熱敏感與執(zhí)行原理課件

第四章

熱敏感與執(zhí)行原理熱傳感器與執(zhí)行器概述

-熱傳感器

-熱執(zhí)行器

-熱傳遞的基本原理基于熱膨脹的傳感器與執(zhí)行器

-熱雙層片基本原理

-單一材料組成的熱執(zhí)行器熱電偶熱電阻器

微傳感器實(shí)例---熱學(xué)微執(zhí)行器制動方式實(shí)例---熱執(zhí)行器熱傳感器與執(zhí)行器概述---熱傳感器熱傳感器包括兩種含義：用于測量諸如溫度和熱等熱學(xué)性質(zhì)的傳感器；（2）基于熱傳遞原理的傳感器。熱傳感器與執(zhí)行器概述---熱執(zhí)行器微器件和結(jié)構(gòu)的執(zhí)行可以通過注入或抽走其中的熱量來實(shí)現(xiàn)。溫度分布的變化通過熱膨脹、熱收縮或者相變將導(dǎo)致機(jī)械位移或者力的輸出。微結(jié)構(gòu)通過吸收電磁波、歐姆熱、熱傳導(dǎo)和熱對流的熱量，溫度可以升高；而通過熱傳導(dǎo)散熱、熱對流散熱、熱輻射散熱以及有源熱電制冷，微結(jié)構(gòu)的溫度可以降低。熱傳感器與執(zhí)行器概述---熱傳遞基本原理微尺度下原子的振動證明了溫度的存在。當(dāng)材料中存在溫度梯度時就會產(chǎn)生熱傳遞。熱量從一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)有四種可能的機(jī)制：1）傳導(dǎo)，即當(dāng)存在溫度梯度時，熱量通過固體媒介傳遞；2）自然對流，即熱量從表面?zhèn)鬟f到靜止流體內(nèi)部，流體里的溫度梯度通過浮力引起了液體的局部流動，流體質(zhì)量的運(yùn)動促進(jìn)了熱傳遞；3）強(qiáng)迫對流，即熱量傳遞到運(yùn)動流體的內(nèi)部，這種內(nèi)部流體運(yùn)動比自然熱對流引起的熱傳遞要強(qiáng)；4）輻射，即通過真空或空氣中傳播的電磁輻射引起熱量的損失或增加。基于熱膨脹的傳感器和執(zhí)行器熱膨脹是材料的普遍行為。溫度上升后，由半導(dǎo)體、金屬、絕緣體材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)的尺寸和體積都會變大。熱雙層片原理

對于傳感和執(zhí)行而言，熱雙金屬片效應(yīng)是很常用的方法。這種效應(yīng)可將微結(jié)構(gòu)的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械梁的橫向位移。圖熱雙金屬片彎曲（）基于熱膨脹的傳感器和執(zhí)行器---熱雙層片原理靜電執(zhí)行熱雙層片執(zhí)行優(yōu)點(diǎn)低頻時低功耗較大的運(yùn)動范圍很快的響應(yīng)速度同等位移下較小的覆蓋面積缺點(diǎn)較小的運(yùn)動范圍因電流產(chǎn)生歐姆熱，工作效率較高需要大的面積和覆蓋區(qū)以產(chǎn)生較大的力和位移因時間常數(shù)受制于加熱和散熱，響應(yīng)速度較慢表靜電和熱雙層片執(zhí)行的特點(diǎn)例4.1

一個雙層片懸臂梁由不同長度的兩層構(gòu)成。上面一層由鋁制成（材料2），下面一層由氮化硅制成（材料1）。兩層的寬度均為20um。A點(diǎn)到B點(diǎn)的長度為100um，從B電到C點(diǎn)的長度也是100um.鋁和氮化硅的楊氏模量分別為為。厚度是。熱膨脹系為，室溫下，懸臂梁是直的。相對于室溫，梁均勻加熱20℃，求懸臂梁的曲率半徑（r）以及自由端的垂直位移量。

