柔性温度传感器
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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 集成电路和Al连线的相关工艺。 •传力阵列的制作
梁厚控制V形槽 阵列分离槽 梁厚控制V形槽
边框A
传力柱A
边框A
边框B
传力柱B 悬臂梁B
边框B
悬臂梁A
传力阵列剖面图
•保护阵列的制作
1、准备硅片。技术要求：（100）晶向，厚度50015m，双 面抛光，无错位，晶向偏差1，平行度20m；
800C退火处理后水汽产生的气孔
键合完成后的红外图象
4、静电键合工艺
1、硅片清洗、烘干； 2、射频溅射PbO玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氩气和氧气，玻璃膜 厚度1m； 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 负极和正极。在常温下加50V直流电压，时间10min。
Vs +
•信息融合
力敏信号 线性单元解耦
单元力 人工神经网络
触觉图象
总力
摩擦系数对比 阈值计算
触觉信息处理 流程图
滑动状态
2 2 2
梁变形所产生的位移
F y 0.434[(1 A )(1 k ) ( B k ) ln k ]m Eh0
其中 k = r/a, 厚h0 = 80m， K = b/a = 1/3, m = a/h0 = 18.75，板
2K 2 B ln K 0.2747 2 1 K
K 2 A ln K 0.5 0.3627 2 1 K
所以，最大径向应力
( )
33010 Pa
6
这时对应位置的切向应力
( )
中央凸台位移
9910 Pa
6
y
(y )
4.89m
（2）My = 2 Nmm。当My作用在中央凸台时， 最大应力
( )
•数据处理 由标定测试得到的传感器输出信号[V]，通过线性解耦矩 阵[D]可以转换成传感器所受到的三维力[F]。
F D V
F F F , V F D11 D12 D D D 21 22 D 31 D 32
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
敏感膜片
传力板
h0
h
h1
微型三维力传感器 结构示意图
保护基片
L1
L0
O 4
4
Rx1 Rx2 Vx
Fx Fy 0 0 0 Fx Fy 0 0 0
0
1.220 2.402 3.615 5.452 6.781 0.682 1.951 2.655 3.475
0
1.455 2.982 4.551 6.207 4.518 0.895 2.499 3.251 2.313
0
13.534 27.070 40.741 42.113 42.707 6.941 20.316 21.240 21.885
0.049 0.090 0.122 0.769 0.811 0.028 0.151 0.400 0.421
0
0.058 0.085 0.109 -0.011 0.761 -0.001 0.020 -0.057 0.388
0
0.977 1.953 2.939 3.044 3.086 0.509 1.466 1.543 1.578
V V V D13 D 23 , D 33
,
0.2416 0.1528 0.0355 D 0.1908 0.3001 0.0193 0.0718 0.0019 0.0019
•解耦结果与误差
测 量 次 数 1 2 3 7 8 9 10 实际力F（N） Fx 0 0.049 0.090 0.028 0.151 0.400 0.421 Fy 0 0.058 0.085 0.001 0.020 0.057 0.388 Fz 0 0.977 1.953 0.509 1.466 1.543 1.578 Fx’ 0 0.037 0.075 0.055 0.132 0.384 0.416 计算力F’（N） Fy’ 0 0.057 0.086 -0.005 0.014 -0.059 0.391 Fz’ 0 0.977 1.954 0.501 1.467 1.536 1.582 误差（%FS） x 0 0.40 0.50 0.90 0.63 0.53 0.17 y 0 0.03 0.03 0.13 0.20 0.07 0.10 z 0 0 0.03 0.27 0.03 0.23 0.13
R U E Ro
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；
•力学分析 a = 1.5mm, b = 0.5mm。
2a
2b r
Fz
Fx O X
Y My
Fy
Mx Mz
Z
弹性体的E形园膜片模型
（1）当Fz=3N作用在中央凸台时，在圆板半径r处的径向 应力
B F [0.621( A ln k ) 0.167(1 )] 2 k h0
切向应力
B F [0.621( A ln k ) 0.167(1 2 )] 2 k h0
三角形掩膜补偿法
条形掩膜补偿法
b/2 [130] [310] h1 h2 d’ d a [010]
d = 1.2 +3.12H (m)
(2-3) a = 3.78+9.83H-1.5b（m） (2-9)
b
三角形掩膜与条形掩膜的关系
2、电化学腐蚀
采用四电极 电化学腐蚀 技术加工的 硅梁
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
数据处理 计算机
数字电压表
Z向移动齿条
标准传感器
被测传感器
