现代检测技术导论物理量检测学习教案

1、会计学1第一页，共67页。l l 纵向压阻系数纵向压阻系数 h h 横向横向(hn (hn xin)xin)压阻系数压阻系数l l 纵向应力纵向应力 h h 横向横向(hn xin)(hn xin)应力应力 第1页/共66页第二页，共67页。 压阻系数(xsh)分量 应力方向 电流方向 R/R 纵向 11(11+12+44)/2(11+212+244)/3 横向 12（11+12-44）/2第2页/共66页第三页，共67页。材料0（cm）压阻系数(10-3(kbar)-1)11111244n-Sip-Si11.77.8-102.2+6.6+53.4-1.1-13.6+138.1Si的压阻系数值

2、(shz)（室温） 第3页/共66页第四页，共67页。（a）单臂电桥(din qio)； （b）差动半桥； （c）差动全桥第4页/共66页第五页，共67页。3.2.2 微型三维力传感器问题的提出：MEMS技术的发展正在使人类对微米、纳米世界的操作能力取得突破；感知系统对于必须借助工具进行操作的任务十分重要，尤其是在人类无法直接观察和感受的范围中；微小型机器人进入特殊环境进行作业时必须具备(jbi)力感知能力，如进入人体肠胃或微型卫星内部时；由于机器人作业时所受作用力方向是不确定的，所以必须使用三维力传感器；已有的三维力传感器在尺寸上不能满足微型化要求，因此必须研制微型三维力传感器。第5页/共6

3、6页第六页，共67页。工作工作(gngzu)原理原理 微型微型(wixng)三三维力传感器结构维力传感器结构示意图示意图敏感(mngn)膜片传力板保护基片44hOL0L1h0h1第6页/共66页第七页，共67页。 Fx Fy Fz Mx My MzRx1 0 0 Rx2 0 0 Vx 0 0 0 0 0 Fx Fy Fz Mx My MzRy1 0 0 Ry2 0 0 Vy 0 0 0 0 0 Fx Fy Fz Mx My MzRz1 0 0 Rz2 0 0 Rz3 0 0 Rz4 0 0 Vz 0 0 0 0 0a. 桥路桥路Cx及及其响应输出其响应输出b. 桥路桥路Cy及及其响应输出其响应

4、输出c. 桥路桥路Cz及及其响应输出其响应输出检测桥路对多维力的响应输出检测桥路对多维力的响应输出第7页/共66页第八页，共67页。力学力学(l xu)分析分析 a = 1.5mm, b = 0.5mm。 r2b2a弹性体的弹性体的E形园膜片模型形园膜片模型FzXOZMyFxYFyMxMz第8页/共66页第九页，共67页。（1）当）当Fz=3N作用在中央凸台时，在圆板半径作用在中央凸台时，在圆板半径r处的径向应力处的径向应力切向应力切向应力梁变形所产生的位移梁变形所产生的位移(wiy)其中其中k = r/a, K = b/a = 1/3, m = a/h0 = 18.75，板厚，板厚h0 =

5、80m， 第9页/共66页第十页，共67页。所以，最大径向所以，最大径向(jn xin)应力应力 这时对应位置的切向应力这时对应位置的切向应力 中央凸台位移中央凸台位移第10页/共66页第十一页，共67页。（2）My = 2 Nmm。当。当My作用在中央凸台时，作用在中央凸台时，最大应力最大应力中央凸台转角中央凸台转角其中其中、为与结构尺寸、形状有关的系数，可由文献为与结构尺寸、形状有关的系数，可由文献27的表的表4.9-3查出，查出， 2.35， 0.269。根据方程（根据方程（2-1），得到硅各向异性腐蚀后，中央凸台顶），得到硅各向异性腐蚀后，中央凸台顶面的宽度面的宽度b0 = 0.4mm

6、，因此由于中央凸台转动，因此由于中央凸台转动(zhun dng)而产生的位置变化而产生的位置变化第11页/共66页第十二页，共67页。（3）强度与保护间隙）强度与保护间隙(jin x)计算计算当当Fz和和My同时作用时，中央凸台的总变形同时作用时，中央凸台的总变形这时总的最大应力这时总的最大应力为两者之和，即为两者之和，即 = 820106Pa。单晶硅的屈服强度单晶硅的屈服强度 = 7109Pa，远远高于，远远高于，因此在因此在Fz和和My同时作用下该传感器有足够的安全系数。同时作用下该传感器有足够的安全系数。我们设定过载保护间隙我们设定过载保护间隙(jin x)h1 = 6m，这时当仅，这时

