專利名稱：濾波式光學讀出微梁溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于探測環境溫度的傳感元件，尤其涉及一種基于雙材料微懸臂梁的光 學讀出溫度傳感器。
背景技術：
溫度傳感器根據工作方式的不同可分為兩個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。熱電偶是根據熱電勢效應制成，兩根不同材料的金屬導線一端 焊接在一起為工作端，未焊接的一端為自由端，兩根導線稱為電極。使用時將工作端置于待 測溫度場中，自由端接入儀表以測其電勢，并使其溫度恒定。熱電偶產生的電勢稱為熱電勢， 通過測量這一電勢的變化即可實現對目標溫度的測量。其工作范圍可在-200 1500t內，精 度通常可達到o.orc。由于其在工作過程中必須配置一個穩定的溫度參考端，使用起來不是 很方便，并且由于它在整個傳感過程中都是以電信號的傳遞、測量為基礎的，為了達到較高 的測量精度需要作大量的電路裝置，導致制造成本的提高。此外，在復雜的電磁環境中工作 時，作為電子器件，很容易受到其它的非信號噪聲干擾。熱電阻傳感器工作范圍一般在-55 1000t，測溫精度可達到O. 18C，這類探測器所面臨 的最大問題是嚴重的非線性，特別是在擴大測溫范圍、提高測量精度時，這一問題尤為突出。紅外溫度傳感器是進行非接觸式測溫的主要工具。一切物體只要它的溫度不是熱力學零 度，總是在不斷地發射紅外輻射，如電機、電器、爐火，甚至冰塊都能產生紅外輻射。物體 溫度變化時，它所輻射的光譜就會發生變化，通過測量這種光譜的改變即可實現對目標物體 溫度的探測。這種溫度傳感器的工作范圍通常在-80 300(TC，溫度分辨率為O.lt。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，這使得其造價昂貴、系統復雜、 體積大。目前，這種溫度探測器主要用于對溫度較高目標物體的非接觸式溫度測量，比如煉 鋼廠中對高溫爐的溫度檢測。已有的雙材料梁熱變形溫度傳感器，由于其傳感方式的簡單和成本的廉價，被人們當做 雙金屬溫度保護器而廣泛使用。比如，通過在電器的工作電路中接入此種溫度傳感器，當電 器設備工作出現異常，工作電流隨之增加而導致接入的雙金屬溫度傳感器發生熱變形并自動 斷開電路，從而使工作電器得到保護。它的工作原理很簡單由于梁是雙材料的，當梁周圍 介質的溫度發生變化時，梁吸收熱量并轉化為其自身的溫升，進而引發熱變形，由此實現傳 感。但是，目前此種傳感手段所能實現的溫度探測靈敏度有限，其原因主要有三個方面，第
一、所使用的探測微梁變形的方法精度不高，由此導致傳感器的溫度分辨率較低；第二、當 前普遍使用的雙材料梁尺寸都在厘米量級，由此導致其彎曲剛度較大而熱變形較小，并且熱 容較大，熱響應時間較長，因此它的溫度分辨率(約為0.5t)和動態響應性能(響應時間 約秒量級)都不很理想；第三、當梁的尺寸比較微小(如微米量級)時，準確探測微梁變形 存在技術難度。發明內容本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種接觸型高靈敏度濾波 式光學讀出微梁溫度傳感器，采用直線邊界濾波的光學方法，檢測雙材料為懸臂梁自由端的 熱致轉角變形，從而精密測量環境溫度的變化。本實用新型解決技術問題采用如下技術方案。本實用新型濾波式光學讀出微梁溫度傳感器的結構特點是設置雙材料微梁單元于感溫頭內，點光源以其投射光束投射在微梁反光板上； 在來自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設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，設置在成像透鏡的成像位置上的光電接受器為光強接收器。 本實用新型濾波式光學讀出微梁溫度傳感器的特征也在于-感溫頭由熱良導體外殼和充滿熱良導液體的密閉室構成，密閉室的頂蓋為可見光透光 窗，雙材料微梁單元浸沒于密閉室內的熱良導液體中。本實用新型濾波式光學讀出微梁溫度傳感器的特征還在于來自點光源的投射光束經準直透鏡準直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射 光束經匯聚透鏡匯聚，匯聚透鏡的后焦平面位于直線邊界濾波單元所在的平面。 或點光源的投射光束的準直和微梁反光板上反射光束的匯聚采用同一只透鏡。 或是以點光源的匯聚光束為投射光束直接投射在微梁反光板上，經微梁反光板反射后形 成的反束光束匯聚光斑的焦點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。