电子隧道加速度计输出信号的分析与处理

　　1　引　言

　　80年代中期,应用扫描隧道显微镜的电子隧道原理,研究者们设计出了电子隧道传感器,并利用微电子机械系统技术实现了微型化和集成化。电子隧道传感器在传感性能、减少传感器质量和功耗方面都比常规传感器有很大提高,已经被用做电磁辐射的信号检测仪、微波信号源和数字开关元件等。在研制新型传感器方面,我国与发达国家相比,现今还处在实验室研究阶段。

　　2　原理及系统概述

　　电子隧道传感器头的基本原理是电子隧道效应,当两个电极相当接近时,在外电场的作用下形成隧道,产生电流:

　　式中,Vb:电极间偏置电压;φ:有效势垒高度;S:电极间隙;A:常数()。

　　由(1)式可见,电流I与电极间隙S成负指数关系。图1为电子隧道传感器微机械传感器头的原理示意图。其中的可动质量块将可以感应垂直于其支撑方向的外界加速度,并在其作用下作受迫振动。振动的检测将采用微隧道结构,两个隧道电极分别装在质量块(振动梁)和探针上,外界施加的振动使隧道电极间隙发生变化,即使隧道电流发生变化。

　　图2是整个系统的结构框图。传感器质量块感受外界加速度,隧道电流输出,经过反馈电路处理,驱动静电致动器对质量块(振动梁)的位置进行控制,保持隧道间隙恒定,记录致动器的输出电压,即可知外界加速度。

　　3　信号分析

　　当电子隧道加速度计在外界加速度的作用下,振动梁电极与探针的距离在大约10 的范围时,其间会产生隧道电流,该有效信号是交直流混叠信号,幅值在1nA左右,频率范围为20Hz~3kHz。用公式(2)表达如下:

　　式中,A0:振幅;φ0:初相角;f0:频率;A:直流成分。由此可知,反馈电路所要检测的信号是属微弱信号范畴。由于当检测量甚为微弱时,有用的被测信号可能被大量的噪声和干扰所淹没,使测量受到限制,所以系统设计中的噪声分析非常重要,任何一个环节的疏忽都会导致系统的失败。

　　噪声普遍存在于检测系统和电路之中,成为限制测量信号的主要因素。噪声主要包括加速度计表头的机械噪声、反馈控制电路的热噪声、散粒噪声等等。

　　对于加速度计表头机械噪声,其噪声的幅值如(3)式所示[4]:

　　式中:kB:波尔兹曼常数;T:温度;ω0:试验质量块的谐振频率;mp:试验质量块质量;Q:机械品质因数。

　　当谐振频率为700Hz,质量为30mg,Q为1·5,噪声源预计是。因此该噪声降低的方法是提高试验质量块质量mp以及Q值,根据其他加速度计的研究经验,降低其周围的气压,例如对其进行真空封装也会改善噪声影响。虽然这个噪声源在设计时便加以考虑,相对电子元件噪声影响不是最大的,但它决定了系统噪声的最低限,所以也应尽可能减小。