X-Y平台
稳压电源
三维力标定装置
•原始测量数据 次数 Fx
（N, Fy
mV) Fz Vx Vy Vz
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
附录：微机械加工技术
• 硅体微加工 1、各向异性腐蚀
氢氧化钾（KOH）水溶液、邻苯二酚——乙二胺——水 （EPW）和四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHW）。
顶视图：
b
w
剖视图：
54.74
h
腐蚀掩膜
图2-1、（100）硅片的各向异性腐蚀
w = h / tan54.74。 Si + H2O + 2KOH = K2SiO3 + 2H2↑
h ' y
2.33 10 Pa [ ] 7 10 Pa
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，即：
R R
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 = 6.610-11 (m2/N)， 12 = -1.110-11 (m2/N)。 差动半桥检测电路的桥路电压Vc为3V，所以电压输出变化
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。
R l l h h R
πl —— 纵向压阻系数 σl ——纵向应力 πh ——横向压阻系数 σh ——横向应力
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N－Si区域连通）
3、高温硅直接键合工艺
步骤1、预处理：将两抛光硅片先经含OH — 的溶液浸泡处理，然 后烘干 ；
步骤2、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；
步骤3、热处理：加热至500、800、1000° C，形成高温键合。
V V 1 V 0 1 ( 11 2 V R R 1 R V V 2R 2 2 R 12 ) V
当Fz作用时，
1 V [ 11 2
12 ( ) k K ] V 32.1mV
•工艺流程
(a)
(b)
(c)
(d)
硅 掺杂硅 氧化硅 氮化硅 金属 (e)
y
b 1.26 m 2
（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
Y y
y 6.15m
这时总的最大应力为两者之和，即 = 820106Pa。 单晶硅的屈服强度[] = 7109Pa，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 = 6m，这时当仅有My作用时 可能产生的应力最大
Hale Waihona Puke Baidu
My ah0
2
490 10 Pa
中央凸台转角
My Eh0
3
0.00629 rad
其中、为与结构尺寸、形状有关的系数，可由《机械 设计手册》查出， 2.35， 0.269。 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
压阻系数[×(10-3(kbar)-1)] 材料 ρ0（Ω·cm）
π11
n-Si 11.7 -102.2
π 12
+53.4
π 44
-13.6
p-Si
7.8
+6.6
-1.1
+138.1
（a）单臂电桥；
（b）差动半桥；
（c）差动全桥
E R U 4 R0
1 R 1 2 Ro
E R U 2 Ro
玻璃 硅片
加热板
静电键合装置
硅/玻璃膜界面的SEM 图象
常温键合硅片剥开后的玻璃膜粘附现象
• 硅表面微加工
• LIGA技术——同步辐射X光光刻 (Lithographie)+微电铸 (Galvanoformung)+微复制 (Abformung)
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。
现代检测技术导论
第三章 物理量检测与传感器
3.1 检测仪器研制流程
3.2
半导体压阻式传感器
3.1 检测仪器研制流程
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）
Fz 0 Fz 0
a. 桥路 Cx 及 其响应输出
Ry1 Ry2 Vy
b. 桥路 Cy 及 其响应输出
Rz1 Rz2 Rz3 Rz4 Vz
Fx 0
Fy 0 0 0 0 0
Fz
c. 桥路 Cz 及 其响应输出
检测桥路对三维力的响应输出
分布接触力
触觉敏感阵列 压阻元件与 应变检测电路
解码器
模拟开关
热敏电阻
地址控制器
放大补偿电路 A/D D/A
计算机主板 数据处理电路
机器人控制器
触觉传感器系统框图
•触觉敏感阵列
传力柱 敏感单元
橡胶层 金丝
保护阵列
外引线
中央凸台 敏感阵列结构图
基板 未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列
•制作工艺
•敏感芯片的制作
压阻系数分量
应力方向 纵向 <100> <110> <111> 电流方向 <100> <110> <111> ΔR/R·σ π11 (π11+π12+π44)/2 (π11+2π12+2π44)/3
横向
<100> <110>
<010> <110>
π12 （π11+π12-π44）/2
Si的压阻系数值（室温）
