CN105388321B - 一种基于压电电子学效应的加速度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电电子学效应的加速度测量装置及测量方法，包括质量摆片单元，用于产生惯性力；固定环单元，同运载体保持相对静止；挠性石英片单元，连接质量摆片单元和固定环单元；形变检测单元，又包括纳米线和位于纳米线两端的块状电极，至少一块状电极同纳米线形成肖特基势垒；纳米线的两端通过块状电极固定于质量摆片单元和固定环单元上；引线单元将形变检测单元同信号处理单元连接形成回路；信号处理单元，用于在形变检测单元两端提供电压差，并测量纳米线产生的电流及根据该电流得到加速度。本发明利用压电电子学效应对界面结区势垒的调控放大作用以及纳米材料极其独特的机械性能，提高测量加速度的精度、灵敏度和量程。
Description
技术领域
本发明涉及加速度测量，具体涉及一种基于压电电子学效应的加速度测量装置及测量方法，属于惯性制导技术领域。
背景技术
在各种运载体的导航定位中，通过测量位置、速度或加速度都可以得到运动物体的轨迹，但是由于在运动物体内部能够测量的只有加速度，因此加速度的测量对于惯性导航技术有着特别重要的意义。加速度计就是用于感知运载体所受加速度的惯性器件。
目前，惯性导航系统中的加速度计主要有摆式积分陀螺加速度计、振梁式加速度计、单晶硅微加速度计和力平衡式加速度计四种，各有优缺点，但总体而言，其测量技术都还停留在上个世纪80年代的水平，测量灵敏度、精度和量程都还有待提高。以目前在惯性导航系统中应用最为广泛，平衡式加速度计中最具代表性的石英挠性加速度计为例。目前石英挠性加速度计主要是一种将挠性支撑部分和电容传感器做成一体化的机械摆式加速度计，利用电容传感器来作为测量挠性形变的敏感单元，因此电容传感器存在的问题同时也是这种加速度计的缺陷所在，例如电容传感器量程的增大通常意味着电极板间距的增大，而这将导致对微小形变测量精度的降低和器件体积的增大。要想使加速度计的性能上升到一个新的高度，必须引入新的测量原理和技术。
王中林先生在2006年发现的压电电子学效应可以实现超高精度的形变表征。随着近十年的深入研究，该效应已经在压力传感器等领域取得了令人瞩目的成就，在世界顶尖期刊《Science》和《Nature》上发表了多篇文章，受到科学界的广泛关注和兴趣。该效应主要出现于同时具有压电特性和半导体特性的材料中，通过外加应力使材料发生形变产生压电势，利用压电势调节和控制界面或结区(例如p-n结、肖特基结)载流子传输性质，进而将机械信号转化为电信号。
同时，材料方面，由于纳米线等纳米材料具有极其优良的机械性能，不仅在受到较小应力作用下(nN量级)就能够产生较大形变，而且有公认的实验数据证明，纳米线经过数亿次反复的较大机械形变后其性能几乎不变。因此对于如纳米线等纳米材料而言，压电电子学效应现象极其显著，机械信号对输出电信号的影响程度要远远大于压阻效应，能在保证对微小形变测量精度的情况下，承受较大的形变而不损坏。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于压电电子学效应的加速度测量装置及测量方法，本发明利用压电电子学效应对界面结区势垒的调控放大作用以及纳米材料极其独特的机械性能，提高测量加速度的精度、灵敏度和量程。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于压电电子学效应的加速度测量装置，包括
质量摆片单元，用于在感受到运载体加速度时产生惯性力；
固定环单元，用于同运载体保持相对静止，作为所述质量摆片单元的参考物；
挠性石英片单元，用于连接所述质量摆片单元和固定环单元，以在质量摆片单元感受到惯性力时产生相应大小的形变；
形变检测单元，用于利用压电电子学效应来检测所述挠性石英片单元的形变；所述形变检测单元包括纳米线和位于纳米线两端的块状电极，其中至少一块状电极同纳米线形成肖特基势垒；纳米线为压电材料，同时具有半导体性能，用于当所述挠性石英片单元发生形变时，在纳米线两端产生压电极化束缚电荷，引起肖特基势垒高度变化；所述纳米线的两端分别通过块状电极固定于所述质量摆片单元和固定环单元上；
