偏压电极是一个物理用语,是指应用于光电流测试等的电极。

外文名

Biass electrode

介绍

根据量子力学的隧道原理,当隧道针尖和对电极原子间的间距小到纳米量级时,电极和针尖中的电子都有一定的几率跨越隧道势垒到达对方的,在电极偏压的作用下,电子从隧道针尖到对电极的透射几率加强;同时,抑制了电子从电极到隧道针尖的电子透射几率。

原理

偏压电极

偏压电极

偏压电极

起始状态下,隧尖与对应电极之间距离远大约为1mm,没有隧道电流产生,对系统加电后,在驱动力的作用下,隧尖与对应电极逐渐接近,此时驱动静电力和弹性回复力都相应增大。当距离达到1mm左右的时候,有可检测的隧道电流产生,随着距离的缩小,隧道电流呈指数增长,在反馈控制电路的作用下,驱动电压下降,静电驱动力相应下降,最终与弹性回复力达到平衡,此时系统处在闭环工作状态下。当有正向外界加速度使隧道间距缩小时,静电力迅速减小而弹性力基本不变,产生向上的回复力,将质量块拉回平衡位置,从而使质量块位置基本保持不动,当有负向外界加速度使隧道间距增大时,静电力朝相反方向变化,同样使质量块位置基本保持不动,通过反馈控制电压的大小即可读出外界加速度的大小。

偏压电极

在隧道式加速度计中,有三个引出电极,反馈电极、偏置电极和隧道针尖对电极,分别对应于反馈端、偏置电压端和隧道电流输出端,反馈端和偏置电压端是共地的,其所共的地是隧道电流端,隧道电流端的电压大小是由外接电路确定的,一般是将隧道电流经大电阻转换位mV级的电压,再进行后续的处理。

在电路图中,因表头的封装形式还未定,故用三个连接点表示。

2FK:2代表封装壳的2引脚,电气特性为反馈端;

3PZ:3代表封装壳的3引脚,电气特性为偏置电压端;

4TC:4代表封装壳的4引脚,电气特性为隧道电流端。

I-V转换电路

因隧道电流的噪声本身所具有的1/f噪声和其它噪声,使隧道电流输出端的电压值本身存在mV级的噪声非常大的电压,以此作为反馈端和偏置端的参考地,势必影响整个隧道式加速度计的检测精度。故在本设计中,要尽量降低参考地的噪声和外界干扰。可利用运算放大器的虚短原理来实现,故前级放大电路设计成如图5形式。

偏压电极

偏压电极

通过反馈电阻R8将隧道电流转换为隧道电压。C10起缓冲输出的作用,C10和R8相并为高通滤波,其滤波频率为,所有高通频率的叠加为所需要的波形,C10的大小决定信号的灵敏度。通过选择较大容值的C10可滤除极低频的噪声。

同时,也对运放提出了较高的要求,要求偏置电流要小、噪声要低,故选用LTC6078AMS8,此运放的偏置电流和偏置电压都较小。

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