現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論 物理量檢測

現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論物理量檢測第一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三3.1傳感器研制流程任務(wù)分析（用專業(yè)術(shù)語描述用戶需求）調(diào)研（國內(nèi)外情況、各種技術(shù)對比、技術(shù)難點(diǎn)）形成設(shè)計(jì)思路（工作原理、創(chuàng)新點(diǎn)、可行性）提出工作計(jì)劃（設(shè)計(jì)方案、人員安排、時(shí)間進(jìn)度）具體實(shí)施（理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合）測試驗(yàn)收（滿足用戶需求）第二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三3.2半導(dǎo)體壓阻式傳感器3.2.1壓阻效應(yīng)與檢測電橋半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，電阻率發(fā)生變化，由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)電阻變化，這種物理效應(yīng)叫壓阻效應(yīng)。

πl(wèi)——縱向壓阻系數(shù)πh——橫向壓阻系數(shù)σl——縱向應(yīng)力σh——橫向應(yīng)力

第三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三壓阻系數(shù)分量應(yīng)力方向電流方向ΔR/R·σ縱向<100><110><111><100><110><111>π11(π11+π12+π44)/2(π11+2π12+2π44)/3橫向<100><110><010><110>π12（π11+π12-π44）/2第四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三材料ρ0（Ω?cm）壓阻系數(shù)[×(10-3(kbar)-1)]π11π12π44n-Sip-Si11.77.8-102.2+6.6+53.4-1.1-13.6+138.1Si的壓阻系數(shù)值（室溫）第五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三（a）單臂電橋；（b）差動(dòng)半橋；（c）差動(dòng)全橋第六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三3.2.2微型三維力傳感器問題的提出：MEMS技術(shù)的發(fā)展正在使人類對微米、納米世界的操作能力取得突破；感知系統(tǒng)對于必須借助工具進(jìn)行操作的任務(wù)十分重要，尤其是在人類無法直接觀察和感受的范圍中；微小型機(jī)器人進(jìn)入特殊環(huán)境進(jìn)行作業(yè)時(shí)必須具備力感知能力，如進(jìn)入人體腸胃或微型衛(wèi)星內(nèi)部時(shí)；由于機(jī)器人作業(yè)時(shí)所受作用力方向是不確定的，所以必須使用三維力傳感器；已有的三維力傳感器在尺寸上不能滿足微型化要求，因此必須研制微型三維力傳感器。第七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三工作原理微型三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖敏感膜片傳力板保護(hù)基片44hOL0L1h0h1第八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三FxFyFzMxMyMzRx100

Rx200

Vx00000FxFyFzMxMyMzRy10

0Ry20

0Vy00000FxFyFzMxMyMzRz100Rz200Rz300Rz400Vz00000a.橋路Cx及其響應(yīng)輸出b.橋路Cy及其響應(yīng)輸出c.橋路Cz及其響應(yīng)輸出檢測橋路對多維力的響應(yīng)輸出第九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三力學(xué)分析a=1.5mm,b=0.5mm。r2b2a彈性體的E形園膜片模型FzXOZMyFxYFyMxMz第十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三（1）當(dāng)Fz=3N作用在中央凸臺(tái)時(shí)，在圓板半徑r處的徑向應(yīng)力

切向應(yīng)力

梁變形所產(chǎn)生的位移

其中 k=r/a,K=b/a=1/3,m=a/h0=18.75，板厚h0=80m，

第十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三所以，最大徑向應(yīng)力這時(shí)對應(yīng)位置的切向應(yīng)力中央凸臺(tái)位移

第十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三（2）My=2Nmm。當(dāng)My作用在中央凸臺(tái)時(shí)，最大應(yīng)力 中央凸臺(tái)轉(zhuǎn)角 其中、為與結(jié)構(gòu)尺寸、形狀有關(guān)的系數(shù)，可由文獻(xiàn)[27]的表4.9-3查出，

2.35，

0.269。根據(jù)方程（2-1），得到硅各向異性腐蝕后，中央凸臺(tái)頂面的寬度b0=0.4mm，因此由于中央凸臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的位置變化第十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三（3）強(qiáng)度與保護(hù)間隙計(jì)算當(dāng)Fz和My同時(shí)作用時(shí)，中央凸臺(tái)的總變形

這時(shí)總的最大應(yīng)力為兩者之和，即=820106Pa。單晶硅的屈服強(qiáng)度[]=7109Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于，因此在Fz和My同時(shí)作用下該傳感器有足夠的安全系數(shù)。我們設(shè)定過載保護(hù)間隙h1=6m，這時(shí)當(dāng)僅有My作用時(shí)可能產(chǎn)生的應(yīng)力最大

