[發(fā)明專利]一種聚合物雙材料微梁及溫度敏感結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310108615.1
• 申請日: 2013-03-29
• 公開（公告）號: CN103234648A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葉雄英;商院芳;馮金揚
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01K5/48
• 分類號: G01K5/48
• 代理公司: 北京法思騰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及溫度傳感元件領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種聚合物雙材料微梁及溫度敏感結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

目前，利用兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料制作的雙材料梁已被廣泛用作熱致動器和溫度傳感器。其工作原理是：當(dāng)雙材料梁所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時，構(gòu)成梁的兩層材料的溫度也發(fā)生變化，由于熱膨脹系數(shù)不同，這兩層材料的熱伸長量（或縮短量）不同，從而導(dǎo)致雙材料梁發(fā)生彎曲。作為熱致動器，雙材料梁的熱致彎曲即表現(xiàn)為對外界的力或者位移輸出；作為溫度傳感器，雙材料梁的熱致彎曲即反映環(huán)境溫度的變化，通過探測雙材料梁的熱致變形就可以測試環(huán)境溫度的變化。近期專利中（張青川，2007，專利號：200710020666.3），利用厚3μm、寬20μm、長800μm的金/氮化硅雙材料梁，并采用光學(xué)讀出方式探測微梁熱變形，得到的雙材料微梁溫度傳感器的溫度分辨率高達0.0022℃。氮化硅的熱膨脹系數(shù)為0.8ppm/K,楊氏模量為180GPa，金的熱膨脹系數(shù)為14.2ppm/K，楊氏模量為73GPa，100μm長的金/氮化硅雙材料微梁的典型溫度靈敏度為44nm/K。由于金與氮化硅的熱膨脹系數(shù)之差不超過20ppm/K，為了進一步提高雙材料梁的熱靈敏度和溫度分辨率，尋求熱膨脹系數(shù)之差更大的材料來制作雙材料梁是一種途徑。目前，已有研究人員開始嘗試?yán)镁酆衔镏谱麟p材料微梁。但在相關(guān)報道中，100μm長的聚合物雙材料微梁的溫度靈敏度最高只有111nm/K，還存在很大的提升空間。另外，雙材料微梁中聚合物層的制作工藝復(fù)雜（如采用等離子體增強氣相化學(xué)沉積），與微機械電子系統(tǒng)（MEMS）的加工工藝兼容性差。而且，在雙材料微梁的設(shè)計和制作過程中，兩層材料的厚度比沒有進行優(yōu)化，從而降低了聚合物雙材料微梁的溫度靈敏度。本專利的目的就是設(shè)計和制作制備工藝簡單、成本低廉、外形尺寸小、溫度靈敏度高、適于陣列應(yīng)用的聚合物雙材料微梁。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了進一步提高雙材料微梁溫度傳感器的溫度靈敏度和分辨率，提出了并完成了本發(fā)明。

本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，包括一層聚合物薄膜3和一層薄膜4；

其中，所述聚合物薄膜3的熱膨脹系數(shù)大于薄膜4的熱膨脹系數(shù)，二者熱膨脹系數(shù)差大于20ppm/K；

所述聚合物薄膜3材料為具有高熱膨脹系數(shù)的聚合物，熱膨脹系數(shù)大于60ppm/K；所述薄膜4材料為金屬、硅基材料或具有低熱膨脹系數(shù)的聚合物，熱膨脹系數(shù)小于40ppm/K。

分析雙材料梁的熱變形行為可知，雙材料梁的熱變形量與材料的厚度成反比、與梁長的平方成正比，此外還與兩層材料的厚度比有關(guān)。為了使雙材料微梁獲得盡可能大的熱致變形，根據(jù)兩層材料的楊氏模量之比，本發(fā)明還對兩層材料的厚度比進行優(yōu)化。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，當(dāng)所述薄膜4為金屬或硅基材料時，聚合物薄膜3與薄膜4的厚度比優(yōu)選為6:1～25:1，進一步優(yōu)選為8:1～15:1。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，當(dāng)所述薄膜4為熱膨脹系數(shù)低于40ppm/K的聚合物時，聚合物薄膜3與薄膜4的厚度比優(yōu)選為0.1:1～10:1，進一步優(yōu)選為0.4:1～2.5:1，再進一步優(yōu)選為1:1。

根據(jù)熱彈性力學(xué)的分析，為了獲得盡可能高的熱變形，構(gòu)成雙材料微梁的聚合物在具有高熱膨脹系數(shù)的前提下應(yīng)具有盡可能大的楊氏模量；構(gòu)成雙材料微梁的金屬在具有較低熱膨脹系數(shù)的同時應(yīng)具有盡可能小的楊氏模量。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，所述高熱膨脹系數(shù)的聚合物（熱膨脹系數(shù)為大于60ppm/K）為聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚對二甲苯（Parylene）、膨脹系數(shù)為大于60ppm/K的聚酰亞胺（PI）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、硅樹脂（Silicon?Resin）、尼龍（PA-66）、SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等中的一種。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，所述金屬材料為金、鋁、鉻和鈦等中的一種。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，所述硅基材料為二氧化硅、氮化硅、多晶硅和碳化硅等中的一種。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，所述低熱膨脹系數(shù)的聚合物（熱膨脹系數(shù)小于40ppm/K）為聚對苯二甲酸乙二酯（PET）或膨脹系數(shù)小于40ppm/K的聚酰亞胺（PI）等。

根據(jù)本發(fā)明的聚合物雙材料微梁，其中，所述聚合物雙材料微梁的尺寸優(yōu)選為：長100～2000μm，寬5～50μm，厚0.5～5μm；進一步優(yōu)選微梁長度為100～1000μm。這種小尺寸雙材料梁，還具有熱容小和動態(tài)響應(yīng)時間短的特點。