热敏感与执行原理

第四章

热敏感与执行原理热传感器与执行器概述

-热传感器

-热执行器

-热传递的基本原理基于热膨胀的传感器与执行器

-热双层片基本原理

-单一材料组成的热执行器热电偶热电阻器应用

微传感器实例---热学微执行器制动方式实例---热执行器热传感器与执行器概述---热传感器热传感器包括两种含义：用于测量诸如温度和热等热学性质的传感器；（2）基于热传递原理的传感器。热传感器与执行器概述---热执行器微器件和结构的执行可以通过注入或抽走其中的热量来实现。温度分布的变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力的输出。微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导和热对流的热量，温度可以升高；而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷，微结构的温度可以降低。热执行原理已用于商业的MEMS产品中。现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。热传感器与执行器概述---热传递基本原理微尺度下原子的振动证明了温度的存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。热量从一点传递到另一点有四种可能的机制：1）传导，即当存在温度梯度时，热量通过固体媒介传递；2）自然对流，即热量从表面传递到静止流体内部，流体里的温度梯度通过浮力引起了液体的局部流动，流体质量的运动促进了热传递；3）强迫对流，即热量传递到运动流体的内部，这种内部流体运动比自然热对流引起的热传递要强；4）辐射，即通过真空或空气中传播的电磁辐射引起热量的损失或增加。基于热膨胀的传感器和执行器热膨胀是材料的普遍行为。温度上升后，由半导体、金属、绝缘体材料构成结构的尺寸和体积都会变大。热双层片原理

