现代检测技术导论-物理量检测2优秀课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Hefei Institutes of Physical Science,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,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,3.6.1,工作原理,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,美国,George Washington,大学,腔体的尺寸,500,m,一维热电偶式结构，加热功率在,40mW,到,90mW,时，灵敏度可达到,40,V/g,到,115,V/g,，频率响应,100Hz,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,600Hz,二维结构灵敏度略低,输入,-,输出曲线,灵敏度,-,功率曲线（,30Hz,）,德国,S.Billat,利用,SOI,技术,性能：,空气，响应时间,300ms;SF,6,，响应时间,600ms,灵敏度,:1.6mV/,(45mW,、,SF,6,气体,),量程：,360,分辨率：,0.007,功耗：,5mW-50mW,信息产业部十三所,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,150,m,，多晶硅加热电阻长,1000,m,，宽,80,m,，厚度,2,m,，测温电阻长,1000,m,，宽,40,m,，厚度,2,m,3.6.3,传感器设计,多晶硅引线,R,8,R,5,170,m,x,y,参考电阻,R,4,R,1,加热电阻,R,2,测温电阻,R,3,R,6,R,7,2mm,微型热流传感器结构设计图,传热学基础,传热基本方式：传导、对流、辐射,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5.67,10,-8,W/(m,2,K,4,)。,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,(T,1,4,-T,2,4,),对流,影响对流的因素,流体流动的起因：比如强迫对流和自然对流,流体有无相变,流体的流动状态：层流和湍流,换热表面的几何因素,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：,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,表示符号,数值,加热器温度,T,1,1000K,边界温度,T,2,300K,腔体边长,L,2mm,加热器宽度,L,1,200,m,支撑梁宽度,W,100,m,结构厚度,H,20,m,多晶硅厚度,H,1,1,m,表面发射率,1.0,硅热导率,Si,150 W/(m,K),支撑梁,加热器,热传导部分：,对流部分：,辐射部分,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,气体对流场分析,敏感电路,掺杂到一定浓度多晶硅电阻,检测电路,电桥输出,传感器结构抗冲击性能分析,支撑梁两端弯矩,达到应力极限时,硅的承载极限为,7,10,9,Pa,，结构的厚度为,20,m,，长度为,2mm,，则有,测温电阻结构的边,长为,730,m,，比支撑梁的长度,2mm,小，冲击承载能力要强于支撑梁,热膨胀应力,L/L=350,2.33,10,-6,=8.15,10,-4,气体对流尺度效应,物理上，格拉晓夫数,Gr,是浮升力,/,粘滞力比值的度量。,Gr,数的增大表明浮升力作用的相对增大。,Gr,与加热器的特征尺度的三次方成正比，尺度变化,10,倍，则,Gr,数变化,1000,倍,取,g=9.8m/s,2,，,=1/650,，,t=700,，,=59.3,10,-6,m,2,/s,气体对流尺度效应（,2cm,）,(K),(m),T=220K,(m),(m/s),气体对流尺度效应（,1cm,）,(K),(m),T=130K,(m/s),(m),气体对流尺度效应（,5mm,）,(K),(m),T=16K,(m/s),(m),气体对流尺度效应（,2mm,）,(K),(m),T=0.9K,(m/s),(m),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,(K),(mm),T=0.2K,(m/s),(mm),传感器结构尺寸,腔体边长尺寸：,2mm,结构层厚度：,20,m,加热平台尺寸：,200,m,200,m,支撑梁尺寸：,900,m,100,m,测温电阻边长：,250,m,测温电阻宽度：,10,m,测温电阻顶点距离加热平台距离：,400,m,参考电阻宽度：,10,m,参考电阻外边长：,300,m,多晶硅引线,R,8,R,5,170,m,x,y,参考电阻,R,4,R,1,加热电阻,R,2,测温电阻,R,3,R,6,R,7,2mm,加热电阻设计,电阻设计经验公式,K,1,电阻端头修正因子；,K,2,电阻弯头修正因子，实验确认为,0.5,；,n,弯头数目。