第四章

熱敏感與執行原理熱傳感器與執行器概述

-熱傳感器

-熱執行器

-熱傳遞的基本原理基于熱膨脹的傳感器與執行器

-熱雙層片基本原理

-單一材料組成的熱執行器熱電偶熱電阻器

微傳感器實例---熱學微執行器制動方式實例---熱執行器熱傳感器與執行器概述---熱傳感器熱傳感器包括兩種含義：用于測量諸如溫度和熱等熱學性質的傳感器；（2）基于熱傳遞原理的傳感器。熱傳感器與執行器概述---熱執行器微器件和結構的執行可以通過注入或抽走其中的熱量來實現。溫度分布的變化通過熱膨脹、熱收縮或者相變將導致機械位移或者力的輸出。微結構通過吸收電磁波、歐姆熱、熱傳導和熱對流的熱量，溫度可以升高；而通過熱傳導散熱、熱對流散熱、熱輻射散熱以及有源熱電制冷，微結構的溫度可以降低。熱傳感器與執行器概述---熱傳遞基本原理微尺度下原子的振動證明了溫度的存在。當材料中存在溫度梯度時就會產生熱傳遞。熱量從一點傳遞到另一點有四種可能的機制：1）傳導，即當存在溫度梯度時，熱量通過固體媒介傳遞；2）自然對流，即熱量從表面傳遞到靜止流體內部，流體里的溫度梯度通過浮力引起了液體的局部流動，流體質量的運動促進了熱傳遞；3）強迫對流，即熱量傳遞到運動流體的內部，這種內部流體運動比自然熱對流引起的熱傳遞要強；4）輻射，即通過真空或空氣中傳播的電磁輻射引起熱量的損失或增加。基于熱膨脹的傳感器和執行器熱膨脹是材料的普遍行為。溫度上升后，由半導體、金屬、絕緣體材料構成結構的尺寸和體積都會變大。熱雙層片原理

對于傳感和執行而言，熱雙金屬片效應是很常用的方法。這種效應可將微結構的溫度變化轉變為機械梁的橫向位移。圖熱雙金屬片彎曲（）基于熱膨脹的傳感器和執行器---熱雙層片原理靜電執行熱雙層片執行優點低頻時低功耗較大的運動范圍很快的響應速度同等位移下較小的覆蓋面積缺點較小的運動范圍因電流產生歐姆熱，工作效率較高需要大的面積和覆蓋區以產生較大的力和位移因時間常數受制于加熱和散熱，響應速度較慢表靜電和熱雙層片執行的特點例4.1

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（材料2），下面一層由氮化硅制成（材料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。相對于室溫，梁均勻加熱20℃，求懸臂梁的曲率半徑（r）以及自由端的垂直位移量。

