1、會計學1第一頁，共67頁。l l 縱向壓阻系數縱向壓阻系數 h h 橫向橫向(hn (hn xin)xin)壓阻系數壓阻系數l l 縱向應力縱向應力 h h 橫向橫向(hn xin)(hn xin)應力應力 第1頁/共66頁第二頁，共67頁。 壓阻系數(xsh)分量 應力方向 電流方向 R/R 縱向 11(11+12+44)/2(11+212+244)/3 橫向 12（11+12-44）/2第2頁/共66頁第三頁，共67頁。材料0（cm）壓阻系數(10-3(kbar)-1)11111244n-Sip-Si11.77.8-102.2+6.6+53.4-1.1-13.6+138.1Si的壓阻系數值

2、(shz)（室溫） 第3頁/共66頁第四頁，共67頁。（a）單臂電橋(din qio)； （b）差動半橋； （c）差動全橋第4頁/共66頁第五頁，共67頁。3.2.2 微型三維力傳感器問題的提出：MEMS技術的發展正在使人類對微米、納米世界的操作能力取得突破；感知系統對于必須借助工具進行操作的任務十分重要，尤其是在人類無法直接觀察和感受的范圍中；微小型機器人進入特殊環境進行作業時必須具備(jbi)力感知能力，如進入人體腸胃或微型衛星內部時；由于機器人作業時所受作用力方向是不確定的，所以必須使用三維力傳感器；已有的三維力傳感器在尺寸上不能滿足微型化要求，因此必須研制微型三維力傳感器。第5頁/共6

3、6頁第六頁，共67頁。工作工作(gngzu)原理原理 微型微型(wixng)三三維力傳感器結構維力傳感器結構示意圖示意圖敏感(mngn)膜片傳力板保護基片44hOL0L1h0h1第6頁/共66頁第七頁，共67頁。 Fx Fy Fz Mx My MzRx1 0 0 Rx2 0 0 Vx 0 0 0 0 0 Fx Fy Fz Mx 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. 橋路橋路Cx及及其響應輸出其響應輸出b. 橋路橋路Cy及及其響應輸出其響應

4、輸出c. 橋路橋路Cz及及其響應輸出其響應輸出檢測橋路對多維力的響應輸出檢測橋路對多維力的響應輸出第7頁/共66頁第八頁，共67頁。力學力學(l xu)分析分析 a = 1.5mm, b = 0.5mm。 r2b2a彈性體的彈性體的E形園膜片模型形園膜片模型FzXOZMyFxYFyMxMz第8頁/共66頁第九頁，共67頁。（1）當）當Fz=3N作用在中央凸臺時，在圓板半徑作用在中央凸臺時，在圓板半徑r處的徑向應力處的徑向應力切向應力切向應力梁變形所產生的位移梁變形所產生的位移(wiy)其中其中k = r/a, K = b/a = 1/3, m = a/h0 = 18.75，板厚，板厚h0 =

5、80m， 第9頁/共66頁第十頁，共67頁。所以，最大徑向所以，最大徑向(jn xin)應力應力 這時對應位置的切向應力這時對應位置的切向應力 中央凸臺位移中央凸臺位移第10頁/共66頁第十一頁，共67頁。（2）My = 2 Nmm。當。當My作用在中央凸臺時，作用在中央凸臺時，最大應力最大應力中央凸臺轉角中央凸臺轉角其中其中、為與結構尺寸、形狀有關的系數，可由文獻為與結構尺寸、形狀有關的系數，可由文獻27的表的表4.9-3查出，查出， 2.35， 0.269。根據方程（根據方程（2-1），得到硅各向異性腐蝕后，中央凸臺頂），得到硅各向異性腐蝕后，中央凸臺頂面的寬度面的寬度b0 = 0.4mm

6、，因此由于中央凸臺轉動，因此由于中央凸臺轉動(zhun dng)而產生的位置變化而產生的位置變化第11頁/共66頁第十二頁，共67頁。（3）強度與保護間隙）強度與保護間隙(jin x)計算計算當當Fz和和My同時作用時，中央凸臺的總變形同時作用時，中央凸臺的總變形這時總的最大應力這時總的最大應力為兩者之和，即為兩者之和，即 = 820106Pa。單晶硅的屈服強度單晶硅的屈服強度 = 7109Pa，遠遠高于，遠遠高于，因此在因此在Fz和和My同時作用下該傳感器有足夠的安全系數。同時作用下該傳感器有足夠的安全系數。我們設定過載保護間隙我們設定過載保護間隙(jin x)h1 = 6m，這時當僅，這時

