[實(shí)用新型]一種基于電容效應(yīng)和隧道效應(yīng)的復(fù)合式加速度計(jì)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320697910.0
• 申請日: 2013-11-06
• 公開（公告）號: CN203606385U
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李孟委;王莉;朱京;王琪;白曉曉;王增躍;劉俊
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;B81B7/02
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 巴曉艷

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及微慣性導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于電容效應(yīng)和隧道效應(yīng)的復(fù)合式的微機(jī)械加速度計(jì)。

背景技術(shù)

隨著微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，其具備成本低、體積小、易批量化生產(chǎn)和可集成性好等特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注，在民用及軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于關(guān)鍵性能指標(biāo)的限制，微機(jī)械傳感器在軍事、航天、航空等尖端領(lǐng)域還沒有得到充分的應(yīng)用。其中，靈敏度及量程是微機(jī)械傳感器有待提高的關(guān)鍵指標(biāo)，利用主流原理制造的傳感器，高靈敏度通常伴隨著小量程、低過載。

隨著科技的發(fā)展，特殊領(lǐng)域?qū)ξ⒓铀俣鹊臏y量精度要求日益嚴(yán)格，微加速度的測量已由理論層面到應(yīng)用層面，從戰(zhàn)略應(yīng)用到戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)及軍事的發(fā)展有著重要的意義，并受到世界各國的重視。微加速度的精確測量，對地震的預(yù)測、微重力科學(xué)試驗(yàn)、衛(wèi)星遙感等有重要意義。此領(lǐng)域達(dá)國家已有相對成熟的產(chǎn)品，而我國起步較晚。由于其振動幅度和頻率跨度大，要求傳感器具有極低的檢測閾值，具備微弱振動的超靈敏檢測能力和寬量程，現(xiàn)有檢測方案檢測存在困難。

利用電容器的原理，可將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化，具有溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等有點(diǎn)，電容式的檢測方式目前已在微機(jī)械系統(tǒng)傳感器中得到廣泛應(yīng)用。但是，由于邊緣效應(yīng)、分布電容、極板面積等的影響，其精度已不能滿足檢測需求，且其存在較高的檢測閾值，對微弱加速度檢測存在困難。

從量子力學(xué)理論可知，由于電子的隧道效應(yīng)，導(dǎo)體中的電子并不完全局限于表面邊界之內(nèi)，電子密度并不在表面處突變?yōu)榱悖窃诒砻嬉酝獬手笖?shù)形式衰減，衰減的長度約1nm。因此。只要將原子線度的極細(xì)探針以及被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離接近時（<1um），它們的表面電子云就可能重疊。若在樣品與針尖之間加一微小電壓U_b，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，流向另一個電極，形成隧道電流。其隧道電流Is與針尖和極板之間的距離x之間滿足????????????????????????????????????????????????。由此可見，隧道電流I_s對針尖與極板表面之間的距離x非常敏感，如果x減小0.1nm，隧道電流Is就會增加一個數(shù)量級，靈敏度極高，檢測閾值極低。但是，由于工作時隧尖與極板間距必須為納米級，其量程有限，抗過載能力差，高過載時隧尖容易損壞。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。

有鑒于此，本實(shí)用新型需要提供微機(jī)械加速度計(jì)，該微機(jī)械加速度計(jì)為電容檢測與隧道效應(yīng)檢測集成的方式的微機(jī)械加速度計(jì)，至少可以提高微機(jī)械加速度計(jì)的檢測精度和檢測范圍。

本實(shí)用新型提供了一種基于約瑟夫遜效應(yīng)的微機(jī)械加速度計(jì)，包括：鍵合基板，鍵合基板中心刻蝕凹槽，凹槽底面布置，隧道極板與隧道電極負(fù)極相連，隧道凹槽周圍分別布置檢測電容下極板和控制電容下極板，所述檢測電容下極板和控制電容下極板分別與檢測電極負(fù)極和控制電極負(fù)極相連；墊襯框體，墊襯框體設(shè)在鍵合基板上方并與鍵合基板相連接；支撐框體，支撐框體設(shè)在墊襯框體的上方并與墊襯框體相連接，且下方設(shè)有隧道電極正極、檢測電極正極和控制電極正極；懸臂梁，懸臂梁兩端分別與支撐框體和質(zhì)量塊相連接，用于支撐質(zhì)量塊；質(zhì)量塊，質(zhì)量塊下表面中心設(shè)置有隧尖，隧尖與隧道電極正極相連接，隧尖周圍分別布置檢測電容上極板和控制電容上極板，檢測電容上極板和控制電容上極板分別與檢測電極正極和控制電極正極相連。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的一種基于電容效應(yīng)和隧道效應(yīng)的復(fù)合式加速度計(jì),，采用一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理，靈敏度高,檢測電路簡單，使用方便、可靠性好、適合微型化?？蓪?shí)現(xiàn)針對不同領(lǐng)域的加速度精確測量。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例，所述的鍵合基板較墊襯框體面積大，上表面布置的檢測電容下極板和控制電容下極板成方框型且由內(nèi)而外排布，檢測電極負(fù)極和控制電極負(fù)極,位于鍵合基板邊緣，與支撐框體上布置的檢測電極正極和控制電極正極相對應(yīng)，所述的隧道極板位于鍵合基板中心方形凹槽底面。

所述檢測電容下極板和控制電容下極板成方框型所指方框型并非閉合方框型。根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例，所述的懸臂梁寬度大于厚度，其下表面與支撐框體和質(zhì)量塊下表面相平行,且其厚度小于支撐框體或質(zhì)量塊厚度。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例，所述的質(zhì)量塊由懸臂梁支撐于支撐框體中心，且能由于力的作用上下運(yùn)動。