现代检测技术导论-物理量检测2

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：3.6.2MEMS热流式传感器美国GeorgeWashington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25V/g和185V/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;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-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m3.6.3传感器设计多晶硅引线R8R5170mxy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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xTq][dxxTxxTAdxxTcAAdxqxTA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10-8W/(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。4TEb=A(T14-T24)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。)(0hS•传感器结构传热分析参数名称表示符号数值加热器温度T11000K边界温度T2300K腔体边长L2mm加热器宽度L1200m支撑梁宽度W100m结构厚度H20m多晶硅厚度H11m表面发射率1.0硅热导率Si150W/(mK)支撑梁加热器1211112118244LLTTWHWHLLTTqASiSi热传导部分：对流部分：211214/121221324Pr248.0TTHWLLHTTTTgHthSAir辐射部分42411214241342TTHWLLTTA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。mW7.461mW7.42mW0.53代入参数，得mW4.56321•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001TTRTR433211433211212121TTTTTTVRRRRRRVVVVcccc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109Pa，结构的厚度为20m，长度为2mm，则有2)2(31LWHaMA22)2(316LWHaMWHfMAyyfLHa22ga692336101.3107102103.210202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PaLLLE53411101.31021015.8109.1热膨胀应力35030023001000T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/s2，=1/650，t=700，=59.310-6m2/s23tlgGr39326100.3103.596507008.9llGr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)mVTTTTVVcc2.03603601009.122.01009.1521221332121•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R8R5170mxy参考电阻R4R1加热电阻R2测温电阻R3R6R72mm•加热电阻设计电阻设计经验公式K1——电阻端头修正因子；K2——电阻弯头修正因子，实验确认为0.5；n——弯头数目。LW21nKKWLRR□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Rheater=169+8+820.5+22=164R�=16.4kΩkRRRTemp65.65.662604805.0210250口口）（•测温电阻3.6.4工艺方案清洗硅片双面氧化二氧化硅2000Å（干氧氧化）双面淀积氮化硅2000Å1.LPCVD:700C到800C2.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1019/cm2，电阻率为0.01cm多晶硅薄膜的厚度为1m1001001.014jXR□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，2000Å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3.7.2MEMS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0.69mm×0.08mm×0.005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17000，频移与压力的线性相关系数为0.99995，精度小于0.06%F.S。3.7.3MEMS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：422422(,)(,)(,)xtxtxtEIAAxxt•对于两端固支的梁，边界条件为：0,()0xlwx0,0xldwdx•经推算可得梁在无应力时的一阶固有频率为21224.73(0)1.0282EIEhflAl•考虑轴向力时梁的一阶固有频率为：221224.733()1()212hElflh•梁在磁场中安培力作用下的、阻尼为c的微幅振动方程为：422422e•对应的感生电动势为：1dwUBxt(4)221222222dddd()(d)(d)(d)eEIxAxcxAxIiUiBxBxBx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：2222(d)0.6904dBxBRccx2222d1.4484(d)AxACBBx22242(4)(d)1725.01/10.29495(/)ddBxBLEIllhEIxAx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11()2fLC2224.7310.29495()212hEllh•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：222222(,)(1)(1)mxywxyWHLL由于谐振梁对