中科大新型传感器原理及应用课件08薄膜传感器

第八章薄膜传感器在基底材料上用物理或化学的方法制成敏感材料薄层（几百nm~几µ

m）。薄膜热传感器、应变片、气敏传感器。第一节薄膜热传感器传统的测温元件：热电阻、热敏电阻、电偶介绍两种：金属薄膜热电阻、多晶硅薄膜热电阻。一、金属膜热电阻用铂粉沉积在陶瓷基片上，厚度2µ

m。封装：SMD型和引线型。结构图如下：Rt=R0[1+at-bt2-ct3（t-100）]（8-1）α=（Rt-R0）/（△t·R0）（8-2）标称电阻值有100Ω、500Ω、1000Ω二、多晶硅薄膜热电阻随着微系统（MEMS）技术的发展而产生。特点：应变系数大，高温特性好。将信息的获得、处理和执行部分一体化集成在同一硅衬底上，形成真正的系统。电阻率高于单晶硅。多晶硅薄膜热结晶结构示意图：L-2W2W电阻率：ρ=-----------ρg+---------ρbLL第二节薄膜应变片一、薄膜应变片简介传统应变片：用金属丝粘贴或硅扩散（粘贴）的办法制作。特点：价格便宜、结构简单、使用方便，但由于粘贴式工艺带来敏感层与基片之间的形变传递性能不好，影响了测量精度。薄膜应变片采用溅射或蒸发的方法，消除了传统应变片传递性不好的缺点。具体优点如下：1）稳定性好：蠕变和滞后低。2）使用寿命长：承受106次以上的重复加载。3）温度系数小4）工作温度范围宽：多层结构可达（-100~180℃）。6）量程大：多层结构可从0.02N~30N.成本低:制造工艺简单、成品率高。二、薄膜应变片原理三层结构：基片-绝缘层-敏感层例：MIM结构：金属基片-绝缘层-金属敏感层。机理：压阻效应。设材料电阻率为ρ,薄膜宽度w,长度L,厚t薄膜电阻:

R=ρL/wt(8-19)经推导:dR/R=dρ/ρ=π//σ//+π⊥σ⊥(8-22)

薄膜材料的电阻率变化与横向和纵向应力有关.三、薄膜应变片的制作及特性敏感膜的制作工艺有多种。1.溅射薄膜应变片真空溅射工艺流程见书影响薄膜应变片的稳定性因素:1)蠕变2)零漂薄膜应变片和其他应变片的比较:2.蒸发薄膜应变片工艺与溅射工艺基本相同.第三节薄膜气敏传感器用于检测环境污染、易燃易爆和有毒气体。分单膜和双膜。最常用的敏感材料：SnO2（氧化锡）。有三种结构：烧结型、厚模型和薄膜型。薄膜型的特点：响应速度快、灵敏度高、低功耗、选择性好、互换性好。结构：膜后50~100nm。

基片敏感膜厚膜加热器SiO2绝缘层在基片背面多膜传感器有两层或三层。一、SnO2气敏薄膜特性：遇氧化性气体，材料电阻增大；遇还原性气体，材料电阻增小；制造工艺：（1）化学气相淀积（CVD）

SnCl4+O2=SnO2+2Cl2（2）溅射法二、气敏特性与厚度、掺杂、工作温度等相关。1.气敏性能与工作温度的关系氢气含量不同的4条曲线:2.气敏性能与掺杂的关系掺杂稀土氧化物Eu2O3的影响:1)选择性2)响应速度3)灵敏度第四节薄膜传感器的应用一、概述液晶显示器（LCD）特点：优点：功耗低、平面、体轻、无辐射。缺点：低温特性差（反应时间长）。反应时间与液晶盒两端电压以及材料的粘度有关，而二者又与温度有关。在0度以下，反应时间会大大降低，使显示迟缓。最佳解决方法：控制液晶盒的温度恒定。反应时间与温度的关系：二、温度的测量控制液晶盒的温度恒定-热加固测温方法：选用Pt薄膜热电阻为传感器，其特点：1）体积小2）动态响应好，精度高，稳定性好。测量电路采用电流放大型电桥电路。若R1=R2=R3=R；电阻相对变化率δ=△R/R0则：Uo=RfUδ/2R（δ＜＜1，R＜＜Rf）（8-34）

Pt100的参数见下表在(-20~20℃)以外,δ较大,则:非线性测量误差:

RfUδ2△Uo=---------------(8-35)2R(δ+2)e1=△Uo/Uo×100%=δ/(δ+2)×100%例:R=100;Rf=1k;U=1.5V;则:在(-40~40℃)内,非线性误差小于0.07V.实际系统中,根据式8-34计算结果列表,存在计算机内存中,根据测量的结果Uo查表得到温度值.三、数据融合测量结果具有等精度的正态分布特性。一般的提高测量结果准确性的方法：1）中值滤波2）平均值滤波3）递推滤波这里介绍基于多传感器测量的算术平均值与递推估计的数据融合方法。设6支传感器（S1~S6），测量温度对应的电压值为U1~U6。分为两组：1组：U1，U2，U3

平均值Ū1=（U1+U2+U3）/3（8-37）

2组：U4，U5，U6

平均值Ū2=（U4+U5+U6）/3（8-38）则各组的均方根误差分别为σ1和σ2，见书中式8-39，8-40。测量结果的数据融合值Uo为：σ22σ12Uo=------------Ū1+-----------Ū2（8-41）

σ12+σ22

σ12+σ22基于上述数据融合的测量结果，可达到较精确的测量结果。结合控制理论（如PID、模糊控制），可以对液晶屏的温度进行很好的控制。控制结果曲线：作业：1.薄膜传感器的特点及制造工艺

2.薄膜热传感器种类

3.影响薄膜应变片稳定性的两个主要因素.4.影响薄膜气敏传感器特性的两个主要因素.第十章新型传感器在几何量测量中的应用尺寸、面型、位置等。本章介绍3个例子。第三节光学表面疵病度的测量对于光滑表面，疵病是影响质量的重要因素（如：硅片、光盘、光学元件）。国家标准：10级。检测方法分三类：1）肉眼检测：最常用，但有缺陷。2）散射法：利用疵病自身光散射特性，但不能很好反映疵病的面积尺寸。3）频普法：利用疵病反向衍射的能量测量，同样受到疵病深层结构的影响。这里介绍“斜入射”检测方法，可以很好地测量疵病的面积。一、测量原理斜入射的光学特性见图10-15对于圆柱形疵病麻点，其光照明形态如下图10-16所示（2θ＜arctan（r/h））。测量光学系统如图10-17所示二、疵病等级的衡量两方面：面积及分布例：图10-18所示疵病图像设光斑图像的每个像点坐标为（xi、yi），灰度值为P（xi、yi）；像素个数为n；每个像素面积为dS；则光斑图像面积：

S=ndS（10-31）若显微镜放大倍数为β，则疵病实际面积：

S0=ndS/β（10-32）疵病的平均直径：

D=（xmax+ymax）/2β（10-33）光斑的质心坐标计算方法：(10-34)(10-35)三、光电系统结构疵病实际尺寸1µ

m,显微镜横向分辨率:

ε=0.5λ/NA(10-36)若He-Ne激光源,λ=0.6238µm;

则:

NA=0.312

实际选择NA=0.4;β=25X的显微镜.则:1µ

m的疵病成像25µ

m.选取TCD132D型CCD,1024像素;像元物理尺寸:14µ

mX14µm;则CCD感光长