《熱敏感與執(zhí)行原理》ppt課件

1、第四章第四章 熱敏感與執(zhí)行原理熱敏感與執(zhí)行原理n熱傳感器與執(zhí)行器概述熱傳感器與執(zhí)行器概述n - -熱傳感器熱傳感器n - -熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器n - -熱傳送的根本原理熱傳送的根本原理n基于熱膨脹的傳感器與執(zhí)行器基于熱膨脹的傳感器與執(zhí)行器n - -熱雙層片根本原理熱雙層片根本原理n - -單一資料組成的熱執(zhí)行器單一資料組成的熱執(zhí)行器n熱電偶熱電偶n熱電阻器熱電阻器n運用運用 n微傳感器實例微傳感器實例-熱學熱學n微執(zhí)行器制動方式實例微執(zhí)行器制動方式實例-熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器 熱傳感器與執(zhí)行器概述-熱傳感器n熱傳感器包括兩種含義：用于丈量諸如溫度和熱等熱學性質的傳感器；2基于熱傳送原理的傳感器。熱傳感

2、器與執(zhí)行器概述-熱執(zhí)行器n微器件和構造的執(zhí)行可以經(jīng)過注入或抽走其中的熱量來實現(xiàn)。溫度分布的變化經(jīng)過熱膨脹、熱收縮或者相變將導致機械位移或者力的輸出。微構造經(jīng)過吸收電磁波、歐姆熱、熱傳導和熱對流的熱量，溫度可以升高；而經(jīng)過熱傳導散熱、熱對流散熱、熱輻射散熱以及有源熱電制冷，微構造的溫度可以降低。n熱執(zhí)行原理已用于商業(yè)的MEMS產(chǎn)品中。如今很多噴墨打印機都是利用墨水的熱膨脹來噴出墨滴。熱噴墨打印機墨嘴的表示圖如以下圖所示。熱傳感器與執(zhí)行器概述-熱傳送根本原理n微尺度下原子的振動證明了溫度的存在。當資料中存在溫度梯度時就會產(chǎn)生熱傳送。熱量從一點傳送到另一點有四種能夠的機制：n1傳導，即當存在溫度梯度

3、時，熱量經(jīng)過固體媒介傳送；n2自然對流，即熱量從外表傳送到靜止流體內(nèi)部，流體里的溫度梯度經(jīng)過浮力引起了液體的部分流動，流體質量的運動促進了熱傳送；n3強迫對流，即熱量傳送到運動流體的內(nèi)部，這種內(nèi)部流體運動比自然熱對流引起的熱傳送要強；n4輻射，即經(jīng)過真空或空氣中傳播的電磁輻射引起熱量的損失或添加?；跓崤蛎浀膫鞲衅骱蛨?zhí)行器n熱膨脹是資料的普遍行為。溫度上升后，由半導體、金屬、絕緣體資料構成構造的尺寸和體積都會變大。n熱雙層片原理熱雙層片原理n 對于傳感和執(zhí)行而對于傳感和執(zhí)行而言，熱雙金屬片效言，熱雙金屬片效應是很常用的方法。應是很常用的方法。這種效應可將微構這種效應可將微構造的溫度變化轉變造的

4、溫度變化轉變?yōu)闄C械梁的橫向位為機械梁的橫向位移。移。圖 熱雙金屬片彎曲 21基于熱膨脹的傳感器和執(zhí)行器-熱雙層片原理n熱雙層片由在縱向上連在一同的兩種資料構成，兩種資料構成一個機械單元。它們有一樣的長度，但熱膨脹系數(shù)CTE)不同.當溫度均勻變化T時，兩層的長度變化不一樣。梁向熱膨脹系數(shù)較小的資料層一側彎曲。橫向的梁彎曲由此產(chǎn)生。n許多常用的機電恒溫器都運用了這一原理。恒溫器是一個螺旋的雙層金屬線圈。卷絲梁的末端與繼電器銜接在一同，繼電器是含水銀的密封玻璃管。當環(huán)境溫度變化時，線圈的末端傾斜并觸發(fā)水銀滴繼電器的挪動，從而控制加熱/冷卻電路中的電流。靜電執(zhí)行熱雙層片執(zhí)行優(yōu)點低頻時低功耗較大的運動范

5、圍很快的呼應速度同等位移下較小的覆蓋面積缺陷較小的運動范圍因電流產(chǎn)生歐姆熱，任務效率較高需求大的面積和覆蓋區(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，呼應速度較慢表 靜電和熱雙層片執(zhí)行的特點n例4.1 n 一個雙層片懸臂梁由不同長度的兩層構成。上面一層由鋁制成資料2，下面一層由氮化硅制成資料1。兩層的寬度均為20um。A點到B點的長度為100um，從B電到C點的長度也是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。n相對于室溫，梁均勻加熱20，求懸臂梁的曲率半徑r以及自在端的垂直位移量。 2170250EGPaEGPa、662125 10/3

