共振隧穿力电耦合微结构输出特性测试方法研究

论文摘要

为了突破传统的机电转换效应的宏观物理局限,需要研制新一代基于新原理、新效应的具有更高灵敏度、更低功耗的微/纳机电器件。本文主要研究基于量子共振隧穿效应的AlAs/GaAs双势垒纳米薄膜微结构输出特性的测试方法,设计电路提取共振隧穿微结构在外界力作用下的微弱信号,通过大量的实验测试微结构及基于微结构的纳机电加速度计的机电特性。论文研究了共振隧穿微结构的基本特性,包括“平台”结构、本征双稳态特性、自激振荡特性及电荷积累效应,给出了微结构的电学等效模型,设计了共振隧穿振荡器,并研制出振荡频率测试电路;在分析了振荡以及串联电阻的影响后,研制出共振隧穿微结构匹配电桥测试电路;利用应力引起电荷积累变化使得微结构I-V特性曲线峰、谷值电压发生偏移的原理,设计了峰、谷值电压检测电路,并通过实验测试给出结果。在实验方面,测试了微结构负阻区及非负阻区的压阻特性,验证了共振隧穿力电耦合效应;进行了共振隧穿微加速度计的振动台实验,通过动态响应验证了:共振隧穿压阻灵敏度比硅的最大压阻灵敏度高一个数量级;通过加压实验测试了共振隧穿微结构振荡频率随应力的变化关系;利用高低温设备测试了微结构的温漂性能;此外,利用马歇特落锤实验测试了另一种共振隧穿微加速度计的冲击响应,分析了冲击响应谱。本论文的研究验证了共振隧穿微结构的力电耦合效应,验证了基于共振隧穿效应的微加速度计的设计方案和传感机理,为新型高灵敏度纳机电传感器件的成功研制奠定了一定的基础,并为高量程纳机电加速度计的研制提供了一定的实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 第二章 共振隧穿微结构力电耦合测试的理论基础
• 2.1 共振隧穿效应的基本原理
• 2.1.1 共振隧穿量子阱
• 2.1.2 共振隧穿原理
• 2.1.3 共振隧穿微结构中的电流成份
• 2.2 共振隧穿微结构力电耦合效应的原理
• 2.2.1 力电耦合效应
• 2.2.2 共振隧穿压阻效应与硅压阻效应相比的优势
• 2.3 拉曼应力标定理论
• 第三章 共振隧穿微结构输出特性的测试方法分析
• 3.1 共振隧穿微结构的电学等效模型
• 3.2 共振隧穿微结构的“平台”及本征双稳态特性
• 3.3 共振隧穿微结构的自激振荡特性
• 3.4 共振隧穿微结构的电荷积累效应
• 3.5 可行的测试方法分析
• 3.5.1 测试电路方案分析
• 3.5.2 实验测试方案分析
• 第四章 共振隧穿微结构输出特性的测试电路设计
• 4.1 振荡频率测试电路的设计
• 4.2 电桥测试电路的设计
• 4.2.1 串联电阻对共振隧穿微结构负阻区的影响
• 4.2.2 电桥电路设计
• 4.2.3 电桥电路灵敏度的计算
• 4.3 负阻区峰、谷值检测电路的设计
• 4.3.1 扫描电压模块的设计
• 4.3.2 电流放大模块
• 4.3.3 放大及整形电路
• 第五章 实验测试及结果分析
• 5.1 实验所用样品的设计与制作
• 5.1.1 共振隧穿微结构的设计与制作
• 5.1.2 共振隧穿微加速度计的设计与制作
• 5.2 共振隧穿微结构的实验测试及结果分析
• 5.2.1 探针加压实验及结果分析
• 5.2.2 温度特性实验及结果分析
• 5.3 共振隧穿微加速度计的实验测试及结果分析
• 5.3.1 振动台实验
• 5.3.1.1 用电桥测试电路的实验结果及分析
• 5.3.1.2 用负阻区峰、谷值检测电路的实验结果及分析
• 5.3.2 马歇特冲击实验
• 5.3.2.1 冲击响应实验
• 5.3.2.2 冲击响应谱分析
• 5.4 实验总结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果
• 致谢
• 附录