介觀壓阻效應及GaAs
，AlAs/InGaAsDBRT結構薄膜

介觀壓阻效應的定義為“等效電阻的應力調製”，等效電阻是對共振隧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生變化；④量(liang)子(zi)能(neng)級(ji)變(bian)化(hua)會(hui)引(yin)起(qi)共(gong)振(zhen)隧(sui)穿(chuan)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)。簡(jian)言(yan)之(zhi)，在(zai)共(gong)振(zhen)隧(sui)穿(chuan)附(fu)近(jin)，通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)過(guo)程(cheng)

，可(ke)將(jiang)一(yi)個(ge)微(wei)弱(ruo)的(de)力(li)學(xue)信(xin)號(hao)轉(zhuan)化(hua)。為(wei)一(yi)個(ge)較(jiao)強(qiang)的(de)電(dian)學(xue)信(xin)號(hao)，體(ti)現(xian)出(chu)較(jiao)大(da)的(de)壓(ya)阻(zu)係(xi)數(shu)。這(zhe)裏(li)所(suo)用(yong)的(de)介(jie)觀(guan)壓(ya)阻(zu)效(xiao)應(ying)元(yuan)件(jian)為(wei)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。並且
，阻抗應變輸出可由外部電壓有效調節。其優點是靈敏度高
、靈敏度可調
、靈敏度隨溫度變化小。

 
圖1：量子阱外加偏壓前後示意圖

傳感器結構設計及力學分析

所設計的壓阻式壓力微傳感器
，其製法是將N型矽腐蝕成厚10～25μm的膜片
，並在一麵擴散了4個阻值相等的P型(xing)電(dian)阻(zu)。矽(gui)膜(mo)片(pian)周(zhou)邊(bian)用(yong)矽(gui)杯(bei)固(gu)定(ding)，則(ze)當(dang)膜(mo)片(pian)兩(liang)麵(mian)有(you)壓(ya)力(li)差(cha)時(shi)，膜(mo)片(pian)即(ji)發(fa)生(sheng)變(bian)形(xing)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)。用(yong)微(wei)電(dian)路(lu)檢(jian)測(ce)出(chu)這(zhe)種(zhong)電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)，通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)即(ji)可(ke)得(de)出(chu)壓(ya)力(li)變(bian)化(hua)如(ru)圖(tu)2所示。

 
圖2：周邊固支圓平膜片傳感器示意圖

計算時假設：小撓度理論；壓力是均勻作用於平膜片表麵。由平膜片的應力計算公式可知：

當r<0．635R時，σ>0；

同樣
，當r=0．812R時
，σT=0
，且σr<0，如圖3所示。在圓形矽膜片上，沿[110]晶向，在0．635R半徑內外各擴散2個電阻
，並適當安排擴散的位置，使得σn=一σro，則有(△R／R)i=一(△R/R)

 
圖3：周邊固支圓平膜片表麵應力示意圖

這樣即可組成差動全橋電路，測出壓力P的變化。式中σri，σro分別為內
、外電阻上所受徑向力的平均值
；(△R／R)i，(△R/R)分別為內、外電阻的相對變化。

根據膜的結構與應力計算公式
，推出被測壓力與應變片測出的應變關係：

 

式中：μ為矽材料的泊鬆比，μ=O.35；R,r，h分別為矽膜片的有效半徑
，計算半徑
，厚度
；E為矽材料的模量

，E=8．7Gpa
；P為作用於平膜片上的壓力
；ω為平膜片的撓度；

經過分析，綜合考慮設計的要求，初步設定：h=20μm，R=200μm。其固有頻率可以按下式計算：

 

傳感器的性能分析與計算

使用介觀壓阻效應原理代替壓阻原理來檢測壓力，將圓膜片上的的壓敏電阻換成GaAs／A1As／InGaAs DBRT結構薄膜。用傳遞矩陣法計算該薄膜在沿生長方向的應力變化下的輸出響應

，通過整個結構的隧穿電流密度可表示為：


 
式中：e為電子電荷的大小，m*為GoAs電子的有效質量，kB為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，EF為費米能級，E1為入射電子垂直(縱向)能量。

傳感器的輸出為：
 

設偏壓為0．75 V設偏壓為0．75 V，電橋的激勵電壓為2．5 V的情況下
，該傳感器的靈敏度S為：


 

圖4：不同拉伸應變下偏壓對隧道電流的影響

結語

該(gai)結(jie)構(gou)的(de)壓(ya)力(li)微(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)於(yu)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)與(yu)變(bian)換(huan)元(yuan)件(jian)一(yi)體(ti)化(hua)，尺(chi)寸(cun)小(xiao)，其(qi)固(gu)有(you)頻(pin)率(lv)很(hen)高(gao)，可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)很(hen)寬(kuan)的(de)脈(mai)動(dong)壓(ya)力(li)。在(zai)不(bu)同(tong)的(de)偏(pian)壓(ya)下(xia)，該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)不(bu)同(tong)。說(shuo)明(ming)靈(ling)敏(min)度(du)可(ke)調(tiao)節(jie)。同(tong)樣(yang)結(jie)構(gou)的(de)微(wei)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，如(ru)果(guo)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)是(shi)矽(gui)或(huo)銅(tong)鎳(nie)合(he)金(jin)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)，其(qi)靈(ling)敏(min)度(du)分(fen)別(bie)為(wei)0．38x104V／m和O．17×104V／m。可見采用共振隧穿二極管做為敏感元件的微壓力傳感器其靈敏度較之傳統的傳感器得到了很大的提高。