一種基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及加速度測量，具體涉及一種基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置及 測量方法，屬于慣性制導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在各種運(yùn)載體的導(dǎo)航定位中，通過測量位置、速度或加速度都可以得到運(yùn)動物體 的軌跡，但是由于在運(yùn)動物體內(nèi)部能夠測量的只有加速度，因此加速度的測量對于慣性導(dǎo) 航技術(shù)有著特別重要的意義。加速度計(jì)就是用于感知運(yùn)載體所受加速度的慣性器件。
[0003]目前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的加速度計(jì)主要有擺式積分陀螺加速度計(jì)、振梁式加速度 計(jì)、單晶硅微加速度計(jì)和力平衡式加速度計(jì)四種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但總體而言，其測量技術(shù)都 還停留在上個(gè)世紀(jì)80年代的水平，測量靈敏度、精度和量程都還有待提高。以目前在慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，平衡式加速度計(jì)中最具代表性的石英撓性加速度計(jì)為例。目前 石英撓性加速度計(jì)主要是一種將撓性支撐部分和電容傳感器做成一體化的機(jī)械擺式加速 度計(jì)，利用電容傳感器來作為測量撓性形變的敏感單元，因此電容傳感器存在的問題同時(shí) 也是這種加速度計(jì)的缺陷所在，例如電容傳感器量程的增大通常意味著電極板間距的增 大，而這將導(dǎo)致對微小形變測量精度的降低和器件體積的增大。要想使加速度計(jì)的性能上 升到一個(gè)新的高度，必須引入新的測量原理和技術(shù)。
[0004] 王中林先生在2006年發(fā)現(xiàn)的壓電電子學(xué)效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)超高精度的形變表征。隨 著近十年的深入研究，該效應(yīng)已經(jīng)在壓力傳感器等領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，在世界頂 尖期刊《Science》和《Nature》上發(fā)表了多篇文章，受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注和興趣。該效應(yīng) 主要出現(xiàn)于同時(shí)具有壓電特性和半導(dǎo)體特性的材料中，通過外加應(yīng)力使材料發(fā)生形變產(chǎn)生 壓電勢，利用壓電勢調(diào)節(jié)和控制界面或結(jié)區(qū)（例如p-n結(jié)、肖特基結(jié)）載流子傳輸性質(zhì)，進(jìn) 而將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為電信號。
[0005]同時(shí)，材料方面，由于納米線等納米材料具有極其優(yōu)良的機(jī)械性能，不僅在受到較 小應(yīng)力作用下（nN量級）就能夠產(chǎn)生較大形變，而且有公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，納米線經(jīng)過數(shù) 億次反復(fù)的較大機(jī)械形變后其性能幾乎不變。因此對于如納米線等納米材料而言，壓電電 子學(xué)效應(yīng)現(xiàn)象極其顯著，機(jī)械信號對輸出電信號的影響程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓阻效應(yīng)，能在保 證對微小形變測量精度的情況下，承受較大的形變而不損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的 加速度測量裝置及測量方法，本發(fā)明利用壓電電子學(xué)效應(yīng)對界面結(jié)區(qū)勢皇的調(diào)控放大作用 以及納米材料極其獨(dú)特的機(jī)械性能，提高測量加速度的精度、靈敏度和量程。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置，包括
[0009] 質(zhì)量擺片單元，用于在感受到運(yùn)載體加速度時(shí)產(chǎn)生慣性力；
[0010] 固定環(huán)單元，用于同運(yùn)載體保持相對靜止，作為所述質(zhì)量擺片單元的參考物；
[0011] 撓性石英片單元，用于連接所述質(zhì)量擺片單元和固定環(huán)單元，以在質(zhì)量擺片單元 感受到慣性力時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)大小的形變；
[0012] 形變檢測單元，用于利用壓電電子學(xué)效應(yīng)來檢測所述撓性石英片單元的形變；所 述形變檢測單元包括納米線和位于納米線兩端的塊狀電極，其中至少一塊狀電極同納米線 形成肖特基勢皇；納米線為壓電材料，同時(shí)具有半導(dǎo)體性能，用于當(dāng)所述撓性石英片單元發(fā) 生形變時(shí)，在納米線兩端產(chǎn)生壓電極化束縛電荷，引起肖特基勢皇高度變化；所述納米線的 兩端分別通過塊狀電極固定于所述質(zhì)量擺片單元和固定環(huán)單元上；
[0013] 引線單元，用于將所述形變檢測單元兩端的塊狀電極同信號處理單元連接形成回 路；
[0014] 信號處理單元，用于在所述形變檢測單元兩端提供電壓差，并測量納米線所產(chǎn)生 的電流及根據(jù)該電流得到加速度。
[0015] 還包括力反饋單元，設(shè)置于所述信號處理單元與所述質(zhì)量擺片單元之間，用于根 據(jù)所述信號處理單元得到的加速度來作為反饋輸入信號，以在質(zhì)量擺片單元上產(chǎn)生一個(gè)回 復(fù)力，使所述質(zhì)量擺片單元盡快恢復(fù)平衡位置。
[0016] 所述固定環(huán)單元的主體為固定環(huán)，質(zhì)量擺片單元為圓盤狀并位于固定環(huán)中部空腔 中；撓性石英片單元的主體為兩撓性石英片，以使質(zhì)量擺片單元限制在垂直于所述固定環(huán) 單元所在平面的方向上擺動。（此處的固定環(huán)單元和質(zhì)量擺片單元為圓環(huán)和圓盤狀只是一 個(gè)具體實(shí)施例，其他形狀諸如方形等也都可。）
