现代检测技术导论物理量检测课件

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1、问题：1、多维力传感器中被测量的个数与检测桥路的数量有何关系？2、触觉传感器主要的性能指标应该包括哪几项？现代检测技术导论现代检测技术导论第三章物理量检测与传感器3.3 厚膜力敏传感器（高理升）3.4 磁传感器（林新华）3.5 光与图像传感器（孔斌）3.6热流式传感器3.7谐振式传感器l3.6.1 工作原理l 在密闭的腔体内利用热电阻加热空气，形成稳定的对流，当器件倾斜或存在加速度时，对流方向发生改变，使测试电阻处的气流速度不同，引起对流散热速率变化，从而使得测试电阻的阻值改变。 原理：l美国George Washington大学l腔体的尺寸500m l一维热电偶式结构，加热功率在40mW到9

2、0mW时，灵敏度可达到40V/g到115V/g ，频率响应 100Hzl一维热电阻式，加热功率在120mW和430mW的时候，灵敏度分别为25 V/g和185 V/g ,频率响应600Hzl二维结构灵敏度略低 输入-输出曲线灵敏度-功率曲线（30Hz）l德国S.Billat利用SOI技术l性能：空气，响应时间300ms; SF6，响应时间600ms灵敏度:1.6mV/ (45mW、SF6气体)量程：360 分辨率：0.007 功耗：5mW-50mWl信息产业部十三所l功率为200mW时灵敏度为0.35V/g，量程为75g，抗冲击大于100g。这个传感器中，腐蚀槽的深度为150m，多晶硅加热电阻

3、长1000m，宽80m，厚度2m，测温电阻长1000m，宽40m，厚度2m 多 晶 硅引线R8R5170mxy参考电阻R4R1加 热电阻R2测 温电阻R3R6R72mm微型热流传感器结构设计图l传热基本方式：传导、对流、辐射l传导傅里叶导热定律 一维热传导方程xTqdxxTxxTAdxxTcAAdxqxTA辐射斯忒藩-波尔兹曼定律为斯忒藩-波尔兹曼常量，又称黑体辐射常数，值为5.6710-8W/(m2K4)。辐射功率：A是表面积，为表面发射率，T1是物体的温度，T2为环境温度。 4TEb=A(T14-T24) l对流影响对流的因素l流体流动的起因：比如强迫对流和自然对流 l流体有无相变 l流体

4、的流动状态 ：层流和湍流 l换热表面的几何因素 l流体的物理性质 （密度、动力粘度、导热系数 ）牛顿散热定律表面积为S的热体，在单位时间内，由于对流而散失的热量：l其中是热体温度，0是周围流体温度，h是表面传热系数，研究对流换热的任务就是确定计算表面系数h的具体表达式。)(0hS参数名称参数名称表示符号表示符号数值数值加热器温度加热器温度T11000K边界温度边界温度T2300K腔体边长腔体边长L2mm加热器宽度加热器宽度L1200 m支撑梁宽度支撑梁宽度W100 m结构厚度结构厚度H20 m多晶硅厚度多晶硅厚度H11 m表面发射率表面发射率 1.0硅热导率硅热导率 Si150 W/(m K)

5、支撑梁加热器1211112118244LLTTWHWHLLTTqASiSi热传导部分：热传导部分：对流部分：对流部分：211214/ 121221324Pr248. 0TTHWLLHTTTTgHthSAir辐射部分辐射部分42411214241342TTHWLLTTAl热量主要通过传导的方式散发出去。考虑到支撑梁硅结构对传热的影响，实际加热的功率会比这个计算结果要大，因此设定的额定加热功率是100mW。 mW7 .461mW7 . 42mW0 . 53代入参数，得代入参数，得mW4 .56321l掺杂到一定浓度多晶硅电阻 检测电路检测电路 001TTRTR433211433211212121T

6、TTTTTVRRRRRRVVVVccccz电桥输出l支撑梁两端弯矩l达到应力极限时 l硅的承载极限为7109Pa，结构的厚度为20m，长度为2mm，则有 2)2(31LWHaMA22)2(316LWHaMWHfMAyyfLHa22ga692336101 . 3107102103 . 210202l测温电阻结构的边测温电阻结构的边长为长为730 m，比支撑梁的长度，比支撑梁的长度2mm小，冲击承载能力要小，冲击承载能力要强于支撑梁强于支撑梁PaLLLE53411101 . 31021015. 8109 . 1z热膨胀应力35030023001000TL/L=3502.3310-6=8.1510-