,L,W,加热器上电阻的分压达到外加电压的,90%,支撑梁电阻,18,个方块，则加热器为,162,个方块,电阻条长度,1720,m,，宽度是,10,m,，间距,10,m,R,heater,=16,9+8+8,2,0.5+2,2=164 R,=16.4k,测温电阻,3.6.4,工艺方案,清洗硅片,双面氧化二氧化硅,2000,（干氧氧化）,双面淀积氮化硅,2000,LPCVD:700,C,到,800,C,PECVD:450,C,正面淀积多晶硅层,多晶硅薄膜性质,能承受高温处理,可以进行,N,型或,P,型（重）掺杂,多晶硅制备,LPCVD,625,C,在氮化硅衬底上，择优取向是,110,，平均晶粒约为,0.03,m,的细晶粒镜面光滑的的多晶硅薄膜,薄膜厚度：,1,m,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速率的影响,掺杂多晶硅,多晶硅电学性能,多晶硅薄膜的室温电阻率（,a,）、平均载流子浓度（,b,）与掺杂浓度的关系,掺杂浓度为,2,10,19,/cm,2,，电阻率为,0.01,cm,多晶硅薄膜的厚度为,1,m,刻蚀多晶硅薄膜，制作加热电阻、测温电阻和参考电阻,正面淀积氮化硅，,2000,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,双面各向异性对穿腐蚀，正面,V,型槽,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,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，它的基本组成框图如下图所示。,机械力学系统,谐振器,激振器,信号输出,拾振器,放大器,谐振子的四种基本结构形式：,悬臂梁式、双端固支梁（桥式）、薄膜式以及梳状叉指式。,谐振式传感器常用的激振、拾振方法,：,静电激振,/,静电拾振,激光激振,/,激光拾振,压电激振,/,压电拾振,电磁激振,/,电磁拾振,3.7.2 MEMS,谐振式压力传感器研究进展,1988,年日本的,IKEDA,等人提出了利用有选择的外延生长和牺牲层技术制作内置干真空腔中的谐振梁技术，,Q,值高达,50000,。采用电磁激振,/,电磁拾振的方式，并用两个承受不同方向应力谐振梁频率的差分来消除温度等因素的干扰。,90,年代初英国的,Greenwood,等人利用了掺硼自停止的各向异性腐蚀技术，制作了扭转振动的谐振器，采用静电激振,/,静电拾振的方式，真空中,Q,值,20000,。,90,年代英国的,Angelidis,等人利用硅,硅直接键合技术，研制成一种光纤读出式硅谐振压力传感器。其敏感器件由对应力敏感的双端固支谐振梁和另一根与它垂直且对应力不敏感的悬臂梁组成。利用激光进行激振和利用光干涉现象进行拾振。这种结构使得传感头可以远离前置电路，因而可耐相当高的温度。,智能所于九十年代中利用,MEMS,技术研制出一种硅谐振式压力传感器，其核心敏感部分是尺寸为,0.69mm0.08mm0.005,的谐振硅梁。谐振硅梁是利用四电极电化学腐蚀技术和单晶硅腐蚀速率各向异性的特点在硅片上加工制作而成，并集成有静电激励元件及压阻拾振元件。,此传感器技术参数为：量程,=0.1Mpa,；分辨率,0.01%F.S,；灵敏度,0.2Hz/Pa,；输出频率,20kHz,；工作温度,=-5,55,。,中科院电子所于本世纪初提出了一种新型谐振式压力传感器。器件由上下两硅片键合而成，上硅片制作半岛型结构氮化硅谐振梁，下硅片制作矩形压力膜。此半岛结构压力传感器的谐振器的品质因数,Q,值大于,17 000,，频移与压力的线性相关系数,为,0.99995,，精度小于,0.06%F.S,。,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,，,并在梁上制作,H,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剖面图,(b),谐振压力传感单元结构俯视图,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：,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：,梁在磁场中安培力作用下的、阻尼为,c,的微幅振动方程为：,对应的感生电动势为：,进一步推算可得：,即磁场作用下的双端固支梁和电路中,RLC,并联谐振电路是等效的,：,由等效,RLC,并联谐振电路的谐振频率可得双端固支梁的一阶谐振频率为,方形压力膜和谐振,梁,的应力分析,单晶硅压力膜为一次敏感元件,膜四周与管座刚性连接,可近似看成四边固支等厚度的方形膜。