用于氦气检测的杠杆放大式大行程热机械MEMS执行器研究及其在核安全监测中的应用

本文推荐一种基于U形热机械执行器的创新型MEMS氦气检测方案，通过机械杠杆结构放大气体热导率差异引起的位移（达7.75?μm），实现无需复杂读电路的无源机械开关功能。该器件在核废料干式贮存（Helium Fill Gas）泄漏监测中具有高灵敏度、低功耗优势，有限元仿真（COMSOL Multiphysics）与实验高度吻合。

　　

Highlight

U形执行器是由一根粗（冷）臂和一根细（热）臂构成的电热执行器（图1a）。当电流通过执行器时，它会向冷臂方向弯曲（图1b）。该位移取决于与周围气体的热传递。当周围气体为空气时，热臂的温度将高于被氦气包围时的温度（图1c）。因此，在空气中的位移相较于氦气中更大。

Experimental data

实验数据样本如图8所示。图8a显示自由臂与基底之间的初始间隙约为23?μm。鉴于设计间隙为25?μm，我们将2?μm的位移差归因于微加工过程中的残余应力。在至少三次不同实验中，执行器（包括残余位移）在静止空气中的平均位移为18.67?μm，在氦气中为10.92?μm（图9）。因此，在两种气体环境中观察到了显著的位移差异。

Uncertainty quantification (UQ)

本研究开发的执行器通过热机械位移展示了氦气检测的巨大潜力。然而，实际制造过程和操作条件固有地引入了参数不确定性，如加热电压、材料属性和几何尺寸。这些不确定性可能显著影响执行器的性能，潜在地影响其可靠性和准确性。因此，进行不确定性量化（UQ）以评估这些变异对关键输出（如最大温度和位移）的影响至关重要。

Conclusion and future work

本研究展示了利用U形执行器基于热导率进行氦气检测。执行器的设计包含一个均匀刚度臂，其作用类似于杠杆，放大了执行器内部产生的气体依赖性热应力的效应。其他执行器也可用于构建氦气传感器，但与此执行器相比存在劣势；标准V形执行器没有杠杆臂，而双压电晶片执行器则受困于由不同材料热膨胀系数（CTE）差异引起的内部应力。