1、壓感測元件簡介 作作 者者 ： 王崇飛王 崇 飛 (1999-08-19)； 修修 改改 ： 王崇飛王 崇 飛 (2000-05-05)； 核核 可可 ： 徐業徐 業 (2000-05-08)。 附附 註註 ： 本本 文文 為為 元元 智智 大大 學學 機機 械械 系系 大大 四四 自自 動動 化化 機機 械械 設設 計計 實實 務務 課課 程程 教教 材材 。 壓感測元件簡介 一、壓感測元件之原介紹 在所有微細加工技術所製造的元件中，壓感測元件是最早商品化的，同時應用也最為廣泛，壓感測元件已大地應用在汽、醫、工業測、自動控制和各種電子產品上。壓感測元件所應用的原相當多，如壓電效應 (piez
2、oelectric)、壓阻效應 (piezoresistive effects)、以及電容效應。 壓電效應 所謂壓電效應是指當機械作用作用於材時，材所能產生的電效應，相反的當施加電場於材時，能夠使材產生機械變形。這種現象只存在某些結晶材，如石英 (Quartz)、氧化鋅 (ZnO)、鈦酸鋇陶瓷 (BaTiO3)、鈦酸鉛鋯陶瓷 (PbZrTiO3, PTZ)，或是一些特殊的化學聚合物如 PVDF，由於矽晶具有中心對稱的網格結構無法展現其壓電性質，因此這些材必需經過一定的製程塗佈於矽晶表面才能具有壓電性，如石英必需依一定的軸向割、壓電陶瓷需經過高電場極化。 當施加外 於壓電材時，其表面充電 q滿足
3、下式 qFqFq = (1) 其中 (Xi)為材之壓電係 (piezoelectric coefficient)，單位為庫 /牛頓 工業界常用的壓電材其壓電係、介電常如表 1所示，其中石英為天然物質產有限，而鈦酸鋇陶瓷 (BaTiO3)與鈦酸鉛鋯陶瓷 (PbZrTiO3)雖然具有相當高的壓電係，但由於只能製作成厚膜實用性高，因此業界常用可以用蒸鍍方式製成薄膜的氧化鋅 (ZnO)為壓電元件。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 1壓感測元件簡介 表 1 常壓電材於 300K 之特性 材質 結晶型式 運用方式 壓電係 介電常 Quartz Glass Bulk 2.33
4、 4.0 PVDF Polymer Film 1.59 - ZnO Ceramic Film 12.7 10.3 ZnO Ceramic Bulk 11.7 9.0 BaTiO3Ceramic Bulk 190 4100 PbZrTiO3Ceramic Bulk 370 3003000 壓阻效應 所謂壓阻效應是指當材受到應作用時，材的電阻值會改變的一種現象。這種現象普遍地存在各種材中，其中以某些半導體的效應特別顯著。目前製造矽質壓感測元件最常用的方法是用擴散法或子佈植法，將硼攙入單晶矽晶格中形成p-n接面，此 p-n接面即為壓阻元件，可以用感測矽晶隔膜上的壓變化。感測壓的電阻以惠斯登電橋 (W
5、heatstone bridge)的方式接，如圖 1所示，其中電阻 R1即為矽質壓感測元件。 +15V-15VR1R2 R4R3+-+-+-惠氏電橋惠氏電橋圖 1 應變計之訊號放大電 惠斯登電橋之電阻與電壓關係滿足下式： ()()inoutVRRRRRRRRV43213241+= (2) 假設 R1、 R2、 R3、 R4均相等且等於 R，當壓感測元件因壓之變化產生 R之微小變化，則 (2)式可化簡如下： http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 2壓感測元件簡介 ()inininoutVVRRVRRRRRRRV +=42222(3) 由於壓感測元件之壓阻變化極小，因此必