引线单元，用于将所述形变检测单元两端的块状电极同信号处理单元连接形成回路；
信号处理单元，用于在所述形变检测单元两端提供电压差，并测量纳米线所产生的电流及根据该电流得到加速度。
还包括力反馈单元，设置于所述信号处理单元与所述质量摆片单元之间，用于根据所述信号处理单元得到的加速度来作为反馈输入信号，以在质量摆片单元上产生一个回复力，使所述质量摆片单元尽快恢复平衡位置。
所述固定环单元的主体为固定环，质量摆片单元为圆盘状并位于固定环中部空腔中；挠性石英片单元的主体为两挠性石英片，以使质量摆片单元限制在垂直于所述固定环单元所在平面的方向上摆动。(此处的固定环单元和质量摆片单元为圆环和圆盘状只是一个具体实施例，其他形状诸如方形等也都可。)
一种基于压电电子学效应的加速度测量方法，本方法基于前述的基于压电电子学效应的加速度测量装置而进行，测量时，通过信号处理单元在纳米线两端施加一个电压信号，然后测量纳米线中电流大小；当质量摆片单元受到加速度而产生位移时，挠性石英片单元发生形变，带动纳米线产生形变而引起电流信号发生变化，电流信号I同纳米线的形变量S呈指数关系I∝eS，纳米线的形变量S跟加速度具有一一对应关系，通过信号处理单元对电流信号的测量得到加速度值。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过所述引线单元连接所述形变检测单元和信号处理单元，在纳米线两端产生稳定的电压差，测量得到电流信号，当所述质量摆片单元受到加速度而产生位移时，所述挠性石英片单元发生形变，带动所述纳米线产生形变而引起电流信号发生变化，通过所述信号处理单元对电流信号的测量得到加速度值。由于电流信号I同所述纳米线的形变量S呈指数关系I∝eS，而加速度又同纳米线的形变量近似呈线性关系，因此微小的加速度变化将会引起电流信号指数级的变化，故可大大提高测量的准确度。
2、同时由于纳米线优异的机械性能，在发生大角度弯曲的情况下依然可以正常工作，可以提高加速度测量的量程。
3、由于压电电子学效应在结区的响应时间在5ms以内，可以提高加速度的灵敏度；又由于纳米线为微纳结构，在纳米线产生形变时依然不会影响所述质量摆片对加速度的感应，因此由纳米线引入的系统误差可忽略不计。
总之，本发明利用压电电子学效应对界面结区势垒的调控放大作用以及纳米材料极其独特的机械性能，可以实现加速度测量的高准确度、高灵敏度和较大的测量量程。
附图说明
图1-本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置模块示意图；
图2-本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置结构示意图；
图3-本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置另一种结构示意图；
图4-本发明基于压电电子学效应的加速度测量方法流程图。
其中，1-质量摆片单元；2-固定环单元；3-挠性石英片单元；4-形变检测单元；41-纳米线；42-块状电极；5-引线单元；6-信号处理单元；7-力反馈单元。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置放置于运载体内，固定环单元2同运载体保持相对静止，装置用于测量运载体垂直于固定环单元2所在平面方向的加速度。其中，本发明测量装置包括质量摆片单元1，用于在感受到运载体加速度时产生惯性力；固定环单元2，用于同运载体保持相对静止，作为所述质量摆片单元1的参考物；挠性石英片单元3，两端连接所述质量摆片单元1和固定环单元2，用于在质量摆片单元1感受到惯性力时产生相应大小的形变；形变检测单元4，用于检测所述挠性石英片单元3的形变；引线单元5，用于连接形变检测单元4和信号处理单元6以形成回路；以及信号处理单元6，用于给所述形变检测单元两端提供稳定的电压差和测量所产生的电流信号，并根据电流信号得到加速度。
其中，所述形变检测单元4包括纳米线41(如图2所示)，用于当挠性石英片单元3发生形变时一同发生形变，在纳米线41两端产生压电极化束缚电荷；块状电极42(如图2所示)，用于同纳米线41至少一端形成肖特基势垒，并将所述纳米线41的两端分别固定于所述质量摆片单元1和固定环单元2上。