因此，該傳感器在上述極端條件下仍然是安全的。第十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三輸出分析對于半導(dǎo)體壓阻式傳感器，其擴(kuò)散電阻變化量與所受到的應(yīng)力、應(yīng)變成比例關(guān)系，即：

上式中11為的縱向壓阻系數(shù)，12為橫向壓阻系數(shù)。對于我們所采用的P型擴(kuò)散硅電阻，11=6.610-11(m2/N)，12=-1.110-11(m2/N)。在本項(xiàng)研究中均采用差動(dòng)半橋檢測電路（圖4-2），橋路電壓Vc為3V，所以電壓輸出變化

當(dāng)Fz作用時(shí)， 第十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三工藝流程(a)(b)(c)(d)(e)硅摻雜硅氧化硅氮化硅金屬微型三維力工藝流程第十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三(a)芯片正面 (b)芯片背面三維力敏感芯片第十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)裝置三維力標(biāo)定裝置X-Y平臺(tái)Z向移動(dòng)齒條標(biāo)準(zhǔn)傳感器被測傳感器數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)數(shù)字電壓表穩(wěn)壓電源第十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三原始測量數(shù)據(jù)（N,mV)次數(shù)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第十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三數(shù)據(jù)處理由標(biāo)定測試得到的傳感器輸出信號(hào)[V]，通過線性解耦矩陣[D]可以轉(zhuǎn)換成傳感器所受到的三維力[F]。第二十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三解耦結(jié)果與誤差測量次數(shù)實(shí)際力F（N）計(jì)算力F’（N）誤差（%FS）FxFyFzFx’Fy’Fz’xyz100000000020.0490.0580.9770.0370.0570.9770.400.03030.0900.0851.9530.0750.0861.9540.500.030.0370.028-0.0010.5090.055-0.0050.5010.900.130.2780.1510.0201.4660.1320.0141.4670.630.200.0390.400-0.0571.5430.384-0.0591.5360.530.070.23100.4210.3881.5780.4160.3911.5820.170.100.13第二十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三附錄：微機(jī)械加工技術(shù)硅體微加工 1、各向異性腐蝕氫氧化鉀（KOH）水溶液、鄰苯二酚——乙二胺——水（EPW）和四甲基氫氧化胺水溶液（TMAHW）。圖2-1、（100）硅片的各向異性腐蝕頂視圖：剖視圖：腐蝕掩膜54.74whbw=h/tan54.74。

Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2↑第二十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三三角形掩膜補(bǔ)償法條形掩膜補(bǔ)償法第二十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三三角形掩膜與條形掩膜的關(guān)系[310]dh1h2ab[130][010]b/2d’d=1.2+3.12H(m) (2-3)

a=3.78+9.83H-1.5b（m） (2-9)第二十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三2、電化學(xué)腐蝕電位（V）0.0-0.5-1.0-1.5四電極電化學(xué)腐蝕系統(tǒng)示意圖（圖中N－Si區(qū)域連通）采用四電極電化學(xué)腐蝕技術(shù)加工的硅梁第二十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三3、高溫硅直接鍵合工藝步驟1、預(yù)處理：將兩拋光硅片先經(jīng)含OH—的溶液浸泡處理，然后烘干；步驟2、預(yù)鍵合：在常溫下將兩硅片對準(zhǔn)貼合在一起；步驟3、熱處理：加熱至500、800、1000°C，形成高溫鍵合。800C退火處理后水汽產(chǎn)生的氣孔鍵合完成后的紅外圖象第二十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三玻璃硅片加熱板-

Vs+靜電鍵合裝置4、靜電鍵合工藝1、硅片清洗、烘干；2、射頻濺射PbO玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氬氣和氧氣，玻璃膜厚度1m；3、將鍍有玻璃膜的硅片與另一塊本體硅片對準(zhǔn)后壓緊，分別接電源負(fù)極和正極。在常溫下加50V直流電壓，時(shí)間10min。硅/玻璃膜界面的SEM圖象第二十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三常溫鍵合硅片剝開后的玻璃膜粘附現(xiàn)象第二十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三硅表面微加工第二十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三LIGA技術(shù)——同步輻射X光光刻(Lithographie)+微電鑄(Galvanoformung)+微復(fù)制(Abformung)第三十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三3.2.3MEMS觸覺傳感器

