一种压阻式角度传感器的制备方法及应用与流程

本发明涉及微机电，特别涉及一种压阻式角度传感器的制备方法及应用。

背景技术：

1、激光雷达、毫米波雷达和摄像头是公认的自动驾驶技术的三大关键传感技术。相比较毫米波雷达和摄像头，激光雷达技术以其更加强大的空间三维分辨能力成为l3/l4级别自动驾驶的首选技术路线。

2、激光雷达技术具有分辨率高、精度高、抗有源干扰能力强等特点，单就产品和技术层面是无人驾驶的最佳技术路线，然而激光雷达的车规量产化突破成为自动驾驶技术实现的关键节点。目前的激光雷达存在四条主要的技术路线：传统机械式激光雷达、mems、flash、opa。它们的特点各不相同，传统机械式雷达可靠性低，价格高昂；后三者固态激光雷达中，mems微机电系统能够直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜，通过电路灵活控制微振镜的旋转，对激光发射器发出的激光发生偏转，实现对外界的扫描，凭借超高的扫描速度形成高密度的点云图。在满足车规级激光雷达性能的前提下，mems激光雷达以合理的价格、快速实现量产能力成为最有望落地的技术方案。

3、mems激光雷达目前面临着两大技术难题：一是保证角度精度；二是通过车规级测试。主流的可直接检测mems振镜角度方法为光电检测法和感应电动势法、感应电容法。

4、光电检测法通过固定微镜、激光器和光电探测器的相对位置，光电探测器设置在微扭转镜的扫描路径内，当激光器出射的激光光线经微扭转镜反射后，扫描经第一光电探测器时，第一光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，并借此计算微扭转镜振动的幅值和相位。这种方法系统复杂，造价昂贵，装配调试成本巨大，且集成度低，难以实现大规模量产，更难以通过车规级测试。

5、感应电动势法通过测量感应线圈随镜面转动在磁场内做切割运动产生的感应电动势来间接计算出微镜的转动角度，多数适用于电磁驱动mems微镜，且具有低精度、高延迟的特点。

6、感应电容法：感应电容法通过在微镜上形成转动梳齿结构，在转动过程中，与固定的感应梳齿形之间相对面积的变化形成感应电容，感应电容随转动梳齿的转角改变而改变。这种方法常应用于静电驱动的mems微镜，与其他驱动方式mems微镜兼容性低，具有低信噪比和低测量精度的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种压阻式角度传感器的制备方法及应用。本发明制备的压阻式角度传感器具有结构简单，成本低廉，测量精度高的优点。

2、本发明的技术方案：一种压阻式角度传感器的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1、对硅片表面进行热氧处理，使硅片表面生长氧化层；

4、步骤2、根据产品结构，对硅片中所需形成压阻条的区域进行光刻加氧化层体刻蚀，刻蚀至硅基底；

5、步骤3、对硅片进行离子注入，使未被氧化硅保护的区域形成具有压阻效应的压阻条；

6、步骤4、去除氧化硅薄膜，快速退火；

7、步骤5、在硅片进行金属化镀膜；

8、步骤6、对金属薄膜进行光刻加刻蚀，形成金属引线；

9、步骤7、金属引线将具有相同阻值的压阻条连接，形成惠斯通电桥，得到成品。

10、上述的压阻式角度传感器的制备方法，步骤1中，所述热氧处理是将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，反应管用电阻丝加热炉加热至900～1200℃温度，氧气或水汽通过反应管，气流速度为1厘米/秒，使硅片表面发生化学反应。

11、前述的压阻式角度传感器的应用，将所述压阻式角度传感器安装于车载激光雷达微镜中，用于读取微镜的角度变化。

12、前述的压阻式角度传感器的应用，所述角度的读取是由惠斯通电桥将压阻条的压阻效应转换成电阻值变化率，然后将电阻值变化率经过滤波电路和放大电路后，将放大电路的输出信号接入a/d转化器，再将a/d转化器的输出信号接入mcu或fpga，最后由mcu或fpga对信号进行处理，得到角度信息。