对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。图热双金属片弯曲（）基于热膨胀的传感器和执行器---热双层片原理热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。它们有相同的长度，但热膨胀系数（CTE)不同.当温度均匀变化△T时，两层的长度变化不一样。梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。横向的梁弯曲由此产生。许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。静电执行热双层片执行优点低频时低功耗较大的运动范围很快的响应速度同等位移下较小的覆盖面积缺点较小的运动范围因电流产生欧姆热，工作效率较高需要大的面积和覆盖区以产生较大的力和位移因时间常数受制于加热和散热，响应速度较慢表静电和热双层片执行的特点例4.忧1一个僵双层受片悬汤臂梁会由不袄同长扯度的写两层蚁构成邪。上的面一壶层由杆铝制椅成（轧材料2），鹊下面扮一层米由氮咽化硅博制成局（材满料1）。牢两层魄的宽慕度均超为20竿um。A点到B点的诉长度傍为10凯0u光m，从B电到C点的歌长度旧也是10肃0u隶m.铝和茂氮化抽硅的拣杨氏监模量键分别揉为为搜。厚泽度是傻。热雪膨胀鼓系为习，惩室温知下，嫂悬臂杠梁是升直的比。相对辽于室晓温，计梁均裤匀加梢热20植℃，求稼悬臂般梁的亲曲率蓄半径第（r）以哨及自潜由端堆的垂骆直位桶移量气。解:这个镰复合赛梁有蝴两段向。A点到B点这同段受书双层阿片效奏应的装影响复而弯羞曲。B点到C点这床段仅啊由单舌一的吼材料保组成距，这育段不乡丰会自电行弯缝曲，蹦但它帜会随侦着B点发叙生的鼓弯曲铜而弯创曲。对于AB段，溜可以时用下停面的屯表达观式来堆求曲叮率半泪径AB段的止曲率常半径降是r=计0.跃00鹅38猫3m圆弧咽部分叼的角边度为箩：B点的扣垂直粪位移浙是:C点的旺垂直谜位移扔是：基于涛热膨贫胀的虹传感涌器和海执行刃器--卧-单一降材料假组成羽的热拆执行胁器热双台层片伟的弯勒曲很秤容易傲产生跟离面妈线性策位移精或角丘位移侄。如塑果分华层的殖热双僵层片极材料疑堆在筝垂直饲的表与面上辽，就输可以仇产生缩慧面内卵位移俊，但择这种矮堆叠续结构掩制作溉比较验困难性。用弯由梁电置热执陷行器家可产盯生面裂内位貌移，糊这是沈一种瞒基于膊单一驻材料为的热的执行更器。围如右燥图所插示，术弯梁腹由掺龄杂到赞某一康浓度幼的硅夏制成诵，并僚作为生欧姆纹加热篮器，塞流经畏弯梁诊的电客流致酿使两图分支挠膨胀叫，导务致顶美端向倦横向软方向斑移动局。图南弯梁吼电热楼执行芝器热电热偶由两裳种不腰同材坐料制锯成的种两段道引线弹结合州在一裹点构欢成了尽热电振偶。跑热电庙偶最零常用虾于测识量结茶合的庆敏感愿点和独参考圾点之岛间的阔温差者，根谱据两擦结之秧间的认温度闻梯度苏，热及电偶纵也可绕发电饿。与热诵阻和嫌其他陶温度站传感丧方法昨相比植，热言电偶配有一录些独湖特的他优点陷。热委电偶渐的输剪出没鞭有失郊调和话漂移蚕。除如了光蚀之外晴，它费不受剩任何虎物理教信号快的干吗扰，端热电迁偶不剑需要键加电糠压，子而是站自供多电的盾。热电蚕阻器脂是温移度传粒感器澡，通炸常由乌半导剧体氧喉化物同制成梳，表落现出刃很大险的、眠性能蓄优良勺的热病系数纱，通亩常是附负值燃。一般厅所用惰的均格为负豆温度颗系数（NT毫C）的热仅变电凶阻器遗，电谊阻用St沈ei党nh怒ar担t-埋Ha扫rt方程桑计算热电障阻器热电昆阻可械由金处属或钉半导扶体构活成。抽在这蛇两种没情况颈下，鲁热电乓阻的胆尺寸粮都随鹊温度洋而变冶化。常用手的热由敏电炼阻器仅是指酱半导店体热玩电阻拜。半横导体秋热敏栽电阻忍器具被有大雕的电届阻率帆和易磁于小巴型化抗的优则点TC圆R为电梳阻温惜度系可数热电娘阻I/潮V曲线抢的弯宵曲程膏度与角绝缘必热有数关。馋对两冲个同碍样的缸热阻揪，在瞎给定再的电更压下观，热馆绝缘蜻较好炒的一拼个将中达到材更高禾的温棵度和薄更大妨的热茧阻变体化；落相反披的，根热绝盖缘较璃差的片器件肤平衡俩温度趣较低统，它摆的I/六V曲线棍的弯知曲程丙度较蚊小。应用--涝-惯性派传感煤器加速电度计回结构骂包括栽一个坛欧姆拒加热桃器和信两个显关于围加热喂器对守称放险置的模温度犁传感橡器。品硅芯护片放枕在内眯有空请气的母气密细封状收体里红。加拦热器沈将空册气加取热。系静止踪蝶状态论下，贪热气千囊的逼空间追对称症分布姨，两柱个温瞧度传下感器派有相书同的涂温度这读数罪。如址果在斤封装涨体上杏加上付加速踩度，板芯片亭将沿管着外僻加加袋速度灿的方钓向做稠轻微蜻移动卸。因旬为惯阴性，沃气体敌将落黑在后祖面，协导致扯了空表气中锹温度维分布虏不对辆称，西两个户温度欺传感模器的拘读数奴将变呀得不城同，犯温度兴之差亏与外摆加加碑速度甲大小番对应椅。基于鸽热传辩递原把理的党加速蜓度计应用--渴-流量敬传感接器热线穴式风呈速计愿是用概来测纳量液他体流临动速得度的纺一种搞成熟劫技术独。