现代检测技术导论-物理量检测2课件

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3.6热流式传感器3.6.1工作原理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。3.6.2MEMS热流式传感器美国GeorgeWashington大学腔体的尺寸500m

一维热电偶式结构，加热功率在40mW到90mW时，灵敏度可达到40V/g到115V/g，频率响应100Hz一维热电阻式，加热功率在120mW和430mW的时候，灵敏度分别为25V/g和185V/g,频率响应600Hz二维结构灵敏度略低

输入-输出曲线灵敏度-功率曲线（30Hz）德国S.Billat利用SOI技术性能： 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-50mW3.6.3传感器设计多晶硅引线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传热学基础传热基本方式：传导、对流、辐射传导——傅里叶导热定律一维热传导方程辐射——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。=A(T14-T24)

传感器结构

传热分析参数名称表示符号数值加热器温度T11000K边界温度T2300K腔体边长L2mm加热器宽度L1200m支撑梁宽度W100m结构厚度H20m多晶硅厚度H11m表面发射率1.0硅热导率Si150W/(mK)支撑梁加热器热传导部分：对流部分：辐射部分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。

代入参数，得敏感电路掺杂到一定浓度多晶硅电阻

检测电路电桥输出传感器结构抗冲击性能分析支撑梁两端弯矩达到应力极限时

硅的承载极限为7109Pa，结构的厚度为20m，长度为2mm，则有

测温电阻结构的边长为730m，比支撑梁的长度2mm小，冲击承载能力要强于支撑梁热膨胀应力L/L=3502.3310-6=8.1510-4气体对流尺度效应（2cm）(K)(m)T=220K(m)(m/s)气体对流尺度效应（1cm）(K)(m)T=130K(m/s)(m)气体对流尺度效应（5mm）(K)(m)T=16K(m/s)(m)传感器简化模型分析(K)(mm)T=0.4K(m/s)(mm)传感器实际近似模型(K)(mm)T=0.2K(m/s)(mm)传感器结构尺寸腔体边长尺寸：2mm结构层厚度：20m加热平台尺寸：200m200m支撑梁尺寸：900m100m测温电阻边长：250m测温电阻宽度：10m测温电阻顶点距离加热平台距离：400m参考电阻宽度：10m参考电阻外边长：300m多晶硅引线R8R5170mxy参考电阻R4R1加热电阻R2测温电阻R3R6R72mm加热器上电阻的分压达到外加电压的90%支撑梁电阻18个方块，则加热器为162个方块电阻条长度1720m，宽度是10m，间距10mRheater=169+8+820.5+22=164R=16.4kΩ

测温电阻3.6.4工艺方案清洗硅片双面氧化二氧化硅2000Å

（干氧氧化）双面淀积氮化硅2000ÅLPCVD:700C到800CPECVD:<450C正面淀积多晶硅层多晶硅薄膜性质能承受高温处理

可以进行N型或P型（重）掺杂

多晶硅制备LPCVD,625C在氮化硅衬底上，择优取向是〈110〉，平均晶粒约为0.03m的细晶粒镜面光滑的的多晶硅薄膜

薄膜厚度：1m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速率的影响

掺杂多晶硅多晶硅电学性能多晶硅薄膜的室温电阻率（a）、平均载流子浓度（b）与掺杂浓度的关系

掺杂浓度为21019/cm2，电阻率为0.01cm多晶硅薄膜的厚度为1m刻蚀多晶硅薄膜，制作加热电阻、测温电阻和参考电阻正面淀积氮化硅，2000Å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；双面开腐蚀窗口双面各向异性对穿腐蚀，正面V型槽腐蚀穿通，分离出悬空的结构3.7谐振式传感器3.7.1工作原理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，它的基本组成框图如下图所示。

机械力学系统谐振器激振器信号输出拾振器放大器

谐振子的四种基本结构形式：悬臂梁式、双端固支梁（桥式）、薄膜式以及梳状叉指式。谐振式传感器常用的激振、拾振方法：静电激振/静电拾振激光激振/激光拾振压电激振/压电拾振