7、当仅有有My作用时可能产生的应力最大作用时可能产生的应力最大因此，该传感器在上述极端条件下仍然是安全的。因此，该传感器在上述极端条件下仍然是安全的。 第12页/共66页第十三页，共67页。输出分析输出分析 对于半导体压阻式传感器，其扩散电阻变化量对于半导体压阻式传感器，其扩散电阻变化量与所受到的应力、应变成比例关系，即：与所受到的应力、应变成比例关系，即：上式中上式中11为的纵向压阻系数，为的纵向压阻系数，12为横向压为横向压阻系数。对于我们所采用的阻系数。对于我们所采用的P型扩散硅电阻，型扩散硅电阻，11 = 6.610-11 (m2/N)，12 = -1.110-11 (m2/N)。在本项

8、研究中均采用差动半桥检测电路在本项研究中均采用差动半桥检测电路(dinl)（图（图4-2），桥路电压），桥路电压Vc为为3V，所以电压输出变，所以电压输出变化化当当Fz作用时，作用时，第13页/共66页第十四页，共67页。工艺流程工艺流程(n y li chn) ( a )( b )( c )( d )( e )硅硅 掺杂硅掺杂硅 氧化硅氧化硅 氮化硅氮化硅 金属金属微型三维力工艺流程微型三维力工艺流程第14页/共66页第十五页，共67页。(a) 芯片正面芯片正面(b) 芯片背面芯片背面 三维力敏感芯片三维力敏感芯片第15页/共66页第十六页，共67页。实验实验(shyn)结果与数据处理结果与

9、数据处理 实验实验(shyn)装置装置三维力标定三维力标定(bio dn)装置装置X-Y平台平台(pngti)Z向移动齿条向移动齿条标 准 传 感标 准 传 感器器被测传感器被测传感器数据处理数据处理计算机计算机数字电压表数字电压表稳压电源稳压电源第16页/共66页第十七页，共67页。原始测量原始测量(cling)数据数据 （N, mV) 次数次数FxFyFzVxVyVz100000020.0490.0580.9771.2201.45513.53430.0900.0851.9532.4022.98227.07040.1220.1092.9393.6154.55140.74150.769-0.0

10、113.0445.4526.20742.11360.8110.7613.0866.7814.51842.70770.028-0.0010.5090.6820.8956.94180.1510.0201.4661.9512.49920.31690.400-0.0571.5432.6553.25121.240100.4210.3881.5783.4752.31321.885第17页/共66页第十八页，共67页。数据处理数据处理由 标 定 测 试 得 到 的 传 感 器 输 出 信 号由 标 定 测 试 得 到 的 传 感 器 输 出 信 号(xnho)V，通过线性解耦矩阵，通过线性解耦矩阵D可以转可

11、以转换成传感器所受到的三维力换成传感器所受到的三维力F。 第18页/共66页第十九页，共67页。解耦结果解耦结果(ji gu)与误差与误差 测量次数测量次数实际力实际力F（N）计算力计算力F（N）误差误差 （%FS）FxFyFzFxFyFz x y z100000000020.0490.0580.9770.0370.0570.9770.400.03030.0900.0851.9530.0750.0861.9540.500.030.0370.028-0.0010.5090.055-0.0050.5010.900.130.2780.1510.0201.4660.1320.0141.4670.630

12、.200.0390.400-0.0571.5430.384-0.0591.5360.530.070.23100.4210.3881.5780.4160.3911.5820.170.100.13第19页/共66页第二十页，共67页。附录：微机械加工技术附录：微机械加工技术(jsh)(jsh) 硅体微加工硅体微加工 1 1、各向异性腐蚀、各向异性腐蚀氢氧化钾（氢氧化钾（KOHKOH）水溶液、邻苯二酚）水溶液、邻苯二酚乙二胺乙二胺水（水（EPWEPW）和四甲基氢氧化胺水溶液（）和四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHWTMAHW）。）。 图2-1、（100）硅片的各向异性( xin y xn)腐蚀顶视图：剖

13、视图：腐蚀(fsh)掩膜54.74whbw = h / tan54.74。 Si + H2O + 2KOH = K2SiO3 + 2H2 第20页/共66页第二十一页，共67页。三角形掩膜补偿法三角形掩膜补偿法条形掩膜补偿法条形掩膜补偿法第21页/共66页第二十二页，共67页。 三角形掩膜与条形掩膜的关系310dh1h2ab130010b/2dd = 1.2 +3.12H (m) (2-3) a = 3.78+9.83H-1.5b（m） (2-9)第22页/共66页第二十三页，共67页。2、电化学腐蚀、电化学腐蚀(fsh)电位（V）0.0-0.5-1.0-1.5四电极电化学腐蚀系统示意图（图中

