P型硅纳米梁力电特性研究

• 作 者: 邸晓晓
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: NEMS P型硅纳米梁 纳机电系统 静电驱动 杨氏模量 压阻效应 原子力显微镜

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电特性的结构，通过实验手段研究了纳米梁的力电特性。
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，只要实验仪器灵敏度足够高，能够探测出使梁发生弯曲所需要的载荷及弯曲位移，就可以根据欧拉细长梁理论得到杨氏模量。显然，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。振动频率可以很好的反映梁的动态特性，在有些应用中，需要器件工作在线性区，而其它应用中，又需要梁工作在非线性区，通过研究纳米梁的频率随驱动电压的变化关系，就可以得到器件正确的工作状态。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。
在杨氏模量的测试实验中，利用原子力显微镜作为主要测试仪器，对两种晶向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。而在振动频率的测试中，采用静电驱动的纳米梁测试结构，通过激光多普勒测振仪，得到了纳米梁的谐振频率。通过软件近似仿真发现，只有考虑纳米梁锚区被掏空后整个衬底的振动，才能得到实验与仿真较为一致的结果；还通过改变驱动电压的大小，观测到了纳米梁振动的非线性特性。最后测试了在静电力作用下纳米梁的压阻效应。