在本实施例中，所述信号处理单元6由信号发生器和电流表组成，可向形变检测单元4提供电压，使所述纳米线41两端存在稳定的电压差，形成电流，并测量该电流信号得到加速度。此外，形变检测单元4还可通过与连接外接电源，使纳米线41两端间有稳定的电压差。
如图1所示，本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置还包括力反馈单元7，设置于所述质量摆片单元1和信号处理单元6之间，用于以信号处理单元6得到的加速度来作为反馈输入信号，产生回复力使质量摆片单元1尽快恢复平衡位置，以利于下一个加速度的测量。同时，通过力反馈单元7和极限加速度的限定，还可以对挠性石英片予以保护。因为加速度越大，表明挠性石英片的变形量也越大，大到一定程度后，挠性石英片可能断裂或者受损，因此为了保护挠性石英片，设置有一个极限加速度。当信号处理单元6通过变化的电流得到的加速度达到挠性石英片的极限加速度时，输出反馈信号给力反馈单元7，力反馈单元7产生回复力使质量摆片单元1尽快恢复平衡位置，也即使挠性石英片在极限加速度下马上回位，而不用任由挠性石英片继续变形而出现损坏风险。
所述形变检测单元4包括纳米线41(如图2)以及块状电极42(如图2)，纳米线41同块状电极42的两个接触点中至少一个为肖特基接触，用于检测所述挠性石英片3的形变，并将之转换为电信号。其中，所述纳米线41为同时具有压电特性和半导体特性的纳米线，进一步地，所述纳米线41可为氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、氮化镓(GaN)等纳米线；所述块状电极为磁控溅射镀膜电极，进一步地，所述块状电极可为磁控溅射金(Au)膜、铂(Pt)膜、银(Ag)膜等。
所述引线单元5(如图2)为导电性能好的金属或者非金属材料制成，例如：铬(Cr)铜(Cu)或者铂(Pt)等。
如图2所示，纳米线41两端之间有稳定的电压差，形成电流。当运载体拥有一个加速度时，所述质量摆片单元1将感受到惯性力而偏离平衡位置，引起挠性石英片单元3发生形变，由于纳米线41的两端被块状电极42分别固定于质量摆片单元1和固定环单元2上，纳米线41也将发生形变。
假设纳米线41同块状电极42的两个接触中仅有一个为肖特基接触，设运载体加速度为a，质量摆片单元1质量为m，纳米线41的形变量为S，挠性石英片单元3的形变量为S'，弹性系数为k，则有关系式：
而由于纳米线41的两端被块状电极42分别固定于质量摆片单元1和固定环单元2上，有关系：S∝S'。
因此，有S∝a。
根据压电电子学效应，当纳米线41产生形变量S时，其两端将产生压电极化束缚电荷，该电荷将引起由纳米线41和块状电极42接触所形成的肖特基接触势垒高度的变化，从而引起回路电流发生变化，设电流变为I，则有关系式I∝eS，微小的形变变化量将会引起指数级的电流变化。由于存在关系式I∝eS∝ea，微小的加速度变化量会引起指数级的电流变化。
由于挠性石英片单元3的形变为弯曲形变，当形变量过大时(弯曲角度大于约70度时)，S同a的关系可能并非线性关系，此时则需要将通过校准来确定电流I同加速度a之间的一一对应关系。(具体操作：给系统一个加速度a0，测量相应的电流I0，即确定当我们测量得到的电流为I0时，加速度为a0。)
需要注意的是，以上具体推导是基于图2纳米线所处位置和纳米线同块状电极间形成单个肖特基接触的情况，当纳米线两端均为肖特基接触时，情况较为复杂，推导稍有不同，但结论基本类似，此处仅以单肖特基情况讨论。而当纳米线为图3等所示位置时，纳米线形变量S和加速度a的关系比较复杂，需要根据具体的形状和几何尺寸来确定两者的一一对应关系，但关系式I∝eS依然成立。
使用本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置进行测量时，操作快捷方便，且测量的精度高、灵敏度高，测量量程大。
