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1、3.2 半导体压阻式传感器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。l 纵向压阻系数纵向压阻系数 h 横向压阻系数横向压阻系数l 纵向应力纵向应力 h 横向应力横向应力 第1页/共66页 压阻系数分量 应力方向 电流方向 R/R 纵向 11(11+12+44)/2(11+212+244)/3 横向 12（11+12-44）/2第2页/共66页材料0（cm）压阻系数(10-3(kbar)-1)11111244n-Sip-Si11.77.8-102.2+6.6+53.4-1
2、.1-13.6+138.1Si的压阻系数值（室温）第3页/共66页（a）单臂电桥；（b）差动半桥；（c）差动全桥第4页/共66页3.2.2 微型三维力传感器问题的提出：lMEMS技术的发展正在使人类对微米、纳米世界的操作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；能力取得突破；l感知系统对于必须借助工具进行操作的任务十分重要，感知系统对于必须借助工具进行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；尤其是在人类无法直接观察和感受的范围中；l微小型机器人进入特殊环境进行作业时必须具备力感知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
3、时；能力，如进入人体肠胃或微型卫星内部时；l由于机器人作业时所受作用力方向是不确定的，所以必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；须使用三维力传感器；l已有的三维力传感器在尺寸上不能满足微型化要求，因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。此必须研制微型三维力传感器。第5页/共66页工作原理工作原理 微型三维力传感微型三维力传感器结构示意图器结构示意图敏感膜片传力板保护基片44hOL0L1h0h1第6页/共66页 Fx Fy Fz Mx My MzRx1 0 0 Rx2 0 0 Vx 0 0 0 0 0 Fx Fy Fz Mx
4、My MzRy1 0 0 Ry2 0 0 Vy 0 0 0 0 0 Fx Fy Fz Mx My MzRz1 0 0 Rz2 0 0 Rz3 0 0 Rz4 0 0 Vz 0 0 0 0 0a.桥桥路路Cx及及其响应输出其响应输出b.桥桥路路Cy及及其响应输出其响应输出c.桥桥路路Cz及及其响应输出其响应输出检测桥路对多维力的响应输出检测桥路对多维力的响应输出第7页/共66页力学分析力学分析 a=1.5mm,b=0.5mm。r2b2a弹性体的弹性体的E形园膜片模型形园膜片模型FzXOZMyFxYFyMxMz第8页/共66页（1）当当Fz=3N作作用用在在中中央央凸凸台台时时，在在圆圆板板半半径
5、径r处处的的径径向向应力应力切向应力切向应力梁变形所产生的位移梁变形所产生的位移其中其中k=r/a,K=b/a=1/3,m=a/h0=18.75，板板厚厚h0=80 m，第9页/共66页所以，最大径向应力所以，最大径向应力 这时对应位置的切向应力这时对应位置的切向应力 中央凸台位移中央凸台位移 第10页/共66页（2）My=2 Nmm。当当My作用在中央凸台时，作用在中央凸台时，最大应力最大应力中央凸台转角中央凸台转角其其中中、为为与与结结构构尺尺寸寸、形形状状有有关关的的系系数数，可可由由文文献献27的表的表4.9-3查出，查出，2.35，0.269。根根据据方方程程（2-1），得得到到硅硅
6、各各向向异异性性腐腐蚀蚀后后，中中央央凸凸台台顶顶面面的的宽宽度度b0=0.4mm，因因此此由由于于中中央央凸凸台台转转动动而而产产生生的的位置变化位置变化第11页/共66页（3）强度与保护间隙计算）强度与保护间隙计算当当Fz和和My同时作用时，中央凸台的总变形同时作用时，中央凸台的总变形这时总的最大应力这时总的最大应力 为两者之和，即为两者之和，即 =820 106Pa。单单晶晶硅硅的的屈屈服服强强度度 =7 109Pa，远远远远高高于于，因因此此在在Fz和和My同时作用下该传感器有足够的安全系数。同时作用下该传感器有足够的安全系数。我我们们设设定定过过载载保保护护间间隙隙h1=6 m，这这
