工作效率较高需要大的面积和覆盖区以产生较大的力和位移因时间常数受制于加热和散热，响应速度较慢表 静电和热双层片执行的特点n例4.1 n 一个双层片悬臂梁由不同长度的两层构成。上面一层由铝制成（材料2），下面一层由氮化硅制成（材料1）。两层的宽度均为20um。A点到B点的长度为100um，从B电到C点的长度也是100um.铝和氮化硅的杨氏模量分别为为 。厚度是 。热膨胀系为 ，室温下，悬臂梁是直的。n相对于室温，梁均匀加热20，求悬臂梁的曲率半径（r）以及自由端的垂直位移量。 解:这个复合梁有两段。A点到B点这段受双层片效应的影响而弯曲。B点到C 点这段仅由单一的材料组成，这段不会自行弯曲，但它会随着B点发生的弯曲而弯曲。对于AB段，可以用下面的表达式来求曲率半径AB段的曲率半径是r=0.00383m圆弧部分的角度为：B点的垂直位移是:C点的垂直位移是：基于热膨胀的传感器和执行器-单一材料组成的热执行器n热双层片的弯曲很容易产生离面线性位移或角位移。如果分层的热双层片材料堆在垂直的表面上，就可以产生面内位移，但这种堆叠结构制作比较困难。n用弯梁电热执行器可产生面内位移，这是一种基于单一材料的热执行器。如右图所示，弯梁由掺杂到某一浓度的硅制成，并作为欧姆加热器，流经弯梁的电流致使两分支膨胀，导致顶端向横向方向移动。 图 弯梁电热执行器热电偶由两种不同材料制成的两段引线结合在一点构成了热电偶。热电偶最常用于测量结合的敏感点和参考点之间的温差，根据两结之间的温度梯度，热电偶也可发电。n与热阻和其他温度传感方法相比，热电偶有一些独特的优点。热电偶的输出没有失调和漂移。除了光之外，它不受任何物理信号的干扰，热电偶不需要加电压，而是自供电的。n热电阻器是温度传感器，通常由半导体氧化物制成，表现出很大的、性能优良的热系数，通常是负值。n一般所用的均为负温度系数（NTC）的热变电阻器，电阻用Steinhart-Hart方程计算热电阻器n热电阻可由金属或半导体构成。在这两种情况下，热电阻的尺寸都随温度而变化。n常用的热敏电阻器是指半导体热电阻。半导体热敏电阻器具有大的电阻率和易于小型化的优点TCR为电阻温度系数n热电阻I/V曲线的弯曲程度与绝缘热有关。对两个同样的热阻，在给定的电压下，热绝缘较好的一个将达到更高的温度和更大的热阻变化；相反的，热绝缘较差的器件平衡温度较低，它的I/V曲线的弯曲程度较小。n应用-惯性传感器加速度计结构包括一个欧姆加热器和两个关于加热器对称放置的温度传感器。硅芯片放在内有空气的气密封状体里。加热器将空气加热。静止状态下，热气囊的空间对称分布，两个温度传感器有相同的温度读数。如果在封装体上加上加速度，芯片将沿着外加加速度的方向做轻微移动。因为惯性，气体将落在后面，导致了空气中温度分布不对称，两个温度传感器的读数将变得不同，温度之差与外加加速度大小对应。n基于热传递原理的加速度计n应用-流量传感器热线式风速计是用来测量液体流动速度的一种成熟技术。它利用热元件既作为热阻加热器又作为温度传感器。热电阻器工作时偏置在自加热区，其温度和阻值随着液体流动的速度而改变。n热线式风速计n应用-红外传感器悬臂梁吸收了入射的红外（IR）辐射后，温度会上升，导致了双金属梁的弯曲。通过检测双金属梁弯曲位移来求出温度的变化。n基于电容敏感的红外传感器 热电偶是测量热的最常用的传感器n工作原理：依靠两个不同金属线的末端产生的电动势，此电动势在两个导线的交节点（称为节点）被加热的情况下产生。热电偶传感器热电偶传感器微传感器的实例微传感器的实例-热热学学热电偶 在热电偶电路中另外加一个节点，并且使其温度不同于其他节点的温度，这样就可以从电路中引入一个温度梯度。n热电偶原理微温度传感器的一个严重缺点：输出信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。n微热电堆是小型化热传感更理想的解决方案。Choi和Wise在1986年研制的微热电堆热阻传感器热阻传感器 热阻效应热阻效应：材料电阻随温度的变化而变化。可从电阻的公式看出。温度变化时，尺寸 将会改变， 也将发生显著变化。微执行器致动方式实例微执行器致动方式实例-热执行器热执行器n利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。 n热膨胀式热膨胀式：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱动。 n热气动式：热气动式：一种典型的方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。 固体热膨胀：双晶片热执行器固体热膨胀：双晶片热执行器n热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。n一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间，加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的液体中。n缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比静电执行器更复杂的结构。 双晶片热执行器双晶片热执行器双金属致动器双金属致动器双金属致动器双金属致动器n双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的体积膨胀，而是利用固体的线性膨胀来制造微致动器。双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变，从而达到驱动目的。 n双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动力大、行程大、线性的位移能量关系、结构及制造工艺简单（相对热气动等方式而言）、驱动能源易于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛。 a a热膨胀系数，热膨胀系数，t t厚度，厚度，b b宽度宽度 美国IC Sensors利用这种双金属片致动原理研制的阀。其中，硅膜厚、直径为，铝层厚，常开间隙为的阀可控0.2MPa的气流，泄漏仅为45L/min 金属层加热膜硅进口出口双金属片致动阀双金属片致动阀热气动式：热气动式：体积膨胀和相变执行器体积膨胀和相变执行器n不利用固体的线性膨胀，而是利用体积膨胀利用体积膨胀也可以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。n变相的热执行器包括加热时相态可变加热时相态可变的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。 加热电阻蠕动膜流道入口出口 热气动蠕动泵 热气动蠕动泵，膜片与管道间的间隙处于常开状态，加热驱动将使间隙关闭，膜片的顺序动作促使流体定向流动。该泵流量和背压都比较低。 热气动蠕动泵热气动蠕动泵热式微执行器实例热式微执行器实例(1)(1)进口出口玻璃玻璃铝膜硅加热电阻热气动微阀热气动微阀 热气动微阀，压力腔内注有氯甲烷，利用其液态-气态相变控制流体，控制氮气流量达15L/min。 热式微执行器实例热式微执行器实例(2)(2)热气动微波形管执行器热气动微波形管执行器 表面微机械“波形管”执行器带有一个环形的折叠状薄膜结构，相对于简单的薄膜，这种结构可以得到更大的偏移。 热式微执行器实例热式微执行器实例(3)(3)热气动活塞执行器热气动活塞执行器n体积膨胀气体驱动的活塞执行器，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了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡破裂，活塞返回原来位置。在衬底表面平整的情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它方式所能提供力的两个数量级以上。热气动活塞执行器简图热气动活塞执行器简图热式微执行器实例热式微执行器实例(4)(4)n工作环境必须是液体环境，限制了其最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。n热驱动方法功耗较大，且因为热时间常数，其带宽比较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。 缺点：缺点：结束