2、热氧化，生长3000Å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； 4、各向异性腐蚀至6m深。腐蚀条件：33%KOH溶液，76C， 腐蚀速率1m/min； 5、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。
•传感器组装工艺
触觉传感器 阵列组装工 艺流程
梁厚控制V形槽 阵列分离槽 梁厚控制V形槽
边框A
传力柱A
边框A
边框B
传力柱B 悬臂梁B
边框B
悬臂梁A
传力阵列剖面图
•保护阵列的制作
1、准备硅片。技术要求：（100）晶向，厚度50015m，双 面抛光，无错位，晶向偏差1，平行度20m；
800C退火处理后水汽产生的气孔
键合完成后的红外图象
4、静电键合工艺
1、硅片清洗、烘干； 2、射频溅射PbO玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氩气和氧气，玻璃膜 厚度1m； 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 负极和正极。在常温下加50V直流电压，时间10min。
Vs +
•信息融合
力敏信号 线性单元解耦
单元力 人工神经网络
触觉图象
总力
摩擦系数对比 阈值计算
触觉信息处理 流程图
滑动状态
2 2 2
梁变形所产生的位移
F y 0.434[(1 A )(1 k ) ( B k ) ln k ]m Eh0
其中 k = r/a, 厚h0 = 80m， K = b/a = 1/3, m = a/h0 = 18.75，板
2K 2 B ln K 0.2747 2 1 K
K 2 A ln K 0.5 0.3627 2 1 K
所以，最大径向应力
( )
33010 Pa
6
这时对应位置的切向应力
( )
中央凸台位移
9910 Pa
6
y
(y )
4.89m
（2）My = 2 Nmm。当My作用在中央凸台时， 最大应力
( )
•数据处理 由标定测试得到的传感器输出信号[V]，通过线性解耦矩 阵[D]可以转换成传感器所受到的三维力[F]。
F D V
F F F , V F D11 D12 D D D 21 22 D 31 D 32
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
敏感膜片
传力板
h0
h
h1
微型三维力传感器 结构示意图
保护基片
L1
L0
O 4
4
Rx1 Rx2 Vx
Fx Fy 0 0 0 Fx Fy 0 0 0
0
1.220 2.402 3.615 5.452 6.781 0.682 1.951 2.655 3.475
0
1.455 2.982 4.551 6.207 4.518 0.895 2.499 3.251 2.313
0
13.534 27.070 40.741 42.113 42.707 6.941 20.316 21.240 21.885
0.049 0.090 0.122 0.769 0.811 0.028 0.151 0.400 0.421
0
0.058 0.085 0.109 -0.011 0.761 -0.001 0.020 -0.057 0.388
0
0.977 1.953 2.939 3.044 3.086 0.509 1.466 1.543 1.578
V V V D13 D 23 , D 33
,
0.2416 0.1528 0.0355 D 0.1908 0.3001 0.0193 0.0718 0.0019 0.0019
•解耦结果与误差
测 量 次 数 1 2 3 7 8 9 10 实际力F（N） Fx 0 0.049 0.090 0.028 0.151 0.400 0.421 Fy 0 0.058 0.085 0.001 0.020 0.057 0.388 Fz 0 0.977 1.953 0.509 1.466 1.543 1.578 Fx’ 0 0.037 0.075 0.055 0.132 0.384 0.416 计算力F’（N） Fy’ 0 0.057 0.086 -0.005 0.014 -0.059 0.391 Fz’ 0 0.977 1.954 0.501 1.467 1.536 1.582 误差（%FS） x 0 0.40 0.50 0.90 0.63 0.53 0.17 y 0 0.03 0.03 0.13 0.20 0.07 0.10 z 0 0 0.03 0.27 0.03 0.23 0.13
R U E Ro
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；
•力学分析 a = 1.5mm, b = 0.5mm。
2a
2b r
Fz
Fx O X
Y My
Fy
Mx Mz
Z
弹性体的E形园膜片模型
（1）当Fz=3N作用在中央凸台时，在圆板半径r处的径向 应力
B F [0.621( A ln k ) 0.167(1 )] 2 k h0
切向应力
B F [0.621( A ln k ) 0.167(1 2 )] 2 k h0
三角形掩膜补偿法
条形掩膜补偿法
b/2 [130] [310] h1 h2 d’ d a [010]
d = 1.2 +3.12H (m)
(2-3) a = 3.78+9.83H-1.5b（m） (2-9)
b
三角形掩膜与条形掩膜的关系
2、电化学腐蚀
采用四电极 电化学腐蚀 技术加工的 硅梁
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
数据处理 计算机
数字电压表
Z向移动齿条
标准传感器
被测传感器
X-Y平台
稳压电源
