[发明专利]一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于电容效应和隧道效应的复合式的微机械加速度计。

 

背景技术

随着微机械系统(MEMS)技术的发展，其具备成本低、体积小、易批量化生产和可集成性好等特点，越来越受到人们的关注，在民用及军事领域得到了广泛的应用。但由于关键性能指标的限制，微机械传感器在军事、航天、航空等尖端领域还没有得到充分的应用。其中，灵敏度及量程是微机械传感器有待提高的关键指标，利用主流原理制造的传感器，高灵敏度通常伴随着小量程、低过载。

随着科技的发展，特殊领域对微加速度的测量精度要求日益严格，微加速度的测量已由理论层面到应用层面，从战略应用到战术应用的发展，对国民经济及军事的发展有着重要的意义，并受到世界各国的重视。微加速度的精确测量，对地震的预测、微重力科学试验、卫星遥感等有重要意义。此领域达国家已有相对成熟的产品，而我国起步较晚。由于其振动幅度和频率跨度大，要求传感器具有极低的检测阈值，具备微弱振动的超灵敏检测能力和宽量程，现有检测方案检测存在困难。

利用电容器的原理，可将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化，具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高等有点，电容式的检测方式目前已在微机械系统传感器中得到广泛应用。但是，由于边缘效应、分布电容、极板面积等的影响，其精度已不能满足检测需求，且其存在较高的检测阈值，对微弱加速度检测存在困难。

从量子力学理论可知，由于电子的隧道效应，导体中的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表面处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减的长度约1nm。因此。只要将原子线度的极细探针以及被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离接近时（<1um），它们的表面电子云就可能重叠。若在样品与针尖之间加一微小电压U_b，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极，形成隧道电流。其隧道电流Is与针尖和极板之间的距离x之间满足                                                。由此可见，隧道电流I_s对针尖与极板表面之间的距离x非常敏感，如果x减小0.1nm，隧道电流Is就会增加一个数量级，灵敏度极高，检测阈值极低。但是，由于工作时隧尖与极板间距必须为纳米级，其量程有限，抗过载能力差，高过载时隧尖容易损坏。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明需要提供微机械加速度计，该微机械加速度计为电容检测与隧道效应检测集成的方式的微机械加速度计，至少可以提高微机械加速度计的检测精度和检测范围。

本发明提供了一种基于约瑟夫逊效应的微机械加速度计，包括：键合基板，键合基板中心刻蚀凹槽，凹槽底面布置，隧道极板与隧道电极负极相连，隧道凹槽周围分别布置检测电容下极板和控制电容下极板，所述检测电容下极板和控制电容下极板分别与检测电极负极和控制电极负极相连；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；支撑框体，支撑框体设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且下方设有隧道电极正极、检测电极正极和控制电极正极；悬臂梁，悬臂梁两端分别与支撑框体和质量块相连接，用于支撑质量块；质量块，质量块下表面中心设置有隧尖，隧尖与隧道电极正极相连接，隧尖周围分别布置检测电容上极板和控制电容上极板，检测电容上极板和控制电容上极板分别与检测电极正极和控制电极正极相连。

根据本发明实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计,，采用一体化设计，结构合理，灵敏度高,检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。可实现针对不同领域的加速度精确测量。

根据本发明的一个实施例，所述的键合基板较垫衬框体面积大，上表面布置的检测电容下极板和控制电容下极板成方框型且由内而外排布，检测电极负极和控制电极负极,位于键合基板边缘，与支撑框体上布置的检测电极正极和控制电极正极相对应，所述的隧道极板位于键合基板中心方形凹槽底面。

所述检测电容下极板和控制电容下极板成方框型所指方框型并非闭合方框型。根据本发明的一个实施例，所述的悬臂梁宽度大于厚度，其下表面与支撑框体和质量块下表面相平行,且其厚度小于支撑框体或质量块厚度。

根据本发明的一个实施例，所述的质量块由悬臂梁支撑于支撑框体中心，且能由于力的作用上下运动。