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專利名稱：共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的信號提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS微加速度傳感器的信號提取，具體是一種共振隧穿壓 阻式微加速度傳感器的信號提取方法。
背景技術(shù)：
共振隧穿壓阻式微加速度傳感器以共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管 (RTD)作為敏感轉(zhuǎn)換元件，目前，共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的信號提 取是基于共振隧穿二極管的介觀壓阻效應(yīng)，在外界壓力作用下，共振隧穿二極 管的I-V特性曲線(如圖l所示)會發(fā)生飄移，共振隧穿二極管的電阻值發(fā)生 變化，應(yīng)用惠斯通電橋提取出共振隧穿二極管的電信號變化量。
如圖2、 3所示，隨著壓力值的增大，共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管的 I-V特性曲線發(fā)生了較為明顯的偏移，從量子力學(xué)角度分析，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的 主要原因?yàn)棰購睦碚撋峡芍瑤в凶于錓n0.1Ga0.9As的AlAs/GaAs共振隧 穿微結(jié)構(gòu)具有內(nèi)建電場，根據(jù)力電耦合效應(yīng)，在力學(xué)信號作用下，納米帶結(jié)構(gòu) 中產(chǎn)生應(yīng)力分布； 一定條件下應(yīng)力的變化引起內(nèi)建電場的變化；內(nèi)建電場的變 化導(dǎo)致隧穿電流的變化，隧穿電流的變化在I-V特性上體現(xiàn)為曲線的偏移；②
施加壓力引起微結(jié)構(gòu)勢阱內(nèi)第一量子能級￡。的漂移，相應(yīng)的隧穿電流對應(yīng)的偏 壓發(fā)生漂移；③由于AlAs和GaAs材料的壓電常數(shù)不同，應(yīng)力會在異質(zhì)結(jié)界
面處產(chǎn)生極化電荷，極化電荷的分布影響了滿足隧穿條件所需要的偏壓值。
并且從量子理論分析得到，在不同偏壓作用下，共振隧穿微結(jié)構(gòu)勢阱內(nèi)第一量子化能級A。發(fā)生漂移，當(dāng)^=~時(shí)(Ac為發(fā)射極導(dǎo)帶底能級)，隧穿電流 達(dá)到最大值，即為峰值；當(dāng)￡。達(dá)到最小值時(shí)，通過雙勢壘的隧穿電流也最小， 即為谷值；勢阱內(nèi)第一量子化能級￡。的漂移使極值位置(峰值或峰谷)的電流 發(fā)生最大的變化，致使電阻的變化也最大，由靈敏度公式^'/^x"可知，最 大的介觀壓阻靈敏度必然出現(xiàn)在峰值或峰谷位置，且不隨應(yīng)力值的變化而變
化。靈敏度公式^'/(^x^中，^為對共振隧穿二極管所施加應(yīng)力的大小，M'為 每種情況下共振隧穿二極管電阻值相對于初始值的變化量，^為共振隧穿二極 管初始電阻值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了進(jìn)一步優(yōu)化共振隧穿壓阻式微加速度傳感器，基于其敏感轉(zhuǎn)換 元件-共振隧穿二極管(RTD)的力電耦合特性，提供了一種共振隧穿壓阻式 微加速度傳感器的信號提取方法。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的信 號提取方法，提取步驟如下
①、在無外界壓力作用下，檢測與共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振
隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管(RTD) I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對
應(yīng)的電壓值，檢測步驟為 .