三维力标定装置
•原始测量数据 次数 Fx
（N, Fy
mV) Fz Vx Vy Vz
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
附录：微机械加工技术
• 硅体微加工 1、各向异性腐蚀
氢氧化钾（KOH）水溶液、邻苯二酚——乙二胺——水 （EPW）和四甲基氢氧化胺水溶液（TMAHW）。
顶视图：
b
w
剖视图：
54.74
h
腐蚀掩膜
图2-1、（100）硅片的各向异性腐蚀
w = h / tan54.74。 Si + H2O + 2KOH = K2SiO3 + 2H2↑
h ' y
2.33 10 Pa [ ] 7 10 Pa
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，即：
R R
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 = 6.610-11 (m2/N)， 12 = -1.110-11 (m2/N)。 差动半桥检测电路的桥路电压Vc为3V，所以电压输出变化
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。
R l l h h R
πl —— 纵向压阻系数 σl ——纵向应力 πh ——横向压阻系数 σh ——横向应力
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N－Si区域连通）
3、高温硅直接键合工艺
步骤1、预处理：将两抛光硅片先经含OH — 的溶液浸泡处理，然 后烘干 ；
步骤2、预键合：在常温下将两硅片对准贴合在一起；
步骤3、热处理：加热至500、800、1000° C，形成高温键合。
V V 1 V 0 1 ( 11 2 V R R 1 R V V 2R 2 2 R 12 ) V
当Fz作用时，
1 V [ 11 2
12 ( ) k K ] V 32.1mV
•工艺流程
(a)
(b)
(c)
(d)
硅 掺杂硅 氧化硅 氮化硅 金属 (e)
y
b 1.26 m 2
（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
Y y
y 6.15m
这时总的最大应力为两者之和，即 = 820106Pa。 单晶硅的屈服强度[] = 7109Pa，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 = 6m，这时当仅有My作用时 可能产生的应力最大
Hale Waihona Puke Baidu
My ah0
2
490 10 Pa
中央凸台转角
My Eh0
3
0.00629 rad
其中、为与结构尺寸、形状有关的系数，可由《机械 设计手册》查出， 2.35， 0.269。 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
压阻系数[×(10-3(kbar)-1)] 材料 ρ0（Ω·cm）
π11
n-Si 11.7 -102.2
π 12
+53.4
π 44
-13.6
p-Si
7.8
+6.6
-1.1
+138.1
（a）单臂电桥；
（b）差动半桥；
（c）差动全桥
E R U 4 R0
1 R 1 2 Ro
E R U 2 Ro
玻璃 硅片
加热板
静电键合装置
硅/玻璃膜界面的SEM 图象
常温键合硅片剥开后的玻璃膜粘附现象
• 硅表面微加工
• LIGA技术——同步辐射X光光刻 (Lithographie)+微电铸 (Galvanoformung)+微复制 (Abformung)
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。
现代检测技术导论
第三章 物理量检测与传感器
3.1 检测仪器研制流程
3.2
半导体压阻式传感器
3.1 检测仪器研制流程
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）
Fz 0 Fz 0
a. 桥路 Cx 及 其响应输出
Ry1 Ry2 Vy
b. 桥路 Cy 及 其响应输出
Rz1 Rz2 Rz3 Rz4 Vz
Fx 0
Fy 0 0 0 0 0
Fz
c. 桥路 Cz 及 其响应输出
检测桥路对三维力的响应输出
分布接触力
触觉敏感阵列 压阻元件与 应变检测电路
解码器
模拟开关
热敏电阻
地址控制器
放大补偿电路 A/D D/A
计算机主板 数据处理电路
机器人控制器
触觉传感器系统框图
•触觉敏感阵列
传力柱 敏感单元
橡胶层 金丝
保护阵列
外引线
中央凸台 敏感阵列结构图
基板 未粘贴橡胶层的触觉敏感阵列
•制作工艺
•敏感芯片的制作
压阻系数分量
应力方向 纵向 <100> <110> <111> 电流方向 <100> <110> <111> ΔR/R·σ π11 (π11+π12+π44)/2 (π11+2π12+2π44)/3
横向
<100> <110>
<010> <110>
π12 （π11+π12-π44）/2
Si的压阻系数值（室温）
2、热氧化，生长3000Å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； 4、各向异性腐蚀至6m深。腐蚀条件：33%KOH溶液，76C， 腐蚀速率1m/min； 5、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。
•传感器组装工艺
触觉传感器 阵列组装工 艺流程