微纳焦耳热致动器中铂温度传感层的设计与性能表征研究

本文创新性地在焦耳热型(Joule-heating)微纳致动器中集成铂(Pt)电阻温度传感层，通过理论推导和实验验证（10.4-24.6 μm梁结构），证实该设计可在220℃内精准监测温度分布（ΔR≈5.3%/100℃），为微纳尺度热致动器的性能优化提供重要测温方案。

　　

Highlight

本研究系统探讨了电阻式温度传感器在微纳致动器温度测量中的可行性及实际性能，采用理论分析与实验测试相结合的研究方法，主要结论如下：

理论分析

图1(a)展示的典型微纳致动器采用U型桥梁结构，上层为形状记忆合金(SMA)，下层为硅(Si)。通电时焦耳热效应(Joule heating)使两种材料产生差异热膨胀从而实现驱动，因此实时监测梁体温度至关重要。

微纳温度传感器的设计与制备

图8展示本研究的三种梁结构：桥梁、U型梁及折叠U型梁，可制备总长10.4-26.4 μm的梁体。图9所示的七步制备工艺基于SOI芯片（220 nm器件层+3 μm埋氧层），通过旋涂光刻胶、电子束曝光等微纳加工技术实现。

结论

1. 电阻温度传感可行性：理论证实将铂(Pt)电阻温度传感层集成至微纳致动器，能实现220℃内有效测温（ΔR≈5.3%/100℃）

2. 高温局限性：当梁体温度＞220℃时硅层电阻突变，且高功率下边界条件异变会导致测温值低于实际值

3. 应用前景：该方法有望提升微纳致动器系统的控制精度，但高温可靠性需进一步优化

作者贡献声明

张能奇：原始起草、可视化、验证、方法论、研究、形式分析

张健：审阅编辑、监督指导

利益冲突声明

作者声明无已知可能影响本研究的财务或个人利益冲突