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随着纳机电系统(NEMS)谐振器尺寸的减小和谐振频率的提高,能否对谐振器的振动实现精确检测已经成为困扰NEMS器件继续发展的主要问题之一。目前NEMS谐振器常用检测方法主要包括磁势拾振、激光干涉检测、单电子器件检测、压阻拾振以及电容拾振等。
本文对各种NEMS谐振器振动特性的检测方法进行了研究,设计加工制作了采用压阻拾振的增加应力集中区域的NEMS谐振器,利用光学检测方法对NEMS谐振器的振动特性进行了成功的检测。针对实验室自行设计的NEMS谐振器,选择了电学检测方法中的电容拾振和压阻拾振进行研究。在电容拾振研究中,分析了电容拾振方法在NEMS领域应用时遇到的问题,即采用电容拾振的双端NEMS谐振器的驱动电极与检测电极间由于存在耦合电容将会导致输入端与输出端的馈通,影响检测信号的信噪比。针对该问题基于双端激励/检测的原理设计了一种简单的对称驱动和检测的电容拾振结构,采用相位相差180°驱动电压消除了检测电极与驱动电极间寄生电容产生的噪声信号,提高了检测信号的信噪比。在压阻拾振研究中,对普通双端固支梁、增加应力集中孔的梁以及H型梁三种不同结构的NEMS谐振器的压阻性能进行了分析。通过Coventor软件模拟表明,在静态偏置电压下增加应力集中区域的梁的压阻灵敏度相对普通结构有了很大的提高,其中H型梁压阻灵敏度最高。建立H型梁的振动模型,对H型梁和普通梁振动状态下的应力进行比较,通过模型计算结果以及Ansys软件模拟结果比较,证明了增加应力集中区域的H型梁的应力相比普通梁得到了明显的提高。本文对压阻和结构的设计参数进行了详细说明,并在流片中加工了部分压阻拾振结构。
本研究设计的NEMS谐振器采用中芯国际的0.18μm工艺进行制造。工艺流程中的金属铝湿法腐蚀以及结构的湿法释放在本实验的超净间完成。讨论了在这两步工艺加工过程遇到的各种问题,如附加的Ti/TiN的腐蚀、结构过度释放、杂质的清洗等；提出了相应的解决方案,最终成功加工出NEMS谐振器。介绍了各种检测NEMS谐振器振动的光学检测方法。采用Polytec激光多普勒测振仪(LDV)在室温和真空的环境下对加工的NEMS谐振器进行振动特性检测,包括谐振频率和振动模态的检测。检测样品为两组,分别为同一芯片上从8μm到12μm不同长度的普通梁和H型梁。检测到的谐振频率为4.85MHz～13.38MHz,通过相位扫描的振动模态可以判断其均为一阶谐振频率。对检测结果进行分析发现测得的NEMS谐振器的谐振频率相比理论谐振频率明显偏小,还有某些结构存在特殊的振动模态。其产生的原因可能为各种非理想因素,如工艺引入的压应力,结构的机械不平衡等。