7、时时当当仅仅有有My作作用用时可能产生的应力最大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。因此，该传感器在上述极端条件下仍然是安全的。第12页/共66页输出分析输出分析 对对于于半半导导体体压压阻阻式式传传感感器器，其其扩扩散散电电阻阻变变化化量量与与所所受受到到的的应力、应变成比例关系，即：应力、应变成比例关系，即：上上式式中中 11为为的的纵纵向向压压阻阻系系数数，12为为横横向向压压阻阻系系数数。对对于于我我们们所所采采用用的的P型型扩扩散散硅硅电电阻阻，11=6.6 10-11(m2/N)，12=-1.1 10-11(m2/N)。在在本本项项研研究究中中均均采采用
8、用差差动动半半桥桥检检测测电电路路（图图4-2），桥桥路路电压电压Vc为为3V，所以电压输出变化所以电压输出变化当当Fz作用时，作用时，第13页/共66页工艺流程工艺流程(a)(b)(c)(d)(e)硅硅 掺杂硅掺杂硅 氧化硅氧化硅 氮化硅氮化硅 金属金属微型三维力工艺流程微型三维力工艺流程第14页/共66页(a)芯片正面芯片正面(b)芯片背面芯片背面 三维力敏感芯片三维力敏感芯片第15页/共66页实验结果与数据处理实验结果与数据处理 实验装置实验装置三维力标定装置三维力标定装置X-Y平台平台Z向移动齿条向移动齿条标准传感器标准传感器被测传感器被测传感器数据处理数据处理计算机计算机数字电压表数
9、字电压表稳压电源稳压电源第16页/共66页原始测量数据原始测量数据 （N,mV)次数次数FxFyFzVxVyVz100000020.0490.0580.9771.2201.45513.53430.0900.0851.9532.4022.98227.07040.1220.1092.9393.6154.55140.74150.769-0.0113.0445.4526.20742.11360.8110.7613.0866.7814.51842.70770.028-0.0010.5090.6820.8956.94180.1510.0201.4661.9512.49920.31690.400-0.057
10、1.5432.6553.25121.240100.4210.3881.5783.4752.31321.885第17页/共66页数据处理数据处理由标定测试得到的传感器输出信号由标定测试得到的传感器输出信号V，通过线通过线性解耦矩阵性解耦矩阵D可以转换成传感器所受到的三维可以转换成传感器所受到的三维力力F。第18页/共66页解耦结果与误差解耦结果与误差 测测量量次次数数实际力实际力F（N）计算力计算力F（N）误差误差（%FS）FxFyFzFxFyFz x y z100000000020.0490.0580.9770.0370.0570.9770.400.03030.0900.0851.9530.0
11、750.0861.9540.500.030.0370.028-0.0010.5090.055-0.0050.5010.900.130.2780.1510.0201.4660.1320.0141.4670.630.200.0390.400-0.0571.5430.384-0.0591.5360.530.070.23100.4210.3881.5780.4160.3911.5820.170.100.13第19页/共66页附录：微机械加工技术附录：微机械加工技术 硅体微加工硅体微加工 1、各向异性腐蚀、各向异性腐蚀氢氧化钾（氢氧化钾（KOH）水溶液、邻苯二酚水溶液、邻苯二酚乙二胺乙二胺水水（EPW）
12、和四甲基氢氧化胺水溶液（和四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHW）。）。图2-1、（100）硅片的各向异性腐蚀顶视图：剖视图：腐蚀掩膜54.74whbw=h/tan54.74。Si+H2O+2KOH=K2SiO3+2H2 第20页/共66页三角形掩膜补偿法三角形掩膜补偿法条形掩膜补偿法条形掩膜补偿法第21页/共66页 三角形掩膜与条形掩膜的关系310dh1h2ab130010b/2dd=1.2+3.12H (m)(2-3)a=3.78+9.83H-1.5b（m）(2-9)第22页/共66页2、电化学腐蚀、电化学腐蚀电位（V）0.0-0.5-1.0-1.5四电极电化学腐蚀系统示意图（图中NSi区域连通
