现代检测技术导论 物理量检测1幻灯片.ppt

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。 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型硅片上制作力敏电阻（P型扩散电阻）以及电极引线等，再用ICP（Ion Coupling Plasma:离子耦合等离子体）刻蚀工艺形成E型膜结构。 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。 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 Plasmalab System 100 ICP180 。 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。 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。 采用薄膜工艺的柔性三维力传感器阵列工艺流程 以聚酰亚胺薄膜材料作为柔性衬底的柔性阵列图 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-2808型材料，通过工艺实验发现： a. 在其上制作金属引线的黏附性存在问题，包括用蒸发、溅射等方法制作金属引线，其黏附性都不好。 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。 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。 柔性温度传感器 柔性温度传感器结构设计图 信号采集与数据处理 信号选通的实现——等电位法 信号的计算机处理程序 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。 施加Fx切向力的输出曲线 （应变膜厚度约50微米） 施加Fy切向力的输出曲线 （应变膜厚度约50微米） 施加Fz法向力的输出曲线 （应变膜厚度约50微米） 温度传感器相应曲线 （放大10倍） 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90；触觉分辨率为0.1N。 柔性温度传感器：弯曲度大于90度；温度分辨率为0.1℃。 符合合同技术指标。 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SEM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=arctan{2×垂直高度÷[底边(下底) 宽度-上边（上底）宽度]} 刻蚀角度=arctan{2×160.64÷[88.41-85.34]} =89.45° 结论：符合合同技术指标。 4?4单元的触觉和温度传感器在作用力下弯曲 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： 1、触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、力觉和滑觉； 2、柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状的表面； 3、小巧的片状外型，以利于安装在机器人手爪上。 压阻元件与 应变检测电路 模拟开关 热敏电阻 放大补偿电路 A/D 计算机主板 D/A 数据处理电路 机器人控制器 分布接触力 解码器 触觉敏感阵列 触觉传感器系统框图 地址控制器 未