解:這個復(fù)合梁有兩段。A點(diǎn)到B點(diǎn)這段受雙層片效應(yīng)的影響而彎曲。B點(diǎn)到C點(diǎn)這段僅由單一的材料組成，這段不會自行彎曲，但它會隨著B點(diǎn)發(fā)生的彎曲而彎曲。圓弧部分的角度為：B點(diǎn)的垂直位移是:C點(diǎn)的垂直位移是：基于熱膨脹的傳感器和執(zhí)行器---單一材料組成的熱執(zhí)行器熱雙層片的彎曲很容易產(chǎn)生離面線性位移或角位移。如果分層的熱雙層片材料堆在垂直的表面上，就可以產(chǎn)生面內(nèi)位移，但這種堆疊結(jié)構(gòu)制作比較困難。用彎梁電熱執(zhí)行器可產(chǎn)生面內(nèi)位移，這是一種基于單一材料的熱執(zhí)行器。如右圖所示，彎梁由摻雜到某一濃度的硅制成，并作為歐姆加熱器，流經(jīng)彎梁的電流致使兩分支膨脹，導(dǎo)致頂端向橫向方向移動。圖彎梁電熱執(zhí)行器熱電偶由兩種不同材料制成的兩段引線結(jié)合在一點(diǎn)構(gòu)成了熱電偶。熱電偶最常用于測量結(jié)合的敏感點(diǎn)和參考點(diǎn)之間的溫差，根據(jù)兩結(jié)之間的溫度梯度，熱電偶也可發(fā)電。熱電阻器是溫度傳感器，通常由半導(dǎo)體氧化物制成，表現(xiàn)出很大的、性能優(yōu)良的熱系數(shù)，通常是負(fù)值。一般所用的均為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的熱變電阻器，電阻用Steinhart-Hart方程計(jì)算熱電阻器熱電阻可由金屬或半導(dǎo)體構(gòu)成。在這兩種情況下，熱電阻的尺寸都隨溫度而變化。常用的熱敏電阻器是指半導(dǎo)體熱電阻。半導(dǎo)體熱敏電阻器具有大的電阻率和易于小型化的優(yōu)點(diǎn)TCR為電阻溫度系數(shù)熱電阻I/V曲線的彎曲程度與絕緣熱有關(guān)。對兩個同樣的熱阻，在給定的電壓下，熱絕緣較好的一個將達(dá)到更高的溫度和更大的熱阻變化；相反的，熱絕緣較差的器件平衡溫度較低，它的I/V曲線的彎曲程度較小。應(yīng)用---流量傳感器熱線式風(fēng)速計(jì)是用來測量液體流動速度的一種成熟技術(shù)。它利用熱元件既作為熱阻加熱器又作為溫度傳感器。熱電阻器工作時偏置在自加熱區(qū)，其溫度和阻值隨著液體流動的速度而改變。熱線式風(fēng)速計(jì)應(yīng)用---紅外傳感器懸臂梁吸收了入射的紅外（IR）輻射后，溫度會上升，導(dǎo)致了雙金屬梁的彎曲。通過檢測雙金屬梁彎曲位移來求出溫度的變化?；陔娙菝舾械募t外傳感器熱電偶是測量熱的最常用的傳感器工作原理：依靠兩個不同金屬線的末端產(chǎn)生的電動勢，此電動勢在兩個導(dǎo)線的交節(jié)點(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)）被加熱的情況下產(chǎn)生。熱電偶傳感器微傳感器的實(shí)例---熱學(xué)在熱電偶電路中另外加一個節(jié)點(diǎn)，并且使其溫度不同于其他節(jié)點(diǎn)的溫度，這樣就可以從電路中引入一個溫度梯度。熱電偶原理微溫度傳感器的一個嚴(yán)重缺點(diǎn)：輸出信號隨著線和節(jié)點(diǎn)的尺寸的減小而降低。微熱電堆是小型化熱傳感更理想的解決方案。Choi和Wise在1986年研制的微熱電堆微執(zhí)行器致動方式實(shí)例---熱執(zhí)行器利用熱來驅(qū)動的熱致動器或簡單的加熱器（一個電阻器）廣泛應(yīng)用于微機(jī)械器件中，是一種十分常見的驅(qū)動方式。從原理上分，熱致動器可以分為熱氣動式和熱膨脹式兩種。熱膨脹式：利用執(zhí)行器加熱時本身材料的體積膨脹驅(qū)動。熱氣動式：一種典型的方法是形成帶有密封流體（如空氣、水蒸汽和液態(tài)水等）的空腔，氣腔中的流體被加熱后就會膨脹，壓力增大，從而推動薄膜運(yùn)動。固體熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器的一個基本方案是利用兩種鍵合材料的不同熱膨脹系數(shù)，被稱為雙晶片熱激勵。一個加熱器常被夾在兩層“活動”的材料中間，加電后，就會使它們產(chǎn)生不同的膨脹。該方案的優(yōu)點(diǎn)包括線性的偏移量-能量關(guān)系以及環(huán)境穩(wěn)定性，如這些執(zhí)行器能運(yùn)行于熱傳導(dǎo)相當(dāng)?shù)偷囊后w中。缺點(diǎn)包括高功耗、低帶寬（由熱時間常數(shù)決定）以及比靜電執(zhí)行器更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。雙晶片熱執(zhí)行器雙金屬致動器雙金屬致動器也是一種熱致動器，但它不利用固體的體積膨脹，而是利用固體的線性膨脹來制造微致動器。雙金屬熱致動是通過加熱，使得驅(qū)動元件本身的溫度升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生線性應(yīng)變，從而達(dá)到驅(qū)動目的。