13、）采用四电极电化学腐蚀技术加工的硅梁第23页/共66页3、高温硅直接键合工艺、高温硅直接键合工艺步骤步骤1、预处理：将两抛光硅片先经含、预处理：将两抛光硅片先经含OH 的溶液浸泡处理，然的溶液浸泡处理，然后烘干后烘干；步骤步骤2、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；步骤步骤3、热处理：加热至、热处理：加热至500、800、1000C，形成高温键合。形成高温键合。800C退火处理后水汽产生的气孔键合完成后的红外图象第24页/共66页玻璃硅片加热板-Vs+静电键合装置4、静电键合工艺、静电键合工艺1、硅片清洗、烘干；、硅片清洗、烘干；2、射频溅射、射频
14、溅射PbO玻璃薄膜，真空度玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氩气和氧气，玻璃膜，通氩气和氧气，玻璃膜厚度厚度1 m；3、将镀有玻璃膜的硅片与另一块本体硅片对准后压紧，分别接电源将镀有玻璃膜的硅片与另一块本体硅片对准后压紧，分别接电源负极和正极。在常温下加负极和正极。在常温下加50V直流电压，时间直流电压，时间10min。硅/玻璃膜界面的SEM图象第25页/共66页常温键合硅片剥开后的玻璃膜粘附现象第26页/共66页 硅表面微加工硅表面微加工第27页/共66页 LIGA技术技术同步辐射同步辐射X光光刻光光刻(Lithographie)+微电微电铸铸(Galvanoformung)+微复制微复制
15、(Abformung)第28页/共66页3.2.3 MEMS触觉传感器 类皮肤型触觉传感器必须具备的功能和特性：类皮肤型触觉传感器必须具备的功能和特性：1、触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、力觉和、触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、力觉和滑觉；滑觉；2、柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状、柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状的表面；的表面；3、小巧的片状外型，以利于安装在机器人手爪上。、小巧的片状外型，以利于安装在机器人手爪上。第29页/共66页压阻元件与压阻元件与应变检测电路应变检测电路模拟开关模拟开关热敏电阻热敏电阻放大补偿电路放大补偿电路A/D计算机主板计算机主板D/A
16、数据处理电路数据处理电路机器人控制器机器人控制器分布接触力分布接触力解码器解码器触觉敏感阵列触觉敏感阵列触觉传感器系统框图触觉传感器系统框图地址控制器地址控制器第30页/共66页未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列橡胶层橡胶层传力柱传力柱基板基板保护阵列保护阵列金丝金丝外引线外引线 敏感单元敏感单元 中央凸台中央凸台敏感阵列结构图敏感阵列结构图触觉敏感阵列触觉敏感阵列 第31页/共66页制作工艺制作工艺敏感芯片的制作敏感芯片的制作基本与微型三维力传感器芯片相同，但是应在采用离子基本与微型三维力传感器芯片相同，但是应在采用离子注入掺杂工艺制作敏感电阻的同时，增加制作信号选通注入掺
17、杂工艺制作敏感电阻的同时，增加制作信号选通集成电路和集成电路和Al连线的相关工艺。连线的相关工艺。传力阵列的制作传力阵列的制作 传力柱传力柱A传力柱传力柱B边框边框A边框边框B边框边框B边框边框A悬臂梁悬臂梁A悬臂梁悬臂梁B梁厚控制梁厚控制V形槽形槽阵列分离槽阵列分离槽梁厚控制梁厚控制V形槽形槽传力阵列剖面图传力阵列剖面图第32页/共66页保护阵列的制作保护阵列的制作 1、准准备备硅硅片片。技技术术要要求求：（100）晶晶向向，厚厚度度500 15 m，双面抛光，无错位，晶向偏差双面抛光，无错位，晶向偏差 1，平行度，平行度 20 m；2、热氧化，生长、热氧化，生长3000厚的氧化硅膜，作为腐
