基于場效應(yīng)管檢測的新型納機電諧振器基礎(chǔ)研究.pdf

1、納機電諧振器的應(yīng)用十分廣泛，可作為新的實驗手段來研究量子物理，并可在高靈敏度傳感器和射頻電路等方面得到直接應(yīng)用，因此得到人們廣泛關(guān)注。 在檢測方面，隨著尺寸的進一步減小，目前應(yīng)用于納機電諧振器的電容、壓阻等檢測方法將遇到信號提取困難，甚至無法工作的問題，必須研究新的檢測方法以滿足應(yīng)用需求。論文提出一種新型場效應(yīng)管檢測方法，即將諧振器作為源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)，SOl硅片襯底作柵電極，構(gòu)成空氣間隙場效應(yīng)管，利用溝道電流檢測諧振器振動，

2、不管諧振器尺寸多大，該效應(yīng)均存在，是一種有效的納機電諧振器檢測方法。建立了初步的理論模型，分析表明，溝道電流可反應(yīng)振動情況，二倍頻分量最易檢測振動；發(fā)現(xiàn)了由機械振動引起場效應(yīng)管輸出特性曲線中的負阻現(xiàn)象，并在實驗中得到驗證。采用等離子體處理工藝解決了掏空后器件不能正常工作的問題。在源、漏電極和柵極間增加去寄生電極有效地消除了寄生信號。 在制作方面，隨著納機電諧振器由梁結(jié)構(gòu)進一步發(fā)展為線結(jié)構(gòu)，目前標(biāo)準(zhǔn)的納米線加工方法不適于批量制作，

3、而新發(fā)展的一些利用材料和工藝特性的加工方法，或工藝、版圖設(shè)計較復(fù)雜，或器件尺寸不容易控制，發(fā)展工藝簡單可靠、可精確控制尺寸的加工方法是納機電諧振器進一步發(fā)展迫切需要解決的問題。論文在制作梁式諧振器時首次發(fā)現(xiàn)了含HF酸溶液選擇性腐蝕PN結(jié)N型區(qū)域現(xiàn)象，對腐蝕機理進行了探討。常溫下腐蝕速率小于1nm/min，腐蝕后樣品表面非常光滑，可用于納米結(jié)構(gòu)的加工?；谠摤F(xiàn)象發(fā)展了一套納機電諧振器加工工藝，完全采用標(biāo)準(zhǔn)MEMs工藝，工藝簡單，通過控制初

4、始SOl硅片頂層硅厚度和BOE腐蝕時間可精確控制納米線尺寸，利用該工藝制作了寬和厚50nm左右的諧振器結(jié)構(gòu)。劉等人提出了一種基于TMAH各向異性腐蝕的諧振器加工工藝，控制氧化厚度及TMAH腐蝕時間可精確控制尺寸。但是該工藝采用氮化硅作TMAH腐蝕的掩膜，而生長和刻蝕氮化硅需要采用LPCVD和Ion Beam，工藝較復(fù)雜。論文采用氧化硅取代氮化硅作TMAH各向異性腐蝕掩膜，改進了該工藝，制作了幾百納米寬，幾十納米厚的樣品。 對實際

5、應(yīng)用來說，噪聲是制約諧振器性能的重要因素；而輻射損傷則是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用必須解決的問題。目前多數(shù)研究者將輻射導(dǎo)致的微/納器件性能改變歸因于電學(xué)性能的改變，而對輻射引起器件機械性能的改變則較少涉及，這對諧振器這類強烈依賴結(jié)構(gòu)機械性能的器件來說，是不夠的。論文建立了初步的微/納機電諧振器噪聲模型，仿真分析表明對于微機電諧振器及目前常見的納機電諧振器來說，諧振頻率附近噪聲主要由布朗噪聲引起，遠離諧振頻率處噪聲由隨機溫度漂移噪聲、Johnson

6、噪聲及布朗噪聲共同決定。高真空、超低溫條件可獲得較好的噪聲性能。對微/納機電諧振器進行了電子和鈷60 γ射線輻射實驗，測得了諧振頻率、Q值等機械性能變化，并且這些變化在常溫下可退火。對結(jié)果進行了初步分析，輻射在材料內(nèi)部引入缺陷，引起內(nèi)應(yīng)力，改變內(nèi)耗，導(dǎo)致材料機械參數(shù)變化，引起諧振器諧振頻率漂移，Q值變化；電子輻射以及鈷60 Y射線輻射引起的缺陷不是永久的，在常溫下可退火。本文提出了一種新型納機電諧振器檢測方法，即場效應(yīng)管檢測方法，該方法

7、不受諧振器尺寸的限制；發(fā)展了一套基于BOE溶液選擇性腐蝕PN結(jié)N型區(qū)域現(xiàn)象的納機電諧振器加工工藝，其工藝簡單，并可精確控制諧振器尺寸；改進了劉等人提出的基于TMAH各向異性腐蝕的納機電諧振器加工工藝；建立了初步的諧振器的噪聲模型；對微/納機電諧振器進行了電子和鈷60 Y射線輻射實驗，并對實驗結(jié)果進行了初步分析。通過本論文的工作，為納機電諧振器的進一步發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，為提高微/納機電諧振器性能，推動微/納機電諧振器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)