7、當僅有有My作用時可能產生的應力最大作用時可能產生的應力最大因此，該傳感器在上述極端條件下仍然是安全的。因此，該傳感器在上述極端條件下仍然是安全的。 第12頁/共66頁第十三頁，共67頁。輸出分析輸出分析 對于半導體壓阻式傳感器，其擴散電阻變化量對于半導體壓阻式傳感器，其擴散電阻變化量與所受到的應力、應變成比例關系，即：與所受到的應力、應變成比例關系，即：上式中上式中11為的縱向壓阻系數，為的縱向壓阻系數，12為橫向壓為橫向壓阻系數。對于我們所采用的阻系數。對于我們所采用的P型擴散硅電阻，型擴散硅電阻，11 = 6.610-11 (m2/N)，12 = -1.110-11 (m2/N)。在本項

8、研究中均采用差動半橋檢測電路在本項研究中均采用差動半橋檢測電路(dinl)（圖（圖4-2），橋路電壓），橋路電壓Vc為為3V，所以電壓輸出變，所以電壓輸出變化化當當Fz作用時，作用時，第13頁/共66頁第十四頁，共67頁。工藝流程工藝流程(n y li chn) ( a )( b )( c )( d )( e )硅硅 摻雜硅摻雜硅 氧化硅氧化硅 氮化硅氮化硅 金屬金屬微型三維力工藝流程微型三維力工藝流程第14頁/共66頁第十五頁，共67頁。(a) 芯片正面芯片正面(b) 芯片背面芯片背面 三維力敏感芯片三維力敏感芯片第15頁/共66頁第十六頁，共67頁。實驗實驗(shyn)結果與數據處理結果與

9、數據處理 實驗實驗(shyn)裝置裝置三維力標定三維力標定(bio dn)裝置裝置X-Y平臺平臺(pngti)Z向移動齒條向移動齒條標 準 傳 感標 準 傳 感器器被測傳感器被測傳感器數據處理數據處理計算機計算機數字電壓表數字電壓表穩壓電源穩壓電源第16頁/共66頁第十七頁，共67頁。原始測量原始測量(cling)數據數據 （N, mV) 次數次數FxFyFzVxVyVz100000020.0490.0580.9771.2201.45513.53430.0900.0851.9532.4022.98227.07040.1220.1092.9393.6154.55140.74150.769-0.0

10、113.0445.4526.20742.11360.8110.7613.0866.7814.51842.70770.028-0.0010.5090.6820.8956.94180.1510.0201.4661.9512.49920.31690.400-0.0571.5432.6553.25121.240100.4210.3881.5783.4752.31321.885第17頁/共66頁第十八頁，共67頁。數據處理數據處理由 標 定 測 試 得 到 的 傳 感 器 輸 出 信 號由 標 定 測 試 得 到 的 傳 感 器 輸 出 信 號(xnho)V，通過線性解耦矩陣，通過線性解耦矩陣D可以轉可

11、以轉換成傳感器所受到的三維力換成傳感器所受到的三維力F。 第18頁/共66頁第十九頁，共67頁。解耦結果解耦結果(ji gu)與誤差與誤差 測量次數測量次數實際力實際力F（N）計算力計算力F（N）誤差誤差 （%FS）FxFyFzFxFyFz x y z100000000020.0490.0580.9770.0370.0570.9770.400.03030.0900.0851.9530.0750.0861.9540.500.030.0370.028-0.0010.5090.055-0.0050.5010.900.130.2780.1510.0201.4660.1320.0141.4670.630

