一种基于量子隧道效应的新型压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于量子隧道效应的新型压力传感器，参考样品固定在感压膜片的中心位置，在沿感压膜片中轴线的方向上，安装有探针，探针用于检测参考样品和针尖之间的隧道电流，由信号控制软件采集隧道电流信号。当有压力作用在感压膜片上时，参考样品产生微小位移，隧道电流随之改变，参考样品位移量即为感压膜片中心形变量，膜片中心形变量与压力变化呈线性关系。根据隧道电流的变化量，可测算感压膜片中心形变量，从而获得压力值。本发明专利技术的传感器所测形变量能够达到亚纳米级，对于高精度水下压力传感器的研究具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子隧道效应的新型压力传感器
本专利技术属于传感器
，尤其涉及一种基于量子隧道效应的新型压力传感器，其用途是对微小压力变化的精密测量。
技术介绍
对海洋的探测一直以来是各国关注的焦点。压力作为海洋环境中最重要的参考元素之一，使得水下压力传感器成为海洋探测的主要仪器，水下压力传感器广泛应用于海啸监测、浮标、潜标、水下移动平台和海底观测网等海洋观测系统。现代水下压力传感器要求既能测量水压，又能测量出水压的微小变化量。比如在海啸预警系统中，要求海啸计中的水下压力传感器在深海能够测量的压力变化达到毫米级水柱。这是由于水的弛豫作用以及深海环境巨大的静水压，潜艇、海啸等在深海环境中引起的水压变化相对于深海的静水压是很小的。在开阔海域中，海啸在6000米深海处引起的压力变化相当于1厘米水柱所产生的压力。水下压力传感器需要能够测量出水压的微小变化量，这是目前水下压力探测所面临的难题。我国对水下压力传感器的研究起步相对较晚。目前，我国科研工作者在测量深海压力时，一般使用“陆地测量—海洋结合”的测量方法。较为经典的水下压力传感器有电容式、应变片、压电式、光栅式、光纤式等。出现较早的应变式压力传感器对于深海压力引起的大应变有较大的非线性、输出信号较弱，需要采取一定的补偿措施。使用较多的电容式传感器在所测压力变化特别小时，所测电容变化也十分微小，使得传感器的灵敏度受到限制。电容式传感器需要高压工作，同时传感器本身存在各种寄生效应，对测量精度产生影响。光栅式和光纤式压力传感器是目前最新的研究成果，属于精度较高的一类传感器，然而由于这类传感器的设计和原理都较为繁琐，体积不够小巧，并且高精度的传感器价格十分昂贵，从而在实际应用上面有所限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于量子隧道效应的新型压力传感器，以解决上述背景中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于量子隧道效应的新型压力传感器，包括外壳和微形变检测装置，其特征在于：所述外壳包括感压膜片，上隔水罩和下隔水罩；所述微形变检测装置包括压电步进马达、马达外框、压电陶瓷、探针和参考样品；下隔水罩中央是感压膜片，参考样品固定在感压膜片的中心位置，马达外框沿感压膜片中轴线方向固定在下隔水罩上，沿外框中轴线的方向安装压电步进马达，压电步进马达下端固定压电陶瓷和探针，探针针尖正对参考样品，所述探针用于检测针尖与参考样品间的隧道电流。所述压电步进马达为传感器中的定位装置，精确控制针尖与参考样品间的距离。进一步说明，所述感压膜片受到外界压力作用后发生微小形变，感压膜片会带动固定在其上的参考样品发生运动，从而引起参考样品与针尖的距离发生微小变化，参考样品与针尖距离的变化量即为感压膜片中心形变量。进一步说明，所述隧道电流为I＝KUe-kd，d为针尖与参考样品间的距离，隧道电流与距离成指数函数，当d减小0.1nm,隧道电流会增加一个数量级，因此当感压膜片发生形变时，参考样品与针尖间的隧道电流大小会发生变化，由隧道电流的变化可以检测感压膜片的微小形变。进一步说明，所述感压膜片为圆形膜片，压力作用下的膜片中心形变量与压力变化呈线性关系。ω为膜片中心形变量，q0为作用在膜片上的载荷，由隧道电流的变化量可以得到外界压力的变化量。
技术介绍