[0017] -種基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量方法，本方法基于前述的基于壓電電子學(xué) 效應(yīng)的加速度測量裝置而進(jìn)行，測量時(shí)，通過信號處理單元在納米線兩端施加一個(gè)電壓信 號，然后測量納米線中電流大??；當(dāng)質(zhì)量擺片單元受到加速度而產(chǎn)生位移時(shí)，撓性石英片單 元發(fā)生形變，帶動納米線產(chǎn)生形變而引起電流信號發(fā)生變化，電流信號I同納米線的形變 量S呈指數(shù)關(guān)系I〇ces，納米線的形變量S跟加速度具有一一對應(yīng)關(guān)系，通過信號處理單元 對電流信號的測量得到加速度值。
[0018] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0019] 1、本發(fā)明通過所述引線單元連接所述形變檢測單元和信號處理單元，在納米線兩 端產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓差，測量得到電流信號，當(dāng)所述質(zhì)量擺片單元受到加速度而產(chǎn)生位移時(shí)， 所述撓性石英片單元發(fā)生形變，帶動所述納米線產(chǎn)生形變而引起電流信號發(fā)生變化，通過 所述信號處理單元對電流信號的測量得到加速度值。由于電流信號I同所述納米線的形變 量S呈指數(shù)關(guān)系I〇ces，而加速度又同納米線的形變量近似呈線性關(guān)系，因此微小的加速度 變化將會引起電流信號指數(shù)級的變化，故可大大提高測量的準(zhǔn)確度。
[0020] 2、同時(shí)由于納米線優(yōu)異的機(jī)械性能，在發(fā)生大角度彎曲的情況下依然可以正常工 作，可以提高加速度測量的量程。
[0021] 3、由于壓電電子學(xué)效應(yīng)在結(jié)區(qū)的響應(yīng)時(shí)間在5ms以內(nèi)，可以提高加速度的靈敏 度；又由于納米線為微納結(jié)構(gòu)，在納米線產(chǎn)生形變時(shí)依然不會影響所述質(zhì)量擺片對加速度 的感應(yīng)，因此由納米線引入的系統(tǒng)誤差可忽略不計(jì)。
[0022] 總之，本發(fā)明利用壓電電子學(xué)效應(yīng)對界面結(jié)區(qū)勢皇的調(diào)控放大作用以及納米材料 極其獨(dú)特的機(jī)械性能，可以實(shí)現(xiàn)加速度測量的高準(zhǔn)確度、高靈敏度和較大的測量量程。
【附圖說明】
[0023] 圖1-本發(fā)明基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置模塊示意圖；
[0024] 圖2-本發(fā)明基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3-本發(fā)明基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置另一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4-本發(fā)明基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量方法流程圖。
[0027] 其中，1-質(zhì)量擺片單元；2-固定環(huán)單元；3-撓性石英片單元；4-形變檢測單元； 41-納米線；42-塊狀電極；5-引線單元；6-信號處理單元；7-力反饋單元。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置放置于運(yùn)載體內(nèi)，固 定環(huán)單元2同運(yùn)載體保持相對靜止，裝置用于測量運(yùn)載體垂直于固定環(huán)單元2所在平面方 向的加速度。其中，本發(fā)明測量裝置包括質(zhì)量擺片單元1，用于在感受到運(yùn)載體加速度時(shí)產(chǎn) 生慣性力；固定環(huán)單元2,用于同運(yùn)載體保持相對靜止，作為所述質(zhì)量擺片單元1的參考物； 撓性石英片單元3,兩端連接所述質(zhì)量擺片單元1和固定環(huán)單元2,用于在質(zhì)量擺片單元1 感受到慣性力時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)大小的形變；形變檢測單元4,用于檢測所述撓性石英片單元3的 形變；引線單元5,用于連接形變檢測單元4和信號處理單元6以形成回路；以及信號處理 單元6,用于給所述形變檢測單元兩端提供穩(wěn)定的電壓差和測量所產(chǎn)生的電流信號，并根據(jù) 電流ig號得到加速度。
[0030] 其中，所述形變檢測單元4包括納米線41 (如圖2所示），用于當(dāng)撓性石英片單元 3發(fā)生形變時(shí)一同發(fā)生形變，在納米線41兩端產(chǎn)生壓電極化束縛電荷；塊狀電極42 (如圖2 所示），用于同納米線41至少一端形成肖特基勢皇，并將所述納米線41的兩端分別固定于 所述質(zhì)量擺片單元1和固定環(huán)單元2上。
[0031] 在本實(shí)施例中，所述信號處理單元6由信號發(fā)生器和電流表組成，可向形變檢測 單元4提供電壓，使所述納米線41兩端存在穩(wěn)定的電壓差，形成電流，并測量該電流信號得 到加速度。此外，形變檢測單元4還可通過與連接外接電源，使納米線41兩端間有穩(wěn)定的 電壓差。
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明基于壓電電子學(xué)效應(yīng)的加速度測量裝置還包括力反饋單元7， 設(shè)置于所述質(zhì)量擺片單元1和信號處理單元6之間，用于以信號處理單元6得到的加速度 來作為反饋輸入信號，產(chǎn)生回復(fù)力使質(zhì)量擺片單元1盡快恢復(fù)平衡位置，以利于下一個(gè)加 速度的測量。同時(shí)，通過力反饋單元7和極限加速度的限定，還可以對撓性石英片予以保 護(hù)。因?yàn)榧铀俣仍酱?，表明撓性石英片的變形量也越大，大到一定程度后，撓性石英片可?斷裂或者受損，因此為了保護(hù)撓性石英片，設(shè)置有一個(gè)極限加速度。當(dāng)信號處理