基于压阻检测的双端固支硅纳米梁研究

来源 :中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 被引量 : 2次 | 上传用户:cwq2214
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NEMS谐振器作为痕量传感器在生化检测等领域应用获得广泛关注,而纳米尺度下器件的谐振特性检测成为一个关键技术问题。在硅基谐振器特性的主要检测方法中,压阻检测方法因易于实现、易于与器件集成等优点而应用甚多,但是在纳米厚度的NEMS谐振器上形成压阻器件是实现压阻检测的一个挑战。本文工作主要探索硅纳米谐振器上压阻检测的实现方法,以促进器件的实际应用。本文创新性地提出利用Ar离子选择性注入纳米厚度的双端固支硅纳米梁,以形成压阻器件的技术方案。其基本原理是,注入的高能量Ar离子,破坏了硅梁单侧的原子结构,形成纳米厚度的硅无定形区域。未经退火修复的无定型硅中具有大量的断裂价键,其电导率明显下降,而无Ar离子注入的其他部分则保持原有的原子结构和电导率,在纳米梁的厚度方向上形成电导梯度,从而表现出压阻特性。本文总结介绍了微纳器件相关的主要噪声和阻尼机制,对双端固支梁的谐振频率和其谐振模态进行了理论分析计算,完成了NEMS谐振器的结构设计。在比较分析了微纳谐振器的激励方式的基础上,确定以静电激励作为我们实验的激励方式。同时,介绍了硅的压阻性质,并分析了本文工作所涉及的硅纳米梁器件的压阻电阻变化率。本文采用基于MEMS技术的纳米制造方法,重点分析研究了KOH各向异性腐蚀技术的特点,结合体MEMS工艺中的干法刻蚀等关键工艺,在(111)硅片上制作出了厚度约为200nm的双端固支硅纳米梁。利用Ar离子选择性注入方法,在该硅纳米梁上形成了用于实测的压阻器件。本文设计了静电激励和压阻检测电路系统,实现了双端固支硅纳米梁静态和动态特性测量。静态测量表明,Ar离子注入所形成的压阻电阻,相对静态偏置电压的具有0.5%/V左右的变化率。在大气下,实现了双端固支硅纳米梁的谐振特性的检测,得到谐振频率为400KHz,Q值为7.9;对硅纳米梁进行退火后可以获得更高的Q值,达394。我们认为,适度的退火可以对Ar离子注入损伤进行部分修复,降低能量耗散,在保持压阻特性的同时可提高Q值,有利于器件的实际应用。
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