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NEMS(Nano Electro Mechanical System)纳机电系统,是基于MEMS技术而提出的一个新概念,其特征尺寸在几纳米到几百纳米,以机电结合为主要特征,是基于纳米级结构新效应的器件和系统。NEMS系统具有超高的机械谐振频率、高品质因数、超高的质量和力感应灵敏度以及超低的功耗等优点。纳米梁是NEMS中十分基础又具有代表性的结构,是构成传感器,混频器的基础,因此对它的力电特性研究具有重要的现实意义。对于纳米梁的研究,除了在理论上根据分子动力学或量子力学基本原理进行计算、模拟,实验也是研究的一个重要手段。本论文主要从实验的角度,设计了各种用于测试纳米梁力学,电学,力电耦合特性的结构,通过实验手段研究了纳米梁的力学,电学,力电耦合特性。
纳米梁的力学参数中,杨氏模量是一个非常重要的参量,梁的形变、振动等都与其有直接关系。弯曲测试是最常用的一种测试方法,原子力显微镜高分辨率,高精度的特点使其成为实验的良好选择。在一维纳米梁中,由于表面与体积之比很小,电子传输与体材料不同,研究纳米梁的I-V特性很有意义。压阻效应广泛应用于压阻传感器,它要求压阻变化具有很高的灵敏度,纳米量级大于体硅的压阻系数为生产超高灵敏度的传感器提供了可能。
本论文首先给出了纳机电系统的定义以及研究、应用领域,并在此基础上概述了国内外对纳米梁力学、电学、力电耦合特性实验研究的进展。论文针对多种纳米梁力电特性测试结构,利用中芯国际集成电路有限公司标准的0.18μmCMOS工艺线成功释放了二维尺寸均在亚微米尺度的纳米梁。在力学参数杨氏模量的试验中,本文利用原子力显微镜作为主要测试仪器,对重掺杂和非掺杂的纳米梁进行弯曲测试,得到了在本次工艺及尺寸条件下的杨氏模量。而在电学特性的试验中,通过半导体参数测试仪,得到了材料的I-V特性,并就测量方法进行了探讨。最后研究了纳米梁的压阻效应,通过CoventorWare软件模拟了压阻结构的电阻变化率及力灵敏度和位移灵敏度,并推出了压阻系数。