NEMS諧振器振動特性檢測方法研究.pdf

1、隨著納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)諧振器尺寸的減小和諧振頻率的提高,能否對諧振器的振動實(shí)現(xiàn)精確檢測已經(jīng)成為困擾NEMS器件繼續(xù)發(fā)展的主要問題之一。目前NEMS諧振器常用檢測方法主要包括磁勢拾振、激光干涉檢測、單電子器件檢測、壓阻拾振以及電容拾振等。 本文對各種NEMS諧振器振動特性的檢測方法進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)加工制作了采用壓阻拾振的增加應(yīng)力集中區(qū)域的NEMS諧振器,利用光學(xué)檢測方法對NEMS諧振器的振動特性進(jìn)行了成功的檢測。針對實(shí)驗(yàn)室自行

2、設(shè)計(jì)的NEMS諧振器,選擇了電學(xué)檢測方法中的電容拾振和壓阻拾振進(jìn)行研究。在電容拾振研究中,分析了電容拾振方法在NEMS領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)遇到的問題,即采用電容拾振的雙端NEMS諧振器的驅(qū)動電極與檢測電極間由于存在耦合電容將會導(dǎo)致輸入端與輸出端的饋通,影響檢測信號的信噪比。針對該問題基于雙端激勵(lì)/檢測的原理設(shè)計(jì)了一種簡單的對稱驅(qū)動和檢測的電容拾振結(jié)構(gòu),采用相位相差180°驅(qū)動電壓消除了檢測電極與驅(qū)動電極間寄生電容產(chǎn)生的噪聲信號,提高了檢測信號的信

3、噪比。在壓阻拾振研究中,對普通雙端固支梁、增加應(yīng)力集中孔的梁以及H型梁三種不同結(jié)構(gòu)的NEMS諧振器的壓阻性能進(jìn)行了分析。通過Coventor軟件模擬表明,在靜態(tài)偏置電壓下增加應(yīng)力集中區(qū)域的梁的壓阻靈敏度相對普通結(jié)構(gòu)有了很大的提高,其中H型梁壓阻靈敏度最高。建立H型梁的振動模型,對H型梁和普通梁振動狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行比較,通過模型計(jì)算結(jié)果以及Ansys軟件模擬結(jié)果比較,證明了增加應(yīng)力集中區(qū)域的H型梁的應(yīng)力相比普通梁得到了明顯的提高。本文對壓

4、阻和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明,并在流片中加工了部分壓阻拾振結(jié)構(gòu)。 本研究設(shè)計(jì)的NEMS諧振器采用中芯國際的0.18μm工藝進(jìn)行制造。工藝流程中的金屬鋁濕法腐蝕以及結(jié)構(gòu)的濕法釋放在本實(shí)驗(yàn)的超凈間完成。討論了在這兩步工藝加工過程遇到的各種問題,如附加的Ti/TiN的腐蝕、結(jié)構(gòu)過度釋放、雜質(zhì)的清洗等；提出了相應(yīng)的解決方案,最終成功加工出NEMS諧振器。介紹了各種檢測NEMS諧振器振動的光學(xué)檢測方法。采用Polytec激光多普勒測振

5、儀(LDV)在室溫和真空的環(huán)境下對加工的NEMS諧振器進(jìn)行振動特性檢測,包括諧振頻率和振動模態(tài)的檢測。檢測樣品為兩組,分別為同一芯片上從8μm到12μm不同長度的普通梁和H型梁。檢測到的諧振頻率為4.85MHz～13.38MHz,通過相位掃描的振動模態(tài)可以判斷其均為一階諧振頻率。對檢測結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)測得的NEMS諧振器的諧振頻率相比理論諧振頻率明顯偏小,還有某些結(jié)構(gòu)存在特殊的振動模態(tài)。其產(chǎn)生的原因可能為各種非理想因素,如工藝引入的壓應(yīng)