[實用新型]雙材料微梁光學讀出溫度傳感器

無效

• 申請號: 200720035165.8
• 申請日: 2007-03-20
• 公開（公告）號: CN201025457Y
• 公開（公告）日: 2008-02-20
• 發明（設計）人: 張青川;李凱;伍小平
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01K5/48
• 分類號: G01K5/48
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 何梅生

技術領域

本實用新型涉及一種用于探測環境溫度的傳感元件，尤其涉及一種基于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-200～1500℃內，精度通常可達到0.01℃。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-55～1000℃，測溫精度可達到0.1℃，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-80～3000℃，溫度分辨率為0.1℃。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0.5℃)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，提供一種高靈敏度雙材料微梁光學讀出溫度傳感器，它采用光杠桿的原理檢測雙材料微梁自由端的熱致轉角變形，精密測量環境溫度的變化。

本實用新型采用如下技術方案來解決其技術問題：

本實用新型雙材料微梁光學讀出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，光源以其投射光束直接投射在微梁反光板上；對應于來自微梁單元中微梁反光板上的反射光束，設置反射光束光學接收器，光學接收器以微梁熱變形引起的反射光偏轉位置為檢測信號。

本實用新型雙材料微梁光學讀出溫度傳感器的結構特點也在于：

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。

光學接收器采用位移傳感器PSD或采用一維線陣電荷耦合器件CCD。

本實用新型雙材料微梁光學讀出溫度傳感器的結構特點還在于：

半球狀感溫頭的半徑為1～10mm，微梁單元的熱變形腿厚度為0.3～3μm，長度為50～1000μm。

微梁單元的熱變形腿是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200μm或為800μm。

光源采用聚焦激光束。

本實用新型在具體設計中的溫度敏感單元采用雙材料微懸臂梁，通過光杠桿原理檢測出雙材料微梁的熱變形的參量，例如微梁的端部位移，就可以得到被測物體的溫度。與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現在：