现代检测技术导论物理量检测

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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。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

2、ΔR/R·σ纵向<100><110><111><100><110><111>π11(π11+π12+π44)/2(π11+2π12+2π44)/3横向<100><110><010><110>π12（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

3、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Rz200

4、Rz300Rz4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，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（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

5、[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（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。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

6、，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，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

7、.9771.2201.45513.53430.0900.0851.9532.4022.98227.07040.1220.1092.9393.6154.55140.74150.769-0.0113.0445.4526.20742.11360.8110.7613.0866.7814.51842.70770.028-0.0010.5090.6820.8956.94180.1510.0201.4661.9512.49920.31