机械5

微型测温系统设计 摘要：微梁作为MEMS的基本部件，是微型传感器的主要元件之一。为了可以对温度进行快速准确的测量，设计了一种由微悬臂梁作为主要器件的温度传感器。微梁可以对热、力、磁、电等特性进行检测。但微悬臂梁十分微小，对检测方法有较高的要求。在微梁方面，使用了中温型热双金属5J20110作为其核心部件。利用主动层M
n75Ni15Cu10，被动层Ni36Fe，两种金属的热膨胀差异，使梁在受热后产生内部应力出现玩起变形。由于变形量与温度直接相关，可以从微悬臂梁的变形量上获得相应的温度值，利用光杠杆对微小的形变量进行放大，四象限位置探测器，完成对温度的检测。通过仿真软件ANSYS对双金属悬臂微梁的受热后产生形变的过程进行了模拟，分析了悬臂微梁三维参数对悬臂微梁挠度的影响，确定了双金属悬臂微梁的最佳长度宽度和高度。设计了光杠杆的光路，利用反光结构完成了对体积的压缩。并再达到了任务书毫米尺度微区域的测温的要求。 关键词：微悬臂梁；温度传感器；光杠杆； Desig
n of micro temperature measureme
nt system Abstract：As the basic compo
ne
nt of MEMS, micro beam is o
ne of the mai
n compo
ne
nts of micro se
nsor. I
n order to measure the temperature quickly a
nd accurately, a temperature se
nsor with micro ca
ntilever as the mai
n device is desig
ned. The micro beam ca
n detect the thermal, mecha
nical, mag
netic a
nd electrical characteristics. However, the micro ca
ntilever beam is very small, so it has higher requireme
nts for detectio
n methods. I
n the aspect of micro beam, the middle temperature hot bimetal 5J20110 is used as its core compo
ne
nt. Usi
ng the differe
nce of thermal expa
nsio
n betwee
n the active layer m
n75
ni15cu10 a
nd the passive layer
ni36fe, the i
nter
nal stress of the beam after heati
ng appears to play deformatio
n. Because the deformatio
n is directly related to the temperature, the correspo
ndi
ng temperature value ca
n be obtai
ned from the deformatio
n of the micro ca
ntilever. The optical lever is used to amplify the small shape variables, a
nd the four quadra
nt positio
n detector is used to complete the temperature detectio
n. Through the simulatio
n software ANSYS, the deformatio
n process of bimetal ca
ntilever micro beam after heati
ng is simulated, the i
nflue
nce of three-dime
nsio
nal parameters of ca
ntilever micro beam o
n the deflectio
n of ca
ntilever micro beam is a
nalyzed, a
nd the optimal le
ngth, width a
nd height of bimetal ca
ntilever micro beam are determi
ned. The light path of the light lever is desig
ned, a
nd the volume is compressed by the reflective structure. A
nd the
n the temperature measureme
nt requireme
nts of the millimeter scale micro area i
n the missio
n stateme
nt are met Key words：Microbeam ;Temperature se
nsor ;Optical lever; 目录 1.1温度传感器概述1 1.2温度传感器的研究现状1 1.3微梁温度传感器检测方法3 1.2.1压阻式3 1.2.2压电式4 1.2.3电容式4 2温度传感器整体设计6 2.1原理分析6 2.2光路分析6 2.3微梁结构设计7 3悬臂微梁的有限元分析9 3.1有限元仿真原理9 3.3基于有限元ANSYS的热分析9 3.4有限元ANSYS Workbe
nch仿真过程10 4微梁尺寸与挠度关系有限元分析14 4.1微梁长度与挠度的关系分析14 4.2微梁宽度与挠度的关系分析15 4.3微梁厚度与挠度的关系分析16 5传感器元器件选择与光杠杆设计18 5.1激光光源的选择18 5.2光电传感器的选择18 5.3光杠杆设计21 6框架结构的三维设计23 6.1微梁的支撑与安装结构23 6.2 QPD的支撑与安装结构24 6.3激光发射器的支撑与安装结构24 6.4保护层结构设计25 6.5支撑结构的表面处理26 7温度传感器受外部干扰时间分析27 8温度传感器误差分析与校准机构29 8.1传感器的误差分析29 8.1.1来自微梁误差分析29 8.1.2来自反光镜误差分析30 8.2误差校准机构设计31 9结论33 1绪论 1.1温度传感器概述 传感器本质上是一种附加有检测功能的基本装置。通过其本身的特性可以按照一定的基本逻辑和规律对被测量进行转换成输出信号。在经济社会的发展之中，传感器技术以及成为必不可少的一部分。在传统的工业设备之中，可以通过对传感器和精测量设备的升级，实现对设备精度的提高和功能的增加，也可以在某种程度上提高用户的使用体验与安全性，同时做到高度的易用性与可维护性[1]。 作为基本的检测装置，对输入信号的转换是必不可少的，可以直接将其转换为电信号也可以转换为其他基本信号。同时还要可以有效的将信号传递到信号处理的部件之上。做到可以传输可以处理。在这种要求之下，我看可以简单的将传感器分解为敏感元件、转换系统和处理电路3个基本部分。 图1.1传感器工作原理图 在工业与农业生产之中、以及科学研究领域中，温度时一个非常重要的物理量。随着经济社会分飞速发展，温度的检测中对灵敏度和响应速度的要求进一步提高。[2]市场之中也出现了多种多样的不同原理的温度传感器。例如利用热敏电阻原理的热敏电阻、铂电阻，利用热电偶效应的热电偶传感器，以及双金属片温度传感器都是市场上常见的温度传感器。但是在他们之中，各个传感器都也有其自身的局限性：热电偶温度传感器响应差需要一个长时间稳定的温度才能有效度数；铂电阻价格高且不便于集成制造[3]。热敏电阻有这非常高的非线性特性，对非线性特性的处理有较高的要求。现有的双金属片传感器分辨率不够，响应常数较大。生产生活与科学研究对高精度、小体积的全新传感器的需求越来越强烈。 1.2温度传感器的研究现状 当今社会对工业生产产品的要求不断提高。随着科学技术的发展和进步，生产现代化水平不断提高，微温测量系统的应用领域不断扩大，概念不断深化。近年来，随着