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一種高靈敏度的介觀壓阻微陀螺的設(shè)計(jì)

2011-12-27 08:15:50羅文華曾勁松溫廷敦
關(guān)鍵詞:壓阻陀螺共振

羅文華,曾勁松,溫廷敦

(1.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,鄭州450001;2.中北大學(xué)理學(xué)院,太原030051)

一種高靈敏度的介觀壓阻微陀螺的設(shè)計(jì)

羅文華1,曾勁松1,溫廷敦2

(1.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,鄭州450001;2.中北大學(xué)理學(xué)院,太原030051)

應(yīng)用介觀壓阻效應(yīng),研究設(shè)計(jì)了一種含直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)的微機(jī)械陀螺,并利用共振隧穿薄膜作為該微機(jī)械陀螺的敏感元件以提高陀螺的靈敏度。MA TLAB軟件仿真表明:當(dāng)施加在 GaAs/A lAss共振隧穿薄膜上的偏置電壓為0.9 V,薄膜上的應(yīng)變幅值不大于0.000 575時(shí),薄膜都工作在負(fù)阻區(qū)域,此時(shí)共振隧穿薄膜能較好地檢測(cè)出微梁上的應(yīng)變。仿真結(jié)果還表明,在共振隧穿薄膜負(fù)阻區(qū)域的偏壓為0.78 V時(shí),壓阻效應(yīng)靈敏度的數(shù)量級(jí)為4.19×10-10,比室溫下硅的最大壓阻靈敏度高一個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到了高靈敏度微機(jī)械陀螺設(shè)計(jì)的目的.

微機(jī)械陀螺;介觀壓阻效應(yīng);共振隧穿;超晶格

微機(jī)械陀螺是利用振動(dòng)質(zhì)量被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏力效應(yīng)來(lái)敏感角速度的一種微慣性裝置[1].其關(guān)鍵技術(shù)主要有2個(gè):一是微機(jī)械陀螺加工技術(shù);二是微機(jī)械陀螺微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[2].隨著M EM S加工工藝的迅猛發(fā)展,微機(jī)械陀螺加工問(wèn)題已基本解決,而微機(jī)械陀螺檢測(cè)技術(shù)一直是制約其發(fā)展的瓶頸.因此,本文提出將介觀壓阻效應(yīng)原理應(yīng)用到微機(jī)械陀螺中,把共振隧穿薄膜作為檢測(cè)元件,從而得到能耗低、靈敏度高、工作頻率高、尺寸不受限制的微機(jī)械陀螺.

1 介觀壓阻效應(yīng)微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 介觀壓阻效應(yīng)

介觀壓阻效應(yīng)是指在力學(xué)信號(hào)作用下,納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布發(fā)生變化而引起內(nèi)建電場(chǎng)產(chǎn)生,內(nèi)建電場(chǎng)又導(dǎo)致納米帶結(jié)構(gòu)中量子能級(jí)發(fā)生變化,從而使共振隧穿電流變化.因此,在共振隧穿電壓附近,通過(guò)介觀壓阻效應(yīng),可以將一個(gè)微弱力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)較強(qiáng)的電學(xué)信號(hào)[3].

GaA s/A lA s共振隧穿薄膜就具有介觀壓阻效應(yīng),可以用于制作微機(jī)械陀螺的敏感部分.根據(jù)它的介觀壓阻效應(yīng)來(lái)檢測(cè)應(yīng)力和隧穿電流的變化關(guān)系,測(cè)量出角速度、哥氏力、外應(yīng)力.

1.2 微機(jī)械陀螺設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微陀螺如圖1所示.它采用兩層結(jié)構(gòu),上層為結(jié)構(gòu)層,下層為蓋板層,兩層結(jié)構(gòu)均由GaA s材料制作.在結(jié)構(gòu)層上有直拉直壓微梁結(jié)構(gòu)[4]懸臂梁、微梁和一個(gè)可動(dòng)質(zhì)量塊,微梁上通過(guò)薄膜生長(zhǎng)形成共振隧穿薄膜.蓋板層主要由驅(qū)動(dòng)電極和阻尼孔組成,驅(qū)動(dòng)電極和質(zhì)量塊間形成的一定間距是通過(guò)特殊工藝制成的.