13、前述的压阻式角度传感器的应用，所述压阻条的压阻效应表示为：

14、δr/r＝(1+2u+πe)×ε

15、式中：δr是根据压阻效应和惠斯通电桥测量到的电阻变化值，r为的电阻的初始阻抗；u为泊松比；ε是应力形变，ε＝ρ×θ，ρ是横截面扭转半径，θ是扭转角度，e为弹性模量，在剪切应力作用下，e应被剪切模量g替换；

16、θ＝(ar/r)/(iigρ)

17、π是压阻系数矩阵：

18、

19、其中，沿晶轴坐标系各晶向的压阻系数用πij表示，用i等于1、2和3表示沿x、y和z坐标方向的电阻相对变化，i等于4、5和6表示垂直x、y和z坐标方向上的电阻相对变化；j等于用1、2和3表示沿x、z和y方向的拉应力，j等于4、5和6表示垂直x、z和y方向的剪切应力。

20、与现有技术相比，本发明的压阻式角度传感器制备方法在可动硅结构的表面利用离子注入的方式形成掺杂压阻条，利用掺杂硅的压阻效应，将可动硅结构扭转、压缩、拉伸引起的压阻条应变转化为电阻变化率，再通过惠斯通电桥读取电阻值变化率，具有制备方法的简化，制得的压阻式角度传感器结构简单，同时成本低廉，测量精度高。本发明在应用上，利用在硅基材料上部分区域掺杂获得的压阻效应区域，可将微镜扭转引起的应变转化为电阻值变化的电读出，进一步标定为微镜扭转梁的角度变化情况，可实现微镜振动过程中角度的闭环控制，进一步提升mems激光雷达的扫描精度。本发明结构简单，成本低廉，舍弃了激光器和光电探测器等其它检测器件或设备的成本；测量精度高达0.01°，适用性强，可集成于不同驱动方式的mems振镜及其它诸多微执行器芯片内，为车规级mems振镜上集成角度传感器提供了广阔的前景，为高精度激光雷达产品车规量产化提供了妥善的解决方案。

技术特征：

1.一种压阻式角度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的压阻式角度传感器的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述热氧处理是将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，反应管用电阻丝加热炉加热至900～1200℃温度，氧气或水汽通过反应管，气流速度为1厘米/秒，使硅片表面发生化学反应。

3.根据权利要求1或2所述的压阻式角度传感器的应用，其特征在于：将所述压阻式角度传感器安装于车载激光雷达微镜中，用于读取微镜的角度变化。

4.根据权利要求3所述的压阻式角度传感器的应用，其特征在于：所述角度的读取是由惠斯通电桥将压阻条的压阻效应转换成电阻值变化率，然后将电阻值变化率经过滤波电路和放大电路后，将放大电路的输出信号接入a/d转化器，再将a/d转化器的输出信号接入mcu或fpga，最后由mcu或fpga对信号进行处理，得到角度信息。

5.根据权利要求4所述的压阻式角度传感器的应用，其特征在于：所述压阻条的压阻效应表示为：

技术总结
本发明公开了一种压阻式角度传感器的制备方法及应用：包括如下步骤：对硅片表面进行热氧处理，使硅片表面生长氧化层；根据产品结构，对硅片中所需形成压阻条的区域进行光刻加氧化层体刻蚀，刻蚀至硅基底；对硅片进行离子注入，使未被氧化硅保护的区域形成具有压阻效应的压阻条；去除氧化硅薄膜，快速退火；在硅片进行金属化镀膜；对金属薄膜进行光刻加刻蚀，形成金属引线；金属引线将具有相同阻值的压阻条连接，形成惠斯通电桥，得到成品。其应用是将所述压阻式角度传感器安装于车载激光雷达微镜中，用于读取微镜的角度变化。本发明制备的压阻式角度传感器具有结构简单，成本低廉，测量精度高的优点。

技术研发人员：奚庆新
受保护的技术使用者：上海科恒特科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15