现代检测技术导论 物理量检测

现代检测技术导论物理量检测第1页，共67页，2023年，2月20日，星期六3.1传感器研制流程任务分析（用专业术语描述用户需求）调研（国内外情况、各种技术对比、技术难点）形成设计思路（工作原理、创新点、可行性）提出工作计划（设计方案、人员安排、时间进度）具体实施（理论分析与实验验证相结合）测试验收（满足用户需求）第2页，共67页，2023年，2月20日，星期六3.2半导体压阻式传感器3.2.1压阻效应与检测电桥半导体单晶硅材料在受到外力作用产生应变时，电阻率发生变化，由其材料制成的电阻也就出现电阻变化，这种物理效应叫压阻效应。

πl——纵向压阻系数πh——横向压阻系数σl——纵向应力σh——横向应力

第3页，共67页，2023年，2月20日，星期六压阻系数分量应力方向电流方向ΔR/R·σ纵向<100><110><111><100><110><111>π11(π11+π12+π44)/2(π11+2π12+2π44)/3横向<100><110><010><110>π12（π11+π12-π44）/2第4页，共67页，2023年，2月20日，星期六材料ρ0（Ω·cm）压阻系数[×(10-3(kbar)-1)]π11π12π44n-Sip-Si11.77.8-102.2+6.6+53.4-1.1-13.6+138.1Si的压阻系数值（室温）第5页，共67页，2023年，2月20日，星期六（a）单臂电桥；（b）差动半桥；（c）差动全桥第6页，共67页，2023年，2月20日，星期六3.2.2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7页，共67页，2023年，2月20日，星期六工作原理微型三维力传感器结构示意图敏感膜片传力板保护基片44hOL0L1h0h1第8页，共67页，2023年，2月20日，星期六FxFyFzMxMyMzRx100

Rx200

Vx00000FxFyFzMxMyMzRy10

0Ry20

0Vy00000FxFyFzMxMyMzRz100Rz200Rz300Rz400Vz00000a.桥路Cx及其响应输出b.桥路Cy及其响应输出c.桥路Cz及其响应输出检测桥路对多维力的响应输出第9页，共67页，2023年，2月20日，星期六力学分析a=1.5mm,b=0.5mm。r2b2a弹性体的E形园膜片模型FzXOZMyFxYFyMxMz第10页，共67页，2023年，2月20日，星期六（1）当Fz=3N作用在中央凸台时，在圆板半径r处的径向应力

切向应力

梁变形所产生的位移

其中 k=r/a,K=b/a=1/3,m=a/h0=18.75，板厚h0=80m，

第11页，共67页，2023年，2月20日，星期六所以，最大径向应力这时对应位置的切向应力中央凸台位移

第12页，共67页，2023年，2月20日，星期六（2）My=2Nmm。当My作用在中央凸台时，最大应力 中央凸台转角 其中、为与结构尺寸、形状有关的系数，可由文献[27]的表4.9-3查出，

2.35，

0.269。根据方程（2-1），得到硅各向异性腐蚀后，中央凸台顶面的宽度b0=0.4mm，因此由于中央凸台转动而产生的位置变化第13页，共67页，2023年，2月20日，星期六（3）强度与保护间隙计算当Fz和My同时作用时，中央凸台的总变形

这时总的最大应力为两者之和，即=820106Pa。单晶硅的屈服强度[]=7109Pa，远远高于，因此在Fz和My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h1=6m，这时当仅有My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。第14页，共67页，2023年，2月20日，星期六输出分析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：

上式中11为的纵向压阻系数，12为横向压阻系数。对于我们所采用的P型扩散硅电阻，11=6.610-11(m2/N)，12=-1.110-11(m2/N)。在本项研究中均采用差动半桥检测电路（图4-2），桥路电压Vc为3V，所以电压输出变化

当Fz作用时， 第15页，共67页，2023年，2月20日，星期六工艺流程(a)(b)(c)(d)(e)硅掺杂硅氧化硅氮化硅金属微型三维力工艺流程第16页，共67页，2023年，2月20日，星期六(a)芯片正面 (b)芯片背面三维力敏感芯片第17页，共67页，2023年，2月20日，星期六实验结果与数据处理实验装置三维力标定装置X-Y平台Z向移动齿条标准传感器被测传感器数据处理计算机数字电压表稳压电源第18页，共67页，2023年，2月20日，星期六原始测量数据（N,mV)次数FxFyFzVxVyVz100000020.0490.0580.9771.2201.45513.53430.0900.0851.9532.4022.98227.07040.1220.1092.9393.6154.55140.74150.769-0.0113.0445.4526.20742.11360.8110.7613.0866.7814.51842.70770.028-0.0010.5090.6820.8956.94180.1510.0201.4661.9512.49920.31690.400-0.0571.5432.6553.25121.240100.4210.3881.5783.4752.31321.885第19页，共67页，2023年，2月20日，星期六数据处理由标定测试得到的传感器输出信号[V]，通过线性解耦矩阵[D]可以转换成传感器所受到的三维力[F]。第20页，共67页，2023年，2月20日，星期六解耦结果与误差测量次数实际力F（N）计算力F’（N）误差（%FS）FxFyFzFx’Fy’Fz’xyz100000000020.0490.0580.9770.0370.0570.9770.400.03030.0900.0851.9530.0750.0861.9540.500.030.0370.028-0.0010.5090.055-0.0050.5010.900.130.2780.1510.0201.4660.1320.0141.4670.630.200.0390.400-0.0571.5430.384-0.0591.5360.530.070.23100.4210.3881.5780.4160.3911.5820.170.100.13第21页，共67页，2023年，2月20日，星期六附录：微机械加工技术硅体微加工 1、各向异性腐蚀氢氧化钾（KOH）水溶液、邻苯二酚——乙二胺——水（EPW）和四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHW）。图2-1、（100）硅片的各向异性腐蚀顶视图：剖视图：腐蚀掩膜54.74whbw=h/tan54.74。

Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2↑第22页，共67页，2023年，2月20日，星期六三角形掩膜补偿法条形掩膜补偿法第23页，共67页，2023年，2月20日，星期六三角形掩膜与条形掩膜的关系[310]dh1h2ab[130][010]b/2d’d=1.2+3.12H(m) (2-3)

a=3.78+9.83H-1.5b（m） (2-9)第24页，共67页，2023年，2月20日，星期六2、电化学腐蚀电位（V）0.0-0.5-1.0-1.5四电极电化学腐蚀系统示意图（图中N－Si区域连通）采用四电极电化学腐蚀技术加工的硅梁第25页，共67页，2023年，2月20日，星期六3、高温硅直接键合工艺步骤1、预处理：将两抛光硅片先经含OH—的溶液浸泡处理，然后烘干；步骤2、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；步骤3、热处理：加热至500、800、1000°C，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26页，共67页，2023年，2月20日，星期六玻璃硅片加热板-

Vs+静电键合装置4、静电键合工艺1、硅片清洗、烘干；2、射频溅射PbO玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氩气和氧气，玻璃膜厚度1m；3、将镀有玻璃膜的硅片与另一块本体硅片对准后压紧，分别接电源负极和正极。在常温下加50V直流电压，时间10min。硅/玻璃膜界面的SEM图象第27页，共67页，2023年，2月20日，星期六常温键合硅片剥开后的玻璃膜粘附现象第28页，共67页，2023年，2月20日，星期六硅表面微加工第29页，共67页，2023年，2月20日，星期六LIGA技术——同步辐射X光光刻(Lithographie)+微电铸(Galvanoformung)+微复制(Abformung)第30页，共67页，2023年，2月20日，星期六3.2.3MEMS触觉传感器

类皮肤型触觉传感器必须具备的功能和特性：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31页，共67页，2023年，2月20日，星期六压阻元件与应变检测电路模拟开关热敏电阻放大补偿电路A/D计算机主板D/A数据处理电路机器人控制器分布接触力解码器触觉敏感阵列触觉传感器系统框图地址控制器第32页，共67页，2023年，2月20日，星期六未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列橡胶层传力柱基板保护阵列金丝外引线敏感单元中央凸台敏感阵列结构图触觉敏感阵列第33页，共67页，2023年，2月20日，星期六制作工艺敏感芯片的制作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，增加制作信号选通集成电路和Al连线的相关工艺。传力阵列的制作传力柱A传力柱B边框A边框B边框B边框A悬臂梁A悬臂梁B梁厚控制V形槽阵列分离槽梁厚控制V形槽传力阵列剖面图第34页，共67页，2023年，2月20日，星期六保护阵列的制作1、准备硅片。技术要求：（100）晶向，厚度50015m，双面抛光，无错位，晶向偏差1，平行度20m；2、热氧化，生长3000Å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；4、各向异性腐蚀至6m深。腐蚀条件：33%KOH溶液，76C，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、烘干后备用。传感器组装工艺第35页，共67页，2023年，2月20日，星期六触觉传感器阵列组装工艺流程第36页，共67页，2023年，2月20日，星期六信息融合线性单元解耦力敏信号触觉图象人工神经网络总力摩擦系数对比阈值计算单元力滑动状态接触状态触觉信息处理流程图第37页，共67页，2023年，2月20日，星期六单元解耦由触觉敏感单元Eij得到的输出信号[V]ij，通过线性解耦矩阵[D]ij转换成单元力[F]ij。作用力中心位置：第38页，共67页，2023年，2月20日，星期六人工神经网络ni1ni2ni96ni97no1no2nh32nh1nh1no3Fx11Fy11Fz48TFxFyFz反传算法神经网络隐神经元nhl的输出为Vhl：输出神经元的输出值：第39页，共67页，2023年，2月20日，星期六滑动状态判断：,静止状态，临界状态 ，滑动状态或即将滑动将输出值转换成与各方向力量程相对应的三维力：第40页，共67页，2023年，2月20日，星期六实验结果1、触觉图象与接触觉钥匙触觉图象砝码触觉图象第41页，共67页，2023年，2月20日，星期六力分布点阵图照片力分布高度图螺母触觉图象第42页，共67页，2023年，2月20日，星期六2、接触总力和滑觉-10010203040506001020304050FxFyFzFzba.单独施加FzFz(N)(N)输出力（N）施加力第43页，共67页，2023年，2月20日，星期六(N)Fx(N)b.