18、蚀保护膜；厚的氧化硅膜，作为腐蚀保护膜；3、光刻过载保护浅坑和横向通气孔腐蚀窗口；、光刻过载保护浅坑和横向通气孔腐蚀窗口；4、各各向向异异性性腐腐蚀蚀至至6 m深深。腐腐蚀蚀条条件件：33%KOH溶溶液液，76 C，腐蚀速率腐蚀速率1 m/min；5、采用沙轮切片机切割分离各保护阵列芯片，清洗、烘干、采用沙轮切片机切割分离各保护阵列芯片，清洗、烘干后备用。后备用。传感器组装工艺传感器组装工艺 第33页/共66页触触觉觉传传感感器器阵阵列列组组装装工工艺流程艺流程第34页/共66页信息融合信息融合 线性单元解耦线性单元解耦力敏信号力敏信号触觉图象触觉图象人工神经网络人工神经网络总总 力力摩擦系数
19、对比摩擦系数对比阈值计算阈值计算单元力单元力滑动状态滑动状态接触状态接触状态触觉信息处理触觉信息处理流程图流程图第35页/共66页单元解耦单元解耦由由触触觉觉敏敏感感单单元元Eij得得到到的的输输出出信信号号Vij，通通过过线线性性解解耦耦矩阵矩阵Dij转换成单元力转换成单元力Fij。作用力中心位置：作用力中心位置：第36页/共66页人工神经网络人工神经网络 ni1ni2ni96ni97no1no2nh32nh1nh1no3 Fx11Fy11Fz48T Fx Fy Fz反传算法神经网络反传算法神经网络隐神经元隐神经元nhl的输出为的输出为Vhl：输出神经元的输出值：输出神经元的输出值：第37页
20、/共66页滑动状态判断：滑动状态判断：,静止状态静止状态，临界状态，临界状态 ，滑动状态或即将滑动，滑动状态或即将滑动将输出值转换成与各方向力量程相对应的三维力：将输出值转换成与各方向力量程相对应的三维力：第38页/共66页实验结果实验结果1、触觉图象与接触觉、触觉图象与接触觉 钥匙触觉图象钥匙触觉图象砝码触觉图象砝码触觉图象第39页/共66页力分布点阵图力分布点阵图照片照片力分布高度图力分布高度图螺母触觉图象螺母触觉图象第40页/共66页2、接触总力和滑觉、接触总力和滑觉-10010203040506001020304050FxFyFzFzba.单独施加单独施加FzFzFz(N)(N)输输
21、出出力力（N）施加力施加力第41页/共66页(N)Fx(N)b.保持保持Fz为为50N时施加时施加FxFx-1001020304050600246810FxFyFzFxbFzb输输出出力力（N）施加力施加力第42页/共66页三三维维接接触触总总力力标标定定曲曲线线（图图中中Fxb、Fyb、Fzb 为为实实际际施施加加的的力力值值，Fx、Fy、Fz为传感器输出的力值，输出力与施加力之间的误差放大了十倍。）为传感器输出的力值，输出力与施加力之间的误差放大了十倍。）(N)Fy(N)-1001020304050600246810FxFyFzFybFzbC.C.保持保持FzFz为为5050N N时施加时
22、施加FyFy输输出出力力（N）施加力施加力第43页/共66页触觉传感器达到的主要性能与技术指标为：触觉传感器达到的主要性能与技术指标为：敏感单元：敏感单元：48 个个 敏感面积：敏感面积：1632 mm3 阵列尺寸：阵列尺寸：20507 mm3 测力范围：测力范围：Fx、Fy:10 N；Fz:0 50 N 标定精度：标定精度：2FS 触觉阈值：触觉阈值：0.2 N 测力分辨力：测力分辨力：0.1 N 滑觉输出滑觉输出:未滑未滑=0、临界、临界=1、滑动或即将滑动、滑动或即将滑动=2 接触觉输出：未接触接触觉输出：未接触=0、接触、接触=1 响应时间：响应时间：10 ms(其中敏感单元响应其中敏
23、感单元响应ms，信号处理信号处理8ms)第44页/共66页3.2.4 柔性触觉传感器研究目标：针对机器人、特殊检测、智能皮肤等应用需求，将MEMS传感器单元与柔性基板相结合，研究与开发出基于柔性衬底的MEMS传感器阵列的关键加工技术，并研制出两种分别含有三维触觉传感器和热觉传感器阵列的柔性智能皮肤，将目前的硅基微传感器阵列从只能用于两维平面测量拓展到能用于三维曲面测量。l主要技术指标主要技术指标:l(1)硅岛侧壁垂直性：901。l(2)整个智能皮肤的可弯曲角度：大于90不断裂。l(3)触觉智能皮肤的触觉分辨率为0.1N（X、Y、Z），硅岛阵列密度为44。l(4)热觉智能皮肤的温度分辨率为0.1