由于四边固支膜片挠度分布的精确表达式过于复杂，为了便于进行理论分析，下图中膜片挠度可近似为：,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,X,轴的夹角为,时,，,得到梁,横截面,上的应力,由上式可知,:,谐振梁在膜片表面不同位置上,其感受的应力不同,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,根据机电系统阻抗分析方法和前面的谐振梁等效电路分析,建立电磁激励,/,电磁拾振的电磁耦合振子模型。并根据理论或电路系统仿真，可知由于外界因素或徐变所引起模型电路的元件值的变化对振幅和谐振频率的影响很小。,我们在理论分析基础上提出了一种以单梁作谐振子、以制作于梁上,H,型导线作为电磁激励,/,电磁拾振单元的闭环自激系统，简图如下图所示。,电磁激振,/,电磁拾振闭环自激系统理论模型,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,所用结构几何参数为：谐振梁的尺寸为,0.8mm*0.08*0.005mm,，压力膜的尺寸为,2.5mm*2.5mm,，厚度为,0.1mm-0.2mm,。,梁材料,模型（,a,）（有限元,BEAM3,）,模型,（,b,）,（有限元,SOLID95,）,Si,一阶谐振频率,(KHz),59.972,60.869,二阶谐振频率,(KHz),165.306,167.952,分别得到谐振梁一阶谐振频率和二阶谐振频率如下表,:,谐振传感器压力灵敏度分析,对具有,1mm,边框的方形单晶硅压力膜（,2.5mm*2.5mm*0.2mm,）,在,0.1MPa,压力载荷作用下进行应力分析，可得沿,X,轴方向应力分布,为,方膜沿,X,轴方向应力分布图,方膜沿,X,轴方向应力分布曲线,对整个传感单元建模，,模型中硅膜厚度,0.,2mm,，外延单晶硅膜,0.00,5mm,，方形槽尺寸为,0.,566mm*0.566mm*0.1mm,，槽上面是,0.,8mm*0.08mm*0.005mm,梁。,完整的传感单元模型,传感单元在,0.1MPa,外加压力作用下的等效应力分布,无外加压力时传感单元一阶模态（,65.8 KHZ,）,P(kPa),f,1,(kHz),0,65.8,100,70.37,200,74.94,300,79.51,400,84.08,由上表和图可以看到传感器的频率偏移量与外加压力成线性关系，传感器的灵敏度为,45.7Hz/kPa,。,对,不同压力作用下梁一阶谐振频率,分析如下：,3.7.5 MEMS,谐振式传感器工艺,（,1,）备片。我们选用,3,英寸大小的,N,型（,100,）双面抛光硅片，电阻率为,5-10,cm,、厚度为,0.3mm,。,（,2,）硅片常规清洗。,（,3,）,Si,衬底上浓硼扩散，扩散结深,0.001mm,，掺杂浓度为,1.510,20,/cm,-3,。,（,4,）沿着,001,方向双面热氧化生长,SiO,2,层，厚度为,0.9m,。,（,5,）正面匀胶并进行一次光刻，用,HF,溶液腐蚀掉不被光刻胶保护的,SiO,2,，在硅梁 两侧形成两个直角三角形的,ICP,刻蚀窗口。,（,6,）,ICP,刻蚀不被,SiO,2,层保护的浓硼扩散层直至,N,型,Si,衬底，形成硅梁谐振腔腐蚀窗口。,（,7,）背面二次光刻，用,HF,溶液腐蚀掉不被光刻胶保护的,SiO,2,，开,Si,衬底减薄窗口。,（,8,）磁控溅射或蒸发,CrAu,薄膜。,（,9,）正面三次光刻，并腐蚀形成,H,形状,CrAu,导线。,（,10,）利用,TMAH,各向异性腐蚀溶液，通过腐蚀通道腐蚀出谐振腔，并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。,（,11,）在硼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。,（,12,）测试，划片。,（,13,）金丝球焊引线。,（,14,）真空封装。,N,型,Si,衬底,P,+,型,Si,SiO,2,CrAu,合金,硼硅玻璃,由于现实应用中所测压力主要是差压，我们在同一硅衬底上加工两个完全相同的传感单元，一个传感单元检测实际压力，另一个作为参考单元用来检测标准大气压，如下图所示。这种结构的主要优点就是可以消除环境温度等因素带来的附加误差。,同一衬底上加工两个传感单元的结构和工艺示意图,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,Q,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，提出了下图这样一种封装结构：,它由不锈钢基座和用来作真空密封的镀金可伐管座和玻璃帽盖组成。将压力传感器芯片与金属管座封接成一整体，然后在真空环境中将玻璃与金属管座封接在一起，完成传感器的真空封装。,