相比，本专利技术具有的有益效果是：本专利技术利用量子隧道效应测量感压膜片中心形变量，从而得到压力值。所测形变量能够达到亚纳米级，传感器精度高，对于高精度水下压力传感器的研究具有重要的意义。再者，本专利技术的传感器，易于操作和控制，使用范围广。在本专利技术基于量子隧道效应的压力传感器的基础上，还可以构建相关的纳米测量系统。附图说明图1是基于量子隧道效应的新型压力传感器结构示意图。图2是本专利技术的测量系统示意图。图1中：1、上隔水罩，2、前置放大器，3、六角铜柱，4、压电步进马达，5、马达运行导轨，6、马达顶板，7、马达底板，8、压电陶瓷，9、探针架，10、参考样品，11、探针，12、感压膜片，13、马达外框，14、下隔水罩。图2中：15、控制电路，16、信号控制软件，17、压力源，18、压力传感器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。如图1、2中，本专利技术的基于量子隧道效应的新型压力传感器，包括不锈钢上隔水罩1、前置放大器2、固定配件六角铜柱3、压电步进马达4、马达运行导轨5、马达顶板6、马达底板7、压电陶瓷8、探针架9、参考样品10、探针11、感压膜片12、不锈钢马达外框13和不锈钢下隔水罩14。本专利技术的测量系统包括控制电路15、信号控制软件16、压力源17、压力传感器18。下隔水罩1中央是感压膜片12，参考样品10用银胶固定在感压膜片12的中心位置上，马达外框13沿感压膜片12中轴线方向固定在下隔水罩1上。前置放大器2用六角铜柱3安装在马达外框13上。在框架内，安装三根马达运行导轨5，步进马达4安装在三根导轨5中，使步进马达4的行走方向为感压膜片12中轴线方向。步进马达4由两支压电堆栈组成，马达4上端固定顶板6，下端通过马达底板7安装压电陶瓷8。探针11通过探针架9与压电陶瓷8相连，探针针尖正对参考样品10，即正对感压膜片12中心。探针11用于检测隧道电流。起始状态时，探针针尖与参考样品10之间的距离较远，探针11无法检测到隧道电流。此时由控制电路14控制步进马达4的行走和压电陶瓷8的伸缩动作，在控制电路14的作用下，步进马达4带动压电陶瓷8在马达运行导轨5上行走，直到针尖进入隧道区，参考样品10与针尖构成隧道结，参考样品10与针尖在偏压作用下出现隧道电流，马达4停止行走，完成探针11与参考样品10的粗逼近，偏压由前置放大器2施加。压电陶瓷8在控制电路14作用下在Z方向上逐渐伸长，当隧道电流和参考样品10与针尖的距离成指数关系时，传感器进入工作状态。隧道电流经前置放大器2输出，由信号控制软件15采集隧道信号。将压力传感器17用上隔水罩1罩上，传感器内部为真空。基于上述压力传感器，本专利技术还提供了一种基于量子隧道效应的新型压力传感器测量压力方法，在本具体实施例中，所用压电陶瓷为管状压电陶瓷，共两个电极，外电极接地，内电极控制压电陶瓷伸缩。所用参考样品为高聚石墨晶体。所用马达运行导轨平行，保证马达平滑行走。所用的探针是尖端只有原子线度的贵金属丝。所述方法包括:步骤1)传感器放置到待测压力区域。步聚2)步进马达在控制电路作用下，带动压电陶瓷和探针行走，直到探针针尖进入隧道区，探针检测到隧道电流，马达停止行走，完成探针与石墨晶体的粗逼近。步骤3)隧道电流与探针和石墨晶体间的距离成指数函数，传感器进入工作状态。步骤4)待测压力作用在感压膜片上，感压膜片发生形变，带动固定在其上的石墨晶体，石墨晶体与针尖的距离发生微小变化，石墨晶体与针尖距离的变化量即为感压膜片中心形变量。步骤5)隧道电流大小随探针与石墨晶体之间距离的改变而发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子隧道效应的新型压力传感器，包括外壳和微形变检测装置，其特征在于：所述外壳包括感压膜片，上隔水罩和下隔水罩；所述微形变检测装置包括压电步进马达、马达外框、压电陶瓷、探针和参考样品；/n下隔水罩中央是感压膜片，参考样品固定在感压膜片的中心位置，马达外框沿感压膜片中轴线方向固定在下隔水罩上，沿外框中轴线的方向安装压电步进马达，压电步进马达下端固定压电陶瓷和探针，探针针尖正对参考样品，所述探针用于检测针尖与参考样品间的隧道电流。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于量子隧道效应的新型压力传感器，包括外壳和微形变检测装置，其特征在于：所述外壳包括感压膜片，上隔水罩和下隔水罩；所述微形变检测装置包括压电步进马达、马达外框、压电陶瓷、探针和参考样品；
下隔水罩中央是感压膜片，参考样品固定在感压膜片的中心位置，马达外框沿感压膜片中轴线方向固定在下隔水罩上，沿外框中轴线的方向安装压电步进马达，压电步进马达下端固定压电陶瓷和探针，探针针尖正对参考样品，所述探针用于检测针尖与参考样品间的隧道电流。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文璟，夏志刚，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33