它险利用吴热元维件既宇作为爸热阻疮加热眯器又筛作为立温度们传感请器。贪热电房诚阻器画工作袋时偏咱置在赚自加抹热区悲，其四温度习和阻岁值随跪着液较体流菊动的僚速度党而改相变。热线禁式风习速计应用--膨-红外年传感叨器悬臂究梁吸后收了篮入射管的红帆外（IR）辐柜射后虾，温魔度会掌上升拉，导耐致了除双金拾属梁绸的弯掠曲。班通过忍检测浪双金溪属梁猪弯曲等位移俊来求衰出温吨度的陪变化投。基于煮电容报敏感晃的红酿外传盟感器热电兼偶是者测量互热的络最常优用的想传感恼器工作纪原理丝式：依软靠两纸个不携同金具属线扫的末请端产取生的趟电动灯势，肃此电杯动势粒在两容个导拴线的心交节枪点（速称为舞节点线）被何加热跟的情愁况下银产生夫。热电刻偶传胜感器微传寒感器柿的实挣例--术-热学热电斯偶在热并电偶抚电路所中另过外加初一个倚节点贝，并弓且使沃其温说度不赌同于败其他伟节点蹲的温厦度，谣这样兽就可桶以从凑电路改中引浙入一芝个温却度梯评度。热电四偶原塑理微风温度林传感润器的嘉一个笑严重肢缺点品：输犹出信快号随铲着线刺和节敲点的装尺寸简的减揪小而望降低旋。微热拦电堆礼是小技型化井热传川感更细理想窜的解竭决方绵案。Ch榨oi和Wi余se在19成86年研照制的冲微热萍电堆热阻拨传感它器热阻林效应：材西料电骗阻随财温度格的变抢化而鱼变化众。可丈从电加阻的退公式滤看出魄。温度俗变化截时，赛尺寸扎将扮会改聋变，怜也茎将发棉生显负著变刚化。微执扩行器吊致动灿方式拳实例--担-热执济行器利用仇热来序驱动口的热榆致动岔器或名简单晨的加态热器弄（一趣个电想阻器上）广功泛应居用于倘微机击械器互件中合，是捎一种申十分晃常见灭的驱难动方辽式。粪从原大理上逃分，黎热致多动器坛可以夕分为息热气倒动式宋和热辛膨胀隶式两呀种。热膨摄胀式：利牌用执肯行器均加热除时本新身材逼料的乞体积龄膨胀鸽驱动终。热气愤动式差：一种召典型续的方宗法是析形成宏带有千密封购流体暑（如魄空气哭、水些蒸汽疯和液浑态水集等）秤的空蓝腔，除气腔苏中的酱流体翅被加喊热后暖就会脖膨胀勒，压缓力增毁大，嫁从而科推动幅薄膜躲运动盛。固体芝热膨疑胀：挤双晶幸片热愧执行棋器热执慢行器痰的一齿个基变本方摩案是方利用怒两种烟键合跪材料炸的不屑同热殖膨胀森系数刚，被坟称为西双晶烤片热仰激励柄。一个面加热英器常其被夹条在两晕层“瓜活动冤”的蒸材料幅中间业，加标电后号，就鸽会使拿它们纤产生裂不同负的膨疮胀。宇该方目案的往优点德包括闯线性内的偏笨移量-能量垂关系俯以及裹环境成稳定责性，仔如这恢些执草行器朗能运闯行于作热传粘导相司当低晴的液午体中湿。缺点桶包括城高功茂耗、艺低带柔宽（艰由热既时间浴常数密决定蔑）以鼻及比煤静电菜执行杂器更渠复杂兄的结汽构。双晶诱片热谱执行事器双金下属致萄动器双金宰属致题动器诉也是晓一种钥热致道动器海，但物它不描利用捷固体生的体钢积膨言胀，煎而是鹊利用飞固体垂的线蝇性膨狱胀来嫩制造兴微致倡动器扣。双爬金属萌热致优动是券通过糊加热速，使泛得驱斤动元好件本偷身的厚温度宰升高阁，结低构内遣部产此生热兰应力核，导消致薄拘膜产凡生线苹性应启变，斑从而恋达到偷驱动枕目的接。双金朗属热封致动炮方式掌具有稀驱动粱电压扇低、片驱动透力大烘、行怕程大庭、线嘴性的望位移—能量绒关系恨、结蒙构及嘉制造椒工艺鹿简单众（相描对热柳气动去等方幅式而种言）质、驱蹈动能皂源易资于实俩现、词易于哲集成蓬等特享点，衬因而彩应用脾前景肃广泛粒。a热膨狼胀系摩数，t厚度盘，b宽度美国IC践S述en待so爬rs利用多这种和双金仪属片哲致动粮原理寒研制绑的阀卖。其傻中，语硅膜圈厚、引直径玩为，历铝层扇厚，患常开线间隙侨为的尺阀可盘控0.拥2M者Pa的气仔流，绍泄漏翁仅为45站μL洪/m尊in金属层加热膜硅进口出口双金秋属片万致动米阀热气回动式暂：体积粱膨胀永和相哭变执捧行器不利膝用固尾体的逼线性偏膨胀版，而摇是利用控体积忘膨胀也可侦以制父造出胜微机菌械执骗行器月。一位种典识型的糟方法凝是形露成带耍有密浇封流针体的盾空腔金（如疯：空属气、妄水蒸乐汽和香液态象水等显），蜻这些威物质钉可以伤被加巨热，贫然后晃就会矛膨胀沉。但漫是，帐就象哪别的计许多紫热驱列动方屠法一斥样，愉这种惯方法贝功耗豆较大孝，带洗宽较乒低，车这是灿由于贫热时屡间常述数所押致。变相敢的热钟执行撇器包浆括加热愁时相烤态可煌变的材牢料，烂这样粘体积储发生康膨胀傻从而回产生英压力晕以及悄机械挥载荷托。例貌如，夕可以汽通过绸加热康将水坊从液茂态转龄变为话气态鞠，产拍生的奋气泡椒可以糟用作滔驱动鸦力。加热电阻蠕动膜流道入口出口热气动蠕动泵热气猪动蠕骑动泵闲，膜尾片与怀管道心间的佳间隙记处于欠常开福状态估，加开热驱楚动将愁使间呈隙关妈闭，应膜片垄的顺恰序动裳作促气使流顷体定峰向流视动。冲该泵斗流量存和背夜压都宽比较腹低。热气贺动蠕胆动泵热式邀微执革行器剪实例(1大)进口出口玻璃玻璃铝膜硅加热电阻热气悲动微硬阀热气你动微亏阀，北压力促腔内扔注有斥氯甲并烷，涝利用达其液籍态-气态颂相变锦控制奸流体晶，控查制氮施气流月量达15就L/堤mi企n。热式深微执适