第三章 热微传感器的应用

3.1 热机械传感器

自动控温装置的基本工作原理之一就是热-机械能量之间的转换。热机械传感器是利用材料的尺寸随温度变化而变化，即材料的热胀冷缩原理制成的传感器。当温度变化为ΔT时，物体线度l的变化为Δl，成为一维线性热膨胀，它们之间的函数关系为：

式中：αl是膨胀系数。

双金属温度开关是它的基本应用，图3-1为其基本工作原理。

假设双金属片没有残留应力，则它的曲率半径如下：

式中：αl1、αl2分别表示两种不同材料的热膨胀系数；Tf为最终温度；T0为起始温度；d1、d2分别表示两件不同材料的厚度。

如图3-2所示的带门闩的双金属温度开关。它的一个门闩由两金属片组成，先用探针将悬臂梁闭合，将门闩预留到“闭锁”状态，如图3-2下半部分所示。当周围环境温度低于设定值时，门闩自动打开，使悬臂梁断开，如图3-2上半部分所示。这一过程是可逆的，假如温度高于设定值时，则门闩自动关闭。电传感的机械存储器就是根据此方法制作的。如果机械结构经受冷或热而使温度低于或高于设定值，就可得到指示。

它的制作工艺为：在双面抛光的[100]硅片上，通过热氧化形成500nm的二氧化硅膜并用此二氧化硅膜作为掩膜，再扩硼形成其中的一个梁，然后削去氧化层，用LPCVD沉积120nm氮化硅。通过光刻形成一个窗口并在窗口沉积180nm的二氧化硅牺牲层。再用LPCVD沉积掺磷多晶硅，接着沉积120nm氮化硅。之后进行双面光刻以形成图形，溅射500nm的Au/Cr并光刻成电接点。最后，在背面用KOH腐蚀出背腔，用HF腐蚀二氧化硅形成悬臂梁。

在微结构中双金属片结构的应用非常广泛，表3-1列举了一些常用薄膜材料的热导率和热膨胀系数。

对于液体来说，体积随温度在不同的体胀系数αV的关系如下：

其中

对于均一介质材料的线性膨胀，αl与晶向无关。

用二次式展开，有：

大多数材料随温度升高而膨胀，但是水在冰点附近却收缩约0.2%，这是因为河水从上而下结冰。而高温时水会膨胀，例如水银温度计。单晶材料的膨胀系数和材料的晶向有关。例如，硅[100]、[110]、[111]面，它们的膨胀系数是不同的。能够用于温度测量的还有基于相变的热机械传感器（如TiNi合金），它具有热-应力或热-长度变换功能。此外，液体的热膨胀也可以作为一种机械力来使用。利用各种不同材料的熔点也可以构成微热传感器，如某一层材料在特定的温度下溶解而使点接触断开。