现代检测技术导论-物理量检测1

现代检测技术导论第三章物理量检测与传感器3.1传感器研制流程3.2半导体压阻式传感器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）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。hhllRRπl——纵向压阻系数πh——横向压阻系数σl——纵向应力σh——横向应力压阻系数分量应力方向电流方向ΔR/R·σ纵向100110111100110111π11(π11+π12+π44)/2(π11+2π12+2π44)/3横向100110010110π12（π11+π12-π44）/2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）（a）单臂电桥；（b）差动半桥；（c）差动全桥oRRRREU21140oRREU2oRREU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。•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44hOL0L1h0h1FxFyFzMxMyMzRx100Rx200Vx00000FxFyFzMxMyMzRy100Ry200Vy00000FxFyFzMxMyMzRz1000Rz2000Rz3000Rz4000Vz00000a.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•力学分析a=1.5mm,b=0.5mm。r2b2a弹性体的E形园膜片模型FzXOZMyFxYFyMxMz（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=80m，20)]0.167(1)[0.621(hFkBkAln202)]0.167(1)[0.621(hFkBkAln0222])())(10.434[(1EhFmkkBkAyln3627.0ln0.5122KKKA2747.0lnKKKB2212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Pa610330)(Pa61099)(myy4.89)(（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PaahM1049020y)(radEhM00629.030ymby26.12（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=820106Pa。单晶硅的屈服强度[]=7109Pa，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=6m，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。myyY15.6PaPayh107][1033.2'•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=6.610-11(m2/N)，12=-1.110-11(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，RRVVRRVVRRRVVV)(212122121101mVVV32.1])([21Kk1211•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(a)芯片正面(b)芯片背面三维力敏感芯片•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•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•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]。VDF,,,333231232221131211DDDDDDDDDDVVVVFFFF0718.00019.00019.00.01930.30010.19080.03550.15280.2416D•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’xyz100000000020.0490.0580.9770.0370.0570.9770.400.03030.0900.0851.9530.0750.0861.9540.500.030.0370.028-0.0010.5090.055-0.0050.5010.900.130.2780.1510.0201.4660.1320.0141.4670.630.200.0390.400-0.0571.5430.384-0.0591.5360.530.070.23100.4210.3881.5780.4160.3911.5820.170.100.133.2.3MEMS六维力传感器•受力分析微探针受力情况（1）施加力Fx当在探针自由端施加沿x方向（或沿-x方向）的力Fx时，从材料力学理论分析，属于梁的拉伸（压缩）问题。根据平面假设可知在横截面上作用着均匀分布的正应力其中，A为横截面面积。AFx（2）施加力Fy或力矩Mz当在该悬臂梁自由端施加沿y方向的力即Fy或施加弯矩Mz时，该悬臂梁将产生弯曲变形，由于该悬臂梁为非薄壁梁，此弯曲可简化为纯弯曲。此时悬臂梁横截面上正应力的分布为zIMy（3）施加力Fz或力矩My当在该悬臂梁自由端施加沿z方向的力即Fz或施加弯矩My时，该悬臂梁同样将发生纯弯曲变形，不同的是此时中性轴为y轴，悬臂梁横截面上正应力分布为yIMz（4）施加力矩Mx当在悬臂梁自由端施加纯扭矩Mx时，从材料力学上分析，属于矩形截面梁的约束扭转问题，由于约束扭转产生的正应力很小，忽略不计。悬臂梁横截面上只分布着剪应力，其分布情况如图示。最大剪应力max发生在长边中点。hbMx2max当在探针头施加Fx=1N力，ANSYS仿真结果施加力Fy=1N，ANSYS仿真结果施加力FZ=1N，ANSYS仿真结果施加力矩Mx=1Nmm，ANSYS仿真结果施加力矩My=1Nmm，ANSYS仿真结果施加力矩MZ=1Nmm，ANSYS仿真结果•力敏电阻位置设计在悬臂梁上表面中部位置沿x轴取一原始单元体，该原始单元体受力情况如图所示，其中相对X轴的任意斜截面上的正应力与的关系为（假设0/2）xzxz2sinxz横向压阻系数为22244)]4/(1[)4/(2tgtgh则，电阻的相对变化为)4/()1()1(2/2344tgxxxxRRxzh当18或72时电阻相对变化取到反向最大值，当108或162时，取到正向最大值。输入-输出分析FxFyFzMxMyMzV1↑↑↓↓↓↓−↓↑V2↑↓↓−↓↑V3↑↑↓↑−↑↑V4↑↓↑↑−↑↑V5−−−↑−−V6↑↓−−−↑AFV666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaA，TvvvvvvV654321,,,,,TzyxzyxmmmfffF,,,,,VAFT•工艺设计与实施选用硅片：3英寸，电阻率为5-10Ω·cm，厚度为500μm，N型（100）双面抛光。结合集成电路标准平面工艺和微机械加工技术来制作传感器芯片。集成电路工艺：主要用于集成各力敏电阻，以及由它们构成的惠斯顿电桥。微机械加工：主要利用各向异性腐蚀技术，对未保护部分硅体进行两面对穿腐蚀，从而获得所设计的微探针结构。工艺方案（一）工艺方案（二）力敏电阻掺杂方式扩散离子注入保护膜SiO2+Si3N4SiO2各向异性腐蚀剂KOHEPW工艺流程一硅片常规清洗双面热氧化生长厚度为3580的SiO2膜氧化条件：---热生长温度1100oC，---湿氧水浴温度95oC。---各氧化时间分配干氧氧化+湿氧氧化+干氧氧化=15min+10min+15min，共计氧化40分钟。A第一次光刻，光刻出扩散电阻窗口预淀积B+，固态源扩散中的片状氮化硼扩散，温度900oC，时间30分钟，杂质总量9.3×1014/cm2样片方块电阻值约为40Ω/□。再分布。温度1100oC，干氧60分钟。生长SiO2厚度1300埃。低压化学气相淀积（LPCVD），双面淀积Si3N4，淀积厚度为1500埃。正面光刻，刻蚀引线孔和探针结构。干法刻蚀+湿法腐蚀背面光刻正面光刻，刻蚀出Cr-Au引线和电极。正面蒸镀铬——金，厚度为1500埃。工艺流程二第一次光刻，刻出电阻区第一次B+离子注入，注入能量60Kev，剂量2×1014/cm2第二次光刻，刻出电阻头第二次B+离子注入。注入能量40Kev，剂量1×1015/cm2。双面热氧化生长6000埃的SiO2，氧化条件：干氧（700埃）+湿氧（4600埃）+干氧（700埃）=20min+30min+20min，共计氧化70分钟。第三次光刻，刻蚀刻蚀出引线孔和探针结构第四次光刻，背面光刻，刻蚀出背面结构图形。溅射铬—金，厚度为1500埃。第五次光刻，刻蚀出Cr-Au引线和电极附录：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54.74whbw=h