也可以是設置半球狀感溫頭的半徑為l一10mm，微梁單元的熱變形腿厚度為0.3~3剛、 長度為50 1000m。也可以是微梁單元的微梁熱變形腿是Au層和SiNx層的復合薄膜，復合薄膜中Au層和 SiNx層的厚度比為0.75，或為0.02,長度為200剛或為800剛。本實用新型采用雙材料微懸臂梁，通過光學濾波方法檢測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，就可以得到被測物體的溫度。與現有技術相比，本實用新型有益效果體現在1、 本實用新型由于采用光學濾波的方法，將微懸臂梁轉角變形引起的讀出光束的偏轉 轉變為固定位置光斑的光強變化，光電接收器為光強傳感器，可以使光電信號的接收和處理 變得更容易。2、 本實用新型由于采用光學濾波的方法，可高精度地探測微梁的端部轉角變形或端部 位移，從而實現高靈敏的溫度探測。3、 本實用新型中由于微懸臂梁的尺寸在微米量級，而梁的厚度甚至到亞微米，因而對 環境溫度變化非常敏感，用光學濾波方法檢測微梁自由端的轉角變形或端部位移，可以檢測 出微K級量級的溫度變化。4、 本實用新型通過把微懸臂梁集成在一個微小的熱良導體殼中，并充滿良性的導熱流 體介質而形成一個微小的溫度探測頭(典型尺寸在毫米量級)。使得溫度探測頭的面積-體 積比增大，提高熱導的同時降低了熱容量，縮短了熱響應時間。在實現對溫度場的局部溫度 探測時對溫度場本身影響較小。5、 根據材料力學以及熱力學的分析，微梁的變形與梁的厚度成反比，與長度的平方成 正比。優化微梁的尺寸后，該溫度探測器的分辨率可達到微K量級，響應時間可達到亞秒級。
圖l為本實用新型傳感器結構示意圖。圖2、圖3為本實用新型傳感器不同實施方式結構示意圖。圖4為本實用新型溫度測試曲線圖。圖5為本實用新型濾波方式工作原理示意圖。圖中標號l點光源、2準直透鏡、3透光窗、4雙材料微梁單元、5感溫頭、6匯聚透鏡、 7濾波單元、8成像透鏡、9光電接受器、IO電源和信號處理裝置，ll透鏡。 以下通過具體實施方式
，并結合附圖對本實用新型作進一步描述。
具體實施方式
實施例h參見圖l，設置雙材料微梁單元4于感溫頭5內，點光源l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、來自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設置直線邊界濾 波單元7，成像透鏡8位于直線邊界濾波單元7的后級，設置在成像透鏡8的成像位置上的光電 接受器9為光強接收器。圖1所示，感溫頭5由熱良導體外殼和充滿熱良導液體的密閉室構成，密閉室的頂蓋為 透可見光的透光窗3，雙材料微梁單元4浸沒于密閉室內的液體中。
本實施例中，來自點光源1的照明光束經準直透鏡2準直后投射在微梁反光板上；微梁反 光板上的反射光束經匯聚透鏡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。由點光源1發出的光束經準直透鏡2的準直后， 在雙材料微梁單元4的微梁反光板上反射，再經匯聚透鏡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上轉變為光電 信號。電源和信號處理裝置10設置在支架上。設置半球形感溫頭5的半徑為l 10ram，微梁單元4變形腿的厚度為0. 3 ~ 3剛，長度為50 薩Mm。具體實施中，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lwn 的SiN，和厚度為0.02Wn的Au復合薄膜構成，SiN,與Au的厚度比為l: 0.02，長度為200Mra， 11 度的溫度變化引起的光電接受器的數值變化為(3340-3180) =160,微梁的熱響應靈敏度為 11/160=0. 06875K/光強單位，光電接收器可分辨O. l個光強單位，溫度分辨率為6. 8mK;對微 梁雙材料的厚度比進行調整，可以提高其工作性能，比如采用SiNx: Alf 1: 0.75時，同樣 長度的微梁，溫度分辨率可以提高一個量級以上。此外，雙材料微梁所使用的材料也不限于 前面的Au和SiNx，熱膨脹系數差異越大的雙材料組合越能夠提高此溫度探測器的探測靈敏 度，舉例來說，選用Al和SiNx搭配就比Au與SiNx搭配的效果要好，因為Al的熱膨脹率比Au 要大。實施例2:參見圖2，本實施例中，點光源l的照明光束的準直和微梁反光板上反射光束的匯聚采用 同一個透鏡ll，即準直透鏡兼匯聚透鏡ll，使機構得到簡化。 實施例3:參見圖3，相對于上述實施例1和實施例2，本實施例是以點光源l的匯聚光為照明光束直 接照射在微梁反光板上，經微梁反光板反射后形成的反束光束匯聚光斑的焦點處在濾波單元 7的所在平面上。圖5給出了當采用圖l所示的結構時，被微梁反射的光束在匯聚透鏡6后焦平面上形成的 衍射譜和光學濾波單元7之間的相對位置關系。圖5-l表示的是微梁未受熱時，光學濾波單元7和衍射譜的相對位置關系； 圖5-2表示的是微梁受熱產生偏轉后，光學濾波單元7和衍射譜的相對位置關系。 在圖5中，光學濾波單元的不通光區域由光學濾波單元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、l級和2級。圖5中沒有畫出更高級次的衍射光，是因