圖1 具有微梁結(jié)構(gòu)的微陀螺

2 微陀螺介觀壓阻效應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬

圖2所示為微機(jī)械振動(dòng)陀螺的基本模型.設(shè)x方向?yàn)轵?qū)動(dòng)振動(dòng)方向,y方向?yàn)闄z測(cè)振動(dòng)方向.施加一定的激勵(lì)使質(zhì)量塊沿x方向產(chǎn)生振動(dòng),當(dāng)該系統(tǒng)有沿z方向旋轉(zhuǎn)角速度Ω時(shí),由于哥氏力作用,質(zhì)量塊就會(huì)產(chǎn)生沿y方向的振動(dòng).檢測(cè)哥氏力的大小就能知道輸入角速度Ω的大小.

圖2 微機(jī)械振動(dòng)陀螺原理圖

共振隧穿電流是由于在 GaA s/A lA s共振隧穿薄膜[5]中發(fā)射極電子能級(jí)和超晶格量子勢(shì)阱中共振能級(jí)對(duì)齊所產(chǎn)生的,如果對(duì)超晶格量子阱材料加上偏壓Vb,量子阱的位勢(shì)V(z)就會(huì)呈現(xiàn)出一系列傾斜的階梯狀.但由于同一結(jié)構(gòu)超晶格量子阱的位勢(shì)也是傾斜不等的,因此需要將位勢(shì)分割成一系列的小臺(tái)階,并假定在每個(gè)小臺(tái)階內(nèi)部位勢(shì)近似相等,這樣隧穿系數(shù)便可表達(dá)為[6]:

式中:M11為傳遞矩陣,與外加電場(chǎng)、有效質(zhì)量、波矢等有關(guān);m*n、kn分別為電子在第n段材料內(nèi)的有效質(zhì)量和波矢.

由于z方向電子運(yùn)動(dòng)與x、y方向無(wú)關(guān),于是隧穿電流密度J(Vb,T)的計(jì)算公式也可表達(dá)為[5]:

式中:e為電子電荷的大小;m*為發(fā)射極電子的有效質(zhì)量;kB為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;EF為電極費(fèi)米能,它與電極材料的摻雜類型和摻雜濃度有關(guān),其值通常從發(fā)射極導(dǎo)帶底算起;Ez為入射電子沿z方向的能量;T(Ez,Vb)為共振隧穿薄膜加偏壓后量子阱體系的隧穿系數(shù).

將薄膜有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]代入式(1)和式(2),利用M atlab軟件編程仿真,得出該薄膜結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變下的電流 -電壓曲線,如圖3所示.通過(guò)圖3可以看出:當(dāng)施加在GaA s/A lA s共振隧穿薄膜上的偏置電壓為0.9 V,且薄膜上的應(yīng)變幅值不大于0.000 575時(shí),薄膜都工作在負(fù)阻區(qū)域,共振隧穿薄膜能較好地檢測(cè)出微梁上的應(yīng)變.

圖3 不同應(yīng)變下的電流-電壓曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖4所示為實(shí)驗(yàn)原理框圖[7],包括激光拉曼光譜儀顯微測(cè)試系統(tǒng)、螺旋測(cè)微加壓裝置、I-V特性測(cè)試儀,其中的螺旋測(cè)微加壓裝置可從3個(gè)方向?qū)悠肥┘訂屋S應(yīng)力,以檢測(cè)薄膜機(jī)電特性與施加應(yīng)力方向的關(guān)系.測(cè)試實(shí)物平臺(tái)如圖5所示[8].

實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中將螺旋測(cè)微器加壓裝置放于拉曼光譜的三軸平臺(tái)上,并用螺旋測(cè)微器對(duì)共振隧穿薄膜施加單軸應(yīng)力,同時(shí)應(yīng)用拉曼光譜儀進(jìn)行應(yīng)力大小標(biāo)定.I-V特性測(cè)試儀測(cè)試I-V特性,其實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖6所示[8].

