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介觀壓阻型微壓力傳感器介紹及規(guī)劃

點擊次數(shù):1021 更新時間:2015-08-18

介觀壓阻型微壓力傳感器介紹及規(guī)劃




  壓力傳感器運用廣泛,例如轎車中的多路壓力丈量(如空氣壓力丈量和輪胎體系、液壓體系、供油體系的壓力丈量)、環(huán)境操控(如加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)理)中的壓力丈量、航體系中的壓力丈量以及醫(yī)學(xué)中動脈血液壓力丈量等。這兒將在傳統(tǒng)壓力傳感器中運用一種新原理一介觀壓阻效應(yīng)口,即在共振隧穿電壓鄰近,通過4個物理進(jìn)程,將一個弱小的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為一個較強(qiáng)的電學(xué)信號。

  用基于介觀壓阻效應(yīng)的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應(yīng)變片作為靈敏元件,通過理論剖析和仿真核算驗證了該構(gòu)造對傳感器靈敏度、固有頻率的影響,從理論上證明了介觀壓阻效應(yīng)原理能夠進(jìn)步壓力傳感器的靈敏度,擴(kuò)展其丈量頻率的規(guī)模。

  介觀壓阻效應(yīng)及GaAs,AlAs/InGaAsDBRT構(gòu)造薄膜

  介觀壓阻效應(yīng)的界說為“等效電阻的應(yīng)力調(diào)制",等效電阻是對共振隧效應(yīng)的一種詳細(xì)描繪。由4個物理進(jìn)程構(gòu)成:①在力學(xué)信號下,納米構(gòu)造中的應(yīng)力散布將發(fā)作改變;②必定條件下應(yīng)力改變可致使內(nèi)建電場的產(chǎn)生;③內(nèi)建電場將致使納米帶構(gòu)造中量子能級發(fā)作改變;④量子能級改變會致使共振隧穿電流改變。簡言之,在共振隧穿鄰近,通過上述進(jìn)程,可將一個弱小的力學(xué)信號轉(zhuǎn)化。為一個較強(qiáng)的電學(xué)信號,體現(xiàn)出較大的壓阻系數(shù)。這兒所用的介觀壓阻效應(yīng)元件為GaAs/A1As/InGaAs DBRT構(gòu)造薄膜納米級窄帶隙資料。隨著外部壓力致使的拉伸應(yīng)變的改變(如圖1所示),DBRT構(gòu)造的共振隧穿電流和阻抗明顯改變。而且,阻抗應(yīng)變輸出可由外部電壓有用調(diào)理。其長處是靈敏度高、靈敏度可調(diào)、靈敏度隨溫度改變小。

  傳感器構(gòu)造規(guī)劃及力學(xué)剖析

  所規(guī)劃的壓阻式壓力微傳感器,其制法是將N型硅腐蝕成厚10~25μm的膜片,并在一面分散了4個阻值持平的P型電阻。硅膜片周邊用硅杯固定,則當(dāng)膜片兩面有壓力差時,膜片即發(fā)作變形,然后致使電阻改變。用微電路檢查出這種電阻改變,通過核算即可得出壓力改變?nèi)鐖D2所示。

  核算時假定:小撓度理論;壓力是均勻作用于平膜片外表。由平膜片的應(yīng)力核算公式可知:

  當(dāng)r<0.635R時,σ>0;

  同樣,當(dāng)r=0.812R時,σT=0,且σr<0,如圖3所示。在圓形硅膜片上,沿[110]晶向,在0.635R半徑表里各分散2個電阻,并恰當(dāng)組織分散的方位,使得σn=一σro,則有(△R/R)i=一(△R/R)

  這么即可構(gòu)成差動全橋電路,測出壓力P的改變。式中σri,σro別離為內(nèi)、外電阻上所受徑向力的平均值;(△R/R)i,(△R/R)別離為內(nèi)、外電阻的相對改變。

  依據(jù)膜的構(gòu)造與應(yīng)力核算公式,推出被測壓力與應(yīng)變片測出的應(yīng)變:

  式中:μ為硅資料的泊松比,μ=O.35;R,r,h別離為硅膜片的有用半徑,核算半徑,厚度;E為硅資料的模量,E=8.7Gpa;P為作用于平膜片上的壓力;ω為平膜片的撓度;

  通過剖析,綜合考慮規(guī)劃的請求,開始設(shè)定:h=20μm,R=200μm。其固有頻率能夠按下式核算:

  傳感器的功能剖析與核算

  運用介觀壓阻效應(yīng)原理替代壓阻原理來檢查壓力,將圓膜片上的的壓敏電阻換成GaAs/A1As/InGaAs DBRT構(gòu)造薄膜。用傳遞矩陣法核算該薄膜在沿成長方向的應(yīng)力改變下的輸出呼應(yīng),通過全部構(gòu)造的隧穿電流密度可表示為:

  式中:e為電子電荷的巨細(xì),m*為GoAs電子的有用質(zhì)量,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為溫度,EF為費米能級,E1為入射電子筆直(縱向)能量。

  使用公式可核算出不一樣拉伸應(yīng)變下隧穿電流隨偏壓的改變,如圖4所示。圖中實線、虛線別離表示0和5%的拉伸應(yīng)變。核算偏壓別離為0.75 V和1.2 V時的壓阻系數(shù)為:

  傳感器的輸出為:

  設(shè)偏壓為0.75 V設(shè)偏壓為0.75 V,電橋的鼓勵電壓為2.5 V的情況下,該傳感器的靈敏度S為:

  結(jié)語

  該構(gòu)造的壓力微傳感器因為靈敏元件與改換元件一體化,尺度小,其固有頻率很高,能夠丈量頻率規(guī)模很寬的脈動壓力。在不一樣的偏壓下,該傳感器的靈敏度不一樣。闡明靈敏度可調(diào)理。同樣構(gòu)造的微壓力傳感器,假如靈敏元件是硅或銅鎳合金壓敏電阻,其靈敏度別離為0.38x104V/m和O.17×104V/m??梢娺x用共振隧穿二極管做為靈敏元件的微壓力傳感器其靈敏度較之傳統(tǒng)的傳感器得到了很大的進(jìn)步。



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