第三章 熱微傳感器的應用

3.1 熱機械傳感器

自動控溫裝置的基本工作原理之一就是熱-機械能量之間的轉換。熱機械傳感器是利用材料的尺寸隨溫度變化而變化，即材料的熱脹冷縮原理制成的傳感器。當溫度變化為ΔT時，物體線度l的變化為Δl，成為一維線性熱膨脹，它們之間的函數關系為：

式中：αl是膨脹系數。

雙金屬溫度開關是它的基本應用，圖3-1為其基本工作原理。

假設雙金屬片沒有殘留應力，則它的曲率半徑如下：

式中：αl1、αl2分別表示兩種不同材料的熱膨脹系數；Tf為最終溫度；T0為起始溫度；d1、d2分別表示兩件不同材料的厚度。

如圖3-2所示的帶門閂的雙金屬溫度開關。它的一個門閂由兩金屬片組成，先用探針將懸臂梁閉合，將門閂預留到“閉鎖”狀態，如圖3-2下半部分所示。當周圍環境溫度低于設定值時，門閂自動打開，使懸臂梁斷開，如圖3-2上半部分所示。這一過程是可逆的，假如溫度高于設定值時，則門閂自動關閉。電傳感的機械存儲器就是根據此方法制作的。如果機械結構經受冷或熱而使溫度低于或高于設定值，就可得到指示。

它的制作工藝為：在雙面拋光的[100]硅片上，通過熱氧化形成500nm的二氧化硅膜并用此二氧化硅膜作為掩膜，再擴硼形成其中的一個梁，然后削去氧化層，用LPCVD沉積120nm氮化硅。通過光刻形成一個窗口并在窗口沉積180nm的二氧化硅犧牲層。再用LPCVD沉積摻磷多晶硅，接著沉積120nm氮化硅。之后進行雙面光刻以形成圖形，濺射500nm的Au/Cr并光刻成電接點。最后，在背面用KOH腐蝕出背腔，用HF腐蝕二氧化硅形成懸臂梁。

在微結構中雙金屬片結構的應用非常廣泛，表3-1列舉了一些常用薄膜材料的熱導率和熱膨脹系數。

對于液體來說，體積隨溫度在不同的體脹系數αV的關系如下：

其中

對于均一介質材料的線性膨脹，αl與晶向無關。

用二次式展開，有：

大多數材料隨溫度升高而膨脹，但是水在冰點附近卻收縮約0.2%，這是因為河水從上而下結冰。而高溫時水會膨脹，例如水銀溫度計。單晶材料的膨脹系數和材料的晶向有關。例如，硅[100]、[110]、[111]面，它們的膨脹系數是不同的。能夠用于溫度測量的還有基于相變的熱機械傳感器（如TiNi合金），它具有熱-應力或熱-長度變換功能。此外，液體的熱膨脹也可以作為一種機械力來使用。利用各種不同材料的熔點也可以構成微熱傳感器，如某一層材料在特定的溫度下溶解而使點接觸斷開。