[實(shí)用新型]一種基于約瑟夫遜效應(yīng)檢測(cè)的硅壓阻式加速度計(jì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320699591.7
• 申請(qǐng)日: 2013-11-06
• 公開（公告）號(hào): CN203606384U
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李孟委;王莉;朱京;杜康;白曉曉;王琪;劉俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/12
• 分類號(hào): G01P15/12
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)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，涉及一種基于約瑟夫遜效應(yīng)檢測(cè)的硅壓阻式微機(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，其靈敏度的提高均依賴于結(jié)構(gòu)剛度的減小，高靈敏度伴隨著小量程、低過載。

硅壓阻效應(yīng)加速度傳感器的基本原理是懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受加速度作用時(shí)懸臂梁受到到彎矩作用產(chǎn)生應(yīng)力，使電阻阻值發(fā)生變化，要提高量程勢(shì)必要提高梁的剛度，相應(yīng)的會(huì)降低其分辨率。當(dāng)高過載傳感器低輸入時(shí)產(chǎn)生的電阻變化很小，對(duì)應(yīng)橋路輸出約為50-200nV/g，基本上被電路噪聲所淹沒。也就是說，硅壓阻效應(yīng)加速度傳感器高過載與高靈敏存在矛盾：要實(shí)現(xiàn)高過載就必須要放棄對(duì)低g值得檢測(cè)。

我們?cè)岢鰧⒓s瑟夫遜效應(yīng)應(yīng)用于壓阻效應(yīng)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)微弱應(yīng)力的高精度檢測(cè)（實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)枺篊N201210058424.4），通過約瑟夫遜器件將壓阻電橋輸出的微弱直流能量信號(hào)轉(zhuǎn)變成交流能量信號(hào)，通過對(duì)交流能量信號(hào)的頻率檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流信號(hào)的精確檢測(cè)，其分辨率較傳統(tǒng)方式檢測(cè)可提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)加速度計(jì)的應(yīng)用需求，我們期望加速度計(jì)具有工藝簡(jiǎn)單，信噪比高，檢測(cè)方便的特性。研究發(fā)現(xiàn)由超導(dǎo)材料鈮，即Nb，作為超導(dǎo)層組成的S-I-S型約瑟夫遜結(jié)具有更好的易用性及工藝可行性，可用磁控濺射蒸發(fā)系統(tǒng)來制備，相對(duì)分子束外延技術(shù)更具低成本優(yōu)勢(shì)?！耙弧弊中渭s瑟夫遜結(jié)結(jié)構(gòu)相對(duì)“十”字形結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)微波輻射要求低，工藝更加易行，更適合作為MEMS加速度計(jì)的敏感結(jié)構(gòu)，同時(shí)，約瑟夫遜結(jié)的電流臺(tái)階效應(yīng)的數(shù)字式臺(tái)階計(jì)數(shù)檢測(cè)相對(duì)于相對(duì)交流約瑟夫遜效應(yīng)的交流頻率檢測(cè)檢測(cè)成本更低，更容實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。

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)為基于約瑟夫遜效應(yīng)檢測(cè)的硅壓阻式微機(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(cè)精度,尤其是高過載下的檢測(cè)精度。

本實(shí)用新型提供了一種基于約瑟夫遜效應(yīng)檢測(cè)的硅壓阻式微機(jī)械加速度計(jì)，包括：鍵合基板，支撐框體,支撐框體設(shè)在鍵合基板上方并與鍵合基板相連接；彈性梁，彈性梁用于支撐加速度計(jì)的質(zhì)量塊,兩端分別連接支撐框體和質(zhì)量塊,彈性梁上表面與支撐框體和質(zhì)量塊上表面平行,且其厚度小于質(zhì)量塊厚度；質(zhì)量塊，質(zhì)量塊通過彈性梁固定在支撐框體中間,且厚度小于支撐框體厚度；多組壓敏電阻，每組壓敏電阻包括四個(gè)壓敏電阻，其中兩個(gè)壓敏電阻設(shè)在彈性梁根部,另兩個(gè)壓敏電阻設(shè)在支撐框體上，且位于支撐框體與彈性梁相連接的鄰近區(qū)域；和多組約瑟夫遜器件，每組約瑟夫遜器件位于支撐框體上表面，且與支撐框體上表面布置的兩個(gè)壓敏電阻鄰近，與各彈性梁位置對(duì)應(yīng)。

根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的基于約瑟夫遜效應(yīng)檢測(cè)的硅壓阻式微機(jī)械加速度計(jì),將約瑟夫遜器件與硅壓阻集成,利用約瑟夫遜效應(yīng)的伏安突變特性來測(cè)量硅壓阻引起的電壓變化，將輸入加速度轉(zhuǎn)化為電流的臺(tái)階式變化，通過電流臺(tái)階計(jì)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)加速度的數(shù)字式精確檢測(cè)，結(jié)構(gòu)合理，靈敏度高,數(shù)字化輸出,檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，使用方便、可靠性好、適合微型化?？捎行Ы鉀Q高過載型傳感器存在的低靈敏度、低有效分辨率、高檢測(cè)閾值下限等難題。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述的約瑟夫遜器件由硅襯底、二氧化硅、超導(dǎo)金屬層、約瑟夫遜結(jié)、超導(dǎo)金屬層、電壓輸入正極、電壓輸入負(fù)極組成；在硅襯底上制作有二氧化硅層，二氧化硅層上淀積有超導(dǎo)金屬層，超導(dǎo)金屬層上制作有約瑟夫遜結(jié)，約瑟夫遜結(jié)上淀積有超導(dǎo)金屬層，超導(dǎo)金屬層連接有電壓輸入正極，超導(dǎo)金屬層連接有電壓輸入負(fù)極。

所述的約瑟夫遜器件的結(jié)構(gòu)材料層由硅襯底層、二氧化硅層、鈮層、氧化鉛層、鈮層組成；在硅襯底層上制作有二氧化硅層,即SiO₂層，在二氧化硅層上制作有鈮層,即Nb層，在鈮層上制作有氧化鋁層、即Al₂O₃層，在氧化鋁層上制作有鈮層、即Nb層。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述的約瑟夫遜器件采用“一”字形S-I-S結(jié)構(gòu)，即超導(dǎo)金屬—絕緣層—超導(dǎo)金屬。相對(duì)于“十”字形S-I-N-S結(jié)構(gòu)工藝更加簡(jiǎn)便，更適合應(yīng)用于微機(jī)械加速度計(jì)。