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點這段僅由單一的材料組成，這段不會自行彎曲，但它會隨著B點發生的彎曲而彎曲。圓弧部分的角度為：B點的垂直位移是:C點的垂直位移是：基于熱膨脹的傳感器和執行器---單一材料組成的熱執行器熱雙層片的彎曲很容易產生離面線性位移或角位移。如果分層的熱雙層片材料堆在垂直的表面上，就可以產生面內位移，但這種堆疊結構制作比較困難。用彎梁電熱執行器可產生面內位移，這是一種基于單一材料的熱執行器。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，流經彎梁的電流致使兩分支膨脹，導致頂端向橫向方向移動。圖彎梁電熱執行器熱電偶由兩種不同材料制成的兩段引線結合在一點構成了熱電偶。熱電偶最常用于測量結合的敏感點和參考點之間的溫差，根據兩結之間的溫度梯度，熱電偶也可發電。熱電阻器是溫度傳感器，通常由半導體氧化物制成，表現出很大的、性能優良的熱系數，通常是負值。一般所用的均為負溫度系數（NTC）的熱變電阻器，電阻用Steinhart-Hart方程計算熱電阻器熱電阻可由金屬或半導體構成。在這兩種情況下，熱電阻的尺寸都隨溫度而變化。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點TCR為電阻溫度系數熱電阻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達到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。應用---流量傳感器熱線式風速計是用來測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。熱電阻器工作時偏置在自加熱區，其溫度和阻值隨著液體流動的速度而改變。熱線式風速計應用---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。通過檢測雙金屬梁彎曲位移來求出溫度的變化。基于電容敏感的紅外傳感器熱電偶是測量熱的最常用的傳感器工作原理：依靠兩個不同金屬線的末端產生的電動勢，此電動勢在兩個導線的交節點（稱為節點）被加熱的情況下產生。熱電偶傳感器微傳感器的實例---熱學在熱電偶電路中另外加一個節點，并且使其溫度不同于其他節點的溫度，這樣就可以從電路中引入一個溫度梯度。熱電偶原理微溫度傳感器的一個嚴重缺點：輸出信號隨著線和節點的尺寸的減小而降低。微熱電堆是小型化熱傳感更理想的解決方案。Choi和Wise在1986年研制的微熱電堆微執行器致動方式實例---熱執行器利用熱來驅動的熱致動器或簡單的加熱器（一個電阻器）廣泛應用于微機械器件中，是一種十分常見的驅動方式。從原理上分，熱致動器可以分為熱氣動式和熱膨脹式兩種。熱膨脹式：利用執行器加熱時本身材料的體積膨脹驅動。熱氣動式：一種典型的方法是形成帶有密封流體（如空氣、水蒸汽和液態水等）的空腔，氣腔中的流體被加熱后就會膨脹，壓力增大，從而推動薄膜運動。固體熱膨脹：雙晶片熱執行器熱執行器的一個基本方案是利用兩種鍵合材料的不同熱膨脹系數，被稱為雙晶片熱激勵。一個加熱器常被夾在兩層“活動”的材料中間，加電后，就會使它們產生不同的膨脹。該方案的優點包括線性的偏移量-能量關系以及環境穩定性，如這些執行器能運行于熱傳導相當低的液體中。缺點包括高功耗、低帶寬（由熱時間常數決定）以及比靜電執行器更復雜的結構。雙晶片熱執行器雙金屬致動器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。雙金屬熱致動是通過加熱，使得驅動元件本身的溫度升高，結構內部產生熱應力，導致薄膜產生線性應變，從而達到驅動目的。

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、結構及制造工藝簡單（相對熱氣動等方式而言）、驅動能源易于實現、易于集成等特點，因而應用前景廣泛。

a熱膨脹系數，t厚度，b寬度

美國ICSensors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，泄漏僅為45μL/min

金屬層加熱膜硅進口出口雙金屬片致動閥熱氣動式：體積膨脹和相變執行器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行器。一種典型的方法是形成帶有密封流體的空腔（如：空氣、水蒸汽和液態水等），這些物質可以被加熱，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所致。變相的熱執行器包括加熱時相態可變的材料，這樣體積發生膨脹從而產生壓力以及機械載荷。例如，可以通過加熱將水從液態轉變為氣態，產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狀態，加熱驅動將使間隙關閉，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。

熱氣動蠕動泵熱式微執行器實例(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，壓力腔內注有氯甲烷，利用其液態-氣態相變控制流體，控制氮氣流量達15L/min。熱式微執行器實例(2)熱氣動微波形管執行器

表面微機械“波形管”執行器帶有一個環形的折疊狀薄膜結構，相對于簡單的薄膜，這種結構可以得到更大的偏移。熱式微執行器實例(3)熱氣動活塞執行器體積膨脹氣體驅動的活塞執行器，沿著襯底所在的平面平行移動。在多晶硅加熱器的作用下形成了水蒸汽的氣泡，并在活塞腔內膨脹，將活塞向外推。當加熱停止時，活塞腔