6、需再用放大器將訊號放大，圖 1為應變計訊號放大電，其中惠氏電橋的輸出電壓與外加壓 P 滿足以下的關係式。 KPVout (4) 其中 K是一個應變係，其隨設計和製程而變，可以表示成以下的型式： inddoutVSkTWPV=2(5) 其中 是膜片寬， 是膜片厚， S是彈性係， 是輸入電壓。 dWdTinV由上面的關係式中我們可以看出薄膜厚越薄則感測出的電壓越大，因此，我們可以製膜技術的優決定薄膜式壓感測元件的性能，一般矽晶片基板上薄膜的厚約在 5250 m。 二、壓感測元件之種 荷重規(load cell) 荷重規主要用途為感受變化的一種感測器，它是由 p-n 型壓阻材所製成，圖 2 是壓阻材
7、的內部示意圖，當右邊施加外 F 後，改變阻值，造成 Vo 間電壓或電大小之改變，這是壓阻材受到外界施，其物性質改變的結果，我們用這個特性就可以用測之變化。 在選用荷重規時，須注意測物體的最大荷重、輸出訊號值、考電源大小及反應時間等特性。一般荷重規的訊號極為微弱，且為非線性的輸出，需要經過訊號放大器作放大與補正處。 FVop-n型壓電材圖 2 荷重規內部結構 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 3壓感測元件簡介 壓轉換器(pressure transducer) 壓轉換器的工作原主要是用壓阻效應，內部結構圖如圖 3所示，由於壓電材之線性區間與材的製程有關，因此壓轉換器
8、在選用時最重要的規格就是欲測的壓範圍，正確的測範圍選用會造成取值錯誤，甚至會損壞感測器損壞，如使用負壓式壓轉換器測高於表壓 2kg/cm2即會造成壓電材鍍膜破。此外由於材對於溫之變遷有相當敏感之特性，因此在使用這轉換器時也需注意溫的變化，當溫變化太過劇時造成材的化，或是取值正常。 工業用的壓轉換器多半會將線性化電及放大電整合在一起，而使用者所接觸到的是有封包的產品，這些產品的輸出除 0-5V電壓訊號外，還有 0-20mA電訊號種，只需接上顯示器就能使用。 SiGlassInlet holeP-type Piezoreisitors圖 3 壓轉換器內部結構 屬薄膜式壓感測元件 屬薄膜式壓感測器的
9、工作原是用物體受作用後，應變規所產生的電阻變化正比於長的變化。圖 4即為屬薄膜式壓感測器的結構示意圖。最底部為基材，亦即鏽鋼，其表面經由機械、化學等方法研磨、拋光處成鏡面，再經由一系的清洗程，使表面達到清淨化，才能開始正式的鍍膜程序。 基材二氧化矽Ni-Cr Ni-CrAlAl二氧化矽Ni-CrAl圖 4 屬薄膜壓計之結構示意圖 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 4壓感測元件簡介 基材上的第一層為二氧化矽膜，厚約 1 2 m，其作用為電氣絕緣，一般是用化學蒸鍍法 CVD製備。第二層則是屬或合電阻膜，其厚與感測器的材、圖案設計及整體架構皆有關，作為壓感測層，亦即主要
10、工作層，其製作方式可採用真空蒸鍍法、濺鍍法。第三層為或鋁膜，其作為訊號檢出的焊接墊層。最後則以二氧化矽或高分子膜覆蓋，做為隔絕外界環境的保護層。 壓感測元件應用同的工作原可以製成以下七種形態的壓感測器，各種壓感測器的特性比較如表 2所示。 表 2 壓感測器比較表 壓感測器種 工作原 最大壓 基板材 感測部份 製程技術 屬箔粘貼式 屬箔應變 2000 / 鏽鋼 屬箔 應變計粘貼屬薄膜式 薄膜應變 2000 / 鏽鋼 屬薄膜 薄膜蒸鍍 多晶矽薄膜式 壓阻效應 2000 / 鏽鋼 多晶矽膜 薄膜成長 擴散半導體式 壓阻效應 10 / 矽半導體 擴散膜 擴散 多晶矽半導體式 壓阻效應 10 / 矽半導
