现代检测技术导论-物理量检测2.ppt

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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）3.6热流式传感器3.7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：

3.6.2MEMS热流式传感器l美国GeorgeWashington大学l腔体的尺寸500ml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100Hzl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S.Billat利用SOI技术l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-50mWl信息产业部十三所l功率为200mW时灵敏度为0.35V/g，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，宽80m，厚度2m，测温电阻长1000m，宽40m，厚度2m3.6.3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）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L1200m支撑梁宽度支撑梁宽度W100m结构厚度结构厚度H20m多晶硅厚度多晶硅厚度H11m表面发射率表面发射率1.0硅热导率硅热导率Si150W/（mK）支撑梁加热器热传导部分：

热传导部分：

对流部分：

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730m，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=3502.3310-6=8.1510-4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g=9.8m/sg=9.8m/s22，=1/650=1/650，t=700t=700，=59.3=59.31010-66mm22/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）T=0.9K（m/s）（m）传感器简化模型分析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传感器实际近似模型（K）（mm）T=0.2K（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：

20m加加热热平平台台尺尺寸寸：

200m200m支支撑撑梁梁尺尺寸寸：

900m100m测温电阻边长：

测温电阻边长：

250m测温电阻宽度：

测温电阻宽度：

10m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：

400m参考电阻宽度：

参考电阻宽度：

10m参参考考电电阻阻外外边边长长：

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0.5；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1720m，宽宽度是度是10m，间距间距10mlRheater=169+8+820.5+22=164R=16.4k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20001.LPCVD:

700C到到800C2.PECVD:

450Cl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型（重）掺杂型（重）掺杂多晶硅制备多晶硅制备lLPCVD,625Cl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0.03m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：

1m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0.01cml多晶硅薄膜的厚度为1ml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3.7.2MEMS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为0.69mm0.08mm0.005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=0.1Mpa；分分辨辨率率0.01%F.S；灵灵敏敏度度0.2Hz/Pa；输输出出频频率率20kHz；工作温度工作温度=-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QQ值值大大于于1717000000，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为0.99995，精度小于，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