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，共六十頁，編輯于2023年，星期三現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論第三章物理量檢測與傳感器 3.3厚膜力敏傳感器（高理升） 3.4磁傳感器（林新華） 3.5光與圖像傳感器（孔斌） 3.6熱流式傳感器 3.7諧振式傳感器第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.6熱流式傳感器3.6.1工作原理在密閉的腔體內(nèi)利用熱電阻加熱空氣，形成穩(wěn)定的對流，當(dāng)器件傾斜或存在加速度時，對流方向發(fā)生改變，使測試電阻處的氣流速度不同，引起對流散熱速率變化，從而使得測試電阻的阻值改變。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三原理：第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.6.2MEMS熱流式傳感器美國GeorgeWashington大學(xué)腔體的尺寸500m

一維熱電偶式結(jié)構(gòu)，加熱功率在40mW到90mW時，靈敏度可達到40V/g到115V/g，頻率響應(yīng)100Hz一維熱電阻式，加熱功率在120mW和430mW的時候，靈敏度分別為25V/g和185V/g,頻率響應(yīng)600Hz二維結(jié)構(gòu)靈敏度略低

第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三輸入-輸出曲線靈敏度-功率曲線（30Hz）第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三德國S.Billat利用SOI技術(shù)性能： 空氣，響應(yīng)時間300ms;SF6，響應(yīng)時間600ms

靈敏度:1.6mV/(45mW、SF6氣體)

量程：360

分辨率：0.007

功耗：5mW-50mW第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三信息產(chǎn)業(yè)部十三所功率為200mW時靈敏度為0.35V/g，量程為75g，抗沖擊大于100g。這個傳感器中，腐蝕槽的深度為150m，多晶硅加熱電阻長1000m，寬80m，厚度2m，測溫電阻長1000m，寬40m，厚度2m

第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.6.3傳感器設(shè)計多晶硅引線R8R5170mxy參考電阻R4R1加熱電阻R2測溫電阻R3R6R72mm微型熱流傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱基本方式：傳導(dǎo)、對流、輻射傳導(dǎo)——傅里葉導(dǎo)熱定律一維熱傳導(dǎo)方程第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三輻射——斯忒藩-波爾茲曼定律為斯忒藩-波爾茲曼常量，又稱黑體輻射常數(shù)，值為5.6710-8W/(m2K4)。輻射功率：A是表面積，為表面發(fā)射率，T1是物體的溫度，T2為環(huán)境溫度。=A(T14-T24)

第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三對流影響對流的因素流體流動的起因：比如強迫對流和自然對流流體有無相變流體的流動狀態(tài)：層流和湍流換熱表面的幾何因素流體的物理性質(zhì)（密度、動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)）牛頓散熱定律——表面積為S的熱體，在單位時間內(nèi)，由于對流而散失的熱量：其中是熱體溫度，0是周圍流體溫度，h是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，研究對流換熱的任務(wù)就是確定計算表面系數(shù)h的具體表達式。第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳感器結(jié)構(gòu)

傳熱分析參數(shù)名稱表示符號數(shù)值加熱器溫度T11000K邊界溫度T2300K腔體邊長L2mm加熱器寬度L1200m支撐梁寬度W100m結(jié)構(gòu)厚度H20m多晶硅厚度H11m表面發(fā)射率1.0硅熱導(dǎo)率Si150W/(mK)支撐梁加熱器第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三熱傳導(dǎo)部分：對流部分：輻射部分第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三熱量主要通過傳導(dǎo)的方式散發(fā)出去。考慮到支撐梁硅結(jié)構(gòu)對傳熱的影響，實際加熱的功率會比這個計算結(jié)果要大，因此設(shè)定的額定加熱功率是100mW。

代入?yún)?shù)，得第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三氣體對流場分析第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三敏感電路摻雜到一定濃度多晶硅電阻

檢測電路電橋輸出第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳感器結(jié)構(gòu)抗沖擊性能分析支撐梁兩端彎矩達到應(yīng)力極限時

硅的承載極限為7109Pa，結(jié)構(gòu)的厚度為20m，長度為2mm，則有

第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三測溫電阻結(jié)構(gòu)的邊長為730m，比支撐梁的長度2mm小，沖擊承載能力要強于支撐梁熱膨脹應(yīng)力L/L=3502.3310-6=8.1510-4第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三氣體對流尺度效應(yīng)物理上，格拉曉夫數(shù)Gr是浮升力/粘滯力比值的度量。Gr數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大。Gr與加熱器的特征尺度的三次方成正比，尺度變化10倍，則Gr數(shù)變化1000倍取g=9.8m/s2，=1/650，t=700，=59.310-6m2/s第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三氣體對流尺度效應(yīng)（2cm）(K)(m)T=220K(m)(m/s)第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三氣體對流尺度效應(yīng)（1cm）(K)(m)T=130K(m/s)(m)第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三氣體對流尺度效應(yīng)（5mm）(K)(m)T=16K(m/s)(m)第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三氣體對流尺度效應(yīng)（2mm）(K)(m)T=0.9K(m/s)(m)第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳感器簡化模型分析(K)(mm)T=0.4K(m/s)(mm)第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳感器實際近似模型(K)(mm)T=0.2K(m/s)(mm)第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳感器結(jié)構(gòu)尺寸腔體邊長尺寸：2mm結(jié)構(gòu)層厚度：20m加熱平臺尺寸：200m200m支撐梁尺寸：900m100m測溫電阻邊長：250m測溫電阻寬度：10m測溫電阻頂點距離加熱平臺距離：400m參考電阻寬度：10m參考電阻外邊長：300m多晶硅引線R8R5170mxy參考電阻R4R1加熱電阻R2測溫電阻R3R6R72mm第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三加熱電阻設(shè)計電阻設(shè)計經(jīng)驗公式K1——電阻端頭修正因子；K2——電阻彎頭修正因子，實驗確認為0.5；n——彎頭數(shù)目。