保持Fz为50N时施加Fx-1001020304050600246810FxFyFzFxbFzb输出力（N）施加力第44页，共67页，2023年，2月20日，星期六三维接触总力标定曲线（图中Fxb、Fyb、Fzb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。）(N)Fy(N)-1001020304050600246810FxFyFzFybFzbC.保持Fz为50N时施加Fy输出力（N）施加力第45页，共67页，2023年，2月20日，星期六触觉传感器达到的主要性能与技术指标为：

敏感单元：4×8个 敏感面积： 16×32mm3

阵列尺寸：20×50×7mm3测力范围：

Fx、Fy:±10N；Fz:050N

标定精度：

≤2％FS 触觉阈值：

≤0.2N

测力分辨力：≤0.1N

滑觉输出:未滑=0、临界=1、滑动或即将滑动=2接触觉输出：未接触=0、接触=1响应时间：≤10ms (其中敏感单元响应≤１ms，信号处理≤8ms)第46页，共67页，2023年，2月20日，星期六3.2.4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4×4。(4)热觉智能皮肤的温度分辨率为0.1℃，硅岛阵列密度为4×4第47页，共67页，2023年，2月20日，星期六三维力传感器的工艺实现三维力传感器阵列通过标准的半导体平面工艺技术和微机械加工工艺技术制作。首先采用标准的半导体平面工艺在轻掺杂的n型硅片上制作力敏电阻（P型扩散电阻）以及电极引线等，再用ICP（IonCouplingPlasma:离子耦合等离子体）刻蚀工艺形成E型膜结构。E型膜的厚度通过改变刻蚀条件进行控制，以适应不同范围的测力需求。

第48页，共67页，2023年，2月20日，星期六ICP工艺研究：本项目的完成离不开ICP工艺，所以特别对ICP工艺进行了研究。采用的工艺设备为OXFORDINSTRUMENTS

的PlasmalabSystem100ICP180

。第49页，共67页，2023年，2月20日，星期六Bosch腐蚀工艺：使用气体：SF6andC4F8.工作原理：腐蚀与淀积交替进行，实现对垂直表面的刻蚀和对侧壁的保护。优点：可以在室温下高速率腐蚀。第50页，共67页，2023年，2月20日，星期六

柔性三维力触觉传感器阵列的设计与制作

方案一：聚酰亚胺薄膜＋金属薄膜

在文献资料调研的基础上，我们首先选用聚酰亚胺材料薄膜作为柔性衬底,在其上制作三维力传感器阵列。将聚酰亚胺用甩胶工艺在硅片上甩成几微米厚的薄膜，再在一定温度下进行处理，形成柔性薄膜。聚酰亚胺薄膜的力学、热学、电学特性研究。测试了柔性衬底的力学、热学、电学等特性，以及它与硅材料的粘合强度。研究表明，聚酰亚胺薄膜具有较大的抗拉强度、较好的热稳定性和优良的绝缘性能，并能牢固地附着在硅片上。研究了在其上制作金属引线的工艺条件，并对制作出来的金属薄膜的黏附性能进行了研究。第51页，共67页，2023年，2月20日，星期六采用薄膜工艺的柔性三维力传感器阵列工艺流程第52页，共67页，2023年，2月20日，星期六以聚酰亚胺薄膜材料作为柔性衬底的柔性阵列图第53页，共67页，2023年，2月20日，星期六我们试验了几种不同型号聚酰亚胺材料制作的薄膜，包括杜邦PI-2808型材料，通过工艺实验发现：

a.在其上制作金属引线的黏附性存在问题，包括用蒸发、溅射等方法制作金属引线，其黏附性都不好。

b.三维力传感器电极过渡到聚酰亚胺薄膜上引线的实现较困难。

c.整个工艺流程的兼容性差。第54页，共67页，2023年，2月20日，星期六方案二：聚酰亚胺厚膜＋金属箔

借鉴多层柔性电路板的制作工艺，将三维力触觉传感器单元通过表面贴装的方式集成在已经做好电极引线的柔性基底上；采用丝网印刷方式预涂导电胶图形，在硅单元对准粘贴后，以200Co加热烘2小时，使柔性基底上电极与三维力触觉传感器上电极实现电连接。第55页，共67页，2023年，2月20日，星期六第56页，共67页，2023年，2月20日，星期六

柔性温度传感器柔性温度传感器结构设计图柔性温度传感器工艺a.聚酰亚胺薄膜上镀金属钛薄膜。b.光刻、腐蚀薄膜温敏电阻。