12、.200.0390.400-0.0571.5430.384-0.0591.5360.530.070.23100.4210.3881.5780.4160.3911.5820.170.100.13第19頁/共66頁第二十頁，共67頁。附錄：微機械加工技術附錄：微機械加工技術(jsh)(jsh) 硅體微加工硅體微加工 1 1、各向異性腐蝕、各向異性腐蝕氫氧化鉀（氫氧化鉀（KOHKOH）水溶液、鄰苯二酚）水溶液、鄰苯二酚乙二胺乙二胺水（水（EPWEPW）和四甲基氫氧化胺水溶液（）和四甲基氫氧化胺水溶液（TMAHWTMAHW）。）。 圖2-1、（100）硅片的各向異性( xin y xn)腐蝕頂視圖：剖

13、視圖：腐蝕(fsh)掩膜54.74whbw = h / tan54.74。 Si + H2O + 2KOH = K2SiO3 + 2H2 第20頁/共66頁第二十一頁，共67頁。三角形掩膜補償法三角形掩膜補償法條形掩膜補償法條形掩膜補償法第21頁/共66頁第二十二頁，共67頁。 三角形掩膜與條形掩膜的關系310dh1h2ab130010b/2dd = 1.2 +3.12H (m) (2-3) a = 3.78+9.83H-1.5b（m） (2-9)第22頁/共66頁第二十三頁，共67頁。2、電化學腐蝕、電化學腐蝕(fsh)電位（V）0.0-0.5-1.0-1.5四電極電化學腐蝕系統示意圖（圖中

14、NSi區域(qy)連通）采用四電極電化學腐蝕(fsh)技術加工的硅梁第23頁/共66頁第二十四頁，共67頁。3、高溫硅直接鍵合工藝、高溫硅直接鍵合工藝步驟步驟1、預處理：將兩拋光硅片先經含、預處理：將兩拋光硅片先經含OH 的溶液浸泡的溶液浸泡(jnpo)處理，然后烘干處理，然后烘干 ；步驟步驟2、預鍵合：在常溫下將兩硅片對準貼合在一起；、預鍵合：在常溫下將兩硅片對準貼合在一起；步驟步驟3、熱處理：加熱至、熱處理：加熱至500、800、1000C，形成高溫鍵合。，形成高溫鍵合。800C退火處理后水汽產生的氣孔鍵合完成后的紅外圖象第24頁/共66頁第二十五頁，共67頁。玻璃硅片加熱板- Vs+靜電

15、鍵合裝置4、靜電鍵合工藝、靜電鍵合工藝1、硅片清洗、烘干；、硅片清洗、烘干；2、射頻濺射、射頻濺射PbO玻璃薄膜，真空度玻璃薄膜，真空度10-6Torr，通氬氣和氧氣，玻璃，通氬氣和氧氣，玻璃膜厚度膜厚度1m；3、將鍍有玻璃膜的硅片與另一塊本體硅片對準后壓緊，分別接電源、將鍍有玻璃膜的硅片與另一塊本體硅片對準后壓緊，分別接電源負極負極(fj)和正極。在常溫下加和正極。在常溫下加50V直流電壓，時間直流電壓，時間10min。硅/玻璃膜界面的SEM圖象第25頁/共66頁第二十六頁，共67頁。常溫鍵合硅片剝開后的玻璃膜粘附現象第26頁/共66頁第二十七頁，共67頁。 硅表面硅表面(biomin)微加

16、工微加工第27頁/共66頁第二十八頁，共67頁。 LIGA技術技術同步同步(tngb)輻射輻射X光光刻光光刻 (Lithographie)+微電鑄微電鑄 (Galvanoformung)+微復制微復制 (Abformung)第28頁/共66頁第二十九頁，共67頁。3.2.3 MEMS觸覺傳感器 類皮膚型觸覺傳感器必須具備(jbi)的功能和特性：1、觸覺敏感能力，包括接觸覺、分布壓覺、力覺和滑覺；2、柔性接觸表面，以避免硬性碰撞和適應不同形狀的表面；3、小巧的片狀外型，以利于安裝在機器人手爪上。第29頁/共66頁第三十頁，共67頁。壓阻元件與壓阻元件與應變檢測電路應變檢測電路模擬開關模擬開關熱敏