7、4l物理上，格拉晓夫数物理上，格拉晓夫数 Gr是浮升力是浮升力/粘滞力比值粘滞力比值的度量。的度量。Gr数的增大表明浮升力作用的相对数的增大表明浮升力作用的相对增大。增大。Gr与加热器的特征尺度的三次方成正与加热器的特征尺度的三次方成正比，尺度变化比，尺度变化1010倍，则倍，则Gr数变化数变化1000倍倍l取取g=9.8m/sg=9.8m/s2 2， =1/650=1/650， t=700t=700， =59.3=59.3 1010-6-6 m m2 2/s /s 23tlgGr39326100 . 3103 .596507008 . 9llGr(K)(m)T=220K(m)(m/s)(K)

8、(m)T=130K(m/s)(m)(K)(m)T=16K(m/s)(m)(K)(m)T=0.9K(m/s)(m)(K)(mm)T=0.4K(m/s)(mm)(K)(mm)T=0.2K(m/s)(mm)mVTTTTVVcc2 . 03603601009. 122 . 01009. 1521221332121腔体边长尺寸：腔体边长尺寸：2mm结构层厚度：结构层厚度：20 m加 热 平 台 尺 寸 ：加 热 平 台 尺 寸 ： 2 0 0 m 200 m 支撑梁尺寸：支撑梁尺寸：900 m 100 m 测温电阻边长：测温电阻边长：250 m测温电阻宽度：测温电阻宽度：10 m 测温电阻顶点距离加热测

9、温电阻顶点距离加热平台距离：平台距离：400 m 参考电阻宽度：参考电阻宽度：10 m 参考电阻外边长：参考电阻外边长：300 m 多晶硅引线R8R5170mxy参考电阻R4R1加热电阻R2测温电阻R3R6R72mml电阻设计经验公式电阻设计经验公式K1电阻端头修正因子；电阻端头修正因子；K2电阻弯头修正因子，实电阻弯头修正因子，实验确认为验确认为0.5；n 弯头数目。弯头数目。 LW21nKKWLRRl加热器上电阻的分压达到加热器上电阻的分压达到外加电压的外加电压的90%l支撑梁电阻支撑梁电阻18个方块，则个方块，则加热器为加热器为162个方块个方块l电阻条长度电阻条长度1720 m，宽度，

10、宽度是是10 m，间距，间距10 mlRheater=16 9+8+8 2 0.5+2 2=164 R=16.4k kRRRTemp65. 65 .662604805 . 0210250口口）（ 测温电阻测温电阻l清洗硅片清洗硅片l双面氧化二氧化硅双面氧化二氧化硅2000 （干氧氧化）（干氧氧化）l双面淀积氮化硅双面淀积氮化硅2000 zLPCVD:700 C到到800 C zPECVD:450 C l正面淀积多晶硅层正面淀积多晶硅层多晶硅薄膜性质多晶硅薄膜性质l能承受高温处理能承受高温处理 l可以进行可以进行N型或型或P型（重）掺杂型（重）掺杂 多晶硅制备多晶硅制备lLPCVD, 625 C

11、 l在氮化硅衬底上，择优取向是在氮化硅衬底上，择优取向是110，平均晶粒，平均晶粒约为约为0.03 m的细晶粒镜面光滑的的多晶硅薄膜的细晶粒镜面光滑的的多晶硅薄膜 l薄膜厚度：薄膜厚度：1 m温度对多晶硅淀积速率的影响温度对多晶硅淀积速率的影响掺杂种类和浓度对多晶硅生长掺杂种类和浓度对多晶硅生长速率的影响速率的影响 l掺杂多晶硅掺杂多晶硅多晶硅电学性能多晶硅电学性能多晶硅薄膜的室温电阻率（多晶硅薄膜的室温电阻率（a）、平均）、平均载流子浓度（载流子浓度（b）与掺杂浓度的关系）与掺杂浓度的关系 l掺杂浓度为21019/cm2，电阻率为0.01cm l多晶硅薄膜的厚度为1m 1001001. 01

