现代检测技术导论-物理量检测.ppt

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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）热流式传感器谐振式传感器3.6 热流式传感器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：3.6.2 MEMS热流式传感器l美国George Washington大学l腔体的尺寸500m l一

2、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 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德国利用SOI技术l性能：空气，响应时间300ms;SF6，响应时间600ms灵敏度(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，量程为75g，抗冲击大于100g。这个传感器中，腐蚀槽的深度为150m，多晶硅加热电阻长1000m，

3、宽80m，厚度2m，测温电阻长1000m，宽40m，厚度2m 3.6.3 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10-8W/(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)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流体的流动状态：层流和湍流 l换热表面的几何因素 l流

4、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。传感器结构 传热分析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)支撑梁加热器热传导部分：热传导部分：对流部分：

5、对流部分：辐射部分辐射部分l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，得代入参数，得气体对流场分析气体对流场分析敏感电路敏感电路l掺杂到一定浓度多晶硅电阻 检测电路检测电路z电桥输出传感器结构抗冲击性能分析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 l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，比支撑梁的长度度2mm小，冲击承载能力小，冲击承载能力要强于支撑梁要强于支撑梁z热膨胀应力L/L=35010-6=8.

6、1510-4气体对流尺度效应气体对流尺度效应l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2 2，=1/650=1/650，t=700t=700，1010-6-6 m m2 2/s/s 气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（2cm）(K)(m)T=220K(m)(m/s)气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（气体对流尺

7、度效应（1cm1cm）(K)(m)T=130K(m/s)(m)气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（5mm5mm）(K)(m)T=16K(m/s)(m)气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（气体对流尺度效应（2mm2mm）(K)(m)(m/s)(m)传感器简化模型分析传感器简化模型分析(K)(mm)(m/s)(mm)传感器实际近似模型传感器实际近似模型(K)(mm)(m/s)(mm)传感器结构尺寸传感器结构尺寸腔体边长尺寸：腔体边长尺寸：2mm结构层厚度：结构层厚度：20 m加加 热热 平平 台台 尺尺 寸寸：200 m 200 m 支支撑撑梁

8、梁尺尺寸寸：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 测测温温电电阻阻顶顶点点距距离离加加热热平台距离：平台距离：400 m 参考电阻宽度：参考电阻宽度：10 m 参参考考电电阻阻外外边边长长：300 m 多晶硅引线R8R5170mxy参考电阻R4R1加热电阻R2测温电阻R3R6R72mm加热电阻设计加热电阻设计l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；n 弯头数目。弯头数目。LWl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

9、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，宽度是度是10 m，间距，间距10 mlRheater=16 9+8+8 2 0.5+2 2=164 R 测温电阻测温电阻3.6.4 工艺方案工艺方案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 1.LPCVD:700 C到到800 C 2.PECVD: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

10、型（重）掺杂型（重）掺杂 多晶硅制备多晶硅制备lLPCVD,625 C 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 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

11、cm l多晶硅薄膜的厚度为1m l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 谐振式传感器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

12、号输出拾振器拾振器放大器放大器 谐振子的四种基本结构形式：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年年日日本本的的IKEDA等等人人提提出出了了利利用用有有选选择择的的外外延延生生长长和和牺牺牲牲层层技技术术制制作作内内置置干干真真空空腔腔中

13、中的的谐谐振振梁梁技技术术，Q值值高高达达50000。采采用用电电磁磁激激振振/电电磁磁拾拾振振的的方方式式，并并用用两两个个承承受受不不同同方方向向应应力力谐谐振振梁梁频频率率的的差差分分来来消除温度等因素的干扰。消除温度等因素的干扰。90年年代代初初英英国国的的 Greenwood等等人人利利用用了了掺掺硼硼自自停停止止的的各各向向异异性性腐腐蚀蚀技技术术，制制作作了了扭扭转转振振动动的的谐谐振振器器，采采用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年年代代英英国国的的AngelidisAngelidis等等人人利利用用硅硅硅硅直直接接键键合合技

14、技术术，研研制制成成一一种种光光纤纤读读出出式式硅硅谐谐振振压压力力传传感感器器。其其敏敏感感器器件件由由对对应应力力敏敏感感的的双双端端固固支支谐谐振振梁梁和和另另一一根根与与它它垂垂直直且且对对应应力力不不敏敏感感的的悬悬臂臂梁梁组组成成。利利用用激激光光进进行行激激振振和和利利用用光光干干涉涉现现象象进进行行拾拾振振。这这种种结结构构使使得得传传感感头头可可以以远远离离前前置置电电路路，因因而而可可耐耐相相当当高的温度。高的温度。智智能能所所于于九九十十年年代代中中利利用用MEMS技技术术研研制制出出一一种种硅硅谐谐振振式式压压力力传传感感器器，其其核核心心敏敏感感部部分分是是尺尺寸寸为

15、为的的谐谐振振硅硅梁梁。谐谐振振硅硅梁梁是是利利用用四四电电极极电电化化学学腐腐蚀蚀技技术术和和单单晶晶硅硅腐腐蚀蚀速速率率各各向向异异性性的的特特点点在在硅硅片片上上加加工工制制作作而而成成，并并集集成成有有静静电电激激励励元元件件及及压压阻阻拾拾振振元元件件。此此传传感感器器技技术术参参数数为为：量量程程；分分辨辨率率；灵灵敏敏度度；输输出出频频率率20kHz；工工作作温温度度=-555。中中科科院院电电子子所所于于本本世世纪纪初初提提出出了了一一种种新新型型谐谐振振式式压压力力传传感感器器。器器件件由由上上下下两两硅硅片片键键合合而而成成，上上硅硅片片制制作作半半岛岛型型结结构构氮氮化化