6、10/CC 、210.51tumum、t解:這個復合梁有兩段。A點到B點這段受雙層片效應的影響而彎曲。B點到C 點這段僅由單一的資料組成，這段不會自行彎曲，但它會隨著B點發(fā)生的彎曲而彎曲。對于AB段，可以用下面的表達式來求曲率半徑1212 1 212122 22 22211 122 21212 1 211 22121812661113128116()()1()()2(232)6(400 10)(70 250 10 )0.5 10(1.5 10 )(22 10 )202.5 101.225 107(4 10)1.386 10260.95.3 10ww EE tt ttTrwEtw E tww E

7、E ttttttm1AB段的曲率半徑是r=0.00383m圓弧部分的角度為：B點的垂直位移是:C點的垂直位移是：0.00010.0261.490.00383Lradr6cos( )1.3 10Brrm6sin( )3.9 10CBLm基于熱膨脹的傳感器和執(zhí)行器-單一資料組成的熱執(zhí)行器n熱雙層片的彎曲很容易產(chǎn)生離面線性位移或角位移。假設分層的熱雙層片資料堆在垂直的外表上，就可以產(chǎn)生面內(nèi)位移，但這種堆疊構造制造比較困難。n用彎梁電熱執(zhí)行器可產(chǎn)生面內(nèi)位移，這是一種基于單一資料的熱執(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，導致頂端向橫向方向挪動。

8、 圖 彎梁電熱執(zhí)行器熱電偶由兩種不同資料制成的兩段引線結合在一點構成了熱電偶。熱電偶最常用于丈量結合的敏感點和參考點之間的溫差，根據(jù)兩結之間的溫度梯度，熱電偶也可發(fā)電。n與熱阻和其他溫度傳感方法相比，熱電偶有一些獨特的優(yōu)點。熱電偶的輸出沒有失調(diào)和漂移。除了光之外，它不受任何物理信號的干擾，熱電偶不需求加電壓，而是自供電的。n熱電阻器是溫度傳感器，通常由半導體氧化物制成，表現(xiàn)出很大的、性能優(yōu)良的熱系數(shù)，通常是負值。n普通所用的均為負溫度系數(shù)NTC的熱變電阻器，電阻用Steinhart-Hart方程計算 13lnlnRcRbaT熱電阻器n熱電阻可由金屬或半導體構成。在這兩種情況下，熱電阻的尺寸都隨

9、溫度而變化。n常用的熱敏電阻器是指半導體熱電阻。半導體熱敏電阻器具有大的電阻率和易于小型化的優(yōu)點TCR為電阻溫度系數(shù)n熱電阻I/V曲線的彎曲程度與絕緣熱有關。對兩個同樣的熱阻，在給定的電壓下，熱絕緣較好的一個將到達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。n運用-慣性傳感器加速度計構造包括一個歐姆加熱器和兩個關于加熱器對稱放置的溫度傳感器。硅芯片放在內(nèi)有空氣的氣密封狀體里。加熱器將空氣加熱。靜止形狀下，熱氣囊的空間對稱分布，兩個溫度傳感器有一樣的溫度讀數(shù)。假設在封裝體上加上加速度，芯片將沿著外加加速度的方向做細微挪動。由于慣性，氣體將落在后

10、面，導致了空氣中溫度分布不對稱，兩個溫度傳感器的讀數(shù)將變得不同，溫度之差與外加加速度大小對應。n基于熱傳送原理的加速度計n運用-流量傳感器熱線式風速計是用來丈量液體流動速度的一種成熟技術。它利用熱元件既作為熱阻加熱器又作為溫度傳感器。熱電阻器任務時偏置在自加熱區(qū)，其溫度和阻值隨著液體流動的速度而改動。n熱線式風速計n運用-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，導致了雙金屬梁的彎曲。經(jīng)過檢測雙金屬梁彎曲位移來求出溫度的變化。n基于電容敏感的紅外傳感器 熱電偶是丈量熱的最常用的傳感器任務原理：依托兩個不同金屬線的末端產(chǎn)生的電動勢，此電動勢在兩個導線的交節(jié)點稱為節(jié)點被加熱的情況下產(chǎn)