17、電阻熱敏電阻放大補償電路放大補償電路A/D計算機主板計算機主板D/A數據處理電路數據處理電路機器人控制器機器人控制器分布接觸力分布接觸力解碼器解碼器觸覺敏感陣列觸覺敏感陣列觸覺傳感器系統框圖觸覺傳感器系統框圖地址控制器地址控制器第30頁/共66頁第三十一頁，共67頁。未粘貼橡膠層的觸覺敏感陣列未粘貼橡膠層的觸覺敏感陣列橡膠層橡膠層傳力柱傳力柱基板基板保護陣列保護陣列金絲金絲外引線外引線 敏感單元敏感單元 中央凸臺中央凸臺敏感陣列結構圖敏感陣列結構圖觸覺敏感觸覺敏感(mngn)陣列陣列 第31頁/共66頁第三十二頁，共67頁。制作工藝制作工藝敏感芯片的制作敏感芯片的制作基本與微型三維力傳感器芯片

18、相同，但是應在基本與微型三維力傳感器芯片相同，但是應在采用離子注入摻雜工藝制作敏感電阻的同時采用離子注入摻雜工藝制作敏感電阻的同時(tngsh)，增加制作信號選通集成電路和，增加制作信號選通集成電路和Al連連線的相關工藝。線的相關工藝。 傳力陣列的制作傳力陣列的制作 傳力柱傳力柱A傳力柱傳力柱B邊框邊框A邊框邊框B邊框邊框B邊框邊框A懸臂梁懸臂梁A懸臂梁懸臂梁B梁厚控制梁厚控制V形槽形槽陣列分離槽陣列分離槽梁厚控制梁厚控制V形槽形槽傳力陣列剖面圖傳力陣列剖面圖第32頁/共66頁第三十三頁，共67頁。保護陣列的制作保護陣列的制作 1、準備硅片。技術要求：（、準備硅片。技術要求：（100）晶向，厚

19、度）晶向，厚度50015m，雙面拋光雙面拋光(pogung)，無錯位，晶向偏差，無錯位，晶向偏差1，平行度，平行度20m；2、熱氧化，生長、熱氧化，生長3000厚的氧化硅膜，作為腐蝕保護膜；厚的氧化硅膜，作為腐蝕保護膜；3、光刻過載保護淺坑和橫向通氣孔腐蝕窗口；、光刻過載保護淺坑和橫向通氣孔腐蝕窗口；4、各向異性腐蝕至、各向異性腐蝕至6m深。腐蝕條件：深。腐蝕條件：33%KOH溶液，溶液，76C，腐蝕速率，腐蝕速率1m/min；5、采用沙輪切片機切割分離各保護陣列芯片，清洗、烘、采用沙輪切片機切割分離各保護陣列芯片，清洗、烘干后備用。干后備用。傳感器組裝工藝傳感器組裝工藝 第33頁/共66頁第

20、三十四頁，共67頁。觸覺傳感器陣觸覺傳感器陣列 組 裝列 組 裝 ( z zhun)工藝工藝流程流程第34頁/共66頁第三十五頁，共67頁。信息信息(xnx)融合融合 線性單元線性單元(dnyun)解耦解耦力敏信號力敏信號(xnho)(xnho)觸覺圖象觸覺圖象人工神經網絡人工神經網絡總總 力力摩擦系數對比摩擦系數對比閾值計算閾值計算單元力單元力滑動狀態滑動狀態接觸狀態接觸狀態觸覺信息處理觸覺信息處理流程圖流程圖第35頁/共66頁第三十六頁，共67頁。單元單元(dnyun)解耦解耦由觸覺敏感單元由觸覺敏感單元(dnyun)Eij得到的輸出信號得到的輸出信號Vij，通，通過線性解耦矩陣過線性解耦

21、矩陣Dij轉換成單元轉換成單元(dnyun)力力Fij。作用力中心作用力中心(zhngxn)位位置：置：第36頁/共66頁第三十七頁，共67頁。人工神經網絡人工神經網絡 ni1ni2ni96ni97no1no2nh32nh1nh1no3 Fx11Fy11Fz48T Fx Fy Fz反傳算法神經網絡反傳算法神經網絡隱神經元隱神經元nhl的輸出的輸出(shch)為為Vhl： 輸出輸出(shch)神經元的輸出神經元的輸出(shch)值：值： 第37頁/共66頁第三十八頁，共67頁。滑動狀態滑動狀態(zhungti)判斷：判斷： , 靜止狀態靜止狀態，臨界狀態，臨界狀態 ，滑動狀態或即將滑動，滑動狀態