16、硅硅谐谐振振梁梁，下下硅硅片片制制作作矩矩形形压压力力膜膜。此此半半岛岛结结构构压压力力传传感感器器的的谐谐振振器器的的品品质质因因数数Q Q 值值大大于于17 17 000000，频频移移与与压压力力的的线线性相关系数性相关系数为，精度小于。为，精度小于。3.7.3 MEMS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

17、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：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：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：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：对应的感生电动势为：对应的感生电动势为：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

18、路中RLC并联谐振电路是等效的并联谐振电路是等效的：由由等等效效RLC并并联联谐谐振振电电路路的的谐谐振振频频率率可可得得双双端端固固支支梁梁的的一一阶阶谐振频率为谐振频率为 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 单单晶晶硅硅压压力力膜膜为为一一次次敏敏感感元元件件,膜膜四四周周与与管管座座刚刚性性连连接接,可可近近似似看看成成四四边边固固支支等等厚厚度度的的方方形形膜膜。由由于于四四边边固固支支膜膜片片挠挠度度分分布布的的精精确确表表达达式式过过于于复复杂杂，为为了了便便于于进进行行理理论论分分析析，下下图中膜片挠度可近似为：图中膜片挠度可近似为：由于谐振梁对膜片而言是很

19、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 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：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 根根据据机机电电系系统统阻阻抗抗分分析析方

20、方法法和和前前面面的的谐谐振振梁梁等等效效电电路路分分析析,建建立立电电磁磁激激励励/电电磁磁拾拾振振的的电电磁磁耦耦合合振振子子模模型型。并并根根据据理理论论或或电电路路系系统统仿仿真真，可可知知由由于于外外界界因因素素或或徐徐变变所所引引起起模模型型电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。我我们们在在理理论论分分析析基基础础上上提提出出了了一一种种以以单单梁梁作作谐谐振振子子、以以制制作作于于梁梁上上H型型导导线线作作为为电电磁磁激激励励/电电磁磁拾拾振振单单元元的的闭闭环环自自激激系统，简图如下图所示。系统，简图如下图所示。电磁激振电磁

21、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3.7.4 MEMS谐振式传感器有限元分析单晶硅谐振梁谐振特性分析单晶硅谐振梁谐振特性分析 所所用用结结构构几几何何参参数数为为：谐谐振振梁梁的的尺尺寸寸为为，压压力力膜膜的的尺尺寸寸为，厚度为。为，厚度为。梁材料梁材料模模型型（a）（有有限限元元BEAM3）模模型型（b）（有有限限元元SOLID95）Si一一阶阶谐谐振振频频率率(KHz)(KHz)59.97260.869二二阶阶谐谐振振频频率率(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

22、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（）在压力载荷作用下进行应力分析，可得沿在压力载荷作用下进行应力分析，可得沿X轴方向轴方向应力分布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膜沿X轴方向应力分布曲线轴方向应力分布曲线 对对整整个个传传感感单单元元建建模模，模模型型中中硅硅膜膜厚厚度度0.0.2mm，外外延延单单晶晶硅膜硅膜5mm，方形槽尺寸为，方形槽尺寸为0.0.，槽上面是，槽上面是0.0.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外加压力作用下传感单元在外加压力作用下的

23、等效应力分布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)065.810070.3720074.9430079.5140084.08 由由上上表表和和图图可可以以看看到到传传感感器器的的频频率率偏偏移移量量与与外外加加压压力力成成线性关系，传感器的灵敏度为。线性关系，传感器的灵敏度为。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：3.7.5 MEMS谐振式传感器工艺（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-

24、10cm、厚度为。厚度为。（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，掺杂浓度为衬底上浓硼扩散，扩散结深，掺杂浓度为1.51020/cm-3。（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。（5）正正面面匀匀胶胶并并进进行行一一次次光光刻刻，用用HF溶溶液液腐腐蚀蚀掉掉不不被被光光刻刻胶胶保保护护的的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刻刻蚀蚀不不被被SiO2层层保保护护的的浓浓硼硼扩扩散散层层直直至至N型型Si衬衬底底，形形成成硅硅梁梁谐谐振振腔腐蚀

25、窗口。腔腐蚀窗口。（7）背背面面二二次次光光刻刻，用用HF溶溶液液腐腐蚀蚀掉掉不不被被光光刻刻胶胶保保护护的的SiO2，开开Si衬衬底底减减薄窗口。薄窗口。（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）利利用用TMAH各各向向异异性性腐腐蚀蚀溶溶液液，通通过过腐腐蚀蚀通通道道腐腐蚀蚀出出谐谐振振腔腔，并并由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

26、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。（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 由由于于现现实实应应用用中中所所测测压压力力主主要要是是差差压压，我我们们在在同同一一硅硅衬衬底底上上加加工工两两个个完完全全相相同同的的传传感感单单元元，一一个个传传感感单单元元检检测测实实际际压压力力，另另一一个个作作为为参参考考单单元元用用来来检检测测标标准准大大气气压压，如如下下图图所所示示。这这种种结结构构的的主主要要优优点点就就是是可可

27、以以消消除除环环境境温温度度等等因因素素带带来来的附加误差。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：它它由由不不锈锈钢钢基基座座和和用用来来作作真真空空密密封封的的镀镀金金可可伐伐管管座座和和玻玻璃璃帽帽盖盖组组成成。将将压压力力传传感感器器芯芯片片与与金金属属管管座座封封接接成成一一整整体体，然然后后在在真真空空环环境境中中将将玻玻璃璃与与金金属属管管座座封封接接在在一一起起，完完成成传传感感器器的的真真空封装。空封装。