[发明专利]一种基于量子隧道效应的新型压力传感器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明提供如下技术方案：

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。