[发明专利]一种基于压电电子学效应的加速度测量装置及测量方法

说明书

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。

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；