壓力傳感器應用廣泛,例如汽車中的多路壓力測量(如空氣壓力測量和輪胎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的壓力測量)、環(huán)境控制(如加熱、通風和空氣調節(jié))中的壓力測量、航空系統(tǒng)中的壓力測量以及醫(yī)學中動脈血液壓力測量等。這里將在傳統(tǒng)壓力傳感器中使用一種新原理一介觀壓阻效應口,即在共振隧穿電壓附近,通過4個物理過程,將一個微弱的力學信號轉化為一個較強的電學信號。用基于介觀壓阻效應的共振隧穿薄膜替代傳統(tǒng)的壓阻式應變片作為敏感元件,通過理論分析和仿真數(shù)字壓力開關計算驗證了該結構對傳感器靈敏度、固有頻率的影響,從理論上證明了介觀壓阻效應原理可以提高壓力傳感器的靈敏度,擴大其測量頻率的范圍。
2 介觀壓阻效應及GaAs,AlAs/InGaAsDBRT結構薄膜
介觀壓阻效應的定義為“等效電阻的應力調制”,等效電阻是對共振隧汽車油耗監(jiān)控效應的一種具體描述。由4個物理過程組成:①在力學信號下,納米結構中的應力分布將發(fā)生變化;②一定條件下應力變化可引起內建電場的產生;③內建電場將導致納米帶結構中量子能級發(fā)生變化;④量子能級變化會引起共振隧穿電流變化。簡言之,在共振隧穿附近,通過上述過程,可將一個微弱的力學信號轉化。為一個較強的電學信號,體現(xiàn)出較大的壓阻系數(shù)。這里所用的介觀壓阻效應元件為GaAs/A1As/InGaAs DBRT結構薄膜納米級窄帶隙材料。隨著外部壓力引起的拉伸應變的變化(如圖1所示),DBRT結構的共振隧穿電流和阻抗顯著變化。并且,阻抗應變輸出可由外部電壓有效調節(jié)。其優(yōu)點是靈敏度高、靈敏度可調、靈敏度隨溫度變化小。