此外，本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置所用的形变检测单元4的纳米线41材料和形状选择范围广泛，可以选择的纳米线种类不限于具有压电特性的单晶纳米线，例如ZnO纳米线、ZnS纳米线、GaN纳米线等，也可以为具有压电性能的非单晶纳米线，例如铁电材料中的PZT纳米线和BCT-BZT纳米线等。同时，可以选择的材料形状也不限于纳米线，也可以为具有压电特性和半导体特性的纳米带、纳米薄膜、微米线等，例如ZnO纳米带或者ZnO微米线等。
所述形变检测单元4的块状电极42的制作方式也具有多样性，可以选择磁控溅射的方式制作电极，也可以使用光刻、聚焦离子束(Focused Ion beam，FIB)等方式均可。
所述质量摆片单元1和固定环单元2的形状多样，如图2所示，可以选择圆形，也可以选择其他形状，例如矩形、棒状等。
除此之外，纳米线41的位置的选择也不固定，可以选择如图2所示的位置，也可以选择如图3中纳米线的位置。
同时，本发明基于压电电子学效应的加速度测量装置还可将提供的电压改为具有一定规律变化的电压，用于动态测量。测量时，可根据需要进行选择。
如图4所示，本发明基于压电电子学效应的加速度测量方法包括：在所述纳米线的两端上连接块状电极，将纳米线的两端分别固定于质量摆片单元和固定环单元上，且所述纳米线的两个接触点中至少有一个为肖特基接触；通过信号处理单元在纳米线两端施加一个电压信号，并检测电流；根据测量到的电流信号得到加速度。
本发明基于压电电子学效应的加速度测量方法通过选择合适的纳米线和块状电极使所述的两个接触点中至少有一个为肖特基接触。
本发明基于压电电子学效应的加速度测量方法通过信号处理单元来施加的电压信号可以是恒定不变的电压信号，也可以是具有一定规律变化的电压信号，在测量时，可根据需要进行设置。此外，该电压信号也可不由信号处理单元提供，而改由外加电源提供。
本发明基于压电电子学效应的加速度测量方法还包括：力反馈单元通过信号处理单元得到的加速度来作为反馈输入信号，产生回复力使质量摆片单元恢复到平衡位置。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (4)
1.一种基于压电电子学效应的加速度测量装置，其特征在于：包括
质量摆片单元，用于在感受到运载体加速度时产生惯性力；
固定环单元，用于同运载体保持相对静止，作为所述质量摆片单元的参考物；
挠性石英片单元，用于连接所述质量摆片单元和固定环单元，以在质量摆片单元感受到惯性力时产生相应大小的形变；
形变检测单元，用于利用压电电子学效应来检测所述挠性石英片单元的形变；所述形变检测单元包括纳米线和位于纳米线两端的块状电极，其中至少一块状电极同纳米线形成肖特基势垒；纳米线为压电材料，同时具有半导体性能，用于当所述挠性石英片单元发生形变时，在纳米线两端产生压电极化束缚电荷，引起肖特基势垒高度变化；所述纳米线的两端分别通过块状电极固定于所述质量摆片单元和固定环单元上；
引线单元，用于将所述形变检测单元两端的块状电极同信号处理单元连接形成回路；
信号处理单元，用于在所述形变检测单元两端提供电压差，并测量纳米线所产生的电流及根据该电流得到加速度。
2.根据权利要求1所述的基于压电电子学效应的加速度测量装置，其特征在于：还包括力反馈单元，设置于所述信号处理单元与所述质量摆片单元之间，用于根据所述信号处理单元得到的加速度来作为反馈输入信号，以在质量摆片单元上产生一个回复力，使所述质量摆片单元尽快恢复平衡位置。
3.根据权利要求1所述的基于压电电子学效应的加速度测量装置，其特征在于：所述固定环单元的主体为固定环，质量摆片单元为圆盘状并位于固定环中部空腔中；挠性石英片单元的主体为两挠性石英片，以使质量摆片单元限制在垂直于所述固定环单元所在平面的方向上摆动。
4.一种基于压电电子学效应的加速度测量方法，其特征在于，本方法基于权利要求1-3任一所述的基于压电电子学效应的加速度测量装置而进行，测量时，通过信号处理单元在纳米线两端施加一个电压信号，然后测量纳米线中电流大小；当质量摆片单元受到加速度而产生位移时，挠性石英片单元发生形变，带动纳米线产生形变而引起电流信号发生变化，电流信号I同纳米线的形变量S呈指数关系I∝eS，纳米线的形变量S跟加速度具有一一对应关系，通过信号处理单元对电流信号的测量得到加速度值。
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