濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器制造技術(shù)

濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是設(shè)置雙材料微梁單元于感溫頭內(nèi)，點(diǎn)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(shè)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(shè)置在成像透鏡的成像位置上的光電接受器為光強(qiáng)接收器。本實用新型專利技術(shù)采用直線邊界濾波的光學(xué)方法，檢測雙材料為懸臂梁自由端的熱致轉(zhuǎn)角變形，從而精密測量環(huán)境溫度的變化。（*該技術(shù)在2017年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及用于探測環(huán)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(xué)讀出溫度傳感器。
技術(shù)介紹
溫度傳感器根據(jù)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(jù)熱電勢效應(yīng)制成，兩根不同材料的金屬導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)生的電勢稱為熱電勢， 通過測量這一電勢的變化即可實現(xiàn)對目標(biāo)溫度的測量。其工作范圍可在-200 1500t內(nèi)，精 度通常可達(dá)到o.orc。由于其在工作過程中必須配置一個穩(wěn)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(chǔ)的，為了達(dá)到較高 的測量精度需要作大量的電路裝置，導(dǎo)致制造成本的提高。此外，在復(fù)雜的電磁環(huán)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(dá)到O. 18C，這類探測器所面臨 的最大問題是嚴(yán)重的非線性，特別是在擴(kuò)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(jìn)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(xué)零 度，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射，如電機(jī)、電器、爐火，甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射。物體 溫度變化時，它所輻射的光譜就會發(fā)生變化，通過測量這種光譜的改變即可實現(xiàn)對目標(biāo)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(tǒng)復(fù)雜、 體積大。目前，這種溫度探測器主要用于對溫度較高目標(biāo)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(dāng)做 雙金屬溫度保護(hù)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(dāng)電 器設(shè)備工作出現(xiàn)異常，工作電流隨之增加而導(dǎo)致接入的雙金屬溫度傳感器發(fā)生熱變形并自動 斷開電路，從而使工作電器得到保護(hù)。它的工作原理很簡單由于梁是雙材料的，當(dāng)梁周圍 介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時，梁吸收熱量并轉(zhuǎn)化為其自身的溫升，進(jìn)而引發(fā)熱變形，由此實現(xiàn)傳 感。但是，目前此種傳感手段所能實現(xiàn)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(dǎo)致傳感器的溫度分辨率較低；第二、當(dāng) 前普遍使用的雙材料梁尺寸都在厘米量級，由此導(dǎo)致其彎曲剛度較大而熱變形較小，并且熱 容較大，熱響應(yīng)時間較長，因此它的溫度分辨率(約為0.5t)和動態(tài)響應(yīng)性能(響應(yīng)時間 約秒量級)都不很理想；第三、當(dāng)梁的尺寸比較微小(如微米量級)時，準(zhǔn)確探測微梁變形 存在技術(shù)難度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本技術(shù)是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種接觸型高靈敏度濾波 式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，采用直線邊界濾波的光學(xué)方法，檢測雙材料為懸臂梁自由端的 熱致轉(zhuǎn)角變形，從而精密測量環(huán)境溫度的變化。本技術(shù)解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案。本技術(shù)濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置雙材料微梁單元于感溫頭內(nèi)，點(diǎn)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(shè)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(shè)置在成像透鏡的成像位置上的光電接受器為光強(qiáng)接收器。 本技術(shù)濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的特征也在于-感溫頭由熱良導(dǎo)體外殼和充滿熱良導(dǎo)液體的密閉室構(gòu)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(nèi)的熱良導(dǎo)液體中。本技術(shù)濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器的特征還在于來自點(diǎn)光源的投射光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后投射在微梁反光板上；微梁反光板上的反射 光束經(jīng)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(diǎn)光源的投射光束的準(zhǔn)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(diǎn)光源的匯聚光束為投射光束直接投射在微梁反光板上，經(jīng)微梁反光板反射后形 成的反束光束匯聚光斑的焦點(diǎn)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(shè)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(fù)合薄膜，復(fù)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。本技術(shù)采用雙材料微懸臂梁，通過光學(xué)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(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)有益效果體現(xiàn)在1、 本技術(shù)由于采用光學(xué)濾波的方法，將微懸臂梁轉(zhuǎn)角變形引起的讀出光束的偏轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄎ恢霉獍叩墓鈴?qiáng)變化，光電接收器為光強(qiáng)傳感器，可以使光電信號的接收和處理 變得更容易。2、 本技術(shù)由于采用光學(xué)濾波的方法，可高精度地探測微梁的端部轉(zhuǎn)角變形或端部 位移，從而實現(xiàn)高靈敏的溫度探測。3、 本技術(shù)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(huán)境溫度變化非常敏感，用光學(xué)濾波方法檢測微梁自由端的轉(zhuǎn)角變形或端部位移，可以檢測 出微K級量級的溫度變化。4、 本技術(shù)通過把微懸臂梁集成在一個微小的熱良導(dǎo)體殼中，并充滿良性的導(dǎo)熱流 體介質(zhì)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(dǎo)的同時降低了熱容量，縮短了熱響應(yīng)時間。在實現(xiàn)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(jù)材料力學(xué)以及熱力學(xué)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(yōu)化微梁的尺寸后，該溫度探測器的分辨率可達(dá)到微K量級，響應(yīng)時間可達(dá)到亞秒級。附圖說明圖l為本技術(shù)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、圖3為本技術(shù)傳感器不同實施方式結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本技術(shù)溫度測試曲線圖。圖5為本技術(shù)濾波方式工作原理示意圖。圖中標(biāo)號l點(diǎn)光源、2準(zhǔn)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(jié)合附圖對本技術(shù)作進(jìn)一步描述。具體實施方式實施例h參見圖l，設(shè)置雙材料微梁單元4于感溫頭5內(nèi)，點(diǎn)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(shè)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(shè)置在成像透鏡8的成像位置上的光電 接受器9為光強(qiáng)接收器。圖1所示，感溫頭5由熱良導(dǎo)體外殼和充滿熱良導(dǎo)液體的密閉室構(gòu)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(nèi)的液體中。本實施例中，來自點(diǎn)光源1的照明光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后投射在微梁反光板上；微梁反 光板上的反射光束經(jīng)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(diǎn)光源1發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2的準(zhǔn)直后， 在雙材料微梁單本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
濾波式光學(xué)讀出微梁溫度傳感器，其特征是：　　　　設(shè)置雙材料微梁單元（４）于感溫頭（５）內(nèi)，點(diǎn)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(shè)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(shè)置在成像透鏡（８）的成像位置上的光電接受器（９）為光強(qiáng)接收器。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張青川，李凱，伍小平，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：實用新型
國別省市：34[中國|安徽]