【摘 要】
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MEMS力学传感器由于具有体积小、重量轻、响应快、功耗低、易于微型化与集成化等优点,而被广泛的应用于航空航天、空间通信、卫星、军事以及核领域等。力敏传感单元作为MEMS力学传感器的核心部件,工作于航空航天、空间通信等辐照严重的领域时,辐照会对力敏传感单元产生结构损伤、电学损伤以及热损伤,从而导致它们的参数变化,严重时甚至会导致力敏传感单元完全失效。为提高力敏传感单元的工作可靠性,保障在空间和强辐射
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MEMS力学传感器由于具有体积小、重量轻、响应快、功耗低、易于微型化与集成化等优点,而被广泛的应用于航空航天、空间通信、卫星、军事以及核领域等。力敏传感单元作为MEMS力学传感器的核心部件,工作于航空航天、空间通信等辐照严重的领域时,辐照会对力敏传感单元产生结构损伤、电学损伤以及热损伤,从而导致它们的参数变化,严重时甚至会导致力敏传感单元完全失效。为提高力敏传感单元的工作可靠性,保障在空间和强辐射环境下应用的力敏传感单元能正确、及时、有效的工作,具有极为重要的意义。为此,本文针对硅压阻式、高电子迁移率晶体管（HEMT）以及柔性基等典型微纳力敏传感单元的抗辐照特性进行研究,通过设计不同的抗辐照结构,提高了典型微纳力敏传感单元抗辐照能力,实现了力敏传感单元的抗辐照加固。主要工作如下:1、针对力敏传感单元辐照引起的潜径迹结构损伤问题,提出多通道纳米结构。利用多通道纳米结构改变潜径迹的路径方向,抑制贯穿损伤,且为载流子输运提供多导电通道,提高抗辐照损伤能力。论文中将多通道纳米结构嵌入典型硅压阻式力敏传感单元进行研究,对样品进行5?10~1 ~2ion/cm~2高注量辐照,通过形貌测试对比得到典型硅压阻式传感单元的潜径迹形成贯穿损伤,损伤尺寸约10 nm,多通道纳米结构嵌入典型硅压阻式力敏传感单元的潜径迹未形成贯穿损伤,且损伤尺寸减小至8 nm。进一步通过对比辐照前后力敏灵敏度变化,得到在1?10~1 ~0ion/cm~2-1?1012ion/cm~2注量范围内,多通道纳米结构嵌入典型硅压阻式力敏传感单元灵敏度系数下降了19.6%,硅压阻式传感单元灵敏度系数下降了59.4%。辐照注量达到5?10~1 ~2ion/cm~2时,硅压阻式力敏传感单元失去力敏特性。同时,归因于多通道纳米结构的电子隧穿效应,多通道纳米结构嵌入式力敏传感单元的灵敏度提高了4倍。验证了多通道纳米结构能够有效解决辐照引起的结构损伤问题,提高典型力敏传感单元的抗辐照特性。2、针对力敏传感单元辐照引起的电学损伤问题,提出电子隧穿纳米结构。利用电子隧穿纳米结构中电子在三维方向运动都受到限制,降低辐射诱导产生的缺陷对电子在运动过程中的影响,提高抗辐照损伤能力。论文中将电子隧穿纳米结构嵌入HEMT力敏传感单元进行研究。经过1?10~1 ~1ion/cm~2注量辐照后,通过电学特性测试对比得到HEMT力敏传感单元漏电流降低了68.2%,而电子隧穿纳米结构嵌入HEMT力敏传感单元漏电流只降低了13%。进一步通过对比辐照前后力敏灵敏度变化,得到在1?10~1 ~0ion/cm~2-1?1011ion/cm~2注量范围内,电子隧穿纳米结构嵌入HEMT力敏传感单元灵敏度下降了5.6%,而HEMT力敏传感单元灵敏度下降了12.2%。辐照注量达到5?10~1 ~1ion/cm~2时,HEMT力敏传感单元失去力敏特性。同时,归因于电子隧穿纳米结构的电子隧穿效应,电子隧穿纳米结构嵌入式力敏传感单元的灵敏度提高了1倍。验证了电子隧穿纳米结构能够有效解决辐照引起的电学损伤问题,提高典型力敏传感单元的抗辐照特性。3、针对力敏传感单元辐照引起的热损伤问题,提出纳米颗粒-海绵复合结构。利用纳米颗粒对辐照射线较好的反射能力,降低材料结构发生热膨胀而导致的性能变化,且纳米颗粒粒径越小,比表面积越大,能够形成更多的辐照损耗界面,提高抗辐照损伤能力。论文中将纳米颗粒-海绵复合结构嵌入典型柔性力敏传感单元进行研究。通过对比辐照前后力敏灵敏度与重复性变化,得到在5 KGy-100 KGy剂量范围内,海绵复合结构嵌入柔性力敏传感单元的灵敏度系数降低了60.9%,重复性发生明显降低;50 nm粒径WO3纳米颗粒-海绵复合结构嵌入柔性力敏传感单元的灵敏度系数降低了11.4%,重复性未发生变化。为进一步提高灵敏度,优化了复合材料,制备了碳纳米管粉末含量为3vol%的不同粒径纳米颗粒-纤维复合结构嵌入柔性力敏传感单元,使灵敏度系数提高了3倍,同时也实现了较好的抗辐照热损伤特性。验证了纳米颗粒-海绵复合结构能够有效解决辐照引起的热损伤问题,提高典型力敏传感单元的抗辐照特性。
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