LW第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三加熱器上電阻的分壓達到外加電壓的90%支撐梁電阻18個方塊，則加熱器為162個方塊電阻條長度1720m，寬度是10m，間距10mRheater=169+8+820.5+22=164R?=16.4kΩ

測溫電阻第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.6.4工藝方案清洗硅片雙面氧化二氧化硅2000?（干氧氧化）雙面淀積氮化硅2000?LPCVD:700C到800CPECVD:<450C第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三正面淀積多晶硅層多晶硅薄膜性質(zhì)能承受高溫處理

可以進行N型或P型（重）摻雜

多晶硅制備LPCVD,625C在氮化硅襯底上，擇優(yōu)取向是〈110〉，平均晶粒約為0.03m的細晶粒鏡面光滑的的多晶硅薄膜

薄膜厚度：1m第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三溫度對多晶硅淀積速率的影響摻雜種類和濃度對多晶硅生長速率的影響

第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三摻雜多晶硅多晶硅電學(xué)性能多晶硅薄膜的室溫電阻率（a）、平均載流子濃度（b）與摻雜濃度的關(guān)系

第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三摻雜濃度為21019/cm2，電阻率為0.01cm多晶硅薄膜的厚度為1m第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三刻蝕多晶硅薄膜，制作加熱電阻、測溫電阻和參考電阻正面淀積氮化硅，2000?正面光刻氮化硅，制作Cr/Au引線；雙面光刻氮化硅和二氧化硅；雙面開腐蝕窗口第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三雙面各向異性對穿腐蝕，正面V型槽腐蝕穿通，分離出懸空的結(jié)構(gòu)第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.7諧振式傳感器3.7.1工作原理諧振式傳感器是利用諧振器（也稱諧振子）作為敏感元件，以諧振器固有頻率的改變來測量待測量的大小，它的基本組成框圖如下圖所示。

機械力學(xué)系統(tǒng)諧振器激振器信號輸出拾振器放大器第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三

諧振子的四種基本結(jié)構(gòu)形式：懸臂梁式、雙端固支梁（橋式）、薄膜式以及梳狀叉指式。諧振式傳感器常用的激振、拾振方法：靜電激振/靜電拾振激光激振/激光拾振壓電激振/壓電拾振

電磁激振/電磁拾振

第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.7.2MEMS諧振式壓力傳感器研究進展

1988年日本的IKEDA等人提出了利用有選擇的外延生長和犧牲層技術(shù)制作內(nèi)置干真空腔中的諧振梁技術(shù)，Q值高達50000。采用電磁激振/電磁拾振的方式，并用兩個承受不同方向應(yīng)力諧振梁頻率的差分來消除溫度等因素的干擾。

第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三90年代初英國的Greenwood等人利用了摻硼自停止的各向異性腐蝕技術(shù)，制作了扭轉(zhuǎn)振動的諧振器，采用靜電激振/靜電拾振的方式，真空中Q值20000。第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三90年代英國的Angelidis等人利用硅—硅直接鍵合技術(shù)，研制成一種光纖讀出式硅諧振壓力傳感器。其敏感器件由對應(yīng)力敏感的雙端固支諧振梁和另一根與它垂直且對應(yīng)力不敏感的懸臂梁組成。利用激光進行激振和利用光干涉現(xiàn)象進行拾振。這種結(jié)構(gòu)使得傳感頭可以遠離前置電路，因而可耐相當(dāng)高的溫度。第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三智能所于九十年代中利用MEMS技術(shù)研制出一種硅諧振式壓力傳感器，其核心敏感部分是尺寸為0.69mm×0.08mm×0.005的諧振硅梁。諧振硅梁是利用四電極電化學(xué)腐蝕技術(shù)和單晶硅腐蝕速率各向異性的特點在硅片上加工制作而成，并集成有靜電激勵元件及壓阻拾振元件。此傳感器技術(shù)參數(shù)為：量程=0.1Mpa；分辨率≤0.01%F.S；靈敏度≥0.2Hz/Pa；輸出頻率≥20kHz；工作溫度=-5～55℃。