12、4jXRl刻蚀多晶硅薄膜，制作加热电阻、测温电阻和参考电阻l正面淀积氮化硅， 2000l正面光刻氮化硅，制作Cr/Au引线；双面光刻氮化硅和二氧化硅；双面开腐蚀窗口l双面各向异性对穿腐蚀，正面V型槽l腐蚀穿通，分离出悬空的结构3.7.1 工作原理工作原理 谐振式传感器是利用谐振器（也称谐振子）作为敏谐振式传感器是利用谐振器（也称谐振子）作为敏感元件，以谐振器固有频率的改变来测量待测量的大小，感元件，以谐振器固有频率的改变来测量待测量的大小，它的基本组成框图如下图所示。它的基本组成框图如下图所示。 机械力学机械力学系统系统谐振器谐振器激振器激振器信号输出信号输出拾振器拾振器放大器放大器 谐振子的

13、四种基本结构形式：谐振子的四种基本结构形式： 悬臂梁式、双端固支梁（桥式）、薄悬臂梁式、双端固支梁（桥式）、薄膜式以及梳状叉指式。膜式以及梳状叉指式。 谐振式传感器常用的激振、拾振方法谐振式传感器常用的激振、拾振方法 ：v静电激振静电激振/静电拾振静电拾振v激光激振激光激振/激光拾振激光拾振v压电激振压电激振/压电拾振压电拾振 v电磁激振电磁激振/电磁拾振电磁拾振 3.7.2 MEMS谐振式压力传感器研究进展 1988年日本的年日本的IKEDA等人等人提出了利用有选择的外延生长提出了利用有选择的外延生长和牺牲层技术制作内置干真空和牺牲层技术制作内置干真空腔中的谐振梁技术，腔中的谐振梁技术，Q值

14、高达值高达50000。采用电磁激振。采用电磁激振/电磁拾电磁拾振的方式，并用两个承受不同振的方式，并用两个承受不同方向应力谐振梁频率的差分来方向应力谐振梁频率的差分来消除温度等因素的干扰。消除温度等因素的干扰。 90年代初英国的年代初英国的 Greenwood等人利用了掺硼自停止的等人利用了掺硼自停止的各向异性腐蚀技术，制作了扭转振动的谐振器，采用各向异性腐蚀技术，制作了扭转振动的谐振器，采用静电激振静电激振/静电拾振的方式，真空中静电拾振的方式，真空中Q值值20000 。 90年代英国的年代英国的AngelidisAngelidis等人利用硅等人利用硅硅直接键合技术，研硅直接键合技术，研制成

15、一种光纤读出式硅谐振压力传感器。其敏感器件由对应制成一种光纤读出式硅谐振压力传感器。其敏感器件由对应力敏感的双端固支谐振梁和另一根与它垂直且对应力不敏感力敏感的双端固支谐振梁和另一根与它垂直且对应力不敏感的悬臂梁组成。利用激光进行激振和利用光干涉现象进行拾的悬臂梁组成。利用激光进行激振和利用光干涉现象进行拾振。这种结构使得传感头可以远离前置电路，因而可耐相当振。这种结构使得传感头可以远离前置电路，因而可耐相当高的温度。高的温度。 智能所于九十年代中利用智能所于九十年代中利用MEMS技术研制出一种硅谐振技术研制出一种硅谐振式 压 力 传 感 器式 压 力 传 感 器 ， 其 核 心 敏 感 部

16、分 是 尺 寸 为， 其 核 心 敏 感 部 分 是 尺 寸 为0.69mm0.08mm0.005的谐振硅梁。谐振硅梁是利用的谐振硅梁。谐振硅梁是利用四电极电化学腐蚀技术和单晶硅腐蚀速率各向异性的特四电极电化学腐蚀技术和单晶硅腐蚀速率各向异性的特点在硅片上加工制作而成，并集成有静电激励元件及压点在硅片上加工制作而成，并集成有静电激励元件及压阻拾振元件。阻拾振元件。此传感器技术参数为：量程此传感器技术参数为：量程=0.1Mpa；分；分辨率辨率0.01%F.S；灵敏度；灵敏度0.2Hz/Pa；输出频率；输出频率20kHz；工作温度；工作温度=-555。 中科院电子所于本世纪初提出了一种新型谐振式压