11、生。熱電偶傳感器熱電偶傳感器微傳感器的實例微傳感器的實例-熱學熱學熱電偶 在熱電偶電路中另外加一個節(jié)點，并且使其溫度不同于其他節(jié)點的溫度，這樣就可以從電路中引入一個溫度梯度。n熱電偶原理微溫度傳感器的一個嚴重缺陷：輸出信號隨著線和節(jié)點的尺寸的減小而降低。n微熱電堆是小型化熱傳感更理想的處理方案。Choi和Wise在1986年研制的微熱電堆熱阻傳感器熱阻傳感器 熱阻效應：資料電阻隨溫度的變化而變化?？蓮碾娮璧墓娇闯觥LR溫度變化時，尺寸 將會改動， 也將發(fā)生顯著變化。LA 和微執(zhí)行器致動方式實例微執(zhí)行器致動方式實例-熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器n利用熱來驅動的熱致動器或簡單的加熱器一個電阻器廣泛運用于微

12、機械器件中，是一種非經(jīng)常見的驅動方式。從原理上分，熱致動器可以分為熱氣動式和熱膨脹式兩種。 n熱膨脹式：利用執(zhí)行器加熱時本身體料的熱膨脹式：利用執(zhí)行器加熱時本身體料的體積膨脹驅動。體積膨脹驅動。 n熱氣動式：一種典型的方法是構成帶有密熱氣動式：一種典型的方法是構成帶有密封流體如空氣、水蒸汽和液態(tài)水等的封流體如空氣、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，空腔，氣腔中的流體被加熱后就會膨脹，壓力增大，從而推進薄膜運動。壓力增大，從而推進薄膜運動。 固體熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器固體熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器n熱執(zhí)行器的一個根本方案是利用兩種鍵合資料的不同熱膨脹系數(shù)，被稱為雙晶片熱鼓勵。n一

13、個加熱器常被夾在兩層“活動的資料中間，加電后，就會使它們產(chǎn)生不同的膨脹。該方案的優(yōu)點包括線性的偏移量-能量關系以及環(huán)境穩(wěn)定性，如這些執(zhí)行器能運轉于熱傳導相當?shù)偷囊后w中。n缺陷包括高功耗、低帶寬由熱時間常數(shù)決議以及比靜電執(zhí)行器更復雜的構造。 雙晶片熱執(zhí)行器雙晶片熱執(zhí)行器n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。雙金屬熱致動是經(jīng)過加熱，使得驅動元件本身的溫度升高，構造內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，導致薄膜產(chǎn)生線性應變，從而到達驅動目的。 n雙金屬熱致動方式具有驅動電壓低、驅動力大、行程大、線性的位移能量關系、構造及制造工藝簡單相對熱氣動等方式而言、驅動能源易

14、于實現(xiàn)、易于集成等特點，因此運用前景廣泛。 2121111322222231112122124732ttTtbEtbEtbEtbEttttra a熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)，t t厚度，厚度，b b寬度寬度 美國IC Sensors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，走漏僅為45L/min 金屬層加熱膜硅進口出口雙金屬片致動閥雙金屬片致動閥熱氣動式：體積膨脹和相變執(zhí)行器熱氣動式：體積膨脹和相變執(zhí)行器n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械執(zhí)行器。一種典型的方法是構成帶有密封流體的空腔如：空氣、水蒸汽和液態(tài)水等，這些

15、物質可以被加熱，然后就會膨脹。但是，就象別的許多熱驅動方法一樣，這種方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時間常數(shù)所致。n變相的熱執(zhí)行器包括加熱時相態(tài)可變的資料，這樣體積發(fā)生膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機械載荷。例如，可以經(jīng)過加熱將水從液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅動力。 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形狀，加熱驅動將使間隙封鎖，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。 熱氣動蠕動泵熱氣動蠕動泵熱式微執(zhí)行器實例熱式微執(zhí)行器實例(1)(1)進口出口玻璃玻璃鋁膜硅加熱電阻熱氣動微閥熱氣動微閥 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，控制氮氣流量達15L/min。 熱式微執(zhí)行器實例熱式微執(zhí)行器實例(2)(2)熱氣動微波形管執(zhí)行器熱氣動微波形管執(zhí)行器 外表微機械“波形管執(zhí)行器帶有一個環(huán)形的折疊狀薄膜構造，相對于簡單的薄膜，這種構造可以得到更大的偏移。 熱式微執(zhí)行器實例熱式微執(zhí)行器實例(3)(3)熱氣動活塞執(zhí)行器熱氣動活塞執(zhí)行器n體積膨脹氣體驅動的活塞執(zhí)行器，沿著襯底所在的平面平行挪動。在多晶硅加熱