电磁激振/电磁拾振

3.7.2MEMS谐振式压力传感器研究进展

1988年日本的IKEDA等人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腔中的谐振梁技术，Q值高达50000。采用电磁激振/电磁拾振的方式，并用两个承受不同方向应力谐振梁频率的差分来消除温度等因素的干扰。

90年代初英国的Greenwood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，采用静电激振/静电拾振的方式，真空中Q值20000。90年代英国的Angelidis等人利用硅—硅直接键合技术，研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，因而可耐相当高的温度。智能所于九十年代中利用MEMS技术研制出一种硅谐振式压力传感器，其核心敏感部分是尺寸为0.69mm×0.08mm×0.005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。此传感器技术参数为：量程=0.1Mpa；分辨率≤0.01%F.S；灵敏度≥0.2Hz/Pa；输出频率≥20kHz；工作温度=-5～55℃。

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Q值大于17000，频移与压力的线性相关系数为0.99995，精度小于0.06%F.S。3.7.3MEMS谐振式传感器结构设计

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谐振器组成，并在梁上制作H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剖面图

(b)谐振压力传感单元结构俯视图

梁无阻尼下的自由微幅振动方程为：对于两端固支的梁，边界条件为：经推算可得梁在无应力时的一阶固有频率为考虑轴向力时梁的一阶固有频率为：梁在磁场中安培力作用下的、阻尼为c的微幅振动方程为：

对应的感生电动势为：进一步推算可得：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：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谐振频率为

方形压力膜和谐振梁的应力分析单晶硅压力膜为一次敏感元件,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。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，下图中膜片挠度可近似为：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X轴的夹角为θ时，得到梁横截面上的应力由上式可知:谐振梁在膜片表面不同位置上,其感受的应力不同,固有谐振频率也不同。最大应力出现在膜片边线的中点处和膜片中心处。膜片中心处的应力值为：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析,建立电磁激励/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、以制作于梁上H型导线作为电磁激励/电磁拾振单元的闭环自激系统，简图如下图所示。电磁激振/电磁拾振闭环自激系统理论模型3.7.4MEMS谐振式传感器有限元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0.8mm*0.08*0.005mm，压力膜的尺寸为2.5mm*2.5mm，厚度为0.1mm-0.2mm。梁材料模型（a）（有限元BEAM3）模型（b）（有限元SOLID95）Si一阶谐振频率(KHz)59.97260.869二阶谐振频率(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:谐振传感器压力灵敏度分析

对具有1mm边框的方形单晶硅压力膜（2.5mm*2.5mm*0.2mm）在0.1MPa压力载荷作用下进行应力分析，可得沿X轴方向应力分布为方膜沿X轴方向应力分布图方膜沿X轴方向应力分布曲线对整个传感单元建模，模型中硅膜厚度0.2mm，外延单晶硅膜0.005mm，方形槽尺寸为0.566mm*0.566mm*0.1mm，槽上面是0.8mm*0.08mm*0.005mm梁。

完整的传感单元模型传感单元在0.1MPa外加压力作用下的等效应力分布无外加压力时传感单元一阶模态（65.8KHZ）P(kPa)f1(kHz)065.810070.3720074.9430079.5140084.08由上表和图可以看到传感器的频率偏移量与外加压力成线性关系，传感器的灵敏度为45.7Hz/kPa。对不同压力作用下梁一阶谐振频率分析如下：3.7.5MEMS谐振式传感器工艺（1）备片。我们选用3英寸大小的N型（100）双面抛光硅片，电阻率为5-10Ω·cm、厚度为0.3mm。（2）硅片常规清洗。（3）Si衬底上浓硼扩散，扩散结深0.001mm，掺杂浓度为1.5×1020/cm-3。（4）沿着〈001〉方向双面热氧化生长SiO2层，厚度为0.9μm。（5）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SiO2，在硅梁两侧形成两个直角三角形的ICP刻蚀窗口。（6）ICP刻蚀不被SiO2层保护的浓硼扩散层直至N型Si衬底，形成硅梁谐振腔腐蚀窗口。（7）背面二次光刻，用HF溶液腐蚀