a、 在包含共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)的電壓范圍內(nèi)，對共振隧 穿二極管施加電壓，且施加電壓由電壓范圍的下限開始遞增，或者由電壓范圍 的上限開始遞減；
b、 在對共振隧穿二極管施加電壓的遞增或遞減過程中，實(shí)時(shí)提取共振隧 穿二極管的振蕩信號，當(dāng)提取到振蕩信號時(shí)(即共振隧穿二極管產(chǎn)生振蕩時(shí))，確定引起共振隧穿二極管振蕩的電壓值，將該電壓值定為基準(zhǔn)電壓，并停止對
共振隧穿二極管繼續(xù)施加電壓，所述基準(zhǔn)電壓即是與共振隧穿二極管I-V特性 曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)的電壓值；
②、根據(jù)步驟①得到的基準(zhǔn)電壓，重新合理設(shè)定施加于共振隧穿二極管上 的起始電壓，起始電壓的設(shè)定要保證在有外界壓力作用下，與步驟①中基準(zhǔn) 電壓對應(yīng)的峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)偏移后，峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)偏移后對應(yīng)的電壓值在以 起始電壓為起點(diǎn)、按步驟①中施加電壓漸變趨勢-遞增或遞減的電壓區(qū)域內(nèi)；
◎、實(shí)時(shí)檢測共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧 穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)電壓值的變化量，檢測步
C、按步驟①中施加電壓的漸變趨勢-遞增或遞減，以步驟②設(shè)定的起始電 壓重新開始對共振隧穿二極管施加電壓，實(shí)時(shí)提取共振隧穿二極管的振蕩信 號，當(dāng)提取到振蕩信號時(shí)，確定引起共振隧穿二極管產(chǎn)生振蕩的當(dāng)前電壓值， 同時(shí)停止對共振隧穿二極管繼續(xù)施加電壓；
d、求取當(dāng)前電壓值與步驟1中基準(zhǔn)電壓的電壓差值，該電壓差值即為要 提取的與外界壓力大小相關(guān)的變化量。
本發(fā)明所述信號提取方法依據(jù)的是由于共振隧變微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極 管(RTD)的量子阱中存在電荷積累效應(yīng)，共振隧穿二極管應(yīng)用的III-V族半 導(dǎo)體材料都具有壓電特性，在外界壓力作用下，共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二
極管各層材料界面處將積累極化電荷，產(chǎn)生內(nèi)建電場，從而影響共振隧穿二極 管的I-V特性曲線，會使共振隧穿二極管I-V特性曲線發(fā)生偏移。本發(fā)明所述 信號提取方法即是通過檢測共振隧穿二極管I-V特性曲線的峰值電壓或谷值電壓的偏移量，來測試外界壓力引起的共振隧穿二極管中內(nèi)建電場的變化，從而
定量共振隧穿二極管I-V特性曲線的峰值電壓或谷值電壓偏移量與外界壓力的關(guān)系。
分別以現(xiàn)有通過惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)的信號提取技術(shù)、本發(fā)明所述信號提取方
法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器進(jìn)行輸出電壓線性度、頻響特性測試；
1、 共振隧穿壓阻式微加速度傳感器輸出電壓線性度的測試
a、 以現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號提取時(shí)，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出使共振隧穿微加速 度傳感器兩端電壓分別穩(wěn)定在負(fù)阻區(qū)(非平臺區(qū))和非負(fù)阻區(qū)，調(diào)節(jié)惠斯通電 橋使之平衡，輸出電壓的初始值為零，將共振隧穿壓阻式微加速度傳感器固定 于振動臺上，設(shè)定振動臺正弦激勵(lì)信號的頻率為320Hz，改變振動臺的振動加 速度，測試在不同加速度值下，共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸出信號，
結(jié)果如圖4所示；
b、 以本發(fā)明所述信號提取方法實(shí)現(xiàn)信號提取時(shí)，將共振隧穿壓阻式微加 速度傳感器固定于振動臺上，設(shè)定振動臺正弦激勵(lì)信號的頻率為320Hz，改變 振動臺的振動加速度，測試在不同加速度值下，共振隧穿壓阻式微加速度傳感 器的輸出信號，結(jié)果如圖5所示；
比較圖4與圖5可以看出，采用本發(fā)明所述信號竭取方法的共振隧穿壓阻 式微加速度傳感器的輸出電壓線性度要明顯優(yōu)于采用現(xiàn)有惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)信 號提取的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸出電壓線性度。
2、 共振隧穿壓阻式微加速度傳感器頻響特性的測試
a、以現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號提取時(shí)，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出使共振隧穿微加速 度傳感器兩端電壓分別穩(wěn)定在負(fù)阻區(qū)(非平臺區(qū))和非負(fù)阻區(qū)，調(diào)節(jié)惠斯通電橋使之平衡，輸出電壓的初始值為零，將共振隧穿壓阻式微加速度傳感器固定
