NEMS諧振器振動特性檢測方法研究.pdf

1、隨著納機電系統(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行了研究,設計加工制作了采用壓阻拾振的增加應力集中區(qū)域的NEMS諧振器,利用光學檢測方法對NEMS諧振器的振動特性進行了成功的檢測。針對實驗室自行

2、設計的NEMS諧振器,選擇了電學檢測方法中的電容拾振和壓阻拾振進行研究。在電容拾振研究中,分析了電容拾振方法在NEMS領域應用時遇到的問題,即采用電容拾振的雙端NEMS諧振器的驅動電極與檢測電極間由于存在耦合電容將會導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/檢測的原理設計了一種簡單的對稱驅動和檢測的電容拾振結構,采用相位相差180°驅動電壓消除了檢測電極與驅動電極間寄生電容產生的噪聲信號,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、增加應力集中孔的梁以及H型梁三種不同結構的NEMS諧振器的壓阻性能進行了分析。通過Coventor軟件模擬表明,在靜態(tài)偏置電壓下增加應力集中區(qū)域的梁的壓阻靈敏度相對普通結構有了很大的提高,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)下的應力進行比較,通過模型計算結果以及Ansys軟件模擬結果比較,證明了增加應力集中區(qū)域的H型梁的應力相比普通梁得到了明顯的提高。本文對壓

4、阻和結構的設計參數(shù)進行了詳細說明,并在流片中加工了部分壓阻拾振結構。 本研究設計的NEMS諧振器采用中芯國際的0.18μm工藝進行制造。工藝流程中的金屬鋁濕法腐蝕以及結構的濕法釋放在本實驗的超凈間完成。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、結構過度釋放、雜質的清洗等；提出了相應的解決方案,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。對檢測結果進行分析發(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,還有某些結構存在特殊的振動模態(tài)。其產生的原因可能為各種非理想因素,如工藝引入的壓應