14、NSi区域(qy)连通）采用四电极电化学腐蚀(fsh)技术加工的硅梁第23页/共66页第二十四页，共67页。3、高温硅直接键合工艺、高温硅直接键合工艺步骤步骤1、预处理：将两抛光硅片先经含、预处理：将两抛光硅片先经含OH 的溶液浸泡的溶液浸泡(jnpo)处理，然后烘干处理，然后烘干 ；步骤步骤2、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；步骤步骤3、热处理：加热至、热处理：加热至500、800、1000C，形成高温键合。，形成高温键合。800C退火处理后水汽产生的气孔键合完成后的红外图象第24页/共66页第二十五页，共67页。玻璃硅片加热板- Vs+静电

15、键合装置4、静电键合工艺、静电键合工艺1、硅片清洗、烘干；、硅片清洗、烘干；2、射频溅射、射频溅射PbO玻璃薄膜，真空度玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氩气和氧气，玻璃，通氩气和氧气，玻璃膜厚度膜厚度1m；3、将镀有玻璃膜的硅片与另一块本体硅片对准后压紧，分别接电源、将镀有玻璃膜的硅片与另一块本体硅片对准后压紧，分别接电源负极负极(fj)和正极。在常温下加和正极。在常温下加50V直流电压，时间直流电压，时间10min。硅/玻璃膜界面的SEM图象第25页/共66页第二十六页，共67页。常温键合硅片剥开后的玻璃膜粘附现象第26页/共66页第二十七页，共67页。 硅表面硅表面(biomin)微加

16、工微加工第27页/共66页第二十八页，共67页。 LIGA技术技术同步同步(tngb)辐射辐射X光光刻光光刻 (Lithographie)+微电铸微电铸 (Galvanoformung)+微复制微复制 (Abformung)第28页/共66页第二十九页，共67页。3.2.3 MEMS触觉传感器 类皮肤型触觉传感器必须具备(jbi)的功能和特性：1、触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、力觉和滑觉；2、柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状的表面；3、小巧的片状外型，以利于安装在机器人手爪上。第29页/共66页第三十页，共67页。压阻元件与压阻元件与应变检测电路应变检测电路模拟开关模拟开关热敏

17、电阻热敏电阻放大补偿电路放大补偿电路A/D计算机主板计算机主板D/A数据处理电路数据处理电路机器人控制器机器人控制器分布接触力分布接触力解码器解码器触觉敏感阵列触觉敏感阵列触觉传感器系统框图触觉传感器系统框图地址控制器地址控制器第30页/共66页第三十一页，共67页。未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列橡胶层橡胶层传力柱传力柱基板基板保护阵列保护阵列金丝金丝外引线外引线 敏感单元敏感单元 中央凸台中央凸台敏感阵列结构图敏感阵列结构图触觉敏感触觉敏感(mngn)阵列阵列 第31页/共66页第三十二页，共67页。制作工艺制作工艺敏感芯片的制作敏感芯片的制作基本与微型三维力传感器芯片

18、相同，但是应在基本与微型三维力传感器芯片相同，但是应在采用离子注入掺杂工艺制作敏感电阻的同时采用离子注入掺杂工艺制作敏感电阻的同时(tngsh)，增加制作信号选通集成电路和，增加制作信号选通集成电路和Al连连线的相关工艺。线的相关工艺。 传力阵列的制作传力阵列的制作 传力柱传力柱A传力柱传力柱B边框边框A边框边框B边框边框B边框边框A悬臂梁悬臂梁A悬臂梁悬臂梁B梁厚控制梁厚控制V形槽形槽阵列分离槽阵列分离槽梁厚控制梁厚控制V形槽形槽传力阵列剖面图传力阵列剖面图第32页/共66页第三十三页，共67页。保护阵列的制作保护阵列的制作 1、准备硅片。技术要求：（、准备硅片。技术要求：（100）晶向，厚

19、度）晶向，厚度50015m，双面抛光双面抛光(pogung)，无错位，晶向偏差，无错位，晶向偏差1，平行度，平行度20m；2、热氧化，生长、热氧化，生长3000厚的氧化硅膜，作为腐蚀保护膜；厚的氧化硅膜，作为腐蚀保护膜；3、光刻过载保护浅坑和横向通气孔腐蚀窗口；、光刻过载保护浅坑和横向通气孔腐蚀窗口；4、各向异性腐蚀至、各向异性腐蚀至6m深。腐蚀条件：深。腐蚀条件：33%KOH溶液，溶液，76C，腐蚀速率，腐蚀速率1m/min；5、采用沙轮切片机切割分离各保护阵列芯片，清洗、烘、采用沙轮切片机切割分离各保护阵列芯片，清洗、烘干后备用。干后备用。传感器组装工艺传感器组装工艺 第33页/共66页第