于振動臺上，設(shè)定振動臺的振動加速度g二10g，改變振動臺的正弦激勵(lì)信號頻
率，測試在不同頻率下，共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸出電壓，結(jié)果如
圖6所示；圖中頻率為2500Hz時(shí)已接近微加速度傳感器的共振頻率。
b、以本發(fā)明所述信號提取方法實(shí)現(xiàn)信號提取時(shí)，將共振隧穿壓阻式微加
速度傳感器固定于振動臺上，設(shè)定振動臺的振動加速度g^lOg，改變振動臺的
正弦激勵(lì)信號頻率，測試在不同頻率下，共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸
出電壓，結(jié)果如圖7所示；
比較圖6與圖7可以看出，采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻
式微加速度傳感器的頻響曲線更加光滑，在特征頻率的響應(yīng)電壓值比采用現(xiàn)有
惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)信號提取的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的響應(yīng)電壓值更大。
另外，對采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器 進(jìn)行靈敏度測試將共振隧穿壓阻式微加速度傳感器固定于振動臺上，調(diào)節(jié)穩(wěn)
壓電源的輸出使微加速度傳感器兩端電壓穩(wěn)定在負(fù)阻區(qū)和非負(fù)阻區(qū)，設(shè)定振動
臺的振動加速度g二10g，正弦激勵(lì)信號頻率f^70Hz，測試在不同偏置電壓下， 共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸出電壓，繪制輸出審壓靈敏度與所加偏壓 的關(guān)系曲線，如圖8所示；
從圖8可以看出，當(dāng)把偏壓加到負(fù)阻區(qū)時(shí)微加速度傳感器的靈敏度要比非 負(fù)阻區(qū)的靈敏度高很多，且在負(fù)阻區(qū)谷值處的靈敏度比峰值處的靈敏度高，負(fù) 阻區(qū)中平臺區(qū)部分的靈敏度較低，在谷值電壓0.618V處最大靈敏度可 560mV/g。從量子理論分析，在不同偏壓作用下，共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管 勢阱內(nèi)第一量子化能級￡。發(fā)生漂移，當(dāng)^=4時(shí)(A為發(fā)射極導(dǎo)帶底能級)， 隧穿電流達(dá)到最大值；當(dāng)^達(dá)到最小值時(shí)，通過雙勢壘的隧穿電流也最小。當(dāng) 給微加速度傳感器施加激勵(lì)信號，共振隧穿微結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力時(shí)，在固定偏壓下，
勢阱內(nèi)第一量子化能級&發(fā)生漂移，這使極值位置(峰值和谷值)的電流發(fā)生 最大的變化，相應(yīng)的電阻變化量也最大，即在負(fù)阻區(qū)的峰值和谷值位置有最大 的介觀壓阻靈敏度。由此，也再次驗(yàn)證了本發(fā)明所述信號提取方法的優(yōu)勢。
采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的靈敏 度高，頻響特性好，輸出信號的線性度好。


圖1為共振隧穿二極管(RTD)的I-V特性曲線；
圖2為共振隧穿二極管在受到不同應(yīng)力作用時(shí)的I-V特性曲線偏移圖； 圖3為圖2的局部放大圖4為采用現(xiàn)有信號提取技術(shù)的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸出電 壓(負(fù)阻區(qū))與加速度的關(guān)系曲線；
圖5為采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的 輸出電壓與加速度的關(guān)系曲線； ，，
圖6為采用現(xiàn)有信號提取技術(shù)的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的頻響曲
線；
圖7為采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的 頻響曲線；
圖8為采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的輸出電壓靈敏度與所加偏壓的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的信號提取方法，提取步驟如下
① 、在無外界壓力作用下，檢測與共振隧穿壓阻式^:加速度傳感器的共振
隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管(RTD) I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對 應(yīng)的電壓值，檢測步驟為
a、 在包含共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)的電壓范圍內(nèi)，對共振隧 穿二極管施加電壓，且施加電壓由電壓范圍的下限開始遞增，或者由電壓范圍 的上限開始遞減；
