基于介观压阻效应的高g值加速度计设计

　　高g 值加速度计主要用于高速运动的载体在启动和运行过程中速度变化的测量与控制, 广泛应用在航空航天领域以及导弹和智能化炮弹的精确控制上, 因此, 对该类传感器以及由此构成的MEMS系统的研究具有重大意义[ 1-2] 。

　　微型器件随着器件的微型化, 其有效的敏感部件也随之急剧减小, 其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测的极限状态, 因而限制了检测精度的进一步提高, 难以适用于现代军事装备发展的需要。这就有待于基于新原理、新效应的新器件来突破微机电器件的极限[ 3] 。近来, 介观压阻理论研究发现在满足一定的条件下, 力场的作用可以影响或引起量子共振隧穿, 其原理可用于力学信号检测[ 4-6] 。如果能将超晶格量子阱薄膜集成于纳机电结构中便可构成新型纳机电器件。

　　本文依据介观压阻效应原理, 研究以超晶格量子阱薄膜为敏感单元制作高g 值纳机电加速度计的可行性, 期望利用超晶格量子阱薄膜的高灵敏特性, 提高加速度计的灵敏度。

　　1 工作原理及结构设计

　　1. 1 介观压阻效应

　　介观压阻理论研究表明, 基于共振隧穿的超晶格量子阱薄膜的I V 特性在应力作用下会发生显著变化: 即在力学信号作用下, 纳米结构中的应力分布将发生变化; 一定条件下应力变化可引起内建电场的产生; 内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化; 量子能级变化会引起共振隧穿电流变化, 在IV 特性上表现为IV 曲线的漂移。简言之, 在共振隧穿电压附近, 通过上述四个物理过程, 可将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号[ 5-6] 。量子阱薄膜的IV 曲线随着外加压力值的变化会发生偏移的结果如图1 所示。

　　1. 2 结构设计

　　超晶格量子阱薄膜的具体结构和尺寸如图2 所示, 其中GaAs/ In0. 1Ga0. 9As / GaAs 量子阱和窄的AlAs 势垒的设计能够极大地提高超晶格量子阱薄膜的峰谷比, 同时也能极大提高超晶格量子阱薄膜的压阻系数。

　　设计的高g 值加速度计如图3 所示, 加速度计采用桥式结构。该微加速度计不是直接检测加速度, 而是把加速度信号转化为电流信号来测量, 这种通过电信号间接测量加速度信号的方法, 既避免了直接获取加速度信号的困难, 又有利于通过电信号实现加速度的高精度测量, 其电学敏感单元为超晶格量子阱薄膜, 它位于桥的根部。对该压阻薄膜施加偏压, 在没有外界加速度输入的情况下, 由于没有形变, 其电流为一恒定的值。当在Z 轴方向有加速度输入时, 质量块在惯性力的作用下, 使结构发生形变, 从而引起超晶格量子阱薄膜的应力变化, 进而引起该压阻薄膜中电流的变化, 通过电路检测出电流的变化就可换算出加速度的值。由于两个超晶格量子阱薄膜的压阻系数是相同的, 在有加速度输入时,两个薄膜的阻值变化是一致的, 所以可以通过串联压阻薄膜的调节来提高该微加速度计的灵敏度, 灵敏度与串联的压阻薄膜的数量成正比。