24、，硅岛阵列密度为44第45页/共66页三维力传感器的工艺实现三维力传感器阵列通过标准的半导体平面工艺技术和微机械加工工艺技术制作。首先采用标准的半导体平面工艺在轻掺杂的n n型硅片上制作力敏电阻（P P型扩散电阻）以及电极引线等，再用ICPICP（Ion Ion Coupling Plasma:Coupling Plasma:离子耦合等离子体）刻蚀工艺形成E E型膜结构。E E型膜的厚度通过改变刻蚀条件进行控制，以适应不同范围的测力需求。第46页/共66页ICP工艺研究：本项目的完成离不开ICP工艺，所以特别对ICP工艺进行了研究。采用的工艺设备为OXFORD INSTRUMENTS 的 Pl
25、asmalab System 100 ICP180。第47页/共66页Bosch 腐蚀工艺腐蚀工艺：使用气体：使用气体：SF6 and C4F8.工工作作原原理理：腐腐蚀蚀与与淀淀积积交交替替进进行行，实实现现对对垂垂直直表表面面的的刻刻蚀蚀和对侧壁的保护。和对侧壁的保护。优点：可以在室温下高速率腐蚀。优点：可以在室温下高速率腐蚀。第48页/共66页 柔性三维力触觉传感器阵列的设计与制作 方案一：聚酰亚胺薄膜金属薄膜 在文献资料调研的基础上，我们首先选用聚酰亚胺材料薄膜作为柔性衬底,在其上制作三维力传感器阵列。将聚酰亚胺用甩胶工艺在硅片上甩成几微米厚的薄膜，再在一定温度下进行处理，形成柔性薄膜
26、。聚酰亚胺薄膜的力学、热学、电学特性研究。测试了柔性衬底的力学、热学、电学等特性，以及它与硅材料的粘合强度。研究表明，聚酰亚胺薄膜具有较大的抗拉强度、较好的热稳定性和优良的绝缘性能，并能牢固地附着在硅片上。研究了在其上制作金属引线的工艺条件，并对制作出来的金属薄膜的黏附性能进行了研究。第49页/共66页采用薄膜工艺的柔性三维力传感器阵列工艺流程第50页/共66页以聚酰亚胺薄膜材料作为柔性衬底的柔性阵列图第51页/共66页 我们试验了几种不同型号聚酰亚胺材料制作的薄膜，包括杜邦PI-2808PI-2808型材料，通过工艺实验发现：a.a.在其上制作金属引线的黏附性存在问题，包括用蒸发、溅射等方法
27、制作金属引线，其黏附性都不好。b.b.三维力传感器电极过渡到聚酰亚胺薄膜上引线的实现较困难。c.整个工艺流程的兼容性差。第52页/共66页方案二：聚酰亚胺厚膜金属箔 借鉴多层柔性电路板的制作工艺，将三维力触觉传感器单元通过表面贴装的方式集成在已经做好电极引线的柔性基底上；采用丝网印刷方式预涂导电胶图形，在硅单元对准粘贴后，以200Co加热烘2小时，使柔性基底上电极与三维力触觉传感器上电极实现电连接。第53页/共66页第54页/共66页 柔性温度传感器柔性温度传感器柔性温度传感器结构设计图l柔性温度传感器工艺柔性温度传感器工艺a.聚酰亚胺薄膜上镀金属钛薄膜。b.光刻、腐蚀薄膜温敏电阻。第55页/
28、共66页 信号采集与数据处理信号采集与数据处理信号选通的实现等电位法 第56页/共66页信号的计算机处理程序 第57页/共66页 实验测试三维力传感器的测试方法：将传感器固定在测试台上，分别施加X、Y、Z三个方向的力，记录传感器的响应曲线。Z方向施加力：以砝码作为力源，进行标定。X、Y方法加力：以二维力传感器进行测试，精确测量施加的力的大小并准确确定方向。第58页/共66页施加Fx切向力的输出曲线（应变膜厚度约50微米）第59页/共66页施加Fy切向力的输出曲线（应变膜厚度约50微米）第60页/共66页施加Fz法向力的输出曲线（应变膜厚度约50微米）第61页/共66页温度传感器相应曲线（放大1
29、0倍）第62页/共66页测试结论（1）柔性传感器特性柔性三维力触觉传感器：弯曲度大于9090；触觉分辨率为0.1N0.1N。柔性温度传感器：弯曲度大于9090度；温度分辨率为0.10.1。符合合同技术指标。44单元的触觉和温度传感器在作用力下弯曲第63页/共66页 测试结论（2）硅岛侧壁垂直度硅岛垂直度：指刻蚀硅岛时硅片表面与侧壁的 垂直程度。垂直度测试方法如下：如SEMSEM图所示，为用ICP工艺刻蚀三维力传感器E型膜结构的图像，刻蚀深度为160.64微米。刻蚀角度计算如下：刻蚀角度=arctan2垂直高度底边(下底)宽度-上边（上底）宽度刻蚀角度=arctan2160.6488.41-85.34 88.41-85.34=89.45=89.45结论：符合合同技术指标。第64页/共66页问题：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？第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页