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纳机电系统(NEMS)器件具有高达GHz的谐振频率、105的品质因数、10-22g的超高质量分辨率、15 Hz/zg(1zg=10-21g)的超高的质量灵敏度、lO-17瓦的超低功率等特性,故NEMS器件(如纳米梁)在谐振器、混频器、滤波器、生物化学传感器等方面有广阔的开发潜能和应用前景,是目前国际研究的热点课题之一,受到了广泛重视。目前单品硅是集成电路和微纳机电系统器件的主要材料,一方面,硅材料具有较好机械性能如弹性、良好的电特性、抗疲劳等特点;另一方面,硅微细加工技术发展迅速,设备先进且有强大、成熟的工业基础。硅纳米梁(纳米线)是NEMS的代表性器件,它的力学参数及力电特性成为了NEMS研究和应用的关键。正是在这一前提下,本文给出了多种形式的硅纳米梁结构,采用静电驱动方式来研究其动态特性(如频率特性)。论文的工作主要集中在谐振器的频率特性和纳米梁压阻特性及其电桥检测电路方面。
本论文首先给出了微纳机电系统的定义、特征及其应用,并在此基础上概述了目前主要的相关研究。实验中的器件是采用SOI片在中芯国际的0.18μm CMOS工艺线加工制作,得到了一维和两维尺寸在纳米尺度的NEMS器件,在本实验的超净间完成工艺流程中的金属铝湿法腐蚀以及结构的湿法释放。实验中利用Polytec激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)和静电驱动方式对器件进行动态特性检测,成功检测到不同长度、不同结构的NEMS器件的谐振振动,并考察了不同的梁结构在变直流和变交流下的非线性振动特性,得到了相关的结论。
纳米梁的压阻特性与能带理论密切相关。我们从P型单晶硅的价带结构理论和应变硅能带理论出发,详细讨论了压阻效应的内在机制即是空穴的转移和空穴质量的改变。同时计算了单轴应力下的压阻系数并提出了在弯曲等复杂载荷下的压阻理论模型。针对决定纳米梁的压阻效应的压阻系数的因素,我们从尺寸、杂质浓度、温度和弹性常数等方面进行了讨论。纳米压阻梁的检测也是实验中很重要的一环,我们介绍了恒压源或恒流源下供电方式下的惠斯通电桥并进一步考察了不同的组桥方式下的输出电压特性、灵敏度、非线性和温度补偿特性。同时阐述了压阻桥的零位失调及温漂,灵敏度的温漂及补偿方法。论文给出了实验芯片中所设计的压阻结构并对桥路的后续放大和滤波电路做了PSPICE仿真,又讨论了两种集成式压力传感器。