基于压阻检测的双端固支硅纳米梁研究

论文摘要

NEMS谐振器作为痕量传感器在生化检测等领域应用获得广泛关注，而纳米尺度下器件的谐振特性检测成为一个关键技术问题。在硅基谐振器特性的主要检测方法中，压阻检测方法因易于实现、易于与器件集成等优点而应用甚多，但是在纳米厚度的NEMS谐振器上形成压阻器件是实现压阻检测的一个挑战。本文工作主要探索硅纳米谐振器上压阻检测的实现方法，以促进器件的实际应用。本文创新性地提出利用Ar离子选择性注入纳米厚度的双端固支硅纳米梁，以形成压阻器件的技术方案。其基本原理是，注入的高能量Ar离子，破坏了硅梁单侧的原子结构，形成纳米厚度的硅无定形区域。未经退火修复的无定型硅中具有大量的断裂价键，其电导率明显下降，而无Ar离子注入的其他部分则保持原有的原子结构和电导率，在纳米梁的厚度方向上形成电导梯度，从而表现出压阻特性。本文总结介绍了微纳器件相关的主要噪声和阻尼机制，对双端固支梁的谐振频率和其谐振模态进行了理论分析计算，完成了NEMS谐振器的结构设计。在比较分析了微纳谐振器的激励方式的基础上，确定以静电激励作为我们实验的激励方式。同时，介绍了硅的压阻性质，并分析了本文工作所涉及的硅纳米梁器件的压阻电阻变化率。本文采用基于MEMS技术的纳米制造方法，重点分析研究了KOH各向异性腐蚀技术的特点，结合体MEMS工艺中的干法刻蚀等关键工艺，在(111)硅片上制作出了厚度约为200nm的双端固支硅纳米梁。利用Ar离子选择性注入方法，在该硅纳米梁上形成了用于实测的压阻器件。本文设计了静电激励和压阻检测电路系统，实现了双端固支硅纳米梁静态和动态特性测量。静态测量表明，Ar离子注入所形成的压阻电阻，相对静态偏置电压的具有0.5％／V左右的变化率。在大气下，实现了双端固支硅纳米梁的谐振特性的检测，得到谐振频率为400KHz，Q值为7.9；对硅纳米梁进行退火后可以获得更高的Q值，达394。我们认为，适度的退火可以对Ar离子注入损伤进行部分修复，降低能量耗散，在保持压阻特性的同时可提高Q值，有利于器件的实际应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 MEMS概述
• 1.1.1 MEMS的概念及主要加工技术
• 1.1.2 MEMS技术的应用
• 1.2 微纳谐振器的应用及技术特点
• 1.3 微纳谐振器的检测方法
• 1.3.1 微纳谐振器谐振特性检测方法概述
• 1.3.2 微纳谐振梁谐振特性的压阻检测方法
• 1.4 本论文所做工作
• 第二章 双端固支硅纳米梁相关理论
• 2.1 双端固支硅纳米梁的力学理论
• 2.1.1 弯曲双端固支纳米梁中的应变和应力
• 2.1.2 双端固支梁自由振动谐振频率计算
• 2.2 微纳谐振器的噪声与Q值
• 2.2.1 微纳谐振器的噪声
• 2.2.2 微纳谐振器的Q值分析及阻尼
• 2.3 微纳谐振器的常用激励方式
• 2.4 硅的压阻效应及在压阻检测方法中的应用
• 2.5 本章总结
• 第三章 基于MEMS技术的双端固支硅纳米谐振梁制作
• 3.1 关键工艺方法介绍
• 3.1.1 基于MEMS技术的纳米结构制作
• 3.1.2 KOH各向异性腐蚀技术在MEMS技术中的应用
• 3.2 基于MEMS技术（111）硅片上双端固支硅纳米梁的制作
• 3.3 本章总结
• 第四章 双端固支硅纳米梁上压阻形成技术
• 4.1 微纳谐振梁上压阻形成技术
• 4.1.1 微纳谐振梁上常用压阻形成技术
• 4.1.2 Ar离子注入形成压阻原理
• 4.2 离子注入原理介绍
• 4.3 双端固支硅纳米梁上Ar离子注入形成压阻
• 4.4 工艺中遇到的难题及解决方法
• 4.5 本章总结
• 第五章 基于压阻效应的双端固支硅纳米梁谐振特性测试
• 5.1 谐振特性检测系统设计
• 5.1.1 谐振系统的静电激励设计
• 5.1.2 谐振系统的压阻检测设计
• 5.1.3 检测电路设计
• 5.2 测量结果及结果分析
• 5.2.1 静态测量结果
• 5.2.2 动态测量结果
• 5.3 本章总结
• 第六章 总结
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历