類皮膚型觸覺傳感器必須具備的功能和特性：1、觸覺敏感能力，包括接觸覺、分布?jí)河X、力覺和滑覺；2、柔性接觸表面，以避免硬性碰撞和適應(yīng)不同形狀的表面；3、小巧的片狀外型，以利于安裝在機(jī)器人手爪上。第三十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三壓阻元件與應(yīng)變檢測電路模擬開關(guān)熱敏電阻放大補(bǔ)償電路A/D計(jì)算機(jī)主板D/A數(shù)據(jù)處理電路機(jī)器人控制器分布接觸力解碼器觸覺敏感陣列觸覺傳感器系統(tǒng)框圖地址控制器第三十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三未粘貼橡膠層的觸覺敏感陣列橡膠層傳力柱基板保護(hù)陣列金絲外引線敏感單元中央凸臺(tái)敏感陣列結(jié)構(gòu)圖觸覺敏感陣列第三十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三制作工藝敏感芯片的制作基本與微型三維力傳感器芯片相同，但是應(yīng)在采用離子注入摻雜工藝制作敏感電阻的同時(shí)，增加制作信號(hào)選通集成電路和Al連線的相關(guān)工藝。傳力陣列的制作傳力柱A傳力柱B邊框A邊框B邊框B邊框A懸臂梁A懸臂梁B梁厚控制V形槽陣列分離槽梁厚控制V形槽傳力陣列剖面圖第三十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三保護(hù)陣列的制作1、準(zhǔn)備硅片。技術(shù)要求：（100）晶向，厚度50015m，雙面拋光，無錯(cuò)位，晶向偏差1，平行度20m；2、熱氧化，生長3000?厚的氧化硅膜，作為腐蝕保護(hù)膜；3、光刻過載保護(hù)淺坑和橫向通氣孔腐蝕窗口；4、各向異性腐蝕至6m深。腐蝕條件：33%KOH溶液，76C，腐蝕速率1m/min；5、采用沙輪切片機(jī)切割分離各保護(hù)陣列芯片，清洗、烘干后備用。傳感器組裝工藝第三十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三觸覺傳感器陣列組裝工藝流程第三十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三信息融合線性單元解耦力敏信號(hào)觸覺圖象人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總力摩擦系數(shù)對比閾值計(jì)算單元力滑動(dòng)狀態(tài)接觸狀態(tài)觸覺信息處理流程圖第三十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三單元解耦由觸覺敏感單元Eij得到的輸出信號(hào)[V]ij，通過線性解耦矩陣[D]ij轉(zhuǎn)換成單元力[F]ij。作用力中心位置：第三十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ni1ni2ni96ni97no1no2nh32nh1nh1no3Fx11Fy11Fz48TFxFyFz反傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱神經(jīng)元nhl的輸出為Vhl：輸出神經(jīng)元的輸出值：第三十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三滑動(dòng)狀態(tài)判斷：,靜止?fàn)顟B(tài)，臨界狀態(tài) ，滑動(dòng)狀態(tài)或即將滑動(dòng)將輸出值轉(zhuǎn)換成與各方向力量程相對應(yīng)的三維力：第四十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、觸覺圖象與接觸覺鑰匙觸覺圖象砝碼觸覺圖象第四十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三力分布點(diǎn)陣圖照片力分布高度圖螺母觸覺圖象第四十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三2、接觸總力和滑覺-10010203040506001020304050FxFyFzFzba.單獨(dú)施加FzFz(N)(N)輸出力（N）施加力第四十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三(N)Fx(N)b.

保持Fz為50N時(shí)施加Fx-1001020304050600246810FxFyFzFxbFzb輸出力（N）施加力第四十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三三維接觸總力標(biāo)定曲線（圖中Fxb、Fyb、Fzb為實(shí)際施加的力值，F(xiàn)x、Fy、Fz為傳感器輸出的力值，輸出力與施加力之間的誤差放大了十倍。）(N)Fy(N)-1001020304050600246810FxFyFzFybFzbC.保持Fz為50N時(shí)施加Fy輸出力（N）施加力第四十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三觸覺傳感器達(dá)到的主要性能與技術(shù)指標(biāo)為：