第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三中科院電子所于本世紀(jì)初提出了一種新型諧振式壓力傳感器。器件由上下兩硅片鍵合而成，上硅片制作半島型結(jié)構(gòu)氮化硅諧振梁，下硅片制作矩形壓力膜。此半島結(jié)構(gòu)壓力傳感器的諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q值大于17000，頻移與壓力的線性相關(guān)系數(shù)為0.99995，精度小于0.06%F.S。第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.7.3MEMS諧振式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型硅諧振式壓力傳感單元的結(jié)構(gòu)如下圖，它由單晶硅壓力膜和位于單晶硅膜片表面中心的單晶硅梁諧振器組成，并在梁上制作H形狀導(dǎo)線用于電磁激振和電磁拾振。

(a)

諧振壓力傳感單元結(jié)構(gòu)剖面圖

(b)諧振壓力傳感單元結(jié)構(gòu)俯視圖

第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三梁無阻尼下的自由微幅振動方程為：對于兩端固支的梁，邊界條件為：經(jīng)推算可得梁在無應(yīng)力時的一階固有頻率為考慮軸向力時梁的一階固有頻率為：第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三梁在磁場中安培力作用下的、阻尼為c的微幅振動方程為：

對應(yīng)的感生電動勢為：進一步推算可得：第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三即磁場作用下的雙端固支梁和電路中RLC并聯(lián)諧振電路是等效的：由等效RLC并聯(lián)諧振電路的諧振頻率可得雙端固支梁的一階諧振頻率為

第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三方形壓力膜和諧振梁的應(yīng)力分析單晶硅壓力膜為一次敏感元件,膜四周與管座剛性連接,可近似看成四邊固支等厚度的方形膜。由于四邊固支膜片撓度分布的精確表達式過于復(fù)雜，為了便于進行理論分析，下圖中膜片撓度可近似為：由于諧振梁對膜片而言是很小的尺寸，因此膜片所收受應(yīng)力正是相應(yīng)位置上梁所受應(yīng)力。當(dāng)梁與X軸的夾角為θ時，得到梁橫截面上的應(yīng)力第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三由上式可知:諧振梁在膜片表面不同位置上,其感受的應(yīng)力不同,固有諧振頻率也不同。最大應(yīng)力出現(xiàn)在膜片邊線的中點處和膜片中心處。膜片中心處的應(yīng)力值為：第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三諧振壓力傳感器閉環(huán)自激系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)機電系統(tǒng)阻抗分析方法和前面的諧振梁等效電路分析,建立電磁激勵/電磁拾振的電磁耦合振子模型。并根據(jù)理論或電路系統(tǒng)仿真，可知由于外界因素或徐變所引起模型電路的元件值的變化對振幅和諧振頻率的影響很小。我們在理論分析基礎(chǔ)上提出了一種以單梁作諧振子、以制作于梁上H型導(dǎo)線作為電磁激勵/電磁拾振單元的閉環(huán)自激系統(tǒng)，簡圖如下圖所示。電磁激振/電磁拾振閉環(huán)自激系統(tǒng)理論模型第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.7.4MEMS諧振式傳感器有限元分析單晶硅諧振梁諧振特性分析

所用結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)為：諧振梁的尺寸為0.8mm*0.08*0.005mm，壓力膜的尺寸為2.5mm*2.5mm，厚度為0.1mm-0.2mm。第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三梁材料模型（a）（有限元BEAM3）模型（b）（有限元SOLID95）Si一階諧振頻率(KHz)59.97260.869二階諧振頻率(KHz)165.306167.952分別得到諧振梁一階諧振頻率和二階諧振頻率如下表:第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三諧振傳感器壓力靈敏度分析

對具有1mm邊框的方形單晶硅壓力膜（2.5mm*2.5mm*0.2mm）在0.1MPa壓力載荷作用下進行應(yīng)力分析，可得沿X軸方向應(yīng)力分布為方膜沿X軸方向應(yīng)力分布圖方膜沿X軸方向應(yīng)力分布曲線第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三對整個傳感單元建模，模型中硅膜厚度0.2mm，外延單晶硅膜0.005mm，方形槽尺寸為0.566mm*0.566mm*0.1mm，槽上面是0.8mm*0.08mm*0.005mm梁。

完整的傳感單元模型第五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三傳感單元在0.1MPa外加壓力作用下的等效應(yīng)力分布無外加壓力時傳感單元一階模態(tài)（65.8KHZ）第五十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三P(kPa)f1(kHz)065.810070.3720074.9430079.5140084.08由上表和圖可以看到傳感器的頻率偏移量與外加壓力成線性關(guān)系，傳感器的靈敏度為45.7Hz/kPa。對不同壓力作用下梁一階諧振頻率分析如下：第五十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期三3.7.5MEMS諧振式傳感器工藝（1）備片。我們選用3英寸大小的N型（100）雙面拋光硅片，電阻率為5-10Ω·cm、厚度為0.3mm。（2）硅片常規(guī)清洗。（3）Si襯底上濃硼擴散，擴散結(jié)深0.001mm，摻雜濃度為1.5×1020/cm-3。（4）沿著〈001〉方向雙面熱氧化生長SiO2層，厚度為0.9μm。（5）正面勻膠并進行一次光刻，用HF溶液腐蝕掉不被光刻膠保護的SiO