雙金屬熱致動方式具有驅(qū)動電壓低、驅(qū)動力大、行程大、線性的位移—能量關(guān)系、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單（相對熱氣動等方式而言）、驅(qū)動能源易于實(shí)現(xiàn)、易于集成等特點(diǎn)，因而應(yīng)用前景廣泛。

a熱膨脹系數(shù)，t厚度，b寬度

美國ICSensors利用這種雙金屬片致動原理研制的閥。其中，硅膜厚、直徑為，鋁層厚，常開間隙為的閥可控0.2MPa的氣流，泄漏僅為45μL/min

金屬層加熱膜硅進(jìn)口出口雙金屬片致動閥熱氣動式：體積膨脹和相變執(zhí)行器不利用固體的線性膨脹，而是利用體積膨脹也可以制造出微機(jī)械執(zhí)行器。一種典型的方法是形成帶有密封流體的空腔（如：空氣、水蒸汽和液態(tài)水等），這些物質(zhì)可以被加熱，然后就會膨脹。但是，就象別的許多熱驅(qū)動方法一樣，這種方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時間常數(shù)所致。變相的熱執(zhí)行器包括加熱時相態(tài)可變的材料，這樣體積發(fā)生膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機(jī)械載荷。例如，可以通過加熱將水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅(qū)動力。加熱電阻蠕動膜流道入口出口熱氣動蠕動泵

熱氣動蠕動泵，膜片與管道間的間隙處于常開狀態(tài)，加熱驅(qū)動將使間隙關(guān)閉，膜片的順序動作促使流體定向流動。該泵流量和背壓都比較低。

熱氣動蠕動泵熱式微執(zhí)行器實(shí)例(1)進(jìn)口出口玻璃玻璃鋁膜硅加熱電阻熱氣動微閥

熱氣動微閥，壓力腔內(nèi)注有氯甲烷，利用其液態(tài)-氣態(tài)相變控制流體，控制氮?dú)饬髁窟_(dá)15L/min。熱式微執(zhí)行器實(shí)例(2)熱氣動微波形管執(zhí)行器

表面微機(jī)械“波形管”執(zhí)行器帶有一個環(huán)形的折疊狀薄膜結(jié)構(gòu)，相對于簡單的薄膜，這種結(jié)構(gòu)可以得到更大的偏移。熱式微執(zhí)行器實(shí)例(3)熱氣動活塞執(zhí)行器體積膨脹氣體驅(qū)動的活塞執(zhí)行器，沿著襯底所在的平面平行移動。在多晶硅加熱器的作用下形成了水蒸汽的氣泡，并在活塞腔內(nèi)膨脹，將活塞向外推。當(dāng)加熱停止時，活塞腔