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传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｍｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）２００９年第２８卷第２期

基于共振隧穿的位移传感器设计

张庆伟，温廷敦

（中北大学微米纳米技术研究中心。山西太原０３００５１）

摘要：运用了一种新效应一介观压阻效应，以ＡＩＡｓ／ＧａＡｓ／ＡＩＡｓ共振隧穿双势垒（ＤＢＲＴ）结构薄膜作

为力敏元件，设计了一种压阻式微佗移传感器。通过分析、计算和模拟得到了它的输入、输出特性和灵敏度，把它与同类传感器做了比较，结果显示：ＤＢＲＴ结构可以提高灵敏度、调节灵敏度。为设计介观压阻式微位移传感器提供了理论依据。

关键词：传感器；共振隧穿；介观压阻效应；位移；灵敏度中图分类号：ＴＰ２１２

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－－９７８７（２００９）０２－－００６６一０２

Ｄｅｓｉｇｎｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｂａｓｅｄ

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Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｎａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）

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ＧａＡｓ／Ａ１Ａｓ／ＩｎＧａＡｓｒｅｓｏｎａｎｔ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｒｅｓｏｎａｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇ；ｍｅｓｏ—ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ

０引言弹性元件变形时，将对被测构件形成一个反力，影响被测构件的位移数据ＨＪ。

本文设计的等截面梁式位移传感器如图ｌ、图２所示，弹性元件为一端固定的悬臂梁。在固顶端附近截面的上下表面顺着轴线方向分别黏贴Ｒ，，如，Ｒ３，Ｒ；电阻应变计，Ｒ。，Ｒ；黏贴在上表面，ｆｔ２和Ｒ。黏贴在下表面。此时，Ｒ。，Ｒ４若受拉，则如和Ｒ３受压。两者发生极性相反的等量应变，把它们组成全桥，电桥的灵敏度为单臂工作时的４倍。

根据梁的结构，可得被测构件对梁的作用力与应变计测出的应变值的关系为

，：－ＥｅＷ：ｉＥｂ广ｈ２Ｆ，

ｔＯ

Ｏｔ０

介观压阻效应…的定义为“等效电阻的应力调制”，其等效电阻是对共振隧穿效应的一种具体描述。由４个物理过程组成：１）在力学信号下，纳米结构中的应力分布将发生变化；２）一定条件下应力变化可以引起内建电场的产生；３）内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化；４）量子能级变化会引起共振隧穿电流变化。在共振隧穿附近，通过上述过程，可将一个微弱的力学信号转换为一个较强的电学信号，体现出较大的压阻系数。本文所用的介观压阻效应元件为ＡＩＡｓ／ＧａＡｓ／ＡＩＡｓＤＢＲＴ结构薄膜旧’３Ｊ，此薄膜是一种超晶格纳米薄膜结构，它的核心是纳米级宽带隙材料中夹着纳米级窄带隙材料。随着外部压力引起的拉伸应变的变化，ＤＢＲＴ结构的共振隧穿电流和阻抗显著变化。并且，阻抗应变输出可以由外部电压来有效调节。１传感器的结构设计与力学分析

（１）

式中Ｗ为抗弯矩截面模量，对于矩形截面梁，形＝ｂＴｈ＂。

梁的自由端挠度为

．ＦＰ

Ｊ

４Ｆｐ

应变式位移传感器是把被测位移量变成弹性元件的变形和应变，但它与力传感器要求不同，测力传感器弹性元件的刚度要大，而位移传感器弹性元件的刚度要小。否则，当

收稿日期：２００８－０８＿２２

３Ｅｌ。Ｅｂ涪’

（２）

式中Ｅ为材料的弹性模量；ｌ，６，ｈ分别为梁的长、宽、高；，

为梁截面的惯性矩，对矩形截面，，．＝西ｂｈｓ。