[发明专利]基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，属微机械电子技术领域。

背景技术

压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应实现的。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能级向另一个能级散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。由于压阻的变化量与应变成正比，因此压阻一般布置在柔性结构表面上，以获得更大的变形。由于压阻阻值的变化很小，因此需要额外电桥电路来测量电阻的微小相对变化。据文献显示，传统上用外电路检测硅压阻效应能够分辨的电压为微伏级，而且硅压阻传感器往往是通过降低抗过载能力以提高器件灵敏度的，所以高灵敏度伴随着量程小、带宽窄的缺点。

约瑟夫逊效应是电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层(厚度约10)时发生的量子力学隧道效应。一个约瑟夫逊结由两块超导体中间夹一层薄的绝缘层就形成了，绝缘层在1nm量级以保证量子效应显著。绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成“势垒”。超导体中的电子的能量不足以使它通过这势垒，所以宏观上不能有电流通过。但量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能有一定的概率透射，当“势垒”宽度逐渐减小时，这种透射的概率将随之增大，在1nm量级，这种透射的概率已经很可观了。这种电子对通过超导的约瑟夫逊结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫逊效应。

为了解决传统传感器检测灵敏度低、带宽窄、小量程等问题，本发明采用了把约瑟夫逊结和压阻器件的集成的结构和方法，来提高微尺度下压阻式器件的检测灵敏度，实现宽带宽、大量程、高过载、高灵敏度的性能。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，发明了一种基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，来提高微尺寸下压阻式器件的检测灵敏度，实现在保证超灵敏度检测的前提下来实现压阻式器件的大量程、高过载、高带宽的性能。

技术方案

本发明主要由：固定基座、悬臂梁、约瑟夫逊器件、压敏电阻组成；固定基座1的一端连接于悬臂梁2的根部，悬臂梁2的邻近根部区域掺杂有压敏电阻5、6，在固定基座1上邻近悬臂梁2连接处的区域掺杂有压敏电阻4、7，压敏电阻4、7的上部区域制作有约瑟夫逊器件3。

所述的约瑟夫逊器件3由硅衬底、二氧化硅层、超导金属层、超导金属层、约瑟夫逊结、电压输入正极、电压输入负极、电流输出正极、电流输出负极组成；在硅衬底9上制作有二氧化硅层10，二氧化硅层10上淀积有超导金属层11，超导金属层11上制作有约瑟夫逊结13，约瑟夫逊结13上淀积有超导金属层12，超导金属层11的两端连接有电压输入正极14、电流输出负极17，超导金属层12的两端连接有电压输入负极15、电流输出正极16。

所述的约瑟夫逊器件3的结构材料层由硅衬底层、二氧化硅层、铅层、氧化铅层、铜层、铅层组成；在硅衬底层18上制作有二氧化硅层19、即SiO₂层，在二氧化硅层19上制作有铅层20、即Pb层，在铅层20上制作有氧化铅层21、即PbO层，在氧化铅层21上制作有制作有铜层22、即Cu层，在铜层22上制作有铅层23、即Pb层。

所述的压敏电阻4、5、6、7结构尺寸相同，掺杂浓度相同，即阻值大小相同。

所述的约瑟夫逊器件3采用S-I-N-S结构，即超导金属-绝缘层-正常金属-超导金属。

所述的压敏电阻4、5、6、7连接成惠斯通电桥电路，其桥路输出端连接于约瑟夫逊器件3的电压输入正极14、电压输入负极15，约瑟夫逊器件3的电流输出正极16、电流输出负极17连接于频率检测电路，频率检测电路的信号输出到频谱分析仪。

所述的基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件超灵敏检测方法，可广泛应用于多种力环境的检测，如惯性力、哥氏力、压力、静电力、磁场力等。

检测原理

在微弱机械力的扰动下，悬臂梁根部制作的压敏电阻将力学信号转变成电学信号，将压敏电阻组成的惠斯通电桥电路的输出电压加载于约瑟夫逊结器件两端，在有限微小电压的作用下，就有一交变电流在约瑟夫逊结内往返流动，因此通过约瑟夫逊结可以将直流能量转变为交流能量的，对该交流能量频率的测量，就可以得到惠斯通电桥电路的输出电压，进而可得到该微弱机械力的大小。

式中，e为电荷量；V_out为电桥输出电压；·为普朗克常数；ω为电流输出频率。

有益效果