對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的不同應(yīng)力作用下的I-V曲線和仿真曲線(如圖7所示)相比較可以看出,仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線在數(shù)量級(jí)上是一致的,即隨著應(yīng)力的增大,峰值偏置電壓和峰值電流均增大.峰值偏置電壓增大是由于應(yīng)力的不斷增大使勢(shì)阱寬度變窄,阱內(nèi)共振能級(jí)升高,而峰值電流增大是由于在外加應(yīng)力不斷地增大下勢(shì)壘由厚變薄導(dǎo)致的.仿真值和實(shí)驗(yàn)值存在差別的主要原因是:一是仿真計(jì)算采用的模型有一定簡(jiǎn)化;二是制作的實(shí)驗(yàn)樣品的精度有差異.從整體上看,仿真所得到峰值電流要稍小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但是兩者在趨勢(shì)上是一致的,在一定的應(yīng)力(應(yīng)變)條件下,隧穿電流隨著偏置電壓的增加先出現(xiàn)一個(gè)峰值,然后會(huì)有一個(gè)谷底,在幅值與谷值間出現(xiàn)一段負(fù)阻區(qū);另外,隨著應(yīng)力(應(yīng)變)的增加,共振隧穿薄膜向下、向左有一定的平移.

根據(jù)圖6所示的實(shí)驗(yàn)曲線計(jì)算得到:在共振隧穿薄膜負(fù)阻區(qū)域的偏壓為0.78 V時(shí),壓阻效應(yīng)靈敏度的數(shù)量級(jí)為4.19×10-10.這一結(jié)果與室溫下硅的最大壓阻靈敏度(2.76×10-11)[9]相比,共振隧穿薄膜的介觀壓阻靈敏度比硅的最大壓阻靈敏度顯然高一個(gè)數(shù)量級(jí).

圖7 不同壓應(yīng)力作用下的I-V仿真曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用介觀壓阻理論探索性地研究設(shè)計(jì)了一種GaA s基微機(jī)械陀螺,并對(duì)其進(jìn)行了性能仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明其壓阻靈敏度比硅的最大壓阻靈敏度高一個(gè)數(shù)量級(jí),利用共振隧穿薄膜的介觀壓阻效應(yīng)能顯著提高微機(jī)械陀螺的靈敏度.

[1]郭秀中.慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀理論[M].北京,國(guó)防工業(yè)出版社,1996.

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[4]陳雪萌.一種壓阻式微機(jī)械陀螺的研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2005:6.

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Designing of a High Sensitivity M icro-gyroscope Based on Meso-piezoresistan

LUO Wen-hua1,ZENG Jing-song1,W EN Ting-dun2
(1.Zhengzhou U niversity,Zhengzhou 450001;2.North University of China,Taiyuan 030051,China)

A high sensitivity m icro-gyroscope based on meso-piezo resistanc w as researched and designed in the paper.And the sensitivity of the micro-gyroscope is enhanced by using the resonant tunneling film as sensor.It is indicated by utilizing MA TLAB software in the article that w hen the bias voltagee on the GaA s/A lAs resonant tunneling film is 0.9 V,and the strain amp litude of the resonant tunneling film is less than 0.000575,the resonant tunneling film wo rk on the negative resistance region,the strain on the tiny beam s is detected w ell.The simulations of MA TLAB software is indicated too that w hen the bias voltagee on the GaA s/A lA s resonant tunneling film is 0.78 V,O rder of magnitude of piezo resistive effect sensitivity is 4.19×10-10and is higher one o rder of magnitude of than SI’s in the room temperature.The target is obtained that designing high sensitivity of the micro-gyroscope.

micro-gyroscope;meso-piezoresistance theory;resonant tunneling;super-lattices

V 241.5

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.002

1671-6906(2011)01-0007-04

2011-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50807048)

羅文華(1976-),女,四川大英人,碩士.

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