17、力传中科院电子所于本世纪初提出了一种新型谐振式压力传感器。器件由上下两硅片键合而成，上硅片制作半岛型结构感器。器件由上下两硅片键合而成，上硅片制作半岛型结构氮化硅谐振梁，下硅片制作矩形压力膜。此半岛结构压力传氮化硅谐振梁，下硅片制作矩形压力膜。此半岛结构压力传感器的谐振器的品质因数感器的谐振器的品质因数Q Q 值大于值大于17 00017 000，频移与压力的线，频移与压力的线性相关系数性相关系数为为0.99995，精度小于，精度小于0.06% F.S。 微型硅谐振式压力传感单元的结构如下图，它由单晶硅压力微型硅谐振式压力传感单元的结构如下图，它由单晶硅压力膜和位于单晶硅膜片表面中心的单晶硅梁

18、谐振器组成膜和位于单晶硅膜片表面中心的单晶硅梁谐振器组成 ，并在并在梁上制作梁上制作H形状导线用于电磁激振和电磁拾振。形状导线用于电磁激振和电磁拾振。 (a) 谐振压力传感单元结构谐振压力传感单元结构剖面图剖面图 (b) 谐振压力传感单元谐振压力传感单元结构俯视图结构俯视图 梁无阻尼下的自由微幅振动方程为梁无阻尼下的自由微幅振动方程为 ：422422( , )( , )( , )x tx tx tEIAAxxt 对于两端固支的梁，边界条件为：对于两端固支的梁，边界条件为：0,( )0 xlw x0,0 xldwdx经推算可得梁在无应力时的一阶固有频率为经推算可得梁在无应力时的一阶固有频率为21

19、224.73(0)1.0282EIEhflAl考虑轴向力时梁的一阶固有频率为：考虑轴向力时梁的一阶固有频率为：221224.733( )1( )212hElflh梁在磁场中安培力作用下的、阻尼为梁在磁场中安培力作用下的、阻尼为c的微幅振动方程为：的微幅振动方程为： 422422ewwwwEIAAcBIxxtt对应的感生电动势为：对应的感生电动势为：1dwUBxt(4)221222222dddd()(d )(d )(d )eEIxAxcxAxIiUi BxBxBx 进一步推算可得：进一步推算可得：即磁场作用下的双端固支梁和电路中即磁场作用下的双端固支梁和电路中RLC并联谐振电路是等效的并联谐振电

20、路是等效的：2222(d )0.6904dBxBRccx2222d1.4484(d )AxACBBx22242(4)(d )1725.01/1 0.29495 ( / )ddBxBLEI ll hEIxAx 由等效由等效RLC并联谐振电路的谐振频率可得双端固支梁的一阶并联谐振电路的谐振频率可得双端固支梁的一阶谐振频率为谐振频率为 11( )2fLC2224.731 0.29495( )212hEllh方形压力膜和谐振方形压力膜和谐振梁梁的应力分析的应力分析 单晶硅压力膜为一次敏感元件单晶硅压力膜为一次敏感元件, ,膜四周与管座刚性连接膜四周与管座刚性连接, ,可近似看成四边固支等厚度的方形膜。

21、由于四边固支膜片挠可近似看成四边固支等厚度的方形膜。由于四边固支膜片挠度分布的精确表达式过于复杂，为了便于进行理论分析，下度分布的精确表达式过于复杂，为了便于进行理论分析，下图中膜片挠度可近似为：图中膜片挠度可近似为：222222( , )(1) (1)mxyw x yW HLL 由于谐振梁对膜片而言是很小的尺寸，因此膜片所收受应由于谐振梁对膜片而言是很小的尺寸，因此膜片所收受应力正是相应位置上梁所受应力。当梁与力正是相应位置上梁所受应力。当梁与X轴的夹角为轴的夹角为时时 ，得得到梁到梁横截面横截面上的应力上的应力222222222202222222332() (1)(1)(1) (1)cos