敏感單元：4×8個(gè) 敏感面積： 16×32mm3

陣列尺寸：20×50×7mm3測力范圍：

Fx、Fy:±10N；Fz:050N

標(biāo)定精度：

≤2％FS 觸覺閾值：

≤0.2N

測力分辨力：≤0.1N

滑覺輸出:未滑=0、臨界=1、滑動(dòng)或即將滑動(dòng)=2接觸覺輸出：未接觸=0、接觸=1響應(yīng)時(shí)間：≤10ms (其中敏感單元響應(yīng)≤１ms，信號(hào)處理≤8ms)第四十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三3.2.4柔性觸覺傳感器研究目標(biāo)：針對機(jī)器人、特殊檢測、智能皮膚等應(yīng)用需求，將MEMS傳感器單元與柔性基板相結(jié)合，研究與開發(fā)出基于柔性襯底的MEMS傳感器陣列的關(guān)鍵加工技術(shù)，并研制出兩種分別含有三維觸覺傳感器和熱覺傳感器陣列的柔性智能皮膚，將目前的硅基微傳感器陣列從只能用于兩維平面測量拓展到能用于三維曲面測量。主要技術(shù)指標(biāo):(1)硅島側(cè)壁垂直性：901。(2)整個(gè)智能皮膚的可彎曲角度：大于90不斷裂。(3)觸覺智能皮膚的觸覺分辨率為0.1N（X、Y、Z），硅島陣列密度為4×4。(4)熱覺智能皮膚的溫度分辨率為0.1℃，硅島陣列密度為4×4第四十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三三維力傳感器的工藝實(shí)現(xiàn)三維力傳感器陣列通過標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)和微機(jī)械加工工藝技術(shù)制作。首先采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體平面工藝在輕摻雜的n型硅片上制作力敏電阻（P型擴(kuò)散電阻）以及電極引線等，再用ICP（IonCouplingPlasma:離子耦合等離子體）刻蝕工藝形成E型膜結(jié)構(gòu)。E型膜的厚度通過改變刻蝕條件進(jìn)行控制，以適應(yīng)不同范圍的測力需求。

第四十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三ICP工藝研究：本項(xiàng)目的完成離不開ICP工藝，所以特別對ICP工藝進(jìn)行了研究。采用的工藝設(shè)備為OXFORDINSTRUMENTS

的PlasmalabSystem100ICP180

。第四十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三Bosch腐蝕工藝：使用氣體：SF6andC4F8.工作原理：腐蝕與淀積交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對垂直表面的刻蝕和對側(cè)壁的保護(hù)。優(yōu)點(diǎn)：可以在室溫下高速率腐蝕。第五十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三

柔性三維力觸覺傳感器陣列的設(shè)計(jì)與制作

方案一：聚酰亞胺薄膜＋金屬薄膜

在文獻(xiàn)資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們首先選用聚酰亞胺材料薄膜作為柔性襯底,在其上制作三維力傳感器陣列。將聚酰亞胺用甩膠工藝在硅片上甩成幾微米厚的薄膜，再在一定溫度下進(jìn)行處理，形成柔性薄膜。聚酰亞胺薄膜的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)特性研究。測試了柔性襯底的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等特性，以及它與硅材料的粘合強(qiáng)度。研究表明，聚酰亞胺薄膜具有較大的抗拉強(qiáng)度、較好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的絕緣性能，并能牢固地附著在硅片上。研究了在其上制作金屬引線的工藝條件，并對制作出來的金屬薄膜的黏附性能進(jìn)行了研究。第五十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三采用薄膜工藝的柔性三維力傳感器陣列工藝流程第五十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三以聚酰亞胺薄膜材料作為柔性襯底的柔性陣列圖第五十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三我們試驗(yàn)了幾種不同型號(hào)聚酰亞胺材料制作的薄膜，包括杜邦PI-2808型材料，通過工藝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

a.在其上制作金屬引線的黏附性存在問題，包括用蒸發(fā)、濺射等方法制作金屬引線，其黏附性都不好。

b.三維力傳感器電極過渡到聚酰亞胺薄膜上引線的實(shí)現(xiàn)較困難。

c.整個(gè)工藝流程的兼容性差。第五十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三方案二：聚酰亞胺厚膜＋金屬箔

借鑒多層柔性電路板的制作工藝，將三維力觸覺傳感器單元通過表面貼裝的方式集成在已經(jīng)做好電極引線的柔性基底上；采用絲網(wǎng)印刷方式預(yù)涂導(dǎo)電膠圖形，在硅單元對準(zhǔn)粘貼后，以200Co加熱烘2小時(shí)，使柔性基底上電極與三維力觸覺傳感器上電極實(shí)現(xiàn)電連接。第五十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三第五十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期三

柔性溫度傳感器柔性溫度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖柔性溫度傳感器工藝a.聚酰亞胺薄膜上鍍金屬鈦薄膜。b.光刻、腐蝕薄膜溫敏電阻