b、 在對共振隧穿二極管施加電壓的遞增或遞減過程中，實(shí)時(shí)提取共振隧 穿二極管的振蕩信號，當(dāng)提取到振蕩信號時(shí)(即共振隧穿二極管產(chǎn)生振蕩時(shí))， 確定引起共振隧穿二極管振蕩的電壓值，將該電壓值定為基準(zhǔn)電壓，并停止對 共振隧穿二極管繼續(xù)施加電壓，所述基準(zhǔn)電壓即是與共振隧穿二極管I-V特性 曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)的電壓值；
② 、根據(jù)步驟①得到的基準(zhǔn)電壓，重新合理設(shè)定施加于共振隧穿二極管上 的起始電壓，起始電壓的設(shè)定要保證在有外界壓力作用下，與步驟①中基準(zhǔn) 電壓對應(yīng)的峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)偏移后，峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)偏f后對應(yīng)的電壓值在以 起始電壓為起點(diǎn)、按步驟①中施加電壓漸變趨勢-遞增或遞減的電壓區(qū)域內(nèi)；
③ 、實(shí)時(shí)檢測共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧 穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)電壓值的變化量，檢測步 驟為
C、按步驟①中施加電壓的漸變趨勢-遞增或遞減，以步驟②設(shè)定的起始電
10壓重新開始對共振隧穿二極管施加電壓，實(shí)時(shí)提取共振隧穿二極管的振蕩信 號，當(dāng)提取到振蕩信號時(shí)，確定引起共振隧穿二極管產(chǎn)生振蕩的當(dāng)前電壓值， 同時(shí)停止對共振隧穿二極管繼續(xù)施加電壓；
d、求取當(dāng)前電壓值與步驟1中基準(zhǔn)電壓的電壓差值，該電壓差值即為要 提取的與外界壓力大小相關(guān)的變化量。
權(quán)利要求
1、一種共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的信號提取方法，其特征在于提取步驟如下①、在無外界壓力作用下，檢測與共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)的電壓值，檢測步驟為a、在包含共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)的電壓范圍內(nèi)，對共振隧穿二極管施加電壓，且施加電壓由電壓范圍的下限開始遞增，或者由電壓范圍的上限開始遞減；b、在對共振隧穿二極管施加電壓的遞增或遞減過程中，實(shí)時(shí)提取共振隧穿二極管的振蕩信號，當(dāng)提取到振蕩信號時(shí)，確定引起共振隧穿二極管振蕩的電壓值，將該電壓值定為基準(zhǔn)電壓，并停止對共振隧穿二極管繼續(xù)施加電壓，所述基準(zhǔn)電壓即是與共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)的電壓值；②、根據(jù)步驟①得到的基準(zhǔn)電壓，重新合理設(shè)定施加于共振隧穿二極管上的起始電壓，起始電壓的設(shè)定要保證在有外界壓力作用下，與步驟①中基準(zhǔn)電壓對應(yīng)的峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)偏移后，峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)偏移后對應(yīng)的電壓值在以起始電壓為起點(diǎn)、按步驟①中施加電壓漸變趨勢-遞增或遞減的電壓區(qū)域內(nèi)；③、實(shí)時(shí)檢測共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)電壓值的變化量，檢測步驟為c、按步驟①中施加電壓的漸變趨勢-遞增或遞減，以步驟②設(shè)定的起始電壓重新開始對共振隧穿二極管施加電壓，實(shí)時(shí)提取共振隧穿二極管的振蕩信號，當(dāng)提取到振蕩信號時(shí)，確定引起共振隧穿二極管產(chǎn)生振蕩的當(dāng)前電壓值，同時(shí)停止對共振隧穿二極管繼續(xù)施加電壓；d、求取當(dāng)前電壓值與步驟1中基準(zhǔn)電壓的電壓差值，該電壓差值即為要提取的與外界壓力大小相關(guān)的變化量。
全文摘要
本發(fā)明涉及MEMS微加速度傳感器的信號提取，具體是一種共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的信號提取方法。進(jìn)一步優(yōu)化了共振隧穿壓阻式微加速度傳感器，提取步驟如下①在無外界壓力作用下，檢測與共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓；②根據(jù)步驟①得到的基準(zhǔn)電壓，重新合理設(shè)定施加于共振隧穿二極管上的起始電壓；③實(shí)時(shí)檢測共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的共振隧穿微結(jié)構(gòu)-共振隧穿二極管I-V特性曲線負(fù)阻區(qū)內(nèi)峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)對應(yīng)電壓值的變化量。采用本發(fā)明所述信號提取方法的共振隧穿壓阻式微加速度傳感器的靈敏度高，頻響特性好，輸出信號的線性度好。
文檔編號G01P21/00GK101609110SQ200910074938
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者競 崔, 張文棟, 張斌珍, 薛晨陽, 賈曉娟 申請人:中北大學(xué)