11、體 多晶矽膜 薄膜成長 III-V族半導體式 壓阻效應 10000 / III-V族半導體 屬薄膜 薄膜蒸鍍 厚膜式 厚膜應變 1000 / 陶瓷材 印刷厚膜 厚膜印刷 經過以上的討我們可以瞭解到，是負荷計、應變計、壓電感測器、甚至是加速規等常用的感測元件所運用的原外是壓電效應或是壓阻效應，因此輸出的訊號模式也外乎是電壓、電訊號，需要再經過轉換、補正才能使用。 三、負荷計應用實 在 CNS工地用安全帽的標準，共要測定耐衝擊性、耐穿擊性、帽邊強測試、耐電壓性、耐燃燒性、吸水性與重測試七項。其中帽邊強試驗機設計的目的，在於測安全帽橫向的剛性，代表安全帽帽邊在受到外撞擊時所能提供的安全保護指標。 h
12、ttp:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 5壓感測元件簡介 由於測試方式和確要能夠符合 CNS以及 ISO之測試標準，因此在設計實驗平台時必需考慮到平台的整體剛性、施確、與外進給速。以 CNS所規範的測試標準而言，施的確須達到 500公克以下，進給速為min0.3mmmm2.1 ，因此荷重進給裝置的設計是用蝸齒與蝸桿達到大減速比的目的，而施大小的測由於施的範圍為 0250公斤，確為 500公克，因此一般機械式的測裝置在空間、方面適合，故用荷重規測，方能達到需求。圖 5為帽邊強試驗機之示意圖。 荷重規安全帽圖 5 帽邊強試驗機 四、實驗設計 壓感測元件的製程由於相當煩瑣，同時
13、在設計上也有許多需要考的細節，因此市面上能購買到的壓感測元件其型式均固定，以本單元所介紹的荷重規而言，其種依照外型及測範圍可分成八種型，除一般用測重的空心樑荷重規外，還有可以測動態張的 S形荷重規、測徑向壓的環型荷重規、以及可以用充當機械手臂觸覺感測器的鈕扣型荷重規等，各種同的荷重規在安裝時均有同的方式與需求，因此在選用荷重規時需考的重點除功能需求外，還需考慮到荷重規的外型與幾何尺寸，以及裝置方式。 線性十字平台實驗設計 用荷重規設計一套能夠測線性十字平台導桿徑向壓之系統線性十字平台（又稱作 X-Y table），主要構成元件係由平台台面、直線軸承、滾珠導桿、致動器（馬達或油氣壓系統）、控制器
14、、以及位置感測器所組成，線性十字平台主要的功能是提供 X-Y方向確的定位。一般的平台是以閉迴控制，用位置感測器將背隙檢測出並予以補正，然而當平台上所乘載物件重過重時，並未設置感測器將荷重http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 6壓感測元件簡介 檢測出，往往會造成 Z方向之變形，甚至會造成導桿與桿之損壞。因此在本單元之實驗設計中，請用荷重規針對此一需求對線性十字平台作改式設計，以提高其確性。 在進線性十字平台改式設計之前，請先蒐集線性十字平台與荷重規之型、技術規格等相關資，並由其中選定欲改之線性十字平台與荷重規，同時也請先自擬定一份操作程。系統之需求除能夠以荷重規測出乘載
15、物件重之外，還包括極限荷重警示，動態荷重顯示，整體誤差需小於滿刻之 0.2%，同時也需考慮荷重規裝置位置與方式，以及訊號線之安排方式。 考資 1. Sedra, A.S., Smith, K.C., 1987. Microelectronics Circuits, Holt, Rinehart, and Winston. 2. Gardner, J.W., Microsensors: Principles and Applications, John Wiley & Sons. 3. 孫宗瀛、黃定， 82 。 常用線性 IC 資手冊 ，全華圖書。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 7