20、三十四页，共67页。触觉传感器阵触觉传感器阵列 组 装列 组 装 ( z zhun)工艺工艺流程流程第34页/共66页第三十五页，共67页。信息信息(xnx)融合融合 线性单元线性单元(dnyun)解耦解耦力敏信号力敏信号(xnho)(xnho)触觉图象触觉图象人工神经网络人工神经网络总总 力力摩擦系数对比摩擦系数对比阈值计算阈值计算单元力单元力滑动状态滑动状态接触状态接触状态触觉信息处理触觉信息处理流程图流程图第35页/共66页第三十六页，共67页。单元单元(dnyun)解耦解耦由触觉敏感单元由触觉敏感单元(dnyun)Eij得到的输出信号得到的输出信号Vij，通，通过线性解耦矩阵过线性解耦

21、矩阵Dij转换成单元转换成单元(dnyun)力力Fij。作用力中心作用力中心(zhngxn)位位置：置：第36页/共66页第三十七页，共67页。人工神经网络人工神经网络 ni1ni2ni96ni97no1no2nh32nh1nh1no3 Fx11Fy11Fz48T Fx Fy Fz反传算法神经网络反传算法神经网络隐神经元隐神经元nhl的输出的输出(shch)为为Vhl： 输出输出(shch)神经元的输出神经元的输出(shch)值：值： 第37页/共66页第三十八页，共67页。滑动状态滑动状态(zhungti)判断：判断： , 静止状态静止状态，临界状态，临界状态 ，滑动状态或即将滑动，滑动状态

22、或即将滑动0.85C,State0.850.75,0.75,将输出值转换成与各方向将输出值转换成与各方向(fngxing)力量程相对应的三维力：力量程相对应的三维力： 第38页/共66页第三十九页，共67页。实验结果实验结果1、触觉、触觉(chju)图象与接触觉图象与接触觉(chju) 钥匙触觉钥匙触觉(chju)图象图象砝码砝码(f m)触觉图象触觉图象第39页/共66页第四十页，共67页。力分布点阵图力分布点阵图照片照片力分布高度图力分布高度图螺母触觉图象螺母触觉图象第40页/共66页第四十一页，共67页。2、接触、接触(jich)总力和滑觉总力和滑觉 -10010203040506001

23、020304050FxFyFzFzba.单独施加单独施加FzFzFz (N)(N)输 出输 出力 （力 （N）施加力施加力第41页/共66页第四十二页，共67页。(N)Fx (N)b. 保持保持Fz为为50N时施加时施加FxFx-1001020304050600246810FxFyFzFxbFzb输输出出力力（N）施加力施加力第42页/共66页第四十三页，共67页。三维接触总力标定曲线（图中三维接触总力标定曲线（图中Fxb、Fyb、Fzb 为实际施加的力值，为实际施加的力值，Fx、Fy、Fz为传感器输出的力值，输出力与施加力之间的误差放大了十倍。为传感器输出的力值，输出力与施加力之间的误差放大

24、了十倍。）(N)Fy (N)-1001020304050600246810FxFyFzFybFzbC.C.保持保持FzFz为为5050N N时施加时施加FyFy输输出出力力（N）施加力施加力第43页/共66页第四十四页，共67页。触觉传感器达到的主要性能与技术指标为：触觉传感器达到的主要性能与技术指标为： 敏感单元：敏感单元： 48 个个 敏感面积：敏感面积：1632 mm3 阵列尺寸：阵列尺寸： 20507 mm3 测力范围：测力范围： Fx、Fy: 10 N；Fz: 050 N 标定精度：标定精度： 2FS 触觉阈值触觉阈值(y zh)： 0.2 N 测力分辨力：测力分辨力： 0.1 N

25、滑觉输出滑觉输出: 未滑未滑=0、临界、临界=1、滑动或即将滑动、滑动或即将滑动=2 接触觉输出：未接触接触觉输出：未接触=0、接触、接触=1 响应时间：响应时间： 10 ms (其中敏感单元响应其中敏感单元响应ms，信号处理，信号处理8ms)第44页/共66页第四十五页，共67页。3.2.4 柔性触觉传感器研究目标：针对机器人、特殊检测、智能皮肤等应用需求，将MEMS传感器单元与柔性基板相结合，研究与开发出基于柔性衬底的MEMS传感器阵列的关键加工技术，并研制(ynzh)出两种分别含有三维触觉传感器和热觉传感器阵列的柔性智能皮肤，将目前的硅基微传感器阵列从只能用于两维平面测量拓展到能用于三维曲面测量。主要技术指标:(1) 硅岛侧壁垂直性：901。(2) 整个智能皮肤的可弯曲角度：大于90不断裂。(3) 触觉智能皮肤的触觉分辨率为0.1N（X、Y、Z），硅岛阵列密度为44。(4) 热觉智能皮肤的温度分辨率为0.1，硅岛阵列密度为44第45页/共66页第四十六页，共67页。第46页/共66页第四十七页，共67页。第47页/共66页第四十八页，共67页。Bosch 腐蚀工艺：腐蚀工艺：使用气体：使用气体：SF6 and C4F8.