22、8(1)(1)cos sinLxyxyxy xyCPHLLLLLLL2222222222233(1)(1)(1) (1)sinyxyxLLLL 由上式可知由上式可知: : 谐振梁在膜片表面不同位置上谐振梁在膜片表面不同位置上, , 其感受的应其感受的应力不同力不同, , 固有谐振频率也不同。最大应力出现在膜片边线的中固有谐振频率也不同。最大应力出现在膜片边线的中点处和膜片中心处。膜片中心处的应力值为：点处和膜片中心处。膜片中心处的应力值为：20 m ax2() (1)LC PH0.00.20.40.60.81.0-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5x 2CP(L/H)2x/

23、L0(z=H/2,y=0)谐振压力传感器闭环自激系统设计谐振压力传感器闭环自激系统设计 根据机电系统阻抗分析方法和前面的谐振梁等效电路分根据机电系统阻抗分析方法和前面的谐振梁等效电路分析析, , 建立电磁激励建立电磁激励/ /电磁拾振的电磁耦合振子模型。并根据理电磁拾振的电磁耦合振子模型。并根据理论或电路系统仿真，可知由于外界因素或徐变所引起模型电论或电路系统仿真，可知由于外界因素或徐变所引起模型电路的元件值的变化对振幅和谐振频率的影响很小。路的元件值的变化对振幅和谐振频率的影响很小。 我们在理论分析基础上提出了一种以单梁作谐振子、以我们在理论分析基础上提出了一种以单梁作谐振子、以制作于梁上制

24、作于梁上H型导线作为电磁激励型导线作为电磁激励/电磁拾振单元的闭环自激电磁拾振单元的闭环自激系统，简图如下图所示。系统，简图如下图所示。电磁激振电磁激振/电电磁拾振闭环磁拾振闭环自激系统理自激系统理论模型论模型单晶硅谐振梁谐振特性分析单晶硅谐振梁谐振特性分析 所 用 结 构 几 何 参 数 为 ： 谐 振 梁 的 尺 寸 为所 用 结 构 几 何 参 数 为 ： 谐 振 梁 的 尺 寸 为0.8mm*0.08*0.005mm，压力膜的尺寸为，压力膜的尺寸为2.5mm*2.5mm，厚，厚度为度为0.1mm-0.2mm。梁材料梁材料模型（模型（a）（有）（有限元限元BEAM3）模型模型（b）（有限

25、（有限元元SOLID95）Si一阶谐振频一阶谐振频率率(KHz )(KHz )59.97260.869二阶谐振频二阶谐振频率率(KHz )(KHz )165.306167.952 分别得到谐振梁一阶谐振频率和二阶谐振频率如下表分别得到谐振梁一阶谐振频率和二阶谐振频率如下表: :谐振传感器压力灵敏度分析谐振传感器压力灵敏度分析 对具有对具有1mm边框的方形单晶硅压力膜边框的方形单晶硅压力膜（2.5mm*2.5mm*0.2mm）在在0.1MPa压力载荷作压力载荷作用下进行应力分析，可得沿用下进行应力分析，可得沿X轴方向应力分布轴方向应力分布为为方膜沿方膜沿X轴方向应力分布图轴方向应力分布图方膜沿方

26、膜沿X轴方向应力分布曲线轴方向应力分布曲线 对整个传感单元建模，对整个传感单元建模，模型中硅膜厚度模型中硅膜厚度0.0.2mm，外延单晶，外延单晶硅膜硅膜0.000.005mm，方形槽尺寸为，方形槽尺寸为0.0.566mm*0.566mm*0.1mm，槽，槽上面是上面是0.0.8mm*0.08mm*0.005mm梁。梁。 完整的传感单元模型完整的传感单元模型传感单元在传感单元在0.1MPa外加压力外加压力作用下的等效应力分布作用下的等效应力分布无外加压力时传感单元一阶无外加压力时传感单元一阶模态（模态（65.8 KHZ）P(kPa)f1(kHz)065.810070.3720074.94300

