[發明專利]一種基于量子隧道效應的新型壓力傳感器

在審

• 申請號: 202010623956.2
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111693202A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 郭文璟;夏志剛
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01L9/00
• 分類號: G01L9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于量子隧道效應的新型壓力傳感器，參考樣品固定在感壓膜片的中心位置，在沿感壓膜片中軸線的方向上，安裝有探針，探針用于檢測參考樣品和針尖之間的隧道電流，由信號控制軟件采集隧道電流信號。當有壓力作用在感壓膜片上時，參考樣品產生微小位移，隧道電流隨之改變，參考樣品位移量即為感壓膜片中心形變量，膜片中心形變量與壓力變化呈線性關系。根據隧道電流的變化量，可測算感壓膜片中心形變量，從而獲得壓力值。本發明的傳感器所測形變量能夠達到亞納米級，對于高精度水下壓力傳感器的研究具有重要意義。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，尤其涉及一種基于量子隧道效應的新型壓力傳感器，其用途是對微小壓力變化的精密測量。

背景技術

對海洋的探測一直以來是各國關注的焦點。壓力作為海洋環境中最重要的參考元素之一，使得水下壓力傳感器成為海洋探測的主要儀器，水下壓力傳感器廣泛應用于海嘯監測、浮標、潛標、水下移動平臺和海底觀測網等海洋觀測系統。現代水下壓力傳感器要求既能測量水壓，又能測量出水壓的微小變化量。比如在海嘯預警系統中，要求海嘯計中的水下壓力傳感器在深海能夠測量的壓力變化達到毫米級水柱。這是由于水的弛豫作用以及深海環境巨大的靜水壓，潛艇、海嘯等在深海環境中引起的水壓變化相對于深海的靜水壓是很小的。在開闊海域中，海嘯在6000米深海處引起的壓力變化相當于1厘米水柱所產生的壓力。水下壓力傳感器需要能夠測量出水壓的微小變化量，這是目前水下壓力探測所面臨的難題。

我國對水下壓力傳感器的研究起步相對較晚。目前，我國科研工作者在測量深海壓力時，一般使用“陸地測量—海洋結合”的測量方法。較為經典的水下壓力傳感器有電容式、應變片、壓電式、光柵式、光纖式等。出現較早的應變式壓力傳感器對于深海壓力引起的大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，需要采取一定的補償措施。使用較多的電容式傳感器在所測壓力變化特別小時，所測電容變化也十分微小，使得傳感器的靈敏度受到限制。電容式傳感器需要高壓工作，同時傳感器本身存在各種寄生效應，對測量精度產生影響。光柵式和光纖式壓力傳感器是目前最新的研究成果，屬于精度較高的一類傳感器，然而由于這類傳感器的設計和原理都較為繁瑣，體積不夠小巧，并且高精度的傳感器價格十分昂貴，從而在實際應用上面有所限制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于量子隧道效應的新型壓力傳感器，以解決上述背景中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于量子隧道效應的新型壓力傳感器，包括外殼和微形變檢測裝置，其特征在于：所述外殼包括感壓膜片，上隔水罩和下隔水罩；所述微形變檢測裝置包括壓電步進馬達、馬達外框、壓電陶瓷、探針和參考樣品；

下隔水罩中央是感壓膜片，參考樣品固定在感壓膜片的中心位置，馬達外框沿感壓膜片中軸線方向固定在下隔水罩上，沿外框中軸線的方向安裝壓電步進馬達，壓電步進馬達下端固定壓電陶瓷和探針，探針針尖正對參考樣品，所述探針用于檢測針尖與參考樣品間的隧道電流。所述壓電步進馬達為傳感器中的定位裝置，精確控制針尖與參考樣品間的距離。

進一步說明，所述感壓膜片受到外界壓力作用后發生微小形變，感壓膜片會帶動固定在其上的參考樣品發生運動，從而引起參考樣品與針尖的距離發生微小變化，參考樣品與針尖距離的變化量即為感壓膜片中心形變量。

進一步說明，所述隧道電流為

I＝KUe^-kd，

d為針尖與參考樣品間的距離，隧道電流與距離成指數函數，當d減小0.1nm,隧道電流會增加一個數量級，因此當感壓膜片發生形變時，參考樣品與針尖間的隧道電流大小會發生變化，由隧道電流的變化可以檢測感壓膜片的微小形變。

進一步說明，所述感壓膜片為圓形膜片，壓力作用下的膜片中心形變量與壓力變化呈線性關系。