22、或即將滑動0.85C,State0.850.75,0.75,將輸出值轉換成與各方向將輸出值轉換成與各方向(fngxing)力量程相對應的三維力：力量程相對應的三維力： 第38頁/共66頁第三十九頁，共67頁。實驗結果實驗結果1、觸覺、觸覺(chju)圖象與接觸覺圖象與接觸覺(chju) 鑰匙觸覺鑰匙觸覺(chju)圖象圖象砝碼砝碼(f m)觸覺圖象觸覺圖象第39頁/共66頁第四十頁，共67頁。力分布點陣圖力分布點陣圖照片照片力分布高度圖力分布高度圖螺母觸覺圖象螺母觸覺圖象第40頁/共66頁第四十一頁，共67頁。2、接觸、接觸(jich)總力和滑覺總力和滑覺 -10010203040506001

23、020304050FxFyFzFzba.單獨施加單獨施加FzFzFz (N)(N)輸 出輸 出力 （力 （N）施加力施加力第41頁/共66頁第四十二頁，共67頁。(N)Fx (N)b. 保持保持Fz為為50N時施加時施加FxFx-1001020304050600246810FxFyFzFxbFzb輸輸出出力力（N）施加力施加力第42頁/共66頁第四十三頁，共67頁。三維接觸總力標定曲線（圖中三維接觸總力標定曲線（圖中Fxb、Fyb、Fzb 為實際施加的力值，為實際施加的力值，Fx、Fy、Fz為傳感器輸出的力值，輸出力與施加力之間的誤差放大了十倍。為傳感器輸出的力值，輸出力與施加力之間的誤差放大

24、了十倍。）(N)Fy (N)-1001020304050600246810FxFyFzFybFzbC.C.保持保持FzFz為為5050N N時施加時施加FyFy輸輸出出力力（N）施加力施加力第43頁/共66頁第四十四頁，共67頁。觸覺傳感器達到的主要性能與技術指標為：觸覺傳感器達到的主要性能與技術指標為： 敏感單元：敏感單元： 48 個個 敏感面積：敏感面積：1632 mm3 陣列尺寸：陣列尺寸： 20507 mm3 測力范圍：測力范圍： Fx、Fy: 10 N；Fz: 050 N 標定精度：標定精度： 2FS 觸覺閾值觸覺閾值(y zh)： 0.2 N 測力分辨力：測力分辨力： 0.1 N

25、滑覺輸出滑覺輸出: 未滑未滑=0、臨界、臨界=1、滑動或即將滑動、滑動或即將滑動=2 接觸覺輸出：未接觸接觸覺輸出：未接觸=0、接觸、接觸=1 響應時間：響應時間： 10 ms (其中敏感單元響應其中敏感單元響應ms，信號處理，信號處理8ms)第44頁/共66頁第四十五頁，共67頁。3.2.4 柔性觸覺傳感器研究目標：針對機器人、特殊檢測、智能皮膚等應用需求，將MEMS傳感器單元與柔性基板相結合，研究與開發出基于柔性襯底的MEMS傳感器陣列的關鍵加工技術，并研制(ynzh)出兩種分別含有三維觸覺傳感器和熱覺傳感器陣列的柔性智能皮膚，將目前的硅基微傳感器陣列從只能用于兩維平面測量拓展到能用于三維曲面測量。主要技術指標:(1) 硅島側壁垂直性：901。(2) 整個智能皮膚的可彎曲角度：大于90不斷裂。(3) 觸覺智能皮膚的觸覺分辨率為0.1N（X、Y、Z），硅島陣列密度為44。(4) 熱覺智能皮膚的溫度分辨率為0.1，硅島陣列密度為44第45頁/共66頁第四十六頁，共67頁。第46頁/共66頁第四十七頁，共67頁。第47頁/共66頁第四十八頁，共67頁。Bosch 腐蝕工藝：腐蝕工藝：使用氣體：使用氣體：SF6 and C4F8.