27、79.5140084.08 由上表和图可以看到传感器的频率偏移量与外加压力成由上表和图可以看到传感器的频率偏移量与外加压力成线性关系，传感器的灵敏度为线性关系，传感器的灵敏度为45.7Hz/kPa。 对对不同压力作用下梁一阶谐振频率不同压力作用下梁一阶谐振频率分析如下：分析如下：（1）备片。我们选用）备片。我们选用3英寸大小的英寸大小的N型（型（100）双面抛光硅片，电阻率为）双面抛光硅片，电阻率为5-10cm、 厚度为厚度为0.3mm。（2）硅片常规清洗。）硅片常规清洗。（3）Si衬底上浓硼扩散，扩散结深衬底上浓硼扩散，扩散结深0.001mm，掺杂浓度为，掺杂浓度为1.51020/cm-3。

28、 （4）沿着）沿着001方向双面热氧化生长方向双面热氧化生长SiO2层，厚度为层，厚度为0.9m。（5）正面匀胶并进行一次光刻，用）正面匀胶并进行一次光刻，用HF溶液腐蚀掉不被光刻胶保护的溶液腐蚀掉不被光刻胶保护的SiO2，在硅梁在硅梁 两侧形成两个直角三角形的两侧形成两个直角三角形的ICP刻蚀窗口。刻蚀窗口。（6）ICP刻蚀不被刻蚀不被SiO2层保护的浓硼扩散层直至层保护的浓硼扩散层直至N型型Si衬底，形成硅梁谐振衬底，形成硅梁谐振腔腐蚀窗口。腔腐蚀窗口。（7）背面二次光刻，用）背面二次光刻，用HF溶液腐蚀掉不被光刻胶保护的溶液腐蚀掉不被光刻胶保护的SiO2，开，开Si衬底减衬底减薄窗口。薄

29、窗口。（8）磁控溅射或蒸发）磁控溅射或蒸发CrAu薄膜。薄膜。（9）正面三次光刻，并腐蚀形成）正面三次光刻，并腐蚀形成H形状形状CrAu导线。导线。（10）利用）利用TMAH各向异性腐蚀溶液，通过腐蚀通道腐蚀出谐振腔，并由各向异性腐蚀溶液，通过腐蚀通道腐蚀出谐振腔，并由于浓硼扩散自停止腐蚀而最终形成谐振梁和将硅背面减薄形成感应膜片。于浓硼扩散自停止腐蚀而最终形成谐振梁和将硅背面减薄形成感应膜片。（11）在硼硅玻璃上制作压力导入孔，并与硅衬底进行硅）在硼硅玻璃上制作压力导入孔，并与硅衬底进行硅-玻璃静电键合。玻璃静电键合。（12）测试，划片。）测试，划片。（13）金丝球焊引线。）金丝球焊引线。（

30、14）真空封装。）真空封装。 N型型Si 衬底衬底P+型型SiSiO2 CrAu合金合金 硼硅玻璃硼硅玻璃 由于现实应用中所测压力主要是差压，我们在同一硅衬由于现实应用中所测压力主要是差压，我们在同一硅衬底上加工两个完全相同的传感单元，一个传感单元检测实际底上加工两个完全相同的传感单元，一个传感单元检测实际压力，另一个作为参考单元用来检测标准大气压，如下图所压力，另一个作为参考单元用来检测标准大气压，如下图所示。这种结构的主要优点就是可以消除环境温度等因素带来示。这种结构的主要优点就是可以消除环境温度等因素带来的附加误差。的附加误差。 同一衬底上加工两个传感单元的结构和工艺示意图同一衬底上加工

31、两个传感单元的结构和工艺示意图 为了实现压力的检测，需引出芯片的激振电极和拾振电极；为了实现压力的检测，需引出芯片的激振电极和拾振电极；为了减小空气阻尼，增大品质因数为了减小空气阻尼，增大品质因数Q值，谐振梁必须密封在真值，谐振梁必须密封在真空中。考虑到封装机械应力和热应力的影响，提出了下图这样空中。考虑到封装机械应力和热应力的影响，提出了下图这样一种封装结构：一种封装结构： 它由不锈钢基座和用来作真空密封的镀金可伐管座和玻璃它由不锈钢基座和用来作真空密封的镀金可伐管座和玻璃帽盖组成。将压力传感器芯片与金属管座封接成一整体，然后帽盖组成。将压力传感器芯片与金属管座封接成一整体，然后在真空环境中将玻璃与金属管座封接在一起，完成传感器的真在真空环境中将玻璃与金属管座封接在一起，完成传感器的真空封装。空封装。