為光能在更髙的衍射級次上已經相當弱，對光學濾波已經沒有太大的影響。初始狀態下，光 學濾波單元7的位于衍射譜的0級，即衍射譜光強梯度最大的位置。如圖5-l所示；當溫度 發生變化時，微梁產生彎曲變形，其反射光束的衍射譜發生移動如圖5-2所示。由于衍射譜 的平移，其部分衍射光已經移出了通光區域進入不通光區域，相應地，光電接受器9上接收 到的光強將變弱，由此實現了溫度的傳感。
權利要求1、濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是設置雙材料微梁單元(4)于感溫頭(5)內，點光源(1)以其投射光束投射在微梁反光板上；在來自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設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，設置在成像透鏡(8)的成像位置上的光電接受器(9)為光強接收器。
2、 根據權利要求l所述的濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是所述感溫頭(5) 由熱良導體外殼和充滿熱良導液體的密閉室構成，密閉室的頂蓋為可見光透光窗(3)，雙材 料微梁單元(4)浸沒于密閉室內的熱良導液體中。
3、 根據權利要求2的所述的濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是來自所述點光源 (1)的投射光束經準直透鏡(2)準直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射光束經匯聚透鏡(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、 根據權利要求3所述的濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是所述點光源(1) 的投射光束的準直和微梁反光板上反射光束的匯聚采用同一只透鏡(11)。
5、 根據權利要求2所述的濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是以點光源(1)的匯聚光束為投射光束直接投射在微梁反光板上，經微梁反光板反射后形成的反束光束匯聚光 斑的焦點處在濾波單元(7)的所在平面上。
6、 根據權利要求1所述的濾波式光學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、 根據權利要求l所述的濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是設置半球狀感溫頭 (5)的半徑為廣10mm，微梁單元(4)的熱變形腿厚度為O. 3 ~ 3陶、長度為50 ~1000陶。
8、 根據權利要求7所述的雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，其特征是所述微梁單元(4) 的微梁熱變形腿是Au層和SiNx層的復合薄膜，復合薄膜中Au層和SiNx層的厚度比為0. 75， 或為0.02，長度為200Mm或為800陶。
專利摘要濾波式光學讀出微梁溫度傳感器，其特征是設置雙材料微梁單元于感溫頭內，點光源以其投射光束投射在微梁反光板上；在來自微梁反光板的反射光的匯聚譜平面上設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，設置在成像透鏡的成像位置上的光電接受器為光強接收器。本實用新型采用直線邊界濾波的光學方法，檢測雙材料為懸臂梁自由端的熱致轉角變形，從而精密測量環境溫度的變化。
文檔編號G01K5/00GK201053905SQ20072003516
公開日2008年4月30日 申請日期2007年3月20日 優先權日2007年3月20日
發明者伍小平, 張青川, 凱 李 申請人:中國科學技術大學