一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器及监测方法

摘要

本发明涉及一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器及监测方法，包括两组V型弯曲梁组件，其中每组V型弯曲梁组件包括若干上下叠放的V型梁，所述每组V型弯曲梁组件的所有V型梁同中心，且同时固定在一个固定块上；两组V型弯曲梁组件通过连接杆与固定在一个杠杆的一端，所述杠杆另一端设有压电陶瓷，压电陶瓷的上下断面分别是接电的上电极和下电极。本发明可以感应极其微小的温度变化并且将之转换为较大的电信号输出，能够显著提高MEMS微温度传感器的分辨率及灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS），具体涉及一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器及监测方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)技术是自十九世纪六十年代开始发展起来的新兴技术，其思想是通过微加工制造技术将各种机械部件、传感器、执行器、信号处理器和控制电路等集成为综合系统，采用微型结构，使之在极小的空间内达到智能化的功效实现基于芯片的完整的机电系统。近年来，利用大规模集成电路的微细加工技术，将机构、驱动器、传感器、控制器集成在一个多晶硅片上，以实现有源机构和完整的机电一体化的微机械系统是国内外微机械研究的一个新趋势。其中，微传感器和微驱动器的研究和设计是MEMS技术发展的核心工作。微传感器主要包括微型物理量传感器、化学量传感器、光电传感器及生物传感器等。它具有体积小、响应快、灵敏度高、成本低等特点，而这正是目前MEMS器件的基本要求。目前，各类微传感器的研究和应用逐年增多，部分类型的传感器如微型压电传感器与加速度传感器等已实现大规模生产。在日益迅速的MEMS技术发展和更加广泛的应用这一背景下，掌握设计与研发基于MEMS技术的微型器件的技术并投入应用已经显得越来越重要，如何设计出响应速度快、灵敏度高、可靠性好、工艺特性好的新型微传感器也是现阶段的一大课题。

MEMS器件多用于自动化控制系统，不宜经常更换，而对于微温度传感器而言，不可避免的会工作于不同的温度环境中，特别是高温环境，这种条件是不适合电子电路工作的，温度本身又是待测的物理量，因此，微温度传感器会时刻处于变化的温度环境中。若温度变化过于频繁，而传感器响应速度过慢，则有可能导致过程数据丢失，温度过高或过低，传感器的分辨率和灵敏度也将受到影响，因此，在测温范围中。保证温度测量的响应速度、分辨率和灵敏度已经成为MEMS微温度传感器的核心要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种运用强度及热膨胀系数均达到要求的镍作为主要材料，可以得到足够的形变，进而得到足够的力矩、应力以及电压，另一方面，由于压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微小的应力转换成电信号。因此，该结构可以感应极其微小的温度变化并且将之转换为较大的电信号输出，能够显著提高MEMS微温度传感器的分辨率及灵敏度的一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器及监测方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器，其特征在于，包括两组V型弯曲梁组件，其中每组V型弯曲梁组件包括若干上下叠放的V型梁，所述每组V型弯曲梁组件的所有V型梁同中心，且同时固定在一个固定块上；

两组V型弯曲梁组件通过连接杆与固定在一个杠杆的一端，所述杠杆另一端设有压电陶瓷，压电陶瓷的上下断面分别是接电的上电极和下电极。

在上述的一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器，所述V型梁弯曲角度为8^°，镍作为V型梁的主体结构材料，以硅为基底，硅基底和主体结构之间加设一层二氧化硅作为绝缘层。

在上述的一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器，其特征在于，所述固定块材料为硅；

在上述的一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感器，其特征在于，所述杠杆材料为镍。

一种基于MEMS系统的高灵敏度高分辨率的微型温度传感监测方法，其特征在于，具体工作方法如下：两组V型梁受热膨胀，V型梁I中六组V型梁形变之和传递至连接杆处，连接杆杆整体向上移动，V型梁II中六组V型梁形变之和传递至连接杆，连接杆整体向下移动。两连接杆的上下移动作用于杠杆上，产生力矩，经杠杆将力矩放大至远端。由于压电陶瓷两端固定，放大后的力矩会产生较大的应力，由压电陶瓷将机械应力转化为稳定的电信号输出。

因此，本发明具有如下优点：运用强度及热膨胀系数均达到要求的镍作为主要材料，可以得到足够的形变，进而得到足够的力矩、应力以及电压，另一方面，由于压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微小的应力转换成电信号。因此，该结构可以感应极其微小的温度变化并且将之转换为较大的电信号输出，能够显著提高MEMS微温度传感器的分辨率及灵敏度。

附图说明

图1为发明的主视结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

以、首先介绍一下本发明的具体结构：本发明包括两组V型弯曲梁组件，其中每组V型弯曲梁组件包括若干上下叠放的V型梁，所述每组V型弯曲梁组件的所有V型梁同中心，且同时固定在一个固定块上；

两组V型弯曲梁组件通过连接杆与固定在一个杠杆的一端，所述杠杆另一端设有压电陶瓷，压电陶瓷的上下断面分别是接电的上电极和下电极。

在本实施例中，V型梁弯曲角度为8^。，镍作为V型梁的主体结构材料，以硅为基底，硅基底和主体结构之间加设一层二氧化硅作为绝缘层。固定块材料为硅；杠杆材料为镍。

二、具体方法是：

1）选用热膨胀系数和强度均达到使用要求的镍作为主体结构材料，以硅为基底，硅基底和主体结构之间加设一层二氧化硅作为绝缘层。

2）通过蚀刻工艺加工镍材料，使结构成型。

3）在杠杆远端处连接压电陶瓷，压电陶瓷另一端固定。

4）工作时，两组V型梁受热膨胀，V型梁I中六组V型梁形变之和传递至连接杆处，连接杆杆整体向上移动，V型梁II中六组V型梁形变之和传递至连接杆，连接杆整体向下移动。

5）两连接杆的上下移动作用于杠杆上，产生力矩，经杠杆将力矩放大至远端。

6）由于压电陶瓷两端固定，放大后的力矩会产生较大的应力，